主题：【原创】工业控制的人机界面设计（上） -- 晨枫

答应四一的，欠债好久了，该坏债了。

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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（还有人记得这东东吗？）。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？

• ars technica有一片文章分析了微软的这个东西
• 早叫公粮了