High Performance HMI

Artikel#: 00095

Datum: 2024-07-17

Autor: Radim

1. Die Entwicklung von High Performance HMI (Human Machine Interface, Mensch-Maschine-Schnittstelle) ist eine Antwort auf mehrere Herausforderungen in der industriellen Automatisierung:

1.1. Komplexität moderner Prozesse: Mit zunehmender Komplexität industrieller Prozesse hat sich auch die Datenmenge und die Komplexität der Abläufe erhöht. Es ist eine Herausforderung, diese Informationen in einer klaren und umsetzbaren Weise zu präsentieren.

1.2. Sicherheitsbedenken: Schlecht gestaltete HMIs können zu Bedienfehlern führen, die katastrophale Folgen haben können, einschliesslich Unfällen und Produktionsausfällen. Die Verbesserung des HMI-Designs ist entscheidend für die Erhöhung der Sicherheit.

1.3. Effizienz und Produktivität: Effektive HMIs ermöglichen es den Bedienern, Daten schnell zu interpretieren und richtige Entscheidungen zu treffen, wodurch die Gesamtproduktivität und Effizienz verbessert wird.

1.4. Standardisierungsbedarf: Inkonsistente HMI-Designs in verschiedenen Systemen und Industrien können zu Verwirrung und Ineffizienz führen. Die Standardisierung von HMI-Design-Praktiken sorgt für einen einheitlicheren und effektiveren Ansatz.

2. Mehrere massgebliche Ressourcen bieten Richtlinien und Best Practices für die Gestaltung von High Performance HMIs:

2.1. The High Performance HMI Handbook: Geschrieben von Bill Hollifield, Dana Oliver, Ian Nimmo und Eddie Habibi, bietet dieses Handbuch praktische Einblicke in die Erstellung von HMIs, die die Leistung der Bediener durch Klarheit, Konsistenz und Relevanz verbessern.

2.2. ISA-101 Standard: Der ISA-101 Standard der International Society of Automation, "Human Machine Interfaces for Process Automation Systems", bietet umfassende Richtlinien für die Gestaltung, Implementierung und Verwaltung von HMIs und legt dabei Wert auf Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit.

2.3. Fachpublikationen und Fallstudien: Zahlreiche Fachpublikationen und Fallstudien beleuchten erfolgreiche Implementierungen von High Performance HMIs und bieten praxisnahe Beispiele und Erkenntnisse.

3. Das Verständnis und die Implementierung von High Performance HMI ist für verschiedene Akteure in der industriellen Automatisierung von entscheidender Bedeutung:

3.1. HMI-Designer und Entwickler: Fachleute, die für die Erstellung von HMIs verantwortlich sind, sollten mit den Best Practices vertraut sein, um intuitive und effektive Schnittstellen zu gestalten.

3.2. Bediener und Techniker: Personen, die täglich mit HMIs arbeiten, müssen die Vorteile von High Performance HMIs verstehen, um deren Funktionen vollständig nutzen und zur kontinuierlichen Verbesserung beitragen zu können.

3.3. Sicherheitsingenieure: Es sollten nicht nur Sicherheitsmassnahmen in Form von Sicherheitsausrüstung und Sicherheitslogik berücksichtigt werden, sondern auch eine gut gestaltete Mensch-Maschine-Schnittstelle, die das Fehlerrisiko verringert.

3.4. Anlagenleiter und Vorgesetzte: Diese Personen überwachen den Betrieb und können die Einführung von High Performance HMIs vorantreiben, um Effizienz und Produktivität zu steigern.

3.5. Ausbildungs- und Entwicklungsteams: Die Bereitstellung angemessener Schulungen zur Nutzung und den Vorteilen von High Performance HMIs ist für eine erfolgreiche Implementierung unerlässlich.

4. Die Implementierung von High Performance HMI sollte in den folgenden Szenarien in Betracht gezogen werden:

4.1. Neuentwicklung von Systemen: Bei der Entwicklung neuer Automatisierungssysteme sorgt die Integration von High Performance HMI-Prinzipien von Anfang an für eine robuste und benutzerfreundliche Schnittstelle.

4.2. Aufrüstung bestehender Systeme: Die Nachrüstung älterer Systeme mit High Performance HMIs kann deren Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit erheblich verbessern und sofortige Vorteile bieten.

