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

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):

2016-12-21

2016-12-21-1

 

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

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

 

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.

figure6
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.

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

Como otimizar a Operação através de melhorias na IHM – Parte 1: Fundamentação e Motivação

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

Edward Tufte

Nesta série de artigos estarei descrevendo algumas dicas e diretrizes sobre como projetar as interfaces humano-máquina (IHM’s) de modo a obter melhorias nos resultados da operação de processos. Os conceitos se aplicam a qualquer sistema SCADA em todo o tipo de indústria, mas estarei por vezes particularizando para o caso do setor elétrico.

Os conceitos aqui apresentados estão fundamentados nas pequisas e recomendações sobre Interfaces Centradas no Usuário em sistemas SCADA feitas pelo ASM Consortium, no livro “The High Performance HMI Handbook” de Hollifield et al. (ISBN-10: 0977896919), nas diretrizes da norma ANSI/ISA101.01-2015 (Human-Machine Interfaces for Process Automation Systems), na pesquisa dos fundamentos da área de interfaces e na experiência prática de adaptação desta metodologia à operação do telecomando de subestações de Transmissão de energia elétrica.

O que a sua empresa pode ganhar com isto? De acordo com um teste científico desenvolvido pelo ASM Consortium, uma Interface Centrada no Usuário em comparação com uma interface tradicional obteve os seguintes resultados:

  • Os problemas foram detectados pelos operadores 5 vezes mais, antes do primeiro alarme .
  • Um ganho de 36% no índice de sucesso em completar as operações propostas.
  • Os operadores terminaram as tarefas 41% mais rápido.

São ganhos extraordinários que se traduzem diretamente em benefícios financeiros, segurança e em qualidade de operação, leve-se em conta ainda que estes são obteníveis somente através da reconcepção da IHM, não há outros investimentos.

É claro que os resultados podem variar muito caso a caso, mas os benefícios são bastante evidentes uma vez concebida, implementada, testada e posta em prática a nova interface. No caso prático que implantei, a nova interface obteve um índice de mais de 80% de aprovação dos operadores, o que é extremamente significativo para o ambiente do setor elétrico onde a resistência à mudança é notória.

A importância do tema é tal e os resultados tão concretos que motivou a criação da norma ISA101. A norma estabelece recomendações e melhores práticas que abrangem todo o ciclo de vida das IHM’s. A norma ISA101 tem por objetivo:

  • Prover orientação no projeto, implementação, operação e manutenção apropriada das IHM’s que resultem no mais seguro, mais efetivo e mais eficiente controle do processo, sob todas as condições operativas.
  • Melhorar a habilidade do operador em detectar, diagnosticar e responder adequadamente às situações anormais.

De acordo com a norma ISA101, a Consciência Situacional está classificada em três níveis:

  • Nível 1 – Estar ciente do que está acontecendo no processo.
  • Nível 2 – Compreender o estado atual do processo.
  • Nível 3 – Compreender qual deverá ser o provável estado do processo no futuro.

Uma das características fundamentais das Interfaces Centradas no Usuário é potencializar o operador a, justamente, compreender a situação presente e ter boas condições de prever o estado do processo no futuro próximo e, desta forma, ter uma atuação mais preventiva sobre o processo e não mais simplesmente reagir aos alarmes. Isto somente é possível proporcionando informações, em forma de visualizações adequadas, em contexto aos operadores, no momento em que eles precisam, e não simplesmente a reproduzir na tela os diagramas P&ID ou unifilares com números espalhados representando as medições do processo (a metodologia tradicional permite atingir somente o Nível 1 de Consciência Situacional).

Com esta introdução ao tema, espero ter motivado os profissionais que, de alguma forma, participam do processo de operação e concepção das IHM’s a dar uma maior atenção às mesmas, pois é evidente a oportunidade de se obter ganhos significativos através do entendimento e aplicação dos conceitos que serão apresentados nesta série de artigos.

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

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

Ferramenta gratuita para testes do protocolo IEC 60870-5-104

Está disponível para download em http://qtester104.sourceforge.net/ a ferramenta QTester104 que eu mesmo desenvolvi. O código fonte está incluído, liberado pela licença open source GPL, conforme requer a licença do ambiente de desenvolvimento utilizado “QT Open Source Edition” (http://doc.qt.io/qt-5/opensourcelicense.html). Esta ferramenta é parte de um projeto maior que é uma IHM completa para subestação (OSHMI).

O protocolo IEC60870-5-104 é bastante utilizado atualmente entre a unidade concentradora de subestação (UCS) ou unidade terminal remota (UTR) e as interfaces humano-máquina (IHM’s) e também com os centros de controle, utilizando as redes TCP/IP. Muitas vezes é utilizado ainda para interconexão entre centros de controle.

