Bedienlösungen wurden in der Vergangenheit oft als Anhängsel der Gerätekonstruktion entwickelt. Aus alphanumerischen Steuerungen wurden PC-basierende und schließlich hielten resistive Touchpanels Einzug. Doch ein Prinzip blieb gleich: Intuitive Bedienung war kein explizites Entwicklungsziel. Heute wissen die Hersteller von Geräten, Maschinen und Anlagen, dass das Bedieninterface das „Gesicht“ ihres Produktes ist. Je mehr sich die Maschinen unterschiedlicher Hersteller in Funktionalität und Leistung angleichen, desto entscheidender wird das Bedien­erlebnis. Mit anderen Worten: Die Bedienbarkeit wird zu einem wichtigen Differenzierungsmerkmal.

Zeigen, Wischen, Zweifinger-Zoom: Diese im Consumer-Umfeld längst üblichen Gesten-Standards finden nun Einzug in das industrielle Umfeld.

© Berner + Mattner

Die Benutzerführung auf Tablets und Smartphones hat die Gestaltung grafischer Bedienoberflächen revolutioniert. Zeigen, Wischen und Zweifinger-Zoom (Multitouch) ermöglichen neue Gestaltungsformen. Ein immenser Vorteil, denn auf früheren GUIs für die Maus­bedienung waren rund 20 % des Bildschirms mit Bildlaufleisten, Blätter­tasten und Menüs belegt. Die Gestensteuerung der Mobilgeräte ist aber nicht nur effizient, sie wird vom Nutzer auch als Standard erwartet. Viele Smart­phone-User dürften sich schon dabei ertappt haben, vergebliche Wischbewegungen auf einem Fahrkartenautomaten oder einem Navigationsgerät gemacht zu haben.

Und: Das Bedienpersonal von morgen ist bereits mit den Touchdisplays der Smartphones und Tablets aufgewachsen. Niemand, der ein konkurrenzfähiges HMI gestalten will, wird hinter die tägliche Anwender-Erfahrung in der Bedienung von Kommunikationsgeräten zurückgehen können. Von dieser Erkenntnis ist es nur noch ein kleiner Schritt zur entscheidenden Frage: Wa­rum nicht gleich die auf dem Markt verfügbaren Tablets verwenden?

Industrielles BYOD

Bring Your Own Device (BYOD) ist das Schlagwort, das die Diskussion um die Verwendung von Mobilgeräten im Büroumfeld bestimmt. Im Büro wird dies durch den Komfortgedanken getrieben – die Manager wollen nicht mehrere Mobiltelefone herumtragen. Im indus­triellen Umfeld wird die Diskussion vom harten Kostenargument befeuert: Standard-Hardware ist meist günstiger. Selbst deutlich kleinere industrielle Bedienpanels sind teurer als ein Consumer-Tablet. Warum soll der Kunde ein teures Bedienpanel des Anlagenbauers kaufen, wenn er schon Tablet-PCs angeschafft hat – beispielsweise für die Erfassung und Steuerung von Materialflüssen oder mobile ERP-Anwendungen? Wenn Servicetechniker ein Tablet dabei haben, warum können sie damit nicht auch die Messgeräte bedienen?

Letztere Frage hat sich beispielsweise die österreichische Firma Omicron Electronics, Hersteller von Prüfgeräten für die Schutz- und Messtechnik in elektrischen Energiesystemen, gestellt. Die Antwort darauf: Ihr „CMControl P“ zur Prüfung von Schutzgeräten ist seit Kurzem als App für beliebige Android-Tablets verfügbar. Ein solches Vorgehen hat viele Vorteile: Informationsweitergabe, Betriebsdatenerfassung, Diagnose, Wartung, Kalibrierung, Programmierung, Einrichten, Bedienen – all diese Funktionen lassen sich auf ein tragbares Gerät legen. Mehr noch: Updates oder Zusatzmodule können problemlos über die App-Stores der Geräte-Anbieter angeboten und distribuiert werden.

Das Deployment von Bedienlösungen auf Basis von Smartphones und Tablet-PCs kann einfach über App-Stores erfolgen.

© Berner + Mattner

Sensorinformationen und Kenndaten nutzen einem Anlagenbediener oft wenig, wenn sie nur in einer entfernten Leitwarte zur Verfügung stehen. Gerade bei langen Produktionsstraßen ist der Vorteil eines „mobilen Leitstandes“ einsichtig. Abhängig vom Standort kann ein Gerät Basis für verschiedene Maschinensteuerungen sein. Moderne Fotokameras lassen sich über NFC-Chips bei Annäherung automatisch mit einem Smartphone verbinden, über welches das Live-Bild, Bildeinstellungen und Selbst- beziehungsweise Remote-Auslöser kontrollierbar sind. Warum also nicht NFC-Tags einsetzen, um Tablets flexibel mit Maschinen zu verbinden?

