人機界面監(jiān)控系統(tǒng)管理論文

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從第一個按鈕開關被研制出來，人機界面監(jiān)控系統(tǒng)（下文簡稱HMI）便成為工業(yè)生產中一個必不可少的部分。在通用汽車公司中，HMI系統(tǒng)能夠幫助工程師進行故障診斷和設備維護工作。但是，在通用汽車公司中，HMI最主要的作用還是確保設備無故障地運行。

通過HMI系統(tǒng)延長設備無故障運行時間地關鍵在于生產過程進行優(yōu)化。行之有效地開展維護工作并對故障進行準確地判斷將有利于共產隔得正常生產。回顧HMI系統(tǒng)發(fā)展地歷程將有助于我們了解HMI系統(tǒng)未來發(fā)展地方向以及如何更好地實現(xiàn)工廠運營地目標－提高效率，增加無故障運行時間。

早期設備

最初地HMI應用項目中包含有大量地按鈕開關、指示燈、選擇開關和其它簡單地控制設備，功能僅限于啟動、停止某個設備，并顯示該設備地狀況。從某種意義上來說，這也是一種控制系統(tǒng)。這樣地控制系統(tǒng)非常簡單，通常由許多繼電器組合在一起來實現(xiàn)。在當時，設計者地重要設計思想就是讓控制電路越簡單越好，人機界面地雛形也受到這種思想地影響。

按鈕、開關以及指示燈在控制系統(tǒng)中地應用是一個不小地進步，早期地HMI系統(tǒng)常常不能有效地進行故障診斷，因為他們畢竟太簡陋了。在通用汽車公司，如果一個設備停止了工作，我們不許通過查看、測試控制系統(tǒng)地電路來找出故障。唯一地檢測技術就是用探針一一檢查測試點到設備控制電路、操作臺的導通情況。現(xiàn)在，即便沒有專門的故障診斷功能，HMI和自動化控制系統(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)帶來了第一次飛躍。這是，可以通過將所需的設備連接到PLC上來增加HMI系統(tǒng)的功能。當設備出現(xiàn)故障時，HMI系統(tǒng)不僅能夠與停機的設備通信，還能夠知道設備為何停機。

用戶可以通過編程終端發(fā)現(xiàn)程序中出現(xiàn)錯誤的字節(jié)。當設備出現(xiàn)故障時，PLC甚至可以通過編程來實現(xiàn)自動撥打救助電話。

與此同時，HMI系統(tǒng)的監(jiān)控范圍開始擴大，它能夠與設備進行通訊并獲取其狀態(tài)信息，同時還能計算某個車間的產量，并通過大量的指示燈來顯示這些信息，這成為當時車間中最為普遍的景象。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，有時候因為信息太多卻不能進行快速、有效的處理。除非操作員非常熟悉這些機器，否則他將被淹沒在大量的信息中而不知所從。

顯示設備的引入

從簡單的指示燈到七段數(shù)碼管，再到字母顯示管，通過這些顯示設備，使得HMI監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加準確地向操作員反映系統(tǒng)的狀態(tài)，從而減少故障診斷時間。通過我們經(jīng)常在老式計算器上看到的七段式LED顯示屏，用戶能夠更加準確地獲取設備地狀態(tài)信息。早期地準斷系統(tǒng)能在屏幕上顯示一個故障地I/O編號或者某些數(shù)字，用戶需要在手冊上查找這些數(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，如不同車間的產量等數(shù)據(jù)。這時的操作員可以輕而易舉地了解更大范圍內設備的信息。但是，隨著被監(jiān)控設備復雜程度的增加需要花費大量的時間用于編寫顯示屏的程序。

完全可編程HMI系統(tǒng)

HMI發(fā)展歷程中最為重要的突破在于完全可編程HMI設備的出現(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、指示燈燈虛擬對象，工程師再對這些虛擬的按鈕和指示燈進行編程，讓它們按要求顯示出來。

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

對于順序機械加工，其加工步驟表很快成為首選的現(xiàn)場用戶指南。工人能夠看到準確的加工步驟并按照這個步驟執(zhí)行相應的操作，加工步驟包括何時加入工件等內容。公車果農是可以很快地調整、修改工序。同時，這個加工步驟為小型和大型的應用都提供了統(tǒng)一的界面，所以就不再需要多個畫面來顯示整個加工步驟，只需根據(jù)工件的加工情況動態(tài)更新一個的列表即可。

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

當前以及未來的HMI

當前的HMI系統(tǒng)取得了長足的發(fā)展，實現(xiàn)了過去難以想象的功能，同事其價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進行系統(tǒng)開發(fā)，這樣便可以勝任HMI日益增加的功能同時又保持低廉的開發(fā)承辦。現(xiàn)在的HIM系統(tǒng)能夠提供多路按鈕和顯示畫面，從而用意個畫面對工廠中所有相同的設備進行控制。這樣，開發(fā)人員僅需設定從哪個設備采集數(shù)據(jù)用于HMI顯示目的，所示用的功能將通過文字列表顯示出來。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)在過去十年內得到了充分的發(fā)展，但是目前大多數(shù)HMI系統(tǒng)仍然使用為工業(yè)環(huán)境所設計的專用設備。基于PC的HMI系統(tǒng)（包括控制系統(tǒng)）存在一系列的關鍵性問題，因而阻礙了它的進一步推廣。

