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Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle in der Leittechnik

VL PLT1 Professur für Prozessleittechnik

Übersicht

• Aufgaben und Ziele der Mensch-Maschine-

Interaktion bei der Prozessführung

• Grundlagen der Darstellung

• Prozessführung mittels Bildschirmen

3. Juli 2012 Folie 2 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT

Aufgaben und Ziele der Mensch-Maschine-Interaktion bei der Prozessführung

3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 4

Das Automatisierungssystem

(Bildquelle: Wörn & Brinkschulte 2005)


Ziele der Prozessführung

• Prozessführung: Wirtschaftliche und umweltverträgliche Durchführung des bestimmungsgemäßen Betriebs der Anlage [VDI3699-1]

• Ziele: − gleichbleibend hohe Produktqualität und -menge (Ausbeute)

bei möglichst wenig Ausschuss − minimale Auswirkung von Schwankungen und Störungen bei

Material und Prozess auf das Produkt

− maximale Verfügbarkeit und Lebensdauer der Anlage

− Minimaler Energie- und Materialverbrauch

− Einhaltung vorgeschriebener Grenzwerte (z.B. Emission)


Aufgaben der Prozessführung 1/2

• Die Aufgabe Prozessführung erfordert die Tätigkeiten

− Überwachung der Anlage − Diagnose von Störungen − Eingreifen in den Prozess zur Störungsbehebung [VDI3699-1]

● Prozesse werden durch Operatoren mit Hilfe von Leitsystemen in Leitwarten an Leitplätzen geführt.

Der Leitplatz bietet alle notwendigen Anzeigen und Eingriffsmöglichkeiten

Das Leitsystem stellt eine geeignete Benutzungsoberfläche zur Verfügung


Aufgaben der Prozessführung 2/2

Bildquelle: VDI/VDE 3699-2

Mensch-Maschine-Interaktion in der Prozessautomatisierung (Urbas, Ziegler, Doherr, im Druck)


Leitwarte (stationär)

Betriebsleitebene wirtschaftliche & politische Aufgaben

Produktionsleitebene wirtschaftliche, logistische und

dispositive Aufgaben

Prozessleitebene Führen von Verfahrensgruppen,

Verfahrenseinheiten und Apparaten Prozessüberwachungsaufgaben

Feldebene Messwerterfassung & Stelleingriffe

Signalübertragung, Geräteparametrierung, Instandhaltung

Technischer Prozess

Anlage (mobil)

Feldgerät Instandhaltung

Leitwarte

• Integration aller operativen Information

• Prozess • Prozessführung • Betriebsführung

• Supervisory Control • 95% Langeweile • 5% Überforderung

• Fehlerdiagnose • Erkennen, Lokalisieren • Stabilisieren, Reparieren

• Aktuelle Themen • Innovation des Arbeitsplatzes

Leitwarte • Cognitive System Design • High Performance HMI • Team Situation Awareness


Feldgeräte

• Nahtstellen für • Parametrierung • Fehlerdiagnose • Manuelle Bedienung

• Herausfordernde Umgebungsbedingungen

• p, T, Ex

• Kostengetriebener Markt

• Kosteneffektivität • Funktionsexplosion

• Aktuelle Themen • Familienkonzepte (SW, UI) • Unified Access & Profiles • Ferninbetriebnahme (FDI) • Appification


Mobile Interaktion

• Informations-versorgung

• Inbetriebsetzung • Instandhaltung

• Herausfordernde Umgebung

• p, T, Ex • Dull / Dirty / Dangerous /

Demanding

• Problem Lebenszyklen

• Mobil: 9 Monate – 2 Jahre • PLT: 15 Jahre

• Aktuelle Themen • Physische Interaction mit dem

Internet der Dinge • Appification • Lifecycle Management


Display

Rotary-Pushbutton

Pushbutton 2 Pushbutton 1

Input Devic

e

Display

Grundlagen der Darstellung der Prozesse in der Leitwarte

Konzepte der Darstellung 1 / 3




• Für wen ...

