HMI

Fenster zur Technik: Einfach und intuitiv mit HMI steuern

| Autor / Redakteur: Marcel Roske* / Sariana Kunze

Mit durchdachten Konzepten und intelligenten Werkzeugen wird das HMI zum Mehrwertfaktor sowie Fenster zur Technik.
Mit durchdachten Konzepten und intelligenten Werkzeugen wird das HMI zum Mehrwertfaktor sowie Fenster zur Technik. (Bild: Siemens)

Maschinen können heute vieles automatisch, doch ist es der Mensch, der den Prozess überwacht und bei Problemen eingreift. Damit die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine funktioniert, ist ein modernes, ergonomisches System für das Bedienen und Beobachten unverzichtbar und wird immer mehr zu einem Faktor bei der Investitionsentscheidung.

Maschinen und Anlagen müssen immer flexibler und leistungsfähiger werden. Der Anlagenbetreiber möchte nicht mehr nur wissen, ob eine Anlage läuft, sondern ob sie gut läuft. Heute hat bereits schon eine einfache Maschine viele Funktionen: Fernwartung, Schnittstellen zu Anlagen- oder Unternehmensnetzwerken, intelligente Sensoren zur Überwachung von Verbrauchs- und Produktionsdaten. Der Bediener an der Maschine wird zunehmend zum Produktivitätsmanager und muss anhand der vielfältigen Informationen die richtige Entscheidung treffen. Dabei steht ihm im Wesentlichen nur ein Werkzeug zur Verfügung – das HMI-System an den Maschinen, sozusagen sein Fenster zu den komplexen Abläufen in der Produktion.

Ein gutes HMI-System (Human Machine Interface) hilft ihm, die Informationen zu strukturieren und zu priorisieren, kritische Zustände rechtzeitig zu erkennen und gezielt entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, neue Anforderungen schnell umzusetzen und so den Prozess optimal zu steuern. Dazu braucht es zum einen die Hardware – Bediengeräte, die robust, einfach abzulesen und intuitiv zu bedienen sind und die die benötigte Performance für die Datenaufbereitung liefern – und zum anderen die Software mit den passenden Anzeigeelementen und Werkzeugen. Mit HMI und Maschine verhält es sich ähnlich wie mit einem Eisberg: 90 Prozent der Entwicklungsarbeit, der Funktionalität und des Nutzens der Maschine stecken – für den Bediener zum großen Teil unsichtbar – in der Mechanik, Elektrik und Automatisierung. Im Betrieb wird davon nur ein kleiner Teil wahrgenommen und dieser ist die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine.

Panels für ermüdungsfreies und sicheres Bedienen

Bei der Hardware ist wichtig, dass die Geräte robust sind und sich einfach in die Produktionsumgebung integrieren lassen. Außerdem müssen sie ein ermüdungsfreies, sicheres Bedienen und Beobachten ermöglichen, wie z. B. durch entspiegelte, helle Displays und intuitiv verständliche Bedienkonzepte. Je nach Anforderung kann der Fokus dabei auf einem möglichst guten Preis-Leistungsverhältnis liegen oder auf einer hohen Performance und Flexibilität, z. B. bei Anwendungen mit großen Datenvolumina oder speziellen Anforderungen an Protokollierung und Archivierung.

Damit der Aufwand für das Engineering der Geräte beim Maschinenbauer und für die Ersatzteilhaltung sowie Wartung beim Anwender gering bleibt, ist es vorteilhaft, skalierbare Gerätefamilien für die verschiedenen Anforderungen einzusetzen. Simatic HMI Panels von Siemens sind seit Jahren in unterschiedlichsten Anwendungen in allen Branchen im Einsatz. Die Spanne der verfügbaren Systeme von Simatic HMI reicht von Basic HMI mit gutem Preis-Leistungs-Verhältnis für einfache Anwendungen über Panel-basierte Advanced HMI Geräte mit Komfort für anspruchsvolle Visualisierungsaufgaben bis hin zu PC-basierten Bediengeräten für datenintensive und eigene komplexe Applikationen. Alle Geräte können mit einer gemeinsamen Engineering-Software projektiert werden und nutzen gemeinsame Schnittstellen.

