Ein Human-Machine Interface, kurz HMI, ist ein Gerät, das es Anwendern ermöglicht, industrielle Maschinen zu steuern. Auch bekannt als Panel-PCs, haben sich HMIs von einfachen, tastengesteuerten Displays zu hochentwickelten Touchscreens entwickelt, die häufig als lokale Schnittstelle für die Steuerung vernetzter Geräte dienen.
In dieser neuen Rolle ist das HMI-Design zu einem entscheidenden Faktor für den Markterfolg industrieller Geräte geworden. Eine durchdachte HMI-Strategie verbessert nicht nur die Benutzererfahrung, sondern trägt auch zu einer einheitlichen Markenidentität über verschiedene Produkte hinweg bei. Darüber hinaus erleichtert sie die Skalierbarkeit, da die Software unterschiedliche Funktionsumfänge innerhalb einer Produktfamilie bereitstellen kann.
Dieser Artikel untersucht die Anforderungen moderner Panel-PCs und beschreibt die Vorteile eines neuen modularen Ansatzes. Er konzentriert sich auf die Bedürfnisse von Geräteherstellern mit mittleren Stückzahlen und erklärt, wie die Entkopplung von Hardware und Software die Entwicklung industrieller Maschinen erleichtern kann.
Die Grenzen traditioneller HMIs
Ingenieure stehen bei der Entwicklung von HMIs vor einer Vielzahl von Herausforderungen. Individuelle Hardwareentwicklung und Verifizierungsaufwände können überraschend langwierig und komplex sein und machen die Entwicklung eines HMI-Frontends oft unpraktisch, insbesondere für Hersteller mit mittlerem Produktionsvolumen und begrenzten Engineering-Ressourcen.
Um die Entwicklung industrieller Maschinen zu vereinfachen, greifen viele Teams auf Panel-PCs zurück, die Anzeige- und Rechenfunktionen in einem einzigen Gehäuse kombinieren. Diese Standardlösungen bieten Komfort, da sie montagefertig für Maschinen geliefert werden. Allerdings gehen viele von ihnen mit erheblichen Kompromissen einher. Feste Hardwarekonfigurationen und Einschränkungen des Betriebssystems können gestaffelte Produktstrategien behindern und Produktlebenszyklen verkürzen.
Die Widerstandsfähigkeit ist auch ein Thema. Einige Panel-PCs bieten möglicherweise keinen ausreichenden Schutz gegen Staub, Vibrationen oder Feuchtigkeit und sind daher für den Einsatz im Fertigungsbereich ungeeignet. Fehlende Zertifizierungen wie UL oder MET-Kennzeichnung können den Einsatz in bestimmten Anwendungsbereichen ausschließen. Darüber hinaus können begrenzte Schnittstellen und Montagemöglichkeiten dazu führen, dass Designkompromisse eingegangen werden müssen.
Auch Softwareeinschränkungen treten häufig auf. In stark integrierten Systemen kann es schwierig sein, Software über Produktlinien hinweg zu aktualisieren oder wiederzuverwenden, insbesondere wenn die Hardware nicht einfach ausgetauscht oder aufgerüstet werden kann.
Modularität als Lösung
Eine modulare HMI-Plattform bietet einen Ausweg aus den Einschränkungen konventioneller Panel-PCs. Basierend auf einer flexiblen Kombination aus Rechenplattform, Display und portablen Betriebssystem-Bausteinen lässt sich eine solche Plattform leicht an spezifische Produktanforderungen anpassen und ermöglicht schnellere Entwicklungszyklen, einfachere Anpassungen und reibungslosere Upgrades.
Das modulare Design konzentriert sich auf eine Embedded-Rechenplatine, die als System-on-Module, kurz SoM, bezeichnet wird. Das SoM wird in ein Carrier-Board eingesteckt, das die I/O-Schnittstellen bereitstellt und mit dem Display verbunden ist. Diese Architektur ermöglicht es einer einzigen HMI-Plattform, eine Vielzahl von Rechenplattformen sowie Displays in unterschiedlichen Größen und Auflösungen zu unterstützen. Der HMI-Anbieter übernimmt sämtliche Design- und Zertifizierungsanpassungen, sodass Gerätehersteller mit minimalem Designaufwand die für sie passende Kombination auswählen können.
SoMs verwenden typischerweise einen Industriestandard-Formfaktor wie SMARC, um langfristige Skalierbarkeit und Interoperabilität zwischen Anbietern sicherzustellen. Wird zu einem späteren Zeitpunkt mehr Rechenleistung benötigt, kann ein anderes SoM eingesetzt werden, ohne das gesamte HMI neu zu entwickeln.
