不管我們是否意識到，我們大多數人，作為日常消費者，都對人機界面（HMI）的外觀和使用形成了一些自己的看法。這是因為我們經常使用智能手機、網站，甚至汽車上的控制裝置，其實都會涉及到數字化的人機界面。當我們與它們互動時，我們會直觀地理解什么是清楚的，什么是容易執行的，以及哪些是麻煩或困難的。

對于工廠設備和系統而言，專門的工業HMI已經存在了很多年。硬件和軟件經過改進，可以提供更多的選項，但有時會選擇太多，導致配置比實際需要的更復雜。另一方面，綜合標準最近得到了更好的發展。但是，標準并非總是適合每個行業、系統類型或偏好，并且對于HMI必須顯示的所有項目而言，它們可能不夠具體。

工業系統和原始設備制造商（OEM）開發人員，需要HMI并希望它們有用，但他們可能沒有時間或專職人員來創建自己的HMI標準和樣式。解決此問題的最佳選擇通常是簡單化、清晰化，這是一種行之有效的方法，可為HMI提供最佳的態勢感知和可用性。本文提供了規劃和實施有效的工廠自動化HMI的基本技巧和最佳實踐。

圖1：HMI開發環境通常提供許多表示物理設備（例如閥門和泵）和邏輯設備（例如模擬儀表）的設計元素。本文圖片來源：Automation Direct

檢查可用資源

在從頭開始任何設計之前，請先檢查可用資源，這一點很重要。由ISA101和其它組織提供的工業文件和標準提供了HMI設計指南，但很多集中在過程工業、石化行業和核工業上。

根據所用HMI平臺的不同，開發環境可能會提供標準或可選的對象庫，以及用于創建新項目的其它輔助工具，這些資源值得一看。請記住，在將這些庫對象作為公司標準之前，需要進行一些修改。

為新應用創建有效的工廠HMI，通常是一個反復迭代的過程，如果從適用的標準或樣本入手，則可以簡化該過程。定義構建塊對象是一個很好的開端。

確定設計元素

每個最終用戶都可能將典型的行業元素混合使用，例如閥門和泵，還有一些專用組件——所有這些都必須在HMI上顯示。第一步應該是確定將重復使用的元素，并為每個元素創建一個標準設計（參見圖1）。

并非所有的HMI設計元素都與物理設備相關。HMI對象，例如開始/停止按鈕、開/關指示器、配方值和數據輸入標簽等，是HMI與控制器進行交互所必需的邏輯構造，但不一定在任何機械或電氣設計文檔中都有描述。

說到控制器，通常是可編程邏輯控制器（PLC），HMI的開發必須與PLC代碼緊密結合。如果PLC有特殊的設備警報或其它派生值，比如電動機運行時間，那HMI必須處理這些報警。

構建故事板

故事板（storyboard）是一種映射創意過程的方法。它們通常與電影相關，但在創作小說、建筑和軟件方面也可以發揮作用。在開發工廠HMI時，故事板允許設計人員預先計劃所需的屏幕數量和層次結構，以便團隊可以在進行重要的HMI配置工作之前審核流程。

設計師可以使用基于文本的概要、電子表格、草圖或多種技術組合來創建故事板（參見圖2）。無論采用哪種方法，都應具有靈活性，并允許審核團隊理解并幫助做出良好的安排。

故事板應顯示系統、子系統和其它詳細信息是如何相互關聯的，通俗來講就是每個屏幕顯示什么。這種安排在很大程度上取決于自動化的復雜程度以及必須顯示的構件塊對象。

一臺最基本的機器可能只配置一或兩個屏幕，來描繪所有運行條件并為運行人員的交互提供一些對象。更復雜的設備則具有更多的屏幕，其中一些屏幕提供詳細的操作員輸入值、歷史數據趨勢、報警/事件日志以及派生的性能和診斷信息。

