Standardy interfejsów operatora

Wraz ze wzrostem liczby i poziomu złożoności aplikacji rosną wymagania względem opracowania jasnych, wspólnych dla wszystkich systemów, konfiguracji i procedur. Opracowanie standardów ma służyć poprawieniu bezpieczeństwa, przejrzystości i efektywności wykorzystania współczesnych interfejsów operatora.
Obecnie procesy produkcyjne nie są już takie proste. Złożone systemy sterowania wymagają przejrzystego wyświetlania informacji, dzięki czemu znaczenia nabierają takie kwestie działania, jak bezpieczeństwo oraz efektywna interakcja systemu z operatorem-człowiekiem. Zdjęcie dzięki Wonderware

W 1979 r nastąpiło przejście w stan awaryjny elektrowni atomowej Pennsylvania?s Three Mile Island. Powodów tej sytuacji było z pewnością wiele. Jednakże wiele osób wskazuje na jeden bardzo istotny fakt: operatorzy na swoich pulpitach posiadali tak olbrzymią ilość informacji, że nie byli w stanieefektywnie z nich korzystać. Było to dla nich równie przytłaczające, jak dezorientujące. Nie mogli znaleźć w gąszczu przekazywanych im danych żadnej wskazówki, co działa nie tak, jak należy… ani tym bardziej, co z tym zrobić. Podobnie, w przypadku katastrofy w fabryce chemikaliów w mieście Bophal, w Indiach, doszukiwano się błędnych decyzji operatorów, spowodowanych przez te same przyczyny. Operator z pewnością zrobiłby cokolwiek, jeżeli tylko zaprojektowany przez kogoś interfejs użytkownika sprawiał, że łatwo byłoby stwierdzić, co funkcjonuje błędnie. 
W 1979 r nastąpiło przejście w stan awaryjny elektrowni atomowej Pennsylvania?s Three Mile Island. Powodów tej sytuacji było z pewnością wiele. Jednakże wiele osób wskazuje na jeden bardzo istotny fakt: operatorzy na swoich pulpitach posiadali tak olbrzymią ilość informacji, że nie byli w stanie efektywnie z nich korzystać. Było to dla nich równie przytłaczające, jak dezorientujące. Nie mogli znaleźć w gąszczu przekazywanych im danych żadnej wskazówki, co działa nie tak, jak należy… ani tym bardziej, co z tym zrobić. Podobnie, w przypadku katastrofy w fabryce chemikaliów w mieście Bophal, w Indiach, doszukiwano się błędnych decyzji operatorów, spowodowanych przez te same przyczyny. Operator z pewnością zrobiłby cokolwiek, jeżeli tylko zaprojektowany przez kogoś interfejs użytkownika sprawiał, że łatwo byłoby stwierdzić, co funkcjonuje błędnie.
Katastrofy takie, jak opisane powyżej, rosnąca liczba i stopień skomplikowania aplikacji przemysłowych, coraz bardziej zaawansowane technologie, globalizacja wytwarzania ? wszystko to doprowadziło w ostatnich czasach do pojawienia się potrzeby opracowania standardu dla interfejsów HMI. Według Jaya Jeffreysa, dyrektora marketingu oprogramowania w firmie Wonderware, oddziału firmy Invensys Systems Inc.: ? Potrzeba uproszczenia prezentacji danych w systemach wizualizacji jest obecnie konieczna ? użytkownik musi wiedzieć, a co ważniejsze, rozumieć, co jest dla niego najistotniejsze oraz reagować na te informacje w odpowiednio krótkim czasie.
Poszukiwanie istoty problemu standaryzacji interfejsów użytkownika jest procesem długotrwałym i żmudnym. Skutkowało już kilkoma falstartami ? obierano kierunek, który następnie zarzucano. Obecnie nad spójnością opracowywanych standardów pracuje komisja ISA SP101, Human Machine Interface. (Więcej informacji na temat prac tej komisji znaleźć można na stronach organizacji ISA ? Instrumentation, Systems, and Automation Society).
