Bisher funktionierte HMI-Software in der Regel nach dem folgenden Rezept: Die Bedienoberflächen werden auf dem PC mit einem eigens dafür entwickelten Editor programmiert. Das so erstellte Projekt wird auf das Industrie-Panel kopiert, welches die HMI-Laufzeit anzeigt und Daten mit einer SPS austauscht. In den letzten Jahren sind jedoch neue Anforderungen hinzugekommen. Alles begann ­damit, dass die Anwender Programme nicht nur auf PCs betreiben konnten, sondern alternativ auch der Web-­Browser als User-Interface verwendet wurde.

Nun kommt im Zuge der Industrie 4.0 die Vernetzung mit der Cloud hinzu. HMIs übernehmen in diesem ­Zusammenhang eine ganz zentrale Funktion, denn durch die Verknüpfung von Systemen und die Vernetzung von Daten im großen Stil entsteht eine neue Komplexität. Alle diese Geräte erzeugen Unmengen an Daten und Beziehungen, deren Bedeutung für eine einzelne Person kaum zu überblicken ist. Will man sich als Programmierer oder als Anwender zurechtfinden, dann sind es die Bedienoberflächen, die uns den Zugang zu den Daten auftun und uns die Zusammenhänge visuell erklären.

Es beginnt damit, dass an einer Maschine oder Baugruppe ein kleines Operator-Panel eine schematische Darstellung des Systems mit seinen wichtigsten Kenndaten und Kontrollfunktionen anzeigt. Auf dieser Ebene sind Daten klar zuzuordnen und deren Funktion wird durch das lokale HMI erklärt. Dieselben HMIs oder einzelne Komponenten da-raus sollen auch auf dem Smartphone oder dem Tablet funktionieren, so dass das Bedienpersonal selbst dann Zugriff hat, wenn es nicht direkt vor Ort ist. Des Weiteren müssen die einzelnen Maschinen- und Anlagenteile auf ein Leitsystem zusammengezogen werden, damit man sich einen schnellen Überblick (Sammel-Alarme, Trends, Anlagenschaltbilder) verschaffen und die Funktionen einer ganzen Anlage steuern kann.

Die HMI-Anforderungen

Die Vernetzung in die Cloud bedeutet zum Beispiel: In einer zentralen Web-Anwendung können spezifische Aufgaben wie zum Beispiel die Ver­waltung eines globalen Maschinenparks oder die Überwachung und ­Wartung der Infrastruktur eines Filialnetzes einer Handelskette abgebildet werden. Dazu braucht es einerseits die kontinuierliche Erfassung sowie Speicherung von Schlüsseldaten und andererseits ein User-Interface, welches die gesammelten Daten in ge­eigneter Form aufbereitet und eine ­Interaktion ermöglicht (Überwachen, Kontrollieren, Beobachten, Intervenieren). Zusammenfassend wird eine webfähige HMI-Technologie benötigt, welche zwei Dinge können muss:

■ Die Oberflächen müssen auf allen Clients funktionieren – vom Low-Cost-vor-Ort-Panel für 100 Euro über Android/iPhone bis hin zu Windows- und Linux-PCs.
■ Die HMIs müssen auf jedem Server funktionieren, angefangen von der SPS mit Embedded-Web-Server über das Leitsystem in der Anlage bis hin zum Cloud-Portal.

Doch wie komplex und wie teuer ist die Entwicklung einer solchen verteilten Applikation? Es gilt zu be­denken, dass der Großteil der Kosten für die Programmierung nicht primär in der Erstellung einer neuen Lösung anfällt, sondern meist mehr als 70 % des Aufwandes für die Wartung und Modifikation dieser Lösung in den ­Folgejahren entsteht. Wenn Industrie 4.0 unsere Effizienz verbessern soll, dann muss dieser Bereich besonders beachtet werden, denn hier kommen die Vorteile von Modularität, Wie­derverwendbarkeit und Einheitlichkeit besonders zum Tragen. Der ­wichtigste Punkt: Für alle beschriebenen Anwendungen sollte das gleiche Tool verwendet werden können – beziehungsweise alle einmal auf einer SPS entwickelten HMI-Komponenten sollen für das Leitsystem, das Cloud-Portal sowie die Smartphones (oder umgekehrt) wiederverwendet werden können.

