Особенности применения человеко-машинного интерфейса в промышленности
Раньше, когда ещё не было автоматизированных систем управления технологическим процессом, человеко-машинный интерфейс был довольно прост. Например, чтобы измерить уровень воды в резервуаре, человек который выполнял эту работу, брал линейку и измерял уровень воды. В данном случае интерфейсом служит сама линейка и шкала, расположенная на нём. Но с приходом прогресса в вычислительной технике, да и во многих сферах деятельности человека, человек стал стремиться к автоматизации. Это желание понятно, ведь человек уже не мог физически управлять такими процессами, как ядерная реакция, так как человек просто не успеет из-за своей реакции отреагировать на процесс. Если же выше описываемая ошибка с нажатием не той кнопки, могла привести лишь к форматированию жёсткого диска, то последствия такой ошибки в автоматизации промышленной сферы деятельности человека могут быть самыми печальными. Получается, что стабильная работа технологического процесса во многом зависит от разработчика человеко-машинного интерфейса к этому процессу, а не от диспетчера, который реагирует.
Для большего понимания особенностей применения человеко-машинного интерфейса в промышленности следует понять, что такое автоматизация. Автоматизация - одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоемкость выполняемых операций. Требует дополнительного применения датчиков (сенсоров), устройств ввода, управляющих устройств (контроллеров), исполнительных устройств, устройств вывода, использующих электронную технику и методы вычислений, иногда копирующие нервные и мыслительные функции человека. Наряду с термином автоматический, используется понятие автоматизированный, подчеркивающий относительно большую степень участия человека в процессе. Целью автоматизации является повышение производительности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления, устранение человека от производств, опасных для здоровья. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи, поэтому решения стоящих перед автоматизацией задач обычно называются системами, например:
система автоматического управления (САУ);
система автоматизации проектных работ (САПР);
автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП).
автоматизируются такие сферы деятельности, как:
производственные процессы;
проектирование;
организация, планирование и управление;
научные исследования.
Раз при автоматизации появляются новые сложные устройства, значит нужно создавать такой интерфейс для этих устройств, который бы был простым, понятным и интуитивным для диспетчера. Получается, что главное в системе управления - это организация взаимодействия между человеком и программно-аппаратным комплексом. Обеспечение такого взаимодействия и есть задача человеко-машинного интерфейса (HMI, human machine interface). В современных автоматизированных системах управления технологическим процессом существует, как минимум, 2 подхода по реализации человеко-машинного интерфейса:
на базе специализированных рабочих станций оператора, устанавливаемых в центральной диспетчерской;
на базе панелей локального управления, устанавливаемых непосредственно в цеху по близости к контролируемым технологическим объектам.
Иногда эти два варианта комбинируются, чтобы достичь наибольшей гибкости управления. Но дальше речь пойдёт о первом варианте организации операторского уровня.
Аппаратно рабочая станция оператора (OS, operator station) представляет собой ни что иное как персональный компьютер. Как правило, станция снабжается несколькими широкоэкранными мониторами, функциональной клавиатурой и необходимыми сетевыми адаптерами для подключения к сетям верхнего уровня (например, на базе Industrial Ethernet). Станция оператора несколько отличается от привычных для нас офисных компьютеров, прежде всего, своим исполнением и эксплуатационными характеристиками (а также ценой 4000 - 10000 долларов).
Рис.5. Промышленная рабочая станция оператора системы SIMATIC PCS7 производства Siemens
На станции оператора устанавливается программный пакет визуализации технологического процесса. Большинство пакетов визуализации работают под управлением операционных систем семейства Windows (Windows NT 4.0, Windows 2000/XP, Windows 2003 Server). Программное обеспечение визуализации должно выполнять следующие задачи:
отображение технологической информации в удобной для человека графической форме (как правило, в виде интерактивных мнемосхем) - Process Visualization;
отображение аварийных сигнализаций технологического процесса - Alarm Visualization;
архивирование технологических данных (сбор истории процесса) - Historical Archiving;
предоставление оператору возможности манипулировать (управлять) объектами управления - Operator Control;
контроль доступа и протоколирование действий оператора - Access Control and Operator’s Actions Archiving;
автоматизированное составление отчетов за произвольный интервал времени (посменные отчеты, еженедельные, ежемесячные и т.д.) - Automated Reporting.
Человеко-машинный интерфейс в промышленности реализуется с помощью мнемосхем. Мнемосхема - совокупность сигнальных устройств и сигнальных изображений оборудования и внутренних связей контролируемого объекта, размещаемых на диспетчерских пультах, операторских панелях или выполненных на персональном компьютере. Информация, которая выводится на мнемосхему, может быть представлена в виде аналогового, дискретного и релейного сигнала, а также графически. На мнемосхемах отражается основное оборудование, сигналы, состояние регулирующих органов. Вспомогательный и справочный материал должен быть расположен в дополнительных формах отображения, с возможностями максимально быстрого извлечения этих вспомогательных форм на экран.
