人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)

從*個(gè)按鈕開關(guān)被研制出來(lái)，人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱HMI）便成為工業(yè)中一個(gè)*的部分。在通用汽車公司中，HMI系統(tǒng)能夠幫助工程師進(jìn)行故障診斷和設(shè)備維護(hù)工作。但是，在通用汽車公司中，HMIzui主要的作用還是確保設(shè)備*地運(yùn)行。

    通過(guò)HMI系統(tǒng)延長(zhǎng)設(shè)備*運(yùn)行時(shí)間地關(guān)鍵在于過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。行之有效地開展維護(hù)工作并對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷將有利于共產(chǎn)隔得正常。回顧HMI系統(tǒng)發(fā)展地歷程將有助于我們了解HMI系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展地方向以及如何更好地實(shí)現(xiàn)工廠運(yùn)營(yíng)地目標(biāo)－提率，增加*運(yùn)行時(shí)間。

    早期設(shè)備

    zui初地HMI應(yīng)用項(xiàng)目中包含有大量地按鈕開關(guān)、指示燈、選擇開關(guān)和其它簡(jiǎn)單地控制設(shè)備，功能于啟動(dòng)、停止某個(gè)設(shè)備，并顯示該設(shè)備地狀況。從某種意義上來(lái)說(shuō)，這也是一種控制系統(tǒng)。這樣地控制系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，通常由許多繼電器組合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)時(shí)，設(shè)計(jì)者地重要設(shè)計(jì)思想就是讓控制電路越簡(jiǎn)單越好，人機(jī)界面地雛形也受到這種思想地影響。

    按鈕、開關(guān)以及指示燈在控制系統(tǒng)中地應(yīng)用是一個(gè)不小地進(jìn)步，早期地HMI系統(tǒng)常常不能有效地進(jìn)行故障診斷，因?yàn)樗麄儺吘固?jiǎn)陋了。在通用汽車公司，如果一個(gè)設(shè)備停止了工作，我們不許通過(guò)查看、測(cè)試控制系統(tǒng)地電路來(lái)找出故障。*地檢測(cè)技術(shù)就是用探針一一檢查測(cè)試點(diǎn)到設(shè)備控制電路、操作臺(tái)的導(dǎo)通情況。現(xiàn)在，即便沒有專門的故障診斷功能，HMI和自動(dòng)化控制系統(tǒng)也能較以前的系統(tǒng)能夠更快地診斷出故障原因。

    PLC的引入

    可編程控制器的問世給HMI監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)了*次飛躍。這是，可以通過(guò)將所需的設(shè)備連接到PLC上來(lái)增加HMI系統(tǒng)的功能。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，HMI系統(tǒng)不僅能夠與停機(jī)的設(shè)備通信，還能夠知道設(shè)備為何停機(jī)。

    用戶可以通過(guò)編程終端發(fā)現(xiàn)程序中出現(xiàn)錯(cuò)誤的字節(jié)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，PLC甚至可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)救助。

    與此同時(shí)，HMI系統(tǒng)的監(jiān)控范圍開始擴(kuò)大，它能夠與設(shè)備進(jìn)行通訊并獲取其狀態(tài)信息，同時(shí)還能計(jì)算某個(gè)車間的產(chǎn)量，并通過(guò)大量的指示燈來(lái)顯示這些信息，這成為當(dāng)時(shí)車間中zui為普遍的景象。HMI系統(tǒng)獲取了大量的信息，這意味著操作員要觀察比以往更多的指示燈，有時(shí)候因?yàn)樾畔⑻鄥s不能進(jìn)行快速、有效的處理。除非操作員非常熟悉這些機(jī)器，否則他將被淹沒在大量的信息中而不知所從。

    顯示設(shè)備的引入

    從簡(jiǎn)單的指示燈到七段數(shù)碼管，再到字母顯示管，通過(guò)這些顯示設(shè)備，使得HMI監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確地向操作員反映系統(tǒng)的狀態(tài)，從而減少故障診斷時(shí)間。通過(guò)我們經(jīng)常在老式計(jì)算器上看到的七段式LED顯示屏，用戶能夠更加準(zhǔn)確地獲取設(shè)備地狀態(tài)信息。早期地準(zhǔn)斷系統(tǒng)能在屏幕上顯示一個(gè)故障地I/O編號(hào)或者某些數(shù)字，用戶需要在手冊(cè)上查找這些數(shù)字，從而得到到底發(fā)生了什么故障。

