ISA-101 là gì: vòng đời HMI, triết lý, hướng dẫn trình bày, phân cấp màn hình và HMI hiệu suất cao

ISA-101 là gì

ANSI/ISA-101.01-2015, Human Machine Interfaces for Process Automation Systems (giao diện người – máy cho hệ thống tự động hóa quá trình), là tiêu chuẩn của ISA về màn hình vận hành của hệ điều khiển quá trình. Theo ARC Advisory Group, Hội đồng Tiêu chuẩn và Thực hành (Standards and Practices Board) của ISA phê duyệt tiêu chuẩn đầu năm 2015 và ANSI phê duyệt tháng 7/2015. Tiêu chuẩn áp dụng cho quá trình liên tục, batch và rời rạc.

Tiêu chuẩn bao trùm toàn bộ vòng đời của HMI — từ thiết kế qua triển khai, vận hành và bảo trì — chứ không chỉ chuyện màn hình trông ra sao. ARC mô tả các nguyên tắc định hướng của tiêu chuẩn là độc lập với nền tảng của hãng, nên cùng một cách làm áp dụng được cho FactoryTalk View, AVEVA hay Ignition. Màu, font và ký hiệu cụ thể được ghi vào hướng dẫn trình bày riêng của từng nhà máy; ví dụ Rockwell đưa ra Process HMI Style Guide của họ làm điểm xuất phát cho tài liệu đó, không phải làm tiêu chuẩn.

Về sau ISA ban hành thêm các báo cáo kỹ thuật (technical report) hỗ trợ việc áp dụng tiêu chuẩn, trong đó có ISA-TR101.02-2019, HMI Usability and Performance (tính dễ dùng và hiệu năng của HMI), và ISA-TR101.01-2022, HMI Philosophy (triết lý HMI).

Quản lý alarm có bài riêng, ISA-18.2: quản lý alarm; bài nâng cấp SCADA theo ISA-101 và ISA-18.2 xem cả hai tiêu chuẩn khi thay một hệ cũ.

Vấn đề của màn hình kiểu cũ

Blog ISA-101 của Yokogawa chỉ ra một kiểu thường gặp: màn hình vận hành chép từ P&ID. P&ID đi theo vị trí vật lý của nhà máy, cắt thành từng mảnh nhỏ, chứ không theo dòng công nghệ, nên người vận hành phải lục qua nhiều màn hình; màn hình thì đầy chi tiết nhưng ít cho thấy cái gì quan trọng nhất. Ví dụ trong bài là một bơm tô màu đỏ: chỉ nhìn màu thì không biết bơm đang chạy, đang dừng hay đang có alarm.

Cũng bài đó liệt kê các câu hỏi mà người vận hành phải trả lời được ngay khi nhìn màn hình phòng điều khiển, diễn giải lại:

• Quá trình đang ổn định hay đang có sự cố (upset)?
• Nhà máy có đang chạy đúng điểm vận hành mong muốn không?
• Các biến quan trọng đang thay đổi hay đứng yên?
• Vài giờ qua các biến quan trọng nhất diễn biến thế nào?
• Có alarm không, ở đâu, và phải làm gì?

Sách trắng (white paper) của Emerson về HMI hiệu suất cao nói cùng ý đó từ phía thiết kế: sắp xếp thông tin để người vận hành quét nhanh ra bất thường, thay vì vẽ một bức tranh giống thật của nhà máy.

Phân cấp màn hình và điều hướng

Phân cấp màn hình cho phép hé lộ dần thông tin (progressive disclosure): người vận hành thấy toàn cảnh trước, chỉ mở chi tiết khi cần. Rockwell đặt tên bốn cấp:

ARC mô tả các cấp tương tự với tên hơi khác: tổng quan toàn khu vực điều khiển của người vận hành, một công đoạn (unit operation) hoặc nhiệm vụ chính, chi tiết nhiệm vụ, và màn hình chẩn đoán. ARC nhận xét phần lớn nhà máy đang thiếu màn hình cấp 2 và cấp 3.

Rockwell đưa ra hai quy tắc thực tế. Màn hình cấp 2 là nơi người vận hành làm việc, nên thiết kế trước, rồi mới tới màn hình tổng quan. Mỗi vị trí vận hành chỉ có một màn hình tổng quan, dù có thể có biến thể cho từng chế độ, ví dụ batch.

Về điều hướng, Rockwell yêu cầu nhiều đường đi: thanh điều hướng chính trên mọi màn hình, thêm nút sang màn hình liên quan và về màn hình tổng quan, để người vận hành đi lại được mà không cần thuộc phân cấp. Phần tử điều hướng nằm cùng một chỗ trên mọi màn hình và trông khác nút lệnh, để không ai vô tình ra lệnh. Rockwell còn đặt chỉ tiêu thời gian gọi màn hình: không quá 2 giây với màn hình cấp 2 và cấp 3, không quá 5 giây với cấp 1 và cấp 4.