Z perspektywy historii
Wiele wydarzeń ostatnich lat sprawiło, że przemysł coraz bardziej poszukuje standardów HMI. W połowie lat osiemdziesiątych ISA opracowała ?SP5.5: Symbole graficzne dla wyświetlania danych procesowych?, która skupiała się właśnie na problematyce wyświetlania stanu i wartości zmiennych procesowych w postaci symbolicznej. Standard ten opracowany w erze prezentacji danych w czarno- białej postaci tekstowej, pod systemem operacyjnym DOS, współcześnie znacznie traci na wartości.
Kolejne próby podejmowane były jeszcze w latach osiemdziesiątych. Wtedy to powołano komisję ISA-SP77 ds. paliw kopalnych, wraz z komitetem SP77.60, zajmującym się interfejsami użytkownika w fabrykach przetwarzających właśnie paliwa kopalne. Prace tego komitetu nie ukończyły się nigdy opracowaniem standardu. Obecnie prace komitetu SP101 obejmują między innymi analizę wszystkiego, co do tej pory zrobiono w tej tematyce.
Joe Bingham, szef komitetu ISA-SP101 (a dodatkowo prezes AES Automation) przekonuje, że: ? Komitet pracuje ciężko, żeby uniknąć wynalezienia przysłowiowego koła. Nie zależy nam na tym, żeby negować już istniejące standardy. Przykładowo, przyglądaliśmy się dość szczegółowo opracowaniu ISA-SP18 [Sygnały z przyrządów i alarmy], dotyczącemu obsługi sytuacji awaryjnych i krótko rzecz ujmując, obraliśmy kierunek w nim zawarty. Wolimy korzystać z już opracowanych rzeczy, jeżeli to tylko możliwe. Nie odrzucamy osiągnięć prac poprzednich komisji.
Na proces standaryzacji interfejsów HMI mają wpływ również inne aspekty działania systemów sterowania i szeroko rozumianej automatyzacji. Głównym czynnikiem napędzającym starania w kierunku standaryzacji interfejsów HMI z pewnością jest współczesny rozwój technologii sieciowych w przemyśle. Jay Caughlin z firmy Siemens Energy & Automation wskazuje: ? Najpierw opracowaliśmy rozwiązania, dzięki którym w jednej sieci mogą współpracować urządzenia różnych dostawców. Następnie opracowano OPC (OLE for Process Control) oraz wiele innych pakietów programowych, wspierających komunikację urządzeń w sieci. Obecnie zauważalny jest gwałtowny rozwój EDDL (język opisu działania urządzeń elektronicznych; z ang. Electronic Device Description Language).
Według J. Coughlina zupełnie logiczne jest, że podejście, dzięki któremu osiąga się odpowiedni poziom spójności i powszechności wśród użytkowników, przy jednoczesnej oczekiwanej wysokiej wydajności, powinno rozszerzyć się również na technologię paneli wyświetlających informacje. Wymaga tego natura rynku globalnego. ? Nic nie jest już tak proste, jak było kiedyś ? dodaje J. Jeffreys z firmy Wonderware. ? Współcześnie, gdy steruje się jakimś niebezpiecznym procesem przemysłowym, to z całą pewnością użytkownicy- operatorzy nie kontrolują stanu tegoż procesu za pomocą olbrzymiej liczby lampek, przełączników czy wskaźników. Najprawdopodobniej wszystkie te informacje i możliwości interakcji z procesem zapewnione są poprzez ekran komputera.
