Kurs projektanta systemów HMI/SCADA cz.2 – Tradycyjne i nowoczesne praktyki tworzenia wizualizacji HMI/SCADA

W poprzednim, pierwszym odcinku „Kursu projektanta systemów HMI/SCADA cz.1 – Jak efektywnie projektować wizualizacje?” przedstawiliśmy podstawowe cele i zasady projektowania wizualizacji.

W drugim odcinku chcemy pokazać Ci, że najważniejsza sprawa to skupić się na użytkowniku wizualizacji, którą projektujesz. Przyjrzymy się technikom projektowania wizualizacji: tradycyjnej i nowoczesnej.

Projektowana przez Ciebie wizualizacja będzie służyła operatorom procesu i służbie utrzymania ruchu. Ma im zapewnić efektywną i intuicyjną pracę, dlatego tak ważne jest to, w jaki sposób ta wizualizacja zostanie zaprojektowana.

Wizualizacje w przemyśle mają wieloletnią historię, a projektanci takich systemów – swoje przyzwyczajenia. Osoby, dla których systemy HMI/SCADA są codziennością, świetnie znają tradycyjne sposoby projektowania i często je wykorzystują.

Co zmienia się w nowoczesnych technikach projektowania? Które elementy są inaczej przedstawiane i dlaczego nowe wizualizacje są bardziej wydajne?

Ten artykuł jest częścią cyklu „Kurs projektanta systemów HMI/SCADA”

„Kurs projektanta systemów HMI/SCADA” przeznaczony jest zarówno dla początkujących w projektowaniu SCADA, jak również dla tych, którzy chcą poszerzyć swoją wiedzę w zakresie nowych technik projektowania.

Kurs składa się z 7 części, w których zostaną przedstawione i opisane nowoczesne techniki projektowania systemów HMI/SCADA. Każdy uczestnik kursu ma możliwość przećwiczenia w zadaniach kolejnych elementów projektowania wizualizacji.

Jeśli przeczytasz wszystkie artykuły, będziesz świetnie przygotowany/a do końcowego quizu, po którym otrzymasz certyfikat ukończenia.

„Kurs projektowania systemów HMI/SCADA” obejmuje następujące artykuły w formie poradników:

1. Jak efektywnie projektować wizualizacje?
2. Tradycyjne i nowoczesne praktyki tworzenia wizualizacji HMI/SCADA.
3. Jak dopasować specyfikę wizualizacji HMI/SCADA do celu procesu i oceny wydajności procesu?
4. Jak przedstawiać elementy dynamiczne oraz alarmy na wizualizacjach HMI/SCADA?
5. Jak zacząć projektowanie i tworzenie wydajnej wizualizacji zgodnie z dobrymi praktykami?
6. Jak przeprowadzić testy, kontrolę i utrzymanie nowej wizualizacji HMI/SCADA?
7. Jak dbać o rozwój i przyszłość systemów HMI/SCADA w przedsiębiorstwach?

Jak przedstawiać aktualne dane w wizualizacji HMI/SCADA i dlaczego na wykresach?

Na ekranach tradycyjnych wizualizacji dane takie jak: poziom cieczy w zbiorniku, procent zaawansowania procesu lub wskaźniki wydajności procesu często przedstawiane są wprost, w postaci wyświetlanej wartości.

Taki sposób przedstawiania danych pozwala szybko i łatwo dostrzec aktualne wartości ważnych wskaźników, ale ma też swoje minusy. Informacja o tym, jaka jest aktualna wartość, nie jest wystarczająca.

W nowoczesnych wizualizacjach dane – zwłaszcza te kluczowe – przedstawione są w formie trendów. Jakie korzyści przynosi taki zabieg?

• łatwa interpretacja aktualnej wartości w porównaniu do wartości progowych,
• możliwość prognozowania przyszłej wartości wskaźnika,
• możliwość porównania wartości aktualnej do wartości historycznych,
• przejrzystość i łatwość odczytu.

Na pierwszym ekranie wizualizacji (Rys.1) wszystkie dane przedstawione są liczbowo – można je odczytać wprost z ekranu. Do zinterpretowania wyniku konieczne jest odczytanie poprzednich wartości oraz znajomość wartości progowych.

