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Aktuelles über IPC

Computer, HMI, Prozessor, Industrie PC, Lüfter, Touchscreen, Monitor, Tastatur

schubert haagExpertenwissen

Roland Haag, Business Unit Manager Prime Cube bei der Schubert System Elektronik GmbH, Tuttlingen

Eine ganz entscheidende Rolle bei der neuen Generation der Human Machine Interfaces (HMI) von Schubert System Elektronik spielt die individuelle Anpassung an den jeweiligen Prozess und dessen Umgebung. Nicht nur auf gerätetechnischer Seite sondern auch in der grafischen Gestaltung der Bedienoberflächen und ganz aktuell in der mobilen Bedienkonzeption von Anlagen und Maschinen richtet sich der Fokus im Besonderen auf die Usability.

Im Konsumer-Bereich hat „man“ hat sich längst an die Handhabung der „Office“-Produkte (wie iPhone und iPad) gewöhnt, inzwischen gehört deren Handling zum Alltag. Nicht von ungefähr kommt deshalb von der nachwachsenden IT-Anwendergeneration die Erwartungshaltung an diesen ´Look & Feel´-Standard auch für den Einsatz in technischen Bereichen. Es geht aber nicht allein darum, die Zoom-, Wisch-, Verschiebe- und Drehbewegungen in das Human Machine Interface (HMI) zu bringen sondern zusätzlichen Nutzen zu generieren. Die Ansprüche an die Funktionalität von Maschinen und Anlagen wachsen permanent, der Funktionsumfang der Anlagen steigt zugleich. Flexibilität und Schnelligkeit bei höchster Qualität sowie möglichst perfekt bedienbar: So lautet die Maxime im produzierenden Prozess. Die daraus resultierende Komplexität stellt das HMI vor neue Herausforderungen.

Breitbildformat gefragt

schubert10414Touchscreens sind bei Panel-PCs schon seit geraumer Zeit etabliert. Inzwischen haben Widescreenund Multitouch nachhaltigen Einzug in die industrielle Automatisierung gehalten. Diese beiden Technologien bilden hardwareseitig die technologischen Meilensteine hin zu einem optimalen Bedienkomfort. Bei den Displays tendiert die Nachfrage aus der Industrie zu den größeren Bildschirm-Formaten. Getrieben durch die Multitouch-Funktionalität hat außerdem ein Wechsel zum Breitbild stattgefunden.  Aktuell betreffen ca. 85 % aller Anfragen das neue 16:9 Format. Zudem sind viele Display-Hersteller mittlerweile dazu übergegangen, auf Grund günstigerer Fertigungsmöglichkeiten nur noch 16:9-formatige Bildschirme zu produzieren. Dadurch wird die Tendenz zu größeren Displays in Full HD wesentlich forciert. Tageslichttauglichkeit und LED-Hintergrundbeleuchtung sind nahezu Stand der Dinge. Heute stehen Bildschirmdiagonalen von 14,48 cm (5,7 Zoll) bis 60,96 cm (24 Zoll) zur Verfügung. Die meisten Displays sind für den konventionellen Einsatz im Querformat („Landscape“) ausgelegt, diverse Ausführungen berücksichtigen neuerdings auch Anwendungen in Hochkant-Anordnung („Portrait“).

Multitouch im Wandel

Als Multitouch-Technologie ist aktuell am weitesten der Projected Capacitive Touch (PCT) verbreitet. Waren bei der Einführung des Multitouch’s in die Industrie analog-resistive Systeme gebräuchlich, sind für innovative Lösungen ein runderes und vor allem uneingeschränktes Touch-Erlebnis mit PCT ausschlaggebend. Die PCT-Technologie kann von Haus aus mehrere Berührungspunkte gleichzeitig erfassen, die hohe Punktdichte erlaubt eine exakte, sichere Bedienung inklusive kurzen Reaktionszeiten. Auf der glatten Glasscheibe sind Verschiebe- und Drehbewegungen dabei besonders widerstandsarm („ruckfrei“) und sehr ergonomisch ausführbar – speziell über weitere Distanzen auf einem größeren Display. Sie bietet zudem volle Unterstützung der Gestenerkennung unter den Betriebssystemen Windows 7 bzw. Windows 8 und Linux. Ein weiterer Pluspunkt ist die lange Lebensdauer, da die Sensorik praktisch nicht verschleißt.

Als Umsetzung der kapazitiven Oberflächen ist überwiegend das ITO-Verfahren (Indium Tin Oxide) anzutreffen, neuerdings auch als DITO (Doppelseitig ITO).  Diese Sensortechnologie bietet einen sehr leistungsstarken Touch mit erweitertem Temperaturbereich. Sie weist sehr lineares Verhalten aus und erlaubt außerdem ein schlankeres Rahmen-Design als bisher.

