HMI是HumanMachineInterface的縮寫(xiě)，即“人機(jī)接口”，也叫人機(jī)界面。HMI人機(jī)界面是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面。

hmi人機(jī)界面包括什么

人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。

根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級(jí)不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運(yùn)行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下的畫(huà)面組態(tài)軟件。使用者都必須先使用HMI的畫(huà)面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過(guò)PC機(jī)和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運(yùn)行。

HMI人機(jī)界面產(chǎn)品的基本功能及選型指標(biāo)

1）設(shè)備工作狀態(tài)顯示;

2）數(shù)據(jù)、文字輸入操作，打印輸出;

3）生產(chǎn)配方存儲(chǔ)，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄;

4）簡(jiǎn)單的邏輯和數(shù)值運(yùn)算;

5）可連接多種工業(yè)控制設(shè)備組網(wǎng)。

選型指標(biāo)：

1）顯示屏尺寸及色彩，分辨率;

2）HMI的處理器速度性能；

3）輸入方式：觸摸屏或薄膜鍵盤(pán);

4）畫(huà)面存貯容量，注意廠商標(biāo)注的容量單位是字節(jié)、還是位;

5）通訊口種類及數(shù)量，是否支持打印功能。

4、HMI人機(jī)界面產(chǎn)品分類

薄膜鍵輸入的HMI，顯示尺寸小于5.7ˊ，畫(huà)面組態(tài)軟件免費(fèi)，屬初級(jí)產(chǎn)品。

顯示屏尺寸為5.7ˊ～12.1ˊ，畫(huà)面組態(tài)軟件免費(fèi)，屬中級(jí)產(chǎn)品。基于平板PC計(jì)算機(jī)的、多種通訊口的、高性能HMI人機(jī)界面，顯示尺寸大于10.4ˊ，畫(huà)面組態(tài)軟件收費(fèi)，屬高端產(chǎn)品。

5、人機(jī)界面的使用方法

1）明確監(jiān)控任務(wù)要求，選擇適合的HMI產(chǎn)品;

2）在PC機(jī)上用畫(huà)面組態(tài)軟件編輯“工程文件”;

3）測(cè)試并保存已編輯好的“工程文件”;

4）PC機(jī)連接HMI硬件，下載“工程文件”到HMI中。

hmi人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)有效的控制臺(tái)操作HMI（人機(jī)界面）時(shí)，對(duì)ASM準(zhǔn)則最常見(jiàn)的誤解和錯(cuò)誤應(yīng)用，就是過(guò)度強(qiáng)調(diào)顏色：簡(jiǎn)單地將某種新的顏色，用于控制臺(tái)某個(gè)位置處的所有現(xiàn)存顯示畫(huà)面。一般稱之為HMI類似替換遷移工程（like-for-likeHMImigraTIonproject）。有些人可能希望在這種僅僅是顏色類似替換的工程中，能夠?qū)D1所示的畫(huà)面轉(zhuǎn)換成圖2所示的畫(huà)面。典型情況下，如果分布式控制系統(tǒng)（DCS）的HMI，不是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的、基于控制臺(tái)操作員操作深度的層級(jí)畫(huà)面顯示，那么它就是扁平化的DCS顯示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，大部分顯示畫(huà)面，會(huì)被精確地設(shè)計(jì)為P&ID（管道和儀表圖）細(xì)節(jié)顯示。面對(duì)這樣的DCS顯示系統(tǒng)。控制臺(tái)操作人員一般會(huì)以圖3所示的方式來(lái)使用DCS屏幕，每個(gè)操作人員會(huì)根據(jù)自己的喜好，來(lái)選擇第3級(jí)設(shè)備顯示畫(huà)面以及報(bào)警匯總畫(huà)面。最好的情況是，如果開(kāi)發(fā)人員在顏色選擇上正確的應(yīng)用了ASM準(zhǔn)則，并且遵循了良好的畫(huà)面顯示布局原則，那么遷移的DCS顯示系統(tǒng)也許具有滿足ASM要求的單個(gè)第3級(jí)顯示畫(huà)面，但是DCS的HMI并不滿足ASM要求。

