自20世紀80年代問世以來，隨著計算機在制造業(yè)中的日益普及，人機界面(HMI)已經取得了長足的進步，優(yōu)化的工廠需要優(yōu)化的HMI設計。
HMI的開發(fā)是為了讓人類可以與1970年代引入的可編程邏輯控制器 (PLC)進行交互，以取代硬連線繼電器邏輯。在許多方面，PLC和HMI通過提供更大的靈活性、更好的控制和更多的洞察力，徹底改變了制造業(yè)。
不僅僅是技術得到快速發(fā)展，用戶還學會了如何更有效地與之互動。按照“多多益善”的原則，這些信息和報警的數量越來越多，于是HMI被信息和報警淹沒。我們不再滿足于知道哪個變頻器出現故障，還需要有機會通知用戶，在可能的300多個變頻器故障中，是哪一個導致了問題。
這些都是很好的信息，但很快就變得不堪重負，并導致了諸如警報管理和態(tài)勢感知概念等舉措，以更有效地將信息呈現給用戶。在正確的時間向正確的人提供正確的信息這一概念是這些現代人機互動的基礎。
大多數HMI仍然在平板顯示器或監(jiān)視器上運行，但我們已經開始看到下一代HMI的模樣。增強現實(AR)和智能眼鏡作為操作員界面已經出現在工廠車間，而且已被證明是成功的，其功能主要圍繞維護和部件組裝。隨著這些技術的發(fā)展，逐步與人工智能(AI)和頭戴式顯示器相結合，在不遠的將來，我們可能將不再需要顯示器和監(jiān)視器。
1、升級老舊的HMI系統(tǒng)
盡管看起來未來的HMI與當前的顯示器和監(jiān)視器不同，但我們仍需要利用當前可用的設計和技術來解決短期問題，使HMI更加用戶友好。操作員與HMI有效交互的能力，直接影響其所控制的生產制造系統(tǒng)的生產率。
有很多過時的HMI系統(tǒng)正在監(jiān)控生產制造活動，其中許多已經有幾十年的歷史了。在很多情況下的應對策略是：“它仍然有效。我們已經學會使用它了，最好別碰它。”
硬件和軟件過時以及網絡安全問題，通常是HMI升級的觸發(fā)因素，還可以利用新技術帶來的其它好處。就像有了智能手機，就沒人想用翻蓋手機。未來的HMI可以為用戶提供更多實時信息，從而做出更明智、更好的決策。
升級老舊的HMI系統(tǒng)，要重點考慮兩個關鍵概念：
①保持設計不變，但將其遷移至更新的硬件和軟件。
②重新設計HMI以解決已知問題，并利用更好的設計和最新技術。
可以為每種情況進行論證。通過翻蓋手機與智能手機的類比，我們可以很容易地看到前一種方法具有改進的機會。還應注意的是，與HMI部署伊始相比，大多數制造商現在擁有不同的環(huán)境和員工。
最新一代的員工在移動設備、基于應用程序的解決方案以及無處不在的互聯(lián)網訪問(以快速找到解決方案)的陪伴下成長起來。
當今的制造環(huán)境，需要更少的勞動力、更高的機器和系統(tǒng)效率、更大的靈活性以及更高的生產率和質量目標，這就需要更高的HMI性能來支持這些需求。
2、新一代HMI的性能特點
利用最新技術的HMI現在可以支持更高級的功能，通常作為監(jiān)控和數據采集(SCADA)系統(tǒng)甚至制造智能(MI)解決方案的一部分提供。
新一代HMI可以支持和利用以下設計和功能：
①移動性
現在，通過智能手機和平板電腦可以更方便地提供訪問，而無需重新設計屏幕。在正確的時間，向正確的人提供正確的信息以支持更高效的員工隊伍，這是關鍵所在。更廣泛的訪問，也拓寬了參與系統(tǒng)維護的受眾。不在現場的專家也可以提供來自遠方的豐富經驗。新冠疫情證實了遠程參與的有效性。
②記分板
在關鍵操作臺上添加大型平板顯示器，使操作員可以快速看到需要解決的問題，而無需親往HMI嘗試找到描述問題的屏幕。
③無紙化
以前的表單、電子表格和其它手動數據跟蹤機制，現在可以更容易地得到數字支持。在工廠車間仍然使用有紙化辦公可能真的沒什么必要。
④控制室
隨著勞動力越來越少，操作員都需要管理更多自動化設備，控制室等概念則允許操作員一次更有效地監(jiān)控多個系統(tǒng)。分布式控制室的概念提供了兩全其美的優(yōu)勢：提供了多個系統(tǒng)的概覽，并具有將其掌握在不斷移動的員工手中的靈活性。
⑤態(tài)勢感知
這種HMI設計理念允許操作員在灰度背景上使用自定義的顏色編碼，顯示可操作信息，以突出需要注意的事項。這一理念是將數據轉化為可操作信息的基本范式轉變。
⑥報警管理
任何偏離可接受范圍的報警都會讓操作人員不堪重負，以至于他們會忽略報警。開發(fā)優(yōu)先級以區(qū)分可操作警報和信息警報，應該是任何HMI重新設計的一部分。
3、HMI設計標準化的優(yōu)勢
HMI標準化是有效利用現代設計的核心概念。標準化涉及圖形標準、命名慣例和應用程序設計概念等，例如一致的外觀和觀感，以提高車間的效率。這是應用易于識別的視覺效果來提高生產力的最佳做法。隨著標準化在企業(yè)規(guī)模上的應用，總體效益成倍增長。
在系統(tǒng)和機器層面，標準化提供了一致性，以提高用戶對期望運行方式的信心。例如，每次使用時，返回主菜單的按鈕都應布置在同一區(qū)域。如果在不同屏幕的位置不同，則會導致混亂和效率低下。此外，如果很少訪問的設備的控制，與頻繁訪問設備的控制相同，那么用戶將有一個如何與它們交互的基本概念。