一旦工廠自動化的復雜程度達到一定水平，引入HMI組織層級概念可能很有用，例如：

●1級儀表板：提供“概覽”運營信息；

●2級典型控制：簡化的運營屏幕，提供基本的監視和控制選項；

●3級詳細控制：詳細的運營屏幕，比2級提供的信息更多；

●4級特定控件：彈出窗口，非常詳細的配置或診斷信息，不經常使用。

在構建故事板的過程中，切記團隊成員不僅要包括程序員，還包括其它工程學科的人員，以及運營人員、維護成員和管理人員。每個成員都應根據自己的角色做出貢獻。

定義HMI的風格

HMI的風格包含許多外觀、感覺和功能方面的因素。當前“高性能”HMI的概念中，要求顏色最少化，對象簡單化，用戶所采用的必須適合其特定應用（見圖3）。創建HMI樣式指南時，需要注意的事項包括導航和有效性、顏色選擇、數據文本定義、簡單的圖形和可用性。

1.導航設置。常識表明，最重要的控件通常是啟動和停止命令，還有導航按鈕，應始終易于使用。通常做法是在每個屏幕上為這些控件保留一定空間。

彈出窗口通常是較小的屏幕，出現在完整顯示的屏幕前，可用于臨時查看和輸入非常具體的信息，然后將其關閉。有時，允許彈出窗口持續存在會很有幫助，例如比例-積分-微分（PID）調整面板。但是，盡管彈出窗口對不常用的詳細任務有用，但它們可能會干擾正常運營，占用顯示器上的空間，因此應盡量避免使用彈出窗口。

應根據需要使用密碼來保護安全性，但應謹慎使用，以避免鎖定系統和妨礙運營人員。在單個受密碼保護的屏幕上完成機器參數的調整通常很有用。

2.謹慎使用彩色。彩色可用于背景、字體、靜態元素和動畫對象，但它們可能是一個備受爭議的HMI主題。大多數標準建議使用淺灰色背景和灰度對象，并將彩色留給異常工況。這可以提供輕松的可見性，并向用戶指示重要事件。但是，某些行業或設備可能會決定使用彩色。電力行業通常將紅色用于通電（危險），將綠色用于斷電（安全）。如果設備項具有三種顏色編碼的子系統，那么在標題欄上應包括這些顏色，以易于識別。

另外，請避免使用僅依賴于對象的動畫顏色編碼。如果可能，最好提供輔助補充符號來指示狀態或條件的。

3.定義文本數據。樣式還擴展到使用什么字體以及文本是否大寫。僅定義幾種字體來涵蓋必要的方案。為標題和重要內容保留較大字體或粗體字體，為細節保留較小字體。弄清楚哪些值僅用于顯示，哪些值可以由運營人員輸入。包括工程單位和允許范圍。

4.簡化圖形以提升運營效率。數字HMI的主要優點之一，就是能夠為用戶呈現可以識別的圖形圖像和圖標，無需閱讀或減少由于語言障礙而可能造成的誤解。但是，這并不意味著圖形應該是詳細的工程圖、復雜的照片或任何動畫。

相反，現代最佳實踐是在可能的情況下提供簡化的標志性圖形。在某些有限情況下，動畫可能很有用，但它會消耗處理資源，通常被認為會分散注意力。

盡管不鼓勵使用位圖圖像，但有很多充分理由，將它們包含在工廠自動化中。例如，設計者可以將設備和部件的圖像用箭頭標出，以便向用戶清楚地指出發生問題的位置。

5.可用性至上。研究其它有助于操作員完成工作的高級功能。不要只顯示容器的當前液位，而是將液位作為趨勢顯示，以便操作員了解系統最近的運行情況。再進一步，將關鍵指示值通過迷你趨勢在屏幕上顯示。

類似的概念也適用于警報。對于大多數系統而言，指示當前活動警報很重要。帶有日期/時間戳的詳細歷史警報/事件日志，可通過讓用戶查看問題的發展過程來幫助及時故障排除。

圖3：開發并遵循HMI樣式指南，設計人員可以配置直觀的HMI屏幕，操作員可以輕松利用導航功能，監視和控制工廠自動化系統。

情境意識是目標

情境意識的概念是從軍事理論以及最近的航空業發展而來的，但它也適用于工業工廠自動化設計。自動化系統HMI的最終目標，是提供所有相關信息，以便用戶可以了解正在發生的事情，并知道需要采取哪些措施。

雖然大型工程公司或過程設施企業可能有大量資源用于開發HMI，但是，小型的企業、系統集成商和OEM廠商，可以充分利用最新的設計概念。在設計開始時，考慮上述的設計主題和經驗，讓關鍵人員參與進來，以確保創建簡潔且易用的HMI體驗。（作者：Bill Dehner）
編輯：hfy