Gestaltung der Mensch- Maschine-Schnittstelle in der Leittechnik. VL PLT1 Professur für Prozessleittechnik

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1 Gestaltung der Mensch- Maschine-Schnittstelle in der Leittechnik VL PLT1 Professur für Prozessleittechnik

2 Übersicht Aufgaben und Ziele der Mensch-Maschine- Interaktion bei der Prozessführung Grundlagen der Darstellung Prozessführung mittels Bildschirmen 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 2

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

4 Das Automatisierungssystem (Bildquelle: Wörn & Brinkschulte 2005) 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 4

5 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) 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 5

6 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 6

7 Aufgaben der Prozessführung 2/2 Bildquelle: VDI/VDE Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 7

8 Mensch-Maschine-Interaktion in der Prozessautomatisierung (Urbas, Ziegler, Doherr, im Druck) Betriebsleitebene wirtschaftliche & politische Aufgaben Produktionsleitebene wirtschaftliche, logistische und dispositive Aufgaben Prozessleitebene Führen von Verfahrensgruppen, Verfahrenseinheiten und Apparaten Prozessüberwachungsaufgaben Leitwarte (stationär) Anlage (mobil) Feldebene Messwerterfassung & Stelleingriffe Signalübertragung, Geräteparametrierung, Instandhaltung Technischer Prozess Feldgerät Instandhaltung 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 8

9 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 9

10 Feldgeräte Nahtstellen für Parametrierung Fehlerdiagnose Manuelle Bedienung Herausfordernde Umgebungsbedingu ngen p, T, Ex Kostengetriebener Markt Kosteneffektivität Funktionsexplosion Aktuelle Themen Familienkonzepte (SW, UI) Unified Access & Profiles Ferninbetriebnahme (FDI) Appification 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 10

11 Mobile Interaktion Informationsversorgung 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 Input Devic e Displa y Rotary-Pushbutton Di sp la y Pushbutton 2 Pushbutton 1 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 11

12 Grundlagen der Darstellung der Prozesse in der Leitwarte

13 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 13

14 Konzepte der Darstellung 1 / 3 Bildquelle: VDI/VDE Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 14

15 Konzepte der Darstellung 2 / 3 Für wen... Operator... und wofür ist darzustellen? Überwachen: Informationen bereitstellen, Handlung lenken Eingreifen: Handlungen ermöglichen Diagnostizieren: Unterstützung bei der Interpretation 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 15

16 Konzepte der Darstellung 3 / 3 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 16

17 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 17

18 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 18

19 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 Bildquelle: VDI/VDE Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 19

20 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 20

21 Bedienbilder als Darstellungstechnik Bedienbilder bestehen aus einem statischen Grundbild als Kontext und variablen Bildelementen als Träger von Information Darstellungen werden aus Linien, Flächen, Farben, Schriftund Bildzeichen (Symbolen) zusammengesetzt daraus ergeben sich die Dimensionen Farbe, Form, Lage, Orientierung, Ausdehnung, sowie deren sowie deren zeitliche Änderungen (Farbverläufe, Trajektorien, Sichtbarkeit ) 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 21

22 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 22

23 Beispiel: Siemens PCS 7 OpAnL Oberer Grenzwert Ziel Sollwertrampe Externer Sollwert Prozesswert Sollwert Unterer Greenzwert Sprungtaste Betriebsart Sollwertvorgabe Oberer Skalierwert Prozesswert Sollwert Unterer Skalierwert Bildquelle: Siemens AG 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 23

24 Codierung von Zustandsgrößen Farb-Codierung und Zeichen-Codierung Oberer Grenzwert Ziel Sollwertrampe Externer Sollwert Symbol-Codierung Prozesswert Sollwert Unterer Greenzwert Sprungtaste Betriebsart Sollwertvorgabe Oberer Skalierwert Prozesswert Sollwert Unterer Skalierwert Bildquelle: Siemens AG Weitere mögliche Kodierungen: - Animierte Bausteinsymbole - Blinkende Elemente - 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 24

25 Codierung von kontinuierlichen Größen Komplexe Codierung mittels analoger Anzeige mit Skala Oberer Grenzwert Ziel Sollwertrampe Externer Sollwert Prozesswert Sollwert Unterer Greenzwert Sprungtaste Einfache Codierung mittels digitaler Anzeige Betriebsart Sollwertvorgabe Oberer Skalierwert Prozesswert Sollwert Unterer Skalierwert Bildquelle: Siemens AG 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 25

26 Prozessführung mittels Bildschirmen

27 Grundstruktur der Bildschirmoberfläche Datum/Uhrzeit Fenster Wird bei Bedarf im Arbeitsfeld eingeblendet Nachrichten der Prozesssteuerung Übersichtsfeld Überschrift... ist Teil des Arbeitsfeldes und beschreibt das Dargestellte Arbeitsfeld... zur Darstellung der Bedienbilder Dauerhaft sichtbare Anlagenzustände Aufgabenspezifische Informationen Detailinformationen Kontrollfeld für Eingaben Tastenfeld enthält virtuelle Tasten oder Beschriftungen für reale Tasten Dauerhaft sichtbare Steuerelemente nach: VDI/VDE Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 27

28 Beispiel einer Bildschirmoberfläche Übersichtsfeld Arbeitsfeld Fenster Tastenfeld 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Bildquelle: Folie 28 Siemens AG