4.3. Behebung von Sicherheits- und Leistungsproblemen: Wenn bestehende HMIs zu Sicherheitsvorfällen oder Ineffizienzen beitragen, ist es entscheidend, sie mit High Performance HMI-Prinzipien neu zu gestalten.

4.4. Standardisierungsbemühungen: Unternehmen, die ihre HMI-Praktiken über mehrere Standorte oder Systeme hinweg standardisieren möchten, sollten die Richtlinien von High Performance HMI übernehmen, um Konsistenz und Effizienz zu erreichen.

5. Mehr erfahren auf meinem Blog: www.radim-automation.com
Für diejenigen, die tiefer in die Welt der High Performance HMI eintauchen möchten, bietet mein Blog eine Fülle von Informationen, einschliesslich ausführlicher Artikel und praktischer Tipps. Bleibe dran für Einblicke, die dir helfen können, HMIs zu gestalten und zu implementieren, die die Leistung der Bediener und die Sicherheit wirklich verbessern.

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Kommentar#: 00001

Datum: 2024-07-19

Benutzer: Radim

"Seit fast dreissig Jahren werden industrielle Prozesse von Menschen gesteuert, die auf Computerbildschirme schauen. Die verwendeten Bildschirme sollten den Bediener mit genauen Informationen versorgen und ihn sowohl beim normalen Betrieb der Anlage als auch bei der Bewältigung von Ausnahmesituationen unterstützen.
Dieses Ziel wird selten erreicht. Tatsächlich wurde mehrfach festgestellt, dass schlechte Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) zu schweren Industrieunfällen beitragen. Viele der Paradigmen, die üblicherweise bei der Gestaltung industrieller Bildschirme verwendet werden, liefern bei weitem keine optimalen Ergebnisse.
Ein umfassendes und detailliertes Nachschlagewerk über die richtige Gestaltung von Prozesssteuerungsanzeigen hat es bisher nicht gegeben - bis jetzt. Das High Performance HMI Handbook liefert den Hintergrund, die Prinzipien und die detaillierten Best Practices für das Display-Design.
Die HMI ist das Werkzeug, mit dem moderne Prozesse gesteuert werden. Ohne ein angemessenes HMI-Design ist ein sicherer und rentabler Betrieb sehr viel unwahrscheinlicher. Das High Performance HMI Handbook ist für jedes Unternehmen, das sich mit industriellen Abläufen, Automatisierung, Sicherheit und Zuverlässigkeit beschäftigt, von grosser Bedeutung. Die richtigen Prinzipien sind jetzt an einem Ort und für alle verfügbar."

- Bill Hollifield, Dana Oliver, Ian Nimmo, Eddie Habibi. Plant Automation Services (2008). The High Performance HMI Handbook.
(übersetzt aus dem Englischen)

Kommentar#: 00002

Datum: 2024-07-22

Benutzer: Radim

"Die Notwendigkeit von ISA-101 ergab sich aus den Erfahrungen und Rückmeldungen aus verschiedenen Branchen bezüglich der Verwendung und Implementierung vieler 'schlechter' HMIs. Es gibt mehrere Schlüsselelemente, die routinemässig für das schlechte Design der HMI verantwortlich gemacht wurden. Die Fülle der Daten überforderte den Bediener und die grafischen Anzeigen. Die Auflösung der Bildschirme wurde immer besser, und die Bildschirme in den Kontrollräumen auf der ganzen Welt wurden mit 'ausgefallenen' dreidimensionalen Objekten, Animationen und Farben übersät. Die Bediener wurden mit Hunderten von Alarmen überschwemmt, ohne dass sie eine Priorität oder einen Zweck erkennen konnten. Leider hatte schlechtes Design manchmal auch fatale Folgen in Form von schweren Unfällen und Katastrophen."

- https://control.com/technical-articles/going-gray/
(übersetzt aus dem Englischen)

Kommentar#: 00003

Datum: 2024-07-23

Benutzer: Radim

"High Performance HMI ist die Antwort der Industrie auf die Frage nach einem standardisierten, benutzerfreundlichen und produktiveren HMI-Grafiksystem, das eine schlecht konzipierte HMI ersetzen kann.
Wie wir wissen, erfolgt die Steuerung von Prozessen durch den Bediener über eine grafische Darstellung des Prozesses, die als HMI (Human Machine Interface, Mensch-Maschine-Schnittstelle) bezeichnet wird.

