浮法玻璃工厂DCS系统人机界面设计

2021-07-06徐洋李勇

玻璃 2021年6期

徐洋李勇

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司秦皇岛 066001）

0 引言

HMI是Human Machine Interface 的缩写，直译为人机接口，一般称作人机界面或用户界面。简单的说，HMI指的是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，其根本目标是实现系统内部信息、动作形式与人类可以接受形式之间的转换。在现代工厂控制系统里不可或缺的一部分就是人机交互，而交互设计就是设计支持人们工作与生活的交互式产品。一个交互界面的设计者应首先从使用者的角度出发，在满足生产工艺条件的前提下充分考虑使用者的使用习惯，提供简单快捷安全的操作，从而提升用户体验。

1 HMI系统设计原则和标准

1.1 遵从工艺

图1所示是退火窑的俯视图，它包含了1#、2#、 3#主传动控制、显示；热电偶在退火窑相对准确的位置和壳体空间内空气温度显示；退火窑风机的运行、报警、停机显示；电加热功率给定显示及控制，电加热运行及报警显示等。这些仪表和机器的布置是完全按照浮法玻璃退火窑的工艺位置设计，正确合理的排版能让使用者更快更容易的操作软件，提高工作效率和操作的准确性。

图1 退火窑俯视图

1.2 布局合理

合理的布局会更好的引起注意和呈现焦点。HMI构图的核心目的是让用户便捷找到相应的设备。这需要对产品功能主次关系、信息重要层级关系、目标用户群体使用习惯以及用户偏好等进行准确把握，再利用信息框架进行合理设计。相当多的HMI设计者在工作时往往只站在自身的立场，基于自己对用户和交互的理解进行设计，而不是从用户的角度出发，换一种思维方式为客户考量。一个优化的HMI设计会提升系统正常运行品质、节省开机、关机、过渡的时间、避免下载及错误，节省费用、减少培训时间，为使用者营造轻松的工作环境，为操作人员大大降低疲劳。一项研究显示，在高精确度工程仿真器中测试，获得ASM认证的界面，与传统的界面相比较，使用获得认证界面的操作人员的评价为：

（1）更快更连贯地识别错误；

（2）比起传统界面，发现问题速度提高35%～48%；

（3）成功处理问题的速率提高25%。

1.3 分组和汇总同类数据

一个良好的工业HIM界面不仅仅是图形的排布，它还包含着复杂纷乱的数据显示等元素。根据所处位置分组是最直接的方法。信息分组还有很多种方式：同样形状、尺寸或颜色；同一电路连接；同一盒子封装，或用略暗的背景置于背后。属于同一类的分组信息，帮助操作人员理解它们之间的重要连接。也从视觉上简化屏幕，更便于操作人员归纳信息。

1.4 突出重要信息

关注某一列或只注意一组而忽略其他的信息，是环境意识中最常出现的错误。HMI设计者可以通过突出关键的信息，把不太重要的信息设为与背景较一致来提高环境意识。

要先知道什么信息是最重要的，什么信息不太重要。HMI设计者对操作人员任务的研究，能帮助操作人员在正常及非正常情况下，确定相关数据的重要性。

1.5 提供信息，而不仅仅是数据

HMI不仅仅是提供数据，而是提供能让操作人员快速做出判断的信息，通过图2可以了解天然气燃烧的流量是否处于正常水平。

底层为沉积岩或结晶岩；沉积岩按石油钻井技术体系考虑，结晶岩破碎带、漏失带等，强致斜岩石；孔底地层温度约175℃，循环孔底温度约100℃。

图2 天然气流量对比

1.6 简洁化

一个良好的HMI设计，会让用户或者使用者更快的上手操作。不同的用户几乎有一个共同的特点和需求，那就是希望更安全、高效地达到他们的目的。如HMI中增加一个如图3的加速和减速的按钮，用以下C脚本实现：

