Міжнародні нормативні засади людино-машинного інтерфейсу систем управління технологічними процесами



Стаття | Article    

Download

Розглядаються питання розробки людино-машинного інтерфейсу систем управління технологічними процесами відповідно до вимог та рекомендацій міжнародного стандарту ANSI/ISA-101.01-2015 - Human Machine Interfaces for Process Automation Systems

Ключові слова: людино-машинний інтерфейс, життєвий цикл, організації стандартизації, ергономіка

International Regulatory Principles of Man-Machine Interface for Process Control Systems

The development problems of man-machine interface for process control systems according to the requirements and recommendations of the International Standard ANSI / ISA-101.01-2015 – “Human Machine Interfaces for Process Automation Systems” are considered.

Keywords: man-machine interface, life cycle, standardizing organization, ergonomics.

У міжнародній практиці розробкою стандартів займається багато організацій. За звичай це об’єднання офіційних представників держав-учасників, наприклад Міжнародна організація стандартизації (ISО), або об’єднання різних юридичних та фізичних осіб як Міжнародна асоціація автоматизації (ISA). Розроблений стандарт публікується і зацікавлені держави на базі його створюють свою версію або прямим перекладом запроваджують його на своїй території. Можлива і розробка корпоративних стандартів на базі міжнародних. Цей процес особливо актуальний для України, яка відміняє радянські стандарти (випуску до 1992 р.) і хоче створити національну нормативну базу гармонізовану з міжнародною.

Однією з таких організацій є International Society of Automation (скор. ISA, укр. Міжнародна асоціація автоматизації) - глобальна некомерційна асоціація, основним напрямком діяльності якої є розробка стандартів у галузі промислової автоматизації. Заснована у 1947 році, об’єднує більше 30000 учасників, має відділення у 28 країнах [1].

У кінці 20 сторіччя виникли певні проблеми пов’язані з оперативним управлінням складними технологічними процесами. Аналіз причин великих технологічних аварій у США (Three Mile Island – 1979, Piper Alpha Oil Rig – 1988, Texaco Milford Haven Refinery– 1994 тощо)показав, що їх причини лежать у невідповідності людино-машинного інтерфейсу (ЛМІ) функціональним завданням технологічного процесу. Основні причини полягали в тому, що ЛМІ , який історично будувався на принципах приладового інтерфейсу та функціональних схем автоматизації (у західній інтерпретації - P&ІD) у сферу комп’ютерної автоматизації не забезпечував як нормальні особисті умови роботи операторів-технологів (в першу чергу підвищене когнітивне навантаження),так і складні алгоритми керування у нестандартних умовах. Відповідно почались роботи по розробці нових підходів до проектування ЛМІ. У 2006 році у ISA був створений технічний комітет ТК 101, який очолив цю роботу. З того часу ним було видано кілька проміжних версій проекту стандарту, які пройшли експертизу та широке обговорення фахівців і нарешті у 2015 була оприлюднена остання версія вже стандарту - ANSI/ISA-101.01-2015 Human Machine Interfaces for Process Automation Systems- Людино-машинний інтерфейс для систем виробничої автоматизації [2]. При цьому розробники вважають що щоб мати реальну цінність, цей документ не повинен бути статичним, але повинні бути предметом періодичного огляду. З цією метою Товариство вітає всі коментарі і критичні зауваження.

ЛMI є комплексом технічних засобів і програмного забезпечення, що використовується для моніторингу і взаємодії з системою управління та в кінцевому рахунку з процесом.

Стандарт визначає термінологію і моделі для розробки ЛМІ і робочі процеси, рекомендовані для ефективного підтримки ЛMI протягом усього життєвого циклу. Має 64 сторінки, 8 рисунків (схем), 8 таблиць і включає 9 розділів:

$1.$ Галузь застосування (Scope);

$2.$ Нормативні посилання (Normative references);

$3.$ Визначення термінів і скорочень (Definition of Terms and Acronyms);

$4.$ Система управління ЛМІ (HMI System Management);

$5.$ Людський фактор - інжиніринг і ергономіка (Human Factors Engineering & Ergonomics);

$6.$ Стилі відеокадрів (дисплеїв) і структура ЛМІ у цілому (Display Styles and Overall HMI Structure);

$7.$ Взаємодія з користувачем (User Interaction);

$8.$ Виконання (Performance);

$9.$ Навчання (Training).