Na drugim ekranie wizualizacji (Rys.2) wartości procentowe poziomów zbiorników zostały przedstawione w formie wykresu. Dodatkowo poziom każdego ze zbiorników został przedstawiony w formie poziomego słupka na tle skali z zakresem.

W przypadku bardziej skomplikowanych wizualizacji, przy kluczowych, często zmieniających się wartościach, należy wprowadzić wykres przedstawiający zmianę tej wartości w czasie. Umożliwi to interpretację wartości, czasu jej narastania lub opadania. Linia trendu zobrazuje wszystkie wartości, które wystąpiły dotychczas.

Jednym spojrzeniem na wykres operator może odczytać aktualną wartość, sprawdzić poprzednie wartości oraz wywnioskować, jaki będzie poziom wartości w najbliższym czasie. W przypadku, gdy dany wskaźnik od jakiegoś czasu zbliża się do wartości krytycznej, operator może odpowiednio wcześnie zareagować.

Dzięki wykresom operator nie tylko otrzymuje dane, ale również informacje, które może przetwarzać i na które może reagować.

Ważne dane przedstawiaj w formie wykresów. Użytkownik szybciej interpretuje dane, które podane są w sposób analogowy: w formie strzałki prezentującej aktualną wartość w pewnym przedziale, wykresu zmieniającej się wartości lub poziomu zbiornika w postaci słupka.

Wykresy na ekranach wizualizacji powinny być dane wprost, bez konieczności otwierania dodatkowych okien, definiowania jednostek osi oraz ich zakresów.

6 zasad wprowadzania wykresów do wizualizacji HMI/SCADA:

• Dostosuj skalę osi Y do wartości uzyskiwanych dynamicznie poprzez wprowadzenie 2% lub 5% rozszerzenia skali względem uzyskiwanych wartości. Skala wartości powinna być wyświetlona i możliwa do regulowania.
• Wprowadź generowanie wykresu w dziedzinie domyślnie ustalonego czasu (np. ostatnie 10 minut, 2 godziny lub 24 godziny). Czas uzależnij od częstotliwości zmian danych przedstawionych na wykresie.
• Ograniczenia procesu, limity jakości lub pożądany czas działania wprowadzaj w oparciu o stan procesu.
• Wprowadź możliwość zmiany zakresu osi przez operatora wraz z opcją powrotu do domyślnych ustawień.
• Wykres powinien być użyteczny bez konieczności ingerencji operatora (ustawienie skali osi oraz wyglądu wykresu).
• Osie wykresu nie powinny być krótsze niż ok. 5 cm, żeby wykres był widoczny i użyteczny.

Jak projektować grafiki w wizualizacji HMI/SCADA?

Ważną częścią ekranów wizualizacji jest przedstawienie elementów monitorowanego procesu, takich jak: pompy, zbiorniki, przenośniki, czy zawory. Od lat w praktyce projektowania elementy te były przedstawiane z próbą osiągnięcia jak najdokładniejszego odwzorowania urządzeń rzeczywistych. Elementy były wyróżnione wieloma kolorami, przez co przyciągały uwagę.

Cechy grafik w tradycyjnych wizualizacjach:

• przedstawianie grafik w 3D,
• wprowadzenie dużej różnorodności kolorów elementów procesu,
• duża dokładność odzwierciedlania urządzeń rzeczywistych,
• wykorzystanie całej przestrzeni wewnętrznej zbiorników do przedstawiania poziomu ich zawartości,
• wykorzystanie animacji prezentujących pewne procesy (pęcherzyki powietrza, płomienie, wirujące pompy lub poruszające się przenośniki).

Projektuj nowocześnie! Zapewnij przejrzystość, czytelność i szybkość odnajdywania informacji dzięki minimalizacji odwzorowania elementów rzeczywistych. Operator Ci podziękuje.

Jaka jest najważniejsza rada dla projektanta systemów HMI/SCADA?
„Skup się na użytkowniku wizualizacji, którą projektujesz”

– Wojciech Pawełczyk, specjalista ds. Wonderware

6 sposobów na nowoczesne grafiki w wizualizacjach HMI/SCADA:

• Przedstawiaj grafiki w 2D.
• Stosuj stonowane kolory.
• Wykorzystuj różne odcienie jednego koloru zamiast całej palety barw.
• Pokazuj aktualny poziom np. cieczy w zbiorniku jako ciemniejszy słupek wewnątrz zbiornika.
• Przedstawiaj tylko elementy kluczowe dla procesu. Zrezygnuj z odzwierciedlania zaworów, rozróżniania mediów itp.
• Wyeliminuj animacje z wizualizacji.

