Функції графічного людино-машинного інтерфейсу

Загальний вигляд графічного ЛМІ

Загальний вигляд графічного людино-машинного інтерфейсу (ЛМІ) суттєво залежить від типу технологічного процесу, прийнятих стандартів (корпоративних, галузевих) на побудову автоматизованих систем та індивідуальних потреб замовника (наприклад, технологів, інженерного персоналу). Тим не менше, найбільш типовим є побудова графічного інтерфейсу АРМа таким, що ґрунтується на наведених нижче підходах.

Графічна підсистема (людино-машинного інтерфейсу) АРМа оператора має багатовіконний інтерфейс з можливістю відображення у вікнах сторінок процесу, трендів, тривог та іншої службової інформації. Враховуючи, що вся доступна інформація не може вміститися в одному вікні, в один момент відображається тільки одна сторінка процесу. Такі сторінки можуть називатися по-різному, залежно від термінології прийнятої для вибраної SCADA/HMI. Сторінки, які призначені для відображення технологічного процесу або його частини, часто називають мнемосхемами.

На рис.7 і 8 показано приклади загального вигляду екрана, де мнемосхема процесу займає більшу його частину.

Рис. 7. Приклад загального вигляду екрана людино-машинного інтерфейсу (SCADA Vijeo Citect):
1 – сторінка (мнемосхема) процесу; 2 – панель(меню) доступу до інших сторінок та команд;
3 – вікно відображення активних тривог та подій

Рис. 8. Приклад загального вигляда екрану людино-машинного інтерфейсу (SCADA Zenon):
1 – сторінка (мнемосхема) процесу; 2 – панель доступу до інших сторінок та команд; 3 – вікно відображення активних тривог та подій

Такий спрощений вигляд установки з відображенням значень технологічних параметрів у плинний момент часу дає оператору інформацію про стан цієї частини процесу. Однак для перегляду інших частин процесу оператор повинен відкрити іншу сторінку, наприклад за допомогою панелі керування, меню (див. рис.7 і 8) або інших елементів управління. Таким чином, використовуючи меню або панель навігації, оператор може переглянути детально будь-яку частину процесу.

Для введення дій, перегляду уточнюючої інформації чи тимчасового відображення ряду параметрів також використовують спливаючі вікна. Вони відкриваються поверх основного вікна і не заважають перегляду його вмісту.

Хоча кількість сторінок процесу, як правило, не обмежується системою, оператор не може вчасно зреагувати на зміни в системі, постійно їх перемикаючи. Тому в більшості випадків в графічній підсистемі є головна мнемосхема, де відображається найбільш загальна інформація про весь процес. Крім того, всі технологічні параметри, що потребують підвищеного контролю з боку оператора, повинні відслідковуватися підсистемою тривог (наприклад, вихід значення змінної за аварійні межі). Графічна підсистема повинна бути розроблена таким чином, щоб тривоги, які з’явилися, відразу привертали увагу оператора. Останні тривоги, як правило, показуються у вигляді постійно видимого вікна тривог (див. рис.7 і 8) або окремого підсвічуваного елемента, що вказує на наявність нештатної ситуації в системі.

Графічний людино-машинний інтерфейс реалізується через:

–        елементи відображення, які надають оператору інформацію про стан змінних процесу;

–        елементи введення, що надають можливість впливати на процес, шляхом зміни значень змінних або відправки команд.

Часто функції відображення та введення комбінуються в одному елементі. Нижче розглянемо більш детально способи відображення та введення, а також типові елементи, які використовуються для цього.

Нижче наведений приклад роботи мнемосхеми, натисніть "Старт процесу" для демонстрації

 

Способи та елементи відображення стану процесу

Інформація про значення технологічних параметрів повинна бути надана в такому вигляді, щоб оператор швидко визначив загальний стан процесу. Для цього окрім відображення значення величини у вигляді тексту, можна використовувати різного типу зміни властивостей графічного об’єкта, зокрема:

• кольору;
• тексту;
• видимості;
• вигляду зображення;
• геометричних розмірів;
• заповнення;
• позиції на екрані;
• кута повороту.

Зміна якоїсь властивості графічного елемента залежно від значення змінної часто називають анімацією.

