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    一、引言

    現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的設(shè)計幾乎都是基于Object畫面，工藝流程、系統(tǒng)性能指標(biāo)、系統(tǒng)特性參數(shù)、運行狀態(tài)、發(fā)展趨勢、歷史沿革、管理實現(xiàn)等都可以實時直觀地通過畫面逼真地展現(xiàn)在操作管理決策者面前。因為圖形信息包含的信息量比其他形式如文字、符號、聲音等大得多，是人機(jī)交互的有效手段，因此人機(jī)交互畫面的設(shè)計在自動控制系統(tǒng)中占有重要地位。工業(yè)自動化組態(tài)軟件的發(fā)展為這些畫面的制作與連接提供了強(qiáng)有力工具，為實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視、控制與管理等功能帶來了極大的方便。本文就自動控制系統(tǒng)中的圖形用戶界面設(shè)計問題從應(yīng)用角度作些討論。

    二、對畫面監(jiān)控平臺的基本要求

    自動控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺應(yīng)能通過畫面方便、快捷地達(dá)到下面的基本要求：

    1．既可以滿足系統(tǒng)整體運行的聯(lián)動控制和對單體設(shè)備的單獨控制，又允許現(xiàn)場單動控制；

    2．對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)能在限定時間內(nèi)給予處理和響應(yīng)，并準(zhǔn)確及時地控制信息發(fā)布；

    3．控制規(guī)律和參數(shù)可以通過畫面方便地在線調(diào)節(jié)和設(shè)定；

    4．人機(jī)界面可以直觀地看到現(xiàn)場系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)，故障信息能夠及時傳給監(jiān)控操作平臺，操作平臺能以聲、光和圖象等形式提醒操作人員；

    5．能對現(xiàn)場生產(chǎn)和設(shè)備信息分類管理；

    6．支持?jǐn)?shù)據(jù)管理信息的輸出打印；

    7．當(dāng)監(jiān)控操作平臺因特殊原因下線脫離監(jiān)控后，現(xiàn)場控制系統(tǒng)仍然可以聯(lián)動運行；

    8．能滿足冗余和容錯控制要求。監(jiān)控軟件因（如突發(fā)故障等）不能正常使用時，應(yīng)有備份可以及時投入使用。當(dāng)進(jìn)行非正常操作（如誤操作）或意外觸發(fā)控制時，具有一定的容錯性而不會盲目進(jìn)行響應(yīng)；

    9．具有超馳控制的安全保護(hù)措施。如當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)遇到事故報警、偏差超限和故障等異常信號且操作人員因其他原因無法及時給以控制或采取措施時，將整個操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到預(yù)先設(shè)定好的一些安全狀態(tài)。

    三、圖形用戶界面設(shè)計

    （一）人機(jī)界面

    人機(jī)界面是指人類用戶與計算機(jī)系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，它是人機(jī)雙向信息交換的支持軟件和硬件。20世紀(jì)70年代以后，逐漸形成了所謂的WIMP界面，即以窗口（Windows）、圖標(biāo)（Icon）、菜單（Menu）和指點裝置（Pointing device）為基礎(chǔ)的人機(jī)界面技術(shù)。目前的多媒體界面（Multimedia Interface）是WIMP的進(jìn)一步拓展風(fēng)格，多媒體界面在界面信息的表現(xiàn)方式上作了改進(jìn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體和可視化對計算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)界面交互提出了高效、三維和非精確的要求，即人機(jī)界面具有自然進(jìn)行三維直接操作的能力，能支持時變媒體，實現(xiàn)三維、非精確及隱含的人機(jī)交互。

    （二）圖形用戶界面的設(shè)計

    一般情況下，現(xiàn)場控制器是由專業(yè)技術(shù)人員和設(shè)備維護(hù)人員監(jiān)管的，他們對人機(jī)界面上能反映的實時數(shù)據(jù)信息量及其類型、設(shè)備運行狀態(tài)情況很關(guān)心，對控制操作希望能夠簡單、快捷、及時、準(zhǔn)確和方便，對于突發(fā)故障事件，要求能迅速切換設(shè)備和切除報警。所以在設(shè)計面向工業(yè)現(xiàn)場底層控制的人機(jī)界面時，有一些特殊要求和應(yīng)遵循的設(shè)計原則。

    1．現(xiàn)場底層對圖形用戶界面的基本要求

    （1）將用戶界面操作化繁為簡。簡短的操作命令，便于快速輸入和執(zhí)行控制信息。簡化人機(jī)交互對話步驟，如默認(rèn)一些正常運行時的常用參數(shù)值。根據(jù)設(shè)備操作和運行規(guī)律，捆綁式輸入各組控制參數(shù)。必要時屏蔽和捆包一些在運行操作時進(jìn)行的參數(shù)傳遞和對話細(xì)節(jié)，而在維護(hù)或診斷時可根據(jù)一定步驟解開或細(xì)查這些參數(shù)和對話細(xì)節(jié)。

    （2）盡量將所控制的設(shè)備對象的重要參數(shù)信息直接反映在主界面上，并且按照人機(jī)交互頻率及其重要性要求，排布它們在界面上的顯示位置。對象的動態(tài)變化重要參數(shù)和實時采集的數(shù)據(jù)信息，宜以圖表的形式顯示在界面上以便于直觀地實時監(jiān)視和控制。

