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如何利用先进HMI技术改进工艺操作

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-05-26  作者:工控网  浏览次数:53
     近年来,我国工业互联网产业发展迅速,市场规模不断增长,但是由此也引发了新的网络安全危机。不过,在工业互联网安全形势日益严峻的情况下,工业信息安全产业也获得了重要发展契机。
    工业信息安全形势严峻这两大产业或携手发展
    随着“互联网+”、“智能制造”与工业生产日益深度融合,制造业数字化、网联化趋势愈加显著,工业互联网在全球范围内加速兴起。2017年10月,国务院常务会议通过了《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,进一步推动了我国工业互联网的发展。
    工业互联网释放发展红利
    工业是面向制造业数字化、网络化、智能化需求,构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系,支撑制造资源泛在连接与高效配置的工业云平台。目前,我国工业互联网发展还处于起步阶段。
    对于全球制造业巨头或是互联网巨头而言,由于在信息、技术等方面各具优势,依照各种需求搭建工业互联网平台成为主要选择。虽然工业互联网发展各据“山头”,但是其扩张速度十分迅速,在技术与管理等方面都在不断优化。
    发展工业互联网对于我国制造业转型升级带来的利好是巨大的。通过工业互联网不仅可以通过采集、分析数据来精准把握工业生产过程,同时还能进一步挖掘数据价值,这样既能为客户创造价值,也能为服务商提供商机。
    近两年来,国家相继出台了一系列政策,支持工业互联网产业发展。据相关数据统计,2017年我国工业互联网产业规模达5680亿元,预计到2020年将有望超过万亿元。不过,与发达国家相比,我国工业互联网的发展水平和现实基础还存在着很大差距,存在的诸多隐患也值得重视。
    网络安全隐患日渐突出
    工业互联网的发展催生了一个全新产业,同时也推动了诸多领域的变革。但是在“万物互联”背后,工业信息安全隐患也日益凸显。2015年以来,全球每年都会发生数百起大型工业网络安全事件,造成了非常严重的影响。
    业内专家表示,近年来工业互联网发展迅速,但是也出现了网络安全事件高发的倾向。并且相关网络攻击呈现定向、精准趋势,攻击行为也越发显示出组织化特征。一旦中招,受到影响的不仅仅是被攻击对象,甚至会波及能源、通信等其他重要行业。
    很多时候,网络安全事件都是突然发生,难以防范,原因就在于工业系统存在的技术漏洞很长时间内都没有被发现,导致病毒能够在其中长期潜伏。当黑客在有需要时激活病毒,就容易造成突然袭击,引发更大灾难。
    不得不提出的是,目前我国工业互联网产业中,许多关键技术与设备依然以国外来源为主。在替代过程中,也存在着国内、国外技术交叉使用的情况,这对于我国工业互联网安全来说是很大的隐患。
    工业信息安全市场迎增长契机
    虽然伴随工业领域数字化、联网化的推进,网络安全问题逐渐受到重视,相关法律法规也在逐步健全。但是总体而言,我国工业企业以及其他行业对于网络安全防护的意识还比较薄弱,工业互联网领域也十分缺乏专业人才。
    当前,我国对于网络安全的重视程度不断提高,相关人才培养也在积极推动当中。业内专家建议,应当充分利用高校、企业专业优势,通过产学合作来强化网络安全学科建设与相关培训体系发展,加快培养更多专业人才,特别是基础运维人员和分析人员。
    培养网络安全人才是一方面,从国家层面推动工业信息安全平台建设也是重要手段。5月24日,工信部总工程师陈因在首届中国工业信息安全大会上表示,将以提升工业互联网安全保障能力为重点,加快建设全国在线监测网络应急资源库和仿真测试、信息共享、信息通报平台。