Nguyên tắc thiết kế HMI hiệu suất cao

Emerson và Inductive Automation gọi màn hình thiết kế theo hướng này là "HMI hiệu suất cao" (high-performance HMI). Các hướng dẫn của hãng thống nhất ở một số nguyên tắc.

Nền trung tính. Rockwell dùng nền xám nhạt và viền xám cho thiết bị, đường ống. Emerson khuyên dùng nền xám nhạt để giảm chói và đỡ mỏi mắt cho người vận hành; tài liệu Ignition của Inductive Automation mô tả màn hình chủ yếu là thang xám.

Màu dành cho bất thường. Rockwell gọi màu là thuộc tính bị lạm dụng nhiều nhất trong thiết kế màn hình, và để dành màu rực cho alarm, không thứ gì khác được dùng; giá trị động dùng màu dịu hơn, như xanh dương. Tài liệu Ignition không đổi màu thiết bị khi thiết bị lỗi: một chỉ báo alarm đặt cạnh thiết bị cho biết sự cố.

Không bao giờ chỉ dùng màu. Rockwell nêu rõ trạng thái không được phụ thuộc duy nhất vào màu. Tài liệu Ignition giải thích lý do: đỏ với xanh lá, hoặc xanh dương với tím, khó phân biệt với người mù màu, và màn hình công nghiệp có thể hiển thị sai màu. Vì vậy màu luôn đi kèm hình dạng và chữ.

Giá trị có ngữ cảnh. Ý của Rockwell là dữ liệu tự nó chưa phải thông tin: một giá trị chỉ có ích khi đặt cạnh giới hạn và dải bình thường của nó. Bar graph thể hiện giá trị so với giới hạn; khi một nhóm bar graph được chia thang hợp lý, các con trỏ xếp thành một đường thẳng lúc mọi thứ bình thường. Emerson khuyên dùng chỉ báo analog động (moving analog indicator) thể hiện thang đo và giới hạn, thang hẹp, và ưu tiên hàng đầu cho trend.

Hình phẳng, đơn giản. Emerson khuyên vẽ thiết bị 2D, không đổ bóng, không gradient, chỉ giữ chi tiết giúp ích cho người vận hành; Rockwell không dùng gradient.

Chữ và faceplate nhất quán. Rockwell dùng font không chân (sans-serif), nhãn theo đúng tên người vận hành vẫn gọi, ít viết tắt, và faceplate chia tab theo loại người dùng, như người vận hành và kỹ sư.

Ảnh dưới đây là màn hình PlantPAx khu nhập nguyên liệu do TDL làm tại Vĩnh Hoàn FeedOne năm 2022: nền xám, thiết bị vẽ đơn giản màu xám, trạng thái hiện bằng chữ, màu mạnh chỉ xuất hiện ở vài chỗ.

Vòng đời HMI

Màn hình tốt là kết quả nhìn thấy được; phần lớn ISA-101 nói về công việc tạo ra và giữ cho chúng đúng. ARC tóm tắt vòng đời trong ISA-101 thành bốn giai đoạn. Giai đoạn chuẩn (standards) đặt ra triết lý HMI và các tài liệu nền như hướng dẫn trình bày. Giai đoạn thiết kế gồm yêu cầu, thiết kế hệ thống, thiết kế bàn điều khiển (console) và thiết kế màn hình. Giai đoạn triển khai dựng HMI trên nền tảng đích, kèm thử nghiệm, lập hồ sơ và đào tạo. Giai đoạn vận hành gồm vận hành, bảo trì, quản lý thay đổi và cuối cùng là ngừng sử dụng (decommissioning).

Yokogawa mô tả cùng chu trình là thiết kế, triển khai và vận hành, với quản lý thay đổi (management of change, MOC), đánh giá (audit) và xác nhận (validation) chạy suốt vòng đời, và lưu ý vòng đời này có thể kéo dài hàng chục năm. Bài cũng nhận xét phần lớn nhà máy không có cách làm bài bản để cập nhật màn hình khi nhà máy thay đổi — dời một transmitter áp suất hay sửa đường ống bơm thì HMI cũng phải đổi theo.

Ba tài liệu: triết lý, hướng dẫn trình bày, bộ thư viện

Hướng dẫn của Rockwell tóm tắt ba tài liệu mà ISA-101 định nghĩa:

Rockwell khuyên ghi nhu cầu vận hành vào tài liệu triết lý trước tiên. ISA-TR101.01 về triết lý bao gồm chuẩn hệ thống, nguyên tắc thiết kế, triển khai, vận hành, bảo trì và cải tiến liên tục — trong đó có quản lý thay đổi, đánh giá và theo dõi hiệu năng — cùng vai trò, an ninh, thiết kế phòng điều khiển và đào tạo. Emerson coi bộ thư viện phần tử màn hình dùng lại được là cách làm nhanh hơn và giảm lỗi do người.

