劉曉東， 陳竺， 陳潔， 王中郭， 陳丹

(1.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴定卷煙廠，貴州 貴定 551300，2.云南昆船電子設(shè)備有限公司，云南 昆明 650236)

0 引 言

人機交互界面是自動化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisorycontroi and data acquisition system，SCADA)中的一個子系統(tǒng)。工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的人機交互界面是一個綜合的操作環(huán)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(jiān)控軟件平臺，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場PLC數(shù)據(jù)進行采集、交換處理，實現(xiàn)對生產(chǎn)線的監(jiān)控和管理功能[1]，并為企業(yè)信息系統(tǒng)提供生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的一種工業(yè)應(yīng)用軟件產(chǎn)品。

隨著新一輪卷煙行業(yè)技術(shù)升級和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)柔性化的進一步增強，采用電控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、對象化技術(shù)、單元化技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的智能集成生產(chǎn)控制系統(tǒng)已成為煙草行業(yè)的發(fā)展趨勢，打造新一代面向工業(yè)V4.0、數(shù)字化、智能化工廠是煙草行業(yè)信息化建設(shè)的主要目標(biāo)。智能工廠主要關(guān)注智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程。如何通過人機交互界面的設(shè)計，更好地展示煙草制絲生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的柔性化、智能化設(shè)計，是本文主要探討的問題。

交互設(shè)計是一種將產(chǎn)品從技術(shù)化轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑?，同時滿足人們情感需求的實際方法，隨著人機交互設(shè)計的不斷發(fā)展，人機交互界面更傾向于提高工業(yè)生產(chǎn)效率的易操作性和重視用戶體驗的人性化設(shè)計[2]。

1 煙草制絲生產(chǎn)線人機交互界面設(shè)計現(xiàn)狀

現(xiàn)在應(yīng)用中的制絲生產(chǎn)線人機界面設(shè)計，多側(cè)重于設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視和控制功能的實現(xiàn)，設(shè)計開發(fā)者通常依據(jù)自己的個性進行開發(fā)設(shè)計，將采集到的所有數(shù)據(jù)信息盡可能地堆疊到畫面中，設(shè)計缺乏一定的規(guī)范性。人機界面信息量很大，信息卻沒有進行有效的分類、規(guī)劃，往往會因為一些無關(guān)緊要的信息，干擾了用戶對關(guān)鍵信息的響應(yīng)速度。

隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代煙草制絲生產(chǎn)線控制系統(tǒng)正向著面向定制化設(shè)計，支持多品種小批量生產(chǎn)模式發(fā)展，要求生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有高度的柔性，能夠進行模塊化組合，以滿足生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需求，因此對生產(chǎn)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(fù)雜工藝生產(chǎn)線的控制，實現(xiàn)真正意義上的智能化應(yīng)用。因此人機交互界面的設(shè)計也應(yīng)該向著更加規(guī)范，更加人性化的設(shè)計方向發(fā)展[3]。

交互設(shè)計三要素：機器/系統(tǒng)、人、界面。如何通過界面，更好地將機器/系統(tǒng)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(tǒng)，是工業(yè)人機界面設(shè)計需要研究的問題。

2 煙草制絲生產(chǎn)線人機界面設(shè)計思路

基于符合ISA-88標(biāo)準(zhǔn)的批次控制技術(shù)設(shè)計的制絲線管控系統(tǒng)，更好地適應(yīng)了分組加工特色工藝、柔性化生產(chǎn)和精細加工的發(fā)展要求[4]。煙草制絲生產(chǎn)線人機交互界面,監(jiān)控的對象是制絲自動化生產(chǎn)線，因此也可基于ISA-88標(biāo)準(zhǔn)理論基礎(chǔ)，設(shè)計從傳統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，向支持以工藝任務(wù)、工藝線路和工藝單元為核心的參數(shù)化任務(wù)生產(chǎn)控制及操作的人機交互界面?；跇?biāo)準(zhǔn)的設(shè)計開發(fā)，是未來解決管控系統(tǒng)柔性集成時成本高和難以實現(xiàn)等問題的良好解決方案[5]。

2.1 人機界面結(jié)構(gòu)層次設(shè)計

ISA-88標(biāo)準(zhǔn)提供了一種基于批次生產(chǎn)的層疊模型，用來對物理設(shè)備進行結(jié)構(gòu)化建模，即物理模型，對應(yīng)于煙草制絲工廠的實體物理對象，可以構(gòu)建出制絲生產(chǎn)線的層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

制絲生產(chǎn)線人機界面依據(jù)這一結(jié)構(gòu)，設(shè)計基于產(chǎn)線、加工單元、設(shè)備及器件級的監(jiān)控界面層次框架，如圖2所示。

2.2 對象建模

針對煙草制絲生產(chǎn)線這種層次結(jié)構(gòu)，在監(jiān)控系統(tǒng)中搭建生產(chǎn)車間組織架構(gòu)。基于全模型化的設(shè)計原則，由下至上創(chuàng)建器件級模型、設(shè)備模型、處理單元模型。通過層級間的包含關(guān)系，對模型對象實例化，搭建出滿足工藝要求的生產(chǎn)工藝線路。