Выше описанный программный пакет визуализации технологического процесса называется SCADA - системой. SCADA (сокр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition) - диспетчерское управление и сбор данных. Термин SCADA-система используют для обозначения программно-аппаратного комплекса сбора данных. SCADA-системы являются основным и в настоящее время остаются наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами) в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в космической и военной областях, в различных государственных структурах.
За последние 10-15 лет за рубежом резко возрос интерес к проблемам построения высокоэффективных и высоконадежных систем диспетчерского управления и сбора данных. С одной стороны, это связано со значительным прогрессом в области вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций, что увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем. С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. Расследование и анализ большинства аварий и происшествий в авиации, наземном и водном транспорте, промышленности и энергетике, часть из которых привела к катастрофическим последствиям, показали, что, если в 60-х годах ошибка человека являлась первоначальной причиной лишь 20% инцидентов (80%, соответственно, за технологическими неисправностями и отказами), то в 90-х годах доля человеческого фактора возросла до 80%, причем, в связи с постоянным совершенствованием технологий и повышением надежности электронного оборудования и машин, доля эта может еще возрасти (Рис.6).
Рис.6. Тенденции причин аварий в сложных автоматизированных системах.
Основной причиной таких тенденций является старый традиционный подход к построению сложных автоматизированных систем управления, который применяется часто и в настоящее время: ориентация в первую очередь на применение новейших технических (технологических) достижений, стремление повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса, то есть период появления мощных, компактных и недорогих вычислительных средств, пришёлся пик исследований в США по проблемам человеческого фактора в системах управления, в том числе по оптимизации архитектуры и человеко-машинного интерфейса в SCADA - системах.
Изучение материалов по проблемам построения эффективных и надежных систем диспетчерского управления показало необходимость применения нового подхода при разработке таких систем: human-centered design (или top-down, сверху-вниз), т.е. ориентация в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося hardware-centered (или bottom-up, снизу-вверх), в котором при построении системы основное внимание уделялось выбору и разработке технических средств (оборудования и программного обеспечения). Применение нового подхода в реальных космических и авиационных разработках и сравнительные испытания систем в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), США, подтвердили его эффективность, позволив увеличить производительность операторов, на порядок уменьшить процедурные ошибки и свести к нулю критические (некорректируемые) ошибки операторов.
2.1 SCADA-системы: общие понятия и структура
SCADA - процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера). В то же время понятие реального времени отличается для различных SCADA-систем.
Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации. Все современные SCADA-системы включают 3 основных структурных компонента (рис.7).
Рис.7. Основные структурные компоненты SCADA-системы.
Remote Terminal Unit (RTU) удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.
Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого реального времени; одна из основных функций обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в самом разнообразном виде: от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи, до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.
Communication System (CS) коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).
В системе диспетчерского управления человек-оператор должен выполнять следующие функции:
планирование действий;
программирование компьютерной системы на следующие действия;
отслеживание результатов (полу) автоматической работы системы;
человек-оператор должен вмешиваться в процесс, в случае критических событий, когда автоматика не может справиться, либо при необходимости подстройки (регулировки) параметров процесса;
обучение в процессе работы (получение опыта).
Для выполнения этих функций, к SCADA системам предъявляются следующие требования:
надёжность системы (технологическая и функциональная);
безопасность управления;
точность обработки и представления данных;
простота расширения системы.
В целях безопасности SCADA система должна обладать следующими свойствами:
никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).
SCADA системы могут применяться в различных сферах: как в узких, так и в более широких. Они применяются в управлении передачи и распределения электроэнергии, в промышленных производствах, в производствах электроэнергии, в водозаборах и водоочистках, в добыче и транспортировки нефти и газа, в управлении космическими объектами, в телекоммуникациях, а так же в военной области.
В настоящее время в развитых зарубежных странах наблюдается настоящий подъем по внедрению новых и модернизации существующих автоматизированных систем управления в различных отраслях экономики; в подавляющем большинстве случаев эти системы строятся по принципу диспетчерского управления и сбора данных. Характерно, что в индустриальной сфере (в обрабатывающей и добывающей промышленности, энергетике и др.) наиболее часто упоминаются именно модернизация существующих производств SCADA-системами нового поколения. Эффект от внедрения новой системы управления исчисляется, в зависимости от типа предприятия, от сотен тысяч до миллионов долларов в год; например, для одной средней тепловой станции он составляет, по подсчетам специалистов, от 200000 до 400000 долларов. Большое внимание уделяется модернизации производств, представляющих собой экологическую опасность для окружающей среды (химические и ядерные предприятия), а также играющих ключевую роль в жизнеобеспечении населенных пунктов (водопровод, канализация и пр.). С начала 90-х годов в США начались интенсивные исследования и разработки в области создания автоматизированных систем управления наземным (автомобильным) транспортом ATMS (Advanced Traffic Management System).