Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

High Performance HMI

VL Prozessleittechnik 1

SS 2014, 08.07.2014

Professur für Prozessleittechnik

Übersicht

• Definition High-Performance HMI

Informationsvorverarbeitung und -verdichtung im Rechner

Entlastung der Wartenfahrer

Erhöhung der Produktivität

• Theorie: Ecological Interface Design & Configural Displays

Abstraktions-Dekompositions-Raum

Configural Displays

• Praxis in der Prozessindustrie: High Performance Displays

Nullliniendisplay

Massenbilanz

• Forschung: Effizientes Engineering?

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Gute HMI unterstützen

• einen reibungslosen, stabilen und wirtschaftlichen Betrieb

• ein optimales Situationsbewusstsein

• eine optimale Reaktion bei Störungen

Hohe Leistung! Operational Excellence!

• Offene Fragen:

Woran erkenne ich gute HMI?

Wie funktionieren gute HMI?

Was muss ich für gute HMI tun?

Wie teuer sind gute HMI?

Wann rechnen sich gute HMI?

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Rechnen sich High Performance HMI?(Studie ASM 20XX)

Aufgabe Standard HMI

High Perf.HMI

Ergebnis

Erkennung von Störungen vor Eingangder Alarme

10% der Zeit

48% der Zeit

5-fache Verbesserung

Erfolgsquote bei Störungsbehandlung

70% 96% 37% über Basisfall

Zeit zur Ausführung der Aufgaben während Störung

18 Min 11 Min Reduzierung um ~40%

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Funktion: Ist Fluffy gesund?(HON+12)

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Funktion 1: Habe ich noch 10 Minuten bis zur VL um 2? (HON+2012)

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Funktion 2: Wieviele Sekunden bis 1:49:30?(HON+2012)

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Grundlegende Funktionsprinzipien von guten HMI

• Kontext

Daten sind mit visuellem Kontext zur Bewertung versehen

Fluffy 3: Darstellung der Position im bewerteten Parameterband

• Kognitive Grundleistungen

Visuelle Erfahrung aus dem Alltag sind übertragbar

Analoguhr: 10+ Minuten visuell schätzen schneller als 11:02 rechnen

• Aufgabenangemessenheit

Geschwindigkeit vs. Präzision

Etwa 10 vor 2 losgehen vs. 01:50:00 Prozess starten

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Theorie: Ecological Interface Design(u.a. Vicente 2002)

• Ziele des EID:

Randbedingungen und komplexe Beziehungen des Systems direkt wahrnehmbar machen

kognitive Belastung verringern und wissensbasiertes Schlussfolgern

unterstützen

Nutzerleistung und Systemzuverlässigkeit erhöhen

• Kernkonzepte:

Abstraction-Decomposition Space

Abstraktionshierarchie (AH)

Decomposition / Aggregations-Hierarchie

SRK-Framework (Skills, Rules, Knowledge)

Semantic Mapping

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Abstraktionshierarchie (AH) als Basis für die Analyse des Informationsbedarfs

• AH verbindet funktionale und physikalische Aspekte eines Systems

• Basis für die Diagnose (nicht vorhergesehener) Fehlfunktionen

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System Subsystem Unit Komponente

Zweck der Funktion

Abstrakte Funktion

Generalisierte Funktion

Physikalische Funktion

Physikalische Form

Vorgehensweise Abstraktionshierarchie(Jamieson, Vicente 1998)

• Ebenen bilden Mittel-Ziel-Relation

• Schlüsselfragen

• Auf der Ebene: Was für Entitäten (Form, Funktion,Zweck) interessiert mich?

• Nach oben: Warum ist die Entität auf dieser Ebene angemessen?

• Nach unten: Wie wird die Entität realisiert?

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Beispiel FCC(Jamieson, Vicente 1998)

• Diagnosestrategien (Rasmussen 1985):

Zweck, Funktion: System, Subsystem

Zustand, Grenzen: Komponente

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Beispiel Fab PCS Health Report(Upton, Doherty 2008)

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SRK-Framework(Rasmussen 1983)

• Skill-based: routine actions

Smooth, automated

Feed-forward control

Initiated by signals

• Rule-based: familiar problems

If state x then action y

Feed-forward control

Initated by signs

• Knowledge-based: novel situations

Mental Models local goals, actions, observations

Feed-back control

Initiated by symbols

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Signal – Sign - Symbol

• Signal

Time-space variables such as the deviation between the actual value of a flowmeter and a desired set point.

• Sign

Indicating a state in the environment with reference for certain conventions for acts.

• Symbol

Abstract constructs, defined by a formal structure of relations and processes.