Spodziewać się można kilku sporów wokół standardu dla interfejsów HMI. Dyskusje te jednak dotyczyć będą zapewne głównie problematyki konfiguracji ekranów wizualizacji oraz ich projektowania. Na opracowanie standardu z ciekawością oczekuje cała rzesza użytkowników ?mobilnych?. Większość zgadza się, że wydajność wizualizacji będzie głównym wyzwaniem dla komisji opracowującej standard. Spójne formaty ekranów wizualizacji mogą w znacznym stopniu uprościć proces projektowania wizualizacji. Tym samym projekty te mogą znacznie powiększyć poziombezpieczeństwa aplikacji jako całości.
Standard ? dobry dla wszystkich
? Przemysł oczekuje standardu od dłuższego czasu ? stwierdza przewodniczący Bingham. ? Standaryzacja wniesie szeroko rozumianą spójność i konsekwencję do projektów ekranów wizualizacji. Znacznie ułatwi to szkolenie obsługi-operatorów. Dodatkowo inżynier- -operator będzie znacznie łatwiej poruszał się po już zaprojektowanym systemie. Informacje będą prezentowane na różne sposoby. Standaryzacja zmniejszy, jeśli nie wyeliminuje, potrzebę przeprowadzania specjalistycznych szkoleń.
Bingham wyjaśnia również, że intencją opracowania standardu nie jest wymuszenie na producentach oprogramowania zmiany promowanego przez siebie podejścia do procesu tworzenia wizualizacji: ? Chcemy, aby opracowany przez nas standard był niezależny od oprogramowania. Aktualnie pracujemy nad listą problemów, których standard dotyczyć na pewno nie będzie. Na dziś uznaliśmy, że opracowywany standard nie będzie dotyczył telefonów komórkowych, paneli analogowych (z diodami i lampkami), rejestratorów tablicowych, zegarów ani żadnego urządzenia o rozdzielczości wyświetlacza mniejszej niż 320 x 240 pikseli. Dodatkowo uznaliśmy, że interfejsy HMI muszą mieć co najmniej 64 kolory. Takie determinanty pozwalają nam rozpocząć intensywne prace nad standardem.
? Standardy dla HMI, czy w ogóle jakiekolwiek wskazówki, są z pewnością bardzo dobrym rozwiązaniem ? podsumowuje Roy Tanner, menedżer z firmy ABB Inc.
Według niego nie lada wyzwaniem będzie określenie zakresu problematyki, jaki będzie taki standard obejmował: ? Tworzyliśmy przewodniki, jednakże część z nich nie znalazła zastosowania, z uwagi na fakt posiadania swoich własnych standardów wśród naszych klientów. Dodatkowo, niektórzy z nich mają swoje własne zdanie na temat tego, jak powinna wyglądać wizualizacja ? wynika to zwykle z przyzwyczajeń do już istniejących systemów. Może to być również spowodowane tym, że różne regiony świata oraz zróżnicowane gałęzie przemysłu mają swoje własne wytyczne co do tworzenia interfejsów HMI.
? Jakikolwiek standard, dzięki któremu producenci będą mogli wspólnie stworzyć coś prostego w użytkowaniu i konfiguracji, jest czymś bardzo pożytecznym ? twierdzi Coughlin z firmy Siemens. ? Użytkownicy końcowi, integratorzy systemów czy wreszcie producenci ? wszyscy oni bardzo chętnie sięgną po standardowe rozwiązania. Znacznie ułatwi to pracę dostawcom rozwiązań wizualizacji oraz interfejsów HMI. Najważniejszą zaletą standardu będzie podobny wygląd wizualizacji dla wybranych zadań, dzięki czemu użytkownik- -operator będzie czuł się komfortowo niezależnie od dostawcy sprzętu i oprogramowania wizualizacyjnego. Nawigacja po opcjach wizualizacji stanie się wydajniejsza, a wprowadzanie zmian do projektów znacznie prostsze.
