烟草制丝生产线人机交互界面设计探究

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摘要:通过分析烟草制丝生产线自动化控制系统的发展趋势，结合其实际应用，提出了一种依据国际标准设计人机交互界面的层次结构，基于监控对象创建标准模型，根据应用需求规划产品功能的人机交互软件设计思路，并给出了用户应用安全和更好满足用户体验等方面的一些建议。设计方式有助于提高人机交互软件的标准化和结构化设计，并为后期制丝车间的信息化集成奠定了基础。

关键词:烟草制丝生产线;人机界面;用户体验;数字化建模

人机交互界面是自动化生产线数据采集与监视控制系统(supervisorycontroianddataacquisitionsystem，SCADA)中的一个子系统。工业自动化控制系统的人机交互界面是一个综合的操作环境，也是用户与计算机之间传递和交换信息的工具，同时是使用监控软件平台，通过网络对现场PLC数据进行采集、交换处理，实现对生产线的监控和管理功能［1］，并为企业信息系统提供生产实时数据的一种工业应用软件产品。随着新一轮卷烟行业技术升级和生产线控制系统柔性化的进一步增强，采用电控系统标准化技术、对象化技术、单元化技术和系统集成技术的智能集成生产控制系统已成为烟草行业的发展趋势，打造新一代面向工业V4．0、数字化、智能化工厂是烟草行业信息化建设的主要目标。智能工厂主要关注智能化生产系统及过程。如何通过人机交互界面的设计，更好地展示烟草制丝生产线控制系统的柔性化、智能化设计，是本文主要探讨的问题。交互设计是一种将产品从技术化转变为智能化，同时满足人们情感需求的实际方法，随着人机交互设计的不断发展，人机交互界面更倾向于提高工业生产效率的易操作性和重视用户体验的人性化设计［2］。

1烟草制丝生产线人机交互界面设计现状

现在应用中的制丝生产线人机界面设计，多侧重于设备状态的监视和控制功能的实现，设计开发者通常依据自己的个性进行开发设计，将采集到的所有数据信息尽可能地堆叠到画面中，设计缺乏一定的规范性。人机界面信息量很大，信息却没有进行有效的分类、规划，往往会因为一些无关紧要的信息，干扰了用户对关键信息的响应速度。随着工业技术的高速发展，现代烟草制丝生产线控制系统正向着面向定制化设计，支持多品种小批量生产模式发展，要求生产线控制系统具有高度的柔性，能够进行模块化组合，以满足生产不同产品的需求，因此对生产线操作员要求更高。但是操作员却希望通过简单、快捷和安全的操作界面，完成对复杂工艺生产线的控制，实现真正意义上的智能化应用。因此人机交互界面的设计也应该向着更加规范，更加人性化的设计方向发展［3］。交互设计三要素:机器/系统、人、界面。如何通过界面，更好地将机器/系统的信息“告诉”人，并通过界面，将人要表达的意思“传达”给机器/系统，是工业人机界面设计需要研究的问题。

