一个新的工业时代来临：告别老旧HMI，升级到高性能HMI

　　一个新的工业时代即将来临，随之而来的是诸如机器学习、人工智能（AI）、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）之类的创新技术浪潮。这些先进技术为企业创造了价值，更重要的是，它为我们创造了更安全的工作环境。制造业开始利用更先进的自动化，以改善其生产流程，并升级或更换其过时的控制系统和软件。对于许多人来说，这是一个绝佳的创新机会，而不单单是复制其系统和软件。

　　为了利用最新技术并确保制造过程的持续平稳运行，应在人机界面（HMI）方面多加注意，因为这是运行人员每天都要使用的工具。HMI可应用于过程控制系统的各个方面，并且可以在合适的时间、将合适的关键数据提供给合适的人员，这一点至关重要。向高性能HMI过渡，有助于提高运行人员有效管理运营的能力，并改善对报警和其它异常工况的响应。

　　高性能HMI系统的升级可能充满挑战，并且可能需要大量的时间和资源投资，这取决于系统的规模和范围。但是，高性能HMI系统所带来的收益可能也会远远超过前期投资。

　　早期HMI设计的问题

　　升级老旧HMI的最大挑战之一，是基于现有的设计，将屏幕转换为新的或不同的格式。当控制系统变得更复杂，需要实时过程控制画面时，就需要有人负责开发屏幕界面（见图1）。在大多数情况下，他们使用管道仪表图（P&ID）来创建画面界面，并提出了自己的一组最佳实践，来实现“好”的外观。在大多数情况下，这都没有问题。

　　但是，HMI画面可能由不同人员创建，经过多年的发展，颜色和报警可能会不一致。这些画面色彩醒目，往往使运行人员感到困惑，无法一眼就是识别出过程运行的好坏。此外，画面是按页面组织的，犹如带标签的书。一些页面有自定义的下拉列表，另一些页面有画面链接列表，运行人员需要选择后退按钮才能更换页面。有些设计过于简单，而另一些则非常复杂。对于不熟悉整体外观和过程的人来说，这种显示模式可能会让人不做所措。

　　从某种意义上说，低性能的HMI画面已经建立，并且很多仍在使用中。一般认为，设计不良的HMI以及配置不当的过程报警，是造成重大工业事故的重要原因之一。

　　HMI画面标准化

　　预先建立画面标准，是解决这些设计问题的关键。它们有助于指导整个过程和整个公司的愿景。最新的高性能HMI软件，采用了多层方法。

　　其标准指南旨在优化最终用户体验，并鼓励创建画面层次结构，以建立合理的画面。利用高性能的人机界面，信息（数据）将工况呈现给运行人员。运行人员可以使用多级层次结构，快速导航到所需的画面，或者向下逐步深入至更详细的显示画面。仪表板包含带有按钮或链接的概述，这些按钮或链接可以打开画面，以提供设施中特定区域更多详细信息。

　　获得运营人员的支持

　　在实施高性能HMI升级之前，获得运营人员的认可至关重要。如果想要从不同于现有布局或管道和仪表图（P&ID）的来源获取内容时，就会遇到阻力。运行人员更喜欢传统画面，并倾向于遵循旧的思维定式：“使屏幕看起来完全像现场。”

　　不愿意改变是可以理解的。对于许多设施而言，运行人员和工程师在如何利用菜单和报警来驱动传统HMI屏幕方面，已经花费了大量时间。他们希望任何新屏幕都能适合同样的方案。某些设施还配置了广泛的数据库驱动的布局和对象位置，这意味着将两者结合在一起并不容易。

　　改进，应当从前期计划、准备和培训开始。在全面开始设计屏幕之前，了解工艺过程以及画面和对象的工作方式至关重要。花时间对人员进行培训，逐步开始创建部分小屏幕，并使用测试用可编程逻辑控制器（PLC）代码来模拟设备。此过程是最基本的，不需要花费很多时间。

　　制造商可以利用高性能HMI来开发屏幕组，识别需要通用设备显示的通用场景，并根据各种工况确定如何与报警进行交互。高性能HMI软件的多级导航功能，可以帮助运行人员更快、更可靠地优化、改进流程，减轻安全风险。通过预先测试和培训，运行人员可以亲身体会上述特性。最后，从一开始就让运行人员参与进来，并获取他们的意见，使他们成为流程的一部分，可以降低变革的阻力。

　　态势感知

　　重要的是在规划和实施高性能HMI时，需要记住一些关键因素，这一点事关成败。运行人员经常会遇到以下问题：

　　●屏幕太多；
　　●输入/输出（I/O）过载；
　　●过量报警。

　　另请注意，过程控制级别的HMI画面，旨在具有控制面板的外观和使用体验。运行人员应将画面视为运营工艺过程的手段，并提供监视其控制对象的能力。

　　这一切都可归结为态势感知，国际自动化协会的ISA-101标准将其定义为“在任何给定时间点上，运行人员对工厂状况的了解与其实际状况之间的关系。”高性能的HMI画面将增强态势感知能力，使其更容易识别系统内的异常。例如，一眼就能识别出液位高或液位高高报警的料罐。

　　HMI概念设计

　　经过培训的技术负责人，应带领关键工程师和运行人员召开概念设计会，这是一个设计过程，可以帮助定义、开发和组织新的高性能HMI画面布局和层次结构的视觉展示。画面之间的导航，必须是直观且本能的（请参见图2）。这往往是多步骤过程，对于制造工厂中的典型操作控制台，可能需要几天时间。
 

