HMI Systems

Human Machine Interface

Unser Alltag steckt voller Maschinen: Smartphone, Automobil, Laptop, Kaffeevollautomat, Aufzug, Tintenstrahldrucker – die Liste könnte beliebig erweitert werden. Die meisten dieser kleinen und großen Maschinen sind so alltäglich geworden, dass wir sie gar nicht mehr als solche wahrnehmen.

Aus diesem Grund machen sich viele Menschen auch keine Gedanken darüber, wie wir mit diesen Maschinen interagieren. Wir bei RAFI sind da anders. Als führender Hersteller von HMI Systems beschäftigen wir uns tagtäglich genau mit diesem Moment, mit der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine, mit dem Human Machine Interface.

Human Machine Interface, Mensch-Maschine-Schnittstelle, HMI Systems – was ist was?

Die Begriffe Mensch-Maschine-Schnittstelle und Human Machine Interface, häufig abgekürzt als HMI, meinen per Definition eine Funktion oder Komponente, mit der Menschen Maschinen steuern und mit ihnen interagieren können. Oft sind diese Schnittstellen mittlerweile Touchscreens – auch im industriellen Bereich. Von ganzen HMI-Systemen wird gesprochen, wenn neben der eigentlichen Schnittstelle auch beispielsweise das Gehäuse, die Software und weitere Befehlsgeräte wie Taster und Schalter mit abgebildet werden sollen.


Woraus besteht ein Human Machine Interface?

Wie schon erwähnt, dominiert der Touchscreen momentan den Markt der HMI-Geräte. Doch eine Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine muss nicht immer ein kapazitiver Bildschirm sein. Befehlsgeräte, Tastaturen, Joysticks oder Joycoder können diese Aufgabe in der Praxis ebenso übernehmen. Die Wahl hängt dabei immer von der individuellen Aufgabe ab. Muss beispielsweise Blindbedienung gewährleistet sein, eignet sich ein einfacher Schalter möglicherweise genauso gut wie ein Touchscreen mit Krafterkennung und Haptik-Feedback. Bei steigender Komplexität, beispielsweise in der Automatisierung, ist ein HMI-Panel mit Touch sicher sinnvoll.

Diese Hochleistungs-HMI müssen oft eine Vielzahl an Funktionen abbilden: Datenvisualisierung, verschiedene Steuerungsebenen, multiple Eingabemöglichkeiten. Die Vorteile eines Touchscreens überwiegen hier natürlich. Trotzdem wird dieser meist noch mit zusätzlichen Elementen wie einer Tastatur, elektromechanischen Systemen oder anderen Hardwarekomponenten kombiniert, um den hohen Anforderungen an Sicherheit und Usability gerecht zu werden. Was in der Praxis dann Anwendung findet, muss natürlich bereits in der Entwicklung bedacht werden.


Die Mensch-Maschine-Schnittstelle in verschiedenen Industriesegmenten

Die eben angesprochenen Anforderungen an Usability und Sicherheit des HMI unterscheiden sich je nach Anwendungsgebiet. Darum lohnt es sich, auf manche Industriesegmente oder Branchen einen genaueren Blick zu werfen, um zu verstehen, welche Unterschiede es bei Mensch-Maschine-Systemen gibt.

Ein Thema, das viele Fachkräfte aus Entwicklung, Konstruktion und Einkauf umtreibt, ist die Langzeitverfügbarkeit. Vor allem im Touch-Bereich werden Serien häufig abgekündigt, sobald neue Versionen auf dem Markt sind. Hier ist ein zuverlässiger Partner das A und O. Aus diesem Grund stellt RAFI die Sensoren für die Touchscreens selbst her. Das sichert zum einen die Qualität, zum anderen verschafft es den Partnern jahrelange Planungssicherheit.


Fahrzeugtechnik

Die Fahrzeugtechnik ist äußerst vielfältig. Vom gewöhnlichen Kraftfahrzeug über hoch entwickelte Traktoren bis hin zur Pistenraupe möchte hier alles, was fährt, mit einem passenden HMI versorgt werden. Im Automobilbereich rücken hier neben der Sicherheit immer mehr Multimedia- und Assistenzsysteme in den Vordergrund. Nicht umsonst findet sich auf beinahe jedem Quadratzentimeter mancher Autos ein Touchscreen, Taster oder Schalter.