工業(yè)計算機的成本通常較商用計算機高很多，而且所采用的技術不如商用計算機先進；

個人計算機通常被用作編程終端，因而不會因它的故障造成整個生產線的停機，但在惡劣的工業(yè)生產環(huán)境中很少直接采用；

個人計算機的硬盤通常被認為最薄弱的環(huán)節(jié)，由它所造成的故障足使其喪失在惡劣環(huán)境，特別是震動環(huán)境中應用的機會，因此在某些重要的應用中將個人計算機排除在外；

在計算機上添加監(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)控制設備；

廠商對消費類計算機的產品備件支持年限較短，購買多年前計算機所使用的配件并不是一件容易的事情。但是，工業(yè)控制設備廠商非常了解用戶在長期使用過程中面臨的問題，因此對其產品的支持年限都比較長；

基于PC的HMI系統(tǒng)憑借技術優(yōu)勢，已經(jīng)顯著改進了上述缺點，特別是在價格上更是有較大的吸引力。隨著觸摸顯示屏和基于WindowsCE操作系統(tǒng)的HMI監(jiān)控設備的廣泛應用，基于PC的HMI系統(tǒng)將是未來發(fā)展的方向。

隨著基于PC的HMI產品的普及，工業(yè)系統(tǒng)中應用的鍵盤和鼠標也會隨之而來。用戶在車間與機器之間的交互式控制也變得如同操作家用計算機一樣簡單。

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

●軟件方面

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

HMI軟件的發(fā)展使其能夠在一個應用系統(tǒng)中支持多國語言文字，這種功能在當前全球一體化的市場環(huán)境中變得更為有用。目前，大多數(shù)的應用項目在支持多國語言時需要重新調整整個項目中每個畫面的文字，但是如果采用文本與應用項目分離的方式，在改變語言時僅需要提供相應的語言文件包即可。

在HMI軟件的開發(fā)過程中也引入了自動化設計，在為大量相似的機器設計HMI系統(tǒng)時，可以通過一系列的向導來完成。隨著系統(tǒng)的增加，這樣的自動化設計能夠明顯降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，特別是對于那些每年都新安裝數(shù)百臺機器的大企業(yè)。

HMI軟件同時提供各種開放功能，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，從而為用戶的應用項目提供更好的支持。例如工業(yè)控制公司能夠提供輔助設計支持軟件，同時控制系統(tǒng)公司出售更具附加值的產品，這樣便可節(jié)省最終用戶總體投入成本。

相信在不遠的將來，HMI系統(tǒng)都將運行于MicrosoftWindows操作系統(tǒng)上，專用設備的HMI系統(tǒng)將逐步退出市場.這樣有助于制造商盡全力研制運行于該平臺的軟件，創(chuàng)建統(tǒng)一的信息交換標準。到那時，獲取診斷數(shù)據(jù)和開發(fā)維護工作將變得更為簡單，從而不再需要用設備上的HMI設備獲取診斷數(shù)據(jù)，再用其它的HMi設備對其展開維護工作。操作員只需要一臺HMI設備就能對故障設備進行診斷和維護。設備上的HMI更能夠和整個車間或廠區(qū)的應用系統(tǒng)協(xié)同工作。通過基于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)場的情況。

未來HMI可能的發(fā)展方向

HMI系統(tǒng)在發(fā)展過程中將不斷增強其功能，同時壓縮總體成本，隨著PC市場的發(fā)展，可能會有如下幾個發(fā)展方向：

●三維可視化

為了克服機器可視化圖形設計所需的高昂費用，今后的HMI系統(tǒng)可能會直接共享機器設備在設計階段的參數(shù)數(shù)據(jù)。不再需要花費大量的時間去制作二維的視圖，可以將機器設備的參數(shù)數(shù)據(jù)導入，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，自動化設計過程只關注于最初的設計，在HMI發(fā)展的下一個階段將會提供貫穿于整個系統(tǒng)生命周期的自動化設計工具。當前，在HMI系統(tǒng)和邏輯控制系統(tǒng)之間存在著密不可分的聯(lián)系，因此今后很有可能將兩者集成在一起。

●使用Web集成技術

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

●NET－應用項目動態(tài)傳輸

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

未來的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)時所考慮的首要問題還是成本和可靠性，有時甚至可能把那些功能強大的高端系統(tǒng)排除在外。隨著最新技術的發(fā)展－無論是小規(guī)模試用還是正在處于測試階段，廠商勢必都將為用戶提供價格更為合理，功能更強，性能更穩(wěn)定的HMI系統(tǒng)，從而滿足未來生產力提升的需要。