Nâng tầm Hiệu quả và An toàn Sản xuất với Tiêu chuẩn ISA-101 cho thiết kế HMI trong DCS

Trong kỷ nguyên tự động hóa, vai trò của con người không hề bị giảm sút mà ngược lại, trở nên quan trọng hơn bao giờ hết, đặc biệt là đối với người vận hành các hệ thống phức tạp. Tiêu chuẩn ISA-101 cho thiết kế HMI trong DCS ra đời như một kim chỉ nam, giúp tạo ra các giao diện người-máy (HMI) không chỉ đẹp mắt mà còn trực quan, hiệu quả, đảm bảo an toàn và năng suất tối đa cho các nhà máy sản xuất.

1. Tầm quan trọng của giao diện HMI trong điều khiển công nghiệp

Trong các ngành công nghiệp như hóa chất, lọc dầu, năng lượng và dược phẩm, hệ thống DCS (Distributed Control System) đóng vai trò xương sống, điều phối và kiểm soát toàn bộ quy trình sản xuất phức tạp. Tuy nhiên, hiệu quả của một hệ thống DCS phụ thuộc rất lớn vào giao diện HMI – “cửa sổ” để người vận hành tương tác và giám sát quy trình.

Trong quá khứ, các HMI thường được thiết kế với rất nhiều màu sắc rực rỡ, chi tiết đồ họa phức tạp và thông tin lộn xộn. Mặc dù có vẻ ấn tượng, những thiết kế này lại gây khó khăn cho người vận hành trong việc phân biệt các thông tin quan trọng, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp.

Một màn hình với quá nhiều màu đỏ, vàng, xanh chói lọi có thể làm người vận hành mất tập trung, không thể nhận ra vấn đề một cách nhanh chóng. Điều này không chỉ làm giảm hiệu quả vận hành mà còn tiềm ẩn rủi ro về an toàn. Trước thực trạng đó, ngành công nghiệp cần một phương pháp tiếp cận có cấu trúc và dựa trên nghiên cứu khoa học để thiết kế HMI.

Và đó là lúc tiêu chuẩn ISA-101 xuất hiện. Nó không phải là một bộ quy tắc cứng nhắc, mà là một tập hợp các nguyên tắc và hướng dẫn giúp các kỹ sư thiết kế HMI sao cho phù hợp với nhận thức của con người, đảm bảo tính dễ đọc, dễ hiểu và dễ thao tác. Bài viết này sẽ đi sâu vào các nguyên tắc cốt lõi của tiêu chuẩn ISA-101 và làm rõ cách áp dụng nó một cách hiệu quả để thiết kế HMI trong các hệ thống DCS, từ đó nâng cao an toàn và hiệu quả sản xuất.

2. Tiêu chuẩn ISA-101 là gì? Các nguyên tắc cốt lõi

Tiêu chuẩn ISA-101 được định nghĩa là một bộ hướng dẫn do Hiệp hội ISA (International Society of Automation) ban hành, tập trung vào việc thiết kế và xây dựng các giao diện HMI hiệu quả cho các hệ thống điều khiển công nghiệp. Triết lý trung tâm của tiêu chuẩn này là biến HMI từ một “bảng điều khiển” thụ động thành một công cụ chủ động giúp người vận hành nhận biết (recognize), hiểu (understand) và phản ứng (respond) nhanh chóng với các tình huống bất thường hoặc nguy hiểm. Các nguyên tắc cốt lõi của tiêu chuẩn ISA-101 có thể được tóm tắt như sau:

• Giảm thiểu màu sắc không cần thiết: Tiêu chuẩn khuyến khích sử dụng gam màu xám, đen và trắng làm chủ đạo cho nền và các đối tượng tĩnh. Màu sắc rực rỡ (như đỏ, vàng, xanh lá cây) chỉ được sử dụng một cách có chủ ý để thu hút sự chú ý đến các thông tin quan trọng, cảnh báo hoặc trạng thái bất thường. Điều này giúp tránh hiện tượng “mệt mỏi thị giác” và đảm bảo khi có một màu sắc nổi bật xuất hiện, người vận hành sẽ ngay lập tức nhận ra đó là một vấn đề cần chú ý.
• Trình bày dữ liệu hiệu quả: Thay vì chỉ hiển thị các con số khô khan, tiêu chuẩn ISA-101 khuyến khích sử dụng các phương pháp trực quan hóa dữ liệu. Ví dụ, sử dụng các đồ thị xu hướng, biểu đồ thanh hoặc các biểu tượng đơn giản để thể hiện trạng thái và xu hướng của các thông số quy trình. Điều này giúp người vận hành nắm bắt tình hình nhanh hơn nhiều so với việc phải đọc và so sánh các giá trị số.
• Phân cấp thông tin: Một trong những nguyên tắc quan trọng nhất của tiêu chuẩn này là phân cấp thông tin từ tổng quan đến chi tiết. Người vận hành nên có khả năng nhìn thấy bức tranh toàn cảnh của nhà máy, sau đó “khoan” sâu vào từng khu vực, từng đơn vị và cuối cùng là từng thiết bị khi cần thiết. Cấu trúc này giúp người vận hành không bị choáng ngợp bởi quá nhiều thông tin cùng một lúc và chỉ tập trung vào những gì liên quan đến nhiệm vụ hiện tại.
• Quản lý cảnh báo: Hầu hết các hệ thống cảnh báo truyền thống thường tạo ra một “cơn bão cảnh báo” (alarm flood) khi có sự cố, làm người vận hành bị quá tải và không thể phân biệt cảnh báo nào là quan trọng. Tiêu chuẩn ISA-101 hướng đến một hệ thống quản lý cảnh báo hiệu quả, giúp người vận hành phân loại mức độ nghiêm trọng của cảnh báo, ưu tiên hiển thị các cảnh báo quan trọng nhất và hạn chế các cảnh báo không cần thiết.
• Đơn giản hóa giao diện: Giao diện HMI theo ISA-101 được thiết kế đơn giản, gọn gàng, loại bỏ các chi tiết đồ họa không cần thiết như các hình ảnh 3D phức tạp, các hiệu ứng đổ bóng hoặc các đối tượng trang trí. Mọi yếu tố trên màn hình đều phải có một mục đích rõ ràng, giúp người vận hành tập trung vào nhiệm vụ chính là giám sát và điều khiển.

3. Các cấp độ HMI theo Tiêu chuẩn ISA-101

Tiêu chuẩn ISA-101 đưa ra một mô hình 5 cấp độ (hoặc 4 cấp độ tùy theo cách tiếp cận) để thiết kế các màn hình HMI, tạo ra một luồng điều hướng logic và hiệu quả cho người vận hành. Các cấp độ này là:

• Cấp độ 1: Màn hình Tổng quan về Nhà máy (Plant Overview): Đây là màn hình tổng thể, cung cấp cái nhìn bao quát về toàn bộ nhà máy hoặc khu vực sản xuất. Màn hình này thường chỉ hiển thị các chỉ số hiệu suất chính (KPI) và trạng thái tổng quan. Thiết kế đơn giản, không có chi tiết thừa, giúp người vận hành nhanh chóng nhận biết nếu có vấn đề ở bất kỳ khu vực nào.
• Cấp độ 2: Màn hình Tổng quan Quy trình (Process Overview): Màn hình này cung cấp cái nhìn chi tiết hơn về một quy trình hoặc một khu vực sản xuất cụ thể. Nó bao gồm các thông số vận hành quan trọng, các đường ống và thiết bị chính, giúp người vận hành có cái nhìn tổng quan về tình trạng hoạt động của một quy trình.
• Cấp độ 3: Màn hình Chi tiết Đơn vị (Unit Detail): Màn hình này đi sâu hơn vào từng đơn vị hoặc thiết bị cụ thể. Người vận hành có thể xem các thông số chi tiết, các giá trị cài đặt, đồ thị xu hướng và trạng thái của từng thiết bị trong đơn vị đó. Đây là nơi người vận hành thực hiện các thao tác điều khiển chính.
• Cấp độ 4: Màn hình Chi tiết Bổ sung (Supporting Detail): Màn hình này không phải lúc nào cũng cần thiết nhưng cung cấp thêm thông tin rất chi tiết khi có sự cố. Ví dụ, một màn hình hiển thị lịch sử cảnh báo, nhật ký sự kiện, hoặc các thông số chẩn đoán của thiết bị.
• Cấp độ 5: Màn hình Cấu hình và Chẩn đoán (Configuration and Diagnostic): Cấp độ này dành riêng cho các kỹ sư và chuyên gia bảo trì. Nó cho phép truy cập vào các tham số cấu hình của hệ thống DCS và thực hiện các tác vụ chẩn đoán phức tạp. Màn hình này thường được bảo vệ bằng mật khẩu và không dành cho người vận hành thông thường.

4. Áp dụng ISA-101 để thiết kế HMI trên Hệ thống DCS

Việc triển khai tiêu chuẩn ISA-101 trên các hệ thống DCS hiện đại trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết nhờ vào sự hỗ trợ của các nhà cung cấp.

