Mehrere Anforderungen stehen bei Touchpanels in der Industrie im Vordergrund: eine intuitive Nutzerführung mit aktiver Fehlervermeidung und industrietypische Anforderungen an die Robustheit, Ausfallsicherheit und Langzeitverfügbarkeit der Geräte. Das waren auch die zentralen Vorgaben eines großen deutschen Automobilherstellers an Extra Computer bei der Entwicklung eines HMI für den Prüfstand am Ende der Fertigungslinie.

Bedien-Szenario

Bei der Qualitätssicherung vor der Überführung eines fertig montierten Fahrzeugs kommt es darauf an, den zuständigen Mitarbeiter möglichst effi­zient und fehlerfrei durch die Endabnahme zu führen. Zu Beginn erfolgt via Smart-Card die Authentifizierung des Mitarbeiters am Prüfstand. Dann bildet das Prüfprogramm ein 3D-Modell des Kraftfahrzeugs ab. Eindeutige grafische Signale zeigen dort an, welche Teile in jedem Arbeitsschritt zu prüfen sind und was jeweils zu tun ist. Über die grafische Benutzerschnittstelle können via Gestensteuerung weitere Dokumente hinzugezogen werden. Jeder Prüfschritt muss abschließend bestätigt werden, bevor der Prüfvorgang fortgesetzt wird.

Der Panel-PC hat Anschlüsse für bis zu sieben Schnittstellen – nicht nur USB, sondern auch seriell.

© Extra Computer

Sicherheit bietet die Bestätigung über eine Kombination mehrerer Buttons. Bei Beanstandungen im Rahmen der Fehlerdiagnose erfolgt automatisch ­eine Rückmeldung an die zuständige Fachabteilung. Gearbeitet wird bei diesen Tests in der Regel mit speziellen Schutz- und Montagehandschuhen.

Aus diesem Bedien-Szenario leiteten die Entwickler von Extra Computer folgende zen­trale Anforderungen an das HMI ab:

• Ein 21,5 Zoll großes Display mit Full-HD-Auflösung sorgt für eine hohe Bediensicherheit: Sie ermöglicht hochwertige 3D-Visualisierungen und das Unterbringen vieler ausreichend groß dimensionierter Bedienelemente und vermeidet so unnötiges Scrollen oder den Wechsel zwischen verschiedenen Anzeigen. Dies fordert dem Panel-PC eine entsprechende Grafikperformance ab.
• Die Werkshallenbeleuchtung soll auf dem Display keine Reflexionen erzeugen, die den Mitarbeiter irritieren und zu Bedienfehlern führen könnten. Das sogenannte Non-Glare-Display ist deshalb entspiegelt, um dies zu verhindern.
• Das HMI soll über eine Zehn-Finger-Touch-Funktion verfügen, um mit einer hohen Genauigkeit und kurzen Reaktionszeiten mehrere Berührungen gleichzeitig erfassen zu können, und sowohl mit unterschiedlichen Handschuhen als auch mit Werkzeugen bedienbar sein.
• Eine gewisse Robustheit (Schutzart IP54) wird vorausgesetzt, da diese Art der Be­dienung, etwa mit dem Schraubenzieher, und die bei der Endreinigung der Fahrzeuge verwendeten Reinigungsmittel dies erfordern.
• Darüber hinaus ist in der Endmontage eines Automobilherstellers die Ausfallsicherheit im Dreischichtbetrieb von wesentlicher Bedeutung.

Die PIT-Technologie

Um die Anforderungen an die intuitive Bedienbarkeit bei gleichzeitig hoher Widerstandsfähigkeit zu erfüllen, hat Extra Computer eine von der Display-Oberfläche unabhängige Touch-Technologie gewählt und die Bildschirmoberfläche durch eine zusätz­liche Non-Glare-Glasfront geschützt. Die Gerätevorderseite erreicht damit die für diese Anwendung geforderte Schutzart. Frontseitig eingelassen, lässt sich die Schutzart auf IP65 erhöhen.

Die Produktentwicklung baut auf der sogenannten Projected-Infrared-Touch-Technology (kurz: PIT) auf: Von Emissionsdioden erzeugte Infrarotstrahlen werden von einem Prisma-Lichtleiter reflektiert und durch einen Spalt auf die vordere Glasoberfläche übertragen. Das Ergebnis ist eine ebene Lichtfläche über der Displayfront, die durch den Finger des Nutzers oder einen anderen Gegenstand durchbrochen wird. Das System errechnet auf dieser Grundlage die Koordinaten der Berührung. In Verbindung mit dem Touch-Controller können zehn Berührungspunkte gleichzeitig zur Bedienung ausgegeben werden – in der Praxis sinnvoll ist die gleichzeitige Betätigung von maximal drei bis vier Buttons.

