Was ist ein HMI? (Definition)

Der Begriff HMI steht für die Abkürzung „Human Machine Interface“. Im Industriekontext beschreibt es eine computergestützte Mensch-/Maschinen-Benutzerschnittstelle. Mithilfe einer Bedienoberfläche ist es möglich, an Maschinen einzugreifen und mit Ihr zu kommunizieren.

Täglich verwenden wir HMIs, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Wir regeln die Temperatur im Fahrzeug, gehen zur Bank oder betätigen die Mikrowelle. In der Industrie sind zwar solche Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine zu finden, allerdings in einem viel komplexeren Umfeld. Das Grundsystem ist jedoch das Gleiche. Der Mensch interagiert mit der Maschine.

Ein HMI besteht aus Hardware und einer auf den Einsatzzweck zugeschnittenen Software. Gemeinsam werden diese Komponenten oftmals auch als HMI-Panel bezeichnet.

 

HMI Komponenten

Hardware-Komponenten eines HMI-Panels:

  • Eingabesystem (Tastatur, HMI Touchscreen)
  • Ausgabegerät (Bildschirm, Monitor)
  • Industriecomputer (Hardwareschnittstellen)

 

Je nach Aufbau des HMI-Panels dient das Eingabesystem sowohl zur Visualisierung auch als Ausgabegerät. Das wäre der Fall, sofern die Eingabe über ein Touchscreen erfolgt. Neben Touchscreens sind auch eine Kombination aus Bildschirm und Tastatur als Eingabesystem möglich.

Ein alltags bezogenes Beispiel hierzu ist ein Bankautomat. Über einen integrierten Touchscreen und einer Tastatur werden Eingaben erfasst, die dem Automaten vermitteln, welche Aufgabe er für Sie ausführen soll.

Industriecomputer eines HMI-Panels

Der Industriecomputer beinhaltet im besten Fall ein vielseitiges Angebot an Hardwareschnittstellen, um den Grad der Individualisierung weiter zu steigern. Das HMI-Panel von GESAS zum Beispiel verfügt über eine Vielzahl von verschiedenen Hardwareschnittstellen um die Einsatzmöglichkeiten so flexibel wie möglich zu halten, auch um die Verwendbarkeit der HMIs im Bezug auf die verwendete Technologien nicht einzuschränken.

 

Hardwareschnittstellen eines HMI-Panels

  • 2 teilredundante Spannungsversorgungszuführungen 24V/GND
  • 2 Ethernet-Schnittstellen 100 MBit/s
  • 2 galvanisch getrennte CAN-Schnittstellen (D-SUB9, male)
  • 2 digitale Eingänge (24V)
  • 2 digitale Ausgänge (24V, 100mA)
  • 1 USB2.0 Highspeed-Schnittstelle (Host, Typ A)
  • 1 SD-Kartenslot, rückseitig zugänglich, verriegelbar, als Speichererweiterung oder Boot-Medium konfigurierbar

Die Software eines HMIs

Abhängig welche Aufgaben ein HMI-Panel übernimmt, werden die Komponenten des HMIs im Engineering aufeinander abgestimmt. Hierbei unterstützten den Softwareentwickler meist spezialisierte Betriebssysteme. Bei der Softwareentwicklung für das Panel können grundlegenden Funktionen zur Überwachung, Diagnose und Steuerung zentraler oder dezentraler HMI-Systeme berücksichtigt werden. 

Betriebssysteme für HMI-Panels unterstützen den Softwareentwickler darin, dass das System niemals über seine Fähigkeiten hinaus ausgelastet wird und dass Aufgaben immer rechtzeitig abgearbeitet werden. Aufgaben werden deswegen nicht nur nach Priorität, sondern nach zeitlichen Vorgaben behandelt. So kann das System bestmöglich verzögerungsfrei in Echtzeit auf äußere Ereignisse wie Benutzerinteraktionen reagieren.