使得在現場不同制造系統(tǒng)之間移動的人員，不管分配的任務如何，都能了解控件如何工作。制造系統(tǒng)之間一致的控制，有利于運行人員更無縫地在多個系統(tǒng)上高效工作。此外，維護也得益于跨系統(tǒng)一致的故障排除功能。例如，A線上的電機故障報告和重置方式，與B線上的電機完全相同。一致的HMI系統(tǒng)，減少了對新運行和維護人員培訓的工作量。
HMI標準化的最大好處來自于企業(yè)層面。在站點之間移動的工作人員知道如何更效地進行操作和排除故障。培訓和文檔也變得更加高效。從開發(fā)的角度來看，具有經驗證的最佳實踐的運營可以在整個企業(yè)中利用解決方案。
例如，工廠A可能有更多的工藝經驗，而工廠B有更多的包裝經驗。工廠A可以利用兩個站點的工藝解決方案，而工廠B可以利用包裝解決方案。標準化允許兩個工廠共享解決方案，并最大限度地提高多個站點的能力。結果是一個無縫的工作流程，讓員工以更高的績效水平運行。
一個好的人機界面應該易于使用，并隨時為用戶提供態(tài)勢感知。
標準化的人機界面還有助于快速輕松地進行變更或更新培訓，并且使新員工培訓在整個員工隊伍中保持一致。
標準化人機界面的3個重要優(yōu)勢是：
①提高生產率
HMI系統(tǒng)的易用性和功能性，將提高整體設備效率和勞動力生產率。更新后的控制系統(tǒng)使生產中的啟動、停止、故障排除和變更變得更容易。
②易于理解的技術
除了提高運行人員的生產效率，其它任務也得到了改進。可以簡化培訓、故障排除和生產線的變更。訓練有素的生產線操作員，可以隨時走近HMI，輕松了解特定生產階段的情況。應用編程標準使得用戶可以通過HMI更深入地了解控制，以接收有關工況的更多信息。
③成本效率
通過降低設備問題解決和變更所需的停機時間，提高操作員、維護和工程人員的生產效率，快速實現HMI標準化的投資回報。重要的是要專注于功能、外觀良好的高效HMI設計。華麗的動畫和軟件在HMI演示中可能看起來令人印象深刻，但它們對HMI的有效性并沒有貢獻。事實上，它們減慢了操作員對設備和信息的導航速度。將數據轉化為可操作的信息才是HMI的最佳實踐。
4、呈現信息而不僅僅是數據
先進的軟件和硬件技術，為下一代HMI提供了呈現信息而不僅僅是數據的機會。它為用戶提供了大量數據，但挑戰(zhàn)在于使用時提取可操作的信息。
HMI的靈活性可以將信息傳遞到車間的任何位置，而車間的大型平板顯示器或記分板，可以將信息提供給需要的用戶。用戶可以一目了然地了解生產線的運行情況，顯示故障、警告、質量問題以及已確定的關鍵性能指標(KPI)和生產目標。該實時信息允許操作員做出適當的決定和變更，以達到預期目標。
其它交互式界面設備，如智能手機和平板電腦，也可以連接到企業(yè)中任何需要的地方，向需要的人提供定制和標準化的可操作信息視圖。智能手機提供了一個了解KPI、關鍵故障和質量問題的窗口，從而能夠做出更高級別的決策，從而實現卓越的整體運營。
平板電腦可提供用于診斷和故障排除的移動無線HMI。使用平板電腦作為故障排除工具，將HMI放在技術人員需要的地方，通常在工廠車間，并且始終在移動中。
5、改進工作流程的4種方法
工作流程軟件為HMI提供了邏輯擴展。HMI提供了一個“這是正在發(fā)生的事情，這里出錯了”的視圖。共享工作流程，提供了關于報警或質量問題的根本原因所處位置的信息，以及為糾正該問題而采取的措施。在新一代HMI中增加標準化工作流程，將運營效率提升到了一個新的水平。
工作流程可以通過幾種不同的方式應用：
①標準操作程序：精簡并發(fā)送一致的信息，說明應如何完成工作。
②更換和機器設置：跟蹤關鍵的計劃停機事件，并在不生產時提供反饋以提高效率。
③在線參考和文件：在適當的時間和地點提供相關參考信息；通過快速參考、單點課程和交互式教程補充培訓。
④故障糾正：提供機器停機、質量問題和性能偏差的故障排除程序。
從工作流程中收集的數據提供了一個記錄了何時發(fā)生何種情況的電子記錄，以確保遵循程序。這有助于實現一個閉環(huán)的持續(xù)改進計劃。
在智能HMI的支持下，通過配備并主動廣播信息，運行和技術人員可以自信地無縫地在設施中移動，從而將生產保持在最高水平。
工作流程通過提供對標準程序、故障排除指南和有價值的參考資料的實時和相關訪問來增強培訓。關鍵故障和質量問題的自動上報，可確保在合適的時間通知合適的人員采取合適的行動。
新一代HMI為運行和技術人員創(chuàng)造了一個環(huán)境，使他們能夠跟上生產制造的步伐，并展望未來，幫助企業(yè)做出對長遠發(fā)展更有益的決策。
關鍵概念：
■標準化 HMI 帶來的優(yōu)勢包括：提高生產率、易于理解的技術和成本效率。
■利用最新技術的 HMI 可以支持更高級的功能。
■新一代HMI創(chuàng)造了一個環(huán)境，讓運行和技術人員可以跟上生產制造的步伐。
作者：Chris Parkinson
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