Die Fäden eines Prozesses laufen heute und morgen nicht mehr in der Leitwarte zusammen, sondern in einem zentralen Server, der die gesamten Prozessdaten aggregiert und ausschließlich innerhalb des geschützten Automatisierungsnetzwerkes verarbeitet, speichert und zugänglich macht. Die Leitwarte – nunmehr ein Teilnehmer von vielen – bietet über Displays entsprechender Größe Übersichts- und Detailbilder des Prozesses sowie umfassende Möglichkeiten zur Datenanalyse.

Daneben wird der Zugriff auf den Prozess über mobile Geräte möglich. In einem Produktionsprozess erhält die Qualitätssicherung direkt am Ort des Geschehens die relevanten Daten für notwendige Entscheidungen. Die Kommunikation mit der Datenbasis erfolgt über eine Funkverbindung. Aufgrund von Ortsinformationen, die das Mobilgerät sendet, werden der zentralen Serverkomponente gezielt die Informationen bereitgestellt, die für den jeweiligen Aufenthaltsort relevant sind.

Da die Daten durch den zentralen Server verteilt werden, profitieren alle HMIs von den gleichen Sicherheitsmechanismen, wie etwa der verschlüsselten Datenübertragung. Über diese gesicherte Verbindung erhalten die mobilen Geräte auch außerhalb des geschützten Automatisierungsnetzwerks Zugriff auf den Prozess. Bereitschaftsmitarbeiter werden mittels Push-Benachrichtigungen auf Smartphones oder Tablets über Ereignisse im Prozess informiert, die ein manuelles Eingreifen erfordern. Erst dann ist ein explizites Beobachten des Prozesses notwendig. In diesem Zusammenhang ist auch die Ferndiagnose beziehungsweise -wartung durch hauseigene Experten oder Mitarbeiter des Maschinenherstellers erforderlich.

Neben dem Beobachten und Be­dienen spielen Inbetriebnahme und Wartung von modernen Anlagen eine zentrale Rolle. Wartungstechniker benötigen für ihre Aufgaben die Daten einzelner Maschinen oder -baugruppen. Diese werden in aller Regel über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Indus­trial WLAN oder Bluetooth) direkt vor Ort mit geeigneten Mobilgeräten ausgelesen. Auch hier meldet sich eine einzelne Maschine beziehungsweise Baugruppe über eine Push-Benachrichtigung mit entsprechenden Handlungsanweisungen beim Wartungstechniker.

Das einführende Beispiel zeigt, dass moderne HMIs komplexe Systeme sind, die sowohl einen stationären als auch einen mobilen Zugriff erlauben und verschiedene Arten von Anzeigen und Bedienkonzepten vereinen. Moderne HMIs eröffnen bisher ungeahnte Möglichkeiten, bergen aber auch technische und organisatorische Herausforderungen und Einschränkungen.

Technische Herausforderungen

Entwickler, die moderne HMIs konzipieren und realisieren, werden durch eine stets wiederkehrende Implementierung gleicher Inhalte – sogenanntes Monkey Work – herausgefordert. Die einführend dargestellte HMI-Lösung integriert einen arbeitsplatz-basierten Leitrechner, Operator-Panels, Tablet-Computer und Smartphones. Entwickler solcher HMI-Lösungen müssen demnach Universaltalente sein: Lösungen für verschiedene Plattformen müssen mit verschiedenen Werkzeugen und verschiedenen Programmiersprachen realisiert werden. Weil dieser Aufwand kaum geleistet werden kann, gibt es aktuell zwei Möglichkeiten:

1. Spezialisierung: Anbieter von HMI-Lösungen beschränken sich gemäß den Vorlieben ihrer Zielgruppen auf möglichst wenige Plattformen. Auf diese Weise wird Entwicklungsaufwand reduziert, aber Kunden mit spezifischen Anforderungen können nicht bedient werden. Die Konkurrenzfähigkeit sinkt.

2. Universalisierung: Anbieter von HMI-Lösungen verwenden plattformübergreifende Ansätze auf Basis von HTML5. HTML5-basierte Anwendungen werden im Webbrowser des HMI-Geräts ausgeführt. Sie haben mit Browser-Inkompatibilitäten zu kämpfen und können die leistungsfähigen APIs plattformspezifischer SDKs nicht nutzen. Das heißt, dem Entwickler steht nur ein eingeschränkter Funktionsumfang zur Verfügung.

Bild 1. Modernes Bedienen und Beobachten mit stationären und mobilen Geräten.

