自20世紀(jì)80年代問世以來，隨著計(jì)算機(jī)在制造業(yè)中的日益普及，人機(jī)界面(HMI)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，優(yōu)化的工廠需要優(yōu)化的HMI設(shè)計(jì)。
HMI的開發(fā)是為了讓人類可以與1970年代引入的可編程邏輯控制器 (PLC)進(jìn)行交互，以取代硬連線繼電器邏輯。在許多方面，PLC和HMI通過提供更大的靈活性、更好的控制和更多的洞察力，徹底改變了制造業(yè)。
不僅僅是技術(shù)得到快速發(fā)展，用戶還學(xué)會(huì)了如何更有效地與之互動(dòng)。按照“多多益善”的原則，這些信息和報(bào)警的數(shù)量越來越多，于是HMI被信息和報(bào)警淹沒。我們不再滿足于知道哪個(gè)變頻器出現(xiàn)故障，還需要有機(jī)會(huì)通知用戶，在可能的300多個(gè)變頻器故障中，是哪一個(gè)導(dǎo)致了問題。
這些都是很好的信息，但很快就變得不堪重負(fù)，并導(dǎo)致了諸如警報(bào)管理和態(tài)勢感知概念等舉措，以更有效地將信息呈現(xiàn)給用戶。在正確的時(shí)間向正確的人提供正確的信息這一概念是這些現(xiàn)代人機(jī)互動(dòng)的基礎(chǔ)。
大多數(shù)HMI仍然在平板顯示器或監(jiān)視器上運(yùn)行，但我們已經(jīng)開始看到下一代HMI的模樣。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和智能眼鏡作為操作員界面已經(jīng)出現(xiàn)在工廠車間，而且已被證明是成功的，其功能主要圍繞維護(hù)和部件組裝。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，逐步與人工智能(AI)和頭戴式顯示器相結(jié)合，在不遠(yuǎn)的將來，我們可能將不再需要顯示器和監(jiān)視器。
1、升級老舊的HMI系統(tǒng)
盡管看起來未來的HMI與當(dāng)前的顯示器和監(jiān)視器不同，但我們?nèi)孕枰卯?dāng)前可用的設(shè)計(jì)和技術(shù)來解決短期問題，使HMI更加用戶友好。操作員與HMI有效交互的能力，直接影響其所控制的生產(chǎn)制造系統(tǒng)的生產(chǎn)率。
有很多過時(shí)的HMI系統(tǒng)正在監(jiān)控生產(chǎn)制造活動(dòng)，其中許多已經(jīng)有幾十年的歷史了。在很多情況下的應(yīng)對策略是：“它仍然有效。我們已經(jīng)學(xué)會(huì)使用它了，最好別碰它。”
硬件和軟件過時(shí)以及網(wǎng)絡(luò)安全問題，通常是HMI升級的觸發(fā)因素，還可以利用新技術(shù)帶來的其它好處。就像有了智能手機(jī)，就沒人想用翻蓋手機(jī)。未來的HMI可以為用戶提供更多實(shí)時(shí)信息，從而做出更明智、更好的決策。
升級老舊的HMI系統(tǒng)，要重點(diǎn)考慮兩個(gè)關(guān)鍵概念：
①保持設(shè)計(jì)不變，但將其遷移至更新的硬件和軟件。
②重新設(shè)計(jì)HMI以解決已知問題，并利用更好的設(shè)計(jì)和最新技術(shù)。
可以為每種情況進(jìn)行論證。通過翻蓋手機(jī)與智能手機(jī)的類比，我們可以很容易地看到前一種方法具有改進(jìn)的機(jī)會(huì)。還應(yīng)注意的是，與HMI部署伊始相比，大多數(shù)制造商現(xiàn)在擁有不同的環(huán)境和員工。
最新一代的員工在移動(dòng)設(shè)備、基于應(yīng)用程序的解決方案以及無處不在的互聯(lián)網(wǎng)訪問(以快速找到解決方案)的陪伴下成長起來。
