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    一、引言

    現代自動控制系統的設計幾乎都是基于Object畫面，工藝流程、系統性能指標、系統特性參數、運行狀態、發展趨勢、歷史沿革、管理實現等都可以實時直觀地通過畫面逼真地展現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，是人機交互的有效手段，因此人機交互畫面的設計在自動控制系統中占有重要地位。工業自動化組態軟件的發展為這些畫面的制作與連接提供了強有力工具，為實現系統的監視、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中的圖形用戶界面設計問題從應用角度作些討論。

    二、對畫面監控平臺的基本要求

    自動控制系統監控平臺應能通過畫面方便、快捷地達到下面的基本要求：

    1．既可以滿足系統整體運行的聯動控制和對單體設備的單獨控制，又允許現場單動控制；

    2．對現場采集的數據能在限定時間內給予處理和響應，并準確及時地控制信息發布；

    3．控制規律和參數可以通過畫面方便地在線調節和設定；

    4．人機界面可以直觀地看到現場系統和設備的運行狀態，故障信息能夠及時傳給監控操作平臺，操作平臺能以聲、光和圖象等形式提醒操作人員；

    5．能對現場生產和設備信息分類管理；

    6．支持數據管理信息的輸出打??；

    7．當監控操作平臺因特殊原因下線脫離監控后，現場控制系統仍然可以聯動運行；

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

    9．具有超馳控制的安全保護措施。如當監控系統遇到事故報警、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，將整個操作系統轉換到預先設定好的一些安全狀態。

    三、圖形用戶界面設計

    （一）人機界面

    人機界面是指人類用戶與計算機系統之間的通信媒體或手段，它是人機雙向信息交換的支持軟件和硬件。20世紀70年代以后，逐漸形成了所謂的WIMP界面，即以窗口（Windows）、圖標（Icon）、菜單（Menu）和指點裝置（Pointing device）為基礎的人機界面技術。目前的多媒體界面（Multimedia Interface）是WIMP的進一步拓展風格，多媒體界面在界面信息的表現方式上作了改進，虛擬現實技術、多媒體和可視化對計算機系統的人機界面交互提出了高效、三維和非精確的要求，即人機界面具有自然進行三維直接操作的能力，能支持時變媒體，實現三維、非精確及隱含的人機交互。

    （二）圖形用戶界面的設計

    一般情況下，現場控制器是由專業技術人員和設備維護人員監管的，他們對人機界面上能反映的實時數據信息量及其類型、設備運行狀態情況很關心，對控制操作希望能夠簡單、快捷、及時、準確和方便，對于突發故障事件，要求能迅速切換設備和切除報警。所以在設計面向工業現場底層控制的人機界面時，有一些特殊要求和應遵循的設計原則。

    1．現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，便于快速輸入和執行控制信息。簡化人機交互對話步驟，如默認一些正常運行時的常用參數值。根據設備操作和運行規律，捆綁式輸入各組控制參數。必要時屏蔽和捆包一些在運行操作時進行的參數傳遞和對話細節，而在維護或診斷時可根據一定步驟解開或細查這些參數和對話細節。

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

    （3）減少和避免二級菜單操作和控制?，F場控制的實時性要求很高，二級菜單不利于提高系統響應速度。在現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的數量和大小來換取直接監控對象的參數可能性及數量。

    （4）對于突發事件設置界面顯示或提示優先權，宜采用受事件激發彈出式對話窗口界面的交互方式，事件解決優先權的設置結合工藝重要性要求和順序進行。

    （5）協調操作界面的顯示模式。在實際設備運行過程中，通常會出現的一種矛盾情況是：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，而其他技術人員（如監管人員、維護人員或崗位新手）希望多用圖標對話方式，以求直觀方便和減少記憶指令。因此科學合理的協調上述兩種界面操作方式的配合是非常重要的一環，必要時要設計以圖標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，用戶可以根據需要進行切換操作。

    （6）設置安全操作保護措施?，F場控制器直接面向生產和設備，通常為了快速啟動、控制和運行，所設置的控制口令簡短，訪問權限和密碼較少，因而容易產生誤操作，直接危及生產安全和可靠性。為此連鎖控制和保護診斷輸入應在交互界面設計中得到重要體現。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行或等待進一步確認后才執行。

    （7）設置系統安全運行保護措施?，F場控制中，要突出超馳控制的安全保護措施，根據事故發生的原因及類別執行自動切手動、優先減、禁止增和禁止減等邏輯操作，將該控制系統轉換到預先設定好的一些安全狀態上。

    2．人機界面設計原則

    監控系統除了同專業工程師和系統維護工程師進行人機交互外還要對非專業管理人員進行人機交互，如生產決策、計劃和銷售人員等需要通過監控計算機界面了解現場生產情況，并且發布一些控制信息來指導現場系統運行。因此，他們對人機界面的直觀性和友好性要求較高，人機界面設計應該考慮以下原則。

    （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計監控管理和人機對話主界面及其二級界面。

    （2）功能原則。即按照對象應用環境及場合具體使用功能要求，各種子系統控制類型、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，設計分功能區分多級菜單、分層提示信息和多項對話欄并舉的窗口等的人機交互界面，從而使用戶易于分辨和掌握交互界面的使用規律和特點，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計人機界面的層次順序和對話窗口菜單的顯示位置等，提高監控和訪問對話頻率。

    （4）重要性原則。即按照管理對象在控制系統中的重要性和全局性水平，設計人機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的主次，實施好控制決策的順序，實現最優調度和管理。

    （5）面向對象原則。即按照操作人員的身份特征和工作性質，設計與之相適應和友好的人機界面。根據其工作需要，宜以彈出式窗口顯示提示、引導和幫助信息，從而提高用戶的交互水平和效率。

    四、結束語

    人機交互界面，無論是面向現場控制器或是面向上位監控管理，兩者是有密切內在聯系的，它們監控和管理的現場設備對象是相同的，因此許多現場設備參數在他們之間是共享和相互傳遞的。各種工控組態軟件和編程工具為制作精美的人機交互界面提供了強大的支持手段，特別美國Wonderware公司的工業自動化Factory Suite套裝軟件，系統越大越復雜越能體現其優越。