Leistungsfähige Grafiksysteme auf PC-Basis haben sich längst etabliert. Visualisierungssysteme finden immer breiteren Einsatz in Wissenschaft und Technik. Der gegenwärtige Stand der Technik auf dem Gebiet der Prozeßleittechnik, so Peter Astheimer*, hinkt dagegen noch weit hinterher.

Bisherige Systeme zur Visualisierung von technischen Prozessen arbeiten überwiegend mit grober Semigrafik sowie ungeeigneten Interaktionstechniken und -medien. Es stellt sich die Frage, warum das so ist. Zur Beantwortung ist es notwendig, sich ein wenig mit der Struktur, den Anforderungen und Besonderheiten eines Prozeßleitsystems (PLS) zu beschäftigen.

Ganz allgemein dient ein PLS zur Überwachung und Steuerung von technischen Prozessen. Menschen in einer Leitwarte führen den Prozeß an Bedienstationen über ein Visualisierungssystem, das zusätzlich mit akustischen Melder gekoppelt ist. Ein PLS wird für unterschiedlichste Anwendungen auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt - von der einfachen Heizungsregelung bis hin zur Überwachung und Steuerung von komplizierten Produktionsvorgängen.

Logikkomponente mit Fernwirkperipherie

Ein PLS ist integraler Bestandteil eines umfassenderen Automatisierungssystems. Weitere Teile sind Systeme zur Planung der logistischen und betriebswirtschaftlichen Aufgaben, wie Beschaffung von Rohstoffen und Rohmaterial oder Verteilung der einzelnen Produktionsvorgänge auf Maschinen, sowie Systeme zur Entscheidungsunterstützung in der operativen und strategischen Unternehmensplanung.

Die Visualisierungskomponente eines PLS besteht im allgemeinen aus mehreren Bedienstationen, auf denen das User-Interface mit seinen vornehmlich grafischen Datenbeständen installiert ist. Die Logikkomponente besteht zumeist aus mehreren Prozeßrechnern, an die Fernwirkperipherie angeschlossen ist; hier sind im wesentlichen die Prozeßdatenbasis sowie Treiber für die Fernwirkperipherie und Auswertungsprogramme zu finden. Beide Komponenten sind über ein Kommunikationsmedium, auf dem ein bestimmtes Protokoll gefahren wird, verbunden.

Funktionale Bestandteile der Visualisierungskomponente sind das User-Interface für alle Funktionen des PLS und die Integration derselben in einen einheitlichen Rahmen. Außerdem gehören Funktionen zur Manipulation der lokalen Daten, zum Beispiel der Prozeßbildeditor, dazu.

Das in der Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Grafische Datenverarbeitung entwickelte "Process Controll and Monitor System" (Promise) ist ein Beispiel für ein Prozeßvisualisierungs und Bediensystem, in dem moderne Interaktionstechniken umgesetzt werden. Es erfüllt alle Anforderungen, die an ein komplexes PLS, insbesondere an die Visualisierungskomponente, gestellt werden.

Als Interaktionsgerät für die Überwachung und Steuerung werden neben der Tastatur komfortable und ergonomische Eingabegeräte eingesetzt, so beispielsweise eine Maus und für den Prozeßbildentwurf eventuell auch ein Digitizer. Interaktionstechniken wie Menüs, Buttons, Masken, Dragging, Icons mit geeigneten Prompt-/Echoarten und direkte Manipulation unterstützten den Dialog.

Die Darstellung des Prozeßgeschehens erfolgt vornehmlich in 2D-, seltener in 3D-Technik mit Vollgrafik in einer Window-Umgebung. Window-Funktionen wie "scroll" und "zoom" in Verbindung mit "cluttering/decluttering" ermöglichen eine benutzerspezifisch definierte Sicht auf den Prozeß. Die Darstellung von Videobildern in Echtzeit oder die Verwendung von gescannten Fotos als Hintergrundbilder tragen zu einer umfassenden Information und Orientierung der Bediener bei.

Gefragt sind leistungfähige Bedienstationen zu einem vertretbaren Preis, zumindest als Einsteigermodelle. Super-Grafik-Workstations sind für diesen Verwendungszweck eher unverhältnismäßig.

Bildaufschaltung in weniger als einer Sekunde

Aus ergonomischen und leittechnischen Gründen ist eine schnelle Bildgenerierung und -aktualisierung wünschenswert. Als Richtwert gilt hier: weniger als eine Sekunde für die Bildaufschaltung. Auch sollten kurze, im Extremfall sogar garantierte Reaktionszeiten eingehalten werden (Echtzeitfähigkeit!). Darüber hinaus wird eine hohe Verfügbarkeit des PLS angestrebt.

