Разработка человеко-машинного интерфейса в GraphWorX32 (стр. 3 из 10)

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).