Zmiana stylu grafik w wizualizacji pozwala operatorom na szybszą reakcję, łatwiejszy odbiór informacji, a w konsekwencji na bardziej wydajną pracę.

Zastanów się, na którym ekranie łatwiej byłoby Ci pracować, jako operatorowi?

Czy kolorowe, duże, skomplikowane grafiki, często z elementami animacji ułatwiłyby Ci pracę? Czy jesteś w stanie dostrzec z łatwością inne elementy wizualizacji? A co, jeśli pojawi się alarm?

11 zasad wprowadzania grafik do wizualizacji HMI/SCADA:

• Linie procesowe powinny być ciemnoszare lub czarne.
• Do zróżnicowania elementów wykorzystuj różną grubość linii, a nie kolory.
• Główne linie procesowe powinny mieć 3 px szerokości, a mniej ważne – 2 px.
• Używaj strzałek w ważniejszych liniach, żeby zaznaczyć kierunek przepływu.
• Ogranicz się do dwóch lub trzech rodzajów linii (np. ciągła, przerywana, kropkowana).
• Zbiorniki przedstawiaj w 2D.
• Przedstawiaj kształt zbiornika bez dodatkowych szczegółów.
• Wnętrze zbiornika powinno mieć kolor tła, bez dodatkowego gradientu.
• Zarys zbiornika powinien być zaznaczony cienką szarą lub czarną linią.
• Rozmiar zbiornika powinien być uzależniony od rozmiaru rzeczywistego i znaczenia tego elementu w procesie.
• Przepływ procesu powinien być realizowany od lewej strony do prawej.

Jak opisywać elementy wizualizacji HMI/SCADA?

Niektóre elementy wizualizacji wymagają wprowadzenia opisów, wykresy – podpisów osi, a wartości – jednostek. Jak powinno się je wprowadzać, żeby nie utracić przejrzystości?

Zgodnie z nowoczesnymi technikami projektowania, opisy powinny być wprowadzane w stonowanych kolorach oraz niewielkich rozmiarach czcionki.

Opisy nie są elementami, które mają przyciągać uwagę operatora, a jedynie informować lub uzupełniać informacje uzyskane z wartości. Projektant powinien uwzględniać tylko te opisy, które są kluczowe lub mogą być potrzebne operatorowi. Nadmiar tekstu na wizualizacji zaciemnia obraz i utrudnia odbiór.

Jak opisy często są wprowadzane w tradycyjnych wizualizacjach?

Jak można je zredukować? Spójrz poniżej:

7 głównych zasad wprowadzania opisów na wizualizacjach HMI/SCADA:

• Ilość tekstu powinna być zminimalizowana, ale nie eliminujemy tekstu w całości, to oczywiste. Wprowadzaj opisy tych elementów, których położenie lub kształt nie wskazują na pełnioną rolę.
• Tekst powinien być ciemnego koloru, ale nie czarnego.
• Nie używaj czcionek szeryfowych (serif), które powodują, że tekst jest mniej czytelny na ekranach.
• Używaj większego, bardziej widocznego tekstu do zaznaczenia powielonych elementów (np. kilka reaktorów, kompresorów lub pieców).
• W przypadku krótkich tytułów lub etykiet używaj wszystkich dużych liter. Wprowadzając dłuższe opisy, pisz wielopoziomowo.
• Zapewnij spójność skrótów i wprowadź ich legendę.
• Dostosuj wielkość czcionki do wielkości ekranu.

