Mobiltelefone, MP3-Player und andere technische Konsumgüter werden bereits im Entwicklungsprozess auf eine gute Usability getrimmt, da dies für den Endverbraucher ein wesentliches Kaufkriterium darstellt. Diese Entwicklung im Konsumgüterbereich lässt sich direkt auf den Maschinen- und Anlagenbau übertragen. Auch dort gewinnt die einfache und intuitive Bedienbarkeit der Mensch- Maschine-Schnittstelle zunehmend an Bedeutung.

Ein Ergebnis aus der aktuellen Industrieumfrage des iwb: Die Studie war unterteilt in die Bereiche System Engineering, Steuerungstechnik, Test, Verifikation und Validierung sowie zukünftige Tendenzen.

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Eine vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) im Sommer 2009 mit 20 Firmen aus dem Bereich Sondermaschinen und Anlagenbau durchgeführte Studie zeigt, dass die Einbindung des Kunden beim Systementwurf essenziell für die Produktentwicklung und Anforderungsanalyse ist. In der Regel steht in dieser frühen Phase jedoch nicht die Mensch-Maschine-Schnittstelle im Vordergrund, sondern die Anlagenfunktionalität.

Eigentlich unverständlich: Ist doch das HMI die zentrale und meist einzige Interaktionsmöglichkeit des Anwenders mit dem technischen System. Ziel muss es also sein, das HMI bereits in der Entwicklungsphase stärker zu berücksichtigen. Um die Kosten hierbei im Griff zu behalten, geht an einem methodischen Vorgehen für die Einbindung der Mensch-Maschine-Schnittstelle kein Weg vorbei.

Folgendes Vorgehen bietet sich hierbei an: Die initiale Phase beginnt mit der Anforderungsanalyse. Um eine möglichst vollständige und umfassende Erfassung aller Anforderungen an das HMI-System zu gewährleisten, ist ein Vorgehen ratsam, welches sich an den etablierten Methoden der Software-Entwicklung orientiert:

1. Identifikation relevanter Benutzergruppen;
2. Analyse und Beschreibung von Use- Cases;
3. Ableitung und Ermittlung der Anforderungen;
4. Spezifikation und Gliederung der Anforderungen.

Die Benutzergruppen - üblicherweise sind dies die Bediener, Instandhalter, Servicetechniker und Inbetriebnehmer - unterscheiden sich dabei in der Regel durch ihre Fach- und Sprachkenntnisse, ihr anlagenspezifisches Wissen und die ihnen übertragenen Aufgaben. Für eine möglichst vollständige Erfassung der Anforderungen an das HMI-System ist dabei eine Berücksichtigung des gesamten Anlagenlebenszyklus - also auch der Phasen Inbetriebnahme oder Service - enorm wichtig. Auf der Basis der identifizierten Benutzergruppen lassen sich die Anwendungsfälle (Use-Cases) analysieren und beschreiben. Typische Use-Cases sind das Hochfahren und Stoppen der Anlage, die Störungsbehebung, aber auch die Inbetriebnahme und die Durchführung von Wartungsarbeiten.

Die Benutzergruppen und die entsprechenden Use-Cases sind die Grundlage für die Ermittlung der Anforderungen an das Visualisierungssystem. Zielführend ist es hierbei, Wissen und Erfahrung der Benutzer im Rahmen von Interviews und Workshops abzufragen. Diese enge Einbindung in den Entwicklungsprozess trägt zudem zu einer gesteigerten Akzeptanz der entwickelten Lösung im Feldeinsatz bei. Abschließend werden die erfassten Anforderungen inhaltlich gegliedert und schriftlich für spätere Review-Prozesse festgehalten.

Standardisierung ist die Grundlage

Die ermittelten Anforderungen stellen die Grundlage für die sich anschließende Lösungsentwicklung dar. Beispiele für hierbei etablierte spezifische Werkzeuge sind Tools wie ZenOn (CopaData), InTouch (Wonderware) oder WinCC (Siemens). Hauptaufgabe der Lösungsentwicklung ist die initiale Erstellung von wieder verwendbaren Darstellungselementen, wie etwa Bildschirmseiten und Symbole, sowie von Funktionen und Variablen.

Beim Entwurf von Bedienelementen und Funktionen sollte man sich auf wenige Hauptrichtlinien beschränken. Diese haben einen hohen Einfluss auf Übersichtlichkeit und Bedienkomfort der Anwendung.

