Gestern noch war die Prozessvisualisierung ein geeignetes Werkzeug, mechanische Eingabe- und Anzeigeinstrumente durch Pendants auf einem Bildschirm zu ersetzen. Dabei wurde die Funktion einer Maschine auf Bildschirmmasken abstrahiert, wobei der Projekteur für Gestaltung und funktionale Verknüpfung zuständig war. Dem Endanwender wurde und wird auch heute noch zugemutet, dieses mehr oder minder gelungene Abbild einer Anlage zu verstehen und zu bedienen. Dabei sind detaillierte und interaktive 3D-Abbilder längst keine Zukunftsvision mehr. Die Spiele-Industrie macht es schließlich seit Jahren vor. Speziell bei der Gestaltung von Visualisierungen erhofft sich die Automatisierungsbranche eine qualitative Verbesserung durch ein realitätsnahes und verständlicheres Abbild. Mit Einführung von Windows Vista Anfang 2007 waren auf dem Bildschirm neue Effekte wie transparente und schräg gestellte Fenster zu sehen. Niemand dachte daran, dass hier etwas ganz Neues im Hintergrund anlief: die Windows Presentation Foundation (WPF).

Design und Logik sind getrennt

Hinter dem unglücklich gewählten Namen WPF verbirgt sich im Grunde die Ablösung des in die Jahre gekommenen Graphic Device Interface (GDI), auf dem alle grafischen Anwendungen früherer Windows- Versionen aufbauen. Das Grafikinterface WPF setzt einen Meilenstein für alle künftigen Windows-Anwendungen, da mit der Trennung von Design und Logik ein völlig neuer Ansatz verfolgt wird. Mit GDI musste beispielsweise die Bewegung eines Roboters ausprogrammiert werden, da Design und Logik miteinander verschmolzen waren. Dagegen sind bei der Windows Presentation Foundation das Design – der mit einem Vektorgrafik-Programm gezeichnete Roboter – von dessen programmierten Achsenbewegungen – der Logik – getrennt.

 Um Design und Logik verbinden zu können, hat Microsoft mit der eXtensible Application Markup Language, kurz: XAML, ein XML-basierendes Grafikformat entwickelt. XAML erfüllt die gehobenen Ansprüche von Designern mit Funktionen wie 3D, Multimedia, Spiegelungen, Animationen und Dokumentationen. Mehr oder weniger jedes Designtool erzeugt direkt oder über Konverter Grafiken im XAML-Code. Solche XAML-Grafiken lassen sich direkt in Microsoft Visual Studio ansprechen, da jeder Vektor einer Gra fik nach dem Laden der Datei in einer Objekthierarchie abgebildet wird. Darüber können die Eigenschaften wie Farbe, Position oder Winkel mit dynamischen Werten verknüpft werden.

Microsofts Windows Presentation Foundation ermöglicht neue Darstellungsformen, beispielsweise eine Maskenführung als „Cover Flow“.

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Das Windows-Grau hat ausgedient

Bisher sind Visualisierungsapplikationen vom alten Windows-Look geprägt. Hier hat WPF einen neuen Ansatz gefunden, um Anwendungen optisch ansprechender aussehen zu lassen. Die Grundlagen dafür bilden Templates, Styles und neue Bedienungsmöglichkeiten. Templates sind grafische Vorlagen für Bedienelemente und Bediengruppen, deren Funktionsweise sich am besten anhand eines Beispiels darstellen lässt: Ein einfacher Button hat ein Aussehen (Design) und eine Funktion (Logik). Die Funktion eines Button – nach der Betätigung eine Aktion auszulösen – ist einfach und verlangt keine Variationen. Ganz anders die Optik: Bei der grafischen Darstellung kann die Notwendigkeit entstehen, diesen Button einem vorgegebenen Firmen-Standard (Style-Guide) anzupassen. Dafür sind die Templates gedacht, mit denen sich das Aussehen eines beliebigen Controls verändern lässt.

Allein durch die Zuweisung eines Templates kann aus einem viereckigen Button ein ovaler entstehen, ohne diesen neu zeichnen zu müssen. Ein typisches Anwendungsszenario wäre eine Fertigungsstraße mit Maschinen und Aggregaten unterschiedlicher Hersteller, die dennoch eine identische Visualisierungsoberfläche haben sollen. Einem Serienmaschinenbauer helfen Templates, unabhängig von den verwendeten Steuerungs- und HMI-Plattformen über alle Maschinentypen hinweg identische HMIDesigns durchzusetzen. Styles sind dagegen Vorlagen, die Farben, Schriften oder Größen bestimmen und für eine gesamte Applikation festlegen. Mit einem Knopfdruck kann der Style geändert werden und gibt einer Applikation ein völlig neues Erscheinungsbild. Durch das Konzept der WPF lassen sich auch völlig neue Benutzerführungen im industriellen Umfeld erstellen, beispielsweise eine Maskenführung als „Cover Flow“, wie es ein Mobile-Phone-Hersteller realisiert hat.