Die Entwärmung des lüfterlosen Systems erfolgt über rück­wärtige Kühlrippen.

© Extra Computer

Damit vereint die PIT-Technologie die Vorteile anderer gängiger Touch-Lösungen, ohne an deren Nachteilen zu leiden. In der Industrie waren bislang Systeme mit resistivem Touch ­üblich: Diese basieren auf einer mechanischen Betätigung und können mit Handschuhen und Gegenständen bedient werden. Allerdings sind solche Systeme nicht multitouchfähig. Auch fehlt diesen Display-Oberflächen die nötige Widerstandsfähigkeit für raue Umgebungen.

Touchpanels mit Projective-Capacitive-Touchscreen (PCAP/PCT) hin­gegen ermöglichen die Mehrfinger­bedienung und verfügen je nach Cover-Material (Glas oder Kunststoff) über eine robuste Oberfläche, hinter der die Sensorik (gitterförmige Struktur transparenter Elektroden) ­geschützt ist. Der Nutzer verändert durch drucklose Berührung das elek­trische Feld, und das System errechnet daraus wie bei resistiven Touchscreens die Koordinaten der Berührung. PCAP-Displays können durch eine ­geeignete Touch-Controller-Einstellung auch an Handschuhbedienung ­angepasst werden; mit Gegenständen wie Kugelschreibern oder Werkzeugen sind sie jedoch – anders als PIT-­Displays, die dem Prinzip Licht­schranke folgen – nicht bedienbar. ­Darüber hinaus gibt es bei der PIT-Technologie anders als bei PCAP/PCT keine Probleme mit Störsignalen und mit der Berührungsempfind­lichkeit, und es können, wie im vor­liegenden Fall gefordert, auch große Displays mit Full-HD-Auflösung realisiert werden.

Langzeitverfügbarkeit und Ausfallsicherheit

Bei der Calmo-Serie kommen Industrie-Mainboards von Fujitsu zum Einsatz. Die Mini-ITX-Boards der Serie D-3313-S sind auf den 24/7-­Betrieb im erweiterten Temperaturbereich von 0 bis +60 °C ausgelegt.

© Fujitsu

Um die geforderte hohe Ausfallsicherheit zu erreichen, wurde bei dem Panel-PC auf mechanische Teile verzichtet und eine eigens passive Kühlung entwickelt. Aufgebaut hat Extra das System auf dem Mini-ITX-Industrie-Mainboard D3313-S3 von Fujitsu. Dessen Kern bildet ein AMD-Embedded-GX-420CA-SOC (Quadcore, 2,00 GHz) mit integrierter Radeon-HD-8400E-Grafik.

Die Ansteuerung des Touchdisplays wird über eine 24-bit-Dual-Channel-LVDS-Schnittstelle realisiert. Der am Gehäuse des Panel-PC angebrachte Smart-Card-Reader zur Mitarbeiter­identifikation ist über einen externen USB-Anschluss mit dem Gerät verbunden. Die Einspeisung der Daten ins Kundennetz erfolgt über eine RJ45-Schnittstelle. Da das Board über einen Mini-PCIe-Steckplatz eine entsprechende Erweiterungsmöglichkeit bietet, können Signale ebenso über Schnittstellen wie RS232/RS485 oder CAN-Bus erfasst werden. Auch die Voraussetzungen für den unabhängigen Betrieb eines zweiten Displays und für die Kombination mit weiteren Peripheriekomponenten sind gegeben.

Ein für Anwendungen mit größerer Produktionsnähe besonders interessantes Feature ist daneben die optionale Dash-Karte, die über ein Out-of-Band-Management die hardwareseitige Fernwartung selbst bei nicht gestartetem Betriebssystem ermöglicht. Die Power-Auto-On-Funktion sorgt für selbstständiges Booten bei Stromzufuhr, und der Watchdog überwacht Betriebssystem und Bootvorgang.

Ein wichtiger Aspekt für industrielle Anwender ist darüber hinaus der sogenannte Cold-Swap-Service von Extra Computer: Für den Fall der Fälle stehen dem Kunden vor Ort ohne Zusatzkosten ein oder mehrere komplette Austauschgeräte zur sofortigen Inbetriebnahme zur Verfügung, um eine längere Ausfallzeit auszuschließen.

Autor:
Alexander Plöger ist Product Manager Industry bei Extra Computer.