Die von der PCT-Funktionalität unabhängige Panel-Oberfläche erlaubt mehr Gestaltungsmöglichkeiten bei der Wahl des Materials und ermöglicht somit anwendungsspezifische Frontscheiben mit applikationsspezifischer Ausgestaltung zum Beispiel mit vandalensicherem Glas. Die geschützte Montage der Touch-Sensorik unterstützt die Gestaltung von Industrie-PCs mit vollflächig planen, sickenfreien und nahtlosen Fronten. Solche komplett  geschlossenen Ganzglasflächen sind leichter zu reinigen und somit sehr interessant für den Einsatz in hygienisch anspruchsvollen Umgebungen wie in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie. Außerdem zeichnen sie sich durch ihre Widerstandsfähigkeit gegen mechanische sowie chemische Einwirkungen aus. Nicht zuletzt verhilft die speziell entspiegelte Oberfläche zu einer sehr guten Lesbarkeit.

Bedienelemente fürs Spezielle

schubert20414Die neueste Technologie bei Bedienelementen ermöglicht nun die Integration von Mutitouch plus zusätzlichen Tasten in eine durchgängige Glasoberfläche ohne überstehende Konturen. Die für HMI-Eingabesysteme häufig geforderten Funktionstasten außerhalb des aktiven PCI-Arrays sind als Kurzhubtasten mit der Schutzart IP65 für eine schnell ausführbare Bedienung mit haptischer Rückmeldung im Frontglas eingelassen. Diese Einzeltasten sind in der Symbolik und Beschriftung individuell gestaltbar und je nach Funktion per LED ansteuerbar. Hierbei können ganz individuelle kundenspezifische Wünsche realisiert werden. Die direkte Anbindung dieser Zusatzfunktionen an das HMI beziehungsweise Betriebssystem sorgt für kurze Reaktionszeiten, ohne die Signale über die Steuerung führen zu müssen.  Der Datentransfer  – sowohl zwischen dem PC-System und den Bedienelementen als auch zur NC/PLC – läuft über einen Kommunikations-Controller, der sämtliche Kanäle jeweils bidirektional bedient. Es werden die gängigen Feldbus-Interfaces unterstützt, insbesondere Profibus, Profinet und Ethercat.

Auf der Rechner-Ebene haben sich industrielle Mini-ITX- oder eigene CPU-Plattformen bewährt. Moderne Mehrkern-CPUs auf der Basis der Intel-Haswell 4th Generation (i5/i7) und der AMD Ekabini-Prozessoren werden dem Leistungsbedarf von Multitouch und großformatiger Grafik gerecht und tragen dennoch zu energieeffizienten System-Auslegungen bei. Mit hochflexibler Speicherkonfiguration per MStata, SSD oder HDD und angepassten Betriebssystemen wie Windows 7/8, Windows Embedded oder Embedded Linux lassen sich effiziente Visualisierungs- als auch Steuerungs-Applikationen verwirklichen – sowohl als Open- wie auch als Embedded-Lösungen.

Konzeptionen für User Interfaces

Zum einen eröffnet heute die Widescreen-Multitouch-Technologie neue Ansätze im GUI-Design (Graphical User Interface) und erlaubt 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: 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 zu überwachen, intuitiv zu bedienen und logisch zu steuern. Das geht bis hin zur Zweifingerbedienung bzw. zum gleichzeitigen Betätigen, um Fehlbedienung oder unbeabsichtigte Funktionsaktivierung zu verhindern oder bis zur hardwaremäßigen Zustimmtaste beispielsweise als explizite Freigabe von NC-Funktionen.

Eine herausragende Innovation liegt in der berührungslosen Gestenerkennung. Bei der auf Halios-Controller (High Ambient Light Independent Optical System) basierten Methodik handelt es sich um ein Annäherungs-Kennungssystem, mit dem sich über einfache Gesten Steuervorgänge auf Entfernungen von bis zu 3 m optisch auslösen lassen. Hierbei wird die Bewegungsrichtung dreidimensional erfasst und in die Funktionen Wischen/Rotation/Halten umgesetzt.

Für die Programmierung von Bedienoberflächen kann man inzwischen auf Visualisierungs-Standardbibliotheken aufsetzen. Qt ist ein offenes, plattformübergreifendes Toolkit, das eine unkomplizierte und portable GUI-Programmierung ermöglicht. Auf diese Weise profitieren Anwender nicht nur von frei platzierbaren Fenstern, sondern können auch eigene Objekte definieren, die genau die User-Interface-Elemente repräsentieren. Daneben sind mit Qt entwickelte Programme unter allen Linux- bzw. Windows-Systemen lauffähig.