Aby właściwie wprowadzić wartości do wizualizacji, pamiętaj dodatkowo o tym, że:

• Pogrubiony, ciemnoniebieski kolor jest właściwy dla szarego tła i rozróżnienia zmieniających się wartości od statycznego tekstu.
• Zera wiodące nie powinny być wyświetlane, z wyjątkiem wartości ułamkowych.
• Wartości powinny być wyświetlane z dokładnością dogodną dla operatora.
• Tabele wartości liczbowych nie są rekomendowane w nowoczesnych wizualizacjach.
• Jednostki nie powinny mieć dużego kontrastu koloru w porównaniu do wartości.
• Zmienne zawsze powinny być wyświetlone domyślnie na ekranie.
• Gdy elementy są wybrane, ich status powinien być zaznaczony przez białą ramkę.
• Wiadomości statusu lub akcji powinny być krótkie i zwięzłe.

Jak stosować kolory w wizualizacjach HMI/SCADA?

Dobierając kolory do wizualizacji, zapoznaj się z techniką Situational Awareness, która ma na celu usprawnienie postrzegania zdarzeń, ich interpretacji oraz reakcji na nie.

Przypomnijmy 3 główne zasady projektowania wizualizacji HMI/SCADA:

• Przedstawiaj kluczowe dane dla konkretnego procesu produkcyjnego.
• Umożliwiaj operatorom sprawne monitorowanie i sterowanie procesem.
• Projektuj tak, by skrócić czas reakcji operatora na sytuacje alarmowe.

Duże znaczenie w realizacji powyższych celów ma właściwy dobór kolorów do wizualizacji. Ma to na celu przyciągnięcie uwagi operatora oraz zapewnienie spójności w przekazie.

Jak było kiedyś?

Wartość wizualizacji często była, a czasami nadal jest oceniana względem atrakcyjności wizualnej ekranów (grafiki 3D, animacje oraz różnorodne kolory). Doprowadziło to do nadużywania i wręcz złego wykorzystania kolorów.

Nadal często wymaga się od projektantów takich praktyk. Chociaż wizualizacje bogate w kolory są doceniane przez osoby zlecające zaprojektowanie wizualizacji, często po pewnym czasie okazuje się, jak bardzo są niepraktyczne dla operatorów…

Tradycyjne wizualizacje charakteryzują się:

• różnorodnymi, jaskrawymi kolorami,
• brakiem spójności w doborze kolorów, przez co odbiór i interpretacja kolorów nie jest jednoznaczna,
• kolorowaniem elementów, które mają podnieść atrakcyjność wizualną ekranu.

„Wizualizacja powinna być nudna”

Okazuje się, że „nudna” wizualizacja w stonowanych kolorach zapewnia bardziej wydajną pracę operatorów i służb utrzymania ruchu.

O czym należy pamiętać przy doborze kolorów w wizualizacji?

3 główne zasady stosowania kolorów w wizualizacjach HMI/SCADA:

• Postaw na jeden stonowany kolor wizualizacji. Przy wprowadzaniu elementów dodatkowych, wykorzystaj różne odcienie wybranego koloru.
• Wprowadź spójne kodowanie kolorów. Kolory również niosą za sobą informację, dlatego bardzo ważne jest dopasowanie koloru do funkcji danego elementu wizualizacji. Wprowadź osobne, stonowane kolory dla trendów oraz wartości wskaźników. Alarmy wyróżnij jaskrawym kolorem.
• Wyróżniaj tylko elementy istotne dla procesu.

Jaki powinien być kolor tła w wizualizacji HMI/SCADA?

Wbrew powszechnej zasadzie, że tło powinno być bardzo jasne lub bardzo ciemne w celu maksymalizacji kontrastu, nie powinno się wprowadzać takiego tła do wizualizacji. Duże kontrasty powodują zmęczenie oczu.

Prawidłowym kolorem tła w wizualizacji są jasne odcienie szarości. Wprowadzenie jasnoszarego tła powoduje zmniejszenie zmęczenia oczu, zwiększenie przejrzystości wizualizacji, a nawet uzyskanie odpowiedniego kontrastu.

3 zasady stosowania kolorów w wizualizacjach HMI/SCADA:

1. Kolory elementów wizualizacji powinny być dobierane oszczędnie, z wąskiego zakresu.

Linie procesowe oraz kontury zbiorników powinny być zaznaczane kolorem ciemnoszarym lub czarnym. Różnorodność i rozróżnienie wielu elementów powinno być uzyskane przez różną grubość linii, a nie zróżnicowanie kolorów. Kolory nie powinny być używane w celu zaznaczenia rodzaju materiału lub medium (np. stal – metaliczny, woda – niebieski, ogień – pomarańczowy / czerwony itp.)

