How to optimize Operation through improvements in HMI – Part 1: Rationale and Motivation

“There is no such thing as information overload.
There is only bad design
.

Edward Tufte

In this series of articles I will be describing some tips and guidelines on how to design human-machine interfaces (HMIs) in order to obtain improvements in the results of the process operation. The concepts apply to any SCADA system in any type of industry, but I will sometimes be particularizing for the case of the electrical sector.

The concepts presented here are based on the research and recommendations on User-Centered Interfaces in SCADA systems made by the ASM Consortium in the book “The High Performance HMI Handbook” by Hollifield et al. (ISBN-10: 0977896919), in the guidelines of the ANSI / ISA101.01-2015 standard (Human-Machine Interfaces for Process Automation Systems), in my investigation of the fundamentals of the interface area and in the practical experience of adapting this methodology to the remote control operation of Power Transmission Substations.

What you and your company can gain from this? According to a scientific test developed by the ASM Consortium, a User-Centered Interface compared to a traditional interface achieved the following results:

  • Problems were detected by the operators 5 times more, before the first alarm.
  • 36% Gain in success rate in completing the proposed operations.
  • Operators completed tasks 41% faster.

These are extraordinary gains that translate directly into financial benefits, safety and quality of operation, please note that these are obtainable only through the reconfiguration of the HMI, there are no other investments.

Of course the results can vary greatly from case to case, but the benefits are quite obvious once conceived, implemented, tested and put into practice the new interface. In the practical case that I implanted, the new interface obtained an index of more than 80% of approval from the operators, which is extremely significant for the environment of the electric sector where the resistance to the change is notorious.

The importance of the subject is such and the results so concrete that it has motivated the creation of the ISA101 standard. The standard sets out recommendations and best practices that cover the entire lifecycle of the HMIs. The ISA101 standard aims to:

  • Provide guidance on the design, implementation, operation and proper maintenance of HMIs that result in the safest, most effective and most efficient process control under all operating conditions.
  • Improve the operator’s ability to detect, diagnose and respond appropriately to abnormal situations.

According to ISA101, Situational Awareness is classified into three levels:

  • Level 1 – Be aware of what is happening in the process.
  • Level 2 – Understand the current state of the process.
  • Level 3 – Understand what should be the probable state of the process in the future.

One of the fundamental characteristics of User-Centered Interfaces is to empower the operator to precisely understand the present situation and to be in a good position to predict the state of the process in the near future and, thus, to have a more preventive action on the process and no longer simply respond to alarms. This is only possible by providing information, in the form of suitable visualizations, in context to the operators, when they need it, and not simply reproducing on the screen the P & ID or single-line diagrams with scattered numbers representing process measurements (traditional methodology allows to reach only Level 1 of Situational Awareness).

With this introduction, I hope to have motivated the professionals who, in some way, participate in the process of operation and conception of the HMIs to pay more attention to them, since the opportunity to obtain significant gains through the understanding and application of the concepts that will be presented in this series of articles.

Ricardo Olsen in-2c-14px, MEng. :: https://dscsys.com

#SCADA #HMI #IHM #interface # ISA101 # operation # substation

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Como otimizar a Operação através de melhorias na IHM – Parte 3 – O Uso das Cores

“Clutter and confusion are not attributes of data –
they are shortcomings of design.”

Edward Tufte

O adequado uso das cores nas IHM’s é um dos mais importantes fatores que definem os gráficos de alto desempenho recomendados pela norma ANSI/ISA101.01-2015 e diversos outros autores.

O uso das cores deve ser limitado, pois o excesso de cores torna a visualização confusa para o operador, especialmente nas situações estressantes. As cores de alarme devem ser reservadas somente para esta função para tornar facilitar a identificação do que é mais importante no momento certo.

A situação operativa normal deve ser representada de forma serena, basicamente em 2D, com contraste limitado e poucas cores. Deve ser evitado o uso de 3D, texturas complexas, sombreados, gradientes e excesso de contraste pois sobrecarregam o processamento visual do cérebro, causando fadiga e lentidão na compreensão da situação. Cores brilhantes chamativas e animações também devem ser evitadas a não ser para as situações de alarme.

As cores não devem ser a única forma de representar as informações. Isto é necessário devido ao fato de que cerca de 10% dos homens possuem alguma deficiência visual para a identificação das cores. Por exemplo: não é recomendado diferenciar o tipo das medições somente pela cores, é aconselhável colocar a unidade ao lado da medida. A representação de disjuntor aberto e fechado (no caso dos sistemas de controle de subestações) não deve ser feita apenas pela cor: o disjuntor aberto deveria ser vazado, por exemplo e o fechado cheio para facilitar a diferenciação.

A cor de fundo recomendada pela grande maioria dos autores é o cinza claro (cor próxima de RGB 200, 200, 200). É considerado que esta cor provê um contraste adequado e causa pouca fadiga visual quando harmonizada com um ambiente bem iluminado. Todavia, acredito que é possível, embora não seja ideal, também aplicar muitos dos conceitos de gráficos de alto desempenho mesmo que se utilize outros fundos, tais como preto, azul escuro e branco.

