Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist eine Funktion oder Komponente eines bestimmten Geräts oder einer bestimmten Softwareanwendung, mit der Menschen Maschinen bedienen und mit ihnen interagieren können. Einige Beispiele für übliche HMI-Geräte aus unserem Alltag sind Touchscreens und Tastaturen.
Im industriellen Kontext eingesetzte HMIs sind meistens Bildschirme oder Touchscreens, die den Benutzer mit Maschinen, Systemen oder Geräten verbinden. Fabrikbetreiber nutzen HMIs zur Steuerung und Automatisierung von Maschinen und Produktionslinien. HMIs können einfache Bildschirme sein, die an Maschinen im Werk montiert sind, moderne Touchscreens, multitouch-fähige Bedienfelder, Drucktaster, Computer mit Tastatur, mobile Geräte oder ein Tablet.
Entwicklung der Mensch-Maschine-Schnittstellen
Umgang mit Maschinen über Stapelverarbeitung
In den 1950er Jahren war die Stapelverarbeitung der vorherrschende Umgang mit Maschinen, was die Eingabe von Daten angeht. Bei der Stapelverarbeitung („Batch-Processing“) musste ein Benutzer alle Details und Abläufe einer Aufgabe angeben. Das geschah in der Regel mit einer Lochkarte. Diese Lochkarte wurde der Maschine zugeführt. Die Maschine wertete die Lochkarte aus und lieferte die Ergebnisse. Die Stapelverarbeitung war kein effizientes Zusammenwirken von Mensch und Maschine, da die Technik zu einer hohen Fehlerwahrscheinlichkeit tendierte.
Umgang mit Maschinen über Befehlszeilen-Schnittstellen
Auf die Stapelverarbeitung folgte die Entwicklung der Befehlszeilen-Schnittstellen. Die Verarbeitung von Befehlszeilen bietet dem Benutzer eine interaktivere Möglichkeit, mit Maschinen umzugehen. Der Benutzer konnte damit direkte Befehle an die Maschine übermitteln. Dies erfolgt durch die Eingabe aufeinanderfolgender Textzeilen mit einem Programm, das den Text annimmt. Das war in den 1960er Jahren der vorherrschende Umgang mit Maschinen.
Umgang mit Maschinen über grafische Benutzeroberflächen
GUIs (grafische Benutzeroberflächen) waren die nächste Phase im Zusammenwirken von Mensch und Maschine. Mit diesen Schnittstellen konnten Endanwender umfassende grafische Elemente wie beispielsweise Fenster, Schaltflächen und Symbole nutzen, um mit Maschinen zu arbeiten. Das wird als auch WIMP-Modell bezeichnet (für „Window“, „Icon“, „Menus“ und „Pointer“, also Fenster, Symbol, Menüs und Cursor). Für die eigentliche Zusammenarbeit wurden Tastaturen und Geräte wie die Maus verwendet.
Nach-WIMP-Phase
Mit dem zunehmenden Einsatz von Computern und Technologien in der modernen Gesellschaft entstand das Bedürfnis, das Zusammenwirken von Mensch und Maschine weiter zu verbessern. Das führte zur Entwicklung von Touchscreens und verständlichen Benutzeroberflächen, auf denen Benutzer physisch auf virtuelle Objekte „zugreifen“ können.
Rolle der HMIs in SCADA-Systemen
Die meisten SCADA-Systeme (SCADA steht für „Supervisory Control and Data Acquisition“ bzw. Übergeordnete Steuerung und Datenerfassung) basieren auf integrierten HMI-Komponenten, um effizient zu arbeiten. Das SCADA-System ist das zentrale, übergeordnete Steuerungssystem einer Fabrik oder Anlage, das für die Steuerung sämtlicher komplexer Vorgänge verantwortlich ist.
Um eine Fertigungslinie in ein HMI zu integrieren, musste das HMI traditionell mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verbunden werden. Das HMI zeigte die von der SPS empfangenen Daten an und gab die Eingaben der Benutzer an die SPS weiter. Diese grafischen Anzeigen waren meistens sehr einfach.
Mit dem grundlegenden HMI können Bediener oder Betriebsleiter typische Parameter wie die Temperatur der Maschine(n), die Anzahl der Bearbeitungen, den Status der Maschine(n) und die Anzahl der Materialien prüfen.
In vielen Wasser- und Kläranlagen findet man ein Standardszenario mit einem HMI. Diese Anlagen stehen oft vor großen Herausforderungen, da die Wasseraufbereitung zahlreiche Phasen wie beispielsweise Filterung, Pumpen und die Entfernung verschiedener schädlicher Mikroorganismen und Rückstände umfasst. Ebenso kann jede Aufbereitungsphase in kilometerweit auseinander liegenden Bereichen erfolgen, so dass die Überwachung der Anlagen und Prozesse eine wirkliche Herausforderung ist.