As capacidades da ferramenta são:

  • Funcionamento no modo mestre (primário).
  • Aquisição de vários tipos de informações (ASDU’s).
  • Envio de comandos digitais e analógico de diversos tipos.
  • Envio de solicitação de interrogação geral (GI).
  • Envio de sincronização de tempo.
  • Log do protocolo em formato legível, podendo ser copiado.
  • Tabela exportável com todos os pontos adquiridos, valores, qualificadores, tipo de ASDU, causa, timetag, etc.

A utilização é bem fácil, bastando introduzir alguns parâmetros para iniciar a varredura:

  • Remote IP Address = Endereço IP do escravo (UTR/UCS).
  • Remote Link Address = Endereço de link do escravo.
  • Local Link Address = Endereço de link do mestre.

Após isto, clicar no botão  “Connect”.

Para o envio de comandos os parâmetros são:

  • Command Address = Endereço do objeto de comando.
  • Command Value = Valor a ser enviado (0 ou 1 para digital simples, 0-3 para digital duplo, ou o valor numérico para os analógicos e posição).
  • ASDU Address = Endereço comum de ASDU (CAA), deixe vazio para usar o endereço de link.
  • Command Type = Tipo da ASDU do comando.
  • Command Duration = Duração do comando.
  • SBO = Select before operate, marque para selecionar antes de executar.

Clicar no “Send Command” para enviar o comando.

Use o botão “GI” para forçar uma interrogação geral. As interrogações são sempre feitas no início do estabelecimento da conexão e a cada 5 minutos por default.

Marque “Log Messages” para iniciar o log de mensagens e “AutoScroll” para subir automaticamente o texto.

O botão “Copy Clip.Log” copia o log para a área de transferência.

O botão “Copy Clip.Vals” copia a tabela de pontos aquisitados para a área de transferência.

A programação é feita em C++ com o toolkit QT.

Bom proveito! Caso haja alguma dúvida ou sugestão, pode ser utilizada a seção “Discussion” do site da ferramenta (https://sourceforge.net/p/qtester104/discussion).

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

Support Tools for Fluent Restoration of Transmission Substations

The increased amount of substations remotely controlled from control centers has caused great concern regarding the responsiveness of operators, especially in cases of major events such as partial or total blackouts in the electric power system.

In these situations, operators should perform a very high amount of commands, first in preparation for the power system restoration (disconnections) and subsequently for the fluent restoration (not coordinated by the ISO) itself. These procedures should be performed for each of the plants that were shut down in the blackout. There is also a phase coordinated by the ISO, when operators must await instructions for the continuation of the process.

In order to reduce the time of the fluent phase of restoration it was elaborated in the Supervision Engineering sector of CEEE-GT (utility from the south of Brazil), a project that aims to gradually add automation and tools to assist operators to complete their tasks more efficiently and accurately.

The project was divided into stages to facilitate the implementation and enable operators through training and practice, accustom and gain confidence in the automatisms. The steps are:

Phase 1

  • Semiautomatic process (initiated by the operator) to prepare for the restoration.
  • Fluent restoration support screens for each substation.
  • Availability of Operating Instructions (OI’s) directly in the IHM’s (PDF docs).

Phase 2

  • Automatic process for preparing the restoration .

Phase 3

  • Semi-automatic process for execution of the fluent restoration .

Phase 4

  • Automatic process execution fluent restoration.

We are currently implementing Phase 1. The HMI platform used in remote centers is the Open Substation HMI (OSHMI, http://oshmiopensubstationhmi.sourceforge.net) which is open source software. The automatic controls are implemented in the LUA language (https://www.lua.org), a computer language designed to extend applications that was embedded in the HMI for creating scripts.

The scripts were divided into one for each substation to facilitate maintenance. Each script executes a check of the blackout occurrence conditions around the substation:

  • the validity of the measurements is checked;
  • the absence of voltage is observed in the buses;
  • the absence of flow at transmission lines terminals.

To predispose the automatism preparation is also checked whether any bay is transferred, which may indicate an anomaly situation in the facility.

When the automatism is predisposed, for the operator is presented a “START” button on the single line HMI screen and also on the screen dedicated to the restoration. Upon command of the operator starts the automatic shutdown process of the substation circuit breakers (in some cases more than 50). This automation can be triggered simultaneously for several substations.

At the end of preparation the operator has a screen that guides the fluent restoration of each installation. On this screen every step of the recovery process is represented, according to the sequence and conditions set forth in the OI’s. At each step, the screen scripts (programmed in Javascript directly on the SVG screen) check the fulfillment of conditions (voltage ranges, tap values, switches statuses, etc.). It is up to the operator to perform every available command on the screen.

