工业控制的人机界面设计.doc

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。有了视窗环境，很自然的想法就是在同一个显示屏上开很多窗口，一个显示屏可以顶几个用。但这是一条死路。为了尽可能多地显示信息，画面一般都是撑满显示屏的，如果一个显示屏顶几个用的话，多个视窗实际上是面上的一个把后面的都遮住，所以在不同窗口里切换和使用单一显示屏在不同显示图像之间调用没有本质的差别。另外，只能看到一幅画面不等于背后的画面不在同时从网络上抽取数据。控制系统有严格的时间要求，网络带宽永远赶不上需求的增长，这种不必要的网络负荷是十分禁忌的。然而，每个显示屏都使用单一窗口的话，视窗环境和传统的单屏环境没有实质差别，工控人机界面的设计似乎陷入了死路。视窗环境提供了两个新的机会：一、单台显示屏上可以开多个窗口；二、几乎不受限制的颜色选择。新一代的工控MMI就从这两个方向入手。相对于计算机控制的显示屏时代，单元仪表时代有三样东西是人们十分怀念的：1、对全局的一览无遗2、长图记录仪3、对偏差而不是绝对值的显示仪表板上象形的工艺流程长条显示板和连续的仪表板上的仪表，使操作工可以很快地掌握全局情况，在紧急情况时，也容易跟踪事态的进程，实时掌握当前的状态。计算机显示屏时代，这只能通过不断地调用不同的显示画面才能做到，实际上割裂了操作工对过程“脉搏”的感受。长图记录仪（chart recorder）也称滚筒记录仪，滚筒上的记录纸随滚筒转动匀速地前进，记录笔横向移动，这样就记录下过程参数随时间的变化，这对发现参数变化的趋势特别有用，也可以用来对故障的事后诊断，或者用来比较不同时期的工艺条件变化。纸筒用完了要换，换下来的存档作为记录。类似的还有圆图记录仪，记录纸不是线形地进纸，而是圆周转动，所以画出的曲线是圆的，一般以昼夜换一张纸。有经验的操作工经常不是靠监视过程参数的瞬时值来发现问题，而是靠观察记录的曲线。但在早期的计算机显示屏时代，模仿长图记录仪并不是一件简单的事，需要事先编程才能调用。虽然这不比单元仪表时代更麻烦，但依然很不方便。单元仪表时所谓的模拟式仪表通常不用数字显示，而是用拨盘、指针等显示。一方面，这没有数字精确；另一方面，操作工可以很快地判断大概位置，并根据设定值（控制目标）和实际值指针位置之间的差别和指针的运动方向，迅速判断控制系统的工作情况。相比之下，计算机的数字显示反而不直观，数值本身常常不是最重要的，数值在正常工况范围内的相对位置和移动趋势才是最重要的。这和汽车上的仪表显示很相像。80年代时，曾有过一阵潮流，将速度、发动机转速和其他显示用数字表示，很快遭到人们的反对，因为看数字再思考实际速度，反应太慢，还是一眼看到指针大概位置更加直观。现代汽车上很少用数字显示速度和转速了，即使用全电子显示也是模仿机械指针的效果，原因就是这个。视窗显示的图形功能是相当于CGA的传统工控系统显示系统所望之莫及的。通过 ActiveX和OPC连接，视窗环境可以较容易地以专用窗口实现长图记录仪功能，可以根据需要增减记录仪窗口（trend）的数量，每个记录仪窗口可以根据需要增减“记录笔”（traces）的数量，并用不同的颜色、线条粗细和虚实区分不同的记录笔所代表的工艺参数。视窗环境也使灵活改变记录仪窗口的组态十分便捷，可以由操作工在任何时候自由增减所记录的工艺参数，调整纵座标的上下限怡观察微观变化或宏观趋势，也可以调整时间轴的长度和起点、终点，以比较现在和过去类似的情况，并可以点击以显示任一时刻的确切数值。需要的话，也可以把整个一段时间内的数值列表显示。视窗的图形功能同时将具 体参数的显示用数字和指针结合起来，兼顾指针可以快速判断和数字比较精确的有点。