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Diseño Industrial

DISEÑO DE SALA DE CONTROL

MIPO Máster en Interacción Persona Ordenador

Pere PonsaAntoni Granollers

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Diseño Industrial. Pere Ponsa, Toni Granollers

Diseño de sala de control

3 Diseño de sala de control 3.1 Objetivos 3.2 Sala de control industrial 3.3 Ingeniería de la usabilidad aplicada al diseño de sala de control 3.4 Ergonomía aplicada al diseño de sala de control 3.5 Supervisión industrial 3.6 Guía para diseño de pantalla en supervisión 3.7 Aplicación en planta azucarera 3.8 Aplicación en campus universitario 3.9 Referencias 3.1 Objetivos En este capítulo se detallan los conceptos básicos asociados a una sala de control (control room) en la que se realizan tareas de supervisión. El capítulo está concebido para que el estudiante conozca el entorno de trabajo en el que se desarrolla de forma industrial y social la tarea de supervisión. 3.2 Consideraciones previas En los actuales ejemplos de sistemas de control distribuido conviene identificar el rol del operario a pie de máquina o línea productiva respecto el rol del operario en la sala de control. El operario en la sala de control se integra dentro de un grupo de trabajo especializado en la tarea de supervisión y podemos encontrar un gran número de ejemplos en el control de tráfico aéreo, el control de transporte metropolitano o ferroviario, el control de plantas nucleares o el control de plantas industriales. Asistiendo al detalle de que desde el nivel de máquina o proceso hasta la sala de control coexisten subsistemas muchos de ellos automatizados, hay que destacar la relación entre el operario de sala de control y la automatización. En muchos casos, la responsabilidad de la toma de decisiones del funcionamiento de la planta recae en las personas. Y en aquellos casos de sistemas altamente automatizados, cuando se produce una situación de riesgo, la persona debe intervenir. Así, en ambos casos, es importante la respuesta a situaciones de riesgo y evaluar el posible error humano. Con ello queremos indicar que si bien se debe prestar una especial atención al mantenimiento y seguridad de los equipos electromecánicos que configuran los equipos de control, no debe olvidarse considerar el factor humano y el diseño ergonómico de la sala de control. La norma ISO 11064-1 contempla el diseño ergonómico de centros de control en forma de una metodología top-down. La propuesta se divide en 5 fases. Fase A Clarificación. Se detalla la gestión del sistema, la escala temporal del proyecto a realizar, las restricciones de los equipos y el presupuesto del proyecto. La ergonomía debe estar presente ya desde las primeras etapas, de ahí la importancia de considerarla también en esta fase.

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Fase B Análisis y Definición. Se especifican las funciones de la sala de control y los requerimientos de rendimiento. Se detalla el reparto de tareas de trabajo entre ordenador y operario. Fase C Diseño conceptual. Se concreta la distribución de la sala (layout), diseño de mobiliario, preparativos de los dispositivos de control y visualización. Fase D Diseño detallado. Se incluyen en esta fase las especificaciones ergonómicas en los equipos de control y visualización, así como en el mobiliario. Fase E Feedback operacional. Se revisa el proceso para garantizar el éxito de la metodología y aprovecharla en el desarrollo de proyectos futuros.

Objetivos y Requerimientos

Definición del Rendimiento del Sistema

Asignación de funciones a personas y/o máquinas

Diseño de la Organización del trabajo

Condicionamientode la habitación

Distribución de lasala de control

Distribución delas Estaciones de

trabajo

Diseño deEquipos de

control yvisualización

Diseño AmbientalDiseño deprocesos

Validación de las propuestas de diseño

Recogida de experiencias operacionales

Fase A

Fase B

Fases Cy D

Fase E

En la aplicación de la norma ISO 11064 a sistemas complejos dicha norma se divide en 8 partes: - Parte 1: Principios de diseño de centros de control - Parte 2: Principios para el acondicionamiento de la habitación de control - Parte 3: Distribución de la sala de control - Parte 4: Distribución de las estaciones de trabajo - Parte 5: Equipos de control y visualización - Parte 6: Requerimientos ambientales en sala de control - Parte 7: Principios para la evaluación de centros de control - Parte 8: Requerimientos ergonómicos para aplicaciones específicas

