人机界面监控系统的过去、现在和未来

作者：Noel Miller,Jay Schroeder

欢迎访问e展厅 展厅 9 人机界面展厅 工业触摸屏, 监视器, 液晶屏, 闪光器, 文本显示器, ... 从第一个按钮开关被研制出来，人机界面监控系统（下文简称HMI）便成为工业生产中一个必不可少的部分。在通用汽车公司中，HMI系统能够帮助工程师进行故障诊断和设备维护工作。但是，在通用汽车公司中，HMI最主要的作用还是确保设备无故障地运行。 通过HMI系统延长设备无故障运行时间地关键在于生产过程进行优化。行之有效地开展维护工作并对故障进行准确地判断将有利于共产隔得正常生产。回顾HMI系统发展地历程将有助于我们了解HMI系统未来发展地方向以及如何更好地实现工厂运营地目标－提高效率，增加无故障运行时间。 早期设备 最初地HMI应用项目中包含有大量地按钮开关、指示灯、选择开关和其它简单地控制设备，功能仅限于启动、停止某个设备，并显示该设备地状况。从某种意义上来说，这也是一种控制系统。这样地控制系统非常简单，通常由许多继电器组合在一起来实现。在当时，设计者地重要设计思想就是让控制电路越简单越好，人机界面地雏形也受到这种思想地影响。 按钮、开关以及指示灯在控制系统中地应用是一个不小地进步，早期地HMI系统常常不能有效地进行故障诊断，因为他们毕竟太简陋了。在通用汽车公司，如果一个设备停止了工作，我们不许通过查看、测试控制系统地电路来找出故障。唯一地检测技术就是用探针一一检查测试点到设备控制电路、操作台的导通情况。现在，即便没有专门的故障诊断功能，HMI和自动化控制系统也能较以前的系统能够更快地诊断出故障原因。 PLC的引入 可编程控制器的问世给HMI监控系统带来了第一次飞跃。这是，可以通过将所需的设备连接到PLC上来增加HMI系统的功能。当设备出现故障时，HMI系统不仅能够与停机的设备通信，还能够知道设备为何停机。 用户可以通过编程终端发现程序中出现错误的字节。当设备出现故障时，PLC甚至可以通过编程来实现自动拨打救助电话。 与此同时，HMI系统的监控范围开始扩大，它能够与设备进行通讯并获取其状态信息，同时还能计算某个车间的产量，并通过大量的指示灯来显示这些信息，这成为当时车间中最为普遍的景象。HMI系统获取了大量的信息，这意味着操作员要观察比以往更多的指示灯，有时候因为信息太多却不能进行快速、有效的处理。除非操作员非常熟悉这些机器，否则他将被淹没在大量的信息中而不知所从。 显示设备的引入 从简单的指示灯到七段数码管，再到字母显示管，通过这些显示设备，使得HMI监控系统能够更加准确地向操作员反映系统的状态，从而减少故障诊断时间。通过我们经常在老式计算器上看到的七段式LED显示屏，用户能够更加准确地获取设备地状态信息。早期地准断系统能在屏幕上显示一个故障地I/O编号或者某些数字，用户需要在手册上查找这些数字，从而得到到底发生了什么故障。 字母显示管的到来使得HMI系统能够显示文本信息。用户还可以用不同的颜色显示文本，在文本信息中加入变量，如不同车间的产量等数据。这时的操作员可以轻而易举地了解更大范围内设备的信息。但是，随着被监控设备复杂程度的增加需要花费大量的时间用于编写显示屏的程序。 完全可编程HMI系统 HMI发展历程中最为重要的突破在于完全可编程HMI设备的出现，从此它代替了传统的按钮和指示灯。在CRT显示器上绘制出可编程的按钮、指示灯灯虚拟对象，工程师再对这些虚拟的按钮和指示灯进行编程，让它们按要求显示出来。 很快，CRT显示器的局限性显露出来－每次只能在一个画面中显示为数不多的按钮。因此工程师必须花大量的时间进行编程，将多个按钮和指示灯安放在不同的画面中。这样，显著增加了设计成本。 对于顺序机械加工，其加工步骤表很快成为首选的现场用户指南。工人能够看到准确的加工步骤并按照这个步骤执行相应的操作，加工步骤包括何时加入工件等内容。公车果农是可以很快地调整、修改工序。同时，这个加工步骤为小型和大型的应用都提供了统一的界面，所以就不再需要多个画面来显示整个加工步骤，只需根据工件的加工情况动态更新一个的列表即可。 现在，可视化的显示画面能够更为生动地反应被控设备的情况。操作员不仅可以通过文本信息得知哪个设备造成了停机，而且还能够在画面上观察到机器的情况，并指示出故障设备的位置。这一功能减少了修复故障所需的时间，但是为了开发每个设备的可视化画面需要花费不少的精力。设计的费用将随着设备大小和复杂程度的增加而增加。 当前以及未来的HMI 当前的HMI系统取得了长足的发展，实现了过去难以想象的功能，同事其价格也更利于人们的接受。开发及编程人员使用专门的程序来进行系统开发，这样便可以胜任HMI日益增加的功能同时又保持低廉的开发承办。现在的HIM系统能够提供多路按钮和显示画面，从而用意个画面对工厂中所有相同的设备进行控制。这样，开发人员仅需设定从哪个设备采集数据用于HMI显示目的，所示用的功能将通过文字列表显示出来。因此，在系统中增加新的功能只需要增加一航新的文字即可，从而节省了屏幕空间。 ● 硬件方面 基于PC的HMI系统在过去十年内得到了充分的发展，但是目前大多数HMI系统仍然使用为工业环境所设计的专用设备。