工厂 HMI 全生命周期管理: 设计、实施与运维过程

ANSI/ISA-101.01《过程自动化系统的人机界面》作为工业自动化领域的权威标准，为HMI从概念到淘汰的全生命周期管理提供了详尽指引。对于工业产品经理和设计人员来说，深入理解这份标准能让HMI设计更贴合实际需求，本文将为你详细解读。

在工业自动化的生产场景中，人机界面（HMI）就像操作人员与自动化系统之间的“对话窗口”，它的设计是否合理，直接关系到生产的安全系数、运转效率和稳定程度。想象一下，在汽车工业生产线中，操作人员需要通过HMI实时监控协作机器人的运行状态、关节角度等参数，如果HMI界面混乱，关键参数显示不清晰，很可能导致操作人员误判，引发设备故障甚至安全事故。

标准概述：为何HMI需要规范化

过程自动化系统包含连续过程、批量过程和离散过程等多种类型。在汽车工业生产线这类离散过程中，生产由一个个独立的工序组成，如汽车装配线的车身焊接、零部件组装、喷漆等工序，每个工序都有特定的操作和设备，且工序间的衔接紧密。操作人员需要实时掌握每个工序的进度、设备状态，HMI作为获取生产信息、下达操作指令的核心接口，其重要性不言而喻。

ANSI/ISA-101.01-2015标准的制定，目的是通过明确HMI在设计、实施、操作、维护等环节的要求和推荐做法，让HMI能够为安全、高效、可靠的过程操作提供支持，提升用户对异常情况的检测、诊断和应对能力。该标准覆盖HMI全生命周期的关键环节，包括概念设计、详细设计、开发、测试、部署、运行及维护，能为用户、设计人员、工程实施人员、运维人员及管理人员等所有相关利益方提供清晰指导。例如，对于设计人员，标准明确了HMI的设计原则和画面布局要求；对于运维人员，标准规定了日常维护的内容和故障处理流程。

核心内容解读：构建优质HMI的关键要素

术语和定义

准确理解术语是应用标准的前提，标准中定义了诸多关键术语。比如，人机界面（HMI）是操作人员与自动化系统间进行信息交换的硬件和软件组合，硬件包括显示器、键盘、鼠标、触摸屏等，软件则是实现界面显示和交互逻辑的程序。

过程自动化系统是用于监测、控制和优化工业过程的集成系统，通常包含传感器、控制器、执行器及HMI，在汽车生产线中，传感器可用于检测协作机器人的位置、速度，控制器根据预设程序进行计算和决策，执行器则驱动机器人完成焊接、拧紧螺丝等操作。

可用性指在特定使用环境下，产品被特定用户用于实现特定目标时的有效性、效率和用户满意度程度等。有效性是指用户能否成功完成任务，效率是指完成任务所花费的时间和精力，用户满意度则是用户对使用产品的主观感受。例如，一个可用性高的HMI，操作人员能够快速准确地找到所需信息并完成对协作机器人的操作指令下达，且对操作过程感到满意。

这些明确的术语，能避免实际应用中因概念模糊产生的误解。比如，在讨论HMI的可用性时，大家都能基于标准中对可用性的定义进行交流，不会出现理解上的偏差。

HMI理念与设计原则

HMI理念的制定要基于对用户需求、过程特性、操作环境及相关法规标准的理解。在用户需求分析上，要搞清楚操作人员的操作任务、所需信息、操作权限和培训需求等。操作任务分析可以通过观察操作人员的日常工作，记录他们所进行的每一项操作，如监控协作机器人的运行状态、调整机器人工作参数、启停机器人等。信息需求方面，要确定操作人员完成这些任务需要哪些过程变量、设备状态、报警信息等，例如，监控机器人焊接工序时，需要知道焊接电流、电压、焊接速度等参数。

针对过程特性，HMI要能适应过程的动态变化、复杂程度和潜在危险。在汽车生产线中，机器人的动作频率高、速度快，对于动态变化快的焊接、搬运等工序，HMI的数据更新频率要足够高，以保证操作人员能及时掌握机器人的变化趋势。复杂的总装工序往往涉及多个机器人和大量参数，HMI应采用分层、分类的信息展示方式，将复杂的信息条理化，方便操作人员理解。对于有潜在危险的喷涂工序，涉及易燃涂料，HMI要突出显示关键安全信息，如通风系统状态、可燃气体浓度等，并提供必要的安全警示。

操作环境中的温度、湿度、光照、噪音等因素也得在HMI理念中考虑到。在汽车生产线的喷涂车间，温度高、湿度大且存在漆雾，要选择耐高温、防潮、防尘的硬件设备；总装车间光照强烈，HMI的显示器要具备抗眩光功能，确保屏幕内容清晰可见；冲压车间噪音较大，除了视觉报警外，还可以采用声音响亮、频率独特的听觉报警，以引起操作人员的注意。