    字母顯示管的到來(lái)使得HMI系統(tǒng)能夠顯示文本信息。用戶還可以用不同的顏色顯示文本，在文本信息中加入變量，如不同車間的產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。這時(shí)的操作員可以輕而易舉地了解更大范圍內(nèi)設(shè)備的信息。但是，隨著被監(jiān)控設(shè)備復(fù)雜程度的增加需要花費(fèi)大量的時(shí)間用于編寫顯示屏的程序。

    *可編程HMI系統(tǒng)

    HMI發(fā)展歷程中zui為重要的突破在于*可編程HMI設(shè)備的出現(xiàn)，從此它代替了傳統(tǒng)的按鈕和指示燈。在CRT顯示器上繪制出可編程的按鈕、指示燈燈虛擬對(duì)象，工程師再對(duì)這些虛擬的按鈕和指示燈進(jìn)行編程，讓它們按要求顯示出來(lái)。

    很快，CRT顯示器的局限性顯露出來(lái)－每次只能在一個(gè)畫面中顯示為數(shù)不多的按鈕。因此工程師必須花大量的時(shí)間進(jìn)行編程，將多個(gè)按鈕和指示燈安放在不同的畫面中。這樣，顯著增加了設(shè)計(jì)成本。

    對(duì)于順序機(jī)械加工，其加工步驟表很快成為的現(xiàn)場(chǎng)用戶指南。工人能夠看到準(zhǔn)確的加工步驟并按照這個(gè)步驟執(zhí)行相應(yīng)的操作，加工步驟包括何時(shí)加入工件等內(nèi)容。公車果農(nóng)是可以很快地調(diào)整、修改工序。同時(shí)，這個(gè)加工步驟為小型和大型的應(yīng)用都提供了統(tǒng)一的界面，所以就不再需要多個(gè)畫面來(lái)顯示整個(gè)加工步驟，只需根據(jù)工件的加工情況動(dòng)態(tài)更新一個(gè)的列表即可。

    現(xiàn)在，可視化的顯示畫面能夠更為生動(dòng)地反應(yīng)被控設(shè)備的情況。操作員不僅可以通過(guò)文本信息得知哪個(gè)設(shè)備造成了停機(jī)，而且還能夠在畫面上觀察到機(jī)器的情況，并指示出故障設(shè)備的位置。這一功能減少了修復(fù)故障所需的時(shí)間，但是為了開發(fā)每個(gè)設(shè)備的可視化畫面需要花費(fèi)不少的精力。設(shè)計(jì)的費(fèi)用將隨著設(shè)備大小和復(fù)雜程度的增加而增加。

    當(dāng)前以及未來(lái)的HMI

    當(dāng)前的HMI系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了過(guò)去難以想象的功能，同事其價(jià)格也更利于人們的接受。開發(fā)及編程人員使用專門的程序來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，這樣便可以勝任HMI日益增加的功能同時(shí)又保持低廉的開發(fā)承辦。現(xiàn)在的HIM系統(tǒng)能夠提供多路按鈕和顯示畫面，從而用意個(gè)畫面對(duì)工廠中所有相同的設(shè)備進(jìn)行控制。這樣，開發(fā)人員僅需設(shè)定從哪個(gè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)用于HMI顯示目的，所示用的功能將通過(guò)文字列表顯示出來(lái)。因此，在系統(tǒng)中增加新的功能只需要增加一航新的文字即可，從而節(jié)省了屏幕空間。

    ● 硬件方面

    基于PC的HMI系統(tǒng)在過(guò)去十年內(nèi)得到了充分的發(fā)展，但是目前大多數(shù)HMI系統(tǒng)仍然使用為工業(yè)環(huán)境所設(shè)計(jì)的設(shè)備。基于PC的HMI系統(tǒng)（包括控制系統(tǒng)）存在一系列的關(guān)鍵性問題，因而阻礙了它的進(jìn)一步推廣。