Ngân sách màu (colour budget) là một quyết định điển hình mà hướng dẫn trình bày chốt một lần cho cả nhà máy. Hình dưới dùng mã màu trong hướng dẫn của Rockwell; hướng dẫn của nhà máy khác có thể chọn màu khác, nhưng quy tắc vẫn vậy: xám cho bình thường, màu alarm không dùng vào việc gì khác.

Alarm trên màn hình

Tín hiệu nào là alarm, và người vận hành xử lý được bao nhiêu alarm, là việc của ISA-18.2 — xem bài ISA-18.2. ISA-101 và hướng dẫn trình bày quyết định alarm hiện lên màn hình thế nào. Hướng dẫn của Rockwell cho thấy một bộ quy tắc điển hình:

• alarm hiện ngay cạnh đối tượng gây ra nó, không chỉ trong danh sách alarm;
• mỗi mức ưu tiên có màu, hình dạng và biểu tượng riêng, dùng như nhau trên toàn bộ HMI;
• alarm chưa xác nhận (unacknowledged) nhấp nháy đến khi được xác nhận, và người vận hành dừng được nhấp nháy; bản thân chữ không nhấp nháy;
• băng alarm (alarm banner) trên mọi màn hình (hoặc một màn hình riêng cho alarm) hiện các alarm mới nhất và ưu tiên cao nhất, và nhóm alarm đi theo phân cấp màn hình để lọc danh sách theo khu vực;
• cảnh báo (warning) và nhắc nhở (prompt) không dùng màu alarm.

Tài liệu Ignition dùng cùng ý tưởng cho chỉ báo alarm (alarm indicator): một hình có màu và đánh số đặt sát thiết bị, có khi nối với thiết bị bằng một đường chấm để người vận hành không gán nhầm alarm sang máy khác.

Nhận thức tình huống và người vận hành

Nhận thức tình huống (situation awareness) thường được mô tả theo ba mức: nhận biết điều đang xảy ra, hiểu nó có nghĩa gì, và dự đoán điều sắp xảy ra. Yokogawa coi màn hình xây trên yếu tố con người (human factors) là cách mang lại nhận thức tình huống cho người vận hành một cách nhất quán. Trend giúp ở mức thứ ba: Rockwell lưu ý trend cho thấy một giá trị đang tăng đều, điều mà bar graph hay một con số không thể hiện được.

Người vận hành cũng là một phần của việc thiết kế. Rockwell thiết kế cho người dùng chính, phần lớn trường hợp là người vận hành: quan sát và phỏng vấn người vận hành, làm bản mẫu (prototype) màn hình cùng họ bằng bất kỳ công cụ vẽ nào trước khi dựng trong phần mềm HMI, và thử nhãn, bố cục trong môi trường vận hành thật. Emerson bổ sung rằng người vận hành cần được đào tạo về chính HMI.

Hệ mới hay nâng cấp

Với hệ mới, tài liệu đi trước, rồi tới màn hình cấp 2, rồi màn hình tổng quan. Khi nâng cấp, màn hình đằng nào cũng phải làm lại, nên đó là lúc tốt để viết tài liệu và đổi kiểu màn hình; bài về nâng cấp bàn kỹ hướng này. Cả hai trường hợp, mọi thay đổi nhà máy về sau đều đi qua quản lý thay đổi và vào màn hình.

Áp dụng trong dự án

• Thống nhất với nhà máy ngay từ đầu: áp dụng ISA-101 tới mức nào, ai giữ tài liệu triết lý và hướng dẫn trình bày.
• Viết triết lý trước màn hình đầu tiên, rồi hướng dẫn trình bày và bộ thư viện trên nền tảng đã chọn.
• Chỉ dựng màn hình từ đối tượng trong bộ thư viện, để sửa một ký hiệu hay faceplate chỉ phải sửa một lần.
• Thiết kế màn hình cấp 2 trước, cho người vận hành xem bản mẫu.
• Chốt ngân sách màu trong hướng dẫn trình bày: xám cho bình thường, màu alarm không dùng vào việc khác, màu không bao giờ là dấu hiệu duy nhất.
• Thể hiện các giá trị chính so với dải bình thường, kèm trend ở chỗ người vận hành phải ra quyết định.
• Kiểm từng màn hình theo hướng dẫn trình bày khi FAT, và đưa mọi thay đổi về sau qua quản lý thay đổi.