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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)
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 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-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 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
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Aufgaben der Prozessführung 2/2
Bildquelle: VDI/VDE 3699-2
Mensch-Maschine-Interaktion in der Prozessautomatisierung (Urbas, Ziegler, Doherr, im Druck)
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 8
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
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 9
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
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 10
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
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 11
Display
Rotary-Pushbutton
Pushbutton 2 Pushbutton 1
Input Devic
e
Display
Grundlagen der Darstellung der Prozesse in der Leitwarte
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 13
Konzepte der Darstellung 1 / 3
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 14
Bildquelle: VDI/VDE 3699-2
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
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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
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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
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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
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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
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Bildquelle: VDI/VDE 3699-2
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
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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 …)
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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
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Beispiel: Siemens PCS 7 OpAnL
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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
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 24
Betriebsart Sollwertvorgabe Oberer Skalierwert Prozesswert Sollwert Unterer Skalierwert
Oberer Grenzwert
Ziel Sollwertrampe Externer Sollwert
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
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 25
Betriebsart Sollwertvorgabe Oberer Skalierwert Prozesswert Sollwert Unterer Skalierwert
Oberer Grenzwert
Ziel Sollwertrampe Externer Sollwert
Prozesswert
Sollwert
Unterer Greenzwert Sprungtaste
Einfache Codierung mittels digitaler Anzeige
Komplexe Codierung mittels analoger Anzeige mit Skala
Bildquelle: Siemens AG
Prozessführung mittels Bildschirmen
Grundstruktur der Bildschirmoberfläche
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 27
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
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Übersichtsfeld
Arbeitsfeld
Fenster
Tastenfeld
Bildquelle: Siemens AG
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
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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
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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
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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
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Weitere Bedienbilder
• Trend-Report
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Bildquelle: Siemens AG
Weitere Bedienbilder
• Alarm- und Meldeliste
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Bildquelle: Siemens AG
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
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Beispiele der Bedienmöglichkeiten
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 36
Anwahlbedienung
Prozessbedienung
Aufruf von Zusatzinformation
Bildquelle: Siemens AG
Navigation in Bedienbildern
• Auswahlmethoden
– Menüs
– Direkte Eingabe
– Funktionstasten
• Navigation in Abhängigkeit der Darstellung und der vorgegebenen Hierarchie
– Zugehörige Fließbilder
– Zugehörige Spezialbilder
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Aufgabe
Informations-Aufgaben-Produkt Dekomposition (Urbas et al. i.V.)
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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)
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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
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obil
Welche Teilaufgaben können durch MBUID effektiv automatisiert werden?
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Aufgabenstruktur Bedienhierarchie
Navigationskonzept
Prozessstruktur Grafische Darstellung
Kommunikation & Verhalten
M2M / M2T Transformationskette
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Regelhafte Beschreibung der M2M-Transformation: Auswahl der Elemente
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 42
HMIjHMIiHMIjPIDiPIDPIDPID
HMIremotePIDPID
HMItaskPIDtaskPIDPID
peeeepathppp
iiii
eEeEeee
→∃∧∈∀
→∀
→∈∨∈∀
,,,,
,
,),(: gRohrleitunAuswahl
:ation InstrumentAuswahl
)class(:Equipment Auswahl
M2M-Transformation – Anreicherungsprozesse (Urbas, Doherr 2011)
3. Juli 2012 PLT-1 2006-2012 (c) Urbas/PLT Folie 43
- concrete Part
Wie sieht das in der Praxis aus? (Obst, Drumm, Doherr, Urbas 2011)
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Aufgabe
MBUID Configural Displays (Urbas, Stöß, Doherr 2012; Urbas, Stöß, Doherr im Druck)
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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)
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Eng / Use
80 / 15
05 / 05
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Next Steps: Engineering von Configural Displays (Urbas, Stöß, Doherr 2012)
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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)
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Suche im Graph zur Identifikation von Messstellen
• Ergebnis der Suche nach geeigneter Instrumentierung für die KPI-Berechung der Wärmeübertrager
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Vergleich Configural Display / Klassisches Bedienfließbild
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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
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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
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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
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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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