­Web-Tool für die HMI-Programmierung

Außerdem ist es von Vorteil, wenn auch die Programmierung der HMI-Oberfläche über ein rein browserbasiertes HTML5-Tool erfolgen kann. Der Entwickler braucht dann keine spezifische Software auf seinem Rechner zu installieren. Die Programmierung funktioniert sowohl mit dem PC als auch mit einem Tablet.

Die Oberfläche des Editors bei der Programmierung eines 4,3-Zoll-Panel-HMI.

© Ininet Solutions

Der Web-Editor kann beispielsweise auf dem Cloud-Portal genutzt werden: Hierfür schaltet man ein HMI-Modul in der bestehenden Cloud-Applikation in den Editiermodus und nimmt die gewünschten Ergänzungen vor. Ferner ist derselbe HMI-Editor auch in das Embedded-Gerät integriert. Dies ermöglicht dem Programmierer, die HMI-Oberflächen zwischen lokalem Browser und dem Gerät zu erstellen, ohne dass ein Netzwerk oder eine ­Internetverbindung nötig ist. Das ist essenziell, weil gerade bei der In­betriebnahme häufig die Netzwerk-Verbindung noch nicht steht oder in gewissen Fällen mitunter ausdrücklich nicht gewünscht ist. Die Lösung verbindet so die Vorteile des Internets mit der Option, fallweise auch autonom arbeiten zu können. Die ‚Spider-Control-HMI-Toolchain‘ für webbasierte Visualisierung von Ininet wird von vielen SPS-Herstellern als OEM-Produkt verwendet. Der rein browserbasierte Editor erfüllt die eingangs beschriebenen Anforderungen und kann so viele Anwendungsmöglichkeiten abdecken.  

Was bedeuten diese neuen Werkzeuge für die Praxis? Als Beispiel dient eine für heutige Anwendungen typische Aufgabenstellung: In einer Cloud sollen viele geografisch weit verteilte Anlagen programmiert, zusammengefasst und verwaltet werden. In jeder Anlage gibt es Steuerungstechnik (SPS), Feldbusse, Aktoren, Sensoren und Bedienpanel mit Touchscreen. Im Beispiel wurde bereits eine Lösung mit einem Cloud-Portal entwickelt und nun soll ein neuer ­Standort aufgebaut, programmiert und angeschlossen werden. In diesem Fall können Anwender bestehende Software-Komponenten oder Teile davon wiederverwenden.

Einsatz in der Praxis

Als erster Schritt werden die vorgesehenen Komponenten im Cloud-Portal angelegt und eine bestehende Programmierung kopiert, zum Beispiel ein Gateway, welches verschiedene Sensoren per Modbus sowie direkt per I/O anschließt, eine Kommunikation mit einer SPS unterhält und eine Verknüpfung diverser Variablen durchführt. Außerdem gibt es ein webfähiges Touchpanel zur Vor-Ort-Bedienung, welches HMIs ab dem Web-Server des Gateways sowie von der SPS anzeigen soll. Bereits jetzt können die Installateure mit der Bearbeitung dieser Software beginnen, da die Konfigurations- und Programmiersoftware in jedem HTML5-Browser funktioniert, in das Portal integriert ist und die dort allozierten Programmcodes bearbeiten kann. Wenn die Geräte angeliefert sind, kann der vorbereitete Code darauf kopiert werden. Bei fehlender Internetverbindung auf der Baustelle können die Inbetriebnehmer mittels Tablets oder Laptops per Browser auf dieselbe Programmiersoftware zugreifen – welche nun ab dem Embedded-Web-Server des Gateways läuft –, und so die Geräte installieren.­

Der webbasierte HMI-Editor läuft in jedem Browser und auf jedem Server.