當(dāng)今的制造環(huán)境，需要更少的勞動(dòng)力、更高的機(jī)器和系統(tǒng)效率、更大的靈活性以及更高的生產(chǎn)率和質(zhì)量目標(biāo)，這就需要更高的HMI性能來支持這些需求。
2、新一代HMI的性能特點(diǎn)
利用最新技術(shù)的HMI現(xiàn)在可以支持更高級的功能，通常作為監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)甚至制造智能(MI)解決方案的一部分提供。
新一代HMI可以支持和利用以下設(shè)計(jì)和功能：
①移動(dòng)性
現(xiàn)在，通過智能手機(jī)和平板電腦可以更方便地提供訪問，而無需重新設(shè)計(jì)屏幕。在正確的時(shí)間，向正確的人提供正確的信息以支持更高效的員工隊(duì)伍，這是關(guān)鍵所在。更廣泛的訪問，也拓寬了參與系統(tǒng)維護(hù)的受眾。不在現(xiàn)場的專家也可以提供來自遠(yuǎn)方的豐富經(jīng)驗(yàn)。新冠疫情證實(shí)了遠(yuǎn)程參與的有效性。
②記分板
在關(guān)鍵操作臺(tái)上添加大型平板顯示器，使操作員可以快速看到需要解決的問題，而無需親往HMI嘗試找到描述問題的屏幕。
③無紙化
以前的表單、電子表格和其它手動(dòng)數(shù)據(jù)跟蹤機(jī)制，現(xiàn)在可以更容易地得到數(shù)字支持。在工廠車間仍然使用有紙化辦公可能真的沒什么必要。
④控制室
隨著勞動(dòng)力越來越少，操作員都需要管理更多自動(dòng)化設(shè)備，控制室等概念則允許操作員一次更有效地監(jiān)控多個(gè)系統(tǒng)。分布式控制室的概念提供了兩全其美的優(yōu)勢：提供了多個(gè)系統(tǒng)的概覽，并具有將其掌握在不斷移動(dòng)的員工手中的靈活性。
⑤態(tài)勢感知
這種HMI設(shè)計(jì)理念允許操作員在灰度背景上使用自定義的顏色編碼，顯示可操作信息，以突出需要注意的事項(xiàng)。這一理念是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作信息的基本范式轉(zhuǎn)變。
⑥報(bào)警管理
任何偏離可接受范圍的報(bào)警都會(huì)讓操作人員不堪重負(fù)，以至于他們會(huì)忽略報(bào)警。開發(fā)優(yōu)先級以區(qū)分可操作警報(bào)和信息警報(bào)，應(yīng)該是任何HMI重新設(shè)計(jì)的一部分。
3、HMI設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢
HMI標(biāo)準(zhǔn)化是有效利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心概念。標(biāo)準(zhǔn)化涉及圖形標(biāo)準(zhǔn)、命名慣例和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)概念等，例如一致的外觀和觀感，以提高車間的效率。這是應(yīng)用易于識(shí)別的視覺效果來提高生產(chǎn)力的最佳做法。隨著標(biāo)準(zhǔn)化在企業(yè)規(guī)模上的應(yīng)用，總體效益成倍增長。
在系統(tǒng)和機(jī)器層面，標(biāo)準(zhǔn)化提供了一致性，以提高用戶對期望運(yùn)行方式的信心。例如，每次使用時(shí)，返回主菜單的按鈕都應(yīng)布置在同一區(qū)域。如果在不同屏幕的位置不同，則會(huì)導(dǎo)致混亂和效率低下。此外，如果很少訪問的設(shè)備的控制，與頻繁訪問設(shè)備的控制相同，那么用戶將有一個(gè)如何與它們交互的基本概念。