– Operator

• ... und wofür ist darzustellen?

– Überwachen: Informationen bereitstellen, Handlung lenken

– Eingreifen: Handlungen ermöglichen

– Diagnostizieren: Unterstützung bei der Interpretation



• Was wird dargestellt?

– Alle Informationen, die der Anlagenfahrer für die Aufgabe Prozessführung benötigt

• Wie ist darzustellen?

– Organisation und Codierung des Darzustellenden

– Darstellungsdichte und Auffälligkeit

– Konsistenz

– Darstellungsmodus und Darstellungstechnik


Organisation des Darzustellenden

• Quantitativer Aspekt: Wie viele Informationen und Daten werden insgesamt dargestellt?

• Qualitativer Aspekt: Was ist gleichzeitig und gemeinsam darzustellen?

– Festlegung des gesamten und des gleichzeitigen Informationsbedarfs

– Festlegung des Verhältnisses Information zu Daten

– Gliederung und Anordnung des Darzustellenden in einem oder in mehreren Bildern

– Verknüpfung und Navigation zwischen den Bildern


Darstellungsdichte

• Füllgrad: mit Zeichen belegte Fläche im Verhältnis zur Gesamtfläche [VDI3699-1]

• Welcher Füllgrad ist möglich?

− Lesbarkeit, Unterscheidbarkeit, Aufnahmefähigkeit des Operators

− Abhängig von der Organisation des Arbeitsplatzes und dem Aufgabenspektrum des Operators

• Welcher Füllgrad ist nötig?

− Gewährleistung der Übersichtlichkeit

− Ermöglichen der Bedienung

− Minimierung der Anzahl der Bilder


Auffälligkeit

• gezielte Aufmerksamkeitslenkung auf wichtige Information in der Darstellung

− Abstufung der Auffälligkeit durch Einsatz und Kombination von Kontrast, Farbe, Blinken und akustischem Signal

− Weitere Abstufung durch Pseudo-3D Darstellung möglich



Konsistenz

• identisches Aussehen und Verhalten von Objekten für alle Darstellungen einer Aufgabe [VDI3699-1]

− Identische Darstellung, Begriffe und Symbole

− Gleiche Bedienfolge und Verhalten

− Vergleichbare (kompatible) Systemreaktion

Konsistenz wird häufig innerhalb einer Aufgabe gefordert, Kompatibilität innerhalb des gesamten Systems


Bedienbilder als Darstellungstechnik

• Bedienbilder bestehen aus einem

– statischen Grundbild als Kontext und

– variablen Bildelementen als Träger von Information

• Darstellungen werden aus Linien, Flächen, Farben, Schrift- und Bildzeichen (Symbolen) zusammengesetzt

− daraus ergeben sich die Dimensionen Farbe, Form, Lage, Orientierung, Ausdehnung, sowie deren sowie deren zeitliche Änderungen (Farbverläufe, Trajektorien, Sichtbarkeit …)


Codierung

• feste Zuordnung einer charakteristischen Darstellung zu einer Informationskategorie [VDI3699-1]

− Bsp: Zustand „ALARM“ Darstellung weißes A auf rotem Grund

• Redundanz durch Kombination von verschiedenen Dimensionen − Bsp.: Verkehrsampel: Farbe und Lage


Beispiel: Siemens PCS 7 OpAnL


Betriebsart Sollwertvorgabe Oberer Skalierwert Prozesswert Sollwert Unterer Skalierwert

Oberer Grenzwert

Ziel Sollwertrampe Externer Sollwert

Prozesswert

Sollwert

Unterer Greenzwert Sprungtaste Bildquelle:

Siemens AG

Codierung von Zustandsgrößen



Oberer Grenzwert


Prozesswert

Sollwert

Unterer Greenzwert Sprungtaste

Farb-Codierung und Zeichen-Codierung

Symbol-Codierung

Weitere mögliche Kodierungen: - Animierte Bausteinsymbole - Blinkende Elemente - …

