Die Dominanz von Windows als Betriebssystem ist gebrochen. Der VDMA-Leitfaden „Smart Devices in der Industrie“, der dieser Tage erscheint, stellt fest: Smart Devices wie Tablets und Smartphones haben den Markt erobert. Sie haben sich in den letzten Jahren in unseren Alltag geschlichen und sind inzwischen für viele Nutzer zu unverzichtbaren Gefährten geworden. Zahlreiche Studien und Statistiken beweisen: Die allgegenwärtigen Smart Devices haben bereits zu großen Verhaltensänderungen geführt. Und sie prägen in zunehmendem Maße die Erwartung der Nutzer in Bezug auf Bedienung und grafischer Gestaltung aktueller HMIs (Human Machine Interface) sowie gegenüber dem Nutzungserlebnis.

Dazu kommt die Vision der Industrie 4.0. Hier verschmelzen reale Produktionswelt und virtuelle Datenwelt. Intelligente Werkstücke, Werkzeuge oder Werkstückträger sind in der Lage, die Produktion selbstständig zu steuern, und schaffen so ein sich selbstorganisierendes Umfeld. Auch hier muss der Benutzer bedienen und beobachten, nur anders: Seine Arbeitsweise verändert sich, vom „Bedienen und Beobachten“ an einer festen Maschine, auf der nur ein bestimmtes Produkt produziert wird, zum „Steuern und Planen“ für mehrere Maschinen und für viele Produkte. Dabei werden Maschinen und Anlagen immer flexibler eingesetzt. Dies erfordert modular aufgebaute und skalierbare HMIs anstatt monolithischer Lösungen, aufgebaut aus einheitlichen und wiederverwendbaren Komponenten.

Diese Veränderungen sind nur Vorboten von dem, was die industrielle Software-Entwicklung in den nächsten Jahren erwartet. Deren Konstante wird der Wandel sein. Dem gegenüber stehen in der Industrie jedoch Produktlaufzeiten von zehn bis zwölf Jahren – auch für die Software beziehungsweise HMI. Eigentlich ein Unding, denn kein Hersteller kann es sich erlauben, Innovationen mit solch großen zeitlichen Abständen auf den Markt zu bringen. Technisch und qualitativ hochwertige Produkte reichen in einem globalisierten Wettbewerb nicht mehr aus, um eine langfristige Kundenbindung zu erzielen. In den Vordergrund treten zunehmend Begeisterungsmerkmale und positive Nutzererfahrungen, wie kurzfristige Reaktionen auf Veränderungen am Markt oder individuelle Anpassungen an spezielle Kundenwünsche. Und das alles soll kostengünstig realisierbar sein, denn der Mangel an Fachkräften bei der Software-Entwicklung erfordert einen schonenden Umgang mit den Entwicklungs-Ressourcen.

Mit Blick auf diese Großwetterlage ergibt sich für die neue Generation der HMI-Visualisierung ein klarer Anforderungskatalog. Eine zentrale Forderung ist die vollumfängliche Unterstützung der mobilen Smart Devices wie Tablets und Smartphones, um diese für die Produkte und Prozesse der Industrie einzusetzen. Das ist leicht gesagt, in der Praxis aber durchaus eine Herausforderung, wie der Arbeitskreis zum VDMA-Leitfaden festgestellt hat. Dort wurden neben der Frage nach den passenden Anwendungsszenarien und der Sicherheitstechnik vor allem die Themen „Konzeption und Gestaltung“, sowie „Entwicklung“ der HMIs diskutiert.

Nutzungsspezifisches Zielgerät

Zukünftige HMIs werden nicht mehr für genau ein stationäres Zielsystem mit fester Bildschirmgröße, -auflösung und -orientierung entwickelt. Der VDMA-Arbeitskreis hat festgestellt, dass in Zukunft stationäre und mobile HMIs parallel existieren werden. Das Zielsystem für das HMI – also ein stationäres Bedienpanel, ein Tablet oder ein Smartphone – wird in erster Linie passend zur Nutzungssituation ausgewählt, also zu den Nutzergruppen, den Arbeitsaufgaben und der Nutzungsumgebung. So können bestimmte Aufgaben beispielsweise einen großen Bildschirm mit Tastatureingabe erfordern, wohingegen spezielle Nutzergruppen eine schnelle mobile Datenerfassung jederzeit und an jedem Ort benötigen.

Heute ein Muss: Das Responsive Design. Sprich: identisches Web-HMI, darstellbar auf den unterschiedlichen Bediengeräten IPC, Tablet und Smartphone.

© Smart HMI

Der Umfang der Zielgeräte reicht von Desktop-PCs über Touch-Bedienpanels bis zu den zahlreichen Smart Devices wie Tablet, Smartphone und sogar Daten-Brille beziehungsweise Daten-Uhr.

