Der vollständige Leitfaden zu Human-Machine Interfaces (HMI)

Maschinen sind gebaut, um die Arbeitslast manueller Arbeit zu erleichtern, aber am Ende werden sie von Benutzern gesteuert. Die Plattform, die es diesen Maschinen ermöglicht, von Benutzern gesteuert zu werden, heißt HMI oder Human Machine Interface. Ein HMI ist einfach eine Schnittstelle – ein sehr breiter Begriff, der für Geräte wie MP3-Player und Haushaltsgeräte bis hin zu Prozessleitsystemen in der Fertigungsindustrie verwendet werden kann. Ein HMI bietet eine visuelle Darstellung eines Systems und gibt dem Benutzer Echtzeit-Überwachungs- und Steuerungsfunktionen, was die Produktivität auf benutzerfreundliche Weise steigert.

HMI-Produkte entstanden, als komplexere Maschinen entwickelt wurden und ein Bedarf an einfacherer Bedienung aufkam. Vor HMI waren Produkte wie Batch Interface (1945–1968), Command Line Interface (1969–heute) und GUI (1981–heute) im Einsatz. Obwohl jede Schnittstelle ihre eigene Zeitlinie hatte und einige bis heute verwendet werden, entstand HMI direkt aus der GUI (Graphical User Interface).

Eine GUI nutzt Buttons, Textfelder, Meldungsfelder, Listen, Formulare etc., um dem Benutzer eine interaktive und einfach zu bedienende Schnittstelle zu bieten. HMIs wurden darauf aufbauend entwickelt, um Maschinen effektiver zu bedienen.

HMI erklärt

Human Machine Interfaces variieren stark – von Bedienpulten über Kernkraftwerke bis zu mobilen Bildschirmen. In diesem Fall werden HMIs für Fertigungsprozesse besprochen. Für Fertigungslinien bietet ein HMI-Steuerpult zentrale Überwachung und Steuerung für die gesamte Anlage. Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist eng mit einem HMI verbunden, da sie als Backend-Steuerung für jede Ein-/Ausgabe-Information vom HMI dient.

Visuell getroffene Entscheidungen sind weitaus einfacher und verständlicher als solche in befehlsbasierten oder manuellen Umgebungen. Um dem Benutzer totale Kontrolle zu geben, muss das HMI in ständiger Verbindung mit der SPS stehen, um Echtzeit-Informationen bereitzustellen. Das HMI greift auf spezifische Register im Controller zu und präsentiert diese dem Benutzer verständlich. Entscheidet der Benutzer, ändert das HMI einfach die Werte der entsprechenden Register im Controller, was eine hardwareseitige Reaktion auslöst.

Arten von HMI

Bevor HMIs eingeführt wurden, wurden sie durch ein Hardware-Bedienpult nachgeahmt, das aus hunderten LEDs und Drucktastern bestand, um dem Benutzer ähnliche Funktionalität zu bieten. Heute ist das Szenario ganz anders.

Es gibt drei grundlegende Arten von HMIs:

• Drucktasten-Ersatz: Diese Art von HMI hat Fertigungsprozesse gestrafft und alle Funktionen zentralisiert, die zuvor durch Drucktasten und ähnliche Hardware-Steuerungen gehandhabt wurden.

• Datenhandler: Für Systeme, die ständiges Feedback von der Maschinerie benötigten, wurden Datenhandler-HMIs entwickelt. Der Datenhandler ermöglicht dem Benutzer, Funktionen wie Datentrends, Datenlogging, Alarmbehandlung etc. zu nutzen und stellt eine große Menge an Daten bereit.

• Überwacher (Overseer): Ein Overseer-HMI wird installiert, wann immer SCADA- oder MES-Systeme eingeführt werden. Diese Art von HMI läuft auf Windows und verfügt über mehrere Ethernet-Ports für Kommunikation. Diese Systeme überwachen große Bereiche, z. B. gesamte Standorte und Komplexe.