同时，HMI必须符合相关法规和标准要求，如安全法规、人机工程学标准等。安全法规对HMI的安全警示、操作权限控制等方面有明确规定，人机工程学标准则关注HMI的界面布局、操作舒适度等，以减少操作人员的疲劳。

HMI设计要遵循以用户为中心的原则，着重关注可用性、安全性、性能和一致性。

可用性方面，HMI要容易学习、便于操作和维护。容易学习意味着新操作人员能够在短时间内掌握HMI的基本操作，界面元素和操作方式应符合操作人员的认知习惯和行业惯例，比如，常用的机器人控制按钮应放在显眼的位置，操作流程应简单明了。便于操作要求减少不必要的操作步骤，提供清晰的操作反馈，如点击控制机器人移动的按钮后，按钮颜色发生变化或弹出提示信息，让操作人员知道操作已被执行。可维护性则要求设计便于维护人员进行故障排查、系统升级和日常维护，例如，提供诊断信息显示，方便维护人员快速定位机器人通信故障原因。

安全性上，要及时展示安全警示、做好操作权限控制并具备容错设计。安全警示可以采用颜色、图标、闪烁等方式，如红色表示机器人处于故障危险状态，黄色表示警告状态。操作权限控制通过用户认证和权限管理来实现，不同类型的用户拥有不同的操作权限，如操作人员只能进行常规的机器人启停、模式切换操作，工程师可以修改机器人运动轨迹参数，管理人员可以查看生产报表等，防止未经授权的操作导致事故发生。容错设计是指HMI对操作人员的误操作具有一定的提示或纠正能力，例如，当操作人员试图让机器人执行超出工作范围的指令时，HMI会弹出提示信息，阻止该操作。

性能方面，要保证响应迅速、数据更新及时且系统资源利用合理。响应时间是指从操作人员输入指令到HMI显示相应结果或系统执行指令的时间间隔，一般情况下，响应时间应控制在1秒以内，避免操作人员因等待而产生疲劳或误判。数据更新频率应根据机器人运行参数的变化速率和操作人员的信息需求来设置，对于变化快的关节角度、速度参数，更新频率要高一些，对于变化慢的设备温度参数，可以适当降低更新频率。系统资源利用要优化HMI软件设计，合理分配内存、CPU等资源，避免因资源占用过高导致系统运行缓慢或不稳定。

一致性则要求界面风格、操作方式、术语和符号等保持统一。界面风格包括颜色、字体、图标、按钮等的样式，应形成统一的视觉效果，让操作人员在不同的画面中都能感受到一致的风格。操作方式对于相似的操作任务，应采用相同的操作流程，如控制不同类型机器人的启停都通过点击相应的按钮来实现，减少操作人员的记忆负担。术语和符号要使用统一的标准，与行业规范相一致，避免因术语混淆导致误解，例如，用“J1-J6”表示机器人的六个关节，“PTP”表示点到点运动模式。

HMI实施要点

HMI实施涉及硬件安装、软件编程、系统集成和测试等环节。

硬件安装时，要依据设计要求和环境条件选对设备，合理规划安装布局并做好环境适应性处理。设备选型要考虑硬件的性能、可靠性、兼容性等因素，如显示器的分辨率要满足机器人运行状态画面显示的要求，触摸屏的灵敏度要高。安装布局要考虑操作人员的操作便利性和可视范围，显示器的高度和角度应调整到适合操作人员观看机器人工作的位置，键盘和鼠标的放置要方便操作人员快速操作。在汽车生产线有振动的冲压车间等环境，要采取防震措施；在多尘的焊接车间，要选择防尘的设备。

软件编程需遵循编程规范，实现各项功能并开发必要接口。

编程规范包括代码的命名规则、注释要求、结构组织等，采用结构化、模块化的编程方法，将复杂的程序分解为多个小的模块，每个模块实现特定的功能，提高代码的可读性、可维护性和可扩展性。

功能实现要根据HMI设计要求，编写代码实现机器人运行状态画面显示、数据采集与处理、报警处理、操作控制等功能，例如，数据采集模块负责从机器人控制系统中读取关节角度、速度等参数，并进行处理和存储。

接口开发若HMI需要与其他系统进行数据交互，如与汽车生产企业的生产管理系统进行生产数据同步，要开发相应的接口程序，选择合适的通信协议，如OPC、Modbus等，确保数据通信的稳定性和准确性。