Bildquelle: Siemens AG

Codierung von kontinuierlichen Größen



Oberer Grenzwert


Prozesswert

Sollwert

Unterer Greenzwert Sprungtaste

Einfache Codierung mittels digitaler Anzeige

Komplexe Codierung mittels analoger Anzeige mit Skala


Prozessführung mittels Bildschirmen

Grundstruktur der Bildschirmoberfläche


Kontrollfeld für Eingaben

Arbeitsfeld

Übersichtsfeld

Datum/Uhrzeit Nachrichten der Prozesssteuerung

... zur Darstellung der Bedienbilder

Fenster

Wird bei Bedarf im Arbeitsfeld

eingeblendet

Tastenfeld enthält virtuelle Tasten oder Beschriftungen für reale Tasten

... ist Teil des Arbeitsfeldes und beschreibt das Dargestellte

Überschrift

Dauerhaft sichtbare Anlagenzustände

Aufgabenspezifische Informationen

Detailinformationen

Dauerhaft sichtbare Steuerelemente

nach: VDI/VDE 3699-2

Beispiel einer Bildschirmoberfläche


Übersichtsfeld

Arbeitsfeld

Fenster

Tastenfeld


Bedienfließbilder (Prozessbilder, Mimics)

• schematische Darstellung von Komponenten samt deren Verbindung durch (Fließ-) Linien zur Wiedergabe der Beziehungen in einer verfahrenstechnischen Anlage und der Leittechnik [VDI3699-3]

• zeigen

− vereinfacht die Struktur der Anlage

− Wege von Stoff-, Energie- und Signalströmen zwischen den verschiedenen Anlagenteilen

− verfahrens- und leittechnische Informationen

• ermöglichen Eingriffe in den Prozess


Arten von Bedienfließbildern

• Leittechnische Bedienfließbilder − stellen Komponenten der Leittechnik als Symbole dar, die über

Signalflusslinien verbunden sind − Geben aktuelle Prozess- und Sollgrößen wieder

• Verfahrenstechnische Bedienfließbilder − stellen Anlagenteile vereinfacht über Symbole graphisch dar − Transportwege für Stoff- und Energieströme durch Linien

dargestellt − Farbkodierung von Rohrleitungen nach dem Durchflußstoff ist

in DIN 2403 festgelegt

• Bedienfließbilder mit verfahrens- und leittechnischen Einrichtungen − Darstellungen verfahrens- und leittechnischer Einrichtungen


Hierarchie des Bediensystems

• Verfahrenstechnische Anlagen:

− 300 bis 300.000 Messwerte

− Mehrere Bereiche (Verfahrensschritte)

− Viele Aggregate

Strukturierung als Anlagenhierarchie

Verfahrenstechnik → Visualisierung Anlage → Anlagenbild

Bereich → Bereichsbild

Teilanlage → Teilanlagenbild/Gruppenbild

Anlagenteile → Detailbild


Funktionen der Hierarchieebenen

• Anlagenbild − Übersicht − Anlagenbereiche und Zustände

• Bereichsbild − Verfügbarkeit von Teilanlagen oder Gruppen − Apparate, Fließwege, Stoffe, Energien, Signale

• Teilanlagenbild/Gruppenbild − Bedienung der Teilanlage − Regelungsstrukturen, Apparate, Aggregate, Sensoren, Aktoren

• Detailbild − Parametrierung und Inbetriebnahme, Aufklärung von Störungen − Signalwege vom Sensor zum Aktor − Setzen von Grenzwerten, Regelparametern, Zusatzinformationen


Weitere Bedienbilder

• Trend-Report



Weitere Bedienbilder

• Alarm- und Meldeliste



Bedienmöglichkeiten in Bedienbildern

• Anwahlbedienung

− Anfordern von Informationen (Navigieren)

• Prozessbedienung

− Einwirken auf den Prozess (Wertvorgabe, Parametereingabe, Zustandsänderung, Objektreservierung, Freigabe, NOT-AUS)

• Aufruf von Zusatzinformationen

• Quittieren

• Systembedienung

− Prozessleitsystem konfigurieren


Beispiele der Bedienmöglichkeiten


Anwahlbedienung

Prozessbedienung

Aufruf von Zusatzinformation


Navigation in Bedienbildern

• Auswahlmethoden

– Menüs

– Direkte Eingabe

– Funktionstasten

• Navigation in Abhängigkeit der Darstellung und der vorgegebenen Hierarchie

– Zugehörige Fließbilder

– Zugehörige Spezialbilder


Aufgabe

Informations-Aufgaben-Produkt Dekomposition (Urbas et al. i.V.)