Der Trend geht hier aber momentan eher in Richtung Reduktion und Konzentration der Funktionalitäten auf ein HMI. Der amerikanische Elektromobilitäts-Pionier Tesla hat dies mit seinem Touch-Konzept bereits vorgemacht. Wir dürfen gespannt sein, wie die klassische Automobilindustrie in Zukunft darauf reagiert.

In der Landtechnik steht natürlich auch die Benutzerfreundlichkeit an oberster Stelle. Doch hier sind die Ausprägungen deutlich individueller. Schließlich müssen je nach Einsatzgebiet verschiedene Geräte angesteuert werden. In modernen Traktoren kommen darum häufig HMI-Panels zum Einsatz, die industrietaugliche Touchscreens mit Joysticks, Befehlsgeräten und Folientastaturen kombinieren.

Dann spricht man von sogenannten Armrests, bei denen auch die Ergonomie eine zentrale Rolle in der Entwicklung spielt. Schließlich sollten bei der Bedienung keine durch das HMI verursachten Ermüdungserscheinungen auftreten.

Im Sonderfahrzeugbau sind die bestimmenden Themen ähnliche: Sicherheit, Ergonomie und Usability – bei hoher Individualität. Das ist einfach zu erklären: Eine Pistenraupe, mit der im Skigebiet Snowparks präpariert werden, hat ganz andere Anforderungen an ein HMI als ein Schneepflug zum Räumen der regionalen Verkehrsadern. Bei diesen mobilen Maschinen ist die kundenspezifische Entwicklung die Regel. Ob Joysticks, Touchscreens, Befehlsgeräte oder Tastaturen zum Einsatz kommen, wird hier in enger Abstimmung mit dem Kunden entschieden. Doch auch hier kommen meist Kombinationen aus vielen verschiedenen Elementen zum Einsatz.


Medizintechnik

Sicherheit ist im Healthcare-Bereich das oberste Gebot. Elektromedizinische Geräte dürfen keine unvorhergesehenen Ausfallzeiten haben, schließlich geht es mitunter um Leben und Tod. Darum sind die Zulassungs- und Qualifizierungsprozesse in dieser Branche langwierig und intensiv. Da die Blindbedienung während Operationen und Untersuchungen häufig ein Muss ist, wird in der Medizintechnik meist mit Elementen gearbeitet, die ein haptisches Feedback geben. Seit kurzer Zeit können dies auch medienbeständige Touchscreens mit Krafterkennung sein. Meist in Kombination mit Befehlsgeräten wie Tastern und Schaltern, um nichts dem Zufall zu überlassen.

Eine weitere Herausforderung besteht oft in der Wahl der richtigen Materialien. Schließlich müssen diese der permanenten Reinigung mit bakteriziden, viruziden und fungiziden Reinigungsmitteln standhalten, die häufig recht aggressiv sein müssen, um die gewünschten Wirkungen erzielen zu können.

Um dem Bediener eine möglichst angenehme Nutzung des HMI zu ermöglichen, sollte natürlich auch die Verarbeitung stimmen. Die technisch beste Maschine nützt nichts, wenn beispielsweise eine gewisse Spaltfreiheit nicht gegeben ist. Hierbei macht es auch keinen Unterschied, ob wir über Ultraschall-, Chirurgie- oder Beatmungsgeräte sprechen.


Industrie

Produktivität, Effizienz, Prozessoptimierung – in der Industrie zählen Ergebnisse. Egal, ob wir uns im Maschinen- und Anlagenbau, in der Elektrotechnik oder im Bereich Messen-Steuern-Regeln befinden. Ein Human Machine Interface muss also in erster Linie die Maschinen und Anlagen zuverlässig in Gang setzen. Zum Beispiel Papier- und Druckmaschinen, Leder- und Textilmaschinen oder auch Industrieroboter. Vor allem im Bereich der Robotik kommen immer öfter mobile HMI-Panels, sogenannte Smartpads, zum Einsatz, die mit einem industrietauglichen Tablet verglichen werden können. Sie ermöglichen dem Bediener eine absolut flexible Bedienung.