WPF in der Praxis

Der Maschinenbauer Frima produziert Betonsteinanlagen sowie die dazugehörigen Kreislaufsysteme und setzt WPF wegen der Komplexität seiner Anlagen und zur Fehlerdiagnose ein. Die komplexe Visualisierung zeigt unter anderem die animierte Maschine mit allen Zuständen im 3D-Raum. Störungen und Fehler werden direkt am Fehlerort visualisiert. Dabei dreht sich das Anlagenbild automatisch in die passende Richtung und zeigt den Fehler in vergrößerter Darstellung. Ebenso kann der Bediener die Maschine am Bildschirm beliebig drehen, um den Produktionsprozess zu beobachten.

Nicht jedes Visualisierungssystem kann WPF ohne weiteres nutzen. Der Grund: Durch die Trennung von Design und Logik ist WPF eng an die Microsoft- Tools Visual-Studio und Expression- Blend gebunden. Deutlich wird das, wenn ein Anwender beispielsweise im Expression-Blend Programmcode generieren will. In diesem Fall wird sofort Visual- Studio geöffnet.

Der Maschinenbauer Frima setzt bei der Visualisierung und Störungsdiagnose seiner komplexen Steinformmaschinen auf die 3DFunktionen der WPF.

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Da das Visualisierungssystem VisiWinNET der Firma Inosoft im Gegensatz zu anderen Systemen in das Programmier-Tool Visual-Studio integriert ist, konnte WPF vergleichsweise einfach implementiert werden: Ein .NET-Steuerelement (WPF-Host) bettet die WPF-Grafiken als Benutzer-Steuerelemente in die Visualisierungsoberfläche ein und ermöglicht den Zugang zu allen Vektoren der Grafik. Ist ein solches WPF-Benutzersteuerelement erstellt, kann es im Visualisierungs-Tool auf eine Bildschirmmaske gezogen werden. Mittels spezieller Editoren lassen sich anschließend alle Vektoren mit den Prozessvariablen verbinden und animieren. Hierzu gehören unter anderem Funktionen wie Rotationen, Scherungen, Skalierungen, Bewegungen und alle Arten von Farbmanipulationen von 2D- und 3D-Objekten.

Mit dem Microsoft-Tool Expression- Blend lassen sich die meisten 2D-Objekte erstellen, dessen grafische Möglichkeiten dafür gut geeignet sind. Für komplexere Objekte und Visualisierungselemente wie 3D-Konstruktionen bietet sich eine Vielzahl anderer Design- Werkzeuge wie Adobe Illustrator, Inkscape oder Microsoft Expression-Design an. Diese können direkt oder über Konverter die Daten in das XAML-Format überführen. Für den 3D-Bereich gibt es ebenso Werkzeuge, beispielsweise Erain ZAM 3D, 3D Studio Max oder Cinema 4D. Grundsätzlich lassen sich auch Daten aus MCAD-Systemen verwenden, da diese den Export in Grafik-Formate unterstützen, die wiederum über einen Konverter in das XAML-Format gewandelt werden können.

Reicht die Grafik eines Panel-PCs?

Grundsätzlich setzt WPF auf der DirectXTechnologie auf. Abhängig vom Typ der Grafikkarte – ohne Rendering* (Tier 1), für Mischbetrieb CPU/Grafikkarte (Tier 2) oder nahezu vollständiges Rendering auf der Grafikkarte (Tier 3 ) – wird die CPU des Rechners unterschiedlich beansprucht. Erfahrungen haben gezeigt, dass die meisten x86-basierenden Panels im 2D-Bereich ausreichend gut arbeiten. Für 3D-Anwendungen sollte schon auf die Leistungsfähigkeit der Grafikkarte geachtet werden. Tests mit Geräten auf Basis einer Atom- CPU haben gezeigt, dass hier der 3DBereich bereits gut funktioniert. Neben dem Betriebssystem Vista steht WPF in Verbindung mit dem .NET-Framework auch unter Windows XP zur Verfügung. Will ein Projekteur tiefer in die WPF-Programmierung einsteigen, sollten Kenntnisse in einer objektorientierten Programmiersprache vorhanden sein. Ebenso können zusätzliche Kosten entstehen, beispielsweise für die Entwicklungswerkzeuge (Design, Logik), die Einarbeitungszeit und Schulung auf die neuen Werkzeuge und das Beschreibungsformat XAML.

Dennoch wird WPF der künftige Standard in der Prozessvisualisierung. Kein anderes System bietet zur Zeit einen solchen grafischen Funktionsumfang sowie die Web-Fähigkeit via Silverlight und XBAP (XAML Browser Applications) Der Unterschied zwischen beiden: Im Gegensatz zu XBAP-Anwendungen, die ein installiertes .NET-3.0-Framework auf dem Rechner des Users voraussetzen, benötigen Silverlight-Anwendungen nur das entsprechende Browser-Plugin. Somit wird Silverlight nicht nur von Windows und dem Internet-Explorer unterstützt, sondern auch von anderen Browsern und Betriebssystemen. Ein weiteres Argument für WPF ist die angekündigte Variante für Windows-CE-Systeme.

Autor: Peter Tanneberg ist Geschäftsführer der Firma Inosoft in Hiddenhausen.