ISA-101 HMI 设计标准：实用指南

ISA-101.01——《过程自动化系统人机界面》（Human-Machine Interfaces for Process Automation Systems）这项标准终结了满屏闪烁仪表、五颜六色的 HMI 时代。它由国际自动化学会（ISA）发布，把有经验的操作员和人因工程研究者几十年来的共识写成了条文：好的 HMI 大部分是灰色的，出现颜色就意味着有地方不对劲。

本指南只讲项目中真正用得上的部分：生命周期模型、态势感知、画面层级、颜色与字体的使用，以及报警优先级方案。它写给设计或采购 HMI 画面的工程师，而不是合规审核人员。

1. 标准的适用范围

ISA-101 规范过程自动化中 HMI 的设计、实施、运行和维护，覆盖 DCS 操作台、SCADA 工作站以及现代的基于 Web 的监控面板。它刻意不绑定任何平台：无论操作员面对的是 Siemens WinCC 操作台、Rockwell FactoryTalk View ME 面板，还是平板上的 Ignition Perspective 画面，规则都一样。

这项标准不规定每个符号的每个像素，它规定的是设计者应当遵守的约束体系。具体可画的形状来自 ISA-5.1（仪表符号）和一套统一的项目符号集，它们是对 ISA-101 的补充。不管这套符号是你自己画的，还是从其他工程师发布的符号改起，让它成为 ISA-101 的，是下面这些约束。

2. HMI 生命周期

ISA-101 一个不显眼但重要的作用，是迫使团队把 HMI 当作有生命周期的产品，而不是工程进度表里随手塞进去的一次性交付物。标准定义了五个阶段：

1. 标准与风格指南：在画第一个画面之前，项目就冻结配色、字体、符号库、报警优先级和命名规则。
2. 设计：规划画面层级（总览 → 单元 → 详情 → 诊断），通过任务分析确定操作员需要看到什么，并把操作台布局写成文档。
3. 实施：按风格指南和符号库制作画面，并通过 SAT/FAT 验证。
4. 运行：HMI 投入生产，收集操作员反馈。
5. 维护与变更管理（MoC）：所有修改走变更管理流程，并留下评审记录。

3. 态势感知：核心思想

Endsley 的三层态势感知模型是 ISA-101 的主线：操作员只有能够感知正在发生什么、理解它意味着什么、并预测接下来会发生什么，才算有效。标准中的每一条设计决策都能对应到这三层中的某一层。

两个画面信息密度相同，一个能帮操作员预测装置的未来状态，另一个不能，那么第二个画面就是失败的，哪怕它更好看。

落到实践上，这意味着趋势和变化率要和瞬时值同等重视，并且要让人一眼看出哪些回路即将报警，而不只是哪些已经报警。

4. 颜色：最常被违反的规则

ISA-101 的颜色理念是团队最先违反的部分。规则去掉枝节后只有三条：

• 正常运行状态用低饱和度的灰色和白色绘制。工艺管线、设备、容器、标签和大多数数值都保持中性色。
• 颜色只留给异常工况和设备状态变化。红、橙、黄、蓝表示报警或运行/停止/禁用状态，绝不用作装饰。
• 报警颜色与报警优先级一一对应，并用颜色 + 形状 + 位置的组合做色盲友好设计，让红绿色盲的操作员也能区分 P1 和 P3。

HMI Library 在所有地方都使用同一套配色：符号编辑器的默认值、通用图标库，以及社区符号获得“ISA-101 compliant”（符合 ISA-101）标记之前要通过的自动 ISA-101 检查（标签用 Inter 字体，位号用 JetBrains Mono）：