Im Idealfall ist ein PLS für beliebige Fernwirkperipherie, beliebige Anwendungen und beliebige Hardware ausgelegt und unterstützt verschiedene Benutzerklassen. Die Einbeziehung kundenspezifischer Funktionen und das Aufsetzen auf oder die Integration in bestehende Hardware-Umgebungen ist in vielen Fällen ebenfalls eine Voraussetzung für die Applikation eines PLS.

Wechselnde Anforderungen und Konfigurationen:

Prozeßleitsysteme haben einige Besonderheiten, die insbesondere auch auf den grafischen Teil zutreffen. Ein PLS ist "lebendes" System; es ist wechselnden Anforderungen und Konfigurationen unterworfen. Daher muß auf das Software-Engineering, also auf die Erstellung und Pflege der Software, ein besonderes Augenmerk gelegt werden.

Ein PLS ist im allgemeinen von einer Größenordnung und Komplexität, die die Verwendung von High-Level-Basissoftware und Standardhardware obligatorisch macht. Welche Grafiksoftware in Verbindung mit welcher Hardware ist nun dafür geeignet?

Als grundlegende Grafiksoftware wird benötigt:

- Grafiksystem,

- Window-Manager,

- Grafik-Metafile.

Die auf dem Markt erhältliche Standardsoftware für Grafiksysteme (zum Beispiel CGI oder Phigs) und Window-Manager (beispielsweise X-Windows) sind von der Funktionalität wie auch von der Leistungsfähigkeit mehr oder weniger in der Lage, den Anforderungen gerecht zu werden. Doch ist die durchgängig gemeinsame Nutzung dieser drei Komponenten ein Problem, da es bisher kein derartig integriertes System gibt; User-Interface-Management-Systeme sind ein erster Schritt in diese Richtung: Eine Bilddatei wie der CGM Standard ist in seiner jetzigen Form, wenig geeignet, schnelle Bildaufschalt-Zeiten zu garantieren.

Solche Grafiksoftware in Verbindung mit dem erheblichen Datenvolumen, das größtenteils von den Prozeßbildern bestimmt wird, läuft nur auf grafischen Workstations zufriedenstellend. Der PC unter DOS ist aufgrund seiner hardwarespezifischen Begrenzungen (zum Beispiel nur 640 KB ansprechbarer Hauptspeicher für eine komplette Bedienstation) hoffnungslos überfordert. Denkbar ist die Verwendung von PCs als intelligente Terminals mit einer Werkstation im Hintergrund. Im Zusammenhang mit dem X-Window-Manager werden X-Terminals als Hardware interessant.

Die Leistungsfähigkeit der Visualisierungskomponente eines PLS wird im wesentlichen durch folgende Operationen bestimmt:

- Bildaufschaltung,

- Generierung des Hinter- und Vordergrundbildes durch Laden der grafischen Daten aus einer Bilddatei, Interpretieren derselben und Erzeugen der Objekte,

- Bildaktualisierung,

- Scroll & Zoom in Windows sowie

- Einblendung von Videobildern.

Typisches Prozeßbild im Standardformat

Um die Leistungsfähigkeit verschiedener Visualisierungssysteme vergleichen zu können, wäre es wünschenswert, in einem Standardformat ein typisches Prozeßbild zu definieren. Mit diesen Bilddaten und den oben genannten Operationen wäre dann die Durchführung von Benchmarks mit verschiedenen Systemen möglich.

Zurück zur Frage, ob mit den heutigen Systemen der Computergrafik eine allen Anforderungen gerechte Visualisierung von Prozeßdaten in einem PLS überhaupt machbar ist: Mit der verfügbaren Palette von Grafik-Workstations - Low-cost bis High-end - und der dafür erhältlichen Grafiksoftware ist es sicherlich möglich, viele dieser Anforderungen zu befriedigen. Dabei ist jedoch Anpassung und Optimierung von speziellen Implementierungen sowie Neudefinition von Teilen, beispielsweise auf dem Gebiet der Bilddatei, nötig.

Die Wahl einer Workstation wird letztendlich von der Frage abhängen, wie teuer eine Bedienstation werden darf und welche Leistungen sie erbringen muß. In dem unteren Workstation-Bereich sind die Preise kaum höher als das, was für gehobene PC-Systeme mit Grafik-Zusatzkarte und großem Monitor gezahlt werden muß; der teuerste Teil ist hier immer noch ein großer Farbbildschirm.

Für ein ergonomisch gut gestaltetes User-Interface ist ein maßvoller Einsatz von grafischen Gestaltungsmitteln notwendig. Was bei vielen PC-Systemen am Bildschirm auf den ersten Blick recht anziehend erscheint, ist als User-Interface bei einem PLS im fortwährenden Betrieb nicht zu gebrauchen. Hier spielen weniger billige Blickfänge eine Rolle als ein sinnvolles Werkzeug, das den Bediener bei seiner täglichen Arbeit auch in kritischen Situationen wirkungsvoll bei der Führung seiner Anlage unterstützt.