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"Intelligente" Grafiken in der Prozeßleittechnik:


13.11.1987 - 

Die Leitstand-Ergonomie wird zum Sicherheitsfaktor

Die Ausgabe von Grafiken auf Bildschirmen oder anderen Medien ist ein sehr weites Feld. Die Spannweite reicht von einfachen Geschäftsgrafiken über Konstruktionszeichnungen auf CAD-Systemen bis hin zur Computeranimation. Im folgenden Beitrag werden die speziellen Anforderungen und Lösungsaspekte der Grafikdarstellung in der Prozeßleittechnik beschrieben. Die Komplexität dieser Anwendungen erfordert ein nicht unerhebliches Maß an Eigenintelligenz in Form eines Minicomputers.

Unübersichtliche Leitstände in der Prozeßleittechnik stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Umgekehrt sind klar gegliederte, überschaubare Darstellungen in der Leitstandtechnik nicht nur schön anzusehen, sondern sie stellen auch einen aktiven Beitrag zu mehr Sicherheit dar.

Die ergonomische Gestaltung des Mensch-Maschine-lnterfaces in Leitständen (zum Beispiel in Kraftwerken Energieversorgungsunternehmen, Sicherheitsanlagen und automatische Fertigungsstraßen) gewinnt mit den immer komplexer werdenden Gesamtanlagen ständig an Bedeutung. Es ist denkbar, daß zukünftige Überprüfungen der Anlagen in der Kraftwerks- oder Automatisierungstechnik durch entsprechende Behörden auch unter dem Gesichtspunkt der Ergonomie und Arbeitsmedizin durchgeführt werden.

Störungen rechtzeitig erkennen und bearbeiten

Eine in dieser Hinsicht nicht optimale Anlage kann dazu führen, daß wichtige, sicherheitsrelevante Ereignisse im Prozeß (zum Beispiel kritische Störungen) nicht rechtzeitig erkannt und richtig bearbeitet werden, da die Informationsflut zu groß ist oder Operateure durch ergonomisch schlecht ausgebildete Leitstände überlastet sind. Daher wird die konventionelle Leitstandstechnik (große Warten mit Signal-Lampen, Analoginstrumenten, Schreibern, Fließbildern und so weiter) immer mehr ergänzt durch computergestützte Visualisierungssysteme, die auf grafischen Monitoren den technischen Prozeß übersichtlich darstellen und erst im Bedarfsfall automatisch oder manuell wichtige Detailinformationen zusätzlich einblenden.

Ergonomische Benutzeroberflächen auf Monitoren in der Leittechnik sind so von einigen Randbedingungen geprägt, die sich vor allem aus der Realzeit der Informationsdarstelllung und den Sicherheitsanforderungen ergeben. Hinzu kommt die Bedingung, daß in Streßsituationen alle erforderlichen Informationen zur Behebung eines Störfalles gleichzeitig zur Verfügung stehen müssen und Bedienungen nicht an starre Schemata gebunden sein dürfen. Diese Anforderung mündet in eine Reihe von Voraussetzungen, die sowohl durch entsprechende Software als auch leistungsstarke Hardware geschaffen werden muß.

Genauso wichtig wie die Ergonomie in den Leitständen ist die Flexibilität des Visualisierungssystems, wenn schnell und einfach komplexe Systeme an geänderte Situationen angepaßt werden sollen. Aufgrund langer Projektlaufzeiten solcher Anlagen ist die Garantie, daß alle Teile der Anlage über mindestens zehn Jahre gewartet und nachgeliefert werden können, eine unabdingbare Voraussetzung.

Leistungsfähige Grafiksichtgerätesysteme, die diesen Anforderungen genügen, finden nicht nur in der zentralen Leittechnik der Kraftwerke oder Energieversorgungs- und Verteilungsunternehmen Verwendung, sondern werden auch bei dezentralen, kleinen lokalen Leitständen wie kommunalen Ver- und Entsorgungseinrichtungen (Stadtwerke), Bahnstromtechnik, Hausleittechnik, Verfahrenstechnik oder Produktionsautomatisierung eingesetzt.

Einfache Monitore sind für den Einsatz in der Leittechnik nicht geeignet. Um die Operateure nicht zu ermüden, müssen Hochleistungs-Grafiksysteme verwendet werden, deren Monitore mit einer minimalen Bildwiederholungsfrequenz von 60 Hertz angesteuert werden, um ein vollständig flimmerfreies Bild zu gewährleisten. Die darauf dargestellte Information muß so strukturiert sein, daß mit wenigen Übersichtsbildern ein Überblick über die Gesamtanlage möglich ist und im Bedarfsfall (zum Beispiel über eine Bildhierarchie) Bilder mit Detailinformationen angewählt und eingeblendet werden können.

