Erschienen am: 16.07.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 7 2018

Smarte HMIs - Fenster zur vernetzten Prozessautomation

Durch den steigenden Automatisierungsgrad und die stetig wachsenden Fähigkeiten von Robotern ist in vielen Fabriken immer weniger menschliche Unterstützung notwendig. Für die Überwachung, Kontrolle und Wartung von Maschinen und Robotern in der Smart Factory ist der Mensch jedoch immer noch unabdingbar. Ein weiterer Effekt, der mit der zunehmenden Automatisierung Hand in Hand geht, ist, dass durch sie immer mehr Daten erzeugt werden. Diese Datenberge müssen tiefgreifend analysiert werden und so zu nützlichen, für den Unternehmenserfolg wertvollen Informationen umgewandelt werden. Um diese Daten und Auswertungen optimal nutzen zu können, müssen sie - oft in Echtzeit sowohl im Factory Floor als auch im Kontrollraum - verfügbar und visualisierbar sein. Der Mensch muss auf alle relevanten Daten, Informationen und Prozesse zugreifen können. Diese Schnittstellen zum Prozess bzw. zur Maschinenwelt sind Human Machine Interfaces (HMI).


Mit der Kontron WideLink Technologie können Visualisierungseinheiten per Ethernet-Kabel bis zu 100 m entfernt vom Steuerungsrechner betrieben werden.
Bild: Kontron Europe GmbH

HMIs sind das Bindeglied zwischen Maschinen oder Anlagen und dem Menschen und liefern ihm alle wichtigen Informationen und Eingriffsmöglichkeiten. Monitore bzw. Panel-PCs sind das 'Fenster zum Prozess' und ermöglichen dessen Überwachung, Koordination und Optimierung. Sie müssen dabei die unterschiedlichsten Anforderungen in puncto Displaygröße, Darstellungsqualität, Robustheit und Integrierbarkeit besitzen. Moderne, intelligente HMIs sind in die automatisierten Fertigungsprozesse der Smart Factory einbezogen und liefern relevante Informationen zum richtigen Zeitpunkt an der richtigen Stelle und machen so effiziente Entscheidungen möglich.

Trotz Automatisierung ist der Mensch nicht komplett ersetzbar

Auch wenn der Automatisierungsgrad in Fertigung und Produktion bereits sehr hoch ist und weiterhin kontinuierlich steigt, sind Menschen nach wie vor unersetzlich. Denn Warn- und Fehlermeldungen einzuschätzen, zu analysieren und über Vorgehensweisen zur Beseitigung zu entscheiden, all dies schafft der Mensch derzeit noch besser als der Computer. Vielfach prägen Ampelsysteme ('Tower Lights') über den Maschinen das Bild von Fertigungsanlagen. Nach dem Ampelprinzip zeigen sie den Status von Maschinen an: grün ok, gelb erfordert Hinsehen, ob gravierende Probleme drohen, rot bedeutet einen Halt der Maschine.

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XXL-Monitore: ideal für Andon-Boards

Zusätzlich zu den Ampelsystemen werden häufig Andon-Boards eingesetzt. Werden diese als echte Displays realisiert, haben sie gegenüber reinen Ampelsystemen den entscheidenden Vorteil, dass sie neben den Ampelfarben noch weitere Detailinformationen anzeigen können, wie z.B. Hinweise zu Art und Ort der Störung. Auch im Normalbetrieb können Andon-Boards die Effizienz steigern. Es können beispielsweise Auszüge aus bestehenden Scada- oder Manufacturing Execution Systemen (MES) angezeigt werden, oder auch anderweitige Informationen wie ein Hinweis auf anstehende Wartungsarbeiten oder Sicherheitshinweise. Auf einem herkömmlichen Industriebildschirm ist der Bereich, der optisch abgebildet werden kann, allerdings in der Regel nicht ausreichend. Eine übersichtliche Darstellung, insbesondere auch über weite Entfernungen, ist erst mit großformatigen Industriemonitoren und Panel-PCs sinnvoll möglich. Sie können an zentraler Stelle positioniert und so aus jedem einzelnen Abschnitt einer Fertigungsstraße eingesehen werden. Alle Angaben sind aufgrund der Bildschirmgröße und der hohen Auflösung klar und deutlich lesbar, Facharbeiter können so auch in vor- und nachgelagerten Abschnitten den Status rasch erkennen, ebenso an welcher Stelle ein Problem auftaucht und möglicherweise eine Bedrohung für ihren Arbeitsbereich darstellt. Auch im Bereich der Visualisierung lassen sich auf den großformatigen Monitoren komplexe Abläufe so darstellen, dass bereits auf der obersten Visualisierungsebene viele Details angezeigt werden können. Ihre Größe und hohe Auflösung macht diese übersichtliche Darstellungsweise überhaupt erst möglich. Per Touchscreen ist dann im nächsten Schritt die Navigation in tiefere Prozessebenen möglich.