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La Parte 1 indica nueve principios para el diseño ergonómico de centros de control: - Principio 1: Para considerar la presencia de la disciplina factores humanos en la metodología propuesta en la Figura anterior, es necesario adoptar el punto de vista del diseño centrado en la persona (Human Centred Design HCD) - Principio 2: La integración de la ergonomía en la práctica de la ingeniería de sistemas permite abordar las necesidades ergonómicas en la gestión global del proyecto. - Principio 3: La mejora del diseño a través de la iteración. Los proyectos en sala de control son dinámicos y varían desde su concepción hasta su puesta en marcha, por lo que un punto de vista en forma de ciclo de diseño iterativo facilita la mejora de la calidad y la eficiencia - Principio 4: Seguimiento del comportamiento del sistema en base a un análisis situacional (Situational Analysis) focalizado en el entorno del trabajo. - Principio 5: Seguimiento del comportamiento del sistema en base a un análisis de la tarea (Task Analysis) focalizado en las actividades del operario - Principio 6: Diseño de sistemas tolerantes a fallos, principio que considera la premisa de que el error humano no puede ser eliminado totalmente. - Principio 7: Asegurarse de la participación del usuario en el diseño de los procesos, ya que su intervención debe ser adecuadamente estrucurada. - Principio 8: Formación de un equipo interdisciplinar. La Parte 2, centrada en el condicionamiento de aquellas habitaciones que complementan a la tarea de supervisión que se realiza en la sala de control, y que por su relevancia deben ser mencionadas como por ejemplo la tarea de mantenimiento, las condiciones ambientales, la seguridad de la sala de control en relación a la seguridad de toda la planta, así como la estructura de servidores informáticos que dan cobertura a la tarea de supervisión. La Parte 3 está focalizada en la distribución de la sala, atendiendo al espacio recomendado, por ejemplo 15m2 de largo por 9 m2 de ancho y 2 m de altura. Se tienen en cuenta detalles como la distancia entre operarios. La Parte 4 establece el diseño de las estaciones de trabajo y tiene en cuenta la adecuación de la persona, por ejemplo en el caso de estudiar diversas posturas del operario cuando está sentado realizando la tarea de supervisión. La distancia entre el operario y el monitor es mayor que en el caso del diseño de estaciones de trabajo en una oficina, normalmente la distancia estará en el intervalo entre 750-1000 mm respecto los 500-600 mm en una oficina convencional, debido a que el operario debe poder visualizar monitores anexos gobernados por otros operarios. La Parte 5 indica las especificaciones sobre los equipos de control y visualización. Un aspecto muy importante en esta parte es el denominado display design , es decir el diseño de pantallas, que en este texto también denominamos diseño de interfaz gráfica. Las especificaciones ergonómics se recogen en la norma ISO 9241, que además tienen en cuenta el uso de la interfaz gráfica, y por tanto quedan reflejados en ISO 9241-11 aspectos de la usabilidad en términos de medida del rendimiento del operario y del grado resatisfacción.

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La Parte 6 recoge los requerimientos ambientales de la sala de control como el nivel de ruido, la luz y la temperatura, variables muy importantes en el desarrollo de la tarea por parte de operarios que se relevan a lo largo de turnos consecutivos de mañana, tarde y noche. La Parte 7 recoge los principios para la evaluación de centros de control, y se detalla en la norma ISO 11064-7 de 2006. 3.2 Sala de control industrial A continuación se detalla el caso concreto de una sala de control industrial, extraída de una empresa de gas natural. La sala de control de la planta de regasificación cuenta con varios elementos especificados a continuación: - 5 ordenadores, 4 de ellos destinados a los operarios de sala de control y uno para el personal de mantenimiento, a través de los cuales se controla el proceso de la planta. - 1 ordenador para el control de generadores de emergencia - 1 ordenador de control de niveles de tanques - 2 ordenadores con un sistema de seguridad activa. - 6 monitores a través de los cuales se puede visualizar diferentes partes de la planta. - Sistema de megafonía - Botonera para la activación en caso de emergencia de:

- Parada de descarga de buques - Desconexión de emergencia - Paro total de planta

- 7 teléfonos - Emisora para la comunicación a través de walkie-talkies - Control del consumo eléctrico

La Figura 3.1 muestra un esquema de la sala de control.

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Fig.3.1 Plano de la sala de control

Fig.3.2 Fotografía de la sala de control

La Figura 3.2 muestra la zona de trabajo de los operadores en la sala de control. La arquitectura de los ordenadores de sala de control queda detallada en el siguiente esquema:

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Fig.3.3 Arquitectura de ordenadores

A continuación se detallan los elementos más importantes que se ven en la Figura 1.3.

DPU: Las DPU son las encargadas de capturar las señales de campo, y transmitirlas mediante un rack de tarjetas I/O. Las DPU realizan además todos los lazos de control del sistema, es decir, son las encargadas de realizar todo el sistema de control. El hardware de las DPU, es básicamente como el de un PC convencional. Se puede dividir de la siguiente forma:

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- Fuente de alimentación: encargada de suministrar las distintas corrientes que necesitan los circuitos electrónicos de la DPU para poder funcionar. - Microprocesador junto con los diferentes dispositivos para que éste realice su función: tarjetas de memoria, reloj, etc. - Ventiladores: encargados de proporcionar ventilación y refrigerar los elementos que componen la DPU. ELECTRICAL BACK-UP LINK: Las DPU van emparejadas mediante este cable, creando de este modo una redundancia, es decir, si una DPU de la pareja fallara, la otra toma el control de forma inmediata e los lazos de control que tengan asignados. HIGHWAY ELECTRICO: Es el cable eléctrico de comunicación RS 232, también redundante que sirve para establecer la comunicación entre las DPU. También sirve para comunicar el Bus de comunicaciones o Highway Óptico con los DBM existentes. OEI: Son convertidores de cable eléctrico a fibra óptica. BUS DE COMUNICACIONES O HIGHWAY OPTICO: Es el lazo de comunicación donde transmiten y reciben datos todas las DPU. Es el lugar donde los DBM se abastecen de la información necesaria para realizar su función de servidores de información. DBM: Los DBM son los servidores de información. Estos son redundantes y trabajan en paralelo. Se sitúan por encima del nivel de sistema de control, de forma que se genera un nivel de gestión y supervisión de la planta. SWITCH ETHERNET: Lugar donde se conectan los diferentes puestos de operador. OPS: Son los monitores desde donde los operadores de sala de control realizan la tarea de supervisión del proceso al monitorizar las pantallas creadas por un sistema gráfico SCADA. Los OPS se comunican con los DBM a través de la red Ethernet. El sistema de control distribuido representado en la Figura 3.3, esta basado en el modelo MAX1, que se inició en el año 1985. Este sistema consiste en la comunicación de las DPU o controladores con el resto. La red formada es de tipo determinista, es decir, sólo pueden transmitir de una en una. El ciclo de comunicación es de 2 veces por segundo. Las DPUs son las encargadas de recoger toda la información que después será transmitida al bus de comunicaciones o Highway óptico.

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Para que todos los controladores puedan hablar y escucharse, se creó un anillo de comunicación doble redundante y de sentido contrario. Al derecho de hablar se le llama Token. El Token es una trama de datos que se pasa de controlador. Si un controlador desea mandar información debe esperar a que le llegue un Token vacío. Una vez que tiene este Token, tiene el derecho exclusivo del bus para poder transmitir o recibir datos en un tiempo determinado. Una vez pasado este tiempo, el Token pasa a la otra estación. Las estaciones no pueden transmitir nada si no tiene el Token, tan sólo pueden escuchar y esperar su turno. Como podemos ver en la Figura 3.3, la comunicación de las diferentes DPU, está realizada mediante cable eléctrico denominado Highway Eléctrico. Este cable va conectado a un puerto de comunicación RS 232. Respecto las conexiones de las DPU podemos ver que estas van unidas por parejas mediante el cable Electrical Back-up Link. De este modo son redundantes entre sí, es decir, si una de las DPU de la pareja fallase, la otra inmediatamente tomaría el control sin que el sistema perciba ninguna variación. Las señales recogidas por las DPU son transmitidas por el cable RS 232, conectándose posteriormente en lo que se denomina EOI. Los EOI son convertidores de cable eléctrico de fibra óptica. Todo el bus de comunicaciones o Highway óptico es una red de fibra óptica, cuya longitud puede alcanzar los 3 Km. Este se comunica con los DBM del sistema que los son los servidores de información. Los DBM igual que las DPUs están doblados y trabajan en paralelo. Un DBM es capaz de gestionar todo el sistema de información. Estos necesitan preguntar a las DPU el estado de las señales. Los DBM son los encargados de transmitir mediante red Ethernet, mediante un Switch de comunicación, a los diferentes puestos de operador. Entendemos como puestos de operador los monitores que utilizan los operadores para realizar la tarea de supervisión. Los puestos de operador pueden preguntar por un DBM y recibir contestación indistintamente. De esta manera se consigue agilizar la comunicación. Cuando un operador solicita información a los DBM, está solicitando sólo y exclusivamente las señales que están en pantalla en ese preciso momento. Con esto se consigue una fluidez en la comunicación entre los OPS y los DBM. De esta forma el operario puede estar interesado en vigilar una parte del proceso, sin que tenga necesidad de disponer en su pantalla del volumen global de información en todo momento. Los DBM son servidores de Ethernet con topografía Cliente-Servidor. Esto describe un sistema en el que una máquina cliente, como podría ser en nuestro caso el puesto de operador, solicita a una segunda llamada servidor, como podría ser los DBM que ejecute una tarea específica.