系统集成要实现与控制系统及其他相关系统的数据交互，并进行全面测试与调试。

与机器人控制系统集成要建立HMI与机器人控制系统之间的通信连接，确保HMI能够正确读取机器人的运行数据，并将操作人员的控制指令准确发送到机器人控制系统。

与其他相关系统集成根据需要，将HMI与汽车生产线的质量检测系统、设备管理系统等集成，实现信息共享和协同工作，如HMI可以显示质量检测系统对零部件装配质量的检测结果，方便操作人员全面了解生产状态。

测试与调试在系统集成后，要进行功能测试、性能测试、兼容性测试等，功能测试检查HMI的各项功能是否正常工作，如机器人状态显示是否准确、操作控制是否有效、报警是否准确触发等，可以通过模拟不同的机器人工作场景来进行测试。

性能测试评估HMI的响应时间、数据处理能力等，在多个机器人同时运行的负载情况下进行测试，观察HMI的运行情况。可用性测试邀请操作人员参与测试，让他们按照实际的操作流程完成对机器人的各项操作任务，评估HMI的易用性，收集他们的反馈意见，如界面布局是否合理、操作是否方便等，根据反馈对界面设计和操作流程进行优化。

安全性测试进行安全性测试，验证操作权限控制是否有效、安全警示是否正确显示、容错机制是否可靠等，模拟未经授权的人员尝试进行关键操作，检查HMI是否能有效阻止；模拟机器人故障等危险工况，检查安全警示是否能及时准确地显示。

操作与维护：保障HMI长期有效运行

在操作管理方面，要制定操作规范，明确操作人员的职责、流程和注意事项，HMI系统还要能记录操作信息和支持交接班信息传递。操作规范应详细描述操作人员在不同情况下的操作步骤和方法，如正常生产时如何监控机器人运行状态，机器人出现报警时如何处理等。职责划分要明确每个操作人员的工作范围和责任，避免出现职责不清的情况。注意事项包括操作过程中的安全提示、机器人的使用限制等。

操作记录HMI系统应自动记录操作人员的关键操作，如机器人参数修改、启停操作、报警确认等，记录的信息应包括操作时间、操作内容、操作人员身份等，这些记录数据应妥善保存，可用于生产过程分析、机器人故障排查及责任认定。例如，当机器人出现异常动作时，可以通过查询操作记录，了解操作人员在异常发生前后的操作情况，找出可能的原因。

交接班管理HMI应支持交接班信息的传递，提供“交接班画面”，显示当班期间的机器人运行异常、未处理报警、重要操作记录等，操作人员在交接班时，通过该画面可以快速了解生产的情况，确保信息在换班时准确交接，避免操作中断或遗漏。例如，上一班的操作人员在交接班画面中记录了某台机器人的关节温度有轻微升高，下一班的操作人员就可以重点关注该机器人的运行状态。

日常维护包含硬件维护、软件维护和数据备份与恢复，以保障HMI的正常运转。硬件维护定期对HMI硬件设备进行检查和维护，清洁设备表面时，要用柔软的布擦拭，避免使用腐蚀性的清洁剂；检查接线是否松动，发现松动要及时拧紧；测试设备运行状态，如显示器的亮度、对比度是否正常，触摸屏的灵敏度是否良好；对于老化的部件，如键盘按键失灵、电源性能下降等，要及时更换。在汽车生产线高温、多尘等恶劣环境下，更要加强硬件设备的维护频次。

软件维护定期对HMI软件进行维护，检查软件运行日志，查看是否有错误信息或异常记录；清理冗余数据，如过时的机器人操作记录、临时文件等，释放存储空间；优化数据库性能，如对数据库进行索引优化、碎片整理等；修复已知的软件漏洞，及时安装软件厂商发布的补丁程序，提高系统的安全性和稳定性。

数据备份与恢复制定HMI数据备份策略，确定备份的频率、内容和存储方式，备份的内容包括机器人配置参数、运行历史记录、HMI画面文件等，备份频率可以根据数据的重要性和更新频率来确定，如每天备份一次。备份数据应存储在安全的位置，如外部硬盘、光盘等，同时要进行异地备份，防止因本地灾害导致数据丢失。建立数据恢复流程，明确在系统故障时如何恢复数据，定期进行数据恢复测试，确保备份数据的有效性。

故障处理时，HMI要具备故障诊断功能，同时要有标准化的排除流程和应急措施。故障诊断HMI应提供故障诊断功能，通过日志记录、状态指示灯或诊断画面，提示硬件故障、软件故障或通信故障的可能原因。例如，当HMI与机器人控制系统通信中断时，诊断画面可能会提示“网络连接失败”或“接口配置错误”。

故障排除流程针对常见故障，制定标准化的排除流程，指导维护人员逐步排查问题。例如，通信故障时，先检查网络连接线是否插好，网络设备是否正常工作；再检查HMI和机器人控制系统的接口配置是否正确，如IP地址、端口号等；最后排查机器人控制系统的状态，是否正常运行。