Як видно перші три розділи є вступними за своїм характером. Розділ 4 представляє модель життєвого циклу для ЛMI. Розділи 5-9 надають додаткові деталі для підтримки життєвого циклу у вигляді обов'язкових вимог і необов'язкових рекомендацій.

Мета стандарту полягає у вирішенні концепції (philosophy) ЛМІ, його проектування, реалізації, експлуатації та технічного обслуговування для систем автоматизації технологічних протягом усього життєвого циклу.

Розробники вважають, що якщо слідувати стандарту, рекомендованим практикам та методології, результат повинен дозволити користувачам більш ефективно працювати, забезпечуючи підвищену безпеку, якість, продуктивність і надійність.

Цільовою аудиторією є кінцеві користувачі, дизайнери, розробники і виконавці систем людино-машинного інтерфейсу. Проте коло зацікавлених осіб цим не обмежується - є ще менеджери різного рівня, технологи, фахівці з виробничої безпеки, технічного обслуговування, системи контролю якості тощо.

У першому розділі «Галузь застосування» визначається що рекомендації цього документу, можуть бути застосовані до будь-якого процесу для взаємодії з системою управління за допомогою ЛMI, включаючи, але не обмежуючись безперервними, порційними, а також дискретними процесами.

Другий розділ «Нормативні посилання» включає посилання на 10 стандартів ANSI/ISA з 2007 року та три стандарти ISО присвячені розробці ЛМІ та пов’язаним питанням.

Можна відмітити що в Україні є діючим один рідний стандарт ДСТУ 2429 - 94 «Система «людина - машина». Ергономічні та техніко-естетичні вимоги. Терміни та визначення.» та ще 4 стандарти радянських часів 80 років які відміняються.

Третій розділ присвячено визначенню термінів та скорочень. Розділ є дуже важливим тому що дає нормативне тлумачення 46 термінам та 16 абревіатурам. І хоча ця термінологія в основному знайома і використовується фахівцями тим не менш її нормативне закріплення має певний методичний зиск. На рис.1 представлено графічне відображення деяких термінів, пов’язаних з робочим місцем оператора.

Рисунок 1 – Графічне відображення деяких термінів

Четвертий розділ «Система управління ЛMI (HМІ System Management)» (16 стор.) є основним і базується на моделі життєвого циклу системи що включає 5 стадій (рис.2):

• Стандарти системи (SystemStandards) (Концептуальне проектування) – розробка основних документів, які встановлюють основу для всіх проектних рішень ЛМІ. • Проектування (The Design Process) - всі апаратні і програмні аспекти проектування ЛМІ (огляд). • Впровадження (The Implementation Stage of the HMI Lifecycle) - створення ЛМІ в цільовій платформі і апаратному забезпеченні від розробки до впровадження в експлуатацію (через випробування, тренування, комісії і кваліфікацію). • Експлуатація (The Operate Stage of the HMI Lifecycle) – розглядає процеси експлуатації, технічного обслуговування, зняття з експлуатації • Стадія «Безперервна підтримки змін (Continuous Work Processes)» - управління змінами, аудит та валідація – працює практично на всіх стадіях життєвого циклу забезпечуючи можливість своєчасного внесення змін та контролю їх ефективності.

Рисунок 2 - Життєвий цикл HMI

На стадії системної стандартизації розробляються ключові аспекти майбутнього інтерфейсу:

• концепція (філософія) ЛМІ;

• керівництво по стилю ЛМІ;

• набір інструментів розробки ЛМІ (документація).

Концепція є фактично тим стратегічним документом, в якому розглядаються основні принципи, що регулюють проектування структури ЛМІ для того, щоб забезпечити високу ефективність та безпечність управління технологічним процесом. Крім врахування формальних показників таких,як експлуатаційні вимоги, стандарти проектування, методи розробки тощо, велика увага приділяється врахуванню зручності роботи оператора.

Керівництво по стилю забезпечує корпоративні вимоги до розробки мнемосхем (відеокадрів, дисплеїв) автоматизованого робочого місця оператора. Воно повинно відповідати та розвивати керівні принципи концепції, базуватись на специфікаціях виробництва, включати загальні правила проектування для мнемосхем (дисплеїв) і пов'язаних з ними програм, а також забезпечити керівництво зі створення сценаріїв, вбудовано логіки, використання кольору тощо.

Інструментарій. Визначаються засоби з допомогою яких буде розроблено мнемосхеми відповідно до закладених у попередніх розділах принципах побудови інтерфейсу. Засоби повинні включати сучасні підходи до проектування, бібліотеки шаблонів, статичних і динамічних графічних символів тощо.