© Monkey Works

Beide Ansätze bieten zudem keine Lösung folgender Problematik: Im Beispiel werden Geräte genutzt, die durch ungleiche Displaygrößen charakterisiert sind. Je größer das Display, desto mehr Inhalt beziehungsweise Details lassen sich darstellen. Auf dem PC-Display in der Leitwarte ist ausreichend Platz für einen Überblick über den gesamten Prozess sowie für weitreichende Datenanalyse-Funktionen. Auf einem Tablet ist demgegenüber zumeist nur Raum für Teilbilder (Bild 1).

Browser erlauben HTML5-Visualisierungen mit verlustfreiem Zooming und Responsive Design. Im praktischen Einsatz lässt sich Zooming kaum einsetzen, da die Größe beziehungsweise der Zoomfaktor des HMI immer die Bedienung mit Fingern berücksichtigen muss. Zur Nutzung von Responsive Design müssen für jede Displaygröße entsprechende Darstellungen realisiert und hinterlegt werden. Der einzige Vorteil ist, dass zur Laufzeit des HMI automatisch die Displaygröße erkannt und selbstständig die hinterlegte Darstellung gewählt wird. Push-Nachrichten lassen sich generell nur über die Infrastruktur der Hersteller der mobilen Betriebssysteme (Apple, Google oder Microsoft) versenden und dann nur mittels nativer Apps empfangen.

Organisatorische Herausforderungen

Darüber hinaus bestimmen oftmals auch organisatorische Rahmenbedingungen mobiler Ökosysteme, welche Anforderungen sich realisieren lassen und welche nicht. So können iPhones und iPads ausschließlich über den Apple-eigenen App Store mit HMI-Anwendungen bestückt werden. Zuvor nimmt Apple eine Begutachtung der Anwendungen vor, was mitunter zwei bis vier Wochen dauert. Android-basierte Geräte können neben dedizierten App Stores (unter anderem von Google oder Amazon) direkt mit einer HMI-Anwendung bestückt werden.

Eine Entscheidungsmatrix für die Multiplattform-Entwicklung.

© Monkey Works

Insgesamt sind Entwickler für das dargestellte Beispiel mit einer Vielzahl von Technologie-Analysen und Entscheidungen konfrontiert. Die Tabelle zeigt einen Ausschnitt einer Entscheidungs-Matrix, in der sich die Entwickler einerseits in Form ihrer Kompetenzen wiederfinden müssen. Andererseits müssen Technologie-Entscheidungen aufgrund aktueller Anforderungen der Kunden getroffen werden, sollten aber gleichzeitig zukünftige Anforderungen berücksichtigen. Denn der Markt für Mobilgeräte ist im Vergleich mit den Lebenszyklen von Anlagen und Maschinen sehr kurzlebig und geprägt von einer hohen Innovationsrate. Während beispielsweise noch vor fünf Jahren die Blackberry-Plattform die Unternehmensanwendungen dominierte, sind es inzwischen die Plattformen Android und iOS. Aktuell drängt Microsoft mit seiner Plattform Windows Phone auf den Markt.

Eine einzelne Technologie (eine Spalte der Tabelle) kann das Einführungsbeispiel nicht abdecken. Es werden mobile und stationäre Bedienterminals benötigt, die unter anderem für das Wartungsszenario Zugriff auf native Routinen des Betriebssystems benötigen. Wie aber sehen kosteneffiziente Entwicklungsprozesse aus, wenn mehrere Technologien wie im Einführungsbeispiel notwendig sind?

Multiplattform-Entwicklung

Es gibt Tools wie etwa Movisa von Monkeyworks, die den Ansatz der Universalisierung aufgreifen. Movisa geht aber noch weiter: Es werden die plattformspezifischen SDKs und damit der gesamte Funktions- und Leistungsumfang der Visualisierungsgeräte nutzbar gemacht. Damit nimmt das Werkzeug den Entwicklern die Last der Entscheidungsmatrix (Tabelle) ab. Entwickler können sich rein auf die Konzeption und Gestaltung moderner und sicherer HMI-Lösungen konzentrieren, ohne Kompromisse bei der Realisierung von Anforderungen eingehen zu müssen. Das Vorgehen zur Realisierung umfassender HMI-Lösungen sieht folgendermaßen aus:

Prozessdaten konfigurieren: Die zur Visualisierung notwendigen Daten werden in einem leichtgewichtigen textbasierten Editor mit Adresse, Datentyp und weiteren Informationen spezifiziert. Die verfügbaren Protokolle und Datenspezifikationen reichen von ModbusTCP über Profibus bis hin zu OPC UA. Die Eingabe der Informationen erfolgt entweder durch den Import von Excel-Dateien oder händisch, wobei Hilfsmittel wie Syntax-Highlighting und Code-Completion zur Verfügung stehen.