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Wichtig ist in diesem Zusammenhang zunächst eine einheitliche Struktur beziehungsweise ein gleicher struktureller Aufbau der Visualisierungsprojekte für eine möglichst große Anzahl von Maschinen und Anlagen im Unternehmen.

Eine gängige Grundstruktur stellt dabei die Gliederung in mehrere Ebenen dar, die das Betrachtungsfeld ausgehend von einer Anlagenübersicht zur Detailansicht einzelner Komponenten konzentriert. Sinnvoll ist es weiterhin, die einzelnen Bildschirmansichten in Standardbereiche mit festem Inhalt, beispielsweise Kopfzeilen oder Navigationselemente, und projektspezifische Umfänge, die frei gestaltbar sind, einzuteilen. Ein weiterer Aspekt ist die Erstellung von wieder verwendbaren Symbolen.

Neben der Wiederverwendbarkeit spielt bei der Entwicklung die grafische Gestaltung eine wesentliche Rolle. Hierbei gilt es, einige Grundsätze zu berücksichtigen, die die intuitive Bedienung unterstützen. Ein wesentlicher Aspekt ist die Anordnung und Ausführung der Bedien- und Anzeige-Elemente. Von Vorteil ist es dabei, Elemente mit ähnlicher Funktion durch einheitliche Form- und Farbgebung zu kennzeichnen. Zudem ist eine Gruppierung von Elementen durch die Abstände der Objekte untereinander und durch die Hervorhebung des Hintergrunds wirkungsvoll möglich.

Die Verwendung von markanten Icons und Symbolen ist einer intuitiven Bedienung ohne umfangreiche Einweisung zuträglich. So macht es beispielsweise Sinn, Aktorpositionen und Sensorrückmeldungen über animierte Symbole zu visualisieren. Eine Anzeige des Anlagenzustands kann über die Ampelphasen Rot, Grün und Gelb erfolgen. Die Basis für eine auf der Grundlage der Standardisierung aufbauenden automatischen Generierung des HMI-Projektes bilden Daten aus Planungswerkzeugen oder bereits erstellte Steuerungsprogramme sowie vorliegende Rahmenbedingungen und Vorschriften.

Die ermittelten Daten werden hierzu auf eine standardisierte Beschreibungsform transformiert. Anschließend erfolgt die Erstellung der einzelnen Projektelemente im Zielsystem. Die Anbindung geschieht über Schnittstellen, etwa auf Basis der eXtensible Markup Language (XML). Diese Beschreibungssprache kommt heute bereits in einer Vielzahl von Entwicklungsprozessketten zur Anwendung. Zusätzlich bieten Entwicklungswerkzeuge häufig Zugriffsmöglichkeiten wie etwa ein Application Programming Interface (API) oder eine Component-Object-Model- Schnittstelle (COM).

Auf diesem Weg lassen sich eine Vielzahl von Funktionalitäten und Daten des Projektierungssystems ansprechen. Viele Engineeringtools sind zudem über integrierte Skripte an die individuellen Bedürfnisse der Anwender anpassbar. Nicht selten sind diese in Visual Basic for Application (VBA) definiert und können beliebig ergänzt und verändert werden.

Die Umsetzung

Für ein ausgewähltes Zielsystem - ZenOn der Firma CopaData - haben Forscher der Technischen Universität München einen solchen Generator für die automatisierte Erstellung von HMI-Projekten entwickelt. Der Zugriff auf die Entwicklungsumgebung wurde hierbei über eine COMSchnittstelle realisiert. Zusätzlich wurden Funktionen zur Prüfung der Datenkonsistenz integriert.

Beispiel für ein übersichtliches und trotzdem informatives HMI, welches auf den vier Standardisierungsregeln basiert und automatisiert erzeugt wurde.

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Die Validierung des Entwicklungsvorgehens erfolgte mittels eines Entwurfswerkzeuges, welches unter anderem der Funktionsbeschreibung von Anlagen dient. Dieses Tool wird derzeit im Rahmen des Forschungsprojektes „AutoVIBN" (Automatisierte Entwicklung von virtuellen Inbetriebnahmemodellen) am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München in Zusammenarbeit mit dem dortigen Systems-Engineering-Lehrstuhl der Informatik entwickelt.

