Публикация пресс-релизов Поиск по компании
Решения, технологии, стандарты Рынок, отрасль, люди Основы
Отменить подписку Подписка
Производители Системные интеграторы Дистрибьюторы
Продукты месяца Поиск по категории Добавить продукт
Добавить мероприятие
Добавить вакансию Специалисты по АСУ ТП, КИП Специалисты по электротехнике, энергетике Главные инженеры, технологи, электрики Менеджеры по продажам, консультанты, другое
Технические требования Публикация статей Публикация пресс-релизов Media Kit 2014
 


 

Решения, технологии, стандарты - статьи Ua.Automation.com

Повышаем эффективность HMI

Повышаем эффективность HMI

Графическое изображение процессов позволяет максимизировать эффективность операторов

Совершенствование HMI позволяет операторам эффективно управлять производством.

Процессы необходимо представлять в максимально информативном и способствующем немедленным действиям виде.

Новые концепции позволяют улучшить дизайн HMI.

Билл Холлифилд (Bill Hollifield), для InTech

Примерно три десятилетия назад мы, специалисты по автоматизации производства, столкнулись с задачей, к которой были плохо готовы. Мы начали внедрять АСУ ТП с возможностью графического отображения хода процессов в реальном времени. Однако вначале экраны были пустыми, и нам надо было заполнить их информацией.

У нас не было руководств, в которых можно было бы прочитать о том, что такое «хорошая» графика. Мы делали все что могли, вернее, все что знали – а знали мы немного. Итог был предсказуем – мы создали малоэффективную парадигму человеко-машинных интерфейсов (ЧМИ или англ.: HMI, humane machine interface), вернее того, как они должны выглядеть. Инерция мышления сделала все остальное. В основном ради удобства внедрения, мы решили изображать процессы в виде P&ID (от англ.: process & instrumentation diagram), функциональных схем, дополненных числовыми значениями. Мы придерживались этой парадигмы даже тогда, когда графические возможности систем DCS/SCADA улучшились, и просто мигрировали старые экраны на более новые системы.  В результате, сегодня десятки тысяч операторов по всему миру контролируют производства стоимостью десятки миллиардов долларов, разглядывая примитивные картинки, разработанные в то время, когда их создатели не имели представления о том, что они делают.

Неэффективные HMI часто упоминаются как существенные факторы крупных аварий. В то же время, сейчас уже существуют принципы создания эффективной графики для представления технологических процессов. Высокоэффективные HMI (от англ.: High-Performance HMI) имеют много преимуществ, включая более высокую ситуационную информированность операторов, более эффективное обнаружение ненормальных ситуаций, и уменьшение времени, требуемого для обучения нового персонала.

Высокоэффективные HMI отображают информацию. Информация – это данные в определенном контексте, который делает их полезными. HMI должны не только показывать значение тех или иных процессных переменных, но и показывать, «хороши» или «плохи» эти значения. Ненормальные показатели должны четко выделяться. Цвет должен использоваться последовательно, эффективно и экономно. Графика должна отображать иерархичность процессов и т.д.

Отображение информации

При взгляде на рис. 1, становится очевидным, что на контрольно-измерительное оборудование было потрачено много денег. Однако можете ли вы ответить на следующий вопрос: «осуществляется ли процесс с максимальной эффективностью?». Для того, чтобы понимать это, нужно пройти специальное обучение и иметь многомесячный опыт работы в нормальных и аварийных условиях. Оператору нужно сравнивать каждое число со значениями, которые он запомнил в результате получения обширного опыта и, зачастую, в результате многочисленных огорчений. Это сложный и долгий познавательный процесс. Многим операторам приходится работать с сотнями, а то и тысячами таких значений и индикаторов состояния, разбросанных по десяткам экранов. Это делает обнаружение ненормальных ситуаций сложным.

Рис. 1. Типичный экран HMI середины 90-х гг.

На рис. 2 регуляторы компрессора изображены по-другому. Нормальный или желательный диапазон каждого показателя ясно обозначен голубым отрезком. Обозначается близость показателя к значениям в зонах тревоги или порога автоматического отключения  (Операторам, обычно, необходимо запомнить, какие датчики инициируют отключение). Значения в зоне тревоги изображаются с добавочным индикатором приоритета тревоги.

Рис. 2. Аналоговое отображение информации

Бросив один-единственный взгляд продолжительностью 2 секунды на этот ряд надлежащим образом оформленных аналоговых индикаторов, операторы могут безошибочно определить, находятся ли какие-то значения вне нормального диапазона, насколько именно, а также определить их близость к зоне тревоги или автоматического отключения. Люди интуитивно понимают аналоговые изображения. Аномально высокая температура выхлопа сразу становится заметной, даже если тревога еще не поднята.