基于PC的HMI系统（包括控制系统）存在一系列的关键性问题，因而阻碍了它的进一步推广。 工业计算机的成本通常较商用计算机高很多，而且所采用的技术不如商用计算机先进； 个人计算机通常被用作编程终端，因而不会因它的故障造成整个生产线的停机，但在恶劣的工业生产环境中很少直接采用； 个人计算机的硬盘通常被认为最薄弱的环节，由它所造成的故障足使其丧失在恶劣环境，特别是震动环境中应用的机会，因此在某些重要的应用中将个人计算机排除在外； 在计算机上添加监控软件和通讯板卡的成本较高，甚至超出了某些专门的工业控制设备； 厂商对消费类计算机的产品备件支持年限较短，购买多年前计算机所使用的配件并不是一件容易的事情。但是，工业控制设备厂商非常了解用户在长期使用过程中面临的问题，因此对其产品的支持年限都比较长； 基于PC的HMI系统凭借技术优势，已经显著改进了上述缺点，特别是在价格上更是有较大的吸引力。随着触摸显示屏和基于Windows CE操作系统的HMI监控设备的广泛应用，基于PC的HMI系统将是未来发展的方向。 随着基于PC的HMI产品的普及，工业系统中应用的键盘和鼠标也会随之而来。用户在车间与机器之间的交互式控制也变得如同操作家用计算机一样简单。 彩色触摸显示屏已经开始在商业领域的HMI系统中应用。在杂货店、电影院、银行、甚至购物中心都能看到他们。应用市场的增长将有助于降低不同尺寸平板显示器的价格，从而消除价格上的障碍，为更广泛的工业应用提供可能。随着小型平板彩色触摸显示屏的出现，便携式人机界面越来越受到人们的欢迎。用户可以直接拿着这些设备走到机器跟前进行控制。 ● 软件方面 越来越多的通用控件能够在基于PC的HMI系统中使用，例如通过单选按钮就可以替代原来的选择开关，通过复选框来替代原来的按钮。这些改变将有助于用户更加熟悉操作界面，从而减少在培训方面的花费。 HMI软件的发展使其能够在一个应用系统中支持多国语言文字，这种功能在当前全球一体化的市场环境中变得更为有用。目前，大多数的应用项目在支持多国语言时需要重新调整整个项目中每个画面的文字，但是如果采用文本与应用项目分离的方式，在改变语言时仅需要提供相应的语言文件包即可。 在HMI软件的开发过程中也引入了自动化设计，在为大量相似的机器设计HMI系统时，可以通过一系列的向导来完成。随着系统的增加，这样的自动化设计能够明显降低系统的开发成本，特别是对于那些每年都新安装数百台机器的大企业。 HMI软件同时提供各种开放功能，它能够与用户自定义程序、第三方彻骨女婿以及其他格式的文件紧密集成在一起，从而为用户的应用项目提供更好的支持。例如工业控制公司能够提供辅助设计支持软件，同时控制系统公司出售更具附加值的产品，这样便可节省最终用户总体投入成本。 相信在不远的将来，HMI系统都将运行于Microsoft Windows操作系统上，专用设备的HMI系统将逐步退出市场.这样有助于制造商尽全力研制运行于该平台的软件，创建统一的信息交换标准。到那时，获取诊断数据和开发维护工作将变得更为简单，从而不再需要用设备上的HMI设备获取诊断数据，再用其它的HMi设备对其展开维护工作。操作员只需要一台HMI设备就能对故障设备进行诊断和维护。设备上的HMI更能够和整个车间或厂区的应用系统协同工作。通过基于PC的HMI系统连接到上层的监控系统，将有助于工厂信息系统了解到现场的情况。 未来HMI可能的发展方向 HMI系统在发展过程中将不断增强其功能，同时压缩总体成本，随着PC市场的发展，可能会有如下几个发展方向： ● 三维可视化 为了克服机器可视化图形设计所需的高昂费用，今后的HMI系统可能会直接共享机器设备在设计阶段的参数数据。不再需要花费大量的时间去制作二维的视图，可以将机器设备的参数数据导入，从而在HMI系统中生成更为直接的三维画面。 ● 逻辑控制与HMI系统的集成 目前，自动化设计过程只关注于最初的设计，在HMI发展的下一个阶段将会提供贯穿于整个系统生命周期的自动化设计工具。当前，在HMI系统和逻辑控制系统之间存在着密不可分的联系，因此今后很有可能将两者集成在一起。 ● 使用Web集成技术 HMI系统不断的革新以来于与其它设备连接性的增强。有一天，HMI用户可以通过浏览器来观看其它设备状态，甚至能够进行控制。车间主管也能够使用嵌入Web技术的HMI系统获取整个车间设备的信息，以便集中进行管理。 ● NET－应用项目动态传输 浏览器的功能终究不能满足客户端的需要。为了不至于将整个客户端应用项目嵌入到HMI中，应用项目可以直接在设备端提供对HMI的支持。.NET技术为这一应用奠定了基础，大大减少了不同平台、不同硬件设备之间的沟通障碍。 未来的HMI系统为我们展现出了美好的前景，但是今天，用户在选择HMI系统时所考虑的首要问题还是成本和可靠性，有时甚至可能把那些功能强大的高端系统排除在外。随着最新技术的发展－无论是小规模试用还是正在处于测试阶段，厂商势必都将为用户提供价格更为合理，功能更强，性能更稳定的HMI系统，从而满足未来生产力提升的需要。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/23/2006)