Eine richtig konzipierte HMI:
Eine richtig konzipierte HMI unterstützt einen reibungslosen und stabilen Betrieb des Prozesses und meldet dem Bediener einen anormalen Zustand. Dies ist jedoch nicht immer der Fall.
Viele HMIs wurden schlecht konzipiert und implementiert, was zu Situationen führt, die Sicherheit, Qualität und Rentabilität beeinträchtigen können.

Viele aktuelle HMIs verwenden
- ein breites Spektrum an Farben,
- unnötige Grafiken,
- visuelle Ablenkungen und
- Mangel an allgemeinem Situationsbewusstsein.
Dies wiederum kann negative Folgen haben.
Einige dieser Folgen können schlechte Betriebsverfahren sein, wie z.B. das Laufen nach Alarmen, bei denen ein Bediener nur auf Alarme reagiert und die Ursache der Alarmbedingungen nicht versteht.
In anderen Fällen führt eine schlecht konzipierte Mensch-Maschine-Schnittstelle zu vermeidbaren Störungen und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass auf eine abnormale Situation nicht optimal reagiert wird.
In den schlimmsten Fällen wurde eine schlecht gestaltete Mensch-Maschine-Schnittstelle als Mitursache für einige Industrieunfälle ermittelt.

Anforderungen an die HMI-Gestaltung:
Lassen Sie uns darüber sprechen, wie es dazu kam. Frühe HMIs waren einfache Darstellungen des R&Is (Rohrleitungs- und Instrumentenfliessschema) des Prozesses, den sie steuerten und überwachten. Das lag vor allem an den Beschränkungen der damaligen Computer- und Grafikleistung.
Mit der Weiterentwicklung der Rechenleistung und der Grafikprozessoren wuchs auch die Vorstellung, dass eine hochkomplexe, datenreiche und visuell beeindruckende HMI entstehen sollte.
Wir sehen flackernde Flammen, um eine Fackel darzustellen, sich bewegende Eisenbahnwaggons in Ladebuchten, und einige sind sogar so weit gegangen, digitale Fotos von der eigentlichen Prozesshalle zu machen und die Daten auf den HMI-Bildschirmen zu überlagern!
Wenn man diese Denkweise zu den Tausenden von Systemintegratoren hinzurechnet, ergibt sich eine Branche ohne Standardanzeigen. Selbst identische Prozesse können sehr unterschiedliche HMI-Bildschirme haben, je nachdem, wer sie implementiert hat und welche Vorstellungen der Kunde hat.
Überall auf der Welt gibt es HMIs mit
- inkonsistenter Navigation,
- schwer verständlichen Daten, die dargestellt werden
- ungeeigneten Alarmdarstellungen und
- einem Mangel an Anzeigemethoden
zur Darstellung des Zustands der Betriebsanlage.

ISA-101 HMI Design Standard:
Lassen wir diese HMIs hinter uns und lernen wir die High Performance HMI kennen.
Im Jahr 2003 beauftragte die International Society of Automation (ISA) eine Gruppe von Endanwendern, Bedienern und Ingenieuren mit der Erarbeitung eines Standards.
Zwölf Jahre später, im Jahr 2015, wurde der ISA-101 HMI Design Standard veröffentlicht. Dabei handelt es sich um eine Reihe von Richtlinien, Grundsätzen und Philosophien für die Entwicklung von Grafiken auf einer Prozess-HMI. Dieser Standard soll dazu dienen
- eine funktionellere,
- leicht zu verstehen, und
- informationsgesteuerte
Bedienerschnittstelle zu erstellen.

Richtige Verwendung von Farbe:
Hier werden wir die grundlegenden Konzepte der High Performance HMI behandeln. Ein Konzept ist die richtige Verwendung von Farbe. Die High Performance HMI wird nicht mehr in intensiven und bunten Grafiken, sondern in Graustufen entwickelt, wobei die Farbe die Aufmerksamkeit auf sich ziehen soll.
Vorbei sind die Zeiten, in denen rot und grün anzeigten, ob die Maschine läuft oder nicht. In einem Graustufenbildschirm soll die Verwendung von Farbe eine abnormale Situation sehr schnell anzeigen. Es hat sich gezeigt, dass die neue Verwendung von Farbe allein zu einer 48%igen Verbesserung bei der Erkennung abnormaler Situationen geführt hat, bevor ein Alarm ausgelöst wird.
Ein Graustufenbildschirm ohne Farbe bedeutet eine normal arbeitende Anlage ohne Alarme. Ein kurzer Blick des Bedieners kann dies bestätigen, und die Produktivität kann gesteigert werden, da die Bediener keine Zeit damit verbringen müssen, einen Bildschirm zu studieren, um nach abnormalen Situationen zu suchen.