Кодирование информации на дисплее позволяет оператору эффективно проверять десятки параметров в течение нескольких секунд. Это позволяет контролировать процессы и обеспечивает раннее обнаружение аномалий. Нет необходимости ждать, пока тревога сообщит о проблеме. Самая полная и верная информация о желательных операционных условиях уже закодирована на экране и все время на виду, а не «погребена» в процедурных документах. Также, минимизируется разница в эффективности между операторами с различным опытом и уровнем знаний.

Время, необходимое для обучения операторов, сокращается, так как необходимые знания получаются не на основе опыта проб и ошибок. Это важно, поскольку большинство компаний останутся более чем без половины своих опытных операторов в течение следующих 10 лет.

Употребление и злоупотребление цветом

Важно избегать излишнего или неправильного употребления цвета. Важным принципом является то, что цвет сам по себе не может быть единственным признаком какого-либо важного состояния. Цвета, предназначенные для тревог, нельзя использовать для других обозначений, так как это «размывает» их смысловую нагрузку.

Самым обычным и грубым нарушением при использовании цветов является использование красного для обозначения отключенного оборудования и зеленого, соответственно, для включенного. В энергетике используется обратный порядок: красный означает подачу напряжения.  Кто прав? Да никто! На рис. 3 приведены примеры правильного и неправильного цветового кодирования.

Цветовое кодирование «красный-зеленый» является единственной разницей, демонстрирующей статус оборудования. Поскольку красный обычно используется как цвет тревоги, его не следует использовать для чего-то обычного, такого, как индикации состояния «выключено». Это нормальное состояние. Нормально протекающий процесс не должен обозначаться красным цветом.

Кодирование с помощью яркости намного эффективнее – представьте себе воображаемый источник света внутри оборудования, например, насоса. Текст со статусом помещается рядом с оборудованием, для обеспечения ясности сообщения. Эта парадигма может быть эффективно использована, также, для табличных и других представлений. Тревоги обычно обозначают изменением цвета значения какого-либо параметра процесса, либо фона, на котором это значение выводится – неправильная практика.

Для тревог нужно использовать многократное кодирование (форма, цвет, текст) элемента, говорящего о наличии и приоритете тревоги. Клик на индикатор тревоги должен вызывать более подробную информацию о ситуации. Цвета тревог не должны использоваться для иных целей.

Яркие цвета лучше использовать для привлечения внимания к ситуациям, выходящим за пределы нормального. Серый фон и приглушенные цвета минимизируют блики и отражения экрана, а это позволяет делать комнаты управления ярко освещенными. Цветовую гамму и надлежащее использование цветов необходимо определять заранее. Высокоэффективный HMI – это не просто отказ от цветовой индикации или использование только градаций серого цвета.

Рис. 3. Многократное кодирование и правильное использование цвета

Иерархии

Экраны необходимо планировать с учетом иерархии, обеспечивающей последовательное предоставление детальной информации. Экраны, организованные по принципу функциональных схем, не обеспечивают этого. Они одноуровневые, и напоминают компьютерный жесткий диск с единственной папкой для всех файлов.

Иерархия начинается с общего экрана процессов 1-го уровня. Это «стратегическая карта», показывающая всю область, находящуюся  под контролем оператора, общий индикатор того, как протекает процесс. На общем экране отображается самая важная информация и основные индикаторы производительности. Такие экраны хорошо отображать на крупноформатных настенных мониторах. Управление на уровне этих экранов не осуществляется.

Общий экран процессов первого уровня на крупной ТЭС показан на иллюстрации вверху этой страницы. С одного взгляда оператор может определить, все ли процессы протекают так, как нужно. Иногда мы слышим: «Эта схема не похожа на ТЭС!». Но должна ли приборная панель быть похожа на двигатель?

Каждый процесс состоит из отдельных операций меньшего уровня. Некоторые примеры: компрессор, реактор, сегмент трубопровода, генератор и т.д. На экране процессов 2-го уровня (Рис. 4) графика отображает информацию для детального мониторинга и управления. На экране представлены вся информация и органы управления, нужные для выполнения большинства задач, связанных с данной частью процесса. Этого невозможно достичь с помощью простой репликации функциональных схем.

Рис. 4. Пример экрана процессов 2-го уровня

Нажатие на любое значение или элемент выводит небольшое окно с детальной информацией о данном элементе. Через это окно можно внести соответствующие изменения. В данном примере окно появляется в специально отведенной зоне вверху справа. Эти окна не должны закрывать основную информацию экрана. На иллюстрации видны две тревоги.