Diese situationsbezogene Gestaltung für verschiedenste Zielgeräte verlangt ein Umdenken bei der HMI-Gestaltung beziehungsweise bei den HMI-Visualisierungssystemen. HMIs werden nicht mehr pixelgenau für eine feste Auflösung konzipiert. Vielmehr gilt es, Inhalte und Struktur eines HMI auf einer Meta-Ebene zu gestalten. Das eigentliche HMI wird dann in Abhängigkeit von dem Zielsystem und den zur Verfügung stehenden Ein-und Ausgabemöglichkeiten adaptiert. Die Fähigkeit der Anpassung an unterschiedliche Geräte, Bildschirmgrößen und Auflösungen ist dabei essenziell und unabdingbar. Hier muss ein Konzept erarbeitet werden, welches sich intelligent an die jeweiligen Gegebenheiten anpasst. Das kann beispielsweise ein Grundlayout sein, welches durch Ein- und Ausblenden von Informationen je nach Zielsystem oder dem Ausrichten von Inhalten je nach Bildschirmformat angepasste HMIs liefert.

Das hört sich kompliziert an, ist aber heute bereits Standard. Das kann jeder im Internet selbst ausprobieren: Moderne Websites passen sich automatisch dem Zielgerät an, egal, ob der Nutzer von einem Desktop-PC mit einem 21-Zoll-Monitor darauf zugreift oder von einem 4-Zoll-Smartphone. Dieses Verhalten nennt sich Responsive Design. Ziel ist, diese Technik auf die Bedürfnisse und Randbedingungen der Industrie zu übertragen.

Platzmangel beherrschen

Die HMI-Gestaltung kann aber noch mehr von den Bedienoberflächen der Smart Devices lernen. Deren Gestaltung ist geprägt vom Mangel, dem Mangel an Bildschirmplatz. Dieser ist durch die Verwendung kleinerer Displays für Smart Devices begründet. Einhergehend mit dem Anspruch, trotz kleiner Displaygrößen dem Nutzer ein optimales Nutzungserlebnis – die sogenannte User Experience – zu bescheren, wurden die Multitouch-Bedienung sowie eine Reihe von Gestaltungsprinzipien entwickelt.

Die Multitouch-Gesten sparen eine Vielzahl von Bedienelementen auf dem Bildschirm ein – wie Laufleisten und Schaltknöpfe. Die Gestaltungsprinzipien definieren hingegen eine neue Qualität bei der Bedienung. Die Credos „Weniger ist mehr“ oder „Keep it short and simple“ können hierbei als Orientierung dienen. Zur Reduzierung der Komplexität kann unter anderem die Entfernung, die Neustrukturierung, das „Verbergen“ (Einstellungen in der zweiten Menüebene statt auf der ersten) oder die Auslagerung von Inhalten und Funktionen auf andere Ausgabegeräte (Qualitätssicherung auf zweiten Bildschirm) in Betracht gezogen werden.

Aufwendigere Aufgaben, die unter anderem eine Text-Maus-Interaktion aufweisen, kommen dann auf einem stationären System zum Einsatz. Es sollte daher stets geprüft werden, ob mehrere spezifische, auf die jeweilige Anwendungssituation optimierte Lösungen Einsatz finden können. Dazu zählen beispielsweise spezielle Anwendungen zur Daten- oder Werkstückerfassung (mittels NFC, RFID, QR-Code) oder Live-Maschinendaten, wenn der Nutzer in die Nähe von bestimmten Maschinen kommt (durch GPS, NFC).

Zuletzt gibt es noch einen weiteren, nicht zu vernachlässigenden Punkt: den Emotionsfaktor. Dabei geht es nicht mehr allein um ein intuitives und leicht erlernbares HMI. Dies ist längst eine Basisanforderung an ein erfolgreiches Produkt. Es geht vielmehr darum, dem Anwender ein positives Nutzungserlebnis zu bescheren (User Experience), denn das HMI ist die Visitenkarte des Herstellers.

Cross-Plattform-Strategie

Doch für welches Öko-System der Smart Devices soll sich nun ein Industrie-Hersteller entscheiden? Eine schwierige Frage, denn jede Technik bringt Vor- und Nachteile mit sich. Aufgrund der in der Industrie üblichen kleinen Stückzahlen scheidet eine parallele Entwicklung für verschiedene Plattformen aus, da der Aufwand mit der Zahl der unterstützten Systeme linear ansteigt. Der Trend geht ganz klar in Richtung einer Cross-Plattform-Strategie – das haben die Diskussionen im VDMA-Arbeitskreis gezeigt. Das bedeutet, dass zukünftige HMIs unabhängig von Hardware und Betriebssystem lauffähig sein müssen, um Mehrfachentwicklung auf unterschiedlichen Plattformen, wie Windows, iOS und Android, zu vermeiden.