Überwachen, Situation Awareness

Aktive Fehlersuche

Parametrieren der Prozessführung

Fehlerbeherrschung, Fehlerbeseitigung

IBN von Mess- & Stellgeräten

Produkt

Übersichtsbild

Anlagenbild

Bedienfließbild

Bedienpanel

VorOrt-Panel

IBN-Werkzeug (EDD, FDT, FDI)

Information (CAE)

Funktionale Prozesstopologie (PFD)

Funktionale Produkttopologie (P&ID)

Informationsfluss & Verhalten (SFC, CFC)

Gerätemodell (GSD, EDD)

Einzelsteuerfunktion (SFC, CFC)

15 / 80

Eng / Use

80 / 15

05 / 05

stat

ionä

r m

obil

Aufgabe

MBUID Bedienfließbild (Urbas et al. 2011, Doherr et al. 2011, Obst et al. 2012)



Aktive Fehlersuche




Produkt

Übersichtsbild

Anlagenbild

Bedienfließbild

Bedienpanel

VorOrt-Panel


Information (CAE)

Funktionale Prozesstopologie (PFD)

Funktionale Produkttopologie (P&ID)




15 / 80

Eng / Use

80 / 15

05 / 05

stat

ionä

r m

obil

Welche Teilaufgaben können durch MBUID effektiv automatisiert werden?


Aufgabenstruktur Bedienhierarchie

Navigationskonzept

Prozessstruktur Grafische Darstellung

Kommunikation & Verhalten

M2M / M2T Transformationskette


Regelhafte Beschreibung der M2M-Transformation: Auswahl der Elemente


HMIjHMIiHMIjPIDiPIDPIDPID

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HMItaskPIDtaskPIDPID

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→∃∧∈∀

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→∈∨∈∀

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,),(: gRohrleitunAuswahl

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)class(:Equipment Auswahl

M2M-Transformation – Anreicherungsprozesse (Urbas, Doherr 2011)


- concrete Part

Wie sieht das in der Praxis aus? (Obst, Drumm, Doherr, Urbas 2011)


Aufgabe

MBUID Configural Displays (Urbas, Stöß, Doherr 2012; Urbas, Stöß, Doherr im Druck)



Aktive Fehlersuche




Produkt

Übersichtsbild

Anlagenbild

Bedienfließbild

Bedienpanel

VorOrt-Panel


Information (CAE)

Funktionale Prozesstopologie

(PFD) Funktionale

Produkttopologie (P&ID)




15 / 80

Eng / Use

80 / 15

05 / 05

stat

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Next Steps: Engineering von Configural Displays (Urbas, Stöß, Doherr 2012)


Transformation der Planungsdaten in formales Prozessmodell (Urbas, Stöß, Doherr im Druck)

• Ziel: Suche repräsentative Messwerte für die Informationsverdichtung im Configural Display der Prozesseinheit

• Anforderungen an Modell: • Automatische Suche in der

physikalischen Nachbarschaft • Abschätzung der Abweichung

der Messgröße vom wahren Wert

• Lösungsansatz • Bipartite Graphen mit eindeutig

definierten Prozessräumen

(e.g. Qiros & Epple 2010)


Suche im Graph zur Identifikation von Messstellen

• Ergebnis der Suche nach geeigneter Instrumentierung für die KPI-Berechung der Wärmeübertrager


Vergleich Configural Display / Klassisches Bedienfließbild


Aktuelle Entwicklungen

• Engineering verteilter Prozesse Lose gekoppelte Web- und MSOfficetechnologien – Integration von Teillösungen (package units,

wiederverwendung, typicals) – Generische Modellierung von Anlagenstruktur, Prozessen,