Durch HMIs auf dem Weg zur papierlosen Fabrik

Großmonitore unterstützen nicht zuletzt den Trend zur papierlosen Fabrik. Übersichtlich lassen sich auch komplexe Konstruktionszeichnungen auf einem XXL-Monitor anschaulich darstellen. Gleiches gilt für Angaben zur Konfiguration und Bestückung von Produkten. Auf dem großformatigen Monitor können mehr Information dargestellt werden, dadurch wird die Navigation in Dokumenten vereinfacht und die Konzentration auf die durchzuführenden Tätigkeiten gesteigert. Alle Daten lassen sich von einer zentralen Datenquelle abrufen. Damit ist deren Konsistenz und Aktualität gewährleistet. Veraltete Papiervorlagen gehören so der Vergangenheit an.

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Alle Informationen auf einen Blick

Durch die größere Bildschirmfläche und höhere Auflösung (Full HD oder auch 4K sind möglich) ist statt nur eines Ausschnitts ein umfassender Überblick über die gesamte Produktionsstrecke möglich. Kontron stattet seine neuen HMIs der Flat Serie z.B. in einer XXL-Version mit bis 75" Bildschirmdiagonale aus. Damit lässt sich die komplette Fertigungsstraße auf einmal abbilden. Facharbeiter sehen also nicht nur den eigenen Bereich, sondern auch vor- und nachgelagerte Arbeitsschritte. Probleme werden so nicht nur lokal begrenzt wahrgenommen, auch Schwierigkeiten an anderer Stelle im Produktionsablauf werden frühzeitig erkannt. Ein Blick auf den XXL-Monitor zeigt auch den vorgesehenen Zeitplan von Arbeitsgruppen für einen Fertigungsauftrag an, stellt den aktuellen Stand gut sichtbar gegenüber und markiert Abweichungen für alle Beteiligten auf einen Blick.

Industrietaugliche HMIs: robuster Schutz vor Umwelteinflüssen

Monitore für das industrielle Umfeld sind mit besonderen Herausforderungen konfrontiert: Sie müssen dauerhaft resistent gegen starke Erschütterungen oder Vibrationen sein. Zudem müssen sie gegen das Eindringen von Staub oder unter Umständen von Spritzwasser geschützt sein. Je nach Anforderungen bietet Kontron Systeme an, die gegen leichte Umwelteinflüsse resistent sind oder komplett abgeschottete Geräte mit Schutzglas, die gegen Staubeinflüsse und starkes Strahlwasser abgedichtet sind. Das Display muss trotzdem bei allen Beleuchtungsbedingungen, z.B. unabhängig vom Tageslichteinfall, gut lesbar sein, etwa mit einer matten entspiegelten Oberfläche und dabei bruchsicher, v.a. bei Anwendungen in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie. Generell müssen HMIs so ausgelegt sein, dass sie möglichst ausfallsicher und wartungsfrei sind. Dazu gehört es beispielsweise, Monitore und Panel-PCs nicht mit Lüftern auszustatten, denn bewegliche Teile unterliegen dem Verschleiß und gehören damit üblicherweise zu den Schwachstellen. Panel-PCs setzen deshalb auf Prozessoren mit dem besten Leistung-pro-Watt-Verhältnis, um ebenfalls lüfterlos betrieben werden zu können.

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Panel-PCs: Rechenleistung direkt am Monitor

Panel-PCs sind immer dann notwendig, wenn 'Intelligenz' direkt am Monitor notwendig ist. Je nach Anwendung sind unterschiedlich leistungsfähige Systeme erforderlich, die gleichzeitig in die lokale Infrastruktur integriert werden müssen. Für industrietaugliche HMIs zählt nicht nur die Resistenz gegen Schmutz, Wasser, Vibrationen und andere Umgebungseinflüsse. Zusätzlich muss sich der Panel-PC nahtlos in eine bestehende OT- und IT-Umgebung einfügen. Dazu ist es wichtig, dass er die gängigen Standards erfüllt, insbesondere bei den Themen Vernetzung und Sicherheit. Die Vernetzung kann z.B. verkabelt über Gigabit-Ethernet-Verbindungen erfolgen oder aber über WLAN. Dafür bietet Kontron Systeme an, deren WLAN-Antennen innenliegend verbaut sind, sodass sie vor Umwelteinflüssen geschützt sind, aber gleichzeitig beste Empfangsqualität bieten.