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3.1.2 Sala de control de transporte público A continuación se presenta el diseño de una sala de control de un centro de información del transporte público (CITP) en el que, como podrá observarse, pueden aplicarse de manera directa los estudios sobre funciones que debe disponer un control supervisor y las consideraciones de diseño ergonómico de la representación de la información. El centro de control del CITP centralizará toda la información que suministren los diferentes operadores de transporte1 , el centro de información de tráfico y el centro de información meteorológica. Toda esta información será procesada en el CITP con la finalidad de informar a los usuarios de transporte público en su decisión previa a la toma del transporte público, durante el uso del transporte y posteriormente a su uso. La información puede presentarse al viajero a través de Internet, a través de los monitores electrónicos de las paradas de los autobuses o estaciones de trenes, en el interior del transporte, etc. Cabe recordar que el CITP realizará la función de supervisión y que la gestión de las diferentes flotas las realizará cada operador en su explotación. El CITP dispondrá de una serie de puestos de operación y de una serie de puestos de supervisión, alguno de estos puestos serán redundantes para poder ser utilizados en caso de fallo de alguno de los puestos de uso habitual. Además se dispondrá de un videowal2l en el que los operadores y los supervisores podrán enviar información a ser presentada o que podrá ser recuperada en un puesto de trabajo (por ejemplo por el jefe de la sala). A continuación se presenta un esquema de la arquitectura de la sala de control.

Internet

Señales vídeo

Servidor aplicaciones

Servidorcomunicacionesy difusión

Router

Multiplexor vídeoControladorvideowalls

Videowalls

Operadores y usuarios

Internet

Señales vídeo

Servidor aplicaciones

Servidorcomunicacionesy difusión

Router

Multiplexor vídeoControladorvideowalls

Videowalls

Operadores y usuarios

Figura 3.4 Arquitectura de la sala de control

1 Los operarios de sala de control de la planta de gas realizan sus tareas en el interior de la sala, si bien periódicamente bajan a la planta. En otro tipo de sala, como en el caso de sala de control de tráfico, los operadores de transporte realizan su tarea totalmente en la sala. 2 Los antiguos sistemas de control analógico cubrían todas las paredes de la sala de control centralizada mediante todo tipo de indicadores y reguladores. Hoy en día, se ha actualizado esta idea y existe la tendencia de reflejar en la pared toda la información, de forma que la monitorización desde ordenador no sería el elemento principal de la vigilancia del proceso

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En la Figura 3.5 se muestra la arquitectura de los puestos de trabajo de los operadores que estarán formados por tres monitores de gran formato controlados por dos estaciones de trabajo, una en la que se ejecutarán las aplicaciones de gestión y control de los datos y, en la otra estación se gestionarán las diferentes señales de vídeo.

Funcionalidades gestión del sistema

Funcionalidades vídeo y audio de estaciones,

marquesinas y autobuses

Funcionalidades gestión del sistema

Funcionalidades vídeo y audio de estaciones,

marquesinas y autobuses Figura 3.5 Puesto de trabajo del operador

Los puestos de trabajo de supervisión y control constaran de dos monitores y por un ordenador. En los monitores el operario tendrá acceso a las imágenes de cualquiera de las cámaras de seguridad (instaladas en las estaciones y paradas y, posiblemente, en los vehículos) y a las funciones de seguimiento que tenga accesibles. El ordenador estará dedicado a funcionalidades de soporte y gestión de los elementos instalados en las estaciones y marquesinas, es decir, a la visualización de les imágenes de vídeo de las cámaras, a la atención de los intercomunicadores y al intercambio de datos entre los elementos de visualización (paneles o quioscos de información). El operario estará equipado con un sistema de auriculares para comunicarse con cualquiera de los interfonos de la red, o con la policía y servicios de seguridad de las estaciones. En cualquier momento, el operario podrá transferir la conversación, o el sonido recibido, al sistema de sonido general de la sala. En este punto es importante analizar las similitudes entre los entornos industriales y el caso del ejemplo de la sala de control del transporte público. 3.1.3 Sala de control de operaciones espaciales Las salas de control descritas pueden tener una relación con las salas de centros de operaciones espaciales. En estos centros se coordinan las operaciones tanto de lanzamiento como las operacionales una vez la misión está en marcha. El Centro de Operaciones Espaciales Europeo (ESOC) es un centro que puede considerarse como una

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Figura 3.6 Centro de operaciones espaciales europeo ESOC

generalización del concepto de sala de control, al integrar diversos subequipos realizando tareas coordinadas de control, supervisión, mantenimiento, seguridad, planificación, toma de decisiones, etc. 3.2 Ingeniería de la usabilidad aplicada al diseño de sala de control En este apartado se realiza una revisión del modelo de proceso de la ingeniería de la usabilidad y accesibilidad (Granollers, et. al., 2004) aplicado al diseño de salas de control. En principio este modelo de proceso puede aplicarse a cualquier sistema interactivo en el ámbito de la informática y en concreto en la ingeniería del software y en la interacción persona-ordenador, si bien aquí se pretende establecer la relación del modelo de proceso para el diseño de salas de control.

