人机界面是自动化领域不可或缺重要组成部分。人机界面系统的设计看上去并没有太大的技术门槛，但是设计一个HMI系统的工作量是巨大的，如果你没有足够的耐心和精力是难以完成一个通用HMI系统的。构建UI控件库就是一个似乎永远完不成的事情，用户永远觉得不够用。
另一方面用户使用HMI的组态工具构建HMI应用也是一个十分繁琐又容易出错的地方，你需要将大量的数据点与HMI上的UI对应起来。
人们期望自动生成HMI界面， 本文讨论如何解决这些问题。
基于模型的设计
自动控制领域正走向开放性系统，并且采用基于模型的设计理念，OPC UA ，MTP，工业4.0 AAS等技术都是基于信息模型的工业标准。
当系统采用了信息模块之后，现场传送的数据已经不是简单的整型数和浮点数，而是一个结构化的信息模型。
如果 HMI 系统构建与信息模型相对应的UI 模型，那么数据模型的数据就能够直接呈现到UI模型上，不再需要组态工具去建立对应关系。这将减少组态时许多的工作量。
转变UI组件的开发方式
传统的HMI 中的UI组件都是由HMI软件开发商实现的，即便开放了用户开发专用UI组件的能力，通常也是在HMI 组态工具中实现的。在这种相对封闭的UI组件构建方法带来了HMI系统的开发难度。
由HMI软件开发者开发UI组件往往很难与应用完美的结合，与具体应用相结合时难免看上去牵强附会。
笔者看来，应该将UI组件库集中方式，转向用户自主开发。具体地讲，将UI组件的开发交给底层设备的开发者，在设备的信息模型中包含了UI 组件。当设备与HMI 软件连接起来后，将UI组件上传到HMI系统中去。例如，一台空气压缩机的信息模型中包含了它的UI组件。
设备开发者是最熟悉其设备的图形化方式，我们将这种由设备制造商提高UI 组件的方式称为“民主化开发”方法。
在流程控制行业的NAMUR 的MTP 模型中，就采取了这样一种方法，号称能够根据P&ID 图（Piping and instrumentation diagram）自动生成HMI的画面。
UI 组件的实现技术
HMI 系统实现的方式主要有如下几种：
- 基于Web 的HTML5技术
- 基于Window 的.NET/C# 技术
- 基于Android的技术
尽管.NET/C# 技术仅限于Windows 平台实现（目前.NET 的用户界面不支持Linux），C#仍然是开发工业控制上位机软件效率最高的设计工具。相比之下，HTML5 Web技术采用了开放性技术（HTML，CSS和javascript），带来了兼容性和灵活性，但是Web 技术过于碎片化，开发效率并不高。
UI组件的组成
所谓UI组件，就是将HMI的页面分解成多个小型的模块。
基于MVC 模型，现代界面采取了页面视图与控制逻辑的分离。
在.NET/C# 技术中，也已经从传统的Form 转向页面与逻辑分离的WPF技术。wpf 窗口包括了描述界面的XAML和后端的代码C#。后端实现XAML 的响应。
在QT技术中，大致也是如此。
UI 组件技术
- 单一文件
由于UI 组件是从底层信息模型中上传到HMI 系统的，为了避免多个文件的上传，最好是单一文件。 比如在Web技术中，我们可以采用VUE 组件。VUE 组件是将HTML，CSS 和JavaScript 合并在一个vue文件中。也可以采用SVG矢量图形
- 与平台无关
显然WPF 是依赖Windows 平台的。
- 简单设计工具
SVG
矢量图形SVG 也是一种单一UI 组件的方法。SVG的全称是可缩放矢量图形（Scalable Vector Graphics，SVG）基于 XML 标记语言。但是SVG不仅仅描述矢量图形，还能够包含JavaScript 程序。 SVG是一种理想的HMI UI组件工具
SVG 是W3C 的开放型标准。与具体的架构无关。有许多工具能够实现SVG 的绘制。添加Javascript代码只需要文本编辑器就能够完成。
所以SVG是一种理想的HMI UI组件工具。
XAML/C#
C# 的XAML 能够描述精美的图形界面，而且支持3D 模型的显示。WPF 的UI 组件是用户组件（UserControl ）。每个UserControl 包含了一个XAML和一个CS文件。构建用户组件库的方法是：
- 新建用户控件库项目，在该库中可以包含多个用户控件。
- 编译成为DLL 文件。
- 在其它应用程序中导入该DLL 或者动态导入DLL。
在一些传统的HMI系统中，仍然使用XAML 开发用户界面，例如艾默生公司的MOVICON SCADA 软件就是采用XAML 。
XAML/C# 的缺点是依赖Windows 平台技术·，要使用微软的VS开发UI控件。另外，组件以DLL 形式呈现，不可阅读和修改。动态载入HMI系统也比较麻烦。
在笔者看来SVG是比较好的UI组件技术。
基于SVG 的UI组件
下面我们以svidget 开源架构为例介绍基于SVG 的UI组件技术。
注：也许有人会疑惑，为什么SVG在能够包含javascript 代码呢？这是由于SVG 是使用XML 描述的矢量化图形。在浏览器中是将SVG的XML 直接嵌入HTML 文本中处理的，所以SVG中能够嵌入HTML5 的内容。
项目Github：https://github.com/joeax/svidget
svidget 主要构建基于SVG 技术的UI组件，它被成为Widget（小部件），其特点是
可交互
您可以通过页面的参数、操作和事件从页面操作小部件。 也就是说，您可以设置参数值、调用操作以及处理小部件中的事件。
使用方便
可以使用<object>标签在网页中嵌入SVG Widget。并且使用<param> 标签将数据传递到小组件。
下面是一个简单的例子
假设我想创建一个圆环仪表来显示操作的进度。看起来像这样的东西：
这是它的原始静态SVG代码：
<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:svidget="http://www.svidget.org/svidget"
width="200" height="200" viewBox="0 0 200 200" style="background:transparent">
<title>Donut Gauge</title>
<desc>Visualizes a donut-style gauge with text value in the middle.</desc>
<style>
#textLabel { font-size: 16px; font-family: Helvetica; alignment-baseline: text-top; }
#spanContent { font-size: 28px; font-weight: bold; margin: 0px; }
</style>
<defs>
<mask id="donutMask">
<rect x="0" y="0" width="100%" height="100%" fill="white" />
<circle r="48" cx="100" cy="100" fill="black" />
</mask>
</defs>
<g>
<circle id="backCircle" r="98" cx="100" cy="100" fill="#ddd" mask="url(#donutMask)" />
<path id="foreArc" fill="none" stroke="#7f7fdf" stroke-width="50" d="M 100,27 A 73,73 0 1,1 27,100" />
<text id="textLabel" x="100" y="110" text-anchor="middle" fill="#3f3f3f">
<tspan id="spanContent">75</tspan> %
</text>
</g>
</svg>我们可以通过将其转换为 SVG 小部件来使其有用。 要对此进行小部件化，我们首先需要考虑的是它的属性是什么。在 svidget 中，我们将这些称为参数。 对于我们的甜甜圈仪表盘
