控制系统中的图形用户界面

 一、引言  

    现代自动控制系统的设计几乎都是基于Object画面，工艺流程、系统性能指标、系统特性参数、运行状态、发展趋势、历史沿革、管理实现等都可以实时直观地通过画面逼真地展现在操作管理决策者面前。因为图形信息包含的信息量比其他形式如文字、符号、声音等大得多，是人机交互的有效手段，因此人机交互画面的设计在自动控制系统中占有重要地位。工业自动化组态软件的发展为这些画面的制作与连接提供了强有力工具，为实现系统的监视、控制与管理等功能带来了极大的方便。本文就自动控制系统中的图形用户界面设计问题从应用角度作些讨论。  


    二、对画面监控平台的基本要求  

    自动控制系统监控平台应能通过画面方便、快捷地达到下面的基本要求：  

    1．既可以满足系统整体运行的联动控制和对单体设备的单独控制，又允许现场单动控制；  

    2．对现场采集的数据能在限定时间内给予处理和响应，并准确及时地控制信息发布；  

    3．控制规律和参数可以通过画面方便地在线调节和设定；  

    4．人机界面可以直观地看到现场系统和设备的运行状态，故障信息能够及时传给监控操作平台，操作平台能以声、光和图象等形式提醒操作人员；  

    5．能对现场生产和设备信息分类管理；  

    6．支持数据管理信息的输出打印；  

    7．当监控操作平台因特殊原因下线脱离监控后，现场控制系统仍然可以联动运行；  

    8．能满足冗余和容错控制要求。监控软件因（如突发故障等）不能正常使用时，应有备份可以及时投入使用。当进行非正常操作（如误操作）或意外触发控制时，具有一定的容错性而不会盲目进行响应；  

    9．具有超驰控制的安全保护措施。如当监控系统遇到事故报警、偏差超限和故障等异常信号且操作人员因其他原因无法及时给以控制或采取措施时，将整个操作系统转换到预先设定好的一些安全状态。  

    三、图形用户界面设计  

    （一）人机界面  

    人机界面是指人类用户与计算机系统之间的通信媒体或手段，它是人机双向信息交换的支持软件和硬件。20世纪70年代以后，逐渐形成了所谓的WIMP界面，即以窗口（Windows）、图标（Icon）、菜单（Menu）和指点装置（Pointing device）为基础的人机界面技术。目前的多媒体界面（Multimedia Interface）是WIMP的进一步拓展风格，多媒体界面在界面信息的表现方式上作了改进，虚拟现实技术、多媒体和可视化对计算机系统的人机界面交互提出了高效、三维和非精确的要求，即人机界面具有自然进行三维直接操作的能力，能支持时变媒体，实现三维、非精确及隐含的人机交互。  

    （二）图形用户界面的设计  

    一般情况下，现场控制器是由专业技术人员和设备维护人员监管的，他们对人机界面上能反映的实时数据信息量及其类型、设备运行状态情况很关心，对控制操作希望能够简单、快捷、及时、准确和方便，对于突发故障事件，要求能迅速切换设备和切除报警。所以在设计面向工业现场底层控制的人机界面时，有一些特殊要求和应遵循的设计原则。 

    1．现场底层对图形用户界面的基本要求  

    （1）将用户界面操作化繁为简。简短的操作命令，便于快速输入和执行控制信息。简化人机交互对话步骤，如默认一些正常运行时的常用参数值。根据设备操作和运行规律，捆绑式输入各组控制参数。必要时屏蔽和捆包一些在运行操作时进行的参数传递和对话细节，而在维护或诊断时可根据一定步骤解开或细查这些参数和对话细节。  

    （2）尽量将所控制的设备对象的重要参数信息直接反映在主界面上，并且按照人机交互频率及其重要性要求，排布它们在界面上的显示位置。对象的动态变化重要参数和实时采集的数据信息，宜以图表的形式显示在界面上以便于直观地实时监视和控制。  

    （3）减少和避免二级菜单操作和控制。现场控制的实时性要求很高，二级菜单不利于提高系统响应速度。在现场操作人员能够且较容易接受的情况下，适宜于以减少界面上图标的数量和大小来换取直接监控对象的参数可能性及数量。  

    （4）对于突发事件设置界面显示或提示优先权，宜采用受事件激发弹出式对话窗口界面的交互方式，事件解决优先权的设置结合工艺重要性要求和顺序进行。  

    （5）协调操作界面的显示模式。在实际设备运行过程中，通常会出现的一种矛盾情况是：熟练操作人员（如岗位操作手）希望用多种控制语言输入方式，以求快捷和及时，而其他技术人员（如监管人员、维护人员或岗位新手）希望多用图标对话方式，以求直观方便和减少记忆指令。因此科学合理的协调上述两种界面操作方式的配合是非常重要的一环，必要时要设计以图标对话操作为主的交互界面与以控制命令语句输入为主的交互界面的二重用户界面，用户可以根据需要进行切换操作。  

    （6）设置安全操作保护措施。现场控制器直接面向生产和设备，通常为了快速启动、控制和运行，所设置的控制口令简短，访问权限和密码较少，因而容易产生误操作，直接危及生产安全和可靠性。为此连锁控制和保护诊断输入应在交互界面设计中得到重要体现。对于不符合正常运行操作或逻辑顺序的控制信息输入要给出提示或警告信息，按分类和级别拒绝执行或等待进一步确认后才执行。  

    （7）设置系统安全运行保护措施。现场控制中，要突出超驰控制的安全保护措施，根据事故发生的原因及类别执行自动切手动、优先减、禁止增和禁止减等逻辑操作，将该控制系统转换到预先设定好的一些安全状态上。  

    2．人机界面设计原则  

    监控系统除了同专业工程师和系统维护工程师进行人机交互外还要对非专业管理人员进行人机交互，如生产决策、计划和销售人员等需要通过监控计算机界面了解现场生产情况，并且发布一些控制信息来指导现场系统运行。因此，他们对人机界面的直观性和友好性要求较高，人机界面设计应该考虑以下原则。  

    （1）顺序原则。即按照处理事件顺序、访问查看顺序（如由整体到单项，由大到小，由上层到下层等）与控制工艺流程等设计监控管理和人机对话主界面及其二级界面。  

    （2）功能原则。即按照对象应用环境及场合具体使用功能要求，各种子系统控制类型、不同管理对象的同一界面并行处理要求和多项对话交互的同时性要求等，设计分功能区分多级菜单、分层提示信息和多项对话栏并举的窗口等的人机交互界面，从而使用户易于分辨和掌握交互界面的使用规律和特点，提高其友好性和易操作性。 

   （3）频率原则。即按照管理对象的对话交互频率高低设计人机界面的层次顺序和对话窗口菜单的显示位置等，提高监控和访问对话频率。  

    （4）重要性原则。即按照管理对象在控制系统中的重要性和全局性水平，设计人机界面的主次菜单和对话窗口的位置和突显性，从而有助于管理人员把握好控制系统的主次，实施好控制决策的顺序，实现最优调度和管理。  

    （5）面向对象原则。即按照操作人员的身份特征和工作性质，设计与之相适应和友好的人机界面。根据其工作需要，宜以弹出式窗口显示提示、引导和帮助信息，从而提高用户的交互水平和效率。