　　完成概念设计后，整个过程将有助于确定所需画面的类型和数量。它还减少了显示屏上的多余信息和画面。这是一个重要机会，可以让关键人员参与进来，并获得他们的输入。

　　其它HMI工具和注意事项

　　在考虑高性能HMI时，其它工具和需要注意的事项包括报警管理、可视化工具和只读远程访问。

　　报警管理。 HMI软件和报警管理应齐头并进。标准和报警管理的重要性推动了HMI软件的改进。已经开发了报警管理标准（例如ANSI / ISA-18.2）来解决令人生厌的报警、报警泛滥、报警容错、报警停滞等问题。设计不佳的报警系统，可能与根本没有报警系统一样严重。
　　现在，可以将供应商提供的数据历史记录工具配置成包括报警。在过程控制网络外部使用报警管理软件，可以将报警监视职责分散给不在过程控制区域中的工作人员。对于涉及非过程关键细节的报警，利用通知可以使运行人员更专注于过程以及更关键的报警。

　　可视化工具。由于设施决策者分布在各个部门之间，因此他们要访问过程控制HMI画面，就需要额外的过程控制终端。但是，在过程区域之外使用这些终端，不是安全或有效的做法。相反，使用过程历史数据库来实时捕获并记录过程控制数据，这样在过程控制网络外部就可以共享和可视化此信息。

　　现在，罗克韦尔自动化、OSIsoft、Wonderware和AspenTech等很多供应商，都提供了与数据历史数据库打包出售的可视化工具。这些可视化工具，允许使用高性能HMI画面工具包中的大多数类似功能，这样决策者就可以使用它们。一些可视化工具甚至更加复杂并提供了更多功能。实际上，某些可视化工具使用HTML5语言绘制画面，具有伸缩性，使其可在几乎任何设备上使用。能够使用过程控制数据实时创建HMI画面，可以在整个组织范围内提高可视性。

　　只读远程访问。很多供应商还提供了可用于创建画面显示的工具集，这些画面几乎是过程控制系统HMI画面的翻版。这使过程控制网络外部的决策者，能够实时查看运行人员正在监视和查看的内容。本质上，这将过程控制画面以“只读”格式，扩展到组织内任何人的台式机或笔记本电脑上，而不必担心过程会受到任何影响。此只读视图还可确保使用可视化工具监视过程的任何人，使用的画面总是正确。

　　有了经过适当认证并且连接到互联网的设备，决策者就可以使用手持设备，从几乎任何地方查看过程控制画面和数据。例如，随着新产品、新批次或新过程被引入到生产车间，研发机构能够在过程控制网络之外使用和监视画面。多年以来，要让新的初创公司参与到研发工作，他们就必须亲自前往实际地点，这会大大增加研发过程的成本。

　　由于消除了更改或控制过程的危险，因此可以降低过程控制系统内所有意外或有意操作的威胁。部署适当的安全措施，远程人员将无法更改画面文件。

　　尽早进行规划

　　对于任何高性能HMI或整个系统和软件升级项目，制造商必须权衡其战略投资选择，并尽早进行规划，以免产生大量成本。硬件和软件升级项目，需要整体规划和审慎的前期计划，其中包括长期成本、维护和维持服务，这是整体策略的一部分。在开始之前，请考虑以下事项：

　　●根据自动化和过程控制硬件和软件确定设施的位置。了解设施的当前功能是未来计划的关键。在某些情况下，当前处理能力是足够的，但并不意味着在未来也是足够的。

　　●必须仔细考虑硬件是否与当前的过程控制软件和软件更新兼容。硬件必须足够灵活，以支持未来的软件升级。在某些情况下，HMI软件可能包含一些改进和功能，可能需要对过程控制系统画面进行重大更新。对于从未将HMI画面更新为高性能HMI的设施来讲，控制系统升级项目是实施该软件的绝佳机会，在早期规划阶段识别任何潜在的系统兼容性问题。

　　●自动化投资不是一次性的。过程控制系统中使用的硬件可能总有一天会损坏或更换。新设备可能太先进，无法恰好安装在旧设备上。制定计划，或制定时间表不断改进过程控制硬件和软件，以使其保持最新状态，可以防止出现潜在的重大问题，进而控制成本。

　　●不要等待太久。在升级过程控制系统硬件和软件方面，公司等待的时间越长，该项目将变得更加复杂和昂贵。当今的软件和硬件，在不断的改进和发展，没有任何放缓的迹象。仔细选择能够满足工厂即时需求并保持向后兼容的技术和产品。高性能HMI升级项目可能很复杂，并且需要大量时间和资源来设计和开发。

　　●除了熟悉工艺流程的工作人员外，还应邀请硬件和软件供应商来协助项目。 对于缺乏可用资源来实施此类项目的企业，应考虑咨询可信的第三方自动化解决方案提供商，不管使用什么类型的过程控制系统，使用哪种软件，他们都可以帮助设计、开发、创建、实施和维护系统以及高性能HMI画面。

　　实现更高效的控制

　　从最初的自动化项目开始，HMI画面已经走过了很长的路。重要的是要认识到，15到20年前的画面已经过时了。规划和实施高性能HMI项目升级，可以推动每个人（从运行人员到决策者）工作效率的提高。在开始硬件和软件升级项目时，请考虑实施高性能HMI画面，以更好地控制制造过程和系统。

　　毫无疑问，随着时间的流逝，技术以及对制造过程的可视化需求将继续发展。由于机器变得越来越智能，AI也不断提高，业界会受益于高性能HMI画面带来的其它变化。训练有素的员工队伍，能够按照标准规范设计画面，并确保其在一段时间内的相关性，这对获得成功至关重要。  （作者：Brian Bolton）