HMI-Lösungen

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Wie sich die Visualisierung in 30 Jahren gewandelt hat

HMI-Lösungen haben sich in den letzten 30 Jahren enorm gewandelt. GTI war von Anfang an dabei und hat die Entwicklung über vier Generationen von Softwarelösungen abgedeckt. Ein Rückblick zeigt, wie schnell sich die Anforderungen und Technologien veränderten.

Seit Ende der 80er Jahre gibt es  die ersten PC-basierten HMI-Systeme auf dem Markt. Die Industrie-PCs (IPCs) waren damals klobige und schwere 19“-Geräte. Die Geräte kosteten über 10.000 DM und das mit MS-DOS als Betriebssystem und 8088- oder 80286-Prozessoren mit 640 KB Hauptspeicher.

HMI Lösungen

1988 stellte GTI mit der objektorientierten und vollgrafischen ‚Visualisierung‘ Procon eine MS-DOS basierte HMI vor.

Diese Werte stehen um viele 10er-Potenzen entfernt von heutigen Embedded Systemen und sind nicht vergleichbar mit modernen IPCs. Denn diese Technologie schafft heute 30.000 Transistorfunktionen bei 10 MHz zu 3.000.000.000 Transistorfunktionen bei 3 GHz. 1988 stellte GTI die objektorientierte und vollgrafische‚Visualisierung‘ Procon vor. Mit der auf MS-DOS basierte HMI konnte komfortabel projektiert werden und war auf den ersten Industrie-PCs ablauffähig. Die Mehrzahl der bis dahin üblichen Lösungen waren semigrafisch aufgebaut und ließen Zusatzleistungen wie Störungsverarbeitung, Rezepturverwaltung und das Aufzeichnen von Daten (Linienschreiber) vermissen.

Ein wesentlicher Vorteil war die Entkopplung von der Steuerung, da damals die meisten Systeme herstellerspezifisch waren und nur einen Steuerungshersteller unterstützten. Die typischen Steuerungsankopplungen waren seriell oder mit einem herstellerspezifischen Bussystem realisiert und benötigten oft spezifische Hardwareinterfaces. Die Oberflächen wurden meist mit einer funktionstasten-orientierten Navigation aufgebaut und waren lediglich über eine reduzierte integrierte Folientastatur bedienbar.

PC-basierte HMIs gewinnen an Fahrt

Mit Windows 3.11 im Jahr 1994 war ein weitgehend stabiles Betriebssystem mit grafischer Benutzeroberfläche verfügbar. Diese diente als Plattform für die zweite Generation der GTI-HMI. Damit einher ging eine größere Bandbreite an Grafikadaptern und die starke Standardisierung von grafischen Benutzeroberflächen auf Basis von MFC. Die Anzahl der verschiedenen HMI-Anbieter ging drastisch in die Höhe, auch aufgrund der ständig steigenden Akzeptanz für PC-basierte HMI-Lösungen. Das auch dank sinkender Preise und steigender Zuverlässigkeit von IPCs. Durch Windows wurden Standards für Oberflächen gesetzt, die sich auch auf die Palette an Windows Controls erstreckte. Die Kommunikation zu den Steuerungssystemen setzte teilweise auf DDE und OPC. Mit OPC war das Universalinterface geboren, zu dem es bald mehrere hundert Kommunikationsinterfaces unabhängiger Anbieter gab und die Notwendigkeit entfiel, dass jeder HMI-Anbieter alle Steuerungsprotokolle implementieren musste.

Über das Betriebssystem wurde ein weiterer Aspekt bezüglich der Datenhaltung und des Datenaustausches verbessert. Per ODBC konnten Zugriffe auf Datenbanken sowie z.B. CSV-Dateien in standardisierter Form umgesetzt werden. Darüber hinaus war der Zugang auf Auftragsdaten oder zum Datenaustausch mit einem ERP-System drastisch vereinfacht. Das brachte enorme Chancen für eine erweiterte Datenverarbeitung und für die Anbindung der Maschine/Anlage per HMI/SCADA-System an die Unternehmens-IT. Dies stellte auch einen erheblichen Mehrwert gegenüber den integrierten Embedded-Lösungen der Steuerungshersteller dar.