Tích hợp với Thư viện Đối tượng: Các nhà cung cấp DCS lớn như ABB, Emerson, Honeywell, Siemens đều đã phát triển các thư viện đối tượng HMI tuân thủ ISA-101. Các thư viện này cung cấp sẵn các biểu tượng, đồ thị, và các đối tượng điều khiển được thiết kế theo các nguyên tắc của tiêu chuẩn, giúp các kỹ sư thiết kế nhanh chóng và nhất quán.

Thiết kế Giao diện Đồ họa (GUI):

• Gam màu: Các giao diện HMI nên sử dụng gam màu xám nhạt làm màu nền. Các thiết bị như van, bơm, đường ống nên được hiển thị bằng màu xám, đen hoặc các màu trung tính khác.
• Hiển thị giá trị: Sử dụng các đồ thị xu hướng để theo dõi các thông số quan trọng. Thay vì chỉ hiển thị một con số, việc hiển thị đồ thị xu hướng trong vài giờ hoặc vài ngày có thể giúp người vận hành nhanh chóng nhận ra các biến động bất thường.

Quản lý cảnh báo: Áp dụng hệ thống phân cấp cảnh báo (alarm rationalization). Điều này bao gồm việc phân loại cảnh báo thành các mức độ: khẩn cấp, quan trọng, và ít quan trọng. Hệ thống DCS cần được cấu hình để chỉ hiển thị các cảnh báo khẩn cấp lên màn hình chính, còn các cảnh báo khác sẽ được lưu vào nhật ký và người vận hành có thể xem khi cần. Điều này giúp người vận hành không bị choáng ngợp và tập trung vào những vấn đề thực sự nghiêm trọng.

Thiết kế luồng điều hướng: Luồng điều hướng giữa các màn hình phải trực quan và dễ dàng. Sử dụng các nút bấm hoặc các liên kết hợp lý trên các màn hình HMI để người vận hành có thể di chuyển từ màn hình tổng quan đến màn hình chi tiết một cách nhanh chóng. Việc thiết kế này giúp giảm thời gian tìm kiếm thông tin và ra quyết định.

5. Lợi ích khi thiết kế HMI theo Tiêu chuẩn ISA-101

Việc áp dụng tiêu chuẩn ISA-101 không chỉ đơn thuần là việc thay đổi giao diện, mà là một sự chuyển đổi chiến lược mang lại những lợi ích thiết thực:

• Cải thiện An toàn: Giao diện HMI được thiết kế tốt giúp người vận hành dễ dàng nhận biết các tình huống nguy hiểm và đưa ra phản ứng kịp thời. Điều này giảm thiểu nguy cơ tai nạn và sự cố trong nhà máy, bảo vệ cả con người và tài sản.
• Nâng cao Hiệu quả Vận hành: Giao diện trực quan giúp người vận hành xử lý thông tin nhanh hơn, giảm thiểu thời gian tìm kiếm và phân tích dữ liệu. Điều này dẫn đến các quyết định nhanh chóng và chính xác hơn, từ đó tăng năng suất và hiệu suất của toàn bộ quy trình sản xuất.
• Giảm thiểu Lỗi: Giao diện đơn giản, rõ ràng giúp giảm thiểu các lỗi thao tác của con người. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống áp lực cao, nơi một sai lầm nhỏ cũng có thể gây ra hậu quả lớn.
• Đơn giản hóa việc Đào tạo: Với một giao diện chuẩn hóa và logic, việc đào tạo người vận hành mới trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn. Người vận hành có thể làm quen với hệ thống một cách hiệu quả, giảm thiểu thời gian và chi phí đào tạo.
• Hỗ trợ Quản lý Cảnh báo: Một trong những lợi ích lớn nhất của việc áp dụng tiêu chuẩn ISA-101 là cải thiện hệ thống quản lý cảnh báo. Nó giúp người vận hành tập trung vào các cảnh báo quan trọng nhất, tránh bị quá tải bởi các cảnh báo không cần thiết và giảm thời gian xử lý sự cố.

6. Kết luận

Tóm lại, việc áp dụng tiêu chuẩn ISA-101 cho thiết kế HMI trong DCS là một bước đi chiến lược và cần thiết cho bất kỳ doanh nghiệp sản xuất nào. Bằng cách tập trung vào sự đơn giản, trực quan và hiệu quả, sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu suất và an toàn của hệ thống điều khiển mà còn tạo ra một môi trường làm việc thông minh và hiệu quả cho người vận hành.