• 工業(yè)計(jì)算機(jī)的成本通常較商用計(jì)算機(jī)高很多，而且所采用的技術(shù)不如商用計(jì)算機(jī)先進(jìn)；
• 個(gè)人計(jì)算機(jī)通常被用作編程終端，因而不會(huì)因它的故障造成整個(gè)線的停機(jī)，但在惡劣的工業(yè)環(huán)境中很少直接采用；
• 個(gè)人計(jì)算機(jī)的硬盤通常被認(rèn)為zui薄弱的環(huán)節(jié)，由它所造成的故障足使其喪失在惡劣環(huán)境，特別是震動(dòng)環(huán)境中應(yīng)用的機(jī)會(huì)，因此在某些重要的應(yīng)用中將個(gè)人計(jì)算機(jī)排除在外；
• 在計(jì)算機(jī)上添加監(jiān)控軟件和通訊板卡的成本較高，甚至超出了某些專門的工業(yè)控制設(shè)備；
• 廠商對(duì)消費(fèi)類計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品備件支持年限較短，購(gòu)買多年前計(jì)算機(jī)所使用的配件并不是一件容易的事情。但是，工業(yè)控制設(shè)備廠商非常了解用戶在長(zhǎng)期使用過(guò)程中面臨的問題，因此對(duì)其產(chǎn)品的支持年限都比較長(zhǎng)；
• 基于PC的HMI系統(tǒng)憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)顯著改進(jìn)了上述缺點(diǎn)，特別是在價(jià)格上更是有較大的吸引力。隨著觸摸顯示屏和基于Windows CE操作系統(tǒng)的HMI監(jiān)控設(shè)備的廣泛應(yīng)用，基于PC的HMI系統(tǒng)將是未來(lái)發(fā)展的方向。

    隨著基于PC的HMI產(chǎn)品的普及，工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用的鍵盤和鼠標(biāo)也會(huì)隨之而來(lái)。用戶在車間與機(jī)器之間的交互式控制也變得如同操作家用計(jì)算機(jī)一樣簡(jiǎn)單。

    彩色觸摸顯示屏已經(jīng)開始在商業(yè)領(lǐng)域的HMI系統(tǒng)中應(yīng)用。在雜貨店、電影院、銀行、甚至購(gòu)物中心都能看到他們。應(yīng)用市場(chǎng)的增長(zhǎng)將有助于降低不同尺寸平板顯示器的價(jià)格，從而消除價(jià)格上的障礙，為更廣泛的工業(yè)應(yīng)用提供可能。隨著小型平板彩色觸摸顯示屏的出現(xiàn)，便攜式人機(jī)界面越來(lái)越受到人們的歡迎。用戶可以直接拿著這些設(shè)備走到機(jī)器跟前進(jìn)行控制。

    ● 軟件方面

    越來(lái)越多的通用控件能夠在基于PC的HMI系統(tǒng)中使用，例如通過(guò)單選按鈕就可以替代原來(lái)的選擇開關(guān)，通過(guò)復(fù)選框來(lái)替代原來(lái)的按鈕。這些改變將有助于用戶更加熟悉操作界面，從而減少在培訓(xùn)方面的花費(fèi)。

    HMI軟件的發(fā)展使其能夠在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中支持多國(guó)語(yǔ)言文字，這種功能在當(dāng)前一體化的市場(chǎng)環(huán)境中變得更為有用。目前，大多數(shù)的應(yīng)用項(xiàng)目在支持多國(guó)語(yǔ)言時(shí)需要重新調(diào)整整個(gè)項(xiàng)目中每個(gè)畫面的文字，但是如果采用文本與應(yīng)用項(xiàng)目分離的方式，在改變語(yǔ)言時(shí)僅需要提供相應(yīng)的語(yǔ)言文件包即可。

    在HMI軟件的開發(fā)過(guò)程中也引入了自動(dòng)化設(shè)計(jì)，在為大量相似的機(jī)器設(shè)計(jì)HMI系統(tǒng)時(shí)，可以通過(guò)一系列的向?qū)?lái)完成。隨著系統(tǒng)的增加，這樣的自動(dòng)化設(shè)計(jì)能夠明顯降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，特別是對(duì)于那些每年都新安裝數(shù)百臺(tái)機(jī)器的大企業(yè)。