使得在現(xiàn)場不同制造系統(tǒng)之間移動(dòng)的人員，不管分配的任務(wù)如何，都能了解控件如何工作。制造系統(tǒng)之間一致的控制，有利于運(yùn)行人員更無縫地在多個(gè)系統(tǒng)上高效工作。此外，維護(hù)也得益于跨系統(tǒng)一致的故障排除功能。例如，A線上的電機(jī)故障報(bào)告和重置方式，與B線上的電機(jī)完全相同。一致的HMI系統(tǒng)，減少了對新運(yùn)行和維護(hù)人員培訓(xùn)的工作量。
HMI標(biāo)準(zhǔn)化的最大好處來自于企業(yè)層面。在站點(diǎn)之間移動(dòng)的工作人員知道如何更效地進(jìn)行操作和排除故障。培訓(xùn)和文檔也變得更加高效。從開發(fā)的角度來看，具有經(jīng)驗(yàn)證的最佳實(shí)踐的運(yùn)營可以在整個(gè)企業(yè)中利用解決方案。
例如，工廠A可能有更多的工藝經(jīng)驗(yàn)，而工廠B有更多的包裝經(jīng)驗(yàn)。工廠A可以利用兩個(gè)站點(diǎn)的工藝解決方案，而工廠B可以利用包裝解決方案。標(biāo)準(zhǔn)化允許兩個(gè)工廠共享解決方案，并最大限度地提高多個(gè)站點(diǎn)的能力。結(jié)果是一個(gè)無縫的工作流程，讓員工以更高的績效水平運(yùn)行。
一個(gè)好的人機(jī)界面應(yīng)該易于使用，并隨時(shí)為用戶提供態(tài)勢感知。
標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面還有助于快速輕松地進(jìn)行變更或更新培訓(xùn)，并且使新員工培訓(xùn)在整個(gè)員工隊(duì)伍中保持一致。
標(biāo)準(zhǔn)化人機(jī)界面的3個(gè)重要優(yōu)勢是：
①提高生產(chǎn)率
HMI系統(tǒng)的易用性和功能性，將提高整體設(shè)備效率和勞動(dòng)力生產(chǎn)率。更新后的控制系統(tǒng)使生產(chǎn)中的啟動(dòng)、停止、故障排除和變更變得更容易。
②易于理解的技術(shù)
除了提高運(yùn)行人員的生產(chǎn)效率，其它任務(wù)也得到了改進(jìn)?？梢院喕嘤?xùn)、故障排除和生產(chǎn)線的變更。訓(xùn)練有素的生產(chǎn)線操作員，可以隨時(shí)走近HMI，輕松了解特定生產(chǎn)階段的情況。應(yīng)用編程標(biāo)準(zhǔn)使得用戶可以通過HMI更深入地了解控制，以接收有關(guān)工況的更多信息。
③成本效率
通過降低設(shè)備問題解決和變更所需的停機(jī)時(shí)間，提高操作員、維護(hù)和工程人員的生產(chǎn)效率，快速實(shí)現(xiàn)HMI標(biāo)準(zhǔn)化的投資回報(bào)。重要的是要專注于功能、外觀良好的高效HMI設(shè)計(jì)。華麗的動(dòng)畫和軟件在HMI演示中可能看起來令人印象深刻，但它們對HMI的有效性并沒有貢獻(xiàn)。事實(shí)上，它們減慢了操作員對設(shè)備和信息的導(dǎo)航速度。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的信息才是HMI的最佳實(shí)踐。
4、呈現(xiàn)信息而不僅僅是數(shù)據(jù)
先進(jìn)的軟件和硬件技術(shù)，為下一代HMI提供了呈現(xiàn)信息而不僅僅是數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。它為用戶提供了大量數(shù)據(jù)，但挑戰(zhàn)在于使用時(shí)提取可操作的信息。
HMI的靈活性可以將信息傳遞到車間的任何位置，而車間的大型平板顯示器或記分板，可以將信息提供給需要的用戶。用戶可以一目了然地了解生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，顯示故障、警告、質(zhì)量問題以及已確定的關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)和生產(chǎn)目標(biāo)。該實(shí)時(shí)信息允許操作員做出適當(dāng)?shù)臎Q定和變更，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