Somit ist ein HMI-System mitunter eine der wichtigsten Benutzerschnittstellen in industriellen Prozessabläufen. Sie sind Fokus der technologischen Zukunft und werden vielseitig eingesetzt. 

Zur Überwachung und Diagnose von Maschinen und Anlagen dienen dabei Sensoren außerhalb des HMI-Panels, die beispielsweise Zustandsdaten und Verschleissinformation erfassen und übermitteln. Die Daten werden dabei in Echtzeit gespeichert und bereitgestellt. Es kann so beispielsweise bei dem Erreichen eines bestimmten Wertes ein Ticket für die Technik-/Serviceabteilung eröffnet werden, ganz automatisch. Die Steuerung des HMI-Systems kann über das HMI-Panel koordiniert werden. Dabei kommuniziert das Panel mit einem externen Steuerungssystem, wodurch eine zentrale oder dezentrale Bedienung von Maschinen und Anlagen ermöglicht wird. 

Die einzelnen Abläufe werden über elektronische Schaltungen gesteuert. Es werden Informationen aus der Maschine gesammelt und an den Master-PC (HMI) weitergegeben, der diese benutzerfreundlich abbildet. 
 

Embedded Linux und HMI-Panels

Der Betrieb eines HMI-Panels mit Embedded Linux ist stark auf die Hardware eines individuell eingebetteten Systems zugeschnitten.

Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über HMIs und Embedded Linux: https://www.gesas.de/de/news/hmi-panel-embedded-linux.html

 

Weitere Einsatzbereiche für HMI-Panels

HMIs sind in nahezu jeder industriellen Branche zu finden, jedoch nicht ausschließlich. Auch andere Bereiche bedienen sich an den Vorteilen von Hochleistungs-HMIs, um mit Maschinen zu kommunizieren und Abläufe zu optimieren. Einige Branchen in der HMIs Verwendung finden:

  • Energiewirtschaft
  • Öl und Gas
  • Transport
  • Lebensmittel- und Getränkeindustrie
  • Recycling
  • Trinkwasser- und Abwasserwirtschaft
  • Herstellung
  • u.v.m.

Weitere Beispiele für Einsatzbereiche von HMI-Panels im industriellen Umfeld.
 

Vorteile der HMI Nutzung

Der Einsatz eines Human Machine Interfaces bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich. Im folgenden werden einige Vorteile und Mehrwerte genannt:

  • Betriebssicherheit – im Bezug auf Ausfallzeiten
  • Echtzeit-Ausführung
  • Visualisierung von gesammelten Daten – besseres Verständnis für erfasste Daten
  • Flexible Möglichkeiten zur Überwachung, Diagnose und Steuerung von Aufgaben
  • Kostenersparnis durch Prozessoptimierung – frühzeitiges Erkennen von potentiellen Ausfallzeiten
  • IoT-Knoten an einer dafür vorgesehen Stelle – auch aus der Ferne (Internet of Things)
  • Effizienzsteigerung durch eine flexible Reaktion auf Umwelteinflüsse

 

SCADA-/HMI-Systeme

Wie bereits beschrieben, werden in der Automatisierungstechnik maschinennahe Bedien- und Beobachtungsgeräte als HMI-Panel bezeichnet. Im Unterschied zu übergeordneten Leitsystemen, welche als SCADA-Systeme bezeichnet werden.

SCADA ist keine Technologie, sondern ein Anwendungstypus. SCADA ist die Abkürzung für Supervisory Control and Data Acquisition und steht für eine Anwendung zur übergeordneten Überwachung, Diagnose und Steuerung von Prozessen, die gewöhnlich für große Bereiche zuständig sind (komplette Anlage, kompletter Standort, etc.).

