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一个新的工业时代来临:告别老旧HMI,升级到高性能HMI

来源:控制工程网2021.02.22阅读 6201

  一个新的工业时代即将来临,随之而来的是诸如机器学习人工智能(AI)、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)之类的创新技术浪潮。 这些先进技术为企业创造了价值,更重要的是,它为我们创造了更安全的工作环境。制造业开始利用更先进的自动化,以改善其生产流程,并升级或更换其过时的控制系统和软件。对于许多人来说,这是一个绝佳的创新机会,而不单单是复制其系统和软件。
  为了利用最新技术并确保制造过程的持续平稳运行,应在人机界面(HMI)方面多加注意,因为这是运行人员每天都要使用的工具。HMI可应用于过程控制系统的各个方面,并且可以在合适的时间、将合适的关键数据提供给合适的人员,这一点至关重要。向高性能HMI过渡,有助于提高运行人员有效管理运营的能力,并改善对报警和其它异常工况的响应。
  高性能HMI系统的升级可能充满挑战,并且可能需要大量的时间和资源投资,这取决于系统的规模和范围。但是,高性能HMI系统所带来的收益可能也会远远超过前期投资。
  早期HMI设计的问题
  升级老旧HMI的最大挑战之一,是基于现有的设计,将屏幕转换为新的或不同的格式。当控制系统变得更复杂,需要实时过程控制画面时,就需要有人负责开发屏幕界面(见图1)。在大多数情况下,他们使用管道仪表图(P&ID)来创建画面界面,并提出了自己的一组最佳实践,来实现“好”的外观。在大多数情况下,这都没有问题。

图1:杂乱的老旧HMI界面的示例。 图片来源:Maverick Technologies

  但是,HMI画面可能由不同人员创建,经过多年的发展,颜色和报警可能会不一致。这些画面色彩醒目,往往使运行人员感到困惑,无法一眼就是识别出过程运行的好坏。此外,画面是按页面组织的,犹如带标签的书。一些页面有自定义的下拉列表,另一些页面有画面链接列表,运行人员需要选择后退按钮才能更换页面。有些设计过于简单,而另一些则非常复杂。 对于不熟悉整体外观和过程的人来说,这种显示模式可能会让人不做所措。
  从某种意义上说,低性能的HMI画面已经建立,并且很多仍在使用中。 一般认为,设计不良的HMI以及配置不当的过程报警,是造成重大工业事故的重要原因之一。
  HMI画面标准化
  预先建立画面标准,是解决这些设计问题的关键。它们有助于指导整个过程和整个公司的愿景。最新的高性能HMI软件,采用了多层方法。
  其标准指南旨在优化最终用户体验,并鼓励创建画面层次结构,以建立合理的画面。利用高性能的人机界面,信息(数据)将工况呈现给运行人员。运行人员可以使用多级层次结构,快速导航到所需的画面,或者向下逐步深入至更详细的显示画面。仪表板包含带有按钮或链接的概述,这些按钮或链接可以打开画面,以提供设施中特定区域更多详细信息。
  获得运营人员的支持
  在实施高性能HMI升级之前,获得运营人员的认可至关重要。如果想要从不同于现有布局或管道和仪表图(P&ID)的来源获取内容时,就会遇到阻力。运行人员更喜欢传统画面,并倾向于遵循旧的思维定式:“使屏幕看起来完全像现场。”
  不愿意改变是可以理解的。对于许多设施而言,运行人员和工程师在如何利用菜单和报警来驱动传统HMI屏幕方面,已经花费了大量时间。他们希望任何新屏幕都能适合同样的方案。某些设施还配置了广泛的数据库驱动的布局和对象位置,这意味着将两者结合在一起并不容易。
  改进,应当从前期计划、准备和培训开始。在全面开始设计屏幕之前,了解工艺过程以及画面和对象的工作方式至关重要。花时间对人员进行培训,逐步开始创建部分小屏幕,并使用测试用可编程逻辑控制器(PLC)代码来模拟设备。此过程是最基本的,不需要花费很多时间。
  制造商可以利用高性能HMI来开发屏幕组,识别需要通用设备显示的通用场景,并根据各种工况确定如何与报警进行交互。高性能HMI软件的多级导航功能,可以帮助运行人员更快、更可靠地优化、改进流程,减轻安全风险。通过预先测试和培训,运行人员可以亲身体会上述特性。最后,从一开始就让运行人员参与进来,并获取他们的意见,使他们成为流程的一部分,可以降低变革的阻力。
  态势感知
  重要的是在规划和实施高性能HMI时,需要记住一些关键因素,这一点事关成败。运行人员经常会遇到以下问题:
  ●屏幕太多;
  ●输入/输出(I/O)过载;
  ●过量报警。
  另请注意,过程控制级别的HMI画面,旨在具有控制面板的外观和使用体验。运行人员应将画面视为运营工艺过程的手段,并提供监视其控制对象的能力。
  这一切都可归结为态势感知,国际自动化协会的ISA-101标准将其定义为“在任何给定时间点上,运行人员对工厂状况的了解与其实际状况之间的关系。”高性能的HMI画面将增强态势感知能力,使其更容易识别系统内的异常。例如,一眼就能识别出液位高或液位高高报警的料罐。
  HMI概念设计
  经过培训的技术负责人,应带领关键工程师和运行人员召开概念设计会,这是一个设计过程,可以帮助定义、开发和组织新的高性能HMI画面布局和层次结构的视觉展示。画面之间的导航,必须是直观且本能的(请参见图2)。这往往是多步骤过程,对于制造工厂中的典型操作控制台,可能需要几天时间。