- 数据 - 这是主要数据。让它成为 0 到 1 之间的值，表示百分比。
- 颜色 - 圆圈上前景的颜色。
- 背景颜色 - 圆圈上背景的颜色。
- 文本颜色 - 中间文本的颜色。
- showText - 是否显示文本的布尔标志。
- 宽度 - 甜甜圈的宽度。可以是介于 1 和 98 之间的值。
Svidget 使用声明性语法向小部件添加参数。由于SVG是结构化XML，我们可以用svidget命名空间来扩展它。
<svidget:params>
<svidget:param name="data" shortname="d" type="number" description="The percentage to fill. Value should be between 0 and 1." />
<svidget:param name="color" shortname="color" type="string" subtype="color" binding="#foreArc@stroke" description="The circle foreground color." />
<svidget:param name="backColor" shortname="bcolor" type="string" subtype="color" binding="#backCircle@fill" description="The circle background color." />
<svidget:param name="textColor" shortname="tcolor" type="string" subtype="color" binding="#textLabel@fill" description="The text color." />
<svidget:param name="showText" shortname="st" type="bool" description="Whether to show the text in the middle." />
<svidget:param name="width" shortname="w" type="number" description="The width of the donut portion of the circle." />
</svidget:params>完整的代码
<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:svidget="http://www.svidget.org/svidget"
width="200" height="200" viewBox="0 0 200 200" style="background:transparent">
<title>Donut Gauge</title>
<desc>Visualizes a donut-style gauge with text value in the middle.</desc>
<style>
<![CDATA[ #textLabel { font-size: 16px; font-family: Helvetica; alignment-baseline: text-top; } #spanContent { font-size: 28px; font-weight: bold; margin: 0px; } ]]>
</style>
<svidget:params>
<svidget:param name="data" shortname="d" type="number" description="The percentage to fill. Value should be between 0 and 1." />
<svidget:param name="color" shortname="color" type="string" subtype="color" binding="#foreArc@stroke" description="The circle foreground color." />
<svidget:param name="backColor" shortname="bcolor" type="string" subtype="color" binding="#backCircle@fill" description="The circle background color." />
<svidget:param name="textColor" shortname="tcolor" type="string" subtype="color" binding="#textLabel@fill" description="The text color." />
<svidget:param name="showText" shortname="st" type="bool" description="Whether to show the text in the middle." />
<svidget:param name="width" shortname="w" type="number" description="The width of the donut portion of the circle." />
</svidget:params>
<defs>
<mask id="donutMask">
<rect x="0" y="0" width="100%" height="100%" fill="white" />
<circle r="48" cx="100" cy="100" fill="black" />
</mask>
</defs>
<g>
<circle id="backCircle" r="98" cx="100" cy="100" fill="#ddd" mask="url(#donutMask)" />
<path id="foreArc" fill="none" stroke="#7f7fdf" stroke-width="50" d="M 100,27 A 73,73 0 1,1 27,100" />
<text id="textLabel" x="100" y="110" text-anchor="middle" fill="#3f3f3f" visibility="visible">
<tspan id="spanContent">75</tspan> %
</text>
</g>
<script type="application/javascript" xlink:href="../scripts/svidget.js"></script>
<script type="application/javascript">
<![CDATA[
var _data = 0;
var _width = 50;
var FULL_RADIUS = 100;
var DONUT_RADIUS = FULL_RADIUS - 2; // 98
function init() {
//setArcPath(0.75);
//debugger;
var widget = svidget.current();
widget.param("data").on("set", onParamDataSet);
widget.param("width").on("set", onParamWidthSet);
widget.param("showText").on("set", onParamShowTextSet);
setParamData(widget.param("data").value());
setParamWidth(widget.param("width").value());