Das Aufschalten neu angewählter Bilder muß innerhalb einer Sekunde vollständig erfolgt sein, da sonst die Aufmerksamkeit der Operateure abgelenkt wird oder in kritischen Störfällen die Information sogar zu spät erscheint.

Ganze Bildteile, die ein logisch zusammenhängendes Anlagenteil darstellen, müssen dynamisch, abhängig vom Zustand der Anlage, umgefärbt oder grafisch anders angezeigt werden. Als Beispiel hierfür sei ein Energieversorgungsunternehmen genannt, bei dem die Operateure schnell über den Stromausfall in einem regionalen Gebiet informiert werden müssen. Durch Einführung einer auffälligen Farbe für das entsprechende Gebiet ist sofort die Störung und das Ausmaß ersichtlich. Ein anderes Beispiel aus der Gebäudeleittechnik: Bei Alarm von einem Sicherheitsschalter muß sofort erkenntlich werden, welche Gebäudeteile von der Gefahr betroffen sind. Das kann erreicht werden durch blinkende Darstellung der entsprechenden Grundrißteile.

Werden Meßwerte mit Hilfe des Visualisierungssystems dargestellt, so müssen die Aktualisierungen dieser Werte ebenfalls in maximal ein bis zwei Sekunden durchgeführt sein Diese Forderung kann bei komplexen Anlagen (zum Beispiel Kernkraftwerken) dazu führen, daß bis zu 500 Werte pro Sekunde auf dem Monitor aktualisiert werden müssen.

Minicomputer als Basis für Visualisierungssysteme

Die Darstellung der Meßwerte erfolgt in Form von Balken, Kurven, Fahrdiagrammen und ähnlichem, wobei von dem Visualisierungssystem die freie Kombinationsmöglichkeit von mehreren Semigrafik- und Vollgrafikebenen und eine fein abgestufte Farbpalette gefordert wird. Damit können den Operateuren auf einem Monitor zum Beispiel gleichzeitig die Meßkurven mit Soll- und Grenzwerten sowie in Form von Piktogrammen die möglichen Aktionen oder Ereignisse angezeigt werden.

Bereits aus den in diesen Abschnitten beschriebenen Leistungsmerkmalen ist zu erkennen, daß als Basis für ein solches Visualisierungssystem ein sehr leistungsfähiger Minicomputer verwendet werden muß.

Die freie Programmierbarkeit des Visualisierungssystems ist ebenso wichtig wie die flexible Ausbaubarkeit vom kleinen System zur komplexen Hochleistungsanlage, ohne daß dabei die hohen Investitionen der Anwendersoftware abgeschrieben werden müssen.

Um diese Ziele zu erreichen, muß das Visualisierungssystem aus einer

softwarekompatiblen Gerätefamilie bestehen. Die Forderung nach 32-Bit-Adressierung und -Verarbeitung ist wegen der großen Datenmenge, die in einzelnen Bildern enthalten ist unabdingbar.

Ebenso wichtig ist die Verwendung von standardisierten Schnittstellen, die eine einfache Kommunikation mit übergeordneten Leitrechnern ermöglicht, die aus Sicherheitsgründen auch als Mehrfach-Systeme ausgelegt sein können.

Die Programmierbarkeit der Visualisierungssysteme erlaubt es, wesentliche Verarbeitungsprogramme von Leitrechnern auf die Peripherie zu verlagern. Damit wird der Leitrechner von Aufgaben entlastet, wie zum Beispiel.

- Datenkonvertierungen.

- Grenzwertüberprüfungen,

- Trendanalysen,

- Interpolationen oder

- Führen der Bildbank.

Personal anhand realer Situation schulen

Ein noch weiter gehender Schritt ist die Archivierung der Meßwerte auf Plattensystemen des Visualisierungssystems. Damit können zu späteren Zeitpunkten real aufgetretene Situationen lokal mit dem Visualisierungssystem nachgespielt werden. Diese Eigenschaft kann wichtig sein, um zum Beispiel aufgetretene Störungen und deren Ursache post mortem zu untersuchen oder das Betriebspersonal mit Hilfe dieser realen Situation zu schulen.

In letzter Konsequenz kann die Intelligenzverlagerung auf die Peripherie so weit gehen, daß der Leitrechner vollständig durch das Visualisierungssystem ersetzt wird.

