Die Anforderungen an die Bedienung industrieller Anwendungen steigen seitens der Kunden und Maschinenbediener – geprägt vom gewohnten Umgang mit Smartphones und Tablets. Daher sind die Hersteller von industriellen Steuerungen und Human Machine Interface (HMI)-Geräten aufgefordert, zu handeln, um mit den Mitbewerbern sowie neuen Markttrends mithalten zu können.

Bei der Umsetzung von HMI-Geräten gibt es unterschiedliche Anwender-bedürfnisse, woraus unterschiedliche Bedienkonzepte resultieren. Beispielsweise kann mit einem Display-Controller einfach nur visualisiert werden, die Display-Einheit stellt also nur die grafischen Daten des Systems dar. Ein zusätzlich mit dem Display verbundenes Touch-System liefert die Koordinaten zur Bedienung an das System. Bei diesen klassischen HMIs geht es einzig um das Anzeigen und Eingeben von Daten. Die Steuerungsaufgaben einer Maschine oder eines Gerätes werden von einer separaten Einheit übernommen und von der angekoppelten Displayeinheit dargestellt.

Immer häufiger ist jedoch zu beobachten, dass ein HMI neben der Visualisierung auch die komplette Steuerung von Geräten und Systemen übernimmt. Bei diesem Konzept erledigt eine Einheit alle Aufgaben des Systems. Meist sind diese Lösungen preisgünstiger und auch energieeffizienter, da nur eine CPU zum Einsatz kommt.
Die meisten CPU-Hersteller passen aufgrund der gestiegenen Anforderungen ihre ARM-basierenden Prozessoren so an, dass viele Schnittstellen wie Grafik, Ethernet, CAN FD, ADCs, SPI, I²C und digitale IOs bereits in die CPU integriert sind. Mit dieser Schnittstellenvielfalt lassen sich die meisten Systemanforderungen ohne großen Zusatzaufwand umsetzen.

ARM-basierende CPUs

Ein Trend bei den ARM-basierenden CPUs ist, zur Unterstützung der Rechenkerne sogenannte Graphics Processing Units (GPUs) zu integrieren. Diese ermöglichen anspruchsvollere Visualisierungsaufgaben, angefangen mit einem Display bis hin zu Multidisplay-Lösungen mit einer Auflösung bis zu 4K.

Bei Multidisplay-Anwendungen lassen sich aufgrund der gestiegenen Leistungsfähigkeit der GPUs zwei bis drei Displays mit unterschiedlichen Bild-inhalten und unterschiedlichen Auflösungen direkt an die CPU anbinden. Integrierte Grafikschnittstellen wie MIPI DSI, LVDS, HDMI und DisplayPort sorgen beim Anschluss der Display-Einheiten für Flexibilität. Meistens ist ein Display inklusive Touch direkt am LVDS der CPU angebunden. Ein zweites Display wird häufig über HDMI ermöglicht. Hierbei ist von Vorteil, dass diese Anzeige über mehrere Meter abgesetzt werden kann, so dass bei größeren Maschinen der Status an mehreren Orten einsehbar ist und Mitarbeiter wertvolle Zeit sparen. Eine oder mehrere GPUs unterstützen die in einer CPU integrierten Cores und steigern somit signifikant die Leistungsfähigkeit der gesamten Einheit: Die Cores stehen für die Steuerungsaufgaben zur Verfügung und die Grafikanwendung wird an die eigens dafür ausgerichteten GPUs ausgelagert.

Universell einsetzbar

Eine intuitives und eindeutiges Bedienkonzept erleichtert nicht nur die Bedienung, sondern reduziert auch die Fehlerhäufigkeit.

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Dank der hohen Anzahl an direkt verfügbaren Schnittstellen und der Möglichkeit, das Betriebssystem je nach Erfordernis frei auszuwählen, sind die ARM-basierenden Prozessoren universell einsetzbar. Aufgrund einer guten Applikationsunterstützung für industrielle Steuerungen und HMI-Geräte durch die CPU-Hersteller werden immer mehr Geräte auf Basis dieser Architektur entwickelt.

Dabei kommen speziell auf ARM CPUs angepasste Betriebssysteme (Operating Systems, OS) zum Einsatz - nebst Linux, Android und QNX, die zu den am häufigsten angefragten und auch eingesetzten Betriebssystemen gehören. Für leistungsfähige ARM Cores wird auch Microsoft auf Basis von Windows 10 IoT wieder seine Unterstützung anbieten. Dieser Support wird durch die Partnerschaft von Microsoft und NXP getrieben und soll zunächst die ‚i.MX 8M‘-Familie unterstützen. Dadurch soll bei kostengünstigen und energieeffizienten Systemen eine Kompatibilität zu Windows-Anwendungen beziehungsweise den Grafikfunktionen bereitgestellt werden. Infolgedessen können Anwendungen wie NET Core, .NET Framework, WPF, WinForms sowie neuere Frameworks wie WinUI und UWP genutzt werden.

Die Anforderungen an die Steuerung sind bei der Auswahl des Betriebssystems ebenso zu beachten wie ein möglicherweise notwendiger Support für eine Drittanbietersoftware. Ein speziell auf die Plattform angepasstes OS hat den Vorteil, dass Anwendern das Optimum an Performance zur Verfügung steht. So lassen sich auch komplexe Steuerungen mit ansprechender Grafikleistung realisieren, die ohne großen Overhead eines Betriebssystems auskommen.

Die passende Architektur

Neben der Auswahl eines OS sollte sich jeder Anwender bei der Auswahl der Architektur dahingehend Gedanken machen, ob spezielle Anforderungen hinsichtlich der Themen Safety, Security oder Machine Learning bestehen. Hierzu gibt es auch für Arm-basierte HMIs Unterstützung in Hard- und Software.

Ein Graphical User Interface (GUI beziehungsweise Benutzeroberfläche) sorgt für die Darstellung der Applikation. Hierzu existieren proprietäre Oberflächen sowie Betriebssysteme. Beliebte Entwicklungswerkzeuge für Oberflächen sind QT und Storyboard von Crank. Mit ihnen lässt sich unabhängig vom Betriebssystem eine Oberfläche entsprechend den Applikationsanforderungen erstellen. Passend zum GUI und zur gewünschten Bedienbarkeit muss auch die notwendige Touch-Technologie unterstützt werden. In älteren HMIs kamen Touchscreens mit analog resistiver Technik zum Einsatz. Eine neuere Technologie ist Projected Capacitive Touch (PCT). Je nach Hersteller und dessen Treiberunterstützung für das jeweilig eingesetzte OS lassen sich in Abhängigkeit des GUIs auch Multitouch-Anwendungen realisieren.

CPU-Module bieten oft den Vorteil, dass die BSP-Unterstützung (Board Support Package) gegenüber dem vom CPU-Hersteller zur Verfügung gestellten BSP besser ist. Durch die Investition der Modulhersteller müssen Kunden nicht selbst Hand anlegen, um eine gute Unterstützung grafischer Schnittstellen zu implementieren, bei denen auch Touch-Unterstützung gegeben ist. Somit reduziert sich die Investition bei der Erstellung des Betriebssystems. Mit dieser Technologie lässt sich die bereits von Smartphones oder Tablets gewohnte Bedienung auch in industriellen Anlagen, Medizingeräten, Smart-Home-Applikationen und weiteren Szenarien integrieren.