Figura 3.7 Fases en el modelo de proceso

3.2.1 Análisis de requisitos de usabilidad El análisis de requisitos se basa en tener un contacto continuado y constante con los usuarios del sistema para detectar información sobre sus necesidades. El método propone las siguientes actividades:

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1. Análisis etnográfico: Estudio etnográfico de la población de usuarios e

implicados directos e indirectos mediante la preparación de entrevistas. Esto ayudará a determinar los servicios que una sala de control debe proporcionar y sus restricciones. Definición de las características más relevantes de la población potencial a partir del análisis etnográfico. Clasificación de los perfiles en roles y actores sobre la base de sus conocimientos o habilidades. Definición de la organización entre actores y roles en el contexto de las tareas a realizar.

2. Análisis contextual de tareas: Definición, a partir del análisis etnográfico realizado, de todas las tareas que se realizarán relacionadas en el contexto específico en el cual se desarrollan.

3. Análisis de elementos: Análisis de los elementos relevantes que aparecen como resultado del análisis de tareas (estación de trabajo, dispositivo de visualización, pantalla, control, etc.) y que definirán la composición de la sala de control.

4. Plataforma: Definición de las posibilidades y restricciones de la plataforma tecnológica en que se implementa el sistema.

5. Perfil del entorno: Definición de las características del entorno de trabajo (temperatura, iluminación, ruido, etc.)

6. Objetivos: Definición de los objetivos funcionales y no funcionales del sistema (rendimiento, mantenimiento, seguridad, calidad) incluyendo especialmente los de usabilidad.

Como parte del análisis de requisitos deben especificarse los objetivos de la sala de control, los funcionales y los de usabilidad y accesibilidad. A continuación se relacionan los objetivos principales de usabilidad que deben tenerse en cuenta:

1. Facilidad de aprendizaje: El sistema debe diseñarse para minimizar el tiempo de aprendizaje. El diseño debe ser simple, familiar (corresponderse con modelos mentales de las tareas) y sintetizable (el operario debe poder evaluar el efecto de operaciones anteriores en el estado actual).

2. Consistencia: Diseñar la sala de control de forma consistente, de forma que todos los mecanismos se operen de forma similar. Definir guías de estilo, asegurarse que las modificaciones siguen las guías definidas, añadir nuevas funcionalidades en lugar de modificar las ya existentes y probadas.

3. Flexibilidad: Permitir que sean los operarios los que controlen las actividades del sistema, posibilitando que las tareas automáticas puedan realizarse de forma manual si es necesario.

4. Robustez: La robustez de una interacción cubre las características para poder cumplir sus objetivos y su asesoramiento.

5. Recuperabilidad: Es el grado de facilidad con que el sistema le permite a un operario corregir una acción una vez se ha producido un error.

6. Tiempo de respuesta: Se define generalmente como el tiempo que necesita el sistema para expresar los cambios de estado señalados por el operario. Es importante que los tiempos de respuesta sean adecuados para el operario.

7. Adecuación a las tareas: Es el grado en que los servicios del sistema soportan todas las tareas que el operario debe hacer y la manera en que las comprende.

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8. Reducción de la carga cognitiva: Diseñar el sistema para minimizar el tener

que confiar en la memoria, de forma que se reconozcan implícitamente en la interfaz del sistema las acciones para llevar a cabo las tareas.

Análisis de tareas: A partir del análisis de tareas realizado en los requerimientos y los requisitos funcionales será posible definir un conjunto de escenarios que describan las interacciones usuario sistema de forma sistemática y eficiente. Estos escenarios se representarán de acuerdo con un modelo predefinido, entre otros:

HTA – Hierarchical Task Análisis GOMS – Goals-operations-methods-selection CTT- Concur Tasks Tree Diagramas de transición de estados Diagramas de estados UML Diagramas de actividad UML

Figura 3.8 Diagrama de actividad en UML

Modelo conceptual: La elaboración de un modelo conceptual ayudará a discutir y fijar ideas sobre el diseño de la sala de control. El modelo representa las ideas y acuerdos de diseño de una forma esquemática que permite dividir el diseño en partes y analizar cada una por separado fijando interfaces entre ellas. En el modelo se empezarán a identificar los componentes de la sala de control y sus características y a asignar las actividades y tareas. Guía de Estilo: En la fase de diseño deberán fijarse las guías de estilo y en la mayoría de los casos se realizará una adaptación de las guías existentes al proyecto. En el apartado 2 se realiza un repaso de guías y estándares que permiten diseñar la interacción hombre-sistema de forma consistente.

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Diseño detallado: El diseño detallado será el resultado de evaluar y refinar el diseño. La revisión, evaluación y prototipado del modelo, guías de estilo y requisitos resultarán en diversas iteraciones del diseño. El diseño detallado deberá detallar todos los aspectos de la sala de control al nivel de ser directamente traducibles a requisitos de la

plementación.

uisitos de sabilidad tendrán una influencia clara en el diseño arquitectónico de la sala.

im Diseño arquitectónico: En esta fase del proceso también es necesario a partir de los requisitos de usabilidad y técnicos realizar el diseño arquitectónico de la sala. Este diseño debe definir la estructura física de la sala, sus comunicaciones con otros espacios, su ubicación dentro del centro, edificio o área, etc. Los requ

Figura 3.9 Visualización de un diseño de sala de control mediante realidad virtual

.3 Ergonomía aplicada al diseño de sala de control

nes y ecesidades de sus usuarios, buscando optimizar su eficacia, seguridad y confort.