HMI-Konzepte sorgen für bessere Usability

Mit der Einführung der .NET-Technologie von Microsoft konnten leistungsfähigere Lösungen mit geringerem Entwicklungsaufwand umgesetzt werden. Es gab jetzt verbesserte Möglichkeiten für dynamische Benutzeroberflächen. Auf der Steuerungsseite wurde verstärkt die objektorientierte Programmierung angewandt und damit im Bereich der Kommunikation neben den symbolischen Bezügen Strukturen und deren Instanzen adressiert. Dies führte zu einer deutlichen Reduzierung des Engineeringaufwandes, auch auf Seiten der HMI.

Nach der Einführung des Smartphones wurde auch in der Industrie das Thema Usability verstärkt in den Fokus gerückt. Ab etwa 2010 haben Maschinenbauer sich mit HMI-Konzepten auseinandergesetzt, die im Allgemeinen zu deutlich gestiegenen Anforderungen an die HMI führten. Neben der Stylebarkeit von Controls gehört auch die Unterstützung von Gesten und erweiterte Möglichkeiten für eine deutlich dynamischere Oberfläche zu den meistgenannten Wünschen, die im Rahmen mehrerer HMI-Konzepte von GTI geäußert wurden.

HTML5-basierte HMI für verschiedene Endgeräte

Daraufhin hat GTI mit Procon-Web als einer der ersten Anbieter am Markt eine rein HTML5-basierte vollwertige HMI umgesetzt, die nicht nur technologisch die heute gegebenen Möglichkeiten ausreizt, sondern durch die damit verbundenen Konzepte weitere Akzente setzt. So wurden von Anfang an die Aspekte moderner Benutzeroberflächen, konzeptioniert nach Usability-Gesichtspunkten und orientiert an den Corporate Designs im Tool, berücksichtigt. Es gibt eine interne CCS3-basierte Style-Verwaltung, mit der die Oberflächen zentral auf die Kundenbelange eingestellt werden können, ohne dafür eigene Controls entwickeln zu müssen. Für die einfache Umsetzung von Oberflächen wurde eine Layout-Verwaltung integriert und mit der Möglichkeit einer konfigurierbaren Navigation ausgestattet. Kundenspezifische Erweiterungen können dem System einfach zugefügt und auch im Projektierungstool gleichwertig zu den Standard-Controls konfiguriert und gerendert werden. Adaptive Design unterstützt Szenarien mit vielen unterschiedlichen Endgeräten und Benutzerrollen. Neben server seitigem Scripting können auch im Client per JavaScript Manipulationen der Oberfläche vorgenommen werden.

Für kleine Geräte bis große Leitsysteme

Die Skalierbarkeit der Serverkomponenten sind für verschiedene Betriebssysteme verfügbar. Sie reichen vom leistungsfähigen SCADA-Server unter Windows über eine node.js-basierende Lösung für Embedded-Lösungen auf Basis Raspberry unter Linux bis hin zu einer Codesys- bzw. Automation-Studio-Version. Diese kann direkt in einem Steuerungssystem als Anwendungsprogramm mitlaufen. Mittels des gleichen Projektierungssystems können damit Anwendungen für kleine Geräte bis große Leitsysteme abgedeckt werden..

Neue Herausforderungen für den Maschinenbauer

Die Entwicklung von den ersten HMI-Lösungen als konfigurierbarer Ersatz von elektromechanischen Bedienelementen, eingebaut in einer Schalttafel, bis zu den heute verfügbaren Oberflächen, wie wir sie von einem Smartphone oder Tablet kennen, erfolgte in nur 30 Jahren. Dabei ist die Komplexität der dafür notwendigen Software enorm angestiegen. Die Entwicklungsdauer einer solchen Software hat heute typischerweise Umfänge in einer Größenordnung von zig Mannjahren. Doch die dafür notwendigen Hardwareplattformen sind allerdings kostengünstig verfügbar. Daher besteht die Herausforderungen heute eher darin, den Maschinenbauer beim konzeptionellen Aufbau der sehr umfangreichen Oberflächen zu unterstützen. Die Usability-Gesichtspunkte zu berücksichtigen und über eine geeignete Engineering-Software die Aufwendungen zu reduzieren ist ein weiterer wichtiger Punkt. Bis hin zu einer automatisierten Erstellung von Oberflächen für Maschinenvarianten.

Achim Schreck, Geschäftsführer, Weidmüller GTI Software GmbH
Quelle: Elektrotechnik Vogel
Der Originaltext wurde von GTI zum Zweck besserer Lesbarkeit leicht angepasst.