SCADA WebHMI w instytucie badawczym – case study

Zasady wysokowydajnych systemów HMI (z ang. high performance HMI) można streścić w następujących punktach:

  1. Podziel ekrany ze względu na funkcje – ogólny, prowadzenie procesu, szczegółowe, serwis.
  2. Ekrany mają zawierać jak najwięcej informacji, a jak najmniej rysunków.
  3. Kolorystyka ma być stonowana – w czerni, bieli i różnych odcieniach szarości – oraz nie odciągać uwagi operatora bez potrzeby.
  4. Kolory stosuj tylko tam, gdzie mają zwrócić uwagę operatora.
  5. Pamiętaj, że od wartości liczbowych dużo czytelniejsze są wykresy, wskaźniki i kolory.

Nasze studium przypadku jest oparte o aplikację wykonaną dla klienta będącego producentem systemów do pomieszczeń czystych, tzw. clean room, który potrzebował pomocy w realizacji projektu dla jednego z instytutów badawczych.

Pomieszczenie czyste (z ang. cleanroom lub clean room) – rodzaj pomieszczenia o kontrolowanych parametrach środowiskowych, w szczególności zanieczyszczeń typu: pył, kurz, bakterie, opary chemiczne itp.

Pomieszczenia takie są używane do badań naukowych, jak również do produkcji z wykorzystaniem materiałów o wysokiej czystości (np. procesory komputerowe).

Źródło: wikipedia

Koncepcja systemu – budowa i zasada działania:

  • Jest jedna centrala wentylacyjna nawiewno-wywiewna NW-1, w której znajdują się nagrzewnica, chłodnica, wentylatory nawiewne i wywiewne, przepustnice recyrkulacji powietrza, filtry HEPA z sygnalizatorami zabrudzenia oraz pomiary ciśnienia i temperatury.
  • Są trzy pomieszczenia czyste oznaczone jako P-1, P-2 oraz P-3, z których każdy z nich wyposażony jest w indywidualną nagrzewnicę, nawilżacz i przepustnicę VAV na wywiewie, a także pomiary ciśnienia, temperatury, wilgotności oraz filtry HEPA z sygnalizatorami zapchania.
  • W każdym pomieszczeniu muszą być utrzymywane stałe warunki środowiskowe, a także różnica ciśnień pomiędzy pomieszczeniami musi wynosić powyżej 10 Pa.
  • Pomiędzy pomieszczeniami znajdują się śluzy z kontrolą zamknięcia drzwi.
Studium nie opisuje rzeczywistego obiektu ze względu na ochronę technologii naszych partnerów.

 

W jaki sposób poradziliśmy sobie zarówno z wysokimi wymaganiami aplikacji, jak i z zasadami wysokoefektywnych sytemów HMI? Odpowiedź znajdziecie poniżej.

Zasada nr 1 – Podziel ekrany ze względu na funkcje

W literaturze przedmiotu i studiach przypadku można znaleźć różne podejścia do podziału ekranów w systemach SCADA, choć tak naprawdę wszystkie sprowadzają się do tej samej idei rozróżnienia ekranów ze względu na pełnione funkcje w całym systemie. My zastosowaliśmy tutaj podział na następujące ekrany:

  • Ogólny – najważniejsze parametry całego systemu.
  • Ekran schematu technologicznego wraz z szczegółowymi parametrami.
  • Ekrany parametrów poszczególnych pomieszczeń.
  • Ekrany serwisowe (wykraczające poza ramy tego opracowania).

Ekran ogólny

Ekran ogólny (ang. overview) pokazuje najważniejsze parametry systemu oraz jego status. Oznacza to, że nie ma tu miejsca na szczegóły ani grafiki – elementy wizualizacji mają przekazywać w skondensowany sposób maksimum informacji w najbardziej efektywny sposób. Cel jest jeden – jeden rzut oka powinien wystarczyć do oceny czy wszystko idzie ok czy jednak nie.

Z tego względu:

  • Jako wyróżnione są zastosowane duże widżety typu „Wartość rejestru” informujące o najważniejszych statusach –  stan sygnalizatorów alarmowych pomieszczeń oraz stan drzwi śluz (otwarte/zamknięte) – jeśli parametry w którymś z pomieszczeń spadły poniżej dopuszczalnych lub któreś drzwi są otwarte, to są pierwsze informacje które powinny zwrócić uwagę operatora.
  • Kluczowe pomiary środowiskowe są pokazane jako poziome wykresy słupkowe, a także jako trendy aktualnych wartości.

W wyniku otrzymaliśmy bardzo czytelny ekran, który wizualizuje to co jest najważniejsze w systemie.

