Eine entscheidende Rolle bei der ­Projektierung moderner HMIs spielt die individuelle Anpassung an den je­weiligen Prozess und dessen Umgebung. Aber nicht nur auf gerätetechnischer ­Seite, sondern auch in der grafischen ­Gestaltung von Bedienoberflächen und in der mobilen Bedienkonzeption von Anlagen und Maschinen.

Gewisse industrielle Ausgestaltungen im HMI-System-Design sind heute bereits ‚State of the Art‘. Beispielsweise stellt das Frontend der Panel-PCs mit plan eingelassener Glasoberfläche inzwischen eine ebenso gängige Bauart dar, wie die hygienekonforme Konstruktion von Flächen und Gehäusen. Auch die Widescreen-Displays mit ihrer Vielfalt an Bildschirmformaten decken die unterschiedlichen Anforderungen ab. Und nicht zuletzt erfüllen der ‚Analog Resistive Touch‘ und der ‚Protected Capacitive Touch‘ sämtliche Ansprüche hinsichtlich Single- beziehungsweise Multitouch-Bedienung. Doch darüber hinaus gibt es neue Ansätze in der Gestaltung von HMIs. Die nachfolgenden Ausführungen skizzieren einige Aspekte aktueller Themen, die Schubert System Elektronik in den anwenderspezifisch angepassten Computersystemen der ‚Prime Cube‘-Reihe umsetzt.

Design der HMI-Oberflächen

Per Widescreen und Multitouch lassen sich verschiedene Anwendungen flexibel in individuelle Bedienoberflächen einbinden. Diese Technologien eröffnen zum einen neue Möglichkeiten im Design grafischer Bedienoberflächen (GUI) und unterstützen damit grafische Kon­figurationen zur Visualisierung von Abläufen. Zum anderen lassen sich – jetzt aktuell in Kombination mit gestenbasierter Steuerung – interaktive Bedienszenarien zu einer komfortablen HMI-Menüführung realisieren:

Bedienung einer CNC-Maschine: Der GUI-Framework ermöglicht die individuelle Gestaltung der HMI-Oberfläche mit verschiedensten Elementen.

© Schubert System Elektronik

beispielsweise das Navigieren innerhalb von Prozessbildern, das Verändern von Daten und Werten, das Vergrößern von Kennlinien und Graphen. Der Anwender soll optimal dabei unterstützt werden, die jeweiligen Abläufe klar überwachen, intuitiv bedienen und logisch steuern zu können.

Für die Entwicklung von Bedienoberflächen kann man inzwischen auf Visualisierungs-Standard-Bibliotheken aufsetzen, die eine Plattform-übergreifende, portable GUI-Programmierung ermöglichen. Auf diese Weise profitieren Anwender nicht nur von frei platzierbaren Fenstern, sie können auch eigene Objekte definieren, die genau die User-Interface-Elemente repräsentieren.

Die Flexibilität in der GUI-Gestaltung zeigt stellvertretend eine Applikation aus dem Werkzeugmaschinenbereich auf: CNC-Bedienfelder sind heute in der Regel noch klassisch als eine 4:3-Visualisierung mit zusätzlicher Folientastatur ausgeführt. Grafische Bereiche ließen sich je nach Umfang und benötigter Fläche bisher nur durch überlappende beziehungsweise oft wechselnde Fenster realisieren. Mit Widescreen und Multitouch lassen sich nun zum einen jene Funktionalitäten, die bisher über Direkttasten abgedeckt werden, als Touch-Funktionen in das Display einbinden. Und zum anderen lässt sich der Touchscreen im modernen, horizontal erweiterten 16:9-Displayformat in verschiedene Bereiche (Arrays) unterteilen, die dem Anwender „alles auf einen Blick“ dokumentieren: Die NC-Oberfläche kann direkt und ohne Anpassungsaufwand 1:1 übernommen werden. Gleichzeitig lassen sich jetzt unmittelbar rechts und/oder links daneben weitere Touch-Felder für kundenspezifische Applikationen ganz individuell einfügen, etwa File-Manager, Datenbank, Werkzeugverwaltung oder ein spezifisches Softkeyboard.