SCADA Systeme sind sozusagen eine zentrale Sammelstelle für mehrere Remote-Systeme. HMIs sind also Bestandteil eines SCADA-Systems aber ein SCADA-System nie Bestandteil eines HMIs. Das SCADA-System ist also übergeordnet und nicht ein und dasselbe wie häufig fälschlicher Weise vermutet wird. Einzelne Anlagenteile lassen sich über ein SCADA-System steuern und beeinflussen, obwohl sich die Anlagen in größerer Entfernung befinden.

 

Maritime SCADA-Systeme

In der Schifffahrt werden bereits vermehrt HMI Panels für unterschiedliche Einsatzzwecke verwendet. Es können beispielsweise alle nötigen Daten auf einem Trawler gesammelt werden und dementsprechend die Schleppnetze gesteuert werden. 

Auch ein Condition Monitoring System (CMS), wie das S-COM von SCHOTTEL, sammelt Daten und verhindert so Pannen und Ausfälle.  Beispiele für Parameter die angezeigt werden können:

  • Temperaturen
  • Status der Maschine
  • Anzahl der Materialien
  • Füllstand
  • Anzahl Bearbeitungen
  • Verschleißdaten
  • Start/Stopp

Im maritimen Bereich muss ein HMI ganz besonderen Anforderungen gerecht werden. Diese Anforderungen sind in Normen und Zulassungen festgeschrieben. 

GESAS beispielsweise setzt dabei auf eine von Grund auf optimierte Wertschöpfungskette. Bei dem 7” High Performance HMI kommt eine Hardware-Software-Implementierung zum Einsatz. Dabei vereinigt eine solches HMI auf lange Sicht große Flexibilität von Software mit der Leistungsfähigkeit der Hardware und ermöglicht somit eine langfristige Kosteneinsparung..

So wurde das GESAS HMI-Panel speziell mit Hinblick auf maritime Qualitätsstandards entwickelt (Schiffsklassenabnahme nach germanischen Lloyd, DNV, LR, BV, ABS, …). Es eignet sich zum universellen Einsatz bei höchsten industriellen Standards. 

GESAS legt großen Wert auf Nachhaltigkeit und Qualität. Lesen Sie hierzu auch unseren Artikel über Qualitätsstandards zum Thema "Was ist der ein Salznebeltest und wie wird dieser durchgeführt?".

Zukunft von HMIs

IIoT-Konzepte (Industrial Internet of Things) sind ein großes Thema, bei welchen oftmals HMI-Panels als IOT-Knoten agieren. Der Trend geht immer stärker in Richtung Hochleistungs-HMIs. Immer stärker, immer leistungsfähiger und immer schneller, um auch in Zukunft Herr der Daten zu sein. Dabei werden diese immer langlebiger und gewährleisten mehr Betriebssicherheit.  

GESAS testete die kundenspezifisch entwickelten Fahrstandspanel unter anderem in einem Salznebeltest, bei dem das HMI über eine gewisse Zeit schwierigsten Bedingungen ausgesetzt wird. So kann gewährleistet werden, dass das Gerät auch den starken Umwelteinflüssen auf hoher See standhält.

Eine weitere Entwicklung bei HMIs stellt die die berührungslose Steuerung dar. Neben der üblichen Touchsrceen Bedienung entwickeln sich weitere Eingabewege, wie Gestik, Mimik und Sprache. 

Mit der ständigen Weiterentwicklung von Hochleistungs-HMIs werden weitere Einsaztbereiche für den Bediener ermöglicht. So ist es zum Beispiel denkbar, dass in einem Produktionsprozess möglicherweise Gase oder Schadstoffe entstehen, die ab einem gewissen Grad schädlich für Mensch oder auch Material sein können. Durch ein durchdachtes IIOT-Konzept könnten bei Überschreitung von vorher definierten Toleranz-Werten automatisch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um den kritischen Bereich nie zu erreichen. Durch Automatisierung wird nicht nur die Produktivität, sondern auch die Arbeitssicherheit verbessert. 

Es ist davon auszugehen, dass HMIs immer häufiger eingesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt werden.

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