圖1在進(jìn)行HMI類似顏色替換工程之前的現(xiàn)有顯示畫(huà)面。

ASM的要求是什么？

在HMI設(shè)計(jì)中使用ASM導(dǎo)則，并不僅僅是將彩色轉(zhuǎn)換成灰度的設(shè)計(jì)，也不是僅在報(bào)警中使用顏色。實(shí)際上，ASM準(zhǔn)則提倡有效的利用顏色，包括恰當(dāng)?shù)囊?guī)定某些顯示背景，這些背景顏色在色調(diào)上，要比HMI庫(kù)中那些供應(yīng)商提供的、聲稱滿足ASM準(zhǔn)則的背景顏色要亮一些。但是，要設(shè)計(jì)出滿足ASM要求的HMI，還應(yīng)遵循其它方面的要求，尤其是在顯示類型、顯示內(nèi)容、瀏覽和交互等方面。這就要求注意其它的實(shí)施細(xì)節(jié)：

圖2遷移后的顯示畫(huà)面，使用了某些基本的布置原則。

■基于主要的操作步驟，設(shè)計(jì)顯示層次，以符合操作員的思維模式；

■設(shè)計(jì)與顯示層次一致的第2級(jí)控制和監(jiān)視畫(huà)面，利用這些第2級(jí)畫(huà)面，可以完成日常操作；

■與主題專家一起，依據(jù)需求分析，識(shí)別第1、2、3、4級(jí)顯示內(nèi)容，使得HMI能夠支持操作員工況認(rèn)知、日常監(jiān)視和控制操作、故障診斷活動(dòng)以及異常工況管理。

■將先前的瀏覽策略改變成為基于重新設(shè)計(jì)的、基于層級(jí)的新方法，該方法利用簡(jiǎn)單的屏幕瀏覽目標(biāo)，滿足操作人員思維模型以及快速、無(wú)差錯(cuò)的使用；

■取消應(yīng)用于整個(gè)顯示內(nèi)容的彈出式顯示畫(huà)面，取而代之以窗口管理技術(shù)，該技術(shù)可以將不同的顯示類型賦給特定區(qū)域，并可預(yù)設(shè)大小；

■提供第1級(jí)總覽顯示畫(huà)面的即時(shí)瀏覽，比如：KPI和趨勢(shì)概覽，第2級(jí)監(jiān)視和控制顯示，面板，實(shí)時(shí)趨勢(shì)和報(bào)警匯總細(xì)節(jié)（圖4）等，而不是將整個(gè)HMI設(shè)計(jì)為單個(gè)屏幕、單個(gè)顯示系統(tǒng)（圖3）；

圖3典型控制臺(tái)屏幕，利用了HMI類似替換遷移工程。

圖4圖中所示為遵循ASM的控制臺(tái)操作員HMI概念示意圖。本例中，通過(guò)鏈接導(dǎo)航模式，在提供操作畫(huà)面、面板、設(shè)備詳情、實(shí)時(shí)趨勢(shì)操作的同時(shí)，支持大圖工況認(rèn)知。

ASM準(zhǔn)則并不僅僅是簡(jiǎn)單的使用灰色背景和限制使用顏色。在最初的版本中，顏色要求僅僅是16個(gè)準(zhǔn)則類目中的一個(gè)。ASMHMI導(dǎo)則的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)操作人員HMI框架，可以支持操作人員認(rèn)知以及有效的交互。第二版本（Bullemer&Reising，2013）則將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到顯示層級(jí)，在操作員認(rèn)知中的角色，以及作為操作員交互和瀏覽基礎(chǔ)方面的角色上面來(lái)。重點(diǎn)的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致“顯示（display）”一詞從第二版的標(biāo)題中被刪除掉，以強(qiáng)調(diào)控制臺(tái)操作員HMI設(shè)計(jì)的整體性和有效性。盡管ASM準(zhǔn)則涉及到了單個(gè)顯示畫(huà)面的設(shè)計(jì)，但由于ASM準(zhǔn)則要求使用多個(gè)顯示屏幕和交互設(shè)備，在同一個(gè)控制臺(tái)操作站上以不同的層次細(xì)節(jié)顯示多個(gè)畫(huà)面，因此HMI的整體設(shè)計(jì)框架得到了提升。