Die enorme 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. Zwar war es bisher schon möglich, grafische Flächen auf der Bedienoberfläche des Touchscreens abzubilden – dies war jedoch mit gravierenden Restriktionen verbunden. Je nach Umfang der darzustellenden Grafik und der benötigten Flächenaufteilung wurden überlappende Einblendungen oder oft wechselnde Fenster eher als notwendiges Übel empfunden. Eine gleichzeitige, ungehinderte Kontrolle über alle visualisierten Informationen war somit nicht gegeben.

Als Konsequenz werden zum einen jene Funktionalitäten, die heute über Folien- bzw. Direkttasten abgedeckt werden, als Touch-Funktionen in das Display eingebunden. Zum anderen lässt sich der Touchscreen im horizontal erweiterten 16:9-Displayformat in verschiedene Arrays unterteilen, die dem Anwender alles auf einen Blick ausbreiten: Die NC-Oberfläche kann direkt, ohne Anpassungsaufwand 1:1 übernommen werden. Sie liegt also identisch im gewohnten 4:3-Format vor, d. h. auch die bisher bekannte Bedienerführung kann weiterhin beibehalten werden. Unmittelbar rechts und/oder links daneben lassen sich gleichzeitig weitere Touchfelder für OEM-spezifische Applikationen individuell einfügen wie File-Manager, Datenbank, Werkzeugverwaltung, Maschinen-Kamerabilder oder spezifisches Softkeyboard bzw. alphanumerischer Tastenblock.

Das Konfigurieren und Handling dieser virtuellen Arrays wird softwaremäßig über einen Windows-Manager abgebildet. Es handelt sich hierbei um ein eigen entwickeltes, offenes HMI-Framework auf Qt-Basis, in das sich über verschiedene Plug Ins applikationsspezifische Funktionen einbinden lassen. Zusätzlich können separate Applikationen, z. B. Java-basierend, integriert werden. Über die eingerichtete Sidebar-Eigenschaft können alle Applikationen an einer Seite der Benutzeroberfläche angezeigt und vom Bediener aufgerufen werden.

Smart Devices für mobile Szenarien

schubert30414Automatisierungsprozesse im industriellen Umfeld werden heute in der Regel noch über stationär installierte, zentrale  Leitsysteme bedient und beobachtet. Zunehmend kommt aber aus dem technischen Bereich das Bedürfnis, sämtliche Funktionalitäten neben dem Panel-PC auch auf mobilen Endgeräten ansprechen zu können. Moderne HMIs müssen daher sowohl stationäre als auch mobile Lösungen vollumfänglich unterstützen. Beide werden zukünftig gleichermaßen ihre Existenzberechtigung haben. Allerdings erschließen sich – aus unserer Sicht – eher Teilbereiche als praktikable HMI-Lösungen für solche Anwendungen. Wir sehen Smartphones und Tablets beispielsweise zunächst als Docking-Stationen in Nischen-Applikationen, in denen Rezepturverwaltungen, das Einrichten von Maschinen und Anlagen sowie Diagnose und Wartung von Steuerungen oder Automatisierungsanlagen in Frage kommen. Diese Geräte erschließen den Zugriff zu den aktuellen Informationen: zu jeder Zeit, an jedem Ort, über jeden Applikationsprozess.

Das bedeutet: Zukünftige Internet-basierende HMI-Lösungen müssen im Verbund mit mobilen Endgeräten unabhängig von Hardware und Betriebssystem lauffähig sein. Hier ist HTML5 besonders ins Blickfeld gerückt, weil diese www-Kernsprache ein offener Standard und plattformunabhängig ist. Außerdem stehen inzwischen unzählige Frameworks zur Verfügung, mit denen HMIs überall per entsprechendem Web-Browser betrieben werden können. Mit HTML5 lassen sich funktional anspruchsvolle und grafisch attraktive HMIs – auch in Verbindung mit Multitouch- und Gestensteuerung – schnell und einfach erstellen. Diese Projektierung wird dann auf einen zentralen Router aufgespielt und kann vom mobilen Smartphone/ Tablet über das Internet aufgerufen werden. So bekommt das Endgerät alle Eingriffsmöglichkeiten und Prozessbilder vollautomatisch dargestellt.
weiterer Beitrag des Herstellers         Produktkatalog Prime Cube          Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

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