工业控制的人机界面设计

工业控制的人机界面设计

计算机的出现导致了工业控制的一场革命。在此之前，电子单元仪表只能通过接线变化来构建稍微复杂一点的控制系统，气动单元仪表就更麻烦了，简单的计算就需要相当复杂的搭建，所以串级、前馈、比例、分程、选择性控制（请参见《自动控制的故事》）都成了“先进控制”。另一方面，传统电子单元仪表安装在竖立的仪表板上，一个回路一个鸽子笼。一个操作工照看十几个回路，再多就看不过来了，距离太远。随着工厂规模越来越大，控制系统越来越复杂，传统的仪表板已经不适合需要，几十米长的仪表板需要很多操作工照看不说，没有一个操作工可以对全局有一个清晰的概念。于是，在常规的仪表板上方，开始加装一个标示整个工厂流程的象形显示板，用图形表示简化的工艺流程，在关键设备上有警告灯标示，表明设备的运行概况或对关键参数报警。由于所有人都能看见这块显示板，所有人都了解重要设备的状态。

工业装置的规模越来越大，复杂程度越来越高，系统的集成度也越来越高，强烈要求集中控制，可以对复杂过程的控制变量作统筹安排。在某种程度上，更多的操作工反而碍事，操作工与操作工之间的交流费时，容易出错，越来越长的仪表板越来越难以适应现代控制的需要。计算机的出现不仅在控制算法和数学模型计算的实现上提供了空前的灵活性，而且对工业控制的显示也是一场革命。同一个显示屏可以调用不同的控制回路信息，而且可以根据需要，显示传统上为了节约占地而不在仪表板上显示得非常细节的信息。不再需要传统仪表板上的一个萝卜一个坑也解放了仪表板背后的成排的仪表柜，只要现场仪表（变送器/传感器、阀门、马达控制）的线拉进了控制室，增减回路也不再是大动干戈的事情。事实上，相当一部分工业计算机控制系统是作为集中显示装置使用的，在控制技术上只是PID加串级、前馈纸类的所谓“先进过程控制”，并没有充分利用计算机的数学控制计算的能力。一夜之间，仪表板不需要了，由几个显示屏取而代之。

显示屏可以不止一个。过去显示屏的数量受到成本限制，现在21英寸的LCD显示屏才几百刀，对于工厂的建设和运行成本几乎可以忽略不计，所以成本不再是问题，而是由操作台上显示的有效性决定。显示屏不是越多越好。何常规仪表板一样，操作工的视力所及范围和注意力能够有效集中的范围是有限的。经验表明如果水平方向上多余6个一字排开的显示屏，一个操作工很少能用到边上的两个，一般4个是有效显示屏的极限。更多的显示屏只吸引无关人员拥挤到操作台，增加控制室的拥挤和噪杂。在垂直方向上，上下叠起来的“两层楼”可以在操作工的视界内增加更多的有效显示，但上层不能太高，需要后仰才能看清的显示屏只能作为非常情况显示，不能作为日常显示。如此算来，在一个操作工能够有效地顾及的范围内，也就是4-8台显示屏。这就有了新的问题。本来的仪表板上所有仪表都在那里，操作工可以一览无余掌握整个工艺过程的情况。但有限的显示屏一般只能有选择地显示一部分过程和有关的仪表。

对于一个典型的工厂，显示画面一般分为几类：

1、工艺过程概览

2、工艺过程细节

3、水电气、冷却塔、蒸汽等公用设施情况监视（统称utility and battery limit）

4、仪表、控制系统状态监视

5、生产状况（产量、品种、正品率等）、成本显示

6、安全状态监视（火灾、泄漏、风向、气温）

林林总总加起来，大大小小的画面少则几十个，多则几百个，有限的几个显示屏不可能同时显示所有内容，这就带来了什么时候显示什么内容、如何迅速可靠地调用眼下急需的内容的问题。这就是工控人机界面设计的核心问题，通常称为Man Machine Interface，简称MMI；或者Human Machine Interface，HMI。IT界常挂在嘴边的图形界面设计（Graphic User Interface，简称GUI）只是其中的一个子问题。传统的MMI好比从望远镜里看世界，细节看得很清楚，但只见树木，不见树林，这就是所谓“隧道视野”（Tunnel Vision）的问题。