2. Użycie kolorów powinno być ustandaryzowane i rygorystycznie przestrzegane.

Jasne, intensywne kolory powinny być używane tylko w celu szybkiego przyciągnięcia uwagi operatora w sytuacjach alarmowych bądź krytycznych.

3. Kolory nie powinny być jedynym elementem wyróżniającym ważne elementy.

W tym celu sytuacje alarmowe należy zaznaczać również poprzez wprowadzenie kształtów wyświetlanych komunikatów.

Przeczytaj więcej o prawidłowym dobieraniu kolorów do wizualizacji.

Jak optymalnie zaprojektować nawigację  pomiędzy ekranami HMI/SCADA?

Przenieśmy się znowu do control room-u i wejdźmy w rolę operatora kontrolującego proces. Nie wszystkie dane jesteśmy w stanie pokazać na jednym ekranie, dlatego dla operatora ważny jest szybki i intuicyjny dostęp do potrzebnych mu informacji. Rolą projektanta jest również zaplanowanie nawigacji w wizualizacji.

Uwzględniając nawigację należy pamiętać o umożliwieniu operatorowi:

• przejścia przez wizualizację całego kontrolowanego procesu,
• przywołania powiązanych szczegółów, wykresów,
• zamknięcia wyświetlanych statusów w grafikach,
• przejścia do któregokolwiek ekranu bez znajomości hierarchii ekranów.

Projektując wizualizację należy również umożliwić sterowanie zarówno za pomocą panelu dotykowego, jak również myszki i klawiatury.

Przeczytaj jak dobrać panel HMI/ komputer przemysłowy

3 główne zasady projektowania nawigacji w wizualizacji HMI/SCADA:

• Wprowadź wiele metod nawigacji. Pozwoli to na intuicyjną obsługę i nawigację nawet dla operatorów, którzy pracują na tej wizualizacji pierwszy raz. Każdy operator powinien być w stanie przejść do dowolnego ekranu.
• Wprowadź standardowy schemat nazewnictwa dołączonych plików oraz grafik.
• Używaj prostych nazw identyfikujących elementy procesu. Nie powinno być sytuacji, w której operator musi wpisać nazwę pliku w celu nawigacji.
• Wprowadź proste, intuicyjne menu nawigacyjne.

Autor: Ewelina Szędzioł

Zrozumiałeś artykuł i jego główne wskazówki? Przećwicz wiedzę w praktyce!

Zaprojektuj prostą wizualizację zgodnie z nowoczesnymi praktykami:

• Zacznij od decyzji, jaki proces będzie odzwierciedlała Twoja wizualizacja. Na początek wybierz mało skomplikowany proces.
• Następnie przygotuj plan – rozrysuj na kartce schemat zaplanowanej wizualizacji.
• Wszystkie zaplanowane elementy zaprojektuj zgodnie z zasadami projektowania nowoczesnych wizualizacji.

Wskazówka: Pracuj na duplikowanych elementach z bibliotek. Dzięki temu będziesz miał/miała pewność, że przy edycji elementów zawsze będziesz mógł/mogła wrócić do pierwotnej wersji.

Jak Ci się pracowało? Napisz w komentarzu.

W kolejnym artykule z cyklu „Kurs projektanta systemów HMI/SCADA” cz.3 –  
Jak dopasować specyfikę wizualizacji HMI/SCADA do celu procesu i oceny wydajności procesu?

• cele wydajnej wizualizacji,
• dostosowanie wizualizacji do różnych stanów procesu,
• które elementy wizualizacji świadczą o wydajności procesu,
• jak osiągnąć maksimum wydajności przez wizualizację,
• jak zminimalizować ryzyko popełnienia błędu przez operatora.

Inspiracją i źródłem do powstania „Kursu projektanta systemów HMI/SCADA” są:

• „The High Performance HMI Handbook” – Bill Hollifield, Dana Oliver, Ian Nimmo, Eddie Habibi.
• „Wonderware design guidelines” – materiały Wonderware

• „InTouch Demo conception document” – materiały Wonderware

• Situational Awareness – materiały AVEVA https://sw.aveva.com/monitor-and-control/industrial-information-management/situational-awareness