Fabriksteuerung per Berührung und Druck

Soll neben der reinen Anzeige auch eine Steuerung über die Industriemonitore stattfinden, kommen Touchscreens zum Einsatz, die entweder berührungs- oder druckempfindlich sind. Die Variante mit drucksensitiven Screens (resistiver Touch) eignet sich für Aufgaben, wo aufgrund der Umgebungsbedingungen eine sensible Steuerung über Berührung mit den Fingern nicht möglich ist. Zum Beispiel in Anlagen, in denen die Mitarbeiter dicke Handschuhe tragen müssen oder stark verschmutzte Hände eine zuverlässige Steuerung am Touchscreen nicht erlauben. Der berührungssensitive Bildschirm (kapazitiver Touch) dagegen akzeptiert alle Eingaben, wie von der Oberfläche eines Smartphones oder Tablets gewohnt. Aktionen können einfach mit den Fingern durch Wischen und Berühren ohne Druck ausgelöst werden. Ein sogenanntes Projected Capacitive (PCAP) Touch Display zeichnet sich ergänzend durch eine äußerst widerstandsfähige Glasoberfläche aus. Auf der Glasinnenseite ist die Sensorfolie aufgebracht. Durch diese Bauweise sind diese berührungsempfindlichen Bildschirme sehr kratzfest und beständig. Ein weiteres Beispiel sind sogenannte IR Touch Displays. Deren Funktionsweise basiert auf dem Lichtschrankenprinzip, das etwa bei Kontron bei den XXL-Monitoren und XXL-Panel-PCs zum Einsatz kommt. Für Investitionsschutz sorgt Kontron durch langjährige Verfügbarkeit und Aktualisierbarkeit aller Komponenten, die auf den gängigen Prozessor- und sonstigen Industriestandards basieren.

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Industriemonitore für alle Branchen und jeden Zweck

Kontron bietet bereits eine Vielzahl seiner Systeme in flexiblen und leistungsfähigen Standardkonfigurationen an, erlaubt allerdings auch weitere Anpassungen an gegebene Anforderungen mittels eines durchdachten modularen Designs mit definierten internen Schnittstellen. Auf diese Weise lassen sich aus einem Basisprodukt individuelle Geräte konfigurieren. Die Vorteile liegen auf der Hand: Auf der Basis von Standardgeräten werden entsprechend individueller Anforderungen Lösungen erarbeitet - und zwar schnell, einfach und kosteneffizient. Die Standardgeräte samt enthaltener Standardkomponenten sind bereits in Serienproduktion und haben eine entsprechend hohe Zuverlässigkeit und den damit einhergehenden Reifegrad. Dies bildet ein solides Fundament für individuelle Lösungen. So sind bereits standardmäßig, basierend auf der bewährten FlatClient/FlatView Serie, Edelstahl-Varianten für Anwendungen in Umgebungen mit hohen Hygieneanforderungen sowie Versionen mit besonders schmalem Rahmen und spezieller Bauweise für Kontrollräume oder auch 19"-Rackeinbau erhältlich.

Die Kontron HMI-Familie - industrietauglich, robust und langlebig im großen und kleinen Format

Die großformatigen Monitore oder Panel-PCs, wie sie Kontron mit dem FlatView XXL oder FlatClient XXL mit bis zu 75" Bildschirmdiagonale und bis zu einer Ultra-HD Auflösung (4K) anbietet, sind mit verschiedenen Montagemöglichkeiten verfügbar. Je nach Anforderung können die Monitore und Panel-PCs mittels Vesa-Befestigung an Wänden oder Ständern befestigt, oder mittels Ringösen gar von der Hallendecke abgehängt werden. Für die Panel PCs der FlatClient Serie mit Formaten von 10,4 bis 23,8" oder auch der FlatClient Serie XXL bis 75" bietet Kontron aktuell eine Eco Version mit Intel Atom Quad Core Prozessoren oder eine Pro Version mit Intel Core i5 Prozessoren an. Die FusionClient Familie im rahmenlosen Design mit Displaygrößen von 12,1 bis 21,5" ist derzeit mit Intel Atom Prozessoren verfügbar. Mit der WideLink-Technologie von Kontron lässt sich die Monitor-Ausführung dieser Serie sogar bis zu 100m entfernt von der Signalquelle positionieren. Als dezentrale Visualisierungseinheit eignet sich der Kontron FusionView Industriemonitor mit integriertem WideLink Interface. Das Übertragungsverfahren schließt die digitalen Signale für den Bildschirm, die Rückmeldungen des Touch-Interfaces sowie USB- und Audio-Signale mit ein und erfordert nur eine einzige Verbindung per Ethernet-Kabel.

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