第一代计算机控制的显示画面基本上就像DOS时代的水平，没有同一显示屏内多个视窗的能力，每个显示屏就是一个视窗。操作系统和硬件、软件都是专用的。在操作上，有的系统用触击屏完成类似鼠标的功能，有的系统用游戏棒或track ball（中文叫什么？这是底座固定在桌上的一个滚动的圆球），虽然没有现在常用的鼠标，但可以完成类似的功能。触击屏在使用上又方便又讨厌。不需要专门的游戏棒或track ball是一个优点，看到显示屏上的什么东西，直接用手指一点就行了。但出于习惯，人们也经常在解释或询问的时候，在屏上指指点点，这就容易乱套了。据说战斗机上现在也用触击屏，不知道飞机在做高机动动作的时候，手指不听指挥乱点，会怎么样？除了标准的QWERTY键盘（就是通常的打字机键盘，因为上左6个字母是QWERTY而得名）外，还有大量的专用键，业内戏称为“麦当劳键盘”（McDonald Keyboard），因为麦当劳店里就是这种薄膜键盘，一个键代表一种汉堡包。薄膜键盘防水、可靠，不怕万一把咖啡或饮料洒在键盘上，但用起来很“涩”，都不喜欢。

部分出于技术水平的限制，部分出于习惯思维的限制，第一代计算机控制系统的画面大多是黑底彩线的图形显示，包括一些关键参数和模态。详细信息还是用字符显示，一般是黑底绿字，就像当年的WordStar一样（还有人记得这东西吗？）。在不同的显示画面之间转换是一个很大的问题，这就要用到那个很大的“麦当劳键盘”了，很多键就是用于调用显示画面的，一个键一个画面。对于熟练的人来说，键的位置及对应的画面都已烂熟于心，使用时一按就调出来了，十分快捷；但对于不熟练的人来说，找到需要的画面还真不容易，就像早年用中文大键盘打字一样，简直就是大海捞针。即使如此，还是有很多显示画面没有对应的键。如果有在逻辑上比较接近而可以一键调出的画面，可以在这些画面上增加一些“导航标记”，通过点击这些标记来间接调用需要的画面。但这像电脑挖宝游戏一样，要是找不到门，也就进不去宝窟。于是只好有一个专门的目录画面罗列所有的显示画面，实在找不到，就到这里来按图索骥。随着显示画面越来越多，操作节奏越来越快，这种画面导航的方式越来越不适应需要。

90年代后，UNIX和WIN NT技术先后进入工业控制计算机系统，硬件、软件都成为所谓“开放系统”（Open Architecture），加了和物理层控制系统连接的专用插板外，可以用普通的商用电脑，显示画面也就和视窗一样了。随着廉价可靠的鼠标的出现，除了已有的，工业上已经不再用触击屏了。另外的输入装置就是键盘了。现在键盘很便宜，坏了换一个即插即用，没有太大的可靠性上的顾虑，所以薄膜键盘也开始少见了。

但是这一代计算机工业控制系统实际上是混合系统，实现基本控制的下层依然是70年代的技术，十分可靠；通过OPC（OLE for Process Control，实际上结合了OLE、COM、DCOM的内容，是一种开放的软件数据环境，容许不同软件之间交换数据和协调工作）接口，可以和通常的网络双向连接，有利于利用商用电脑的日新月异的能力；视窗式的显示界面可以大大增加显示密度和图像设计的灵活性。这似乎是一个理想的折衷，但这里面的问题要到后来才显示出来。