Mensch-Maschine-Schnittstelle Steuerung über Grafikdisplay und Web

In der Industrie, Gebäudeautomation und anderen Bereichen sind flexible Mensch-Maschine-Schnittstellen gefordert. Diese sollen schnell und kostengünstig implementierbar sein. Mit dem Grafik-Controller-Modul GC01 für den IPC@CHIP-Embedded-Controller ist die einfache Kombination von Echtzeitsteuerung, Kommunikation und Fernwartung mit einer komfortablen grafischen Bedienerschnittstelle in einem Embedded-System möglich.

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Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist eines der wichtigsten Bestandteile moderner Steuerungsanwendungen. In der Automatisierungstechnik muss das Bedienpersonal Maschinen- und Anlagenzustände maschinennah beobachten und überwachen. Der wachsende Funktionsumfang selbst einfacher Steuerungsanwendungen erfordert immer flexiblere Bedienerschnittstellen. Einfach Schnittstellen mit Tasten und Textanzeige sind oft nicht mehr ausreichend.

In der Gebäude- und Büroautomation und zunehmend auch im Bereich der Verkaufsautomaten kommen immer häufiger grafische Bedienerschnittstellen zum Einsatz, die besonders übersichtlich und intuitiv sein müssen, da sie auch von Nichttechnikern ohne Einweisung zuverlässig bedient werden sollen.

Vorteile einer flexiblen grafischen HMI

Die Vorteile einer flexiblen grafischen HMI liegen auf der Hand. Zum einen reduzieren selbsterklärende Bedien- und Service-Menüs den Einarbeitungsaufwand für das Bedienpersonal, zum anderen muss nicht für jede Gerätevariante ein komplett neues Bedienpanel erstellt werden. Bei der konsequenten Nutzung von Touch-Technologie lässt sich die Bedienerschnittstelle per Software individuell anpassen.

Soweit sind die Anforderungen klar, und für große Anlagen und Maschinen gibt es wenig Probleme bei der Umsetzung. Vom anschlussfertigen Bedienpanel mit Feldbus- oder Ethernetschnittstelle bis hin zum komplexen Industrie- oder Panel-PC mit Windows-Betriebssystem reicht die Palette der angebotenen HMI-Lösungen. Wesentlich schwieriger wird es, wenn aus Platz- oder Kostengründen teure Bedienpanels nicht wirtschaftlich sind.

Solche kostensensitiven Anwendungen findet man beispielsweise in der Gebäudetechnik, wo inzwischen von der Heizungs- und Klimasteuerung über die Lichtsteuerung bis hin zm Zugangssystem und der Alarmanlage viele komplexe Sonderfunktionen per HMI bedient werden sollen. Ebenfalls aus Kostengründen ist es wünschenswert, dass in diesen Anwendungen das verwendete Embedded-System neben der HMI-Funktion auch gleich die anfallenden Steuerungs- und Kommunikationsaufgaben mit erledigt. Weiterhin sollen die Geräte oft noch zur Fernabfrage oder Fernkonfiguration vernetzt werden.

Kombinierte Steuerungs- und HMI-Lösung

Die Embedded-Controller-Familie IPC@CHIP von Beck IPC wird seit Jahren genau in diesen Bereichen der industriellen Steuerungstechnik eingesetzt. Um den beschriebenen Anforderungen an die Bedienschnittstellen gerecht zu werden, bietet Beck IPC das neue Grafik-Controller-Modul GC01 an, das die typischen Anforderungen in diesem Bereich abdeckt.

Der Grafik-Controller lässt sich als Add-on-Modul mit dem IPC@CHIP kombinieren und ermöglicht den flexiblen Anschluss eines für die jeweilige Applikation passenden LCD-/TFT-Grafikdisplays in der gewünschten Größe und Auflösung, wahlweise farbig oder monochrom, mit oder ohne Touch-Funktion.

Die Kernfunktionalität des Grafik-Controllers ist in FPGA-Technologie realisiert, was mehrere Vorteile hat: Zum einen lassem sich in dem FPGA grafische Grundfunktionen per Hardwarebeschleunigung optimieren, so dass die Echtzeitsteuerungsfunktionen des IPC@CHIP nicht beeinträchtigt werden. Zum anderen lassen sich mit dem FPGA künftige Anforderungen an die Grafikmöglichkeiten ergänzen und auch die Display-Anschlusstechnik flexibel erweitern. Neben dem eigentlichen Grafik-Controller enthält das Grafikmodul noch einen analogen Touch-Controller sowie die Elektronik zur Ansteuerung der Hintergrundbeleuchtung des Displays.