最近顯示屏升級(jí)為寬屏的趨勢(shì)，為直接升級(jí)到符合ASM的HMI創(chuàng)造機(jī)會(huì)。特別是，如果遷移工程放棄使用典型的單個(gè)屏幕、單一顯示畫(huà)面，那么寬屏上額外增加的像素，為HMI提供了一些空間，用于布置面板、趨勢(shì)窗口以及第4級(jí)顯示，否則的話，這些內(nèi)容需要在全屏操作顯示畫(huà)面上通過(guò)彈出窗口顯示（圖5）。

圖5寬屏顯示的遵循ASM的控制臺(tái)操作員HMI概念示意圖，本例中使用的是下拉式導(dǎo)航模式。

操作員工況認(rèn)知

ASM組織的愿景是：獲得授權(quán)的運(yùn)行團(tuán)隊(duì)，能夠主動(dòng)管理他們的工廠，在過(guò)程運(yùn)行于最優(yōu)限值的情況下，獲得最大的安全性，并將對(duì)環(huán)境的影響降低到最小。高效的操作員HMI設(shè)計(jì)實(shí)踐的目標(biāo)與上述目標(biāo)有部分重合：操作人員可以主動(dòng)管理生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化工廠性能，同時(shí)還可以避免異常工況的出現(xiàn)。而且，當(dāng)異常工況確實(shí)發(fā)生時(shí)，其目標(biāo)是使運(yùn)行人員能意識(shí)到當(dāng)前的工況，快速使工廠進(jìn)入安全狀態(tài)，然后使其返回到正常運(yùn)行狀態(tài)。

認(rèn)知操作和控制臺(tái)操作員HMI之間的聯(lián)系是操作員對(duì)工況的認(rèn)知。使操作員對(duì)工況的認(rèn)知持續(xù)更新，了解工藝和設(shè)備的狀態(tài)，結(jié)果就是，在達(dá)到報(bào)警限值前采取適當(dāng)?shù)目刂菩袨椋@就是認(rèn)知的本質(zhì)。建立操作員高水平的工況認(rèn)知，提供有效的操作HMI設(shè)計(jì)實(shí)踐，是運(yùn)行公司實(shí)現(xiàn)認(rèn)知操作非常關(guān)鍵的一步。

圖6遵循ASM的控制臺(tái)操作員HMI概念示意圖，同時(shí)支持積極主動(dòng)的操作員工況認(rèn)知，從大圖到標(biāo)簽細(xì)節(jié)。

Endsley模型將工況認(rèn)知總結(jié)為三個(gè)階段：

■感知信息并因之發(fā)生變化；

■了解過(guò)程狀態(tài)和隱含的任何偏差；

■預(yù)測(cè)過(guò)程將向哪個(gè)方向發(fā)展，以及可供響應(yīng)的時(shí)間。

在關(guān)于工況認(rèn)知的Endsley模式中，一個(gè)關(guān)鍵的心理構(gòu)件就是心智模式（mentalmodel）。Rasmussen和他的同事已經(jīng)證實(shí)：工作在復(fù)雜系統(tǒng)中的人類專家，所具有的心理模式包括不同層次的抽象和細(xì)節(jié)。他們證實(shí)，人類專家在執(zhí)行交給他們的工作活動(dòng)時(shí)，會(huì)在不同層次的抽象和細(xì)節(jié)中來(lái)回移動(dòng)，這可解釋為復(fù)雜系統(tǒng)功能如何工作以及設(shè)備所包含內(nèi)容的知識(shí)層次。

遵循ASM準(zhǔn)則的HMI，有意識(shí)地在心智模式結(jié)構(gòu)的不同層次上定義顯示類型，以創(chuàng)建滿足這各心智模式的顯示層次。而且，如圖5所示，這些顯示類型在整體HMI設(shè)計(jì)中都有一個(gè)首頁(yè)，這樣操作人員就可以方便及時(shí)地在不同顯示類型的信息之間進(jìn)行切換，這與心智模式的人為因素研究相契合。提供豐富的趨勢(shì)信息接口，也為操作人員的認(rèn)知能力提供支持，可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的方向以及運(yùn)行的速度，這與工況認(rèn)知和心智模式中的人因理論都是一致的。