John Roberts, menedżer sprzedaży i dystrybucji w B&R Industrial Automation, również stwierdza, że standaryzacja interfejsów HMI jest ?dobrym pomysłem?. Zauważa przy tym, że może być trudno opracować coś bardzo uniwersalnego, przy współczesnej różnorodności maszyn oraz działalności przemysłowej. Mówi, że cechy takie, jak np. przenaszalność ? jedna z wielu zalet standaryzacji ? będą miały pewne ograniczenia: ? Maszyna, wykorzystywana do prania w przemyśle ma całkowicie odmienny interfejs HMI, aniżeli urządzenia medyczne.
Rami Al-Ashqar, menedżer produktów związanych ze sterowaniem ruchem w firmie Bosch Rexroth ma na ten temat podobne zdanie. Według niego reakcja na standaryzację interfejsów HMI będzie różna, w zależności od gałęzi przemysłu: ? Przemysł samochodowy z pewnością dobrze przyjmie standardy, z uwagi na wymóg dużej spójności wytwarzania. Pracując nad aplikacjami dla przemysłu samochodowego, zauważyliśmy potrzebę regularności i powtarzalności elementów systemu; przykładowo ? przyciski i ekrany obsługujące podobne funkcje najczęściej wyglądały niemalże identycznie. Operatorzy znają swoje interfejsy bardzo dobrze i niechętnie wprowadzają duże zmiany. Z drugiej strony aplikacje związane z drukowaniem i pakowaniem są znacznie bardziej innowacyjne; muszą umożliwiać wprowadzanie grafiki, systemu receptur, wykorzystanie kontrolek ActiveX. W tej gałęzi przemysłu standaryzacja może doprowadzić do pewnych utrudnień.
? Jest wiele powodów wprowadzenia standardów w interfejsach HMI ? zgadza się z tym Tim Donaldson, dyrektor działu marketingu w firmie Iconics. ? Aktualnie istnieje wiele dobrych przewodników, jak projektować ekrany wizualizacji, jednakże wiele problemów pozostaje jeszcze niedopracowanych.
? Standardy mogą sprawić, że integratorzy systemów będą mieli znacznie ułatwioną pracę, nie mówiąc o skróceniu czasu uczenia się systemów wizualizacyjnych.
? Standardy najprawdopodobniej znacznie ułatwią przenoszenie się pomiędzy pakietami czy całymi systemami. Wspólne elementy wizualizacji, wspólne biblioteki symboli, wspólna jednolita kolorystyka ? wszystko to zminimalizuje niebezpieczeństwo wystąpienia nieporozumień.
? Jednakże ? podkreśla Donaldson ? poza standaryzacją, prowadzącą do jednolitego, przejrzystego wyglądu wizualizacji należy pozostawić miejsce na kreatywność projektanta i szeroko rozumianą konfigurowalność systemu wizualizacji.
Donaldson zwraca uwagę na korzyści wynikające z unifikacji sposobów nawigacji w systemie wizualizacji: ? Jednym z możliwych podejść może być umieszczanie pewnych istotnych informacji zawsze w tym samym miejscu, aby operatorzy mogli łatwo do nich dotrzeć. Standard mógłby przewidywać umieszczanie informacji alarmowych w dolnej części ekranu, natomiast przycisków nawigacji w górnej części ekranu. Okienka systemu Microsoft Windows mają standardowe belki tytułowe w ich górnej części. Pisząc aplikację Windows, należy realizować wymogi tejże specyfikacji. Specyfikacja dla interfejsów HMI mogłaby uwzględniać również i takie elementy.
Według Al-Ashqara z firmy Bosch Rexroth standardy powinny obejmować to, jak ekrany wizualizacji wyglądają i jak się je obsługuje, a nie jakich narzędzi używać, żeby taki wygląd i funkcjonalność osiągnąć: ? Wygląd ekranu oraz metodologia interakcji pomiędzy użytkownikiem a maszyną jest kluczowym problemem dla opracowujących standard interfejsów HMI.