Анімація кольору

Анімація кольору використовується для показу стану змінної процесу або обладнання чи агрегату. Яскраві червоні та жовті кольори прийнято використовувати для сигналізації відповідно аварійного та передаварійного стану, а всі інші – для уточнення діапазону нормального стану. Останнім часом передові організації-розробники рекомендують використовувати в якості кольорів білі, чорні та відтінки сірого. Інші кольори рекомендуються використовувати для виділення станів елементів, на які особливо треба звернути увагу, або для розрізнення елементів між собою (трубопроводи з різною рідиною, графіки на трендах тощо)

Для відображення стану дискретної змінної (типу включено/ відключено) можна використати два кольори. Наприклад, зелений може вказувати на стан "включений", а сірий – для стану "виключений". Можна також використовувати пару білий/темно-сірий, як показано на рис.9. У будь-якому випадку призначення кольорів необхідно заздалегідь узгодити між розробниками та замовниками.

Останні дослідження в напрямку розробки високоефективних HMI показав, що використання світло-сірого або білого кольору замість зеленого і темно-сірого замість червоного набагато пришвидшує реакцію оператора на виникнення тривог, для яких заздалегідь зарезервовані для використання яскраві жовті та червоні кольори. На рис.9а показані рекомендації  організації PAS щодо правильності використання кольорів. Окрім кольору рекомендується писати текст стану.

Рис.9а. Використання сірих тонів замість яскраво-кольорових при зображенні нормального стану виконавчих механізмів та іншого обладнання.

Стан аналогової змінної теж можна показати у вигляді зміни кольору елемента або його частини. У цьому випадку колір може вказувати на діапазон, у якому знаходиться значення змінної (рис.10). У такий спосіб оператор швидко може зорієнтуватися, чи знаходиться змінна в нормі, або в якому технологічному режимі знаходиться установка. Зміна кольору елемента часто використовується для сигналізації.

Рис. 10. Приклад зображення різного стану аналогової змінної шляхом зміни кольору фону та/або тексту: білий фон - норма, жовтий - значення в зоні попердження, червоний - значення в зоні аварії

Останні дослідження в напрямку розробки високоефективних HMI показав, що використання кольорів в якості відображення стану аналогової змінної ефективне але недостатнє, оскільки є велика кількість людей, які невірно інтерпретують кольори. У якості альтернативи пропонується комбінувати колір та текст чи символи ідентифікації стану (рис.10а).

Рис.10а. Комбінація кольору та додаткових символів для зображення ненормального стану змінної. 

Стан періодичного процесу також може відображатися у вигляді різних кольорів. Так, стани "ПУСК", "СТОП", "БЛОКУВАННЯ", "ПАУЗА" можуть відображатися на одному й тому самому елементі у вигляді однойменних написів з різним кольоровим підсвічуванням або різними відтінками (згідно нових конепцій). Крім того, активний крок (етап) процесу можна показати на діаграмі станів у вигляді яскравого елемента. Так, на рис. 11 показано діаграму стану 4-х танків, один погляд на яку відразу вказує на активні кроки.

Рис. 11. Приклад зображення активних кроків (етапів) для періодичних процесів

Нижче наведено декілька прикладів анімації кольору в дії:

Анімація видимості і миготіння

Поряд з кольором та текстом нерідко використовується миготіння. Цей тип анімації в основному призначений для привертання уваги оператора до події, що виникла та потребує його реакції. Найчастіше миготіння використовується в підсистемі тривог, де оператор повинен підтвердити факт, що він побачив тривогу, шляхом її квитування. Таким чином, миготіння може тривати доти, поки оператор не зверне уваги і не підтвердить тривогу.

Зміна видимості елементів може використовуватися для різних функцій. Наприклад, на рис.12(2) поява зображення руки вказує на ручний (дистанційний) режим роботи клапана, а на рис.12(4) поява трикутника із символом "W" – на наявність попереджувальної тривоги, пов’язаної з даним насосом. Крім того, властивість видимості може бути використана для виведення на екран оператору тільки тих елементів, які використовуються в даний момент.

Анімація заповнення та діграми

Одним із найбільш наглядних способів представлення аналогової величини є показ ступеня наповненості фігури у відсотковому відношенні (заливки). На рис.13 показано декілька прикладів заливки в якості відображення рівня в збірниках та наповнення трубопроводу.

Рис. 13. Приклади використання вертикальної заливки

Хоч інтуїтивно заливка підходить для відображення рівня (ступеня заповнення), анімацію заповнення використовують для будь-яких аналогових змінних процесу. Як правило, для цього в засобах SCADA/HMI доступні стандартні елементи, які прийнято називати стовпчикові діаграми, або гістограми. На рис.14 показано приклади стовпчикових діаграм, на яких, окрім самого стовпчика, показано вимірювальну шкалу, а також відображено аварійні та попереджувальні межі, щоб оператор бачив, у якому діапазоні зараз знаходиться величина. Стовпчикові діаграми також можуть змінювати колір заповнення стовпчика залежно від значення та показувати бажане значення величини.

