雜亂的老舊 HMI 介面的示例。圖片來源 ：Maverick Technologies

作者 | Brian Bolton

“

在開始實施軟、硬體升級專案時，高效能的人機介面（HMI）有助於更好地控制製造過程和實現效率提升。

”

一個新的工業時代即將來臨，隨之而來的是諸如機器學習、人工智慧（AI）、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）之類的創新技術浪潮。這些先進技術為企業創造了價值，更重要的是，它為我們創造了更安全的工作環境。製造業開始利用更先進的自動化，以改善其生產流程，並升級或更換其過時的控制系統和軟體。對於許多人來說，這是一個絕佳的創新機會，而不單單是複製其系統和軟體。

為了利用最新技術並確保製造過程的持續平穩執行，應在人機介面（HMI）方面多加註意，因為這是執行人員每天都要使用的工具。HMI 可應用於過程控制系統的各個方面，並且可以在合適的時間、將合適的關鍵 資料提供給合適的人員，這一點至關重要。向高效能 HMI 過渡，有助於提高執行人員有效管理運營的能力，並改善對報警和其它異常工況的響應。

高效能 HMI 系統的升級可能充滿挑戰，並且可能需要大量的時間和資源投資，這取決於系統的規模和範圍。但是，高效能 HMI 系 統所帶來的收益可能也會遠遠超過前期投資。

早期HMI設計的問題

升級老舊 HMI 的最大挑戰之一，是基於 現有的設計，將螢幕轉換為新的或不同的格 式。當控制系統變得更復雜，需要實時過程 控制畫面時，就需要有人負責開發螢幕介面 （見圖 1）。在大多數情況下，他們使用管道 儀表圖（P&ID）來建立畫面介面，並提出了自己的一組最佳實踐，來實現“好”的外觀。在大多數情況下，這都沒有問題。

但是，HMI 畫面可能由不同人員建立， 經過多年的發展，顏色和報警可能會不一致。這些畫面色彩醒目，往往使執行人員感到困惑，無法一眼就是識別出過程執行的好壞。此外，畫面是按頁面組織的，猶如帶標籤的書。一些頁面有自定義的下拉列表，另一些頁面有畫面連結列表，執行人員需要選擇後退按鈕才能更 換頁面。有些設計過於簡單，而另一些則非常 複雜。對於不熟悉整體外觀和過程的人來說，這種顯示模式可能會讓人不做所措。

從某種意義上說，低效能的 HMI 畫面已 經建立，並且很多仍在使用中。一般認為， 設計不良的 HMI 以及配置不當的過程報警， 是造成重大工業事故的重要原因之一。

HMI 畫面標準化

預先建立畫面標準，是解決這些設計問題的關鍵。它們有助於指導整個過程和整個公司 的願景。最新的高效能HMI軟體，採用了多層方法。

其標準指南旨在最佳化終端使用者體驗，並鼓勵建立畫面層次結構，以建立合理的畫面。利用高效能的人機介面，資訊（資料）將工況呈現給執行人員。執行人員可以使用多級層次結構，快速導航到所需的畫面，或者向下逐步深入至更詳細的顯示畫面。儀表板包含帶有按鈕或連結的概述，這些按鈕或連結可以開啟畫面，以提供設施中特定區域更多詳細資訊。

獲得運營人員的支援

不願意改變是可以理解的。對於許多設施 而言，執行人員和工程師在如何利用選單和報 警來驅動傳統 HMI 螢幕方面，已經花費了大量時間。他們希望任何新螢幕都能適合同樣的 方案。某些設施還配置了廣泛的資料庫驅動的 佈局和物件位置，這意味著將兩者結合在一起 並不容易。

改進，應當從前期計劃、準備和培訓開始。在全面開始設計螢幕之前，瞭解工藝過程以及 畫面和物件的工作方式至關重要。花時間對人 員進行培訓，逐步開始建立部分小螢幕，並使用測試用可程式設計邏輯控制器（PLC）程式碼來模 擬裝置。此過程是最基本的，不需要花費很多時間。