? Weźmy następujący przykład: ekran interfejsu HMI umożliwiający wprowadzanie wartości, poprzez wyświetlany na ekranie prostokąt, w którym operator tę wartość ma wprowadzić ? dodaje Al-Ashqar. ? Niektóre systemy wyświetlają minimalną i maksymalną możliwą wartość zmiennej, której wartość operator wprowadza. Inne systemy wyświetlają pusty prostokąt, pozwalając użytkownikowi wprowadzić dowolną wartość. Jeszcze inne systemy pozwalają na konfigurowanie sposobu wyświetlania tego typu elementu wizualizacji. Myślę, że rozwiązanie, pokazujące podczas wprowadzania danych maksymalną i minimalną możliwą do wprowadzenia wartość zmiennej jest rozwiązaniem bardzo wygodnym; rekomendowałbym takie rozwiązanie do ujęcia w nowo tworzonym standardzie.
? Ikony są tym elementem systemów wizualizacji, które jak nic innego, powinny być dobrze zaprojektowane dla danej aplikacji ? sugeruje Roberts z B&R Industrial Automation. ? W Europie ikony są używane bardzo często w celu zastąpienia elementów tekstowych w wizualizacji. Standardowy zestaw ikon z pewnością byłby bardzo pomocny. Wiele firm ma zasięg międzynarodowy. Myślę, że opracowanie standardu dla systemów alarmów i raportowania również dałoby ogromne zyski. Jednakże dość często interfejs użytkownika jest sprawą osobistą. W związku z tym są pewne granice tego, co można ująć w standardzie. Należy pozostawić pewien zapas elastyczności, szczególnie gdy potrzebujemy stworzyć interfejs dla unikalnych właściwości danej maszynyczy urządzenia.
Coraz więcej sztuki
Interfejsy HMI mają wiele zadań do realizacji ? od prostej, spójnej prezentacji podstawowych danych procesowych, po zaawansowane funkcje zarządzania, alarmowania oraz wymiany danych pomiędzy warstwami wytwarzania i wyższymi warstwami zarządzania w przedsiębiorstwie. Według Jeffreysa z firmy Wonderware: ? Projektanci systemów wizualizacyjnych powinni skupić się na narzędziach, dzięki którym operatorzy będą w stanie zapanować nad ogromem ilości danych, pochodzących z linii produkcyjnych. Aby móc tego dokonać, projektanci HMI powinni być czasami bardziej artystami, aniżeli inżynierami.
Potrzeba oraz oczekiwane korzyści z wprowadzenia standardów dla interfejsów HMI obrazuje przykład, przytoczony przez Jeffreysa: ? Jakiś czas temu pracowałem z systemami. Były one bardzo konfigurowalne. Zrealizowałem wiele aplikacji związanych z rurociągami, zanim otrzymałem zlecenie związane z monitorowaniem podstacji w systemie energetycznym. Zauważyliśmy fundamentalną różnicę pomiędzy tymi dwoma aplikacjami. W systemie wizualizacji rurociągów lub w przemyśle chemicznym, kiedy coś wyświetlane jest na czerwono, oznacza to, że jest wyłączone; kiedy coś jest zielone ? włączone. Jednakże w energetyce, gdy coś jest czerwone, oznacza to, że jest zasilone.
? W tym czasie mieliśmy na stałe przypisaną kolorystykę naszych systemów wizualizacyjnych. Jakaż to była dla nas niemiła niespodzianka. Obecnie, bez standaryzacji interfejsów HMI, nie ma możliwości przeniesienia aplikacji wizualizacji z przemysłu chemicznego do energetycznego, bez wprowadzenia istotnych modyfikacji ? choćby kolorystyki.
Standaryzacja powinna stać się faktem. Wymaga tego rynek i… użytkownicy. Jaki może być ważniejszy argument, przemawiający za wprowadzeniem standardów w interfejsach HMI?
ce
Artykuł pod redakcją
Krzysztofa Pietrusewicza,
Instytut Automatyki Przemysłowej
Politechniki Szczecińskiej www.abb.pl www.boschrexroth.pl www.br-automation.com www.iconics.com www.isa.org www.siemens.pl www.wonderware.com 
  