Крім стовпчикових діаграм, для відображення значення аналогових величин можна використовувати кругові діаграми. Наприклад, на рис.15  кругова діаграма показує плинну витрату речовини. Так само можна показувати ступінь відкриття регулюючого органу. На рис.15а у нижній частині фільтра F3 за допомогою кругової діаграми показано, скільки часу пройшло з початку етапу фільтрації відносно заданого.

Рис. 15. Фрагмент мнемосхеми з різними типами діаграм


Рис.15а

Приклад анімації рівнів в ємностях

Анімація руху та діаграми

За допомогою анімації руху по вертикалі чи по горизонталі можна показувати як значення вимірюваної величини, так і значення уставки (заданого або бажаного значення). Наприклад, на рис.15 (праворуч) показано стовпчикові діаграми з відміткою заданих значень (вказані трикутними стрілками).

Анімація обертання (зміна кута повороту), як правило, використовується в стрілочних індикаторах (рис.16). Цей тип графічних елементів інтуїтивно зрозумілий оператору, а інформація з нього швидко сприймається. Комбінація з анімацією кольору поліпшує процес сприйняття.

Рис. 16. Стрілочні індикатори

Крім цього, анімацію руху застосовують, щоб показати залежність однієї змінної від іншої або розподіл (градієнт) параметрів у просторі. Наприклад, на рис.17 показано значення температур на контрольних тарілках колони у вигляді точок, розміщених на горизонтальних лініях. Поєднавши ці точки, можна показати градієнт розподілу температур по висоті колони. Застосувавши такий підхід разом з анімацією кольору, можна одним поглядом оцінити стан роботи колони.

Рис. 17. Приклади відображення градієнту температур по висоті колон.

Нижче наведені приклади діаграм:

Самописці (тренди реального часу)

Наприклад, у мнемосхемі на рис.18 самописець дає оператору уявлення про поведінку тиску, оскільки різке його підвищення може вказувати на забитість фільтраційного матеріалу. Слід зазначити, що в даному випадку абсолютна величина тиску не має такого значення, як його зміна в часі. А на рис.15 самописець показує тенденцію відхилення дійсного значення витрати від заданого, що значно інформативніше, аніж бачити тільки їхні плинні значення.

Рис.18. Приклад мнемосхеми з використанням самописців і кругової діаграми.

Крім того, на мнемосхемі рис.18 задіяно функцію видимості, оскільки самописець і кругова діаграма показана тільки для працюючого фільтра, тому що в іншому випадку вони не мають ніякого значення і тільки заплутують оператора надлишковою непотрібною інформацією.

Рис. 15. Фрагмент мнемосхеми з різними типами діаграм

Як видно з рис.19, самописець часто використовується у вікнах налаштування регулятора, оскільки саме вигляд перехідного процесу дає наладчику інформацію про вдалий підбір його настройок.

Сучасні програми SCADA/HMI дають можливість залежно від значення змінних включати або відключати мультимедійний контент, наприклад фільми, аудіо або різного типу анімацію GIF, Flash і т. д. Однак не слід зловживати цими засобами, тому що їхнє надмірне використання тільки погіршує процес сприйняття інформації та адекватну оцінку стану процесу.

Нижче показані приклади трендів реального часу.

Способи та елементи зміни значення дискретних змінних

Графічні елементи, які використовуються для зміни значення змінних або відправки команд, називають елементами управління. Впливати на ці елементи можна використовуючи один з доступних елементів введення:

–        маніпулятор "миша";

–        сенсорний екран;

–        клавіатура.

Для виконання команд для зміни значення дискретних змінних типу "включити"/"відключити" використовуються кнопки, перемикачі або графічні елементи з цими функціями. Графічний вигляд таких елементів може бути дуже різним (рис.20). Тим не менше можна виділити два типи команд для таких елементів:

– перемикання, яке приводить до зміни значення ВКЛ на ОТКЛ та навпаки;

– запис константи, яка відповідає одному зі станів: «ВКЛ» або « ВИКЛ».

Можна здогадатися, що на рис.20 показано перемикачі, оскільки команди (наприклад по кліку миші) приводять до зміни значення на обернене. Однак слід зазначити, що функціональність таких елементів не обов’язково збігається з зображенням, тому слід заздалегідь обговорювати їх з розробником.