Das von Schubert System Elektronik eigens für die individuelle Gestaltung der Bedienoberfläche auf Qt-Basis entwickelte GUI-Framework ermöglicht nun per Gestensteuerung die Führung einer extern im Maschinenraum installierten PTC-Kamera mit Zoom- und Bewegungsfunktionen. Weitere applikationsspezifische Plug-Ins binden TCU-Datenkommunikation, PDF- und VNC-Funktionalität ein. Außerdem wird die internetbasierende Anbindung mit Smart Devices über einen implementierten Web-Browser unterstützt, damit sämtliche Funktionalitäten eines Automatisierungsprozesses – neben dem zentral installierten IPC – auch von mobilen IT-Endgeräten angesprochen werden können.

Automatisierungsprozesse im industriellen Umfeld werden heute in der Regel noch über zentrale  Leitsysteme bedient und beobachtet. Zunehmend kommt aber aus dem technischen Bereich das Bedürfnis, sämtliche Funktionalitäten auch auf mobilen Endgeräten ansprechen zu können. Moderne, internetbasierende HMIs müssen daher sowohl stationär installierte als auch mobile Lösungen vollumfänglich unterstützen – beide werden zukünftig gleichermaßen ihre Existenzberechtigung haben.

Zusammenspiel mit Smart Devices

Allerdings erschließen sich eher Teilbereiche als praktikable HMI-Lösungen für solche Anwendungen mit Smart­phones und Tablets – etwa als Docking-Stationen in Nischen-Applikationen wie bei Rezepturverwaltungen, dem Einrichten von Maschinen und Anlagen sowie der Diagnose und Wartung von Steuerungen oder Automatisierungsanlagen. Denn hierfür erschließen diese Geräte den Zugriff zu den aktuellen Informationen: zu jeder Zeit, an jedem Ort, über jeden Status.

Das bedeutet, dass zukünftige Internet-basierende HMI-Lösungen im Verbund mit mobilen Endgeräten unabhängig von Hardware und Betriebssystem lauffähig sein müssen. Hier ist HTML5 besonders ins Blickfeld gerückt, weil diese ‚Internet-Kernsprache‘ ein offener Standard und Plattform-unabhängig ist. Außerdem stehen inzwischen unzählige Frameworks zur Verfügung, mit denen HMIs überall mittels eines entsprechenden Web-Browsers betrieben werden können. Mit HTML5 lassen sich funktional anspruchsvolle und grafisch attraktive Bedien- und Anzeigefunktionen – auch in Verbindung mit Multitouch- und Gestensteuerung – webkonform realisieren, damit diese von mobilen Smartphones/Tablets über das Internet aufgerufen werden können. So bekommt das Endgerät alle Eingriffsmöglichkeiten und Prozessbilder vollautomatisch dargestellt.

Große Displays im Trend

Ein weiterer Trend: Die Nachfrage aus der Industrie zielt verstärkt auf größere Bildschirm-Formate. Getrieben durch die Multitouch-Funktionalität hat außerdem ein Wechsel zum Breitbild stattgefunden. Dadurch wird auch die Tendenz zu höheren Auflösungen forciert. Die neue Ultra-HD-Technologie mit 4K-Bildauflösung bietet mit 3840 x 2160 Pixel eine viermal so hohe Auflösung wie Full HD – das bedeutet über 8 Mio. Pixel bei 4K gegenüber 2 Mio. Bildschirmpunkte bei Full HD. Bei einer 4K-Auflösung wirken die Bilder noch schärfer und realistischer. Mit ­einem 28-Zoll-UHD/4K-Display geht Schubert System Elektronik auf die gestiegenen Marktbedürfnisse ein.

Häufig verlangt die Industrie neben Touch-Funktion noch klassische Bedien­elemente. Die Lösung: Ein Anbau-PC mit Multitouch­display und Tastenmodulen.

© Schubert System Elektronik

Ein Problem, das größere Displays bis dato häufig mit sich brachten: Der teure Frontrahmen – meist aus Vollmaterial gefräst. Eine neue Konstruktion besteht aus verschiedenen Einzel-Profilen, die jeweils in ihren Seiten- beziehungsweise Ober- und Unterteilen identisch sind und als flexibles Stecksystem durchgängig für kleine bis große Display-Formate dient. Der Nutzen liegt in der modularen Bauweise und der gleichzeitig preiswerten Fertigung.