5. 报警优先级

报警管理本身由 ISA-18.2 负责，ISA-101 直接沿用报警合理化流程产出的同一套优先级方案：

被抑制和被搁置的报警有自己的中性色图标：它们并没有消失，只是被有意隐藏了。

6. 画面层级

ISA-101 规定了四级画面，好的 HMI 能让人立刻知道自己处在哪一级：

1. 第 1 级：总览。一个画面显示整个厂区或工艺区域：KPI、报警数量、异常工况指示。供主管或班长隔着房间一眼扫过。
2. 第 2 级：单元/区域。一个工艺单元或区域。操作员日常监控所用的画面。
3. 第 3 级：详情。某台具体设备（反应器、压缩机组、泵撬）及其全部回路、联锁和操作控件。操作员在这里执行操作。
4. 第 4 级：诊断/维护。深层仪表诊断、阀门行程、维护元数据。通常对操作员角色隐藏。

7. 字体

无衬线字体，主要读数不小于 14 px，位号和数值用等宽字体（这样数值列才能对齐）。HMI Library 统一使用 Inter 和 JetBrains Mono，两者都可在 Google Fonts 免费获取。符号编辑器默认使用它们，并回退到 Helvetica/Arial，因此在无法嵌入 Web 字体的 HMI 运行环境里，符号也能保持比例。

8. 常见误区

• 装饰性颜色。因为“绿色好看”就把泵画成绿色，会让操作员在绿色真正有含义时也视而不见。
• 3D 和渐变。拟真效果拖慢扫视速度。扁平 2D 在每一次可用性测试中都胜出。
• 非报警对象上的常驻闪烁动画。半个画面都在闪，就等于没有东西在闪。
• 各画面之间符号不一致。同一台泵在系统的每个画面上都必须长得一样。这是每个项目固定一套符号集并严格执行的首要理由：画一次，到处复用。
• 没有设计“正常”状态。团队先设计报警状态，却忘了 99% 的时间画面显示的都是正常状态，而正常状态同样必须易读。

9. HMI Library 如何帮你落地

HMI Library 是一名自动化技术员的工具集，加上社区在其上发布的内容。有三个部分对应上面的规则：

• 符号编辑器：免费的浏览器内编辑器，一开始就使用 ISA-101 配色（灰色本体，只有状态和报警徽标带颜色）、14 px 最小字号和电机类元素的 9 状态约定（见9 状态指南）。可导出透明背景 PNG 用于 Weintek EasyBuilder Pro，以及干净的 SVG 用于 WinCC Unified、FactoryTalk、Ignition、Citect 和 AVEVA。绘图不需要账号。
• 社区符号库：其他工程师绘制并以 CC BY 4.0 发布的电机、阀门、泵、储罐、输送机和工艺设备。每个发布的符号都会经过自动 ISA-101 检查（配色、线宽、结构），通过的带有“ISA-101 compliant”标记，可以按此筛选。找到一个差不多合适的？在编辑器里打开、调整，然后署名原作者重新发布。
• 通用图标库：无论哪个行业，每个画面都需要的一小套官方图标：箭头、状态徽标、报警优先级图标、指示器、ISA-5.1 仪表圆圈和信号线、危险标志（ISO 7010），以及 HMI 导航/系统图标。全部采用上面的配色，位号和标签可以开关，当 HMI 用文本对象处理位号时可以关掉。

图标库和编辑器都支持实时修改配色和字体并看到图标重新渲染，客户坚持要用略带米色的背景或不同的位号字体时很有用。下载按账号计量（免费套餐：每月 5 次；Starter 50 次；Studio 1,000 次）；导出你自己发布的符号有同样大小的单独额度。

10. 参考文献

• ISA-101.01-2015 — “Human Machine Interfaces for Process Automation Systems”（过程自动化系统人机界面）
• ISA-18.2-2016 — “Management of Alarm Systems for the Process Industries”（过程工业报警系统管理）
• ISA-5.1-2009 — “Instrumentation Symbols and Identification”（仪表符号与标识）（见配套指南）
• Endsley, M. R. (1995). “Toward a theory of situation awareness in dynamic systems”
• Bill Hollifield 等 — “The High Performance HMI Handbook”（高性能 HMI 手册）