Keep at set point

Use deviation as error signal

Track continuously

If valve open

If C, OK

If D, adjust flow

If valve closed

If A, OK

If B, recalibrate

If, after calibration, is still B, begin to read meter and speculate functionality (could be a leak)

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Setpoint

A

B C

D

V F

Decision Ladder

• Humans

select actively their goals

seek relevant information

• Human activity in familiar environments

oriented towards the goal, not goal-controlled

• Human activity in unfamiliar environments

May be goal-controlled – different attempts are made to reach the goal, the best attempt will be selected

attempts are performed internally

• Shortcuts

are built by experience and training.

are less demanding

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Semantic Mapping(Reising, Sanderson 2002)

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Semantic Mapping(Reising, Sanderson 2002)

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Überführung in die Praxis

• High Performance HMI (Hollifield, Oliver, Nimmo, Habibi 2008)

Starke Vereinfachung der Grundprinzipien

Rezept statt wissenschaftliche Methode

Einfache Lösungsmuster für die direkte Umsetzung

Wiederverwendbare Elemente statt Bauplan

Fokus auf Wiederstände und Einführung

„Das haben wir schon immer so gemacht“

„Bei uns ist das anders“

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Feste Navigationshierarchie(Feste Instanz des Abstraction-Decomposition Space)

• Level 1: Prozessübersichtsbilder

Größtmöglicher Überblick über die Einrichtungen, die von einem einzelnen Bediener geführt werden

• Level 2: Prozessbedienbilder

Information und Bedienelemente für die Durchführung der meisten Bedienhandlungen für eine bestimmte Teilanlage

• Level 3: Prozessdetailbilder

Alle Information für detallierte Untersuchungen und Eingriffe, die nicht zeitkritisch sind

• Level 4: Prozessunterstützungs- und Diagnosebilder

Diagnosen mit dem größten Detailierungsgrad

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Prozessübersichtsbild

• KPI (Werte, Trends, Abweichungen)

• Alarme der beiden höchsten Prioritäten

• Die wichtigsten Prozessregler

• Die wichtigsten kalkulierten Größen (Bilanzen)

• Status vor-/nachgelagerter Einheiten

• Status der wichtigsten Einrichtungen

• Trends der wichtigsten Prozessparameter

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http://www.sustainableplant.com/assets/SP1111-HMI-fig2.jpg

Prozessbedienbilder

• Beteiligung von Bedienern, Prozess- & Produktingenieuren

• Erhebung des Denkmodells der Bediener

Abbildung der gesamten Bandbreite der Prozessführungsverantwortung

P&ID und Ausfstellungspläne sind Hilfsmittel, PBD ist kein P&ID

Für Denkmodell Anlage in logische Abschnitte unterteilen

KPI, Steuerungen, Darstellungen der Steuerungen bestimmen

• Gestaltung mit Grundelementen

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http://www.isa.org/graphics/InTech/2012/NovDec12/2012_1112_36.jpg

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HMI

Nullliniendarstellung(Ursamat 1950, HON+ 2012)

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Analog Indicator

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HMI

Eingebettete Trends statt 2½-D-Schnickschnak

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HMI

Duale Kodierung von Alarmen

Downside

• Gute HMI gibt es nicht umsonst!

1. Analyse der Denkmodelle der Bediener

2. Kreative Transformation der Dokumentation der Planung (P&ID) in aufgabenunterstützende Configural Displays

3. Parametrierung der Configural Displays

Aufteilung, Darstellung, Werte und arbeitpunktabhängige Grenzen,

4. Wartung der Displays

Anpassung der arbeitpunktabhängigen Grenzen

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Zusammenfassung

• High Performance HMI / HMI+ ist angewandtes Ecological Interface Design

Zugeschnitten auf die Belange der Prozessindustrie

Deutlich vereinfachte Rezepte für Analyse und Entwurf

• Voraussetzung für hohe Leistung durch

einen reibungslosen, stabilen und wirtschaftlichen Betrieb

ein optimales Situationsbewusstsein

eine optimale Reaktion bei Störungen

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Literatur

• Jamieson, G.A.: Ecological Interface Design for Petrochemical Processing Applications. Master-Thesis Univ Toronto, 1998

• Upton, C., Doherty, G.: Extending Ecological Interface Design Principles: A Manufacturing Case Study. Int. J. Human Computer Studies 66(4), S. 271-286, 2008. doi:10.1016/j.ijhcs.2007.10.007

• Rasmussen, J.: The role of hierarchical knowledge representation in decision making and system management. IEEE Trans. Systems, Man and Cybernetics 15, S. 234-243, 1985

• Vicente, K. J., Rasmussen, J.: Ecological interface design: Theoretical foundations. IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics 22, S. 1-18., 1992

• Vernon, D., Reising, C., Sanderson, P.M.: Ecological interface design for Pasteurizer II: A process description of semantic mapping. Human Factors 44(2), 222–247, 2002

• Urbas, L., Ziegler, J., Doherr, F.: Produktergonomie in der Prozessautomatisierung. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft 66(2-3), S. XXX-XXX, 2012

• Rasmussen, J.: Skills, Rules, and Knowledge; Signals, Signs and Symbols and Other Distinctions in Human Performance Models. IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics 13(3), 257-266, 1983

• Rasmussen, J., Pejtersen, A.M., Goodstein, L.P.: Cognitive Systems Engineering. Wiley 1994

• Hollifield, B., Oliver, D., Nimmo, I., Habibi, E.: The High Performance Handbook. PAS 2008.

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