2烟草制丝生产线人机界面设计思路

基于符合ISA－88标准的批次控制技术设计的制丝线管控系统，更好地适应了分组加工特色工艺、柔性化生产和精细加工611的发展要求［4］。烟草制丝生产线人机交互界面，监控的对象是制丝自动化生产线，因此也可基于ISA－88标准理论基础，设计从传统的设备状态监控，向支持以工艺任务、工艺线路和工艺单元为核心的参数化任务生产控制及操作的人机交互界面。基于标准的设计开发，是未来解决管控系统柔性集成时成本高和难以实现等问题的良好解决方案［5］。2．1人机界面结构层次设计。ISA－88标准提供了一种基于批次生产的层叠模型，用来对物理设备进行结构化建模，即物理模型，对应于烟草制丝工厂的实体物理对象，可以构建出制丝生产线的层次结构，如图1所示。制丝生产线人机界面依据这一结构，设计基于产线、加工单元、设备及器件级的监控界面层次框架，如图2所示。图2人机界面层次2．2对象建模。针对烟草制丝生产线这种层次结构，在监控系统中搭建生产车间组织架构。基于全模型化的设计原则，由下至上创建器件级模型、设备模型、处理单元模型。通过层级间的包含关系，对模型对象实例化，搭建出满足工艺要求的生产工艺线路。生产线各工艺段包含了多个生产单元，可以同时生产一个或多个批次的产品;每个生产单元包含了一组设备，每个单元可以完成特定的加工过程，每个单元模块在同一时间只能生产一个批次的产品，各单元模块是相互独立的，对不同生产单元的合理调度，即实现了生产的柔性化控制。人机交互界面设计软件均提供了画面模板设计功能。根据对象模型的属性，创建监控对象的画面模板，在应用中，通过参数调用，实例化模板画面，实现同类型对象的标准化画面调用显示，如通用电机画面模板调用，见图3。2．3基于标准的对象模型的数据接口设计。人机交互界面与PLC控制系统的交互是通过数据接口实图3电机模板画面调用显示实例现，为对象模型定义标准的数据接口，这有助于系统的标准化和规范性设计。标准接口的设计包括:数据接口命名规则、数据类型定义和数据长度定义等方面。数据接口涵盖了制丝控制系统中大部分控制设备，主要包括生产线自动控制接口、生产状态采集接口、主机设备控制接口、辅联设备控制接口和生产工单数据接口等。接口数据按照统一的模式定义，使工作各设计环节按标准模块执行，缩短了整体控制系统的研发周期，增强控制系统的技术可移植性，便于维护。数据接口的标准化也有助于将各个独立的控制系统统一到一个标准的平台中来，为企业的信息化及大数据应用提供一个标准的、统一的数据接口平台。通过标准化的接口设计还有利于系统的扩展，提高系统的开放性和兼容性。2．4聚焦用户需求的功能规划。人机交互界面应用系统的功能设计，应以满足用户的需求为目的。制丝生产线监控系统担负着生产线的监视和控制的功能，完成对整个车间生产过程信息的收集、处理、存储、监视、报警、记录和控制等。在确保生产过程的有序、高效、可控和可视的同时，要应具备生产任务控制及管理、系统诊断和日志管理等功能。按照监控功能设计层次结构，功能细分如图4所示。2．5便于管理的安全操作设计。用户通过人机交互界面，可直接控制自动化生产线中的设备，因此系统的安全操作尤为重要。通常通过用户权限和控制操711作的约束条件，来确保用户的安全、有效操作。根据用户角色对系统的管理范围和应用需求的不同，划分角色组，并定义相应的操作权限，将对应的用户归属到不同的角色组中，通过角色组的权限，实现对不同用户的权限控制与维护。人机界面中，在可操作的按钮或输入框中，添加约束性条件和相应的提示信息，减少和避免因用户误操作产生的错误生产指令。2．6基于用户角色的定制化设计。交互设计强调产品的交互性与体验性，设计者应站在用户角度来完成工业应用系统设计。不同用户对信息的需求不同，生产操作员，需要了解生产控制结果和生产过程数据;工艺管理员关心生产过程中的各项工艺指标、质量数据;设备维修人员侧重于各设备的运行状态以及设备是否发生故障等等。因此将数据信息优化处理，进行有效分类，针对不同角色的用户开发定制化人机界面势在必行。通过简化操作流程，利用有效信息实现用户的快速响应，达到调高工作效率的目的。

3结束语

制丝线集中监控系统是一个多范畴的应用软件，还涉及到网络技术、计算机技术、接口技术和存储技术等等，本文仅从监控系统中人机界面设计的角度出发，通过分析烟草制丝生产线的特点，结合生产线实际，提出一种人机界面软件开发的结构规划和对象建模的思路，并给出了软件功能设计、应用安全性设计，以及用户体验等方面的设计建议。人机界面设计是产品创新的有效途径，人机交互设计必然向着信息化、智能化和网络化的方向发展。随着技术的发展和创新，交互设备也越来越丰富，移动设备、手机和平板等正逐渐在工业人机交互中推广应用，工业人机交互方式必将发生巨大的改变。通过语音识别和肢体识别等实现人机交流的技术将从机器为中心的界面转向更为人性化的交互方式发展。

参考文献:

［1］张成忠，孔梅．交互设计在工业产品设计中的应用与未来展望［J］．包装工程．2011，33(8):68－71．

［2］AHMADFA．Projectdesignandmanagementofprogrammablelogiccontrollersforelectricaltechnology［J］．InternationalJournalofEmergingSciences，2012(3):322－333．

［3］李翩翩．浅谈交互设计在工业设计中的运用［J］．文艺生活，2016，27(9):58－60．

［4］廖材河，罗旺春．基于ISA88的批次控制技术在制丝生产线中的应用［J］．烟草科技，2012，56(9):14－16．

［5］GREGJohnson．ProductiontoBusinessInteroperability:ISA95andB2MML［R］．AmplaWhitePaper，2005(9)．

作者:刘晓东 陈竺 陈洁 王中郭 陈丹 单位:1.贵州中烟工业有限责任公司贵定卷烟厂 2.云南昆船电子设备有限公司