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Mit HMI zu mehr Flexibilität

Ist die Entscheidung für das passende Panel gefallen, stellt sich als nächstes die Frage nach der dazu gehörenden Visualisierung. Dabei ist die Erwartungshaltung der Anwender sehr hoch: Unternehmen möchten in der Lage sein, ihr Personal ohne große Einarbeitungszeiten flexibel innerhalb einer Anlage oder Linie einzusetzen. Deswegen muss die Maschine möglichst einfach und intuitiv zu bedienen sein. Gleichzeitig soll sie einen möglichst umfassenden Zugang zu Maschinen- und Anlagendaten ermöglichen, damit die Mitarbeiter in ihren Aufgaben optimal unterstützt werden. All dies führt dazu, dass die Gestaltung der Bedienoberfläche eine anspruchsvolle Aufgabe ist.

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Intuitive Bedienung im Pharmamaschinenbau

Wie wichtig eine intuitive Bedienung für die Akzeptanz beim Anwender ist, zeigt ein Beispiel aus dem Pharmamaschinenbau: Dort wurde die Maschinenbedienung einer Tablettenpresse komplett mit Styles und Designs aus dem TIA Portal überarbeitet. Das Ergebnis ist ein bedienerorientiertes Design mit modernen Features wie Gestensteuerung für das Aufrufen oder Vergrößern von Inhalten. Die Visualisierung nutzt Interaktionsmöglichkeiten, die der Anwender von Geräten wie Smartphones kennt, sodass sich die Anlagenbediener schnell mit dem HMI vertraut machen können. Dadurch sinkt der Schulungsaufwand und die Bedienung der Anlage ist insgesamt effizienter und sicherer. Umgekehrt führt eine schlechte Bedienbarkeit – beispielsweise kryptische Systemmeldungen, die nur für Entwickler oder Programmierer verständlich sind, oder generische Fehlermeldungen, die keine Aussage zu spezifischen Fehlerursache liefern – schnell zu Frustration und zu Fehlern.

Ein ergonomisches Design der Bedienbilder hat also einen entscheidenden Einfluss darauf, wie der Anwender die Funktionalität der Maschine beurteilt. Doch wie entwickelt man ein intuitiv verständliches, übersichtliches und ergonomisches Design, das den Anwender dabei unterstützt, die komplexen Maschinenprozesse zu verstehen, Trends und Probleme rasch und frühzeitig zu erfassen, angemessen zu reagieren und insgesamt den Prozess optimal zu steuern? Wichtig ist, sich vor dem eigentlichen Erstellen der Screens mit den Anforderungen des Kunden und der Anwendung, den Einsatzszenarien und der Struktur und Hierarchie der Informationen zu beschäftigen.

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Bedienbarkeit in fünf Schritten erarbeiten

  • Der erste Schritt sollte daher immer darin bestehen, sich die richtige Strategie für das HMI zu erarbeiten. Dazu müssen zunächst die jeweiligen Kundenanforderungen spezifiziert werden. Interviews mit den Bedienern können helfen, die relevanten Use Cases zu identifizieren und zu erfassen.
  • Im zweiten Schritt werden diese Use Cases nach Häufigkeit und Wichtigkeit priorisiert und die Einsatzbereiche definiert: Außen- oder Inneneinsatz, Bedienung mit Handschuhen oder unter besonderen Umgebungsbedingungen.
  • Anschließend wird die Struktur für das HMI festgelegt und eine Informationsarchitektur entwickelt, die definiert, welche Inhalte wo zur Verfügung gestellt werden und welche Hierarchie die einzelnen Screens haben sollen. In diesem Schritt wird auch die Benutzerführung ausgearbeitet.
  • Im vierten Schritt werden dann die unterschiedlichen Screen-Typen definiert und konzeptionell ausgearbeitet sowie die Objekte für die Interaktion mit dem Benutzer definiert.
  • Erst dann folgt der fünfte und letzte Schritt: die Gestaltung der Screens inkl. Objekte und Icons. Dieses strukturierte Vorgehen sorgt dafür, dass die Visualisierung am Ende klar gegliedert und durchgängig gestaltet ist, die Anforderungen der Applikation erfüllt, das Erfassen des Produktionsprozesses unterstützt und dafür sorgt, dass der Anlagebediener in den relevanten Nutzungsszenarien die Informationen erhält, die er für eine rasche und richtige Entscheidungsfindung benötigt.

