软件功能集
1、优化操作员对生产状态的感知
2、 使得操作员能够立即发现异常情况
3、协助实现快速决策
4、显示关键性能指标和生产过程趋势
5、提高处理异常情况的成功率
6、减少成功处理异常工况的时间
7、阻止反应性操作
8、根据 ASM,对一个典型的乙烯装置,HP HMI 可以为用户每年带来 80 万美元的费用节省。
1、传统 HMI 与 HP HMI
HMI(人机界面)是屏幕、图形显示、键盘、开关以及操作员用来监视和与控制系统 ( 通常是 DCS 或 SCADA)交互的其他技术的集合, HMI 的设计在决定操作员有效管理操作的能力方面,特别是在对异常工况的应对上至关重要。
从控制墙面(Control Wall)时代进化到 DCS 系统,HMI 是 DCS 系统帮助用户实现生产控制集中管理的重要工具,HMI 可以帮助用户预测报警发生之前的风险,因此,HMI 是 DCS 的重要特征,是 DCS 系统必须全天候在线的。
但由于种种原因,当前人机界面的设计和大多数 HMI的能力远远不能满足运营复杂操作的需要,绝大多数HMI 只是由带数字的概要模式的简单图元构成,这些画面提供了大量的原始数据但几乎没有任何真正的信息,这些没有为操作员提供足够的有效信息。
如下图是典型的 HMI,20 多年前和现在基本没有太大差别。惯性使得我们的 HMI 设计没有得到与 DCS 系统本身的升级相应的提升。
较早的图形展示了许多错误做法
工程师和操作员们习惯了这种方式,并拒绝进行流程图的改变。其结果就是运营用户购买现代先进的控制系统,但却延续使用数十年前人们对正确的 HMI 做法和原则还知之甚少的情况下创建的 HMI 来运营 / 操作数千万美元的生产操作。
另外一个有趣的现象就是,控制系统软硬件的发展 ,DCS 供应商为用户开发了浮夸的流程图,但主要是为商业推广目的,对真正地控制生产过程却没有什么效果。受此影响,很多公司和项目开始使用这种模式,比如3-D流程图,但这些对操作员来说顶多算是次优的模式。
不符合实际操作需求的浮夸展示方式
如上图,流程图 90% 的空间是 3-D 设备、生动的彩色操作线、剖面图和其他相似元素,但是其他有用的数据和信息只占到整个画面区域的 10%,并且没有任何态势感知信息在流程画面上展示出来。
性能低下的 HMI 多次被认为是重大事故发生的主要原因,然而工业行业在 HMI 设计上仍然没有做出大的改变。但有一个行业从事故中吸取教训,在基于新技术的人机界面设计方面取得了惊人的进步,那就是航空业,缺乏态势感知是之前航空业事故报告中的惯常因素。
现代航空业具备完全集成的电子显示,如下图,这些画面描述了所有飞行员需要的重要信息,而不仅仅是原始数据,位置、航向、航线、发动机诊断信息、通讯频率、自动检查清单等都显示在移动地图上,包括内置的地形接近感知。实时的来自卫星的天气状况覆盖在地图上。机场的详细的数据库信息可以通过点击得到,这种能力以前在价值数千百万的大型客机上也是不可能的,但现在即便在单引擎的小飞机上也已经成为标配。
Garemin G2000® 小型飞机驾驶舱显示面板
因为通过现代 HMI(HP HMI)可以非常显著地提高安全性,我们希望所有操作员能够合理的利用它们,遗憾的是很多公司在这方面的努力微乎其微。已经有一些测试涉及到实际操作人员使用传统 HMI 和 HP HMI 进行真实拟,PAS 参加了由 EPRI(Electric PowerResearch Institute 电力研究院)赞助的大型电厂的测试,该测试与由 ASM 联盟发起的乙烯厂的测试结果一致。测试表明 HP HMI 在对异常状况的探测方面有非常明显的改善(甚至在报警发生之前),并且在处理异常工况的成功率方面有显著提高,这意味着可以为用户每年节省数十万美元以上。HP HMI 和传统 HMI 最主要的区别是其基本原则,即操作值显示在相互关联的信息中,而不是简单仅仅在屏幕上散乱地显示原始数据。
流程画面应该设计在一个层次结构中,以提供渐进的细节;从一堆示意图设计做出的流程画面不会有这些功能,它们
是“平”的,就像计算机的硬盘只有一个目录存储所有的文件一样, 无法为用户提供优化的情形感知和优化的控制。根据研究和实践,四个层级的流程画面设计是最理想的设计。
第一层级 – 操作概貌画面
它是一个单一的画面显示操作员控制整个范围、生产的整体情况,它是进行任何操作的一个总体显示。它通过跟踪 KPI 为用户提供一个当前运营 / 操作绩效的清晰指示。
该画面不进行控制交互。如右图示例,是一个大型电厂的应用,好像它看起来不像是一个电厂?对!你的汽车仪表面板同样也不像发动机示意图。
该流程画面设计的目的就是把重要的异常工况和报警突出表示出来。
第一层级操作概貌画面
第二层级 – 单元控制画面
每个操作都由更小的、分段单元操作构成,如右图实例,包含一个反应器、管道部分、分馏部分或压缩机站。 第二层级流程图主要为每个单独的主要单元操作设计,它包含所有需要的执行相关单元操作员任务的所有信息和控制。
反应器流程画面实例
第三层级 – 单元细节画面
第三层级流程画面提供某个设备的所有细节,这可以用来做详细的问题诊断,第三层级流程画面显示所有仪表、联锁状态和其他细节。
单元细节画面
第四层级 – 支持和诊断画面
第四层级画面提供子系统、单个传感器或部件的几乎所有细节,显示最详细的诊断或各种信息,例如“点”画面就是个典型的例子。
PAS 在 HP HMI 的设计与实践方面积累了很多年的经验,并发明了 HP HMI 项 目 的 七 步 实 施 法, 具 体 在 PAS 出 版 的 工 具 书《HighPerformance HMI》中有详细论述。
第一步:高性能 HMI 规范和范式设计,ISA 101: 符合 IEC ISA 101 人机界面标准
第二步:对现有 HMI 评估和基准设定
第三步:确定过程操作的目标
第四步:通过任务分析确定控制变量以实现生产目标
第五步 : 设计和建立高 HP HMI 流程画面
第六步 : 安装、调试和培训
第七步 : 控制、维护、评估
The High Performance HMI HandBook
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