Physikalische Eigenschaften von HMIs

Die tatsächlichen physikalischen Eigenschaften eines HMI variieren von Modell zu Modell, abhängig von der Art der Anwendung und dem gewählten Hersteller. Ein HMI in einem Wasserwerk wäre durch mehrere Wasserdichtungen gekennzeichnet, um Fehlfunktionen zu vermeiden. Im Gegensatz dazu würde ein HMI in einem Lager solche Funktionen nicht benötigen. Die Größe eines HMI hängt von der spezifischen Anwendung ab. Wenn eine komplexe Funktion gesteuert werden muss, kann das System mehrere große LCDs erfordern, während eine einfache Anwendung nur einen kleinen schwarz-weißen Monitor benötigt. Zudem variieren die technischen Spezifikationen. Für ein HMI, das Tonnen von Parametern verfolgen und bearbeiten muss, sind hohe Speicher- und Rechenleistung nötig; für ein HMI, das nur grundlegende Steuerung bietet, reicht ein deutlich geringerer Ressourcenpool.

Umgebungsaspekte für ein HMI

Die Berücksichtigung der Betriebsumgebung ist ein wichtiger Schritt, der bei der Auswahl eines HMI nicht verpasst werden sollte. Ein HMI in einem Lager muss möglicherweise übermäßigen Vibrationen standhalten. Ein HMI in der Lebensmittelverarbeitung muss mit Wasser, Chemikalien und anderen Substanzen zurechtkommen. In einem Stahlwerk muss die Temperatur immer als Auswahlfaktor berücksichtigt werden.

Programmiersoftware

Es gibt drei Hauptkategorien von Programmiersoftware für HMIs:

• Proprietär
• Hardware-unabhängig
• Open Source

Proprietäre Software wird vom Hersteller bereitgestellt und kann problemlos ohne großen Aufwand eingesetzt werden. Der Nachteil ist mangelnde Unterstützung und Flexibilität für Drittanbieter-Hardware.

Hardware-unabhängige Software ist interoperabel und unterstützt eine Reihe von Protokollen, was dem Entwickler große Freiheit gibt. Sie fehlt jedoch die Benutzerfreundlichkeit proprietärer Software.

Open-Source-Software gibt dem Entwickler totale Freiheit im Designprozess, sollte aber nur von Unternehmen mit dedizierten F&E-Abteilungen verwendet werden, da sie beträchtliche Ressourcen erfordert.

Vorteile von HMI

HMIs bringen eine Reihe von Vorteilen für den Benutzer und den Faktor insgesamt. Dazu gehören:

• Benutzerfreundlichkeit: HMIs sind extrem benutzerfreundlich, da sie die Grafische Benutzeroberfläche nutzen, was einfache Identifikation und sofortige Reaktion ermöglicht. Bilder, Icons und andere Rich-Elemente reduzieren den Bedarf an umfangreicher Schulung.

• Vorteil gegenüber einer SPS: Die alleinige Nutzung einer SPS bietet nur grundlegende Kontrolle über Ihre Maschinen. Funktionen wie Echtzeit-Feedback, Alarmmanagement und Neuprogrammierung wären nicht einfach. HMIs hingegen bieten ein hohes Maß an Funktionalität und die Fähigkeit, hohe Komplexität zu bewältigen. Mit neuen HMI-Designs werden Funktionen wie Fernzugriff und anpassbare UIs ebenfalls verfügbar.

• Bequemlichkeit: Die einfache Bedienung, die ein HMI mit sich bringt, ist unübertroffen. Die durch Digitalisierung eines Systems erreichten Funktionalitäten machen ein HMI unschlagbar. Ein HMI vereint die Steuerungsfunktionen, die über eine Automatisierungslinie verstreut sind, und macht sie von einem einzigen Ort aus zugänglich. Fernzugriff ermöglicht Bedienern, standortunabhängig zu werden und korrekten Betrieb von überall zu gewährleisten. Zudem überbrückt es die Kluft zwischen Unternehmens- und technischer Abteilung, sodass Informationen genutzt werden können, sobald sie verfügbar sind.

• Schnittstellenflexibilität: Die Möglichkeit, die Schnittstelle zu personalisieren, ist ein starkes Verkaufsargument für HMIs. Früher mussten Bedienpulte so gestaltet werden, dass sie jede mögliche Steuerung innerhalb der industriellen Reihe umfassten. Das ließ wenig Spielraum für Upgrades oder Funktionsänderungen. HMIs können im Handumdrehen modifiziert werden und erlauben die Installation neuer Komponenten ohne den Aufwand der Verdrahtung von Drucktasten und LEDs.

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