Nutzung von Informationen über Daten:
Ein weiteres Konzept ist die Verwendung von Informationen anstelle von Daten. Bei vielen HMIs werden Dutzende oder mehr Datenpunkte auf dem Bildschirm angezeigt, aber der Bediener kann nicht feststellen, was diese Daten bedeuten.
Eine Druckanzeige könnte 900 psi anzeigen, aber ist das gut oder schlecht? Durch die Verwendung eines Indikators für den Normalbereich mit einer Prozessvariablen kann der Bediener eine schnelle Entscheidung treffen, um Massnahmen zur Korrektur einer Situation zu ergreifen, die vom Normalbereich abweicht.

Leistungsstarke HMI-Trends:
Apropos Trends: Wir sehen jetzt eingebettete oder immer sichtbare Trends bei wichtigen Prozessvariablen. Dadurch, dass diese Trends immer sichtbar sind, kann sich der Bediener einen schnellen Überblick über die historischen Daten verschaffen und notwendige Prozessanpassungen vornehmen, bevor ein Produkt aus der Spezifikation läuft oder ein Tank überläuft - beides zeitaufwändige und kostspielige Fehler, die jetzt vermieden werden können.

Der Bildschirm ist einfach gehalten:
Ein sehr wichtiges Konzept der High Performance HMI besteht darin, den Bildschirm einfach und übersichtlich zu halten. Eine einfache Darstellung eines Behälters mit einem Ventil und einer Pumpe ist alles, was nötig ist. Hinzu kommen leicht zu findende Navigationsschaltflächen, die den Bediener zum nächsten Schritt im Gesamtprozess führen.

High Performance HMI-Farben:
Es besteht keine Notwendigkeit, Schottverschraubungen, Flansche oder unwesentliche 3D-Rohrobjekte anzuzeigen. Stattdessen sind ein ISA-Ventil und eine Pumpe unter Verwendung einer Linie zur Darstellung des Prozessflusses der Standard.
Bei der Darstellung des Status einer Pumpe oder eines Ventils wird anstelle von Rot und Grün für eine laufende oder nicht laufende Pumpe oder Offen und Geschlossen für ein Ventil ein dunkelgrauer Status für eine gestoppte Pumpe und ein weisser Status für eine laufende Pumpe verwendet. Bei einer Pumpe, die keine Rückmeldung an SCADA sendet, wird sie mittelgrau dargestellt.

Hierarchie der High Performance HMI-Anzeige:
Die richtige Anzeigehierarchie ist entscheidend für eine High Performance HMI. Durch die Schaffung eines hierarchischen Anzeigesystems erhalten die Bediener einen Überblick über die Gesamtsituation und die Möglichkeit, bei Bedarf sehr spezifische Datenpunkte aufzuschlüsseln.
Es gibt vier Hierarchieebenen in der High Performance HMI:

1) Allgemeines Situationsbewusstsein
Ebene 1 dient dem allgemeinen Situationsbewusstsein. Von diesem Bildschirm aus kann der Bediener den gesamten Prozess auf einer sehr hohen Ebene sehen.

2) Detailliertere Ansicht
Ebene 2 ist ein Bildschirm, auf den der Bediener zugreifen kann, um eine kleinere und detailliertere Ansicht als Ebene 1 zu erhalten. Auf Ebene 2 wird ein Teilsystem oder ein Prozess detaillierter als auf Ebene 1 aufgerufen.

3) Ausrüstungsdetails
Ebene 3 ist der Bildschirm mit den Ausrüstungsdetails, z.B. einer Pumpe oder einem Ventil. Sie enthält noch detailliertere Daten zu diesem speziellen Prozess.

4) Diagnostik
Ebene 4 schliesslich ist der Diagnosebildschirm. Hier erhält der Bediener Zugang zu sehr detaillierten Informationen über ein Verarbeitungsgerät, die zur Fehlersuche herangezogen werden können.