符合ASM要求的HMI所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到證明。在一個(gè)受控對(duì)比中，專業(yè)的石化工廠運(yùn)行人員利用他們工廠高保真的仿真機(jī)進(jìn)行操作，使用ASM系統(tǒng)方法的DCSHMI，完成時(shí)間要快41%，診斷準(zhǔn)確率要高36%，在首出報(bào)警發(fā)生前探測(cè)到過(guò)程波動(dòng)則要高出380%。

最近，ASM組織的研究已經(jīng)證明了使用定性、概覽儀表所創(chuàng)建的范圍控制顯示畫(huà)面，以及定性趨勢(shì)指示，在獲得更好的操作人員工況認(rèn)知方面所帶來(lái)的提升。

HMI和有效的操作員交互

快速、無(wú)差錯(cuò)的瀏覽顯示層次以及與DCS本身進(jìn)行交互，對(duì)于操作人員的績(jī)效非常關(guān)鍵，更不必說(shuō)對(duì)有效的認(rèn)知操作了。符合ASM要求的HMI提供屏幕瀏覽，可以反應(yīng)整體的顯示結(jié)構(gòu)層次，以及在整個(gè)結(jié)構(gòu)中清楚地顯示，操作員所處的位置，關(guān)鍵的報(bào)警條件，以及是否已經(jīng)實(shí)施了通過(guò)ASM最優(yōu)實(shí)踐鏈接的瀏覽，或者是行業(yè)通用的典型下拉菜單式瀏覽。

遵循ASM的HMI同時(shí)還支持操作人員的快速輸入。對(duì)于某個(gè)標(biāo)簽，在需要進(jìn)行控制調(diào)節(jié)時(shí)，HMI上會(huì)提供專門區(qū)域，用于打開(kāi)面板（圖4）。同時(shí)，HMI還提供專門區(qū)域用于第4級(jí)畫(huà)面的顯示，通過(guò)這些顯示畫(huà)面，操作人員可以與預(yù)先設(shè)定的控制器、選擇器和指示器交互。這些組合可能基于串級(jí)控制回路，或者是不同第3級(jí)顯示畫(huà)面的組合，用于支持特定活動(dòng)（比如，點(diǎn)燃加熱器先導(dǎo)氣體和燃料氣體，運(yùn)行流量控制器以支持加熱器的啟動(dòng)）。

操作員交互還包括窗口管理，這樣操作人員就不需要移動(dòng)彈出顯示和面板，調(diào)整窗口大小，或關(guān)閉窗口等等。具有足夠工具、或者沒(méi)有這些工具但是使用最少腳本的系統(tǒng)，可以消除運(yùn)行人員從工廠過(guò)程轉(zhuǎn)移其精力和注意力到窗口管理活動(dòng)的必要性。

基本的設(shè)計(jì)原則

在提高操作人員的能力以采用積極的運(yùn)行策略方面，有兩個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則可以確定操作員HMI的有效地位，如下所述：

■操作員接口允許操作人員對(duì)其控制之下的過(guò)程狀態(tài)維持一種高水平的實(shí)時(shí)認(rèn)知狀態(tài)，同時(shí)還允許其對(duì)單個(gè)的過(guò)程裝置和設(shè)備，在非常具體的層面執(zhí)行特定的操作。

■操作人員接口允許操作人員將精力集中到所控制的過(guò)程上，而不是與底層的系統(tǒng)平臺(tái)交互。這就意味著，從動(dòng)用最少的控制臺(tái)操作人員精力和物理資源上來(lái)理解過(guò)程控制系統(tǒng)并與之交互的角度來(lái)講，HMI具有一致性并易于使用。

當(dāng)顏色使用對(duì)于支持后續(xù)設(shè)計(jì)原則非常關(guān)鍵時(shí)，需要利用其它ASM準(zhǔn)則來(lái)確保實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足ASM要求的HMI。一個(gè)基于有效定義顯示層次的HMI設(shè)計(jì)，一個(gè)多屏幕/多窗口方法，可以同時(shí)訪問(wèn)顯示層次結(jié)構(gòu)中的不同顯示畫(huà)面，有效的導(dǎo)航及交互支撐，在滿足ASM要求方面也是必要的，而不僅僅只要求在灰度顯示頁(yè)面中用彩色來(lái)指示報(bào)警。