指针可以像钟表指针一样左右摆动，也可以像水银柱温度计一样上下浮动。指针指向中间，或者水银柱的高度在中间，不用看具体数值，就知道处在正常工况。指针或水银柱偏离目标值达到一定程度时，自动变色，提醒操作工注意。设计巧妙的话，还可以用不同形状表示温度、液位、压力、流量等不同类型的工艺参数，这样一眼就可以分辨不同参数的类型，而不需要读旁边的说明。单个的显示图面可以用象形或者模拟的手段显示，但如何把多个显示画面用具有逻辑性的方式直观地联系起来，如何设置显示画面使操作工既看到树木又看到树林，这是一个很不简单的问题。在另一个的层面上，CGA级别的显示环境提供了大约640x480的分辨率和16种色彩。这对模拟仪表已经是非常奢侈了，一般只有红、黄、绿警告灯，没有别的色彩了。视窗环境提供16位甚至32位的色彩，从实用角度来说，几乎是无穷多种色彩了。这似乎是一件好事，但实际上带来了极大的困扰。工业控制环境的色彩选择不是一个美学问题，而是一个人机心理的问题。色彩的选择应该和人对色彩的反应相联系，不同的色彩应该有不同的含义，到底应该用什么样的色彩才合适呢？Honeywell是一个很大的公司，不同的人从不同的角度了解Honeywell。Honeywell由三个大的部分组成：建筑空调，航空电子，工业自动化。关注家居的人们对Honeywell的暖风、空调控制比较熟悉，军迷们对Honeywell的飞行控制和玻璃座舱比较熟悉，但 Honeywell的工业控制是很大的一块，从变送器到所谓集散控制系统（Distributed Control System，简称DCS）都做。航空领域在很多方面是技术的先导，在控制系统显示上也不例外。飞行员在遇到紧急情况的时候，有大量的信息需要处理，需要及时反应，否则飞机就可能掉下去。现代大型化工厂也面临同样的问题，对紧急情况处理不及的话，事故就可能发生，并迅速升级到不可收拾的程度。大型化工厂的恶性事故的后果绝对不比掉下一架飞机小。Honeywell在航空电子方面的经验使Honeywell在工业控制软环境设计方面具有独特的优势，从90年 代开始，Honeywell借贯通航空电子和工业控制的优势，组织了一个“异常情况管理”（Abnormal Situation Management Consortium，简称ASM）的松散研究组织，专门研究控制系统MMI的问题。ASM通过对人机心理和工控环境的研究，发表了一系列MMI的设计原则，其中显示系统的色彩和画面设置是一个重要内容。ASM的研究结果表明，斑斓的色彩和眩目的图形设计是工业控制的大敌。在天下太平的时候，这可能使画面看起来很有趣。但在紧急情况发生时，真正的警报信息可能就淹没在斑斓和眩目之中。事实上，航空界很早就开始向这个方向转移了。飞机座舱里除了各种仪表和开关外，指示灯也越来越多，提醒飞行员各个系统的工作情况和任何异常。习惯上，如果一个系统在运转，和这个系统相应的指示灯就是亮的；一旦系统停转，指示灯相应熄灭。以后开始用不同颜色区分不同的状态，绿色表示正常，红色表示故障，有时候还加上黄色，表示异常但还不到故障的地步。随着系统复杂程度迅速提高，座舱内很快就变成了灯的海洋，在工业界就被戏称为“圣诞树”。有些系统在正常的时候并不需要工作，或者只有在某种模式下才需要工作，比如起落架，着陆的时候不能放下起落架是要命的事，但在飞行的时候就不需要放下。如果不分状态，简单化以下，只能取保险的状态，也就是放下了是正常，不放下就是不正常。这样一来，起落架的指示灯倒有大半时间是红的。这样的系统多了，灯海里红的、绿的就不再容易分辨到底谁是真故障，谁是真正常。