一个新的工业时代来临：告别老旧HMI，升级到高性能HMI

杂乱的老旧 HMI 界面的示例。图片来源 ：Maverick Technologies

作者 | Brian Bolton

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在开始实施软、硬件升级项目时，高性能的人机界面（HMI）有助于更好地控制制造过程和实现效率提升。

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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。

▎图 2 ：炼油厂原油装 置操作控制台的典型 界面设计。

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。

1

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。

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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。

3

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。