high performance hmi - startseite fakultät elektrotechnik … · 2014-07-15 · Übersicht...
TRANSCRIPT
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?
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 2
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?
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 3
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%
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 4
Funktion 1: Habe ich noch 10 Minuten bis zur VL um 2? (HON+2012)
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 6
Funktion 2: Wieviele Sekunden bis 1:49:30?(HON+2012)
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 7
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 8
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 9
Abstraktionshierarchie (AH) als Basis für die Analyse des Informationsbedarfs
• AH verbindet funktionale und physikalische Aspekte eines Systems
• Basis für die Diagnose (nicht vorhergesehener) Fehlfunktionen
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 10
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?
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 11
Beispiel FCC(Jamieson, Vicente 1998)
• Diagnosestrategien (Rasmussen 1985):
Zweck, Funktion: System, Subsystem
Zustand, Grenzen: Komponente
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 12
Beispiel Fab PCS Health Report(Upton, Doherty 2008)
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 14
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI 15
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)
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI 16
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI 17
Semantic Mapping(Reising, Sanderson 2002)
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 18
Semantic Mapping(Reising, Sanderson 2002)
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 19
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“
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 20
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 21
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 22
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 23
http://www.isa.org/graphics/InTech/2012/NovDec12/2012_1112_36.jpg
Urbas et al. © 2012-2014 Folie 24 PLT-1::High Performance
HMI
Nullliniendarstellung(Ursamat 1950, HON+ 2012)
Urbas et al. © 2012-2014 Folie 26 PLT-1::High Performance
HMI
Eingebettete Trends statt 2½-D-Schnickschnak
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 28
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
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 29
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.
Urbas et al. © 2012-2014 PLT-1::High Performance HMI Folie 30