Diese Flexibilität ermöglicht es Herstellern außerdem, eine breite Palette von Produktvarianten auf Basis einer gemeinsamen Plattform zu unterstützen. So kann beispielsweise ein energieeffizientes Arm-basiertes Modul in einem Einstiegsmodell verwendet werden, während ein High-End-Modell eine leistungsstärkere x86-Variante nutzt.
Auch die Integration in industrielle Maschinen wird vereinfacht. Ein modulares System bietet über alle Konfigurationen hinweg ein konsistentes I/O-Layout, was die mechanische Konstruktion vereinfacht und die Kabelführung sowie die Abdichtung des Gehäuses erleichtert. Mit mehreren verfügbaren Montageoptionen wie Panel-, Flush-, Rear- oder VESA-Montage können Entwickler das HMI mit weniger Kompromissen in eine größere Bandbreite von Geräten integrieren.
Robuste Software
Ein wesentlicher Vorteil einer modularen HMI-Plattform ist die Möglichkeit, Software von Hardware zu entkoppeln. In konventionellen Systemen ist Software häufig eng an bestimmte Hardwarekonfigurationen gebunden, was die Wiederverwendung erschwert und Upgrades kostspielig macht. Ein modularer Ansatz löst diese Abhängigkeit auf und ermöglicht es Entwicklern, mehrere Produktvarianten zu unterstützen, ohne separate Software-Codebasen pflegen zu müssen.
Um dieses Ziel zu erreichen, können HMI-Plattformen architekturunabhängige Software-Stacks nutzen, die Betriebssysteme, IoT-Middleware, Kommunikationsprotokolle und Entwicklungstools zusammenführen. Mit diesem flexiblen Framework kann Anwendungscode mit minimalen Änderungen über verschiedene Hardware hinweg wiederverwendet oder portiert werden, unabhängig davon, ob es sich um Arm- oder x86-Plattformen handelt.
Die Vorteile gehen über die Entwicklungsgeschwindigkeit hinaus. Eine einheitliche Softwareumgebung verbessert die Wartbarkeit, erhöht die Sicherheit und vereinfacht das Onboarding von Entwicklungsteams. Sie unterstützt außerdem die langfristige Effizienz. Sobald eine Anwendung auf einer Konfiguration validiert wurde, kann sie auf andere Modelle innerhalb der Produktlinie ausgerollt werden, ohne von Grund auf neu beginnen zu müssen. Angesichts neuer Cybersicherheitsvorschriften wie dem Delegierten Rechtsakt zur Funkanlagenrichtlinie, RED-DA, EN 18031 in Europa erleichtert eine gemeinsame Codebasis die Einhaltung der Vorschriften über mehrere Prozessorplattformen hinweg.
Modulare HMIs in der Praxis
Die Modular Vision Plattform von Seco veranschaulicht, wie eine modulare HMI-Architektur in industriellen Umgebungen eingesetzt werden kann. Kunden können aus HMI-Lösungen von der Stange wählen, die ausgewählte Arm- und x86-Embedded-Rechenplattformen sowie drei Standard-Displaygrößen von 7 Zoll, 10,1 Zoll und 15,6 Zoll bieten. Die Rechenplattform wird über ein Seco SMARC SoM umgesetzt.
Zentral für die Minimierung des Software-Portierungsaufwands über verschiedene Prozessorplattformen hinweg ist Secos Clea OS, ein auf Yocto basierendes Linux-Framework, das zentrale IoT-Datenorchestrierung, Remote-Gerätemanagement, Over-the-Air-Updates, Cybersicherheit und DevOps-Technologien integriert. Für die Softwareerstellung muss lediglich die Zielprozessorplattform angegeben werden. Weitere Anpassungen sind nicht erforderlich.
Dieses modulare Design trägt dazu bei, den Entwicklungsaufwand zu reduzieren und die Wiederverwendung über Produktlinien hinweg zu unterstützen. Es ermöglicht eine vergleichsweise einfache Implementierung alternativer Prozessor-Display-Kombinationen, die nicht als Standard verfügbar sind. Hardwarevarianten können eingeführt werden, ohne den Software-Stack zu verändern, und umgekehrt. Dadurch können Engineering-Teams schneller auf sich ändernde Anforderungen reagieren und gleichzeitig eine einheitliche Plattformstrategie beibehalten.
Fazit
Modulare HMI-Plattformen überwinden viele der Einschränkungen traditioneller Panel-PCs. Durch die Entkopplung von Hardware und Software erleichtern sie die Skalierung der Leistung, die Wiederverwendung von Code und die Anpassung an sich wandelnde Anforderungen.
Dieser Ansatz reduziert den Entwicklungsaufwand, verkürzt die Markteinführungszeit und unterstützt eine einheitliche Strategie über Produktlinien hinweg. Mit steigenden Anforderungen an Konnektivität und Flexibilität bieten modulare Architekturen eine praktikable Grundlage für langfristige Anpassungsfähigkeit.