其它交互式界面設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦，也可以連接到企業(yè)中任何需要的地方，向需要的人提供定制和標(biāo)準(zhǔn)化的可操作信息視圖。智能手機(jī)提供了一個(gè)了解KPI、關(guān)鍵故障和質(zhì)量問題的窗口，從而能夠做出更高級別的決策，從而實(shí)現(xiàn)卓越的整體運(yùn)營。
平板電腦可提供用于診斷和故障排除的移動(dòng)無線HMI。使用平板電腦作為故障排除工具，將HMI放在技術(shù)人員需要的地方，通常在工廠車間，并且始終在移動(dòng)中。
5、改進(jìn)工作流程的4種方法
工作流程軟件為HMI提供了邏輯擴(kuò)展。HMI提供了一個(gè)“這是正在發(fā)生的事情，這里出錯(cuò)了”的視圖。共享工作流程，提供了關(guān)于報(bào)警或質(zhì)量問題的根本原因所處位置的信息，以及為糾正該問題而采取的措施。在新一代HMI中增加標(biāo)準(zhǔn)化工作流程，將運(yùn)營效率提升到了一個(gè)新的水平。
工作流程可以通過幾種不同的方式應(yīng)用：
①標(biāo)準(zhǔn)操作程序：精簡并發(fā)送一致的信息，說明應(yīng)如何完成工作。
②更換和機(jī)器設(shè)置：跟蹤關(guān)鍵的計(jì)劃停機(jī)事件，并在不生產(chǎn)時(shí)提供反饋以提高效率。
③在線參考和文件：在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和地點(diǎn)提供相關(guān)參考信息；通過快速參考、單點(diǎn)課程和交互式教程補(bǔ)充培訓(xùn)。
④故障糾正：提供機(jī)器停機(jī)、質(zhì)量問題和性能偏差的故障排除程序。
從工作流程中收集的數(shù)據(jù)提供了一個(gè)記錄了何時(shí)發(fā)生何種情況的電子記錄，以確保遵循程序。這有助于實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)的持續(xù)改進(jìn)計(jì)劃。
在智能HMI的支持下，通過配備并主動(dòng)廣播信息，運(yùn)行和技術(shù)人員可以自信地?zé)o縫地在設(shè)施中移動(dòng)，從而將生產(chǎn)保持在最高水平。
工作流程通過提供對標(biāo)準(zhǔn)程序、故障排除指南和有價(jià)值的參考資料的實(shí)時(shí)和相關(guān)訪問來增強(qiáng)培訓(xùn)。關(guān)鍵故障和質(zhì)量問題的自動(dòng)上報(bào)，可確保在合適的時(shí)間通知合適的人員采取合適的行動(dòng)。
新一代HMI為運(yùn)行和技術(shù)人員創(chuàng)造了一個(gè)環(huán)境，使他們能夠跟上生產(chǎn)制造的步伐，并展望未來，幫助企業(yè)做出對長遠(yuǎn)發(fā)展更有益的決策。
關(guān)鍵概念：
■標(biāo)準(zhǔn)化 HMI 帶來的優(yōu)勢包括：提高生產(chǎn)率、易于理解的技術(shù)和成本效率。
■利用最新技術(shù)的 HMI 可以支持更高級的功能。
■新一代HMI創(chuàng)造了一個(gè)環(huán)境，讓運(yùn)行和技術(shù)人員可以跟上生產(chǎn)制造的步伐。
作者：Chris Parkinson
相關(guān)閱讀
◆西門子HMI接地規(guī)范
◆P&ID圖中哪些儀表功能標(biāo)志及圖形要體現(xiàn)在HMI上