High Performance HMI ist immer noch ein bewegliches Ziel und unterliegt immer noch den Präferenzen der Beteiligten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Bediener, wenn ihnen die Konzepte der High Performance HMI vorgestellt werden, diese gerne in ihr System integrieren möchten.
Obwohl alle Systeme unterschiedlich sind, wird die Verwendung eines standardisierten Modells die Produktivität, Qualität und Sicherheit erheblich verbessern.“

- https://www.realpars.com/blog/high-performance-hmi
(übersetzt aus dem Englischen)

Kommentar#: 00004

Datum: 2024-08-05

Benutzer: Radim

"Einige Merkmale und Inhalte von High-Perfomance-Displays sind wie folgt:
- Es werden graue Hintergründe verwendet, um die Blendung zu minimieren, sowie eine allgemein kontrastarme Darstellung.
- Keine unnötigen Animationen, wie z.B. sich drehende Rührwerke oder Pumpen, sich bewegende Förderbänder und spritzende Flüssigkeiten und Sprüher. Animationen sollten nur in begrenztem Umfang und nur zur Hervorhebung aussergewöhnlicher Situationen verwendet werden.
- Die Darstellung von Prozesswerten erfolgt im Kontext von Informationen und nicht als einfache Zahlen auf dem Bildschirm.
- Wichtige Informationen und wichtige Leistungsindikatoren haben eingebettete Trends.
- Die Verwendung von Farben ist sehr begrenzt. Alarmfarben werden nur zur Anzeige von Alarmen verwendet und sonst nicht.
- Die Geräte werden in einer einfachen, kontrastarmen 2-D-Darstellung dargestellt und nicht in bunten 3-D-Gefässen mit Schattierungen.
- Das Layout stimmt im Allgemeinen mit dem mentalen Modell des Bedieners überein.
- Die Navigationsmethoden sind logisch und konsistent.
- Eine hierarchische Struktur unterstützt den schrittweisen Zugriff auf detaillierte Informationen.
- Der Zugriff zu der Information erfordert eine minimale Anzahl von Tastendrucken.
- Es werden Techniken eingesetzt, die die Möglichkeit von Bedienerfehlern minimieren sowie Validierungen und Sicherheitsmassnahmen vorsehen.
- Die Anzeigeelemente haben eine einheitliche visuelle und farbliche Kodierung."

- Bill Hollifield, Dana Oliver, Ian Nimmo, Eddie Habibi. Plant Automation Services (2008). The High Performance HMI Handbook. (Seite 32)
(übersetzt aus dem Englischen)

Kommentar#: 00005

Datum: 2024-08-05

Benutzer: Radim

"Schlechte Grafiken haben:
- Keine Trends.
- Grosse blinkende Flammen, die anzeigen, wenn ein Brenner eingeschaltet ist.
- Leuchtend farbige Prozessbehälter mit 3D-Schatten, sowie 3D-Prozessleitungen und Pumpen.
- Sich drehende Rührwerke und Pumpen, sich bewegende Förderbänder, spritzende Flüssigkeiten und Sprühvorrichtungen und andere derartige Animationselemente.
- Detaillierte Darstellung von sich nicht verändernden internen Elementen der Ausrüstung.
- Versuch der Farbcodierung von Prozessleitungen mit ihrem Inhalt.
- Messeinheiten (psig, gpm usw.) werden in grosser, heller Schrift angegeben.
- Flüssigkeitsstände in Behältern werden in hellen Farben über die gesamte Breite des Behälters angezeigt.
- Viele sich kreuzende Linien.
- Alarmbezogene Farben werden für nicht alarmbezogene Elemente verwendet.
- Begrenzte, willkürliche Navigation von Bildschirm zu Bildschirm.
- Inkonsistente Farbkodierung verschiedener Elemente."

- Bill Hollifield, Dana Oliver, Ian Nimmo, Eddie Habibi. Plant Automation Services (2008). The High Performance HMI Handbook. (Seite 50)
(übersetzt aus dem Englischen)

Kommentar#: 00006

Datum: 2025-01-20

Benutzer: Radim

"Überlegungen zur HMI-Entwicklung für Situational Awareness:
John Krajewski von AVEVA führt uns durch eine Einführung in die Überlegungen zur HMI-Entwicklung für Situational Awareness. Dieses kurze Video zeigt, wie Systemplattform und OMI speziell darauf zugeschnitten wurden, dem Bediener ein Maximum an Prozessinformationen zu liefern und die Erkennung von Alarmzuständen mit modernen Techniken zu erleichtern."
(übersetzt aus dem Englischen)

- https://industrial-software.com/training-support/educational-videos/hmi-development-considerations-for-situational-awareness/

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