Unterstützt werden LCD-/TFT-Displays mit einer Auflösung von bis zu 1024 x 768 Pixel und mit einer Farbtiefe von bis zu 16 Bit, wobei das typische Einsatzgebiet bei qVGA-Displays mit einer Auflösung von 320 x 200 Pixel liegt. Der Anschluss des Displays erfolgt entweder über eine parallele RGB-Schnittstelle oder über LVDS.

Flexible und ressourcensparende Lösung

Auch wenn Lösungen mit Windows CE auf Basis von ARM- und XScale-Prozessoren inzwischen durch die gesunkenen Prozessor- und Speicherpreise wirtschaftlicher geworden sind, so schlagen sich die Lizenzen und die üppigen Ressourcenanforderungen doch noch deutlich auf die Gesamtkosten nieder. Die IPC@CHIP-Technologie ist dagegen sehr ressourcensparend. Die typische Speicherkonfiguration eines IPC@CHIP SC123/SC143 liegt bei 8 MB DRAM und 2 bis 8 MB Flash. Davon stehen trotz des bereits integrierten Echtzeit-Multitasking-Betriebssystems mit TCP/IP-Stack, Web-Server und den gängigen Diensten und Sicherheitsprotokollen noch etwa 7 MB RAM und 1 bzw. 7 MB Flash für das Anwenderprogramm zur Verfügung. Der Flash-Speicher lässt sich bei Bedarf über ein SD-Card-Interface erweitern.

Ein weiterer Vorteil der IPC@CHIP-Lösung ist die Kombinationsmöglichkeit mit den anderen angebotenen Add-Ons. So lässt sich eine Lösung aus IPC@CHIP-Controller und Grafikmodul auch mit einer WLAN- oder Bluetooth-Schnittstelle ausstatten. Um die Lösung flexibel in Automatisierungsumgebungen einzubinden, bietet sich das Software-Add-on CoDeSys IEC61131-3 für Programmierung und Konfiguration an.

Komfortable Entwicklungsumgebung

Die geringen Entwicklungszeiten und -kosten wirken sich positiv auf auf die Projektkosten aus. Da die IPC@CHIP-Controller bereits alle notwendigen Hard- und Softwarefunktionen enthalten und auch die Anbindung des Grafikmoduls mit fertigen Treibern und Bibliotheken unterstützt wird, entfällt der sonst notwendige Integrationsaufwand für die Software. Speziell für das Grafik-Controllermodul GC01 gibt es passende Functions-Kits, die die Development-Kits des jeweiligen IPC@CHIP-Controllers um ein Grafikmodul und ein LCD-/TFT-Display erweitern.

Fernzugriff über Web-Technologie

Eine besondere Funktionalität bietet die CoDeSys-IEC61131-3 Programmierumgebung in Verbindung mit IPC@CHIP und Grafikmodul. CoDeSys enthält neben der IEC61131-3-Programmierung auch einen grafischen Visualisierungseditor, mit dem sich grafische HMI-Anwendungen komfortabel und schnell erstellen lassen. Diese HMI-Anwendungen laufen dann nicht nur auf dem lokalen Display, sondern lassen sich ohne zusätzlichen Programmieraufwand auch als Java-Visualisierung über einen Web-Browser abrufen. Das heißt alle lokal verfügbaren Grafikfunktionen sind auf Wunsch auch über Intranet und Internet abrufbar und ermöglichen die Fernabfrage und Fernkonfiguration des Gerätes. Unautorisierte Zugriffe lassen sich über Passwortschutz und Verschlüsselung vermeiden.

Die Gesamtlösung IPC@CHIP in Kombination mit dem Grafikmodul GC01 bietet einen Embedded-Baukasten aus aufeinander abgestimmten Einzelkomponenten, aus dem sich schnell und flexibel kostengünstig Embedded-Lösungen mit HMI, Ethernet und Wireless-Kommunikation und Echtzeitsteuerungsfunktion zusammenstellen lassen.

*Detlef Gerhardt ist Produktmanager bei Beck IPC.

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