图3 增减速按钮

一段简单的代码实现了点击“增加”按钮，电机频率增加1 Hz。点击“减少”按钮，电机频率减少1 Hz。频率改变的直接结果就是转速的同比变化。在只需要微调速度的情况下，一次点击即可实现该操作，安全和合理。

1.7 为操作行为提供安全边界

任何工业的HMI设计都要把安全性放在第一位，浮法玻璃工艺对设备操作的安全要求尤为严格。在浮法玻璃工艺的设备控制系统中，主传动是一个非常重要的设备，操作人员在调整主传动速度的时候要非常注意，因为稍有不慎就会造成“断板、满槽”等严重生产安全事故。要避免误操作，就有必要对此设备的速度输入框做主传动的速度限制，也就是每次操作的安全边界。如图4所示。

图4 WINCC输入输出域对象属性

这段代码实现的功能是：在调整主传动速度的时候，禁止主传动的速度偏移量超过0.5 m/min。这样的设置能有效避免误操作，避免主传动电机飞车而造成生产安全事故。

1.8 谨慎使用颜色、声音、符号

如果在任意时刻，很多信息都需要操作人员去关注，那他就无法关注最重要的信息。提高信噪比，重要的信息就不会被埋没。当红色用于报警时，同时也被用作是控制器/阀门状态显示的时候，需要花费超过25%的时间寻找报警。

谨慎使用颜色，因为它会使屏幕变得更复杂。要记住许多颜色及其意义，对操作人员来说是不现实的。要确保操作人员能够区别最重要的元素，不仅仅是颜色，还有报警等。例如，给报警级别标识不同的形状和颜色。

1.9 保持一贯性

HMI界面的一致性原则主要是指在不同的系统之间及应用系统内部具有相似的界面外观、布局、人机交互方式及信息显示格式等。

（2）同一设备用同一个名字；

（3）将屏幕上的各元素组合起来保持一致性。如保持导航条在右下角；

（4）动态数据的显示要与说明性文本区别开来。如动态数据使用明显的蓝色；

（5）用一致的方式，显示相类似的数值。如在小数位置显示相同的数字，按小数点对齐排列成纵队的数据更容易识别。

2 提供反馈

当操作人员与系统信息交互，需要了解他所做的是否正确、有效。HMI设计人员可以建立检查机制，简化操作人员的工作。

（1）如果在屏幕上选中什么，就能指示出选了什么；

（2）如果开始着手某个行动，就指示出该行动正在执行；

（3）重要数据需要设置二次确认，证实所需进行的操作，尤其很少被执行以及会导致重大结果的操作，如速率和流量调整；

（4）输入的数值在期待范围以外。如当期待数值为3.88时，一旦操作人员输入388的时候，系统会拒绝执行。

2.1 提供快速导航

在正常情况下，操作人员经常需要在屏幕间快速切换。如一定要在几个等级间切换，会浪费一定的时间。图5为来自ASM协会的快速导航图。

图5 快速导航

浅导航是在每个界面的同样位置，安置一个按钮。一个按钮直接连接到纵览界面，其他的直接跳转到等级2界面。

“ASM高效操作者界面设计指导”推荐浅导航，所有的等级2界面都容易从HMI中获得。在浅导航中，只需点击三次鼠标，就能从A点移动到B点。

3 浮法玻璃工厂DCS系统HMI发展方向

随着信息科技化的发展，在未来，为了能更好呈现设备和流程状态，HMI不仅仅是为了实现控制和可视化，而是与整个流程的无缝对接，向用户呈现一个栩栩如生的智能系统。同时操作简易性、画面显示高精度也就成了HMI发展的重要因素之一。一个有竞争优势的HMI，必定是一个软硬兼优的结合体。对用户来说，在HMI基础上是需要根据应用要求进行相应开发和定义的。而稳定的、体验佳、易上手、功能强的设计可以为HMI增彩。