Mit der Idee, Mobilgeräte als Hardwarebasis eines HMI zu verwenden, trennt sich die eigentliche Maschinensteuerung oder -sensorik von der Präsentationsschicht auf dem mobilen Endgerät. Dies ist erforderlich, um die Darstellung auf verschiedenen Geräten zu ermöglichen. Ein Zwang, der zugleich Chancen eröffnet: Die Darstellung von Steuerungselementen und Dashboards lässt sich beliebig gestalten und optimal an die Bedürfnisse eines Benutzers anpassen. So wird es zukünftig auf Basis derselben Prozessdaten und Schnittstellen ganz unterschiedliche Interfaces geben – der Maschinenführer bekommt etwas anderes angezeigt als der Produktionsleiter, ein für die Wartung zuständiger Mitarbeiter braucht andere Informationen als ein Supply-Chain-Manager. Auch die Bediener selbst können sich Ansichten individuell konfigurieren.

Der Customizing-Gedanke geht noch weiter, da die Möglichkeiten moderner Touchscreen-GUIs ein hohes Maß an Selbsterklärungsfähigkeit erlauben. So kann eine prozessorientierte Benutzerführung beispielsweise auch einem weniger erfahrenen Bediener einer Anlage so weit assistieren, dass er sie korrekt bedienen kann. Hier steckt viel Poten­zial für die Anpassung von Bedienlösungen an regionale Märkte und differenzierte Benutzergruppen. Kriterien für gute Bedienlösungen sind dann auch sinkende Schulungs- und Support-Aufwendungen sowie eine erhöhte Bedienerzufriedenheit und Produktivität.

Chancen versus Risiken

Diesen Chancen neuer Bedienkonzepte stehen einige Herausforderungen und Risiken gegenüber. Die Offenheit Richtung Standard-Tablets anstelle einer eigenen, eng definierten Hardwarebasis bringt bei der Entwicklung von HMIs zwangsläufig einen höheren Testaufwand mit sich. Das ergibt sich allein aus den verschiedenen Betriebssystemversionen, Bildschirmauflösungen und Seitenverhältnissen. Teilweise lässt sich die Komplexität der Aufgabe, die verschiedensten Formen beispielsweise von Android-Tablets zu berücksichtigen, dadurch reduzieren, dass man hybride App-Strategien fährt. Hierbei erfolgt ein Teil der Darstellungen im Webbrowser.

Da die Mobilgeräte meist mit dem Internet verbunden werden können, ergeben sich für industrielle Anwendungen neue, komplexere Sicherheitserwägungen. Dabei ist die Nutzung von Smartphones und Tablets im größeren Zusammenhang von Industrie 4.0 zu sehen. Der Trend zur stärkeren Durchdringung der industriellen Automation durch Informationstechnologien ist universell. Daten- und Netzwerkschutz sind kein spezielles Problem der als Bedienlösung genutzten Geräte mehr, sondern müssen im Industrie-4.0-Umfeld allgemein und umfassend adressiert werden – beispielsweise durch eine Verschlüsselung der Übertragung.

Die Betriebssicherheit muss auch bei mobiler Bedienung gewährleistet sein.

© Antagain/iStockphoto.com

Neben Security-Fragen sind Fragen der Betriebssicherheit – Stichwort Safety – zu klären. Pointiert gesagt: Der bekannte Notschalter an der Maschine muss auch auf dem Bedien-Tablet schnell erreichbar sein. Verlagert man Steuerungsfunktionen in ein mobiles Gerät, muss dieses folglich Gegenstand der Qualitätssicherung zur funktionalen Sicherheit werden.

Ein Beispiel: Ein Entwicklerteam von Berner & Mattner hat in einer Machbarkeitsstudie eine iPhone-Gestensteuerung für einen Roboterarm verwirklicht. Als Messe-Demonstrationsobjekt für eine intuitiv erlernbare Steuerung stellt ein kleiner Roboterarm keine Gefahr dar. Denkt man sich aber einen Industrieroboter, der über ein Mobilgerät angewiesen wird, tonnenschwere Metallteile zu bewegen, wird schnell klar: Weder ein Ausfall des WLAN noch eine zufällige oder untypische Berührung des Touchscreens dürfen zu unvorhersehbarem Verhalten führen.

Letzteres wird übrigens schon sehr gut über die Multitouch-Fähigkeit moderner kapazitiver Touchdisplays gelöst: Sicherheitsrelevante Eingaben verlangen beidhändige Gesten auf dem Display und eine Kommunikation zwischen Tablet und Steuerung. Die Berührung auf einem Freigabefeld für die entsprechende Funktion in einem Eck erzeugt eine Anfrage bei der Steuerung. Deren Antwort wiederum schaltet die Bedienung eines Eingabe-Elements in einer anderen Region des Touchpads frei. Notaus-Funktionen sind bisher innerhalb der Tablet-Applikation noch nicht möglich, sondern werden im Normalfall über externe Notaus-Tasten in industriellen Tablets realisiert, wenn es sich um zu zertifizierende Funktionen handelt. Die Integration von Notaus-Funktionen ist ein Thema, das noch auf eine Lösung wartet.