    HMI軟件同時(shí)提供各種開放功能，它能夠與用戶自定義程序、第三方徹骨女婿以及其他格式的文件緊密集成在一起，從而為用戶的應(yīng)用項(xiàng)目提供更好的支持。例如工業(yè)控制公司能夠提供輔助設(shè)計(jì)支持軟件，同時(shí)控制系統(tǒng)公司出售更具附加值的產(chǎn)品，這樣便可節(jié)省zui終用戶總體投入成本。

    相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，HMI系統(tǒng)都將運(yùn)行于Microsoft Windows操作系統(tǒng)上，設(shè)備的HMI系統(tǒng)將逐步退出市場(chǎng).這樣有助于制造商盡全力研制運(yùn)行于該平臺(tái)的軟件，創(chuàng)建統(tǒng)一的信息交換標(biāo)準(zhǔn)。到那時(shí)，獲取診斷數(shù)據(jù)和開發(fā)維護(hù)工作將變得更為簡(jiǎn)單，從而不再需要用設(shè)備上的HMI設(shè)備獲取診斷數(shù)據(jù)，再用其它的HMi設(shè)備對(duì)其展開維護(hù)工作。操作員只需要一臺(tái)HMI設(shè)備就能對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行診斷和維護(hù)。設(shè)備上的HMI更能夠和整個(gè)車間或廠區(qū)的應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同工作。通過(guò)基于PC的HMI系統(tǒng)連接到上層的監(jiān)控系統(tǒng)，將有助于工廠信息系統(tǒng)了解到現(xiàn)場(chǎng)的情況。

    未來(lái)HMI可能的發(fā)展方向

    HMI系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中將不斷增強(qiáng)其功能，同時(shí)壓縮總體成本，隨著PC市場(chǎng)的發(fā)展，可能會(huì)有如下幾個(gè)發(fā)展方向：

    ● 三維可視化

    為了克服機(jī)器可視化圖形設(shè)計(jì)所需的高昂費(fèi)用，今后的HMI系統(tǒng)可能會(huì)直接共享機(jī)器設(shè)備在設(shè)計(jì)階段的參數(shù)數(shù)據(jù)。不再需要花費(fèi)大量的時(shí)間去制作二維的視圖，可以將機(jī)器設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，從而在HMI系統(tǒng)中生成更為直接的三維畫面。

    ● 邏輯控制與HMI系統(tǒng)的集成

    目前，自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程只關(guān)注于zui初的設(shè)計(jì)，在HMI發(fā)展的下一個(gè)階段將會(huì)提供貫穿于整個(gè)系統(tǒng)生命周期的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具。當(dāng)前，在HMI系統(tǒng)和邏輯控制系統(tǒng)之間存在著密不可分的，因此今后很有可能將兩者集成在一起。

    ● 使用Web集成技術(shù)

    HMI系統(tǒng)不斷的革新以來(lái)于與其它設(shè)備連接性的增強(qiáng)。有一天，HMI用戶可以通過(guò)瀏覽器來(lái)觀看其它設(shè)備狀態(tài)，甚至能夠進(jìn)行控制。車間主管也能夠使用嵌入Web技術(shù)的HMI系統(tǒng)獲取整個(gè)車間設(shè)備的信息，以便集中進(jìn)行管理。

    ● NET－應(yīng)用項(xiàng)目動(dòng)態(tài)傳輸

    瀏覽器的功能終究不能滿足客戶端的需要。為了不至于將整個(gè)客戶端應(yīng)用項(xiàng)目嵌入到HMI中，應(yīng)用項(xiàng)目可以直接在設(shè)備端提供對(duì)HMI的支持。.NET技術(shù)為這一應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，大大減少了不同平臺(tái)、不同硬件設(shè)備之間的溝通障礙。

    未來(lái)的HMI系統(tǒng)為我們展現(xiàn)出了美好的前景，但是今天，用戶在選擇HMI系統(tǒng)時(shí)所考慮的首要問題還是成本和可靠性，有時(shí)甚至可能把那些功能強(qiáng)大的系統(tǒng)排除在外。隨著技術(shù)的發(fā)展－無(wú)論是小規(guī)模試用還是正在處于測(cè)試階段，廠商勢(shì)必都將為用戶提供價(jià)格更為合理，功能更強(qiáng)，性能更穩(wěn)定的HMI系統(tǒng)，從而滿足未來(lái)力提升的需要。