.3.1 Aspectos de ergonomía física

na, ingeniería, psicología sociología son las que contribuyen de forma más directa.

3 La palabra ERGONOMÍA se deriva de las palabras griegas "ergos", que significa trabajo, y "nomos", leyes; por lo que literalmente significa "leyes del trabajo", y podemos decir que es la actividad de carácter multidisciplinar que se encarga del estudio de la conducta y las actividades de las personas, con la finalidad de adecuar los productos, sistemas, puestos de trabajo y entornos a las características, limitacion 3 El estudio de requisitos sobre la ergonomía física debe llevar a un diseño de los puestos de trabajo más seguros, cómodos y productivos. La ergonomía física se basa en varias disciplinas que proporcionan la información necesaria: mediciy

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Antropometría: La antropometría estudia las medidas del cuerpo humano tomando como referencias las estructuras anatómicas principales. Estas medidas deberán servir

ara definir el puesto de trabajo del operario de forma adecuada.

Figura 3.10 Posición de trabajo según los estándares

il americano y un 5 percentil japonés por jemplo), diseño ajustable o diseño promedio.

isión rán automatizadas. Esta decisión debe hacerse caso por caso y solo automatizar

p

Diseño en función de la población: El diseño de controles y puestos de trabajo debe tener en cuenta todo el espectro de población que potencialmente puede usarlo. Se puede diseñar para los extremos (un 95 percente Distribución de tareas persona-máquina: Debe definirse cuales tareas de supervse

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Figura 3.11 Distancias según el tamaño del monitor

aquellas en las que suponga una mejora del proceso ya que no siempre es evidente a priori. Espacio de trabajo: Se define el espacio de trabajo como el volumen asignado a una o varias personas así como los medios de trabajo que actúan conjuntamente con ésta o éstas en el sistema de trabajo para cumplir una tarea. En la determinación de los requisitos del espacio de trabajo deben tenerse en cuenta posturas, movimientos y visibilidad espacial. La posición en el trabajo: Hay que determinar las distintas posiciones de trabajo para la supervisión y accionamiento de controles. Hay diversas posiciones posibles pero solo algunas son cómodas (de pie o sentado) y otras son molestas o hasta pueden causar lesiones o accidentes de trabajo. Los planos de trabajo: Deben definirse los planos en los que se efectuará el trabajo. En estos aspectos influye principalmente la altura de la persona, ya que definirá la altura del plano de trabajo. En una sala de control pueden existir varios planos de trabajo ya que normalmente se trabaja con un plano principal, una pantalla o varias pantallas a corta distancia, y una o varias pantallas gigantes situadas a mayor distancia.

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Figura 3.12 Sala de control con diversos planos de trabajo

Área de trabajo: se define como el área que puede cubrir un operador con un mínimo esfuerzo, normalmente un movimiento de los brazos paralelos al tronco y los antebrazos a 90º. Dispositivos de acción y control: Existen una gran cantidad de guías y estándares (ver que definen los requisitos de los dispositivos de acción y control (alarmas, indicadores, símbolos, texto, contadores, diales, pantallas, botones, pulsadores, palancas, etc.) según su operación, precisión, exactitud, etc. Es necesario definir el estándar o conjunto de estándares aplicables que definirán los requisitos sobre estos dispositivos. 3.3.2 Aspectos de ergonomía cognítiva La ergonomía cognitiva, concepto que proviene de la psicología cognitiva, trata de los procesos mentales como percepción, atención, conocimiento, psico-motricidad, memoria cuando estos afectan a interacciones entre la persona y otros elementos de un sistema. Entre otros temas se estudia la carga mental, vigilancia, toma de decisiones, capacitación, el error humano, la interacción computadora-ordenador y la formación. Interacción persona-ordenador: Existen varios estándares y guías que incluyen requisitos y recomendaciones de diseño de las interfaces persona-ordenador en sistemas de supervisión. Puede utilizarse la guía GEDIS que de forma práctica establece unas directrices y un método de evaluación. Formación: La formación de operadores es de vital importancia para minimizar los errores y facilitar la incorporación de nuevo personal. Actualmente los métodos de formación más efectivos son los de simulación de la planta. Estos simuladores permiten formar a los operadores en la supervisión de la planta ante situaciones anormales o de emergencia, de forma que en caso de que estas situaciones se produzcan, los operadores puedan reaccionar aplicando pautas y conocimientos adquiridos. Debe estudiarse la posibilidad de que el sistema pueda ser utilizado en modo de simulación para formación o disponer de una sala específica para este propósito.