© Ininet Solutions

Wenn die vorher kopierte Lösung nicht genau identisch ist, da der Elektriker beispielsweise die Verdrahtung verändert hat oder zusätzliche Komponenten dazugekommen sind, erlaubt das Web-HMI die Erfassung und Verknüpfung der neuen I/Os sowie die Anpassung des HMI des lokalen Bedienpanels. Die neuen HMIs können ebenfalls direkt mit dem Tablet getestet werden, da diese sowohl als HTML5 laufen als auch im Microbrowser-Panel.

Die SPS stammt von einem Dritthersteller und verfügt ebenfalls über eine Webvisu, welche die Bedienung der SPS-Funktionen ermöglicht. Die Web-visu auf dem Gateway verfügt über einen Button, mit welcher der Client direkt auf den Web-Server der SPS springt, damit für den Anwender eine durchgängige Navigation entsteht.
Wenn die Inbetriebnahme abgeschlossen ist und eine Internetverbindung steht, können die Programme auf der Anlage automatisch mit dem Stand auf dem Portal synchronisiert werden – es wird also automatisiert über die Internetverbindung ein Backup für jede im Portal bekannte Geräte-Instanz erstellt.

Als nächsten Schritt soll der Inbetriebnehmer einige Schlüsseldaten wie Alarme und Trends an die Datenbank sowie an die zentrale Steuerung des Portals anschließen. Geht es zum Beispiel um Anwendungen zur Optimierung des Energieverbrauches, ist es notwendig, dass gewisse Funktionen auf der Anlage von Remote gesteuert werden können – zum Beispiel die Laststeuerung. Diese Aufgabe des Implementierens einer solchen Optimierungslösung in der Cloud wird in der Regel von einer Person durchgeführt, die nicht mit auf der Baustelle war. Doch wie findet diese Person die relevanten Datenpunkte? Die HMIs der Vor-Ort-Bedienung sind über das Portal verfügbar und erklären deren Funktion an der laufenden Anlage. Hat man den gewünschten Wert auf dem HMI identifiziert, bekommt man von dort auch dessen Variablennamen.

Mit ‚Spider-Control‘ können auch bestehende Webvisu‘s von vielen SPS-Herstellern importiert (zum Beispiel Codesys oder alle Spider-Control-OEM-Produkte) und darin konfigurierte Trend- und Alarmkonfigurationen durch den Parser identifiziert werden. Haben Anwender in diesen Webvisus Macros für bestimmte Funktionen oder Anlagenteile verwendet, so werden diese automatisch gefunden und liefern weitere semantische Informationen zum Verständnis und der Filterung von relevanten Daten (diese Filter- und Verdichtungsfunktion wird auch ‚Fog Computing‘ genannt).

Im nächsten Schritt erfolgt die Anlagenvisualisierung in Übersichtsgrafiken. Diese HMI-Oberflächen können Anwender mit dem Web-Frontend im Cloud-Portal erstellen. Da von der Anlagenvisualisierung bereits viele HMI-Elemente vorliegen, können diese (oder einzelne Komponenten daraus) einfach per Copy&Paste wiederverwendet werden. Und soll der Funktionsumfang des Web-Editors für eine spezifische Aufgabe ergänzt werden, so kann mit dem bestehenden Spider-Control-HMI-Editor auf dem PC ein Makro gebaut und damit der Funktionsumfang des HMI erweitert werden, weil alle Elemente des Spider-Control-Baukastensystems harmonieren.

Tritt eine Störung auf, kann ein Techniker per Browser – über seinen Account auf dem Portal – auf die Anlage zugreifen und das Problem analysieren.  Ist das Gerät defekt, muss ein Mitar-beiter die Hardware austauschen. Anschließend muss lediglich eine eindeu-tige Geräte-Identifizierung konfiguriert werden und schon kann man das richtige Programm aus dem Portal automatisch herunterladen und installieren, da bei jeder Änderung (vor Ort oder im Portal) ein Backup in der Cloud aktua-lisiert wird. Den Besuch eines Servicetechnikers vor Ort können Unternehmen so häufig vermeiden.

Autor: Peter Brügger ist Geschäftsführer bei Ininet Solutions.