Аналогічно представляються наступні стадії з детальним розглядом вимог та рекомендацій для кожного етапу.

     П’ятий розділ «Людський фактор \- інжиніринг і ергономіка» \(Human Factors Engineering & Ergonomics\) \(6стор.\) \-. присвячено розгляду принципів побудови ЛМІ з урахуванням когнітивних і сенсорних можливостей і обмежень користувачів\-операторів.

При проектуванні ЛMI повинні враховуватися загальні принципи:

- бути ефективним інструментом для безпечного і ефективного управління процесом;

- допомагати в ранньому виявленні, діагностиці та правильній реакції на нештатні ситуації;

- допомагати операторам визначати пріоритети реагування на основні або декілька одночасних системних збоїв;

- відеокадру (дисплея) або елементів на ньому відразу очевидні для оператора;

- засновані на вимогах завдань і потреб оператора і мати пріоритет над інтересами всіх інших користувачів.

Так як існують різні користувачі ЛМІ, що мають різні особисті та функціональні потреби, то кожну з їхніх потреб слід враховувати при проектуванні

Велика увага приділяється ергономічним засадам взаємодії людини з технічними засобами. Наприклад, надаються рекомендації з використання колірної гамми:

- сірі фони використовуються, щоб звести до мінімуму відблиски і забезпечують низький контрастне зображення;

- яскраві кольори повинні використовуватися тільки для виділення сигналів тривоги і позаштатних ситуацій;

- кольори, які використовуються для сигналізації не повинні використовуватися в інших місцях (для позначення технологічного обладнання, трубопроводів тощо).

Наступний розділ «Стилі відеокадрів (дисплеїв) і структура ЛМІ у цілому (Display Styles and Overall HMI Structure)» (7 стор.).

Відеокадри (дисплеї) є основними будівельними блоками, які створюють загальну структуру ЛМІ. Стиль відображення показує як буде представлена інформації на відеокадрі. При виборі стилю необхідно враховувати загальну концепцію ЛМІ, функціональні вимоги до відеокадру, технічні можливості моніторів, психофізіологічні характеристики операторів тощо.

Відповідно до загальної структури ЛМІ приділена увага ієрархії відеокадрів - рекомендується не більше чотирьох рівнів (але може бути менше або більше рівнів).

Перший рівень забезпечує огляд всієї зони відповідальності оператора.

Другий рівень як правило є головним керуючим інтерфейсом оператора забезпечуючи видимість стану процесу, сигналізацію нестандартних та аварійних ситуацій тощо, має особливо високий пріоритет.

Рівень три складають докладні відеокадри, що використовуються для виконання нестандартних операцій, забезпечують видимість всіх нестандартних ситуацій (тривог).

Рівень чотири використовується рідко – в основному для цілей діагностики і усунення неполадок.

Розділ «Взаємодія з користувачем (User Interaction)» (12 стор.) присвячений методам програмного забезпечення та апаратних засобів, що дозволяють користувачам взаємодіяти з ЛMI.

Розглядаються методи взаємодії з користувачем - введення і переміщення даних, формування цифрових та текстових повідомлень, навігації, запобігання помилок, забезпечення безпеки доступу, використання спливаючих і інших вікон тощо.

Апаратне забезпечення – монітори, кнопки, пристрої введення інформації тощо.

У розділі «Виконання (Performance)» (3 стор.) розглядаються технічні питання реалізації ЛМІ – необхідність визначення оптимальних параметрів взаємодії людини та технікі – час реакції людини та системи, час оновлення інформації та її запису, розподіленість системи, реалізацію на базі SCADA-системи тощо.

Останній розділ «Навчання (Training)» розглядає питання навчання різних категорій користувачів – визначає матеріальну та інформаційну базу, основні завдання тощо. Питання підготовки операторів також розглядаються у інших розділах.

За загальною характеристикою фахівців цей стандарт є дорожньою картою для створення високоефективного ЛМІ.

Перелік посилань

$1.$ Міжнародна асоціація автоматизації (ISA). [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: https://www.isa.org/.

$2.$ Стандарт ANSI/ISA-101.01-2015 Human Machine Interfaces for Process Automation Systems [Електронний ресурс]. – 2015.– Режим доступу до ресурсу: https://www.isa.org/store/ansi/isa\-10101\-2015,\-human\-machine\-interfaces\-for\-process\-automation\-systems/41921133.

Jun 14, 2017