Ekran schematu technologicznego wraz z szczegółowymi parametrami całego systemu

Na ekranie szczegółowym znajdują się wszystkie informacje, jakich użytkownik potrzebuje podczas eksploatacji:

  • Schematy technologiczne – z podziałem na centralę oraz pomieszczenia.
  • Wartości pomiarów.
  • Sterowania.
  • Statusy.
  • Wartości zadane parametrów objętych regulacją automatyczną.

System jest tak naprawdę niewielki, więc to wszystko udało się zmieścić na jednym ekranie.

Ekrany parametrów poszczególnych pomieszczeń

W razie potrzeby użytkownik może być zainteresowany bardziej szczegółowymi informacjami na temat poszczególnych pomieszczeń. W takim wypadku może on skorzystać z ekranów pokazujących:

  • Wykresy archiwalne pomiarów.
  • Aktualne parametry i wartości zadane.

Z racji tego że jest to ekran bardziej szczegółowy to tutaj pokusiliśmy się o zastosowanie bardziej jaskrawych kolorów w celu bardziej wyrazistego odwzorowania linii wykresów.

Ekrany serwisowe

Ekrany serwisowe zawierają parametry dostępne tylko dla osób uprawnionych do serwisu systemu takie jak:

  • Nastawy regulatorów PID wraz z trendami pomiarów i sygnałów sterujących.
  • Progi alarmowe i inne ustawienia urządzeń.

Zasada nr 2 – Ekrany mają zawierać jak najwięcej informacji

W tej zasadzie chodzi o ergonomie – operator ma widzieć maksimum potrzebnych mu informacji w ramach jednego widoku, ale nie więcej.

Spójrzmy jak to wygląda w praktyce. Ekran szczegółowy zawiera ponad 70 różnych parametrów, z czego większość z nich zawiera więcej niż jedną informację:

  • Jeden status oznacza często więcej niż jeden stan, np. postój – praca – awaria.
  • Wielkości wskazań na wykresach słupkowych oraz proporcje do sąsiednich wskazań sugerują które wskazania odbiegają od normy.
  • Wszystkie elementy wizualizacji zmieniają kolor na czerwony jeśli stan jest nieprawidłowy lub na niebieski jeśli stan wymaga interwencji operatora.
  • Kierunek zmian wartości parametru na trendzie dostarcza dodatkowych informacji co się dzieje (przykład z ekranu ogólnego).

Zwróćmy uwagę że pomimo takiego bogactwa informacji jest jeszcze trochę wolnego miejsca do wykorzystania!

Warto odnotować jeszcze jedną kwestię – nazwy czy też symbole technologiczne urządzeń. „Przecież jak zepsuje się wentylator nawiewu to trzeba wiedzieć jakie ma oznaczenie w dokumentacji!” Zgadza się. ale czy one są tak naprawdę potrzebne operatorowi podczas codziennej pracy na schemacie techonologicznym? Nie, a zajęły by mnóstwo miejsca na ekranie, dlatego też umieszczone zostały jako podpowiedzi w dymkach (ang. tooltip), które stają się widoczne po najechaniu kursorem na element (Prawda jest też taka, że dobry operator/technik nauczy się tych symboli na pamięć po roku pracy ;)).

Zasada nr 3 – Używaj stonowane kolory i proste grafiki, które nie rozpraszają niepotrzebnie uwagi

Wizualizacja w systemach automatyki ma być efektywna, a nie efektowna. Z tego wynikają zalecenia, że ekrany HMI powinny być wręcz ascetyczne – grafiki powinny być maksymalnie proste i schematyczne, podstawowe kolory to czerń, biel i różne odcienie szarości, a wizualizacja maksymalnie statyczna. Tak, to przeciwieństwo ekranów jakie się kiedyś robiło – rysunki 3D maszyn zamawiane u grafików, animacje poruszających się obiektów, rurociągi w postaci wypukłych kształtów etc.

Dlaczego? Z kilku powodów:

  • Nie wnosi to żadnej wartości dodanej dla operatora – rysunki 3D czy inne artystyczne dzieła nie dostarczają żadnych dodatkowych informacji.
  • Zaciemnia obraz – takie „dzieła sztuki” odwracają uwagę operatora od tego, co jest naprawdę istotne czyli wartości parametrów.
  • Zajmują cenne miejsce na ekranie.

Przyjrzyjmy się w jaki sposób zastosowaliśmy tą zasadę w naszej aplikacji.

Po pierwsze – ekran ogólny. Tutaj nie ma żadnych grafik. Dlaczego? Ponieważ nie są potrzebne. Operator ma widzieć najważniejsze informacje o systemie gdy patrzy na ekran główny. Inaczej mówiąc – ma być po przejrzyście.