The execution of the commands has become much faster than previously when the operator was obliged to consult the OI’s on paper, check the conditions, the command sequences and find on the screen the objects to be controlled. It is now also a much more secure process, as it is harder to miss the sequence, the conditions and the objects to be controlled.

The operator training is done by the simulation of occurrences and the execution of the preparation and restoration processes.

This is another among other projects where we try to focus on the users (User Centered Design) and their respective tasks, applying the High Performance HMI concepts (cognitive theories) to improve the Situational Awareness and consequently the performance of the operators.

Ricardo Olsen in-2c-14px, MEng. :: CEEE-GT

recomp

Ferramentas de Apoio à Recomposição Fluente de Subestações de Transmissão

O aumento da quantidade de subestações telecomandadas a partir dos centros de telecontrole tem causado grande preocupação em relação à capacidade de reação dos operadores, especialmente nos casos de grandes ocorrências tais como blecautes parciais ou totais no sistema elétrico de potência.

Nestas situações os operadores devem executar a uma quantidade muito elevada de comandos para efetuar, primeiramente a preparação para a recomposição (desligamentos) e, posteriormente, a recomposição fluente (não coordenada pelo COS/ONS) propriamente dita. Estes procedimentos devem ser executados para cada uma das instalações que foram desligadas no blecaute. Há ainda a fase coordenada pelo COS/ONS, onde os operadores devem aguardar instruções para a continuação do processo.

Com o objetivo de reduzir o tempo da fase fluente da recomposição elaborou-se, no setor de Engenharia de Supervisão da CEEE-GT, um projeto que pretende, gradualmente, acrescentar automatismos e ferramentas para auxiliar os operadores do telecomando a completar as suas tarefas com maior eficiência e precisão.

O projeto foi dividido em etapas para facilitar a implementação e permitir aos operadores, através de treinamentos e da prática, se habituarem e ganharem confiança nos automatismos. As etapas são as seguintes:

1a Fase

  • Processo semiautomático (iniciado pelo operador) de preparação da recomposição.
  • Telas de apoio à recomposição fluente, para cada subestação.
  • Disponibilização das Instruções de Operação (IO’s) nas IHM’s.

2a Fase

  • Processo automático de preparação da recomposição.

3a Fase

  • Processo semiautomático de execução da recomposição fluente.

4a Fase

  • Processo automático de execução da recomposição fluente.

No momento estamos implantando a Fase 1. A plataforma de IHM utilizada nos Centros de Telecomando é a Open Substation HMI (OSHMI) que é um software open source. Os automatismos são implementados em linguagem LUA (https://www.lua.org), uma linguagem projetada para estender aplicações que foi embutida na IHM para a criação de scripts.

Os scripts foram divididos em um para cada subestação, para facilitar a manutenção. Em cada script é executado uma verificação das condições de ocorrência de blecaute em torno da subestação:

  • É verificada a validade das medições
  • É verificada a ausência de tensões nos barramentos
  • É verificada a ausência de fluxos nas linhas, em ambos os terminais

Para predispor o automatismo de preparação, é verificado ainda se algum bay está transferido, o que pode indicar uma situação de anomalia na instalação.

Quando predisposto o automatismo é apresentado um botão “INICIAR” na tela unifilar da IHM e também na tela dedicada para a recomposição. Ao comando do operador é iniciado o processo automático de desligamento dos disjuntores da subestação (em alguns casos, mais de 50). Estes automatismos podem ser disparados simultaneamente para diversas subestações.

Ao final da preparação o operador conta com a tela-guia da recomposição fluente de cada instalação. Nesta tela, cada passo da recomposição está representado, de acordo com a sequência e condições estabelecidas nas IO’s. A cada passo, os scripts de tela (feitos em Javascript diretamente na tela SVG) verificam o atendimento das condições de execução (faixas de tensão, valores de tap, estado de disjuntor, etc.). Cabe ao operador executar cada comando disponibilizado na tela.

A execução dos comandos se tornou muito mais rápida do que anteriormente quando o operador era obrigado a consultar as IO’s em papel, verificar as condições e sequências de comando e encontrar na tela os objetos a serem comandados. Tornou também bastante mais seguro o processo, já que fica mais difícil errar a sequência, as condições e os objetos a comandar.

O treinamento dos operadores é feito através da simulação de ocorrências e da execução dos processos de preparação e recomposição.

Este é mais um entre outros projetos onde procuramos focar nos usuários (User Centered Design) e nas suas respectivas tarefas, aplicando os conceitos de IHM de Alta Performance (teorias cognitivas) de modo melhorar a Consciência Situacional e por consequência o desempenho dos operadores.

Ricardo Olsen in-2c-14px, MEng. :: CEEE-GT

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