На рис. 21 показано приклади використання кнопок з командами запису константи. В обох прикладах для включення та виключення установки/двигуна необхідно використати різні кнопки: "Начать" та "ВКЛ" для включення і "СТОП" та "ОТКЛ" для відключення.

Способи та елементи зміни значення числових змінних

Аналогічним до запису значень дискретних змінних можна записати значення константи для числової (аналогової) або текстової змінної. Однак для числової змінної цей спосіб не такий вживаний, тому що є необхідність в запису будь-яких значень з дозволеного діапазону введення. Один з найбільш універсальних способів – це ввести значення з клавіатури в полі для введення. Для цього елемент введення отримує курсор введення, який називають фокусом. У більшості засобах SCADA/HMI по отриманні фокуса значення вводиться безпосередньо в поле для введення (див. рис.22). Однак бувають і інші способи введення значення, як, наприклад, набір значення під елементом, що отримав фокус.

Враховуючи, що у зв’язку з виробничими умовами чи наявністю сенсорного екрана клавіатури на АРМі може не бути, для введення значення можна використати віртуальну клавіатуру (див. рис.22).

Слід зазначити, що більшість SCADA/HMI обмежують введене значення в дозволених межах, що зменшує ймовірність помилкової дії оператора.

Введення з клавіатури дозволяє записати вказане значення з дозволеного діапазону, однак часто оператору необхідно змінити його відносно плинного стану. Крім того, оператор при управлінні користується нечіткими більш інтуїтивними поняттями, на кшталт "трохи збільшити" чи "сильно зменшити", або "відкрити десь наполовину". Для такого типу управління більш підходять "аналогові" засоби управління типу повзунка чи кнопки «більше/ менше».

Повзунки призначені для зміни значення змінної шляхом пересування повзунка по шкалі від мінімального до максимального значення. Повзунки можуть бути вертикальними, горизонтальними та круговими (рис.23).

Рис. 23. Приклади повзунків

Нижче наведений приклад повзунка для демонстрації роботи.

Для зміни значення змінної на кшталт "трохи більше" чи "трохи менше" найкраще використовувати кнопки ступеневої зміни. На рис.24 кнопки "більше" та "менше" поряд з повзунками відповідно збільшують та зменшують значення на 1%. Іноді крок зміни параметра залежить від тривалості натиснення відповідної кнопки. Чим більша тривалість натиснення кнопки – тим більша величина кроку і з більшою швидкістю змінюється параметр.

Рис.24. Приклади використання кнопок «більше» та «менше» .

Високоефективні HMI

За декілька десятків років використання графічних засобів людино-машинного інтерфейсу були виявлені типові помилки при їх побудові та виділені кращі практики їх використання. У 2015 році міжнародною асоціацією по автоматизації ISA був випущений стандарт   ANSI/ISA-101.01-2015, Human Machine Interfaces for Process Automation Systems. У стандарті викладені вимоги та рекомендації до побудови графічних людино-машинних інтерфейсів для технологічних процесів. З коротким описом стандарту можна ознайомитися за посиланням.

Нижче наведені деякі рекомендації, які лягли в основу стандарту.

1. У якості кольору фону рекомендується використовувати світло-сірі тони. Це необхідно для: усунення ефектів бліків та відбиття при яскравому освітленні операторної; контрасту з іншими кольорами (темно-сірий, чорний та білий для звичайних станів, яскраво-жовтий та червоний для тривог)

2. Яскраві кольори рекомендується використовувати тільки для нештатних та попереджувальних ситуацій. Кольорову гаму необхідно заздалегідь обдумати, щоб кожний колір мав певне призначення. Кольори, що використовуються для анімації тривог заборонено використовувати.

3. Для анімації тривог необхідно використовувати окрім кольору додаткові символи з вказівкою пріоритету тривоги.

4. Навігація повинна бути швидкою, а кнопки переходу повинні підсвічуватися при виникненні тривог на сторінці, на яку вказує ця кнопка. Необхідно розробляти ієрархію сторінок з найвищим рівнем сторінок з загальними показниками ефективності (KPI)

5. Використовувати більш-інформативні елементи:

•   самописець замість рівня  
  

• використання  стовпчикових діаграм з відміткою аварійних та попереджувальних меж та відхилень;
• використання пелюсткових діаграм
• використання контекстної допомоги

• крива розгону в заданій зоні
  

Нижче наведений вебінар з українським перекладом про HP HMI.