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Der Weg zum optimalen HMI

Bild 1. Ein Beispiel für kundenspezifisch entwickelte HMI ist der IPC Blue-Power

Bild 2. Die „COMSys“-Lösung ist Teil der Embedded-Building-Blocks-Initiative von Intel, die die Consumer- und die Industriewelt beim Embedded Computing zusammenbringen will

Bild 3. Mit der „COMSys“-Lösung lassen sich flache HMI realisieren

Bisher waren HMI (Human Machine Interface) überwiegend in der Automatisierungstechnik im Maschinenbau im Einsatz. Demzufolge gab es meist einen Weg zu einem HMI über den klassischen Anbieter von Lösungen im Automatisierungsmarkt. Da die Geräte inzwischen immer mehr Einsatzbereiche erobert haben, sind die unterschiedlichsten Varianten von verschiedenen Anbietern erhältlich. Somit gibt es verschiedene Wege zum optimalen HMI. Ein Neuer ist das Baukastensystem der Initiative Embedded Building Blocks .

Automatisierung spielt im Zuge von Optimierung und Rationalisierung eine immer größere Rolle und damit auch der Einsatz von HMI. Neben dem klassischen Maschinenbau findet man sie heute in immer mehr Anwendungen. Schon lange sind sie bei Fahrkartenautomaten bei der Bahn oder bei Briefmarkenautomaten bei der Post im Einsatz. Auch in Verkaufs-, Kaffee-, Getränke- und Süßwarenautomaten erleichtern sie die Bedienung. Mit der steigenden Zahl von Anwendungen wächst aber auch die Zahl der Anbieter. Das macht den Markt nicht gerade übersichtlich. Es gibt also viele Wege zur optimalen HMI, einen einzig richtigen gibt es sicher nicht.

HMI von der Stange
Der klassische Weg ist am längsten am Markt etabliert. Dabei ist das HMI als Standardprodukt in einer breiten Produktpalette verfügbar. Auf der Anbieterseite finden sich alle großen Namen aus dem Automatisierungsbereich. Sie liefern in der Regel eine hohe Qualität und ein robustes industrielles Design, wie es in der Automatisierungsumgebung auch zwingend gefordert ist.
Die Produkte sind im Allgemeinen lange verfügbar und mit der großen Variantenvielfalt findet sich für fast alle Anwendungen eine passende Lösung. So werden alle gängigen Displaygrößen angeboten und auf der Schnittstellenseite bleiben fast keine Wünsche offen. Dies ist sicher einer der schnellsten Wege, ein HMI zu finden, also ein sehr kurzer „Time-to-Market-Weg“. Da der Zielmarkt die Automatisierungstechnik mit Schwerpunkt Maschinenbau ist, sind die Spezifikationen entsprechend aufgebohrt, was der Kunde letztendlich mit einem entsprechenden Preis bezahlen muss. Auch spezielle Anforderungen, wie andere Displaygrößen, lassen sich mit einem Standardprodukt normalerweise nicht realisieren.

Kundenspezifisch konstruiert
Ein weiterer Weg eine HMI-Lösung zu finden ist eine komplett kundenspezifische Entwicklung und Fertigung (Bild 1). Die Geräte werden dabei exakt auf die speziellen Kunden- und Anwendungsanforderungen zugeschnitten. Jede geforderte Spezifikation, wie Displaygröße und Display¬art, mechanische Abmessungen und Montagemöglichkeiten, Rechnerleistung und Schnittstellen, lassen sich dabei realisieren.
Diese Lösung erfüllt zwar zu 100 % die Kundenanforderungen, ist aber sicher der längste „Time-to-Market-Weg“ und bei kleineren bis mittleren Stückzahlen auch der teuerste. Zusätzlich trägt der Kunde die volle Verantwortung und damit auch die Kosten für jegliches Redesign und das „Product Lifecycle Management“. Auf geänderte Anforderungen in der Anwendung kann die kundenspezifische Lösung in der Regel nicht schnell und günstig reagieren. Damit ist dieser Weg nur sinnvoll bei hohen Stückzahlen und bei Anwendungen, bei denen sich die Anforderungen über den Lebenszyklus des Geräts nicht ändern.

Display und Rechner als Duett
Einen modernen Weg ein HMI zu realisieren beschreiten eine Reihe von Industrie- und Embedded-PC-Anbietern. Sie verstehen das Display und den Rechner als zwei unabhängige Einheiten. Diese Trennung führt zu einer höheren Flexibilität und damit zu optimierteren Lösungen. Die „Time-to-Market“ ist meist kurz, da die Einzelkomponenten als Standardprodukte vorhanden sind. In der Regel sind nur Anpassungen bei der Mechanik und der Displayeinheit notwendig. Die Rechnereinheit wird in einer separaten Box hinten auf die Displayeinheit montiert oder kann auch in einer optimaleren Stelle im System positioniert werden.
Bei dieser Kombination muss bei der Änderung der Anforderungen an das Display nur die Displayeinheit getauscht werden; die Rechnerbox bleibt gleich. Umgekehrt ist bei geänderter Leistungsanforderung nur die Rechnereinheit zu wechseln und das Display kann beibehalten werden. Diese Art der Realisierung bringt bei einer Reihe von Anbietern jedoch Schwierigkeiten bei bestimmten Einbau- und Montagesituationen mit sich, da die Box in aller Regel keine Montagepunkte auf der Außenseite hat. Auch bei Erweiterungen mit PCI- oder PCIe-Karten stößt man bei den meisten Boxen auf Einschränkungen. Die Boxen namhafter Anbieter sind hier zwar flexibler, jedoch in der Bautiefe erheblich größer, was in manchen Einbausituationen zu Problemen führen kann.

Der Brückenschlag zwischen Consumer- und Industriewelt
Einen Weg zeigt die Consumerwelt, in der mit hoher Flexibilität für jede Anwendung eine preisgünstige Lösung angeboten wird. Im Wesentlichen gibt es einen großen Baukasten aus Standardkomponenten, die sich für die jeweilige Anwendung einfach zusammenstellen lassen. Eine zeit- und kostenintensive Sonderentwicklung ist in der Regel nicht notwendig. Für die Anforderungen der Industrie an ein HMI reicht jedoch entweder die langfristige Verfügbarkeit oder die Robustheit nicht.
Mit der Initiative Embedded Building Blocks versucht Intel eine Brücke zwischen der Consumerwelt und der Industriewelt zu bauen. Ein Ziel ist es dabei einen Baukasten wie in der Consumerwelt für ein industrietaugliches HMI zu erstellen.

Baukasten für Industrie-HMI
Die Embedded-Building-Blocks-Komponenten sind ein COM-Express-Modul, ein universelles Industrie-Mini-ITX-Mainboard und ein entsprechendes Gehäuse. Der Einsatz von COM-Express-Modulen garantiert die Skalierbarkeit des Systems. Außerdem sind die langfristige Lieferfähigkeit und die Industrietauglichkeit sichergestellt. Auch neue Prozessoren sind umgehend als COM-Express-Modul verfügbar. TQ-Group bietet im Rahmen des Systemkonzepts COMSys ein erstes Mainboard mit COM-Express-Modul in der Initiative vor (Bild 2). Die flache Bauweise ermöglicht eine einheitliche und definierte thermische Anbindung an das Gehäuse. Eine Reihe von Standard-Schnittstellen sind bereits auf