高性能HMI 走向扁平化

        个人计算机作为图形用户界面（GUI）在自动化中已经使用了30多年。在那段时间里，从技术、术语、功能到用于创建接口的标准和指南，发生了许多变化。

       PC 技术的飞速发展，特别是图形显示，用户界面的技术发展导致了HMI技术的不断进步。比如windows 的窗口技术，动画技术，到现代的立体图和3D模型都导入了过程自动化HMI 的设计中。

 

     但是各项技术导入自动化HMI 中也带来了某些混乱。生产现场到处看到了许多花花绿绿的简陋的HMI。这都是那些老旧组态软件设计的系统，而在另一方面，UI设计师又可能努力过了头，炫酷的界面使人们迷失了HMI的初衷。

老式HMI设计的问题包括：

• 过于丰富的颜色
• 许多无用的图形
• 视觉干扰
• 设计的复杂性

     大量组态设计都花费了大量的时间来做HMI界面的调整。导入了3D模型后，设计3D模型的对象库更增加了设计工作量。如果需要定制图形库，就需要更多的设计工具和技术背景。令人遗憾的是，这样炫酷的HMI界面有时候确实适得其反。它们并没有以OT 工程师为中心，反而给OT工程师造成了视觉混乱。正是由于此，HMI 设计需要有一个标准来规范HMI的设计。

        早期制定标准的组织之一是ISA（国际自动化学会）。到80年代中期，ISA在各种标准中加入了一些图形指南，其他组织也效仿了自己的指南和标准。

        ISA在80年代制定和发布的标准是基于当时的技术，到2000年代初，很明显这些标准需要改造。2006年成立了一个委员会，以建立一套更新/新的标准，用于在过程控制和自动化应用中实施，使用和管理HMI。2015年ANSI/ISA-101.01-2015 HMIs for Process Automation Systems（过程自动化系统人机界面）获得批准并发布。

     ISA-101 标准对HMI 提出了设计指导，原理和设计理念，在ISA-101 的观点下的HMI设计，与目前许多的HMI 设计是有许多的差别的。为了与旧式传统的HMI设计思想有所区别，人们将遵循ISA-101标准的HMI 设计称为“高性能HMI设计”，一本名为《High Performence HMI Handbook》 介绍了相关的内容。更详细的内容可以阅读：

《ISA-TR101.02-2019, HMI Usability and Performance》

        高性能 HMI 是标准化、易于使用且更高效的 HMI 图形系统的行业解决方案，在某些情况下取代设计不佳的 HMI。 设计合理的HMI将支持过程的平稳稳定运行，并通知操作员异常情况。但是情况并非总是如此。 许多HMI设计不佳，导致可能危及安全，质量和盈利能力的情况。 当前的许多HMI都使用了广泛的颜色，不必要的图形，视觉干扰以及缺乏整体态势感知。反过来，这些可能会导致负面后果。 其中一些后果可能包括操作程序不佳，例如按警报运行，操作员仅响应警报而不了解警报条件的根本原因。 在最坏的情况下，设计不良的人机界面已被确定为一些工业事故的促成因素。  

本文介绍高性能HMI设计的主要观点。

简约的图形

        ISA-101 并不主张使用“拟物性”图标，而采用“扁平”化的图标。因为拟物性图标包含了许多无用的图形，占据了窗口，同时带来了视觉混乱。

ISA-101主张从拟物图标向扁平化设计转移：

       在早期的过程控制HMI中，也使用一种十分简化的方式，仪表流程图(Piping & Instrumentation Diagram)管道和仪表流程图（P&ID）。它是对控制和监控的过程的简单描述。这主要是由于当时计算和图形能力的限制。

颜色的使用

        ISA 101 标准倾向于为图形对象推荐更单色的配色方案，使显示器乍一看看起来很平淡。许多人在开发 ISA 101 样式图形时使用的更流行的配色方案之一依赖于大多数背景对象和控件的对比灰色阴影，它和原来的HMI相比，色彩有点单调，底色建议采用灰色。因此，Control 杂志上有一篇文长的标题是“走向灰色：新的 HMI 标准”。

比如设备的状态通常使用两种颜色的表示：

信息驱动

        旧式的HMI都是讲HMI 的图形状态与工业现场的数据点建立关系。数据只是一个数值，它们不是信息，它们没有含义。高性能HMI主张以信息驱动的HMI设计方法。例如一个模拟量也许就只是一个浮点数。但是如果将数据转化为信息，它包含的内容将会更多：

      名称   ：温度

      单位   ：°C

      值：65.3

     正常范围   -25~85

     告警范围    >90

        基于信息模型HMI 将会更加清晰，提供的内容更多。与此同时，也将会减少HMI组态的设计工作量。当控制系统采纳了类似OPC UA 的信息模型后，有望将OPC UA 信息模型转化为HMI 界面，这是一个非常有意思的话题。HMI 的自动化生成技术。这将完全颠覆HMI 的设计方法。笔者将会在后续文章中探讨这个问题。

高性能HMI 的分层

高性能HMI主张采用分层架构

 全局观察

更详细的观察

设备细节屏幕（通常包括阀门，泵等设备的状况）

诊断屏

 模拟量的显示

对于模拟量而言，ISA-101主张更简约的呈现方式，同时包含更多有用的信息：例如正常范围，告警区域等等。

ISA-01建议的模拟量呈现方式为：

下面是仪表盘的呈现方式：

 趋势图的重要

对于现场的数据而言，趋势图非常的重要。在趋势图中同样要呈现正常区域，告警区域。

结束语

         了解ISA-101 标准，能够知道什么是自动化行业主张的HMI设计。不必将HMI的画面设计过了头。另一方面，HMI的简约化和标准化为日后HMI的自动化生成铺平了道路。