A cor de frente deve ser, em geral cinza escuro combinado com preto, com variações na espessura para as linhas e tamanho para os textos de acordo com a importância dos objetos representados. Também podem ser utilizadas outras cores, mas restringindo-se a uma única tonalidade, por exemplo em um tom pastel (não brilhante) de verde ou azul.

Para os alarmes, sugere-se o uso do vermelho, amarelo, laranja e violeta de acordo com as prioridades. Também para os alarmes, a cor não deve ser a única forma de representação, devendo ser combinadas com a forma e texto (triple coding).

O uso das cores deve ser eficiente, consistente e documentado para todas as funções, ao longo de todas as telas. Desta forma a curva de aprendizado dos operadores se torna bastante suave, ou seja, em pouco tempo os operadores aprendem a utilizar adequadamente o sistema. Já os gráficos feitos sem critério fazem com que os operadores precisem de meses ou até de anos para se acostumarem e conseguirem processar minimamente os dados apresentados nas telas, e mesmo após este tempo terão a sua memória de trabalho sobrecarregada, o que pode causar atraso e erro na tomada de decisão.

Para exemplificar o uso errado e correto das cores veja as figuras abaixo (fonte das imagens: http://wilmingtonisa.org/files/Download/ISA-Applying-ISA101-to-Existing-HMIs_MikeHawrylo.pdf):

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Veja também este vídeo que mostra bem alguns aspectos do uso das cores nas IHM’s de alta performance.

No próximo artigo abordarei a representação das medições.

Ricardo Olsen in-2c-14px, MEng. :: https://dscsys.com

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Como otimizar a Operação através de melhorias na IHM – Parte 2 – Estrutura e Navegação

“The best design gets out of the way between the viewer’s brain and the content.”
Edward Tufte

É fundamental que a IHM seja projetada sempre pensando nas tarefas desempenhadas pelos operadores. Por isso não há uma fórmula mágica para criar uma IHM, mas sim um caminho a seguir. Para cada caso deve ser elaborada e estudada a lista de tarefas que os operadores desempenham e a partir deste ponto pensar na estrutura e depois nas visualizações. Para isto pode ser utilizada alguma metodologia, por exemplo GDTA (Goal Directed Task Analysis).

Dois aspectos muito importantes para a eficiência da IHM são a estruturação hierárquica das telas e a consistência da navegação.

É recomendável que seja elaborada uma organização em níveis:

Nível 1 – Perspectiva Geral (Overview or Area Wide Display): esta tela dá a visão do estado geral do sistema, devendo conter a visualização das principais funções que devem ser monitoradas pelo operador, mais especificamente os principais indicadores da situação, qualidade, produção e segurança, bem como alarmes sistêmicos. Esta tela normalmente é mostrada no video-wall, quando disponível. Por exemplo, no caso do telecomando de subestações poderia ser a tela com a visão sistêmica, ou seja com a situação das linhas de interligação entre as subestações. Caso haja controle de carregamento e/ou tensão, poderiam ser mostrados gráficos de barras dos maiores desvios e gráficos de tendências embutidos na tela para que se possa vislumbrar a condição futura e atuar preventivamente para evitar violações dos limites estabelecidos.

Nível 2  – Telas de Unidades de Controle de Processo (Process Unit or Facility Control Display): é o conjunto de telas, uma para cada unidade de controle. Por exemplo no caso do setor elétrico, seriam as telas de cada subestação. Nesta deve ser mostrada a situação dos principais processos da unidade, também com as principais medições em visualização na forma analógica e gráficos de tendências. Estas devem ser as telas que devem ser criadas primero.

Nível 3 – Telas de Detalhe dos Processos nas Unidades (Process Unit Detail or Detailed Information Display): para cada unidade apresenta, em detalhes, o funcionamento de cada processo na unidade. Pode representar também o estado dos equipamentos que compõem o processo ou facilitar a execução de tarefas específicas. No caso de subestações poderia ser uma tela detalhada de transformador, serviços auxiliares ou de apoio à recomposição.

Nível 4 – Telas de Diagnóstico, Ajuda e Suporte (Process Unit Support or Auxiliary Information Display): são telas que apresentam informações detalhadas para status de equipamentos e instrumentação, e também telas de ajuda, instruções de operação, diagnóstico, etc. Ex: telas de arquitetura de supervisão e controle, mostrando a saúde e status dos equipamentos e a situação dos links de comunicações.

Veja alguns exemplos de telas para cada nível neste artigo ou aqui.

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Tela de Nível 1 (Fonte Wonderware)

A navegação precisa ser consistente para que o operador nunca fique sem orientação. Deve haver uma forma clara e rápida para navegar nos 4 níveis hierárquicos, os links devem ser posicionados de forma coerente sendo mostrado em que nível se está no momento. Como referência, deve-se poder chegar a qualquer tela em até 3 cliques, em 5 segundos.

No próximo artigo abordarei o uso das cores.

Ricardo Olsen in-2c-14px, MEng. :: https://dscsys.com

#SCADA #HMI #IHM #interface #ISA101 #operação #subestação