生產(chǎn)線各工藝段包含了多個生產(chǎn)單元，可以同時生產(chǎn)一個或多個批次的產(chǎn)品；每個生產(chǎn)單元包含了一組設(shè)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(chǎn)一個批次的產(chǎn)品，各單元模塊是相互獨立的，對不同生產(chǎn)單元的合理調(diào)度，即實現(xiàn)了生產(chǎn)的柔性化控制。

人機交互界面設(shè)計軟件均提供了畫面模板設(shè)計功能。根據(jù)對象模型的屬性，創(chuàng)建監(jiān)控對象的畫面模板，在應(yīng)用中，通過參數(shù)調(diào)用，實例化模板畫面，實現(xiàn)同類型對象的標(biāo)準(zhǔn)化畫面調(diào)用顯示，如通用電機畫面模板調(diào)用，見圖3。

2.3 基于標(biāo)準(zhǔn)的對象模型的數(shù)據(jù)接口設(shè)計

人機交互界面與PLC控制系統(tǒng)的交互是通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)，為對象模型定義標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，這有助于系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范性設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)計包括：數(shù)據(jù)接口命名規(guī)則、數(shù)據(jù)類型定義和數(shù)據(jù)長度定義等方面。

數(shù)據(jù)接口涵蓋了制絲控制系統(tǒng)中大部分控制設(shè)備，主要包括生產(chǎn)線自動控制接口、生產(chǎn)狀態(tài)采集接口、主機設(shè)備控制接口、輔聯(lián)設(shè)備控制接口和生產(chǎn)工單數(shù)據(jù)接口等。接口數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的模式定義，使工作各設(shè)計環(huán)節(jié)按標(biāo)準(zhǔn)模塊執(zhí)行，縮短了整體控制系統(tǒng)的研發(fā)周期，增強控制系統(tǒng)的技術(shù)可移植性，便于維護。數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)化也有助于將各個獨立的控制系統(tǒng)統(tǒng)一到一個標(biāo)準(zhǔn)的平臺中來，為企業(yè)的信息化及大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供一個標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口平臺。通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)計還有利于系統(tǒng)的擴展，提高系統(tǒng)的開放性和兼容性。

2.4 聚焦用戶需求的功能規(guī)劃

人機交互界面應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計，應(yīng)以滿足用戶的需求為目的。制絲生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)擔(dān)負著生產(chǎn)線的監(jiān)視和控制的功能，完成對整個車間生產(chǎn)過程信息的收集、處理、存儲、監(jiān)視、報警、記錄和控制等。在確保生產(chǎn)過程的有序、高效、可控和可視的同時，要應(yīng)具備生產(chǎn)任務(wù)控制及管理、系統(tǒng)診斷和日志管理等功能。按照監(jiān)控功能設(shè)計層次結(jié)構(gòu)，功能細分如圖4所示。

2.5 便于管理的安全操作設(shè)計

用戶通過人機交互界面，可直接控制自動化生產(chǎn)線中的設(shè)備，因此系統(tǒng)的安全操作尤為重要。通常通過用戶權(quán)限和控制操作的約束條件，來確保用戶的安全、有效操作。

根據(jù)用戶角色對系統(tǒng)的管理范圍和應(yīng)用需求的不同，劃分角色組，并定義相應(yīng)的操作權(quán)限，將對應(yīng)的用戶歸屬到不同的角色組中，通過角色組的權(quán)限，實現(xiàn)對不同用戶的權(quán)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(yīng)的提示信息，減少和避免因用戶誤操作產(chǎn)生的錯誤生產(chǎn)指令。

2.6 基于用戶角色的定制化設(shè)計

交互設(shè)計強調(diào)產(chǎn)品的交互性與體驗性，設(shè)計者應(yīng)站在用戶角度來完成工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。不同用戶對信息的需求不同，生產(chǎn)操作員，需要了解生產(chǎn)控制結(jié)果和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)；工藝管理員關(guān)心生產(chǎn)過程中的各項工藝指標(biāo)、質(zhì)量數(shù)據(jù)；設(shè)備維修人員側(cè)重于各設(shè)備的運行狀態(tài)以及設(shè)備是否發(fā)生故障等等。

因此將數(shù)據(jù)信息優(yōu)化處理，進行有效分類，針對不同角色的用戶開發(fā)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(xiàn)用戶的快速響應(yīng)，達到調(diào)高工作效率的目的。

3 結(jié)束語

制絲線集中監(jiān)控系統(tǒng)是一個多范疇的應(yīng)用軟件，還涉及到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、接口技術(shù)和存儲技術(shù)等等，本文僅從監(jiān)控系統(tǒng)中人機界面設(shè)計的角度出發(fā)，通過分析煙草制絲生產(chǎn)線的特點，結(jié)合生產(chǎn)線實際，提出一種人機界面軟件開發(fā)的結(jié)構(gòu)規(guī)劃和對象建模的思路，并給出了軟件功能設(shè)計、應(yīng)用安全性設(shè)計，以及用戶體驗等方面的設(shè)計建議。

人機界面設(shè)計是產(chǎn)品創(chuàng)新的有效途徑，人機交互設(shè)計必然向著信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。隨著技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，交互設(shè)備也越來越豐富，移動設(shè)備、手機和平板等正逐漸在工業(yè)人機交互中推廣應(yīng)用，工業(yè)人機交互方式必將發(fā)生巨大的改變。通過語音識別和肢體識別等實現(xiàn)人機交流的技術(shù)將從機器為中心的界面轉(zhuǎn)向更為人性化的交互方式發(fā)展。