煙草制絲生產線人機交互界面設計探究

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摘要:通過分析煙草制絲生產線自動化控制系統的發展趨勢，結合其實際應用，提出了一種依據國際標準設計人機交互界面的層次結構，基于監控對象創建標準模型，根據應用需求規劃產品功能的人機交互軟件設計思路，并給出了用戶應用安全和更好滿足用戶體驗等方面的一些建議。設計方式有助于提高人機交互軟件的標準化和結構化設計，并為后期制絲車間的信息化集成奠定了基礎。

關鍵詞:煙草制絲生產線;人機界面;用戶體驗;數字化建模

人機交互界面是自動化生產線數據采集與監視控制系統(supervisorycontroianddataacquisitionsystem，SCADA)中的一個子系統。工業自動化控制系統的人機交互界面是一個綜合的操作環境，也是用戶與計算機之間傳遞和交換信息的工具，同時是使用監控軟件平臺，通過網絡對現場PLC數據進行采集、交換處理，實現對生產線的監控和管理功能［1］，并為企業信息系統提供生產實時數據的一種工業應用軟件產品。隨著新一輪卷煙行業技術升級和生產線控制系統柔性化的進一步增強，采用電控系統標準化技術、對象化技術、單元化技術和系統集成技術的智能集成生產控制系統已成為煙草行業的發展趨勢，打造新一代面向工業V4．0、數字化、智能化工廠是煙草行業信息化建設的主要目標。智能工廠主要關注智能化生產系統及過程。如何通過人機交互界面的設計，更好地展示煙草制絲生產線控制系統的柔性化、智能化設計，是本文主要探討的問題。交互設計是一種將產品從技術化轉變為智能化，同時滿足人們情感需求的實際方法，隨著人機交互設計的不斷發展，人機交互界面更傾向于提高工業生產效率的易操作性和重視用戶體驗的人性化設計［2］。

1煙草制絲生產線人機交互界面設計現狀

現在應用中的制絲生產線人機界面設計，多側重于設備狀態的監視和控制功能的實現，設計開發者通常依據自己的個性進行開發設計，將采集到的所有數據信息盡可能地堆疊到畫面中，設計缺乏一定的規范性。人機界面信息量很大，信息卻沒有進行有效的分類、規劃，往往會因為一些無關緊要的信息，干擾了用戶對關鍵信息的響應速度。隨著工業技術的高速發展，現代煙草制絲生產線控制系統正向著面向定制化設計，支持多品種小批量生產模式發展，要求生產線控制系統具有高度的柔性，能夠進行模塊化組合，以滿足生產不同產品的需求，因此對生產線操作員要求更高。但是操作員卻希望通過簡單、快捷和安全的操作界面，完成對復雜工藝生產線的控制，實現真正意義上的智能化應用。因此人機交互界面的設計也應該向著更加規范，更加人性化的設計方向發展［3］。交互設計三要素:機器/系統、人、界面。如何通過界面，更好地將機器/系統的信息“告訴”人，并通過界面，將人要表達的意思“傳達”給機器/系統，是工業人機界面設計需要研究的問題。