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3.4 Supervisión industrial Los reguladores industriales básicos disponen de un display muy sencillo donde aparece, en forma digital numérica o mediante iconos de barras verticales, el valor cuantitativo o cualitativo de la consigna y el valor de la variable de salida dentro de una regulación continua. En este sentido, la información que se ofrece al operario es breve y concisa. Por su parte, los autómatas programables se complementan con periféricos denominados genéricamente interfaces persona-máquina HMI y que pueden ser desde sencillos displays con teclado numérico, hasta terminales táctiles con elementos de programación gráfica. El operario procede a manipular el valor de los parámetros (temporizadores, contadores) directamente sobre el terminal, de forma que no tiene que editar el programa del autómata cada vez que desea hacer cambios en el programa básico. Tanto en el caso del regulador como en el del autómata, el operario interactúa con el proceso controlado y puede ejercer tareas rutinarias de vigilancia sin intervención, tareas de inicio o paro del ciclo, o interrupciones para modificar los parámetros del algoritmo de control, por citar algunas actividades, de manera que si se considera el operario como parte integrante del sistema se obtiene una cooperación entre operario y proceso regulado por el controlador. No se trata, pues, de una arquitectura totalmente automatizada; más bien es una arquitectura híbrida de interacción entre el operario humano, la interfaz y el controlador. En el manejo del ordenador en el control de procesos, la interacción entre operario y ordenador se amplía enormemente al poder manejar bases de datos, entornos de programación de alto nivel y conectividad con otros ordenadores en un entorno de control distribuido. Resulta singular destacar que desde el ordenador no sólo se pueden modificar los parámetros del algoritmo de control, sino que se pueden diseñar simulaciones del proceso con mayor o menor realismo respecto al proceso industrial. Así pues, desde el ordenador el operario tiene una mejor comprensión del proceso controlado mediante herramientas de programación orientadas a los procesos industriales, mediante los cuales se pueden generar aplicaciones a medida del proceso a estudio. Una vez establecidos de forma clara el rol de la automatización y el tipo de interacción entre el elemento de control y el operario, conviene definir el concepto de supervisión. Una posible definición de supervisión de un proceso indica el conjunto de acciones desempeñadas con el propósito de asegurar el funcionamiento correcto del proceso incluso en situaciones anómalas. Cuando en este contexto se habla de funcionamiento correcto frente a anómalo se entiende que el funcionamiento correcto es el que se produce mediante un algoritmo de control testeado por un operario experto y verificado de forma periódica/cíclica hasta obtener los resultados deseados de calidad del producto y satisfacción del control efectuado. En el entorno industrial, y ante la presencia de perturbaciones, el proceso controlado puede desviarse de la consigna fijada a priori, de forma que se produce un deterioramiento del funcionamiento correcto. De forma rápida, observamos, pues, que la supervisión engloba la automatización, el seguimiento y la vigilancia del proceso

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controlado. En el contexto que presentamos en estas líneas, entendemos que la automatización y la supervisión son fases consecutivas a aplicar sobre el proceso. De forma básica, el sistema de supervisión es el encargado de llevar a cabo las actividades siguientes:

- Adquisición y almacenamiento de datos - Monitorización o vigilancia (surveillance) de las variables del proceso - Control supervisor (supervisory control) sobre autómatas y reguladores

industriales - Detección de fallos - Diagnóstico de fallos - Reconfiguración

Cada una de estas funcionalidades requiere una explicación con más detalle. La adquisición de datos se refiere básicamente a la conexión física de los sensores presentes en el proceso con el equipo de control mediante la adaptación electrónica pertinente. En el caso de los reguladores y autómatas, estos equipos disponen de una sección electrónica de entradas adecuada a la conectividad con sensores mediante un rango estándar de tensiones y corrientes. El ordenador utiliza la tarjeta AD / DA para esta función. El almacenamiento de datos es indispensable para el suministro de información de la evolución de las variables al supervisor del proceso. Atendiendo al gran volumen de información presente en las industrias manufactureras y de procesos, resultan necesarios el registro diario de tales variables, su almacenamiento ordenado y la posibilidad de extraer información precisa de toda la información en bruto. Actualmente, las técnicas de prospección de datos (data mining) ayudan a seleccionar la información relevante de un gran volumen de datos. Desde el ordenador, se diseña el aplicativo de supervisión adecuado al tipo de proceso. Una de las funciones de este aplicativo es la representación gráfica de algunos elementos del proceso como reactores, válvulas, tuberías, etc., y cabe destacar los indicadores informativos de alarma, aquellos iconos que tienen un funcionamiento binario (encendido/apagado u ON/OFF), los objetos que representan una cierta dinámica (como el llenado o vaciado de líquido en un tanque) o la representación de gráficos históricos de las variables más relevantes. A este conjunto de objetos gráficos que permiten formar una representación dinámica del proceso controlado en la pantalla del ordenador se le denomina monitorización. La monitorización del proceso es uno de los factores clave en la supervisión ya que en ella radica la posibilidad de distinguir entre el funcionamiento correcto o anómalo del proceso mediante la ayuda de alarmas o indicadores de situaciones de riesgo. En este sentido, la monitorización se utiliza para la vigilancia de la evolución adecuada de las variables. En el contexto industrial, existen los sistemas llamados SCADA (supervisory control and data adquisition), con los que es posible confeccionar la monitorización del proceso atendiendo a cada caso industrial en particular. La función de monitorización no es exclusiva del entorno industrial, pues uno de los dominios más relevantes es la medicina hospitalaria. En el ámbito de la instrumentación de equipos para su utilización en los cuidados intensivos de pacientes en hospitales, destacan los equipos de monitorización