29 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 29

30 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 30

31 Hierarchie des Bediensystems Verfahrenstechnische Anlagen: 300 bis Messwerte Mehrere Bereiche (Verfahrensschritte) Viele Aggregate Strukturierung als Anlagenhierarchie Verfahrenstechnik Visualisierung Anlage Anlagenbild Bereich Bereichsbild Teilanlage Teilanlagenbild/Gruppenbild Anlagenteile Detailbild 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 31

32 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 32

33 Weitere Bedienbilder Trend-Report Bildquelle: Siemens AG 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 33

34 Weitere Bedienbilder Alarm- und Meldeliste Bildquelle: Siemens AG 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 34

35 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 35

36 Beispiele der Bedienmöglichkeiten Anwahlbedienung Prozessbedienung Aufruf von Zusatzinformation Bildquelle: Siemens AG 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 36

37 Navigation in Bedienbildern Auswahlmethoden Menüs Direkte Eingabe Funktionstasten Navigation in Abhängigkeit der Darstellung und der vorgegebenen Hierarchie Zugehörige Fließbilder Zugehörige Spezialbilder 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 37

38 Informations-Aufgaben-Produkt Dekomposition (Urbas et al. i.v.) Information (CAE) Aufgabe Produkt Eng / Use Funktionale Prozesstopologie (PFD) Funktionale Produkttopologie (P&ID) Überwachen, Situation Awareness Parametrieren der Prozessführung Übersichtsbild Anlagenbild Bedienfließbild stationär 15 / / 15 Informationsfluss & Verhalten (SFC, CFC) Aktive Fehlersuche Bedienpanel 05 / 05 Einzelsteuerfunktion (SFC, CFC) Gerätemodell (GSD, EDD) Fehlerbeherrschung, Fehlerbeseitigung IBN von Mess- & Stellgeräten IBN-Werkzeug (EDD, FDT, FDI) VorOrt-Panel mobil 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 38

39 MBUID Bedienfließbild (Urbas et al. 2011, Doherr et al. 2011, Obst et al. 2012) Information (CAE) Aufgabe Produkt Eng / Use Funktionale Prozesstopologie (PFD) Funktionale Produkttopologie (P&ID) Informationsfluss & Verhalten (SFC, CFC) Überwachen, Situation Awareness Parametrieren der Prozessführung Aktive Fehlersuche Übersichtsbild Anlagenbild Bedienfließbild Bedienpanel stationär 15 / / / 05 Einzelsteuerfunktion (SFC, CFC) Gerätemodell (GSD, EDD) Fehlerbeherrschung, Fehlerbeseitigung IBN von Mess- & Stellgeräten IBN-Werkzeug (EDD, FDT, FDI) VorOrt-Panel mobil 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 39

40 Welche Teilaufgaben können durch MBUID effektiv automatisiert werden? Aufgabenstruktur Bedienhierarchie Navigationskonzept Prozessstruktur Grafische Darstellung Kommunikation & Verhalten 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 40

41 M2M / M2T Transformationskette 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 41

42 Regelhafte Beschreibung der M2M- Transformation: Auswahl der Elemente Auswahl Equipment e e i p PID PID PID : e : i PID PID, remote p PID E task Auswahl Instrumentation i i class( e HMI Auswahl Rohrleitung p : path( e PID, i, e PID PID, j ) E task ) e e HMI, i, e HMI HMI, j p HMI 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 42

43 M2M-Transformation Anreicherungsprozesse (Urbas, Doherr 2011) - concrete Part 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 43

44 Wie sieht das in der Praxis aus? (Obst, Drumm, Doherr, Urbas 2011) 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 44

45 MBUID Configural Displays (Urbas, Stöß, Doherr 2012; Urbas, Stöß, Doherr im Druck) Information (CAE) Aufgabe Produkt Eng / Use Funktionale Prozesstopologie (PFD) Funktionale Produkttopologie (P&ID) Informationsfluss & Verhalten (SFC, CFC) Überwachen, Situation Awareness Parametrieren der Prozessführung Aktive Fehlersuche Übersichtsbild Anlagenbild Bedienfließbild Bedienpanel stationär 15 / / / 05 Einzelsteuerfunktion (SFC, CFC) Gerätemodell (GSD, EDD) Fehlerbeherrschung, Fehlerbeseitigung IBN von Mess- & Stellgeräten IBN-Werkzeug (EDD, FDT, FDI) VorOrt-Panel mobil 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 45

46 Next Steps: Engineering von Configural Displays (Urbas, Stöß, Doherr 2012) 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 46

47 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) 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 47

48 Suche im Graph zur Identifikation von Messstellen Ergebnis der Suche nach geeigneter Instrumentierung für die KPI-Berechung der Wärmeübertrager 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 48

49 Vergleich Configural Display / Klassisches Bedienfließbild 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 49

50 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 50

51 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 51

52 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 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 Workshop Modelling and Model Transformation in Automation Technologies, , Vienna, Austria. Doherr, F., Drumm, O., Franze, V., & Urbas, L. (2011). Bedienbilder auf Knopfdruck - Modellbasierte Erstellung von Fließbilddarstellungen. atp edition - Automatisierungstechnische Praxis 53(11). S Obst, M., Drumm, O., Doherr, F., Bauer, Ch., Urbas, L. (2012). Integriertes HMI-Engineering. In: Tagungsband Automation 2012, S , 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 doi: /csae Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT 52

53 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 3. Juli 2012 PLT (c) Urbas/PLT Folie 53