Das letzte Beispiel lenkt den Blick auf die konkreten Anwendungen und spezielle Anforderungen. Wer in einer Industrie zu Hause ist, in der Staub, Hitze, Kälte, Feuchtigkeit oder Vibra­tion robuste Geräte verschiedener Schutzklassen verlangen, kann der Idee „zweckentfremdeter“ Consumer-Elek­tronik wenig abgewinnen. Maschinenhersteller in solchen Branchen werden sich zwar ebenfalls an modernen B­edienkonzepten orientieren, jedoch um Investitionen in Schutzhüllen oder robuste Rugged-Tablets nicht herumkommen.

Und auch wenn es „sauber“ zugeht, ist die Steuerung als App kein Allheilmittel. Bei der Planung neuer HMI-Konzepte sollten Anforderungen und Nutzungs-Szenarien sehr genau analysiert werden. Die Anforderungen variieren stark, wenn es in einem Fall um Diagnose und die Abfrage von Maschinendaten geht und in einem anderen Fall Echtzeit-Eingaben in die Steuerung verlangt sind. Für die Implementierung einer echtzeitfähigen Steuerung ist ein echtzeitfähiges Betriebssystem die Voraussetzung. Dies können Tablets zurzeit noch nicht anbieten. Um das auszugleichen, muss die Architektur der Lösung so aufgebaut sein, dass der echtzeitrelevante Teil in der Steuerung selbst enthalten ist. Möglich ist dies zum Beispiel mit Konzepten, bei denen zwar Kommandos über Tablets an die Steuerung geschickt werden, die Entscheidung über den Ausführungszeitpunkt des Kommandos aber innerhalb des echtzeitfähigen Systems getroffen wird.

Die Analyse der anwendungsbezogenen Anforderung gibt Hinweise auf die benötigte Qualität der Funkverbindung, der möglichen Kommunikationsprotokolle und der benötigten Daten. An dieser Stelle zeigt sich dann bereits, wo es einen „Plan B“ zum mobilen Endgerät geben muss. So kann die WLAN-Situation beim Anwender völlig anders als erwartet sein. Welche Latenzzeiten sind akzeptabel, wo müssen Alarme und Schwellwerte für die Verbindungsqua­lität vorgesehen werden? Kurzum: Der praktische Nutzen des industriellen BYOD ist für jedes Nutzungs-Szenario kritisch zu hinterfragen. Was für die Wartung einer langen Produktionsstraße eine Erleichterung ist, muss als sta­tionäre Bedienlösung an der immer gleichen Stelle nicht die gleiche Priorität haben.

Idealerweise sollte die Anforderungsanalyse bereits in die Entwicklung von Teststrategien eingehen. Dabei sollten Fragen der Hardware, der Konnektivität und der Sicherheitsmechanismen von konkreten Use Cases aus beurteilt werden. Bei der Entwicklung der HMIs selbst ist eine anwenderzentrische He­rangehensweise sinnvoll, wenn das Benutzerinterface durch Usability überzeugen soll.

Beim schon genannten Beispiel Omicron war die Entwicklung der Steuerungs-App in weiten Teilen eine Portierung. Als Ausgangspunkt diente eine für Touchdisplays optimierte Steuerung, die über eine innovative Entwicklungsmethode realisiert worden war. Im Kern erfolgte dabei eine iterative nutzerzentrierte Parallelentwicklung von Funktion und Design. Bei diesem Ansatz hat der Bedienablauf stets Priorität vor der Implementierung von Funktionen. Am Anfang der Entwicklung einer Touchdisplay-Software steht nach diesem Ansatz ein gemeinsamer Workshop. Teilnehmer sind die Projektbeteiligten – neben Hardware- und Software-Entwicklern eben auch die GUI-Designer und spätere Anwender.

Auf Grundlage von verschiedenen Anwendungsfällen wird dabei zunächst ein Workflow-orientiertes Interaktionskonzept für die Bedienoberfläche erarbeitet. Zwischenschritte werden von Anwendern über Mock-ups geprüft und beurteilt. Die Entwicklung der funktionalen Software erfolgt parallel dazu. Eine Infrastruktur für die verteilte, agile Entwicklung mit Source-Code-Verwaltung und automatisierten Regressionstests sorgt dafür, dass die Entwickler der Steuerungssoftware und die GUI-Layouter jeweils auf demselben Stand sind. Diese Methode führt letztendlich dazu, dass die HMI-Entwicklung nicht mehr Anhängsel der Geräte- und Software-Entwicklung ist, sondern eigenständig und parallel zu den anderen Entwicklungssträngen und mit Beteiligung von Anwendern durchführbar ist.

Autoren: Thomas Sorg ist Teamleiter bei Berner & Mattner Systemtechnik,
Dr. Klaus Wiltschi ist Abteilungsleiter Machinery bei Berner & Mattner Systemtechnik.