应急措施当HMI发生严重故障无法正常运行时，应启动应急操作方案，如通过备用操作界面进行操作，备用操作界面可以是简化的HMI界面或独立的控制设备；对于一些关键工序的机器人，也可以采用手动示教器进行临时控制；还可以切换至冗余HMI系统，冗余HMI系统与主HMI系统功能相同，当主系统故障时，自动切换到冗余系统，确保汽车生产线的安全稳定运行。

生命周期管理：从规划到淘汰的全流程把控

HMI的生命周期包含规划、设计、实施、运行、升级与改造、淘汰等阶段。每个阶段都有明确的目标、任务和责任方，且要满足相应的管理要求。

规划阶段的目标是明确HMI的需求、目标及应用场景，进行可行性分析，制定项目计划。任务包括收集汽车生产线操作人员的需求、分析生产过程特性、评估技术可行性、确定项目预算和时间进度等。责任方主要是汽车生产企业的管理人员、产品经理和设计人员。在规划阶段，要组织用户、设计人员及管理人员参与需求评审，确保规划与实际需求一致，并考虑未来汽车生产线引入新车型、新工艺时HMI的扩展性，如是否可能增加新的机器人功能或设备。

设计阶段的目标是基于用户需求和过程特性，完成HMI的概念设计、详细设计及设计评审。任务包括确定HMI的功能模块、画面布局、操作流程、报警策略等，绘制设计图纸和编写设计文档。责任方主要是设计人员。应采用“以用户为中心”的设计方法，邀请汽车生产线操作人员参与设计评审，验证界面的易用性和合理性；设计成果需经过技术评审，确保符合本标准及相关法规要求。例如，针对汽车焊接工序的HMI设计，要确保操作人员能快速查看焊接参数和机器人运行状态。

实施阶段的目标是进行硬件采购与安装、软件开发与集成、系统测试与调试，最终部署上线。任务包括选择合适的硬件设备供应商，确保设备的兼容性和可靠性；根据设计文档进行软件开发，采用模块化编程提高代码的可维护性和扩展性；进行系统单元测试、集成测试和性能测试，模拟各种汽车生产运行场景，排查潜在问题，确保HMI系统稳定可靠。责任方包括实施人员、工程师和测试人员。在系统测试过程中，需记录测试结果，对发现的问题及时整改，直至满足设计要求。

运行阶段的目标是保障HMI系统安全、稳定、高效运行，提供良好的操作体验。任务包括按照操作规范培训操作人员，确保其熟练掌握HMI的操作方法；实时监控HMI系统的运行状态，及时处理出现的报警和故障；收集操作人员的使用反馈，为后续的升级改造提供依据。责任方主要是操作人员和运维人员。例如，运维人员需定期检查HMI系统的资源占用情况，避免因资源不足导致系统卡顿。

升级与改造阶段的目标是根据技术发展、用户需求变化及生产过程优化要求，对HMI系统进行功能升级和性能优化。任务包括评估现有HMI系统的不足，确定升级改造方案；进行软件开发和系统配置调整，如增加新的机器人监控功能模块、优化界面显示效果；对升级改造后的系统进行全面测试，确保新功能正常运行且不影响原有功能。责任方包括设计人员、工程师和测试人员。比如，当汽车生产线引入新型智能机器人时，HMI需升级以适配新机器人的通信协议和控制指令。

淘汰阶段是HMI生命周期的最后环节，当HMI系统无法满足生产需求，或因技术落后、维护成本过高难以继续使用时，需启动淘汰流程。目标是安全、有序地停用旧系统，并妥善处理相关数据和设备。任务包括数据迁移、系统停用、设备处置及经验总结。责任方涉及企业管理人员、IT部门和维护人员。在淘汰前，将关键数据迁移至新系统或归档保存；停用系统时，遵循规范流程逐步关闭设备和软件，避免对生产造成影响；对于淘汰的硬件设备，按照环保和企业规定进行处置；最后，组织相关人员对HMI系统全生命周期进行复盘，总结经验教训，为后续项目提供参考。

结语

ANSI/ISA-101.01-2015标准为过程自动化系统HMI的设计与实践提供了全面且科学的指导框架。从标准概述的规范化意义，到核心内容涵盖的设计原则、实施要点、操作维护及生命周期管理，再到实际应用案例的成功验证，都表明只有深入理解并严格遵循该标准，才能打造出安全、高效、易用的HMI系统。在工业自动化不断向智能化迈进的今天，工业产品经理和设计人员更应将此标准作为HMI设计的基石，持续优化和创新，为工业生产的智能化升级提供坚实保障。