Das Anwendungsprojekt ist an eine typische Pick-and-Place-Aufgabe angelehnt, bei der mehrere hintereinander liegenden Stationen Material umsetzen müssen. Jede Station sollte über die Möglichkeit verfügen, sowohl von Hand- als auch im Automatikbetrieb zu verfahren. Des Weiteren sollen die Positionen der einzelnen Achsen angezeigt werden, sowie die Achsen selbst mittels einer Positionsvorgabe bewegt werden. Die Struktur muss im Wesentlichen die Verknüpfung der einzelnen Stationsansichten gewährleisten.

Weiterhin soll die Möglichkeit bestehen, jederzeit in das Startbild sowie in ein Fehlerdiagnosefenster wechseln zu können. Die wieder verwendbaren und variantenflexiblen Standardelemente werden im Zielsystem erstellt und in einer Bibliothek abgelegt. Beispiele hierfür sind die übergeordnete Hauptmenüleiste oder die Elemente zur Förderbandbedienung.

Projektierung und Parametrierung

Durch die Verknüpfung der Bibliothekselemente ist es möglich, eine beliebig tiefe Struktur eines HMI-Projekts aufzubauen. Die Darstellung der Ebenen und der enthaltenen Elemente wird über eine Projektierungsmaske realisiert. Hier gibt der Entwickler an, ob es sich um ein HMI-Element oder ein Menü handelt. Ein Baumdiagramm erleichtert die Navigation und zeigt durch Farbmarkierungen, ob die Eingaben für die spätere Generierung vollständig sind. Ist die Projektierung abgeschlossen und sind alle Daten eingegeben - was durch eine Grünfärbung der Elemente angezeigt wird -, lässt sich das HMI-Projekt nun automatisch generieren.

Die Struktur des HMI-Projektes: Eine hierarchische Darstellung von Bedien- und Menü-Elementen ist die Basis für eine automatische Erzeugung eines HMI-Projektes. Die Farben stellen die Vollständigkeit in der Dateneingabe der jeweiligen Knoten dar.

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Die Verbindung zu ZenOn erfolgt - wie bereits erwähnt - über das COM-Interface, welches den Zugriff auf den Editor ermöglicht und von Copa-Data bereitgestellt wird. Im Erstellungsprozess wird zuerst eine Verbindung zum Zielprojekt in ZenOn hergestellt. Eine gemeinsame Projektreferenz ist die Basis für den Zugriff auf alle weiteren Funktionen des COM-Interfaces. Über die so verfügbaren Befehle erfolgt die Realisierung der automatisierten Generierung. Dabei werden zuerst die benötigten Variablen und Funktionen angelegt.

Daran schließen sich der Aufbau der Projektstrukturen, die Erstellung leerer Bildschirmseiten sowie die Anordnung der entsprechenden Standardbibliothekselemente auf diesen Seiten an. Den abschließenden Schritt bildet die Verknüpfung von Funktionselementen mit den zugehörigen Variablen. Zusammenfassend lässt sich festhalten: Ergebnisse in zahlreichen Industrieprojekten, Lösungen kommerzieller Tools sowie Bemühungen im wissenschaftlichen Umfeld der Mensch-Maschine-Schnittstellen zeigen, dass in diesem Bereich noch erheblicher Bedarf in punkto Benutzerorientierung, Standardisierung und automatisierte Projektierung besteht.

Die Berücksichtigung der Anforderungen aller Systemnutzer wird sich dabei in den kommenden Jahren vom Alleinstellungsmerkmal zu einer Basis-Eigenschaft von Maschinen und Anlagen entwickeln. Noch ist Standardisierung und automatisierte Generierung nur in wenigen Branchen, wie etwa der Automobilindustrie, üblich. In anderen Feldern sind diese Vorgehensweisen noch nicht verbreitet. Eigentlich unverständlich, lassen sich damit doch erhebliche Effizienz- und Kostenpotenziale erschließen.

Autoren:

Thomas Hensel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am iwb im Themenfeld Automation und Robotik, Fachgebiet Steuerungsprojektierung und Anlagensimulation.

Fabian Meling ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am iwb im Themenfeld Automation und Robotik, Fachgebiet Standardisierte Entwicklung von Automobilanlagen.

Prof. Dr. Gunther Reinhart ist Leiter des iwb an der Technischen Universität München.

Peter Stich ist Diplomand am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)