Ein nicht zu unterschätzendes Kriterium für ein Visualisierungssystem ist die Systemlebensdauer. Komplexe Gesamtanlagen benötigen bereits einen Planungs- und Realisierungszeitraum von mehreren Jahren. Das eingesetzte Visualisierungssystem muß also über diesen Zeitraum und die nachfolgende Betriebszeit vom Hersteller gewartet und nachgeliefert werden können. Dies ist eine Forderung, die bei der kurzen Innovationszeit im Bereich der Mini- und Mikrocomputer sehr hohe Anforderungen an den Hersteller und dessen Logistik stellt.

Als Beispiel für ein solches Grafikausgabesystem mag die Dynavis-Familie (Dynamisches Video-Display-System) der Dr. Seufert GmbH in Karlsruhe dienen, die für den Einsatz als Prozeßvisualisierungssystem in der industriellen Leittechnik konzipiert wurde. Sie ist modular aufgebaut, basierend auf dem VME-Bus mit einer Datentransferrate von 20 Megabyte je Sekunde. Die erforderliche Rechenleistung wird durch eine 32-Bit-CPU (Motorola 68XXX) und einen speziellen Grafikprozessor in Bitslice Technik erreicht.

Die Kommunikation mit dem Host und mit eigenen Peripheriegeräten läuft; Aber V.24, IEC-Bus, SCSI, Ethernet mit TCP/1P, Map oder X.25; auch Kombinationen sind denkbar. Die vom Anwender geforderte Anschlußmöglichkeit für alle handelsüblichen RGB-Monitore wird durch eine genormte Video-Schnittstelle mit Analogausgang sichergestellt. Pixel- und Zeilenzahl pro Bild sowie die Bildwiederholfrequenz sind softwaremäßig einstellbar.

Als Betriebssystem wird einheitlich Motorolas Echtzeitsystem "Versados" verwendet, auf dem die komfortablen, menügesteuerten Bildkonstruktionsprogramme für Semi- und Vollgrafik aufbauen. Anwendungsspezifische Software kann in Pascal erstellt werden.

Basierend auf der Hardware des Dynavis und dem Betriebssystem Versados (mit Kern RMS68K) existiert eine umfangreiche und bedienerfreundliche Software zur Erstellung, Verwaltung und Änderung von semigrafischen und vollgrafischen Bildern sowie zur Herstellung eines Prozeßbezugs zwischen diesen Bildern und einem Prozeßmodell. Für die Handhabung dieser Software werden keine Kenntnisse der Programmierung benötigt, so daß auch Technologen des Anwenders in der Lage sind, statische Bilder und deren Verknüpfung mit dem zu visualisierenden Prozeß zu erstellen,

Die Software ist modular in Pascal programmiert und komplett oder in Teilen unter Versados ablauffähig. Damit können die Dynavis-Controller als Stand-alone-Systeme eingesetzt werden oder einen Hostrechner von Aufgaben der Bildbank und Prozeßmodellverwaltung sowie der Bildbearbeitung weitgehend entlasten. Die Aufgaben des Hostrechners reduzieren sich in diesem Fall auf die Übergabe von Rohdaten an den Dynavis-Controller, der die weitere Bearbeitung (Selektion, Umrechnung und Überprüfung, Visualisierung) der Daten selbständig durchführt.

Prozessoren übernehmen dedizierte Aufgaben

Mit der immer weiter fortschreitenden Entwicklung in Richtung höherer Integrationsdichte und mehr Leistung bei gleichbleibenden Preisen der Minicomputer sind zwei Tendenzen ersichtlich:

- Weitere Verlagerung von Intelligenz auf die Peripherie und damit Entlastung der Hostcomputer auch von komplizierten Berechnungsalgorithmen. Dies kann zum Beispiel erreicht werden durch Einführung von Mehrprozessorsystemen, wobei die einzelnen Prozessoren dedizierte Aufgaben übernehmen (zum Beispiel Meßwerterfassung, Umrechnung und Darstellung).

- Höhere Zuverlässigkeit und bessere MTBF-Werte durch redundant ausgelegte Hardwarekomponenten.

Die heute verfügbaren Systemfamilien für die Prozeßvisualisierung werden im oberen Leistungsbereich gemäß den obengenannten Tendenzen weiterentwickelt. Aber auch am unteren Ende, bei dem weniger die Geschwindigkeit als die Preise ausschlaggebend sind, sind Geräte zu erwarten, mit deren Hilfe einfache Prozesse überwacht werden können