Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist definiert als eine Funktion oder Komponente eines bestimmten Geräts oder einer Softwareanwendung, die es Menschen ermöglicht, mit Maschinen zu interagieren. Einige Beispiele für gängige HMI-Geräte, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen, sind Touchscreens und Tastaturen.
In industriellen Umgebungen verwendete HMIs sind in erster Linie Bildschirme oder Touchscreens, die Benutzer mit Maschinen, Systemen oder Geräten verbinden. Anlagenbediener verwenden HMIs, um Maschinen und ihre Produktionslinien zu steuern und zu automatisieren. HMIs können einfache Bildschirmanzeigen sein, die an Anlagenmaschinen angebracht sind, fortschrittliche Touchscreens, Multi-Touch-Bedienfelder, Drucktasten, Computer mit Tastaturen, Mobilgeräte oder Tablets.
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Die Entwicklung der Mensch-Maschine-Schnittstelle
Interaktion mit Maschinen durch Stapelverarbeitung
In den 1950er Jahren war die Stapelverarbeitung die vorherrschende Methode im Umgang mit Maschinen, soweit es die Eingabe betraf.
Bei der Stapelverarbeitung musste der Benutzer alle Details und die Reihenfolge der Aufgaben angeben, normalerweise mithilfe einer Lochkarte. Diese Lochkarte wurde in die Maschine eingeführt. Die Maschine wertet die Lochkarte aus und liefert die Ergebnisse. Die Stapelverarbeitung ist keine effektive Methode der Mensch-Maschine-Interaktion, da diese Technik fehleranfällig ist.
Interaktion mit Maschinen über die Befehlszeilenschnittstelle
Die Entwicklung der Befehlszeilenschnittstelle folgt der Stapelverarbeitung. Die Befehlszeilenverarbeitung ist eine interaktivere Möglichkeit für den Benutzer, mit der Maschine zu interagieren, und ermöglicht es dem Benutzer, direkte Befehle an die Maschine zu erteilen. Dies geschieht durch die Eingabe aufeinanderfolgender Textzeilen mithilfe eines Programms, das Text akzeptiert. Dies war in den 1960er Jahren die vorherrschende Art, mit Maschinen umzugehen.
Interaktion mit Maschinen über grafische Benutzeroberflächen
Grafische Benutzeroberflächen (GUIs) stellen die nächste Stufe der Mensch-Computer-Interaktion dar. Diese Schnittstellen ermöglichen Endbenutzern die Interaktion mit Maschinen mithilfe reichhaltiger grafischer Elemente wie Fenstern, Schaltflächen und Symbolen. Dies wird als WIMP-Modell (Windows, Icons, Menus und Pointers) bezeichnet. Zu den eigentlichen Geräten, die zur Interaktion verwendet werden, gehören Geräte wie Tastaturen und Mäuse.
Post-WIMP-Phase
Mit der zunehmenden Nutzung von Computern und Technologie in der modernen Gesellschaft ist eine anspruchsvollere Mensch-Computer-Interaktion erforderlich. Dies hat zur Entwicklung von Touchscreens und griffigen Benutzeroberflächen geführt, die es Benutzern ermöglichen, mit virtuellen Objekten über physische Griffe zu interagieren.
HMI und Fertigung
Die Rolle des HMI in SCADA-Systemen
Die meisten SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) sind für einen effizienten Betrieb auf eingebettete HMI-Komponenten angewiesen. Das SCADA-System ist das wichtigste Gesamtsteuerungssystem einer Anlage oder Einrichtung und ist für die Regelung aller auftretenden komplexen Vorgänge verantwortlich.
Um eine Produktionslinie mit einem HMI zu integrieren, muss das HMI traditionell an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) angeschlossen werden. Das HMI zeigt die von der SPS empfangenen Daten an und stellt der SPS Eingaben des Benutzers zur Verfügung. Diese grafischen Anzeigen sind oft sehr einfach.
Über eine einfache HMI kann der Bediener oder Betriebsleiter typische Parameter wie Maschinentemperatur, Prozesszahlen, Maschinenstatus und Materialzahlen überprüfen.
Beispiele für HMI und SCADA
In vielen Wasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen sind Standard-Szenarien mit HMIs zu finden. Diese Anlagen stehen oft vor Herausforderungen, da die Wasseraufbereitung viele Schritte umfasst, wie z. B. Sieben, Pumpen und Entfernen verschiedener schädlicher Mikroorganismen und Rückstände. Darüber hinaus kann jeder Schritt der Aufbereitung in Gebieten erfolgen, die Kilometer voneinander entfernt sind, was bedeutet, dass die Überwachung und Steuerung von Geräten und Prozessen eine Herausforderung darstellen kann.
Ein in ein SCADA-System integrierter HMI-Bildschirm ist normalerweise mit einer SPS verbunden, die es dem Bediener dann ermöglicht, Wasserstände, pH-Wert, Pumpen, gelöste Feststoffe oder die Konzentration bestimmter giftiger Chemikalien aus der Ferne zu überwachen.