Der in das SCADA-System integrierte HMI-Bildschirm ist meist mit der SPS verbunden, so dass der Bediener den Wasserstand, den pH-Wert, die Wasserpumpe, den Gehalt an gelösten Feststoffen oder eine bestimmte giftige Chemikalie per Fernzugriff überwachen kann.
Die Wasserpumpe kann über das HMI je nach Tankfüllstand ein- oder ausgeschaltet werden. Das HMI zeigt außerdem normalerweise Alarme an, wenn der pH-Wert unter einen bestimmten Wert sinkt, welcher über die Touchscreen eingestellt werden kann. So kann der Bediener mithilfe des HMI die Prozesse und Phasen der Wasseraufbereitung überwachen und steuern.
Viele moderne industrielle HMIs, die für die „Smart Factory“-Umgebung – also eine „smarte“ oder intelligente Fabrik – entwickelt wurden, sind reich an Multimedia-Komponenten. Mit ihnen können Benutzer integrierte SMS-Benachrichtigungen zum Maschinenstatus, E-Mail-Benachrichtigungen und auch integrierte Videos der Prozesse im Fertigungsbereich erhalten. Mit komplexeren HMIs werden die Fernsteuerung mehrerer Maschinen und Vorgänge an mehreren Standorten sowie die Analyse des Fabrikbetriebs ermöglicht. Ebenso können HMIs Dashboards mit fertigungs- und werksbezogenen KPIs anzeigen.
Die Rolle des HMI entwickelt sich also rasant, da laufend neue Technologien integriert werden.
Es gibt derzeit viele moderne HMIs auf dem Markt, mit denen Fabrikmaschinen überwacht und gesteuert werden können. Einer der beiden großen Vorteile bei einer Investition in ein modernes HMI mit mehreren Funktionen, wie beispielsweise der Möglichkeit, Maschinen per Fernzugriff zu überwachen und Dashboards mit KPIs auszugeben, ist die Vereinfachung der Fabrikprozesse und -abläufe.
Der andere große Vorteil ist die Möglichkeit, wichtige Echtzeitdaten in Reichweite zu haben. Diese Merkmale eines modernen HMI tragen wesentlich dazu bei, die Komplexität einer Fabrikumgebung zu vermindern.
Fabrikbesitzer können mit der HMI außerdem schnell auf veränderte oder anspruchsvolle Bedingungen reagieren. So wird die Effizienz verbessert, da die Ausfallzeiten sinken. Damit haben Fabrikbesitzer intelligente Systeme zur Verfügung, die Kosten und Abfallmengen reduzieren und letztendlich Prozesse und Profitabilität verbessern.
Zukünftig werden HMIs auf externer oder auf Maschinenebene immer leistungsfähiger werden und sogar in Echtzeit rechnen können.
Oftmals stellen sich Fabrikbesitzer die Frage: „Soll ich das HMI herstellen oder kaufen?“.
Dies ist eine sehr komplexe Frage, auf die es keine einfache Antwort gibt, da viele Variablen berücksichtigt werden müssen. Zu den Fragen, die gestellt werden sollten, gehören:
• Welche Prozesse und Abläufe muss das HMI im Werk steuern?
• Welche Maschinen und Parameter müssen im Werk überwacht werden?
• Wie komplex muss das HMI sein?
• Verfügt das Unternehmen über internes Fachwissen und Kenntnisse?
• Hat die Fabrik die Zeit für Konstruktion, Entwicklung und Prüfung des HMI?
• Wie hoch ist das verfügbare Budget?
• Was sind die Endziele – ein einfacher Prototyp für ein Forschungsprojekt oder eine vollwertige, funktionsfähige und kontrollierte HMI-Version?
Letztendlich ist es meist sinnvoller, ein HMI zu kaufen, wenn der Fabrikbesitzer oder Hersteller keine Erfahrung in Konstruktion, Entwicklung und Herstellung von HMIs hat. Das spart Zeit und bietet eine bereits getestete Lösung. Bevor er mit der Entwicklung seines eigenen HMI beginnt, sollte ein Hersteller oder Fabrikbesitzer zumindest Untersuchungen durchführen oder mit einem Berater oder Experten sprechen.
Derzeit gibt es verschiedene Prognosen, wie die nächste Stufe des Zusammenwirkens von Mensch und Maschine zukünftig aussehen könnte. Es wird erwartet, dass Technologien wie Cloud Computing, Cognitive Computing und das Internet der Dinge (auch „IoT“ oder „Internet of Things“) bei der Entwicklung der nächsten Stufe des Zusammenwirkens von Mensch und Maschine alle eine wichtige Rolle spielen. Es ist nicht einfach zu prognostizieren, was sich als nächste Ebene dieses Zusammenwirkens ergeben wird. Es besteht aber kein Zweifel daran, dass es diese nächste Stufe geben wird, um die Produktivität in verschiedenen Branchen zu steigern.
Hinsichtlich der Anforderungen der Industrie 4.0 werden industrielle HMIs die Einbeziehung neuer und aufstrebender Technologien, die sich auf die HMIs als Ganzes auswirken werden, weiter vorantreiben.