Die Vorarbeit, die in den Schritten eins bis vier geleistet wird, spart so nicht nur viel Zeit bei der Umsetzung, sondern minimiert auch den Schulungsaufwand beim Anwender und verringert Reklamationen und Nacharbeiten. Damit sich die Funktionalität im Engineering schnell und optisch ansprechend umsetzen lässt, gibt es für die Simatic HMI Familie eine Reihe von Werkzeugen, die den Entwickler bei seiner Arbeit unterstützen. Die kostenfreien Designvorlagen enthalten bereits die Grundelemente für Bedienbilder, z. B. unterschiedliche Navigationskonzepte als Grundlage für die Projektierung. Die mitgelieferten HMI-Stile ermöglichen es, Navigationsobjekte in unterschiedlichen Farben und Gestaltungen zu verwenden. Eine Bibliothek mit Grafiken und Icons sorgt für einen höheren Wiedererkennungswert und erleichtert die Bedienung einer Applikation.

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Toolbox vereinfacht Projektierung

Ein weiteres Feature bei Simatic HMI ist die Toolbox, ein kostenloser Baukasten mit nützlichen Applikationen, die bereits fertig programmiert sind und einfach per Drag&Drop aus der TIA Portal Bibliothek in die Projektierung eingebunden werden. Aktuell beinhaltet die Toolbox Zeitfunktionen, sodass der Anwender keine separaten Geräte oder Unterlagen mehr benötigt. Tools für die Datenübertragung (unter anderem eine Chat-und E-Mail-Funktion) unterstützen die Kommunikation zwischen Bedienern und der Übermittlung von Daten zwischen verschiedenen Geräten. Mathematische Funktionen wie ein Taschenrechner oder ein Einheitenrechner entlasten den Bediener und helfen Fehler zu vermeiden, die durch verschiedene Rechner auf dem Gerät verursacht werden. Funktionen wie der Home-Button oder eine einblendbare Bildschirmtastatur nutzen Prinzipien, die der Bediener von Geräten aus dem Consumer-Bereich kennt und erleichtern so die Bedienung. Um den Bedienern eine strukturierte Arbeitsweise zu ermöglichen und eine übersichtliche Oberfläche zu schaffen, lassen sich aus der Toolbox eine Notizzettel-Applikation oder ein File-Explorer einsetzen. Und schließlich erleichtern einige der Tools auch die Projektierung. So lässt sich mit Hilfe des Rotations-Tools aus einer Grafik ein drehendes Objekt erstellen, das als Grafikliste im WinCC (TIA Portal) Projekt verwendet werden kann.

Effiziente Bedienung mit HMI-Systemen

Der Rat für Formgebung zeichnet in seinen Studien zum Thema Design ein eindeutiges Bild: Über 90 Prozent der befragten Unternehmen gaben an, dass Design für den Markenwert ihres Unternehmens eine große Rolle spielt, und fast 70 Prozent sind überzeugt, dass Design einen großen Einfluss auf die Gesamtrendite ihres Unternehmens hat. Auch im Maschinen- und Anlagenbau nimmt die Bedeutung von Designaspekten immer mehr zu, insbesondere bei der Gestaltung von HMI-Systemen. Dies liegt zum einen daran, dass durch die Digitalisierung immer mehr Informationen vor Ort bereitgestellt werden müssen. Zum anderen ist das Bediengerät die zentrale Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine und hat entscheidenden Einfluss darauf, wie sicher und effizient der Anwender den Prozess erfassen und bedienen kann. Daher sollten Maschinen- und Anlagenbauer auf die Entwicklung und Gestaltung des HMI entsprechend viel Sorgfalt verwenden. Damit sich der große Aufwand, der in die Entwicklung der Maschine geflossen ist, auch in einer effizienten Bedienung widerspiegelt, empfiehlt sich ein strukturiertes Vorgehen bei der Konzeption und Umsetzung des HMI. Siemens unterstützt Entwickler und Anwender dabei nicht nur mit einem integrierten Portfolio an industriegerechten Bediengeräten und entsprechender Projektierungs- und Visualisierungssoftware, sondern auch mit Werkzeugen für die Gestaltung und fertigen Tools für Bedienung und Projektierung.

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* *Marcel Roske, Marketing Manager Simatic HMI, Digital Factory/ Factory Automation, Siemens

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