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

hmi人機界面包括什么

人機界面產(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，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件。使用者都必須先使用HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。

HMI人機界面產(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，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄;

4）簡單的邏輯和數(shù)值運算;

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;

4）畫面存貯容量，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人機界面產(chǎn)品分類

薄膜鍵輸入的HMI，顯示尺寸小于5.7ˊ，畫面組態(tài)軟件免費，屬初級產(chǎn)品。

顯示屏尺寸為5.7ˊ～12.1ˊ，畫面組態(tài)軟件免費，屬中級產(chǎn)品?；谄桨錚C計算機的、多種通訊口的、高性能HMI人機界面，顯示尺寸大于10.4ˊ，畫面組態(tài)軟件收費，屬高端產(chǎn)品。

5、人機界面的使用方法

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

2）在PC機上用畫面組態(tài)軟件編輯“工程文件”;

3）測試并保存已編輯好的“工程文件”;

4）PC機連接HMI硬件，下載“工程文件”到HMI中。

hmi人機界面設(shè)計

在設(shè)計有效的控制臺操作HMI（人機界面）時，對ASM準(zhǔn)則最常見的誤解和錯誤應(yīng)用，就是過度強調(diào)顏色：簡單地將某種新的顏色，用于控制臺某個位置處的所有現(xiàn)存顯示畫面。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所示的畫面轉(zhuǎn)換成圖2所示的畫面。典型情況下，如果分布式控制系統(tǒng)（DCS）的HMI，不是經(jīng)過精心設(shè)計的、基于控制臺操作員操作深度的層級畫面顯示，那么它就是扁平化的DCS顯示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，大部分顯示畫面，會被精確地設(shè)計為P&ID（管道和儀表圖）細節(jié)顯示。面對這樣的DCS顯示系統(tǒng)。控制臺操作人員一般會以圖3所示的方式來使用DCS屏幕，每個操作人員會根據(jù)自己的喜好，來選擇第3級設(shè)備顯示畫面以及報警匯總畫面。最好的情況是，如果開發(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要求的單個第3級顯示畫面，但是DCS的HMI并不滿足ASM要求。

圖1在進行HMI類似顏色替換工程之前的現(xiàn)有顯示畫面。

ASM的要求是什么？

在HMI設(shè)計中使用ASM導(dǎo)則，并不僅僅是將彩色轉(zhuǎn)換成灰度的設(shè)計，也不是僅在報警中使用顏色。實際上，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施細節(jié)：

圖2遷移后的顯示畫面，使用了某些基本的布置原則。

■基于主要的操作步驟，設(shè)計顯示層次，以符合操作員的思維模式；

■設(shè)計與顯示層次一致的第2級控制和監(jiān)視畫面，利用這些第2級畫面，可以完成日常操作；

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

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

■取消應(yīng)用于整個顯示內(nèi)容的彈出式顯示畫面，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級總覽顯示畫面的即時瀏覽，比如：KPI和趨勢概覽，第2級監(jiān)視和控制顯示，面板，實時趨勢和報警匯總細節(jié)（圖4）等，而不是將整個HMI設(shè)計為單個屏幕、單個顯示系統(tǒng)（圖3）；

圖3典型控制臺屏幕，利用了HMI類似替換遷移工程。

圖4圖中所示為遵循ASM的控制臺操作員HMI概念示意圖。本例中，通過鏈接導(dǎo)航模式，在提供操作畫面、面板、設(shè)備詳情、實時趨勢操作的同時，支持大圖工況認知。

ASM準(zhǔn)則并不僅僅是簡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個準(zhǔn)則類目中的一個。ASMHMI導(dǎo)則的目的是設(shè)計一個操作人員HMI框架，可以支持操作人員認知以及有效的交互。第二版本（Bullemer&Reising，2013）則將重點轉(zhuǎn)移到顯示層級，在操作員認知中的角色，以及作為操作員交互和瀏覽基礎(chǔ)方面的角色上面來。重點的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致“顯示（display）”一詞從第二版的標(biāo)題中被刪除掉，以強調(diào)控制臺操作員HMI設(shè)計的整體性和有效性。盡管ASM準(zhǔn)則涉及到了單個顯示畫面的設(shè)計，但由于ASM準(zhǔn)則要求使用多個顯示屏幕和交互設(shè)備，在同一個控制臺操作站上以不同的層次細節(jié)顯示多個畫面，因此HMI的整體設(shè)計框架得到了提升。