Экраны процессов 3-го уровня, как правило, описывают конкретные устройства, и используются для детальной диагностики проблем. На этом уровне как раз желательно использование расширенных функциональных схем. Сегодня, большинство существующих схем HMI, по сути, являются поддающимися улучшению экранами процессов 3-го уровня.

Экраны процессов 4-го уровня, как правило, предоставляют информацию о различных подсистемах, отдельных датчиках, компонентах. 

Разработка иерархии не должна быть сложной и дорогой. Для существующих систем большинство преимуществ высокоэффективных HMI нового поколения могут быть реализованы с помощью где-то 20 экранов: экрана 1-го уровня, около десятка экранов 2-го уровня, и нескольких экранов для чрезвычайных ситуаций. Существующим экранам, как правило, присваивается 3-ий уровень. Это несколько непоследовательно, однако, существующая графика HMI, обычно, уже непоследовательна. Со временем 3-й уровень можно улучшить.

Проверка на практике

В 2009 г. Институт исследований в области электроэнергии (англ.: Electric Power Research Institute или EPRI) провел масштабное изучение вышеперечисленных принципов создания HMI. В итоге исследования был создан отчет, получивший название «Operator Human Machine Interface Case Study: The Evaluation of Existing ‘Traditional’ Operator Graphics Versus High-Performance Graphics in a Coal-Fired Power Plant Simulator, ID 1017637». На выбранной для проведения исследования ТЭС был специальный стимулятор, который использовался более 10 лет. Во время теста несколько операторов обнаруживали и разрешали критические ситуации, используя как уже существующие, знакомые им экраны управления, так и новые, организованные с применением принципов высокоэффективных HMI. Последние существенно улучшили эффективность операторов по нескольким важным параметрам. Лучшим свидетельством в пользу новых HMI стало высказывание одного из участников исследования: «Стоит только привыкнуть к новому интерфейсу – и возвращение к старому покажется адом».

В качестве иллюстрации силы инерции можно привести следующий пример. Многие аварийные сценарии на ТЭС требуют уменьшения мощности до 50%. При неправильном выполнении, она может упасть до нуля, что нежелательно. Для выполнения этого сложного и напряженного задания, операторам, при использовании традиционного интерфейса, требовались десятки разных экранов – некоторые для изменения единственного показателя. До этого теста никому не приходило в голову разработать специализированные экраны для таких сценариев, со всеми инструментами управления необходимыми для выполнения задания. Результаты же теста показали, что новый подход к организации HMI намного эффективнее.

Как внедрять высокоэффективные HMI 

Для этого существует опробованная методология, включающая семь шагов:

1: Примите новую философию и принципы.
2: Оцените эффективность уже существующих HMI по сравнению с потенциалом новых.
3: Определите конкретные цели по эффективности управления процессами, включая безопасность, производительность, эффективность, стоимость и качество.
4: Анализ задач позволит определить, что требует мониторинга, и чем необходимо управлять для достижения поставленных целей. Благодаря этому уточняется содержание экранов процессов 2-го и 3-го уровня.
5: Создайте высокопроизводительный HMI, следуя принятой философии.
6: Внедрите, запустите HMI и проведите обучение операторов.
7: Поддерживайте и периодически проверяйте эффективность HMI.

Почему есть смысл менять HMI 

Инерция, а не стоимость, основное препятствие на пути улучшения HMI. Операторы обычно сразу голосуют «за», стоит им продемонстрировать принципиально новый HMI, существенно отличающийся от устаревших экранов, заполненных необработанными данными. Несколько неожиданно, именно инженеры, как правило, сопротивляются переменам сильнее всего.

HMI является основным инструментом для оператора, позволяющим эффективно управлять процессами. У оператора должно все получаться, для того, чтобы производство работало так, как надо. Системы аварийной сигнализации, как правило, получают достаточно внимания, а вот HMI – лишь малую долю от требуемого. И вместо того, чтобы спрашивать, что оправдывает создание эффективного HMI, мы спросим: «А есть ли хоть одно оправдание для того, чтобы использовать малоэффективные HMI?». Давайте приведем в порядок то, что в этом нуждается.

Итог

Сложные системы управления, как правило, обладают, неэффективными и проблематичными HMI, созданными людьми без специальных знаний. Эффективность операторов может быть очень существенно улучшена с применением HMI, созданных на основе правильных принципов. Высокоэффективные HMI очень практичны, их несложно внедрять, а их цена вполне доступна.

Об авторе:

Билл Р. Холлифилд ([email protected]) – главный консультант по управлению тревогами и HMI в PAS. Обладает международным опытом во всех аспектах управления тревогами и разработки HMI для нефтехимической, электрогенерирующей, горнодобывающей отраслей.