Rezepten sowie Aufgaben/Interaktion • Ubiquitäre Multisensor-Systeme Neue Engineering- und

Visualisierungsmittel • Integration weiterer Informationsquellen, höhere Leistungsdichte

durch Automatisierung Multimodale Interaktion – Sprachsteuerung?, Gestik? – Virtuelle und augmentierte Realität

(Beispiel Nanoproduktion) – Mobile Interaktion


Zusammenfassung

• Prozessführung mittels Bildschirmen in Leitwarten erfordert standardisierte Konzepte der Darstellung

• Identifizierung, Strukturierung und Organisation von benötigter Informationen und Daten mittels Bedienbildern macht Komplexität moderner Anlagen beherrschbar

• Moderne Leitsysteme bieten eine Vielzahl von Darstellungstechniken und fertigen Bildern für sämtliche Tätigkeiten in allen Hierarchieebenen

• Technische, organisatorische und insbes. wirtschaftliche Neuerungen erfordern auch neue Konzepte der Prozessführung


Referenzen

• Wörn, Brinkschulte (2005) Echtzeitsysteme. Springer • Timpe, Jürgensohn, Kolrep-Rometsch (2000, Hrsg.) Mensch-Maschine-Systemtechnik. Symposion. • Urbas, L., Ziegler, J., Doherr, F. (in print). Produktergonomie in der Prozessautomatisierung.

Zeitschrift für Arbeitswissenschaft 64(2-3). • VDI 3699. Prozessführung mit Bildschirmen, Blatt 1-6. Beuth • Urbas, L., Obst, M., Stöß, M. (in print). Formal Models for High Performance HMI Engineering. In:

I. Troch, F. Breitenecker (Hrsg.) Proceeedings MathMod 2012, IFAC-online. • Urbas, L., Obst, M., Stöß, M. (2012). Formal Models for High Performance HMI Engineering.

MathMod 2012. Workshop Modelling and Model Transformation in Automation Technologies, 16.2.2012, Vienna, Austria. http://seth.asc.tuwien.ac.at/proc12/full_paper/Contribution253.pdf

• Doherr, F., Drumm, O., Franze, V., & Urbas, L. (2011). Bedienbilder auf Knopfdruck - Modellbasierte Erstellung von Fließbilddarstellungen. atp edition - Automatisierungstechnische Praxis 53(11). S. 30-39.

• Obst, M., Drumm, O., Doherr, F., Bauer, Ch., Urbas, L. (2012). Integriertes HMI-Engineering. In: Tagungsband Automation 2012, S. 227-230, VDI.

• Urbas, L. & Doherr, F. (2011). autoHMI: a model driven software engineering approach for HMIs in process industries. In: Proceedings of IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering Vol.3, S.627-631. doi:10.1109/CSAE.2011.5952755

3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT 52

http://www.mathmod.at/�

http://seth.asc.tuwien.ac.at/proc12/full_paper/Contribution253.pdf�

http://www.automatisierungskongress.de/�

http://dx.doi.org/10.1109/CSAE.2011.5952755�


Literatur

• DIN EN ISO 10628:2000 Fließschemata für verfahrenstechnische Anlagen - Allgemeine Regeln

• DIN 2403:2007 Kennzeichnung von Rohrleitungen nach dem Durchflussstoff

• VDI/VDE 3699:1999 Prozessführung mit Bildschirmen (6 Teile) • VDI/VDE 3850:2000 Nutzergerechte Gestaltung von

Bediensystemen für Maschinen (3 Teile)

• Klaus-Peter Timpe, Thomas Jürgensohn, Harald Kolrep (2002): Mensch-Maschine-Systemtechnik, Symposion Publishing

• Eberhard Klapp (2002): Apparate- und Anlagentechnik: Planung, Berechnung, Bau und Betrieb stoff- und energiewandelnder Systeme auf konstruktiver Grundlage. Springer, Berlin

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