最近顯示屏升級為寬屏的趨勢，為直接升級到符合ASM的HMI創(chuàng)造機會。特別是，如果遷移工程放棄使用典型的單個屏幕、單一顯示畫面，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、趨勢窗口以及第4級顯示，否則的話，這些內(nèi)容需要在全屏操作顯示畫面上通過彈出窗口顯示（圖5）。

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

操作員工況認知

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

認知操作和控制臺操作員HMI之間的聯(lián)系是操作員對工況的認知。使操作員對工況的認知持續(xù)更新，了解工藝和設(shè)備的狀態(tài)，結(jié)果就是，在達到報警限值前采取適當(dāng)?shù)目刂菩袨椋@就是認知的本質(zhì)。建立操作員高水平的工況認知，提供有效的操作HMI設(shè)計實踐，是運行公司實現(xiàn)認知操作非常關(guān)鍵的一步。

圖6遵循ASM的控制臺操作員HMI概念示意圖，同時支持積極主動的操作員工況認知，從大圖到標(biāo)簽細節(jié)。

Endsley模型將工況認知總結(jié)為三個階段：

■感知信息并因之發(fā)生變化；

■了解過程狀態(tài)和隱含的任何偏差；

■預(yù)測過程將向哪個方向發(fā)展，以及可供響應(yīng)的時間。

在關(guān)于工況認知的Endsley模式中，一個關(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：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節(jié)。他們證實，人類專家在執(zhí)行交給他們的工作活動時，會在不同層次的抽象和細節(jié)中來回移動，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)容的知識層次。

遵循ASM準(zhǔn)則的HMI，有意識地在心智模式結(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)計中都有一個首頁，這樣操作人員就可以方便及時地在不同顯示類型的信息之間進行切換，這與心智模式的人為因素研究相契合。提供豐富的趨勢信息接口，也為操作人員的認知能力提供支持，可以預(yù)測系統(tǒng)運行的方向以及運行的速度，這與工況認知和心智模式中的人因理論都是一致的。

符合ASM要求的HMI所帶來的優(yōu)勢已經(jīng)得到證明。在一個受控對比中，專業(yè)的石化工廠運行人員利用他們工廠高保真的仿真機進行操作，使用ASM系統(tǒng)方法的DCSHMI，完成時間要快41%，診斷準(zhǔn)確率要高36%，在首出報警發(fā)生前探測到過程波動則要高出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面，以及定性趨勢指示，在獲得更好的操作人員工況認知方面所帶來的提升。

HMI和有效的操作員交互

快速、無差錯的瀏覽顯示層次以及與DCS本身進行交互，對于操作人員的績效非常關(guān)鍵，更不必說對有效的認知操作了。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，以及在整個結(jié)構(gòu)中清楚地顯示，操作員所處的位置，關(guān)鍵的報警條件，以及是否已經(jīng)實施了通過ASM最優(yōu)實踐鏈接的瀏覽，或者是行業(yè)通用的典型下拉菜單式瀏覽。

遵循ASM的HMI同時還支持操作人員的快速輸入。對于某個標(biāo)簽，在需要進行控制調(diào)節(jié)時，HMI上會提供專門區(qū)域，用于打開面板（圖4）。同時，HMI還提供專門區(qū)域用于第4級畫面的顯示，通過這些顯示畫面，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控制回路，或者是不同第3級顯示畫面的組合，用于支持特定活動（比如，點燃加熱器先導(dǎo)氣體和燃料氣體，運行流量控制器以支持加熱器的啟動）。

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

基本的設(shè)計原則

在提高操作人員的能力以采用積極的運行策略方面，有兩個基本的設(shè)計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其控制之下的過程狀態(tài)維持一種高水平的實時認知狀態(tài)，同時還允許其對單個的過程裝置和設(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程上，而不是與底層的系統(tǒng)平臺交互。這就意味著，從動用最少的控制臺操作人員精力和物理資源上來理解過程控制系統(tǒng)并與之交互的角度來講，HMI具有一致性并易于使用。

當(dāng)顏色使用對于支持后續(xù)設(shè)計原則非常關(guān)鍵時，需要利用其它ASM準(zhǔn)則來確保實現(xiàn)一個滿足ASM要求的HMI。一個基于有效定義顯示層次的HMI設(shè)計，一個多屏幕/多窗口方法，可以同時訪問顯示層次結(jié)構(gòu)中的不同顯示畫面，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面中用彩色來指示報警。