图2:炼油厂原油装置操作控制台的典型界面设计

  完成概念设计后,整个过程将有助于确定所需画面的类型和数量。它还减少了显示屏上的多余信息和画面。这是一个重要机会,可以让关键人员参与进来,并获得他们的输入。
  其它HMI工具和注意事项
  在考虑高性能HMI时,其它工具和需要注意的事项包括报警管理、可视化工具和只读远程访问。
  报警管理。 HMI软件和报警管理应齐头并进。标准和报警管理的重要性推动了HMI软件的改进。已经开发了报警管理标准(例如ANSI / ISA-18.2)来解决令人生厌的报警、报警泛滥、报警容错、报警停滞等问题。设计不佳的报警系统,可能与根本没有报警系统一样严重。
  现在,可以将供应商提供的数据历史记录工具配置成包括报警。在过程控制网络外部使用报警管理软件,可以将报警监视职责分散给不在过程控制区域中的工作人员。对于涉及非过程关键细节的报警,利用通知可以使运行人员更专注于过程以及更关键的报警。
  可视化工具。由于设施决策者分布在各个部门之间,因此他们要访问过程控制HMI画面,就需要额外的过程控制终端。但是,在过程区域之外使用这些终端,不是安全或有效的做法。相反,使用过程历史数据库来实时捕获并记录过程控制数据,这样在过程控制网络外部就可以共享和可视化此信息。
  现在,罗克韦尔自动化、OSIsoft、Wonderware和AspenTech等很多供应商,都提供了与数据历史数据库打包出售的可视化工具。这些可视化工具,允许使用高性能HMI画面工具包中的大多数类似功能控制工程网版权所有,这样决策者就可以使用它们。一些可视化工具甚至更加复杂并提供了更多功能。实际上,某些可视化工具使用HTML5语言绘制画面,具有伸缩性,使其可在几乎任何设备上使用。能够使用过程控制数据实时创建HMI画面,可以在整个组织范围内提高可视性。
  只读远程访问。很多供应商还提供了可用于创建画面显示的工具集,这些画面几乎是过程控制系统HMI画面的翻版。这使过程控制网络外部的决策者,能够实时查看运行人员正在监视和查看的内容。本质上CONTROL ENGINEERING China版权所有,这将过程控制画面以“只读”格式,扩展到组织内任何人的台式机或笔记本电脑上,而不必担心过程会受到任何影响。此只读视图还可确保使用可视化工具监视过程的任何人,使用的画面总是正确。
  有了经过适当认证并且连接到互联网的设备,决策者就可以使用手持设备,从几乎任何地方查看过程控制画面和数据。例如,随着新产品、新批次或新过程被引入到生产车间,研发机构能够在过程控制网络之外使用和监视画面。多年以来CONTROL ENGINEERING China版权所有,要让新的初创公司参与到研发工作,他们就必须亲自前往实际地点,这会大大增加研发过程的成本。
  由于消除了更改或控制过程的危险,因此可以降低过程控制系统内所有意外或有意操作的威胁。部署适当的安全措施,远程人员将无法更改画面文件。
  尽早进行规划
  对于任何高性能HMI或整个系统和软件升级项目,制造商必须权衡其战略投资选择,并尽早进行规划,以免产生大量成本。硬件和软件升级项目,需要整体规划和审慎的前期计划,其中包括长期成本、维护和维持服务,这是整体策略的一部分。在开始之前,请考虑以下事项:
  ●根据自动化和过程控制硬件和软件确定设施的位置。了解设施的当前功能是未来计划的关键。在某些情况下,当前处理能力是足够的,但并不意味着在未来也是足够的。
  ●必须仔细考虑硬件是否与当前的过程控制软件和软件更新兼容。硬件必须足够灵活,以支持未来的软件升级。在某些情况下,HMI软件可能包含一些改进和功能,可能需要对过程控制系统画面进行重大更新。对于从未将HMI画面更新为高性能HMI的设施来讲,控制系统升级项目是实施该软件的绝佳机会,在早期规划阶段识别任何潜在的系统兼容性问题。
  ●自动化投资不是一次性的。过程控制系统中使用的硬件可能总有一天会损坏或更换。新设备可能太先进,无法恰好安装在旧设备上。制定计划,或制定时间表不断改进过程控制硬件和软件CONTROL ENGINEERING China版权所有,以使其保持最新状态,可以防止出现潜在的重大问题,进而控制成本。
  ●不要等待太久。在升级过程控制系统硬件和软件方面,公司等待的时间越长,该项目将变得更加复杂和昂贵。当今的软件和硬件,在不断的改进和发展,没有任何放缓的迹象。仔细选择能够满足工厂即时需求并保持向后兼容的技术和产品。高性能HMI升级项目可能很复杂,并且需要大量时间和资源来设计和开发。
  ●除了熟悉工艺流程的工作人员外,还应邀请硬件和软件供应商来协助项目。 对于缺乏可用资源来实施此类项目的企业,应考虑咨询可信的第三方自动化解决方案提供商,不管使用什么类型的过程控制系统,使用哪种软件www.cechina.cn,他们都可以帮助设计、开发、创建、实施和维护系统以及高性能HMI画面。
  实现更高效的控制
  从最初的自动化项目开始,HMI画面已经走过了很长的路。重要的是要认识到,15到20年前的画面已经过时了。规划和实施高性能HMI项目升级,可以推动每个人(从运行人员到决策者)工作效率的提高。在开始硬件和软件升级项目时,请考虑实施高性能HMI画面,以更好地控制制造过程和系统。
  毫无疑问,随着时间的流逝,技术以及对制造过程的可视化需求将继续发展。由于机器变得越来越智能,AI也不断提高,业界会受益于高性能HMI画面带来的其它变化。训练有素的员工队伍,能够按照标准规范设计画面,并确保其在一段时间内的相关性,这对获得成功至关重要。  (作者:Brian Bolton)

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