Über die HMI können die Pumpen je nach Tankfüllstand ein- und ausgeschaltet werden. Wenn der pH-Wert unter einen bestimmten Wert fällt, zeigt die HMI außerdem normalerweise einen Alarm an, der über den Touchscreen-Monitor angepasst werden kann. Auf diese Weise ermöglicht die HMI dem Bediener, die Prozesse und Stufen der Wasseraufbereitung zu überwachen und zu steuern.
Viele moderne industrielle HMIs, die für die Smart-Factory-Umgebung entwickelt wurden, sind reich an Multimedia-Funktionen. Sie ermöglichen Benutzern den Empfang integrierter SMS-Benachrichtigungen über den Maschinenstatus, E-Mail-Benachrichtigungen und das Ansehen integrierter Videos von Prozessen in der Fabrikhalle. Anspruchsvollere HMIs ermöglichen die Fernsteuerung mehrerer Maschinen und Vorgänge an mehreren Standorten sowie die Analyse von Fabrikabläufen. HMIs können auch Dashboards mit produktions- und fabrikbezogenen KPIs anzeigen.
Infolgedessen entwickelt sich die Rolle des HMI durch die fortlaufende Integration neuer Technologien rasch weiter.
Hauptvorteile einer Investition in eine fortschrittliche HMI für Ihre Anlage
Heutzutage gibt es auf dem Markt eine Reihe moderner HMIs, mit denen sich Anlagen überwachen und steuern lassen. Der Hauptvorteil einer Investition in ein modernes HMI mit zahlreichen Funktionen, wie z. B. der Möglichkeit, Maschinen aus der Ferne zu überwachen und KPI-Ausgabe-Dashboards zu verwenden, liegt in der Rationalisierung von Anlagenprozessen und -abläufen.
Ein weiterer großer Vorteil ist die Möglichkeit, kritische Echtzeitdaten problemlos anzuzeigen. Diese Eigenschaften moderner, fortschrittlicher HMIs tragen erheblich dazu bei, die Komplexität der Anlagenumgebung zu reduzieren.
Darüber hinaus können Anlagenbesitzer mithilfe von HMIs schnell auf sich ändernde oder herausfordernde Bedingungen reagieren. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung durch reduzierte Ausfallzeiten. Damit erhalten Anlagenbesitzer intelligente Systeme, die Kosten und Abfall reduzieren und letztendlich Prozesse und Rentabilität verbessern können.
In Zukunft werden Edge- oder Maschinen-Level-HMIs noch leistungsfähiger und können in Echtzeit konkurrieren.
Soll ich ein HMI selbst erstellen oder kaufen?
Fabrikbesitzer stehen häufig vor der Frage: „Soll ich ein HMI bauen oder kaufen?“ Dies ist eine sehr weit gefasste Frage, auf die es keine einfache Antwort gibt, da viele Variablen zu berücksichtigen sind. Einige der zu stellenden Fragen sind:
- Welche Prozesse und Vorgänge müssen HMIs in einer Fabrik steuern?
- Welche Maschinen und Parameter muss die Anlage überwachen?
- Wie komplex muss das HMI sein?
- Verfügt die Organisation über internes Fachwissen und entsprechendes Know-how?
- Hat der Fabrikbesitzer die Zeit, das HMI zu entwerfen, zu entwickeln und zu testen?
- Der Bedarf des Marktes an einer schnellen Modernisierung der Produkte und die Frage, ob dies im Unternehmen machbar ist
- Der Markt zwingt auch zu raschen technologischen Fortschritten, daher gelten die gleichen Überlegungen
- Ist es möglich, externe Technologie in das bestehende interne Entwicklungsteam zu integrieren?
- Wie hoch ist das verfügbare Budget?
- Was ist das Endziel: ein einfacher Prototyp für ein Forschungsprojekt oder eine voll funktionsfähige, gesteuerte Version des HMI?
Sofern der Anlagenbesitzer oder -hersteller keine Erfahrung mit dem Entwerfen, Entwickeln und Bauen von HMIs hat, ist es letztendlich oft sinnvoller, ein HMI zu kaufen. Dies spart Zeit und bietet eine getestete Lösung. Zumindest sollte der Hersteller oder Anlagenbesitzer vor dem Entwerfen eines eigenen HMIs eine Recherche durchführen und einen Berater oder Experten zu Rate ziehen.
Die Zukunft der Mensch-Computer-Interaktion
Derzeit gibt es verschiedene Vorhersagen darüber, wie die Zukunft der nächsten HCI-Ebene aussehen könnte. Technologien wie Cloud Computing, Cognitive Computing und das Internet der Dinge (IoT) werden voraussichtlich bei der Entwicklung der nächsten HCI-Ebene eine Rolle spielen.
Es ist schwierig vorherzusagen, was auf der nächsten Ebene des Engagements entstehen wird. Es besteht jedoch kein Zweifel daran, dass es zu einer stärkeren Mensch-Computer-Partnerschaft kommen wird, die die Produktivität branchenübergreifend steigern wird.
Im Hinblick auf die Anforderungen von Industrie 4.0 wird es bei Industrial HMI auch zu einer weiteren Integration neuer und aufkommender Technologien kommen, die sich auf HMI als Ganzes auswirken werden.