setParamWidth(widget.param("showText").value());
}
function onParamDataSet(e) {
//alert('onParamDataSet');
var val = parseFloat(e.value.value); // { value: val }
setParamData(val);
}
function onParamWidthSet(e) {
var w = parseInt(e.value.value); // { value: val }
setParamWidth(w);
}
function onParamShowTextSet(e) {
var show = e.value.value;
setParamShowText(show);
}
// range: 0 to 1
function setParamData(val) {
val = rangify(val, 0, 1);
// set donut arc
setArcPath(val);
// set text
setContentLabel(val);
// set global data
_data = val;
}
// range: 1 to 98
function setParamWidth(w) {
w = rangify(w, 1, DONUT_RADIUS);
// set donut mask - i.e. empty hole in middle aka the donut hole
var rad = DONUT_RADIUS - w;
setMaskRadius(rad);
setArcWidth(w);
// set global width
_width = w;
// re-set arc path
setArcPath(_data);
}
function setParamShowText(show) {
//debugger;
var textLabel = document.getElementById("textLabel");
var v = !show ? "hidden" : "visible";
textLabel.setAttribute("visibility", v);
}
function setMaskRadius(rad) {
var maskCir = document.querySelector("#donutMask > circle");
maskCir.setAttribute("r", rad);
}
function setContentLabel(pct) {
var val = parseInt(pct * 100);
var spanContent = document.getElementById("spanContent");
spanContent.textContent = val + "";
}
function setArcPath(pct) {
var path = generateArcPath(pct);
var foreArc = document.getElementById("foreArc");
foreArc.setAttribute("d", path);
}
function setArcWidth(w) {
var foreArc = document.getElementById("foreArc");
foreArc.setAttribute("stroke-width", w);
}
// pct == 0 to 1
function generateArcPath(pct) {
var baseY = 2;
var halfWidth = _width / 2.0;
var startY = baseY + halfWidth;
var arcRadius = FULL_RADIUS - startY;
var largeArc = pct > 0.5 ? 1 : 0; // if greater than 50 we need to use large arc in path
var pctRadians = (Math.PI * 2) * pct;
var endX = round3((Math.sin(pctRadians) * arcRadius) + FULL_RADIUS);
var endY = round3((-Math.cos(pctRadians) * arcRadius) + FULL_RADIUS);
if (endX == 100 && pct > 0) endX = 99.999; // this corrects issue with path if start and end are same it won't draw an arc
//debugger;
// M 100,27 A 73,73 0 1,1 27,100
var path = "M 100," + startY + " "; // move to start
path += "A " + arcRadius + "," + arcRadius + " 0 " + largeArc + ",1 " + endX + "," + endY;
return path;
}
function rangify(val, min, max) {
if (isNaN(val) || val < min) val = min;
if (val > max) val = max;
return val;
}
function round3(val) {
return parseInt(val * 1000) / 1000.0;
}
window.addEventListener('load', init, false);
]]>
</script>
</svg>在网页上嵌入小部件的主要方法是object> 标记。 框架使用 role=“svidget” 查找所有 <object> 标签，并实例化小部件。
<object id="myDonutGauge" role="svidget" data="widgets/donut.svg" type="image/svg+xml" width="200" height="200">
<param name="data" value="0.55" />
<param name="color" value="#da3333" />
<param name="backColor" value="#ffac33" />
<param name="textColor" value="#da3333" />
<param name="showText" value="true" />
<param name="width" value="40" />
</object>您还可以使用 svidget.load（） 以编程方式加载小部件：
svidget.load("#widgetContainer", "widgets/donut.svg", {
data: 0.55,
color: "#da3333",
backColor: "#ffac33",
textColor: "#da3333",
showText: true,
width: 40,
});在Github 中包含了一个demo 网页
很酷吧？
HMI组件实现的细节
在具体地实现中，还有如下细节要考虑：
- UI组件只是提供了组件，网页布局仍然需要组态软件来完成。尽管简单了许多。
- 网页中包含一个JavaScript 的运行时（runtime），它是与信息模型无关的。他只完成信息的交换。运行时将信息模型的NodeID 传递给UI 组件。UI组件订阅信息对象的特性（Property）并且支持事件和方法调用。
结束语
本文讨论的一种灵活的HMI组件方法，具体细节可以交流。