Hier ist HTML5 aktuell eine der spannendsten Technologien. Sie ist aus mehreren Gründen ins Blickfeld der Industrie gerückt. Ein wichtiger Punkt: HTML5 ist ein offener Standard. Das bedeutet, dass die Hersteller nicht von wechselnden Strategien kommerzieller Software-Anbieter abhängig sind. Die Offenheit von HTML5 führt auch dazu, dass für HTML5 unzählige Frameworks und Lösungen bereitstehen, und auch eine riesige Entwickler-Community.

Entscheidend aber ist, dass HTML5 Plattform-unabhängig ist. So lassen sich HMIs, die mit HTML5 realisiert wurden, überall betreiben, wo ein entsprechender Web-Browser läuft. Bei PC-Plattformen stehen beispielsweise verschiedene Browser zur Auswahl. Auch auf vielen Embedded-Geräten lässt sich ein entsprechender Browser installieren, welcher dann die Web-Apps anzeigt. Alle gängigen Systeme bieten heute Funktionen an, HTML5-Applikationen lokal zu speichern und ohne Browserfenster direkt anzuzeigen. Für den Nutzer ist es dadurch nicht mehr unterscheidbar, ob er mit einer nativ implementierten App oder einer Web-App arbeitet. Dazu bei­getragen hat das ausgezeichnete ­Rendering von HTML5 in den Browsern. Sogar Hardware-Beschleunigung (Verlagerung des Grafik-Renderings auf den Grafikprozessor) und der Durchgriff auf die Geräte-Hardware (Kamera, GPS) lassen sich nutzen – eigentlich eine Domäne der nativen Applikationen. Zusätzlich bietet HTML5 die Möglichkeit, das HMI ­automatisch an das Zielsystem zu adaptieren.

Nahtlose HTML5-Integration

Mit HTML5 lassen sich funktional anspruchsvolle und grafisch attraktive HMIs inklusive Multitouch- und Gestenbedienung erstellen. Diese laufen sowohl auf stationären Bedienterminals oder PC-Systemen wie auch auf allen modernen Smart Devices. Aus diesem Grund sind bereits einige Hersteller von HMI-Visualisierungssystemen auf den HTML5-Zug aufgesprungen. Allerdings muss hier kritisch betrachtet werden, wie tief die HTML5-Integration geht. Oft werden nur einzelne Funktionen von HTML5 unterstützt und ein Großteil der Eigenschaften des Web-Standards bleibt ungenutzt.

Außerdem muss der Anwender in der Lage sein, HTML5 zu nutzen, ohne dass er sich in die Tiefen von Website und JavaScript-Programmierung begeben muss. Er will projektieren, nicht programmieren. Dabei ist die nahtlose Integration des innovativen Web-Standards vom Engineering bis zur Runtime sinnvoll – falls der Anwender den kompletten Leistungsumfang von HTML5 nutzen will.

Bei den meisten Lösungen am Markt wird momentan HTML5 allenfalls als zusätzliches Ausgabeformat automatisch generiert. Dabei bleibt allerdings eine Vielzahl der HTML5-Eigenschaften auf der Strecke. Neu hingegen ist der Ansatz von Smart HMI. Mit Hilfe des Web-basierten Engineering-Systems Smart HMI ­project, welches auf der diesjährigen Messe „SPS IPC ­Drives“ vorgestellt wird, kann der Nutzer ohne HTML-Kenntnisse Web-HMIs inklusive ­Responsive Design erstellen. Dabei unterstützt die WYSIWYG-Funktion (What You See Is What You Get) den Entwicklungsprozess. Der HMI-Projektierer kann also jeden Arbeitsschritt direkt grafisch auf dem HMI-Zielsystem verfolgen. Basis für das Visualisierungsprojekt ist immer HTML5, so dass der An­wender die komplette Leistungsbreite des innovativen Web-Standards nutzen kann.

Autoren: Andreas Beu ist Geschäftsführer und Gründer von Smart HMI und Sascha Wagner ist Senior Usability Engineer bei User Interface Design.

Inhalt des VDMA-Leitfadens

■    Potenziale und Anwendungsszenarien
■    Konzeption und Gestaltung
■    Gerätetechnik und Software-Entwicklung
■    Sicherheitsanforderungen
■    Erfolgsbeispiele
■    Ausblick

Anforderungen an die neue HMI-Visualisierung

■    Unabhängig von Betriebssystem und Hardware
■    Vollumfängliche Unterstützung der Smart Devices
■    Automatische Adaption an unterschiedliche Zielsysteme
■    Mobil und stationär einsetzbar
■    Flexibel und schnell anpassbar
■    Skalierbare und modulare HMIs
■    Intuitive Gestaltung und attraktives Design
■    Geringer Engineering-Aufwand