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adecuados para el seguimiento de las constantes vitales de un paciente (monitorización hemodinámica, monitorización cardiaca, monitorización EEG), preparados para ofrecer alarmas acústicas o visuales para informar fielmente al equipo médico de posibles anomalías (por ejemplo, en el caso de la monitorización cardiaca, se llegan a contemplar hasta 12 derivaciones y análisis de arritmias).

Figura 3.13 Aplicativo de supervisión de una planta de mezcla mediante el SCADA All-Done Por control supervisor (supervisory control) se entiende la actividad que se lleva a cabo sobre un conjunto de controladores (autómata programable, regulador industrial) para asegurar que sus objetivos de control se cumplen. Dentro del aplicativo de supervisión, es habitual que exista un apartado donde se configura el tipo de comunicación con el controlador, la gestión de los controladores en caso de que exista una red física de controladores conectados, la captura de datos periódica del controlador y la presentación selectiva de algunas variables o cambios de las mismas en pantalla dentro de la monitorización. Las actividades de detección, diagnóstico de fallos y de reconfiguración se agrupan dentro de las actividades que cumplen los sistemas de control tolerantes a fallos. Estos sistemas se caracterizan según si permiten acomodar un fallo con o sin degradamiento de prestaciones, pero sin desembocar en una avería interna. Sobre este punto existe abundante literatura acerca de los sistemas tolerantes a fallos en el ámbito académico, y hoy en día se estudian metodologías de diseño de sistemas de control tolerante a fallos en los cuales la supervisión forma parte de la arquitectura propuesta. A escala industrial, los llamados sistemas SCADA incluyen actualmente las fases de adquisición, monitorización y control supervisor, y uno de los grandes retos para los próximos años es potenciar en el diseño del aplicativo de supervisión, las funciones de detección, diagnóstico y reconfiguración con la finalidad de garantizar la seguridad en el manejo de los procesos industriales.



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Cuando se utiliza el concepto de detección de fallos, se pretende determinar la presencia de fallos en el sistema, es decir, aquellas desviaciones no permitidas, debidas, por ejemplo al malfuncionamiento de sensores, válvulas y actuadores. El diagnóstico pretende la determinación del tipo, el tamaño, la localización y el instante de aparición del fallo. Incluye la detección, el aislamiento y la estimación del fallo. Existen técnicas cuantitativas y cualitativas para realizar el diagnóstico pero ya se aprecia que es una tarea ardua, sobre todo en el caso de complejos sistemas, como por ejemplo la supervisión de turbinas, en las que la aparición simultánea de alarmas en pantalla ante fallos en elementos físicos dificulta efectuar el análisis de las causas y averiguar en qué orden se producen. Finalmente, la reconfiguración significa un cambio en las entradas y/o salidas del controlador a través de un cambio en la estructura del controlador y sus parámetros. Como vemos, en todas estas actividades que se llevan a cabo en la supervisión de un proceso, se pretende su automatización con el fin de generar herramientas de ayuda a la decisión. En este sentido, hoy en día existen múltiples posibilidades como las arquitecturas en las que la supervisión es humana, es decir llevada a cabo por un supervisor, o bien las arquitecturas automatizadas, llevadas a cabo por un supervisor experto artificial. En ambos tipos de arquitecturas, no se puede olvidar que el gran objetivo es evitar pérdidas económicas debidas al malfuncionamiento de la planta, y evitar el daño físico tanto para operarios como para las máquinas que intervienen. En este sentido, la automatización y la supervisión se complementan con otras áreas del conocimiento como el mantenimiento y la seguridad industrial. No podemos dejar de citar el caso de estudio de la sala de control en planta nuclear, objeto de investigaciones llevadas a cabo durante años, con el fin de salvaguardar el buen funcionamiento de este tipo de plantas en las que ante un fallo humano o el fallo de algún componente, las consecuencias son desastrosas. 3.9 Referencias Noyes, J. y Bransby, M. “ People in control: human factors

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