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Bedientechnik Modulares Familienkonzept für Display und Touchscreen

| Autor / Redakteur: Rudolf Sosnowsky* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Zur Bedienung einer neuen Maschine soll ein Display mit Touchscreen eingesetzt werden. Doch Eigenentwicklung bindet Ressourcen. Ein standardisiertes System, als Produktfamilie konzipiert, kann ein Lösungsansatz sein.

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Mit einem fertigen, aber dennoch konfigurierbaren System lassen sich die meisten Anforderungen an ein modernes HMI lösen. Das Familienkonzept hat gute Argumente.
Mit einem fertigen, aber dennoch konfigurierbaren System lassen sich die meisten Anforderungen an ein modernes HMI lösen. Das Familienkonzept hat gute Argumente.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Der Produktmanager kommt hereingestürmt: „Unsere Konstruktion hat die neue Maschine rechtzeitig vor der Messe fertig gestellt. Jetzt brauchen wir nur noch ein passendes HMI, das kann doch nicht so schwer sein!“ Das stimmt, jedenfalls im Prinzip. Es braucht doch nur ein Display, einen Touchsensor, eine Glasscheibe, und fertig ist das Bedienteil. In dieser Einfachheit liegt aber auch die Herausforderung: Welches Display von welchem Hersteller ist am besten geeignet? Wie wird der Sensor verklebt, damit er passgenau sitzt und keine Blasen wirft? Warum soll das eine Stück Glas für die Front so viel Einmalkosten erfordern? Und woher kommt die Ansteuerung des LED-Backlights?

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Von der Stange, aber trotzdem modular

In dem oben skizzierten Fall hilft ein Baukastensystem für Glas, Display und Touchsensor aus der Schublade. Industrieanwender sind Spezialisten für die Lösung ihrer Kernaufgaben. Der Bau von Druckmaschinen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen oder Laborgeräten zur genauen Analyse sind ihr Metier. Die Elektronik für ein HMI zu entwickeln ist jedoch ungewohnt und aufwändig, denn Technologien, Tools und Schnittstellen ändern sich von einem Produktzyklus zum nächsten. Bleibt man hier nicht auf dem aktuellen Stand der Technik, muss man die Entwicklung immer wieder neu beginnen. Mit einem fertigen, aber dennoch konfigurierbaren System lassen sich die meisten Anforderungen an ein modernes HMI lösen. Die Kosten bleiben übersichtlich, es fallen keine Einmal-Investitionen in Werkzeuge und Masken an.

Anforderungen im Praxiseinsatz

Welche Anforderungen muss das System erfüllen, um sich in der Praxis zu bewähren? Für den Einsatzbereich in der Industrie müssen die Werte des Datenblatts genau passen: der Temperaturbereich soll wenigstens von -20 bis 70 °C reichen, das Backlight eine lange Lebensdauer haben, und das gesamte System muss viele Jahre lang verfügbar sein. Die Darstellungsqualität des Displays muss einwandfrei sein, und der Touchscreen, der heute immer in PCAP (Projected Capacitive Touchscreen)-Technologie ausgeführt ist, ohne Kompromisse unter allen Umgebungsbedingungen funktionieren. Für unterschiedliche Anwendungen sollen verschiedene Displaydiagonalen zur Verfügung stehen, die Schnittstellen sollen gängigen Standards entsprechen. Die Mechanik soll so gestaltet sein, dass sich das gesamte System einfach in das Maschinengehäuse oder deren Bedienteil integrieren lässt. Letztlich muss auch noch der Preis passen.

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Displays in zwei Modellreihen

In diesem hier skizzierten Konzept gibt es zwei Klassen, die auf die jeweiligen Kundenanforderungen angepasst sind. Alle Bedingungen lassen sich von einer Linie nicht verwirklichen. Manche Anwendungen brauchen kein High-End-Display oder sind durch Kosten getrieben, andere fordern eine brillante Darstellung. Doch mit zwei ansonsten identischen Produktlinien lassen sich auch diese Anforderungen erfüllen.

Von Industrietauglichkeit kann man ab Stufe 2 sprechen. Während es bei Displayparametern wie Auflösung und Blickwinkel durchaus Unterschiede gibt, sind Touchscreen, Deckglas und das Interface von gleicher hoher Qualität ausgelegt. Zum Vergleich kann ein Consumer-Modell bei vielen Parametern wie Blickwinkel und Temperaturbereich nur Stufe 1 erreichen, ebenso ist die Verfügbarkeit limitiert.