Auch für das Frontend-Design der Displays gibt es neue technische Verfahren, die für eine verbesserte, optisch klare Darstellung sorgen. Zwischen dem Touchscreen und dem eigentlichen Display, das unmittelbar dahinter angebracht ist, bestand bis dato ein kleiner Luftspalt, der gegebenenfalls unerwünschte Reflexionen, Kondensationseffekte oder Parallaxen-Fehler bewirken kann. Dies beeinträchtigt die Lesbarkeit der Displays gerade unter direkter Sonneneinstrahlung sehr stark. Die Lösung: Beim ‚Optical Bonding‘ werden Display und Touchscreen mittels einer hochtransparenten Klebetechnik direkt miteinander verbunden.

Dieses Verfahren fügt die beiden Komponenten ohne Lufteinschlüsse sicher zusammen. Derart sind interne Reflexionen und das Beschlagen des Bildschirms ausgeschlossen – Schmutz kann nicht eindringen. So ist die Display-Einheit wesentlich robuster gegenüber mechanischen Einflüssen.
Da Maschinen unter dem Aspekt der Komplettbearbeitung immer größere Dimensionen aufweisen, wächst gleichzeitig die Entfernung zwischen HMI-Station und PC.

Abgesetzter Monitor-Link

Hierfür bieten dezen­trale Strukturen, bei denen Hostrechner und die Bedien-einheit als passive Monitorlösung ei-nen abgesetzten Systemverbund bilden, große Flexibilität in der Lösung von HMI-Topologien. Die Art des Links ist sowohl von der zu überbrückenden Distanz als auch von der geforderten Funktionalität der Applikation abhängig.

Die ‚Prime Cube‘-Reihe stellt entsprechende Methoden zur Absetzung der Bedieneinheit zur Verfügung. Die direkte Signalübertragung eignet sich für Distanzen bis circa 10 m. Mit Embedded-Clients lassen sich Vernetzungen über Entfernungen von bis zu 100 m realisieren. Um komplexe Anlagen-Konfigurationen abzudecken, bietet die digitale Übertragungstechnologie Remote-Link besondere Vorteile: Unabhängigkeit vom Betriebssystem, externe Sende-/Empfangsmodule entfallen, alle Signale (Video+Touch+USB) sowie die PoH-Versorgung (Power over HDBaseT) werden gemeinsam über ein einziges CAT6-Ethernet-Kabel zwischen Display und Host übertragen. Außerdem ist die Überbrückung großer Entfernungen möglich – zum Beispiel bis zu 140 m bei Full-HD-Auflösung beziehungs­weise 100 m bei UHD-Auflösung.Dies ermöglicht gerade für extensive Anlagen eine optimale Platzierung von Host-PC und Panel. Die Integration ist sowohl mit Box-PCs der Reihe ‚Prime Cube‘ als auch über PCI beziehungsweise PCIe in Fremdprodukte möglich.

Erweiterte Eingaben per Tastenmodul

Neue Techniken ermöglichen die Inte­gration von zusätzlichen Bedienelementen in ein Multitouchsystem – bei einer durchgängigen Glasoberfläche ohne überstehende Konturen in Schutzart IP65. Die häufig geforderten Funktionstasten außerhalb des aktiven Touch-Arrays sind als Kurzhubtasten für eine schnell ausführbare Bedienung mit haptischer Rückmeldung im Frontglas eingelassen. Sie lassen sich in der Sym­bolik und Beschriftung individuell gestalten und je nach Funktion per LED ansteuern. Die direkte serielle Ankopplung dieser Zusatzfunktionen an das HMI- beziehungsweise Betriebssystem sorgt für eine schnelle Reaktion, ohne die Signale über die Steuerung führen zu müssen. Durch die Bereitstellung aller gängigen Feldbus-Interfaces, wie CAN-Bus, Profibus, Profinet und Ethercat, lässt sich eine universell konfigurierbare Ankopplung an die Steuerung realisieren.

Soft- und Hardware ­entscheidend

Zu den integralen Elementen der industriellen Usability zählen sowohl die technologischen Voraussetzungen in der Hardware als auch die erforderlichen Standards in der Software. Zudem gilt für industrielle Systeme: Nicht jeder Trend der IT-Elektronik zeichnet sich als tragfähig ab, da in der Industrie der Fokus auf Langlebigkeit und Langzeitverfügbarkeit ausgerichtet ist. Es finden nur solche Technologien den Weg in zukünftige industrielle HMI-Lösungen, die sich als zuverlässig und marktfähig erweisen.

Autor:
Bastian Beha ist Marketing-Referent bei Schubert System Elektronik.