Bild 2. Das HMI wird mittels What-you-see-is-what-you-get-Editor gestaltet: Beim Anpassen des HMI auf die Bildschirmabmessungen der verschiedenen Visualisierungsgeräte erhält der Entwickler Unterstützung.

© Monkey Works

Grafische Benutzerschnittstelle (GUI) gestalten: Auf Basis erweiterbarer Element-Bibliotheken erstellt der Entwickler die Visualisierung per Drag and Drop in einem WYSIWYG-Editor (Bild 2). Das Tool ermöglicht objekt­orientiertes Vorgehen und erlaubt die projektübergreifende Wiederverwendung von komplexen Komponenten.

Adaption des HMI an die verschiedenen Abmessungen der geforderten Mobilgeräte: In diesem Schritt ermöglicht das Werkzeug, die erstellte GUI an die Abmessungen verschiedener Visualisierungsgeräte anzupassen. Movisa etwa ist in der Lage, zusammengehörende GUI-Elemente zu identifizieren und Elemente anhand ihrer Wichtigkeit einzuordnen. Aus Informationen dieser Art und einem hinterlegten Regelwerk wird die GUI assistentengestützt in das gewünschte Zielgerät eingepasst. Bild 2 zeigt, dass zwischen den verschiedenen Darstellungen gewechselt werden kann. Änderungen lassen sich anschließend für einzelne oder für alle Darstellungen vornehmen.

Programmierung auf Knopfdruck: In der Regel auf Knopfdruck werden die erstellten Visualisierungen per Exportmodul in plattformspezifischen Quellcode überführt, der dann sofort auf dem jeweiligen Endgerät ausführbar ist. Sind weitere Endgeräte gefordert, so ist lediglich ein weiterer Knopfdruck notwendig. Es ist weder eine weitere Projektierungsleistung notwendig noch ist spezifisches Fachwissen über die Zieltechnologie vonnöten. Entwickler von HMI-Lösungen und Automatisierungsingenieure können aus einem Technologiebaukasten jeweils die für ihre Kundenanforderungen besten Bausteine wählen; Detailwissen ist dabei nicht notwendig.

Zukünftige Entwicklungen

Eigentlich hat die Zukunft längst begonnen: Anlagen und Maschinen twittern oder versenden Push-Nachrichten direkt auf die Mobilgeräte des Wartungspersonals. Zunehmend bestimmt auch der Begriff Cloud die Agenden von Meetings und Tagungen. Prozesskomponenten übertragen selbstständig geänderte Werte auf einen zentralen Knoten, auf dem die mitunter aufwendige Datenverarbeitung beziehungsweise -analyse (Big Data) stattfindet.

Aktuelle Mobilgeräte sind mit vielfältiger Sensorik ausgestattet. GPS, Kompass und Lagesensoren bringen Location Based Services in die Anlagen. Betreten Operateure bestimmte Bereiche einer Anlage, dann bekommen sie automatisch mögliche Optionen zur Bedienung oder Wartung angezeigt. Mit Augmented Reality können Handlungsanweisungen zur Unterstützung von Wartungsszenarien direkt in die Kamerabilder der Mobilgeräte oder sogar Datenbrillen eingespielt werden. Aus der Bewegung in dieser Technologiewelt ergeben sich vielfältige Möglichkeiten für die Automatisierungs­industrie und den Maschinenbau. Das Gros der neuen Möglichkeiten wird jedoch nur mit nativen Apps möglich sein.

Wichtig ist zu beachten, dass in der Technologiewelt viel Bewegung ist: Was heute hip und vielversprechend ist, ist morgen vielleicht schon überholt. Neue Möglichkeiten für innovative HMI-Lösungen entstehen in immer kürzeren Abständen. Eine Spezialisierung auf eine Technologie, die aus heutiger Sicht alle Anforderungen erfüllt, wäre fatal. Denn schon morgen können neue Anforderungen einen Technologiewechsel erforderlich machen.

Für die Automatisierungsindustrie und den Maschinenbau mit ihren
langen Lebenszyklen von Anlagen und Maschinen sind neue Entwicklungswerkzeuge notwendig. Neue Werk­zeuge, die möglichst unabhängig von konkreten Technologien, App-Platt­formen oder Diensten sind und somit  für Kontinuität und Entschleunigung sorgen.

Autoren: Dr. Stefan Hennig ist Geschäftsführer bei Monkeyworks und Henning Hager ist Geschäftsführer bei Monkeyworks