    （3）減少和避免二級菜單操作和控制。現(xiàn)場控制的實時性要求很高，二級菜單不利于提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。在現(xiàn)場操作人員能夠且較容易接受的情況下，適宜于以減少界面上圖標(biāo)的數(shù)量和大小來換取直接監(jiān)控對象的參數(shù)可能性及數(shù)量。

    （4）對于突發(fā)事件設(shè)置界面顯示或提示優(yōu)先權(quán)，宜采用受事件激發(fā)彈出式對話窗口界面的交互方式，事件解決優(yōu)先權(quán)的設(shè)置結(jié)合工藝重要性要求和順序進(jìn)行。

    （5）協(xié)調(diào)操作界面的顯示模式。在實際設(shè)備運行過程中，通常會出現(xiàn)的一種矛盾情況是：熟練操作人員（如崗位操作手）希望用多種控制語言輸入方式，以求快捷和及時，而其他技術(shù)人員（如監(jiān)管人員、維護(hù)人員或崗位新手）希望多用圖標(biāo)對話方式，以求直觀方便和減少記憶指令。因此科學(xué)合理的協(xié)調(diào)上述兩種界面操作方式的配合是非常重要的一環(huán)，必要時要設(shè)計以圖標(biāo)對話操作為主的交互界面與以控制命令語句輸入為主的交互界面的二重用戶界面，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行切換操作。

    （6）設(shè)置安全操作保護(hù)措施。現(xiàn)場控制器直接面向生產(chǎn)和設(shè)備，通常為了快速啟動、控制和運行，所設(shè)置的控制口令簡短，訪問權(quán)限和密碼較少，因而容易產(chǎn)生誤操作，直接危及生產(chǎn)安全和可靠性。為此連鎖控制和保護(hù)診斷輸入應(yīng)在交互界面設(shè)計中得到重要體現(xiàn)。對于不符合正常運行操作或邏輯順序的控制信息輸入要給出提示或警告信息，按分類和級別拒絕執(zhí)行或等待進(jìn)一步確認(rèn)后才執(zhí)行。

    （7）設(shè)置系統(tǒng)安全運行保護(hù)措施。現(xiàn)場控制中，要突出超馳控制的安全保護(hù)措施，根據(jù)事故發(fā)生的原因及類別執(zhí)行自動切手動、優(yōu)先減、禁止增和禁止減等邏輯操作，將該控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到預(yù)先設(shè)定好的一些安全狀態(tài)上。

    2．人機(jī)界面設(shè)計原則

    監(jiān)控系統(tǒng)除了同專業(yè)工程師和系統(tǒng)維護(hù)工程師進(jìn)行人機(jī)交互外還要對非專業(yè)管理人員進(jìn)行人機(jī)交互，如生產(chǎn)決策、計劃和銷售人員等需要通過監(jiān)控計算機(jī)界面了解現(xiàn)場生產(chǎn)情況，并且發(fā)布一些控制信息來指導(dǎo)現(xiàn)場系統(tǒng)運行。因此，他們對人機(jī)界面的直觀性和友好性要求較高，人機(jī)界面設(shè)計應(yīng)該考慮以下原則。

    （1）順序原則。即按照處理事件順序、訪問查看順序（如由整體到單項，由大到小，由上層到下層等）與控制工藝流程等設(shè)計監(jiān)控管理和人機(jī)對話主界面及其二級界面。

    （2）功能原則。即按照對象應(yīng)用環(huán)境及場合具體使用功能要求，各種子系統(tǒng)控制類型、不同管理對象的同一界面并行處理要求和多項對話交互的同時性要求等，設(shè)計分功能區(qū)分多級菜單、分層提示信息和多項對話欄并舉的窗口等的人機(jī)交互界面，從而使用戶易于分辨和掌握交互界面的使用規(guī)律和特點，提高其友好性和易操作性。

    （3）頻率原則。即按照管理對象的對話交互頻率高低設(shè)計人機(jī)界面的層次順序和對話窗口菜單的顯示位置等，提高監(jiān)控和訪問對話頻率。

    （4）重要性原則。即按照管理對象在控制系統(tǒng)中的重要性和全局性水平，設(shè)計人機(jī)界面的主次菜單和對話窗口的位置和突顯性，從而有助于管理人員把握好控制系統(tǒng)的主次，實施好控制決策的順序，實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度和管理。

    （5）面向?qū)ο笤瓌t。即按照操作人員的身份特征和工作性質(zhì)，設(shè)計與之相適應(yīng)和友好的人機(jī)界面。根據(jù)其工作需要，宜以彈出式窗口顯示提示、引導(dǎo)和幫助信息，從而提高用戶的交互水平和效率。

    四、結(jié)束語

    人機(jī)交互界面，無論是面向現(xiàn)場控制器或是面向上位監(jiān)控管理，兩者是有密切內(nèi)在聯(lián)系的，它們監(jiān)控和管理的現(xiàn)場設(shè)備對象是相同的，因此許多現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)在他們之間是共享和相互傳遞的。各種工控組態(tài)軟件和編程工具為制作精美的人機(jī)交互界面提供了強(qiáng)大的支持手段，特別美國Wonderware公司的工業(yè)自動化Factory Suite套裝軟件，系統(tǒng)越大越復(fù)雜越能體現(xiàn)其優(yōu)越。