Sztuka projektowania HMI

Dzięki książkom, takim jak: ?Envisioning Information? autorstwa Edwarda R. Tufte, projektanci / wytwórcy interfejsów HMI mogą znacznie zwiększyć poziom swojej wiedzy na temat formowania przekazu graficznego. Na blisko 400 ilustracjach E. Tufte wyjaśnia wiele złożonych problemów, w tym m.in. jak operować kolorami, aby przekaz był jak najbardziej efektywny. Dla projektantów systemów wizualizacji jest to nie bez znaczenia.

(Książka została wydana przez Graphics Press w 1990 roku; ISBN 0961392118. Więcej informacji na jej temat znaleźć można pod adresem: www.edwardtufte.com/tufte/books_ei).  

 ISA-SP101: Interfejsy człowiek-maszyna

Komitet ISA-SP101, zajmujący się interfejsami operator-maszyna, ma obecnie pełne ręce roboty. Podobnie jak w przypadku innych komitetów ISA jego wysiłki mogą zakończyć się opracowaniem obszernego raportu technicznego, rekomendacji dla celów zastosowań praktycznych bądź też opracowaniem pełnego standardu. Jak podaje Joe Bingham, przewodniczący komitetu ISA-SP101: ? Możemy równie dobrze opracować wszystkie te trzy dokumenty.

Tego typu działania zajmują z reguły około 3 lat.

Prace komitetu rozpoczęły się w 2005 roku. Spotkanie informacyjne odbyło się podczas ISA Expo wChicago, 2005. Pierwsze spotkanie formalne odbyło się w styczniu 2006, w Orlando. ? Spotkaliśmy się na około 5 godzin; przez ten czas postawiliśmy dwie główne tezy ? wspomina Bingham. ? Wiedzieliśmy, że dokonaliśmy tym samym znaczącego kroku do przodu.

Podczas konferencji oraz dzięki kontaktom internetowym członkowie komitetu w miarę szybko sformułowali cel i zakres swoich działań.

Cel: Zadaniem ISA-SP101 ma być zdefiniowanie wymagań dla: oceny, projektowania, opracowania, implementacji oraz utrzymania: wydajnego, efektywnego, przyjaznego użytkownikowi interfejsu HMI.

Zakres działania: ISA-SP101 utworzy kryteria dla celów projektowania interfejsów HMI dla przemysłowych systemów sterujących, w tym kryteria dotyczące:

• wyświetlania informacji,
• wizualizacji procesu,
• sposobu interakcji z użytkownikiem,
• co do wydajności systemu,
• opracowywania dokumentacji i prowadzenia szkoleń użytkowników.

Komitet oczekuje szerokiego odzewu ze strony zarówno użytkowników końcowych, integratorów systemów, jak również producentów sprzętu HMI. Niemal każdy zainteresowany tematyką, nad którą pracuje komitet, może stać się ?źródłem informacji?. Kolejne spotkanie komitetu planowane jest na październik, podczas ISA Expo 2006 w Houston. Celem spotkania będzie opracowanie podstawowych definicji.

Jak twierdzi Bingham: ? Jasne sformułowanie podstawowych definicji i określeń sprawi, że dalsze prace pozbawione będą wielu niejednoznaczności.

Aktualnie na zdefiniowanie czekają takie określenia, jak: HMI, historian, event, alarm, display, process visualization, human factors, screen density, trending, audio, PDA, pixel, resolution, start, stop oraz tactile feedback. (Komentarz: specjalnie podajemy tutaj angielskojęzyczne oznaczenia słów: HMI, historian, zdarzenie, alarm, wyświetlacz, wizualizacja procesu, czynnik ludzki, gęstość ekranu, tworzenie trendów, dźwięk, PDA, piksel, rozdzielczość, start, stop, reakcja dotykowa).

Aby uzyskać więcej informacji na temat standardów, zajrzyjcie Państwo na stronę internetową ISA: www.isa.org.

Po informacje konieczne do udziału w opracowywaniu standardu kontaktujcie się Państwo z panem Binghamem: jbingham@aesglobal.com lub z panią Loanną Overcash: lovercash@isa.org.