    和以往的网络安全不同,工业互联网领域的工业信息安全是全新安全领域,涉及到制造业、服务业的方方面面。随着工业互联网产业规模的增长,工业信息安全面对的安 现在,运行人员要做的事情越来越多,制定决策时需要考虑的数据和信息也更多。通过采用最佳实践和准则来设计HMI,可以帮助运行人员改进处理信息的方式和工艺操作,提高生产效率。
    在控制系统中,HMI像是“看门人”,它可防止运行人员被大量数据淹没,并提供安全的操作指南。
    自动化行业的应用趋势促进了HMI的开发,从而帮助工厂改善过程安全和设施运营。现代HMI在以人为中心设计、图形配置和图形可移植性等领域的改进,使工程师和运行人员的工作效率更高。
    人机界面开发的核心是以人为中心的设计研究,包括自动化设计人员、学术界和用户之间的团队协作。运行人员绩效中心就是从事这方面研究工作的一个团队,该合作组织通过研究、协作和人因工程,来解决人的能力以及局限性的问题。通过研究和用户测试的坚实基础,设计出符合于现代需求的人机界面。
    从头开始设计HMI,而不是在预先构建的人机界面上开展工作,意味着更少的配置返工以及与系统的原生集成,从而可以进一步简化工程师和运行人员的工作流程。
    现代HMI的设计原则
    有效和无效显示之间的区别,是数据如何提供可操作的信息。现代HMI的设计可围绕用户的需求,遵循如下以人为中心的设计原则,为用户带来更高的生产效率。
    可视化:在值班期间与机器互动的过程中,运行人员在屏幕上能够注意哪些内容,或者不注意哪些内容?这些答案将影响如何克服自动化和过程难题,以及如何处理潜在、代价高昂的错误。例如,研究在屏幕上大部分区域使用较暗的颜色,而在异常工况下则使用较为鲜艳的颜色,可以吸引运行人员的注意(图1)。
DeltaV实时操作员界面
    图1:在艾默生公司的DeltaV实时操作员界面中,运行人员可以轻松地识别报警,并使用颜色和模式识别快速确定状态。图片来源:艾默生
    模式识别:显示模式的使用提高了运行人员员评估工况的速度和准确性。在传统的界面中,运行人员员需要读取和比较数值。现代的人机界面则使用人们更熟悉的模式(图2),所以显示本身就成为信息,只需要较少的解释。
循环表示形式
    图2:改进后的循环表示形式,简化了运行人员确定系统状态所需的工作。
    显示导航:随着工作领域或控制范围的扩展,运行人员通常需要浏览数以百计的显示页面。由国际自动化学会(ISA)的运行人员绩效和标准中心推荐的最佳实践建议:根据设备区域,将显示内容按信息的层次结构设计。层次结构化的目的,是使操作员能够快速访问所需的显示页面,并采取适当的操作。
    不幸的是,层次结构并没有被广泛采用,因为大多数的HMI,在设计之初,其底层并没有按照分层导航来设计,也不能提供有效的工具来创建分层显示。现代HMI可以简化分层显示的创建过程。
    简化图形配置
    对控制系统HMI功能和显示复杂性的要求不断增加。但是,图形配置工具并没有跟上需要增加的速度——通常要求工程师使用编程语言来创建复杂的图形解决方案。随着现代人机界面的不断发展,这些人机界面旨在使工程师能够轻松创建基于以人为中心的设计环境。注意下面这些因素,将有助于使运行人员能够提高生产力并优化整体操作。
    减少对脚本的依赖:图形配置不需要较高的软件编程技术来创建、调整或适应不同的操作理念。在配置显示画面时,用户期望更直观的界面。这些显示器只需很少的编程(如果有的话),并且可以确保满足项目时间进度的要求。以人为中心的设计原则允许简化某些任务,比如相关脚本编写工作,提供图形配置工具,使得在不需要大量脚本的情况下就可以实现复杂功能。
    可自定义界面:不再由特定的工程师为所有的运行任务配置显示页面,以前运行人员必须等待工程师实施变更,制造商为运行人员提供更多的选择。工程师可以配置运行人员的工作区域,并允许运行人员根据需要自定义部分内容。
    变更管理:设备变更和控制策略在整个生命周期中不断发展变化。显示页面必须相应进行修改。现代图形工具可以提供内置的、用户友好的功能,以减少配置显示所需的时间。