Darüber hinaus erledigen Mensch-Maschine-Schnittstellen in der Industrie häufig Aufgaben, die über die reine Steuerung hinausgehen. Der Benutzer kann auf dem jeweiligen HMI Informationen über Zustände abfragen, Abläufe einsehen und verschiedene Werkzeuge ansteuern. Die Anzeige aller Anwendungen ist dann oft in Form eines individualisierbaren Dashboards aufgebaut. Dafür arbeiten im Hintergrund Software, Rechnereinheit und Betriebssystem Hand in Hand, die bei erfahrenen HMI-Anbietern oft mit angeboten und entwickelt werden. Häufig wird selbst die Anbindung ans SCADA-System mit angedacht und übernommen.


Design

Ein Aspekt, den wir noch nicht thematisiert haben, ist das Design. In quasi allen Bereichen spielt es eine immer zentralere Rolle. Maschine ist eben nicht gleich Maschine. Eine Unterscheidung ist beim heutigen Entwicklungsstand oft nur über das Design möglich. Hier sprechen wir aber nicht ausschließlich über Farbe und Form des Äußeren, sondern auch explizit über das UX-(„User Experience“)Design. Das Erlebnis des Bedieners wird optimiert, Bedienfehler gleichzeitig minimiert.


HMI-Systeme als Teil von SCADA-Systemen

Was hat HMI mit SCADA („Supervisory Control and Data Acquisition“ oder übergeordnete Steuerung und Datenerfassung) zu tun? SCADA-Systeme dienen der zentralen Steuerung einer Anlage oder gesamten Fabrik. In ihr sind häufig verschiedene HMI-Systeme integriert, um einzelne Maschinen, Anlagen, Prozesse oder Geräte steuern und überwachen zu können. Ein SCADA-System oder Steuerungssystem komplett ohne Human Machine Interfaces gibt es im Grunde genommen nicht.


Technologien zur Herstellung von HMI-Systemen

Um ein Human Machine Interface herzustellen, braucht es ausgeprägtes Praxiswissen in Entwicklung und Fertigung. Verschiedene Bereiche müssen Hand in Hand arbeiten, um zu einem zufriedenstellenden Endergebnis zu kommen. Die komplette Integration aller Beteiligten in einen reibungslosen Prozess stellt dabei eine der größten Herausforderungen dar. Vor allem, weil viele HMI-Hersteller gewisse Prozessabschnitte auslagern. RAFI hingegen übernimmt alle Schritte, von der Idee bis zum fertigen Produkt, selbst – sofern der Kunde dies möchte.

Um dies gewährleisten zu können, haben wir uns mit den Jahren eine Fertigungstiefe aufgebaut, die ihresgleichen sucht: Touchproduktion, SMT-Bestückung, THT-Bestückung, Metallbearbeitung, Kunststoffbearbeitung, Werkzeugbau, Prüfmittelbau und viele weitere Abteilungen sorgen an unseren Standorten für die richtige Qualität der einzelnen Elemente. Schließlich bekommen Sie Ihr Human Machine Interface bei RAFI mit Gehäuse, Befehlsgeräten, Touchscreen, Joystick, elektromechanischen Systemen, Software, Betriebssystem und Rechnereinheit.


Mensch und Maschine in der Zukunft

Natürlich entwickelt sich auch der HMI-Markt immer weiter. Die Steuerung eines Human Machine Interface über Mimik, Gestik und Sprache nimmt vor allem im Consumer-Bereich immer mehr zu. Im industriellen Bereich brauchen solche Entwicklungen erfahrungsgemäß länger, weil es hier mehr Vorschriften und Zulassungen gibt, die erfüllt werden müssen, um eine sichere Bedienung gewährleisten zu können. Schließlich hätte die spielend leichte Steuerung über Sprache, wie von verschiedenen Voice Assistants bekannt, bei einer Produktionsanlage möglicherweise verheerende Folgen.

Maschine ist, wie bereits erwähnt, eben nicht gleich Maschine. Darum sind HMI-Systeme auch so unterschiedlich.


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