製造商可以利用高效能 HMI 來開發螢幕 組，識別需要通用裝置顯示的通用場景，並根 據各種工況確定如何與報警進行互動。高效能 HMI 軟體的多級導航功能，可以幫助執行人員更快、更可靠地最佳化、改進流程，減輕安全風 險。透過預先測試和培訓，執行人員可以親身 體會上述特性。最後，從一開始就讓執行人員參與進來，並獲取他們的意見，使他們成為流 程的一部分，可以降低變革的阻力。

態勢感知

重要的是在規劃和實施高效能 HMI 時，需要記住一些關鍵因素，這一點事關成敗。運 行人員經常會遇到以下問題 ：

• 螢幕太多 ；

• 輸入 / 輸出（I/O）過載 ；

• 過量報警。

另請注意，過程控制級別的 HMI 畫面，旨在具有控制面板的外觀和使用體驗。執行人員應將畫面視為運營工藝過程的手段，並提供監視其控制物件的能力。

這一切都可歸結為態勢感知，國際自動化協會的 ISA-101 標準將其定義為“在任何給定時間點上，執行人員對工廠狀況的瞭解與其實 際狀況之間的關係。”高效能的 HMI 畫面將增強態勢感知能力，使其更容易識別系統內的異常。例如，一眼就能識別出液位高或液位高高報警的料罐。

HMI 概念設計

經過培訓的技術負責人，應帶領關鍵工程師和執行人員召開概念設計會，這是一個設計過程， 可以幫助定義、開發和組織新的 高效能 HMI 畫面佈局和層次結構 的視覺展示。畫面之間的導航， 必須是直觀且本能的（請參見圖2）。這往往是多步驟過程，對於 製造工廠中的典型操作控制檯， 可能需要幾天時間。

▎圖 2 ：煉油廠原油裝 置操作控制檯的典型 介面設計。

完成概念設計後，整個過程 將有助於確定所需畫面的型別和 數量。它還減少了顯示屏上的多 餘資訊和畫面。這是一個重要機 會，可以讓關鍵人員參與進來， 並獲得他們的輸入。

其它 HMI 工具和注意事項

在考慮高效能 HMI 時，其它工具和需要注意的事項包括報警管理、視覺化工具和只讀遠端訪 問。

1報警管理

HMI 軟體和報警 管理應齊頭並進。標準和報警管 理的重要性推動了 HMI 軟體的改 進。已經開發了報警管理標準（例 如 ANSI / ISA-18.2）來解決令人 生厭的報警、報警氾濫、報警容錯、 報警停滯等問題。設計不佳的報 警系統，可能與根本沒有報警系 統一樣嚴重。

現在，可以將供應商提供的 資料歷史記錄工具配置成包括報 警。在過程控制網路外部使用報 警管理軟體，可以將報警監視職 責分散給不在過程控制區域中的 工作人員。對於涉及非過程關鍵 細節的報警，利用通知可以使運 行人員更專注於過程以及更關鍵 的報警。

2視覺化工具

由於設施決策者分佈在各個部門之間，因此他 們要訪問過程控制 HMI 畫面，就需要額外的過程控制終端。但是，在過程區域之外使用這些終端， 不是安全或有效的做法。相反， 使用過程歷史資料庫來實時捕獲 並記錄過程控制資料，這樣在過 程控制網路外部就可以共享和可 視化此資訊。

現在，羅克韋爾自動化、OSIsoft、Wonderware 和 AspenTech 等很多供應商，都提供了與資料歷史資料庫打包出售的視覺化工具。這些視覺化工具， 允許使用高效能 HMI 畫面工具包中的大多數類似功能，這樣決策 者就可以使用它們。一些視覺化工具甚至更加複雜並提供了更多功能。實際上，某些視覺化工具使用 HTML5 語言繪製畫面，具有伸縮性，使其可在幾乎任何裝置上使用。能夠使用過程控制資料實時建立 HMI 畫面，可以在整個組織範圍內提高可視性。