    可移动性与安全
    在控制室和操作员工作站以外的显示界面上,需要更频繁地提供系统信息,以满足不断变化的用户需求。工人现在习惯于随时随地的掌握信息,显示界面也需要满足他们的需求。
    然而,对网络安全越来越多的关注带来了更高的要求,使得在控制室外安全发送过程控制信息变得更加困难。现代控制系统增加了网络保护层以及其它安全保护。现代移动解决方案的设计基于更安全的体系结构,可以更轻松地提供查看访问,而无需将显示转换为新格式。
    旧的控制系统,往往没有设计或安装这些网络安全需求。为响应这些安全需求,禁用了远程访问显示器功能,这在以前是可以访问的。但问题是现在工厂人员仍需要访问这些系统信息。
    现代人机界面的设计将移动性嵌入到界面中,以便能够适应不同工厂环境下不断变化的需求,而且随着时间的推移,还可以进行扩展。现在,如果使用具有可移植性的安全显示系统,那么将来工厂实时改造时,根本不需要重新设计,就可以增加移动设备的访问功能。
    当控制系统的人机界面满足操作员和工程师的需求时,整个运营活动就自然会改善。运行人员可以更快识别问题,更容易处理信息,并且易于适应变化。此外,通过人机界面的改进,工程师可以更容易地采用行业制图标准和最佳实践。通过改善态势感知,将数据转化为有用的信息,使运行人员能够快速而轻松地做出果断决策,运行过程将变得更安全、更直观、更有效。
    更关注HMI中的“人”
    虽然人机界面以"人"字开头,但从以往大多数技术历史来看,HMI对机器的支持力度要高于对人的支持。可以说,对机器提供信息的方式进行调整,一直是运营人员的负担。近年来,HMI硬件逐渐开始采用在消费电子领域已经普及的、用户友好的接口技术,在产品质量以及屏幕布局偏好等方面都进行了优化。对于许多机器制造商和最终用户而言,使用塑料制成的、配备6英寸单点触摸屏的低端HMI设备已经过时。
    可选的工业HMI硬件包括精密机械加工的铝和钢外壳,以及高清晰度宽屏或纵向屏幕等,扩展了传统HMI的范围。电容式多点触摸技术,改变了硬件和软件厂商对HMI的概念,更强调概念中"人"的部分。
    现在,可以通过滑动屏幕上的HMI软件,而不用通过按下诸多按钮访问各种屏幕,就可以快速获取所需的信息。随着HMI软件平台的出现,可以集成HTML5和Javascript等网络开发标准,将移动设备看作HMI硬件。这意味着HMI可以是任何带有网页浏览器的显示屏。
    基于Web的HMI
    对机器运行人员和技术人员来说,基于Web的HMI的好处是,不需要停止手头的工作,来回走到安装在机器特定区域的HMI显示器那里去检查参数或在调试过程中检索数据,故障排除、启动或切换。现在,这种情况正在发生变化,因为利用智能手机或平板电脑,基于Web的HMI可以"紧随"工厂人员左右。
    同样的原则,也适用于可穿戴HMI的概念,这样甚至是智能手表和数据眼镜也能将增强现实应用到工厂车间。在HMI屏幕之外,已经创建了可以启用推送通知的通信应用程序。这些应用程序可以向所有移动和可穿戴设备发送与机器操作相关的消息。
    尽管移动技术在HMI的应用中快速增长,但通信技术的进步并没有阻碍将HMI设备安装在机器上。使用物联网通信标准,面板型PC(带有内置显示屏幕的、基于PC的控制器)可以将连续的工厂和制造数据发送到基于云的服务中,以便在整个企业中查看和实施大数据分析。数据被安全地推送到分析仪表盘或提供给基于Web的页面,可以随时随地由授权用户查看。全形势也更为严峻。
    不过,在这样的局面下,工业信息安全市场也迎来了发展契机。据相关数据统计,2017年我国工业信息安全市场规模约5.6亿元,相比2016年增长了53%以上。因此,工业互联网产业的持续发展,也将带动工业信息安全产业发展进一步提速。
 
关键词: HMI
 
 
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