Die Mid-Range-Reihe bietet bei einem guten Preis gute technische Daten. Die Displays sind in TN (Twisted Nematic)-Technologie, aber erweitertem Blickwinkel, einer Vorzugsblickrichtung und Standard-Auflösung ausgeführt.

Die High End-Reihe bietet höchste Leistung. Die Displays in IPS (In-Plane-Switching)-Technologie weisen höhere Helligkeit, größere Auflösung und eine längere Lebensdauer des Backlights auf. Der Blickwinkel liegt jenseits der 80° rundum, so dass das Display ohne Abstriche bei der Optik auch hochkant im Portrait-Format eingebaut werden kann.

Beiden gemeinsam ist der industrietaugliche Temperaturbereich von mindestens -20 bis 70 °C und die lange Verfügbarkeit von sieben Jahren, die dem Kunden Liefersicherheit vom Start des Designs über die gesamte Produktlebensdauer gibt. Die Familie umfasst gängige Display-Diagonalen von 4.3“, 7“ und 10.1“.

Die EMV-optimierten Schnittstellen sind für alle Module identisch, nämlich LVDS für das Display und USB und I²C für den Touchscreen. Damit finden sie Anschluss an alle X86- oder ARM-basierten Computerboards. Mit der einheitlichen Schnittstelle zum System erhält der Kunde größtmögliche Flexibilität und Form-Fit-Function-Austauschbarkeit.

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Touchscreen mit Zehn-Finger-Controller

Der PCAP-Touchscreen ist mit einem Zehn-Finger-Controller ausgestattet, der auch bei Benetzung mit Wasser, Salzwasser und selbst leitfähigen Flüssigkeiten funktioniert. Die Bedienung kann auch mit Handschuhen oder einem Stift erfolgen. Der Controller sorgt für Immunität gegenüber elektromagnetischen Beeinflussungen, sei es leitungsgebunden (15 Vrms) oder eingestrahlt (50 V/m). Er eignet sich somit für alle industriellen und medizintechnischen Anwendungen. Das Fine-Tuning wird entsprechend den Anforderungen durchgeführt, eine Kalibrierung während des Betriebs ist nicht nötig.

Das Deckglas mit maßgenau geschliffenen Kanten wird mit einem einfachen schwarzen Rahmen im Siebdruckverfahren bedruckt, daher fallen keine Werkzeugkosten für Deckglas und Druck an. Für die leichte Montage in ein Gehäuse ist das System in einen Metallrahmen montiert. Damit wird auch eine gute elektromagnetische Verträglichkeit erzielt.

Für jeden etwas im Baukasten

Basis für die Entwicklung des Familienkonzepts waren die Ansprüche der Kunden: kurzfristige Verfügbarkeit, einfache Integration, technisch führende Bauteile. Wer kein komplettes System einsetzen möchte, kann die Komponenten auch einzeln beziehen. Für eine spezielle Bedruckung mit Firmenlogo oder ausgesparten Flächen für Helligkeitssensoren oder Leuchtindikatoren kann die Druckmaske angepasst werden. Wenn die Touch-Funktion nicht benötigt wird, lässt sich das Deckglas auch direkt mit dem Display verkleben.

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Glossar

HMI: Human-Machine-Interface, Bedienoberfläche für ein Gerät. Die Hardware besteht aus Ausgabe- (Bildschirm/Display) und Eingabe (Tastatur/Maus/Touchscreen)-Einheit.

PCAP: Projected Capacitive Touchscreen. Ein aus der Glasoberfläche heraustretendes Feld wird durch Anwesenheit eines mit Erdpotential verbundenen Gegenstands (Hand, Stift) beeinflusst und ausgewertet. Gängiges Eingabemedium für Smartphones.

TN: Twisted Nematic. Einfache Displaytechnologie, die bei flachen Einblickwinkeln Farbverschiebungen hervorruft und eine Vorzugsblickrichtung aufweist.

IPS: In-Plane-Switching. Displaytechnologie, die die Nachteile von TN vermeidet und rundum gleich gut ohne Farbverschiebungen ablesbar ist.

* Rudolf Sosnowsky, Leiter Technik, Hy-Line Computer Components

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