3只讀遠端訪問

很多供應商還提供了可用於建立畫面顯示的工具集，這些畫面幾乎是過程控 制系統 HMI 畫面的翻版。這使過 程控制網路外部的決策者，能夠 實時檢視執行人員正在監視和查 看的內容。本質上，這將過程控 制畫面以“只讀”格式，擴充套件到 組織內任何人的桌上型電腦或筆記本 電腦上，而不必擔心過程會受到 任何影響。此只讀檢視還可確保 使用視覺化工具監視過程的任何 人，使用的畫面總是正確。

有了經過適當認證並且連線到網際網路的裝置，決策者就可以使用手持裝置，從幾乎任何地方 檢視過程控制畫面和資料。例如，隨著新產品、新批次或新過程被引入到生產車間，研發機構能夠 在過程控制網路之外使用和監視畫面。多年以來，要讓新的初創 公司參與到研發工作，他們就必 須親自前往實際地點，這會大大 增加研發過程的成本。

由於消除了更改或控制過程 的危險，因此可以降低過程控制系統內所有意外或有意操作的威 脅。部署適當的安全措施，遠端 人員將無法更改畫面檔案。

儘早進行規劃

對於任何高效能 HMI 或整個系統和軟體升級專案，製造商必須權衡其戰略投資選擇，並儘早 進行規劃，以免產生大量成本。硬體和軟體升級專案，需要整體規劃和審慎的前期計劃，其中包括長期成本、維護和維持服務， 這是整體策略的一部分。在開始之前，請考慮以下事項 ：

• 根據自動化和過程控制硬體和軟體確定設施的位置。瞭解設施的當前功能是未來計劃的關 鍵。在某些情況下，當前處理能力是足夠的，但並不意味著在未來也是足夠的。

• 必須仔細考慮硬體是否與 當前的過程控制軟體和軟體更新 相容。硬體必須足夠靈活，以支 持未來的軟體升級。在某些情況下，HMI 軟體可能包含一些改進 和功能，可能需要對過程控制系 統畫面進行重大更新。對於從未將 HMI 畫面更新為高效能 HMI 的 設施來講，控制系統升級專案是 實施該軟體的絕佳機會，在早期規劃階段識別任何潛在的系統兼 容性問題。

• 自動化投資不是一次性的。過程控制 系統中使用的硬體可能總有一天會損壞或更換。新裝置可能太先進，無法恰好安裝在舊裝置上。制定計劃，或制定時間表不斷改進過程控制硬體和軟體，以使其保持最新狀態， 可以防止出現潛在的重大問題，進而控制成本。

• 不要等待太久。在升級過程控制系統硬體和軟體方面，公司等待的時間越長，該專案將變得更加複雜和昂貴。當今的軟體和硬體，在不斷的改進和發展，沒有任何放緩 的跡象。仔細選擇能夠滿足工廠即時需求並 保持向後相容的技術和產品。高效能 HMI 升級專案可能很複雜，並且需要大量時間和資源來設計和開發。

• 除了熟悉工藝流程的工作人員外，還應邀請硬體和軟體供應商來協助專案。對於缺 乏可用資源來實施此類專案的企業，應考慮諮詢可信的第三方自動化解決方案提供商，不管 使用什麼型別的過程控制系統，使用哪種軟體， 他們都可以幫助設計、開發、建立、實施和維 護系統以及高效能 HMI 畫面。

實現更高效的控制

從最初的自動化專案開始，HMI 畫面已經走過了很長的路。重要的是要認識到，15 到 20 年前的畫面已經過時了。規劃和實施高效能 HMI 專案升級，可以推動每個人（從執行人員到決策者）工作效率的提高。在開始硬體和軟體升級專案時，請考慮實施高效能 HMI 畫面，以更好地控制製造過程和系統。

毫無疑問，隨著時間的流逝，技術以及對 製造過程的視覺化需求將繼續發展。由於機器 變得越來越智慧，AI 也不斷提高，業界會受益 於高效能 HMI 畫面帶來的其它變化。訓練有 素的員工隊伍，能夠按照標準規範設計畫面， 並確保其在一段時間內的相關性，這對獲得成 功至關重要。