空客在设计 A300的时候，就开始采用所谓的“暗舱”原则，正常的系统指示灯根本不亮，只有不正常的系统指示灯才亮，这样一下子就抓住飞行员的注意力，一边及时处理问题。ASM将这个“暗舱”原则应用的工业过程控制人机界面设计中，也只着重显示异常系统。从这个原则出发，工控画面设计有几个原则：1、背景使用最枯燥乏味的浅灰色或其他所谓的“中和色”2、所有设备、管线、字符和静态画面元素使用中灰色，和背景有足够反差就够了，不用过于醒目，不必要地争夺注意力3、尽量使用指针、水银柱等模拟式显示，降低对数字的依赖4、只有动态数据、指针、水银柱采用较深的灰色5、避免一切不必要的、纯粹为了好看的图形细节，比如三维的容器、渐变色、旋转的风扇叶片等6、色彩只用于警告显示，红、黄、蓝或其他颜色只用于表示警告等级，不用于任何其他用处7、设备的正常启动、停止不是警报，不用色彩表示，最多再深灰和浅灰之间切换，以避免和真正的警报混淆使用这样的“暗舱”原则设计的工控画面在正常的时候是很乏味的一片灰色，但一旦出现异常，那几点“万绿丛中一点红”非常醒目，马上就抓住操作工的注意力，有利于得到及时处理。由于这个设计原则和传统的工控画面太不相同，一开始实施的时候受到操作工的强烈反对，特别是有经验的老工人，最大的反对理由是：1、传统的黑背景、彩色线条和色块更加醒目2、传统的用颜色区分设备和状态更加醒目实际上，这种传统恰好是ASM要根治的。黑背景是有原因的。过去显示技术不发达，色彩少，亮度低，反差不足，只好用黑色作背景，增加反差，增加可读性。这在早年的文字处理和DOS环境也是一样，WordStar就是黑底绿字，DOS到现在还是黑底白字。随着显示技术的进步，人们开始用浅色背景和深色字符，因为这样对眼睛比较舒服，可以长时间阅读。现在的文字处理或一般软件等已经基本看不到黑底白字了，个别网页依然用黑底白字（绿字、黄子、红字），阅览的人要不了多久就眼睛很不舒服，感到刺眼了。工控显示是一样的道理，除了习惯，没有理由采用黑底白字。事实上，采用浅色背景还有利于消除灯光或环境光线在屏幕上的反光，有利于增大室内光亮。人都喜欢在明亮的环境工作，昏暗的环境使人昏昏欲睡。采用浅色背景可以大大提高控制室内的明亮度。用颜色区分设备和状态增加了很多并不提供额外信息的静态信息，等真正需要抓住操作工的警告色出现的时候，容易淹没在五颜六色之中，不利于及时发现和处理异常情况。使用高亮度的浅色背景当然也是有代价的，代价就是显示器的寿命将要缩短，可能从一两年缩短到6-10个月。现在20英寸LCD显示器才200-300美元，这点代价对工业界来说微不足道。在使用直观手段显示数据方面，ASM鼓励使用图形，包括一些平时不大常用的图形。人眼对数字的变化不敏感，但对于图形模式的变化很敏感。这就是人眼为什么容易识破伪装的道理，也是ASM鼓励使用图形而不是数字显示的道理。一个大型装置有成千上万个测量点，其中蕴涵了装置的健康状态和产能信息，在一个画面统统 显示出来既不可能，也造成不可想像的信息过载（information overload）。有时有那么十几个实际过程参数可以直接表征装置的基本状态，有时需要通过PLS等数学方法将大量相关的信息提炼、浓缩成十几个“合成 参数”用来检测。如果对这些关键参数进行标称化（normalization），叶就是除以正常值，这样正常的时候，标称化后的参数值就是1，小于1或大 于1都是不正常的。这样的十几个参数可以用条形图表示，正常的时候是平顶的，哪一个太高或太低很容易看出来。但更有效的表示方法是用所谓的“蜘蛛网图”或极坐标图，每一条放射线代表一个标称化了的参数，正常的时候蜘蛛网是近乎圆的，一变形就代表出了问题，甚至还没有到告警的程度，就很容易抓住操作工的注意力。