Po drugie – ekran szczegółowych parametrów wraz ze schematami technologicznymi. Spójrzmy – schemat technologiczny jest prosty i czytelny, tak jakbyśmy go widzieli w dokumentacji. Żadnych kręcących się wentylatorów, żadnych trójwymiarowych nagrzewnic. Tylko czyste informacje jak jest zbudowany układ – i o to właśnie nam chodzi.

Zasada nr 4 – Kolory stosuj tylko tam, gdzie mają zwrócić uwagę operatora

Kolory mają przyciągać uwagę. Jeśli wszystko jest czarno-szaro-białe, to każdy inny kolor będzie wręcz raził po oczach. I o to nam chodzi!

Spójrzmy na przykład poniżej. Zastosowaliśmy kolor zielony jako informację o prawidłowej pracy urządzeń i stanie urządzeń sygnalizacyjnych, a także różne kolory podstawowe dla wskazań pomiarów. Dodajmy do tego różne tła widżetów i w efekcie operator widzi całą feerię kolorów, wśród której trudno dostrzec że filtr HEPA na nawiewie do pomieszczenia P-3 nadaje się do wymiany.

Porównajmy to z prawidłowo wykonaną kolorystyką. Tutaj na tle całego szarego ekranu ten migający czerwony kolor filtra HEPA aż razi! W konsekwencji jego po prostu nie da się nie zauważyć! Nawet nieprzeszkolony operator będzie od razu widział, że coś jest nie tak i że trzeba zareagować.

Jeszcze lepiej to widać na ekranie ogólnym, gdzie widżety są większe. Technologia wymaga, żeby prowadzący proces badawczy wiedział kiedy ktoś otwarł drzwi śluzy pomiędzy pomieszczeniami (a tym bardziej jak ich nie zamknął). Na ekranie głównym nie ma możliwości żeby to przeoczył z tak dużym żółtym napisem!

Podobnie będzie to bardzo dobrze widać, jak zmienimy kolor któregoś ze wskazań na wykresie słupkowym na czerwony. Od razu widać z którym ciśnieniem jest problem.

Zasada nr 5 – Pamiętaj, że od wartości liczbowych dużo czytelniejsze są słowa, wykresy, wskaźniki i kolory

Dlaczego unikamy gołych wartości liczbowych na wizualizacji? Ponieważ wymagają ona przetworzenia w naszej głowie i interpretacji co one oznaczają. To jest konkretny wysiłek, który kosztuje naszą uwagę i energię oraz trzeba poświęcić czas na naukę oczekiwanych wartości.

Można to zrobić lepiej. Dla człowieka dużo czytelniejszymi formami przekazu informacji są:

  • Słowa → Czy „1” oznacza że drzwi są otwarte czy zamknięte? Po prostu to napiszmy!
  • Wykresy i trendy → Dlaczego wartość ciśnienia spada pomimo że drzwi śluzy są zamknięte?
  • Wskaźniki oraz wykresy słupkowe  → Dlaczego temperatura w P-1 tak odbiega od pozostałych?
  • Kolory → 20 Pa to ok czy za mało? Nie wiem, ale jak jest na czerwono, to na pewno trzeba to sprawdzić.

Warto zauważyć, że poza czytelną na pierwszy rzut oka interpretacją wnosi to jeszcze dodatkową wartość dodaną – operator nie musi się uczyć na pamięć i potem pamiętać jaka jest prawidłowa wartość ciśnienia w pomieszczeniu P-2 (a także kilkudziesięciu/kilkuset innych wartości), ponieważ sam zmieniony kolor go poinformuje że coś jest nie tak.

Podsumowanie

Idea wysokowydajnych interfejsów HMI zmieniła nasze postrzeganie tego w jaki sposób ma wyglądać dobrze wykonany system SCADA – od kolorowych i fantazyjnych grafik do czytelnych i funkcjonalnych interfejsów służących ludziom do pracy. Przestrzeganie tych reguł jest najlepszym dowodem na profesjonalny warsztat inżynierski firm integrujących automatykę przemysłową i budynkową.

Jak pokazaliśmy w artykule, WebHMI jest doskonałym narzędziem do tworzenia takich systemów. Dzięki rozbudowanym możliwościom edycji pulpitów oraz widżetach rozmieszczanych na ekranach wizualizacyjnych możemy szybko i efektywnie tworzyć wysokokowydajne systemy HMI.

Potrzebujesz oferty?

Zapraszamy do kontaktu. Wystarczy podać dane firmy a my dostarczymy ofertę na WebHMI najszybciej jak to możliwe.