2煙草制絲生產線人機界面設計思路

基于符合ISA－88標準的批次控制技術設計的制絲線管控系統，更好地適應了分組加工特色工藝、柔性化生產和精細加工611的發展要求［4］。煙草制絲生產線人機交互界面，監控的對象是制絲自動化生產線，因此也可基于ISA－88標準理論基礎，設計從傳統的設備狀態監控，向支持以工藝任務、工藝線路和工藝單元為核心的參數化任務生產控制及操作的人機交互界面。基于標準的設計開發，是未來解決管控系統柔性集成時成本高和難以實現等問題的良好解決方案［5］。2．1人機界面結構層次設計。ISA－88標準提供了一種基于批次生產的層疊模型，用來對物理設備進行結構化建模，即物理模型，對應于煙草制絲工廠的實體物理對象，可以構建出制絲生產線的層次結構，如圖1所示。制絲生產線人機界面依據這一結構，設計基于產線、加工單元、設備及器件級的監控界面層次框架，如圖2所示。圖2人機界面層次2．2對象建模。針對煙草制絲生產線這種層次結構，在監控系統中搭建生產車間組織架構。基于全模型化的設計原則，由下至上創建器件級模型、設備模型、處理單元模型。通過層級間的包含關系，對模型對象實例化，搭建出滿足工藝要求的生產工藝線路。生產線各工藝段包含了多個生產單元，可以同時生產一個或多個批次的產品;每個生產單元包含了一組設備，每個單元可以完成特定的加工過程，每個單元模塊在同一時間只能生產一個批次的產品，各單元模塊是相互獨立的，對不同生產單元的合理調度，即實現了生產的柔性化控制。人機交互界面設計軟件均提供了畫面模板設計功能。根據對象模型的屬性，創建監控對象的畫面模板，在應用中，通過參數調用，實例化模板畫面，實現同類型對象的標準化畫面調用顯示，如通用電機畫面模板調用，見圖3。2．3基于標準的對象模型的數據接口設計。人機交互界面與PLC控制系統的交互是通過數據接口實圖3電機模板畫面調用顯示實例現，為對象模型定義標準的數據接口，這有助于系統的標準化和規范性設計。標準接口的設計包括:數據接口命名規則、數據類型定義和數據長度定義等方面。數據接口涵蓋了制絲控制系統中大部分控制設備，主要包括生產線自動控制接口、生產狀態采集接口、主機設備控制接口、輔聯設備控制接口和生產工單數據接口等。接口數據按照統一的模式定義，使工作各設計環節按標準模塊執行，縮短了整體控制系統的研發周期，增強控制系統的技術可移植性，便于維護。數據接口的標準化也有助于將各個獨立的控制系統統一到一個標準的平臺中來，為企業的信息化及大數據應用提供一個標準的、統一的數據接口平臺。通過標準化的接口設計還有利于系統的擴展，提高系統的開放性和兼容性。2．4聚焦用戶需求的功能規劃。人機交互界面應用系統的功能設計，應以滿足用戶的需求為目的。制絲生產線監控系統擔負著生產線的監視和控制的功能，完成對整個車間生產過程信息的收集、處理、存儲、監視、報警、記錄和控制等。在確保生產過程的有序、高效、可控和可視的同時，要應具備生產任務控制及管理、系統診斷和日志管理等功能。按照監控功能設計層次結構，功能細分如圖4所示。2．5便于管理的安全操作設計。用戶通過人機交互界面，可直接控制自動化生產線中的設備，因此系統的安全操作尤為重要。通常通過用戶權限和控制操711作的約束條件，來確保用戶的安全、有效操作。根據用戶角色對系統的管理范圍和應用需求的不同，劃分角色組，并定義相應的操作權限，將對應的用戶歸屬到不同的角色組中，通過角色組的權限，實現對不同用戶的權限控制與維護。人機界面中，在可操作的按鈕或輸入框中，添加約束性條件和相應的提示信息，減少和避免因用戶誤操作產生的錯誤生產指令。2．6基于用戶角色的定制化設計。交互設計強調產品的交互性與體驗性，設計者應站在用戶角度來完成工業應用系統設計。不同用戶對信息的需求不同，生產操作員，需要了解生產控制結果和生產過程數據;工藝管理員關心生產過程中的各項工藝指標、質量數據;設備維修人員側重于各設備的運行狀態以及設備是否發生故障等等。因此將數據信息優化處理，進行有效分類，針對不同角色的用戶開發定制化人機界面勢在必行。通過簡化操作流程，利用有效信息實現用戶的快速響應，達到調高工作效率的目的。

3結束語

制絲線集中監控系統是一個多范疇的應用軟件，還涉及到網絡技術、計算機技術、接口技術和存儲技術等等，本文僅從監控系統中人機界面設計的角度出發，通過分析煙草制絲生產線的特點，結合生產線實際，提出一種人機界面軟件開發的結構規劃和對象建模的思路，并給出了軟件功能設計、應用安全性設計，以及用戶體驗等方面的設計建議。人機界面設計是產品創新的有效途徑，人機交互設計必然向著信息化、智能化和網絡化的方向發展。隨著技術的發展和創新，交互設備也越來越豐富，移動設備、手機和平板等正逐漸在工業人機交互中推廣應用，工業人機交互方式必將發生巨大的改變。通過語音識別和肢體識別等實現人機交流的技術將從機器為中心的界面轉向更為人性化的交互方式發展。

參考文獻:

［1］張成忠，孔梅．交互設計在工業產品設計中的應用與未來展望［J］．包裝工程．2011，33(8):68－71．

［2］AHMADFA．Projectdesignandmanagementofprogrammablelogiccontrollersforelectricaltechnology［J］．InternationalJournalofEmergingSciences，2012(3):322－333．

［3］李翩翩．淺談交互設計在工業設計中的運用［J］．文藝生活，2016，27(9):58－60．

［4］廖材河，羅旺春．基于ISA88的批次控制技術在制絲生產線中的應用［J］．煙草科技，2012，56(9):14－16．

［5］GREGJohnson．ProductiontoBusinessInteroperability:ISA95andB2MML［R］．AmplaWhitePaper，2005(9)．

作者:劉曉東 陳竺 陳潔 王中郭 陳丹 單位:1.貴州中煙工業有限責任公司貴定卷煙廠 2.云南昆船電子設備有限公司