解决了色彩的问题，下一个就是画面布局和联系的问题。这里有两个问题：1、解决“隧道视野”的问题2、解决画面切换的导航问题ASM 用一个全新的多层画面结构同时解决了这两个问题。这是一个通过视窗环境实现的多窗口显示体系在一个显示屏上同时显示4个窗口，每一个窗口有固定的位置、大小和功能。具体来说，两大主要显示左为系统级（相当于车间级）显示，比如化工厂的反应器系统、精馏塔系统等，右为单元设备级（相当于工段级），比如反应器系统里的进料泵和阀，精馏塔系统里的某一个塔及其附属设备。这两级显示以图形和字符为主，两级之间的关系犹如文件系统的目录树，系统级当然是根目录，单元 装置级当然是子目录。图形表示设备和管线及其状态，字符表示具体数值和设备标号。为了避免画面过于拥挤，很多控制系统的状态参数（如手动/自动，初始化状态，设定值、过程测量值、控制输出等）不在主要画面上显示，但另外有所谓的“成组显示”（group display）专门显示若干相关的控制和监测回路的具体信息，如上述状态参数。这些成组显示也属于上述树结构，挂在单元装置级显示的下一层。但具体到每一个控制和监测回路，还有更多的具体信息，如控制律参数整定（还记得PID控制吗？）警告限、具体的回路组态等，这就需要另一个单回路显示（detail display）。点击任一画面上的任一控制或监测回路，这个回路的具体信息就在单回路显示里显示出来。成组显示和单回路显示以字符为主，没有多少图形。 单回路显示有自己的专用记录仪显示，用于观察控制回路对设定值、测量值、控制输出的响应。另外还有一个公用的多笔记录仪显示，供操作工按需要增减记录参数。各级显示画面上像Excel的spreadsheet一样，有一系列tab，每一个tab表明代表一个系统或单元装置，点击tab就自动调用相应的画面，点击系统级的tab连单元装置级的画面一起更新，单元装置级画面更新导致成组显示也更新，就像在文件系统里点击不同的层次的目录名一样。这从根本上解决了画面之间的导航问题。Tab还有另外一个作用：这个tab属下的回路中有进入警报状态的话，tab按警报等级自动改变颜色，操作工可以很直观地一下子就看到哪里出了问题，好及时处理。单回路显示没有tab，由点击别的画面来更新，或者手工输入回路名调用。所有窗口的大小、功能和位置是固定的，这是为了在不同的班组之间避免混乱。一般避免使用弹出窗口，这是为了避免对重要信息的遮盖，如果经常需要移动弹出的窗口，一是增加不必要的麻烦，二是容易在紧张关头误事。除了上述四窗口画面，还有一个分厂级的显示。这是一个操作工可以有效监控的最大范围了，更大的范围可能就力不能及了。这个显示不用于直接控制具体回路，只用于监视整体工况。和分厂级显示并行的是警报显示和重要记录显示（trends），用于把握大的动向。这样的分级显示结构可以从分厂级到系统级到具体参数一目了然，窗口之间的逻辑关系十分清晰。所以控制台（control console）上，有多个控制站（control work station），一个控制站用于分厂级显示和警报显示，其它控制站分别就是这样一组四个窗口，几个控制站就可以监控一个分厂，两三个控制台就可以控制一个规模相当大的工厂。就具体画面设计而言，分辨率和字符大小是很关键的。分辨率当然是越高越好，但字符就不是越小越好了。高分辨率容许减小字符尺寸，但以清晰可辨为度，而且要在一定的距离上清晰可辨。所以实际分辨率高到一定程度就不再有效果了。另一个是显示屏尺寸，当然也是越大越好，但在分辨率没有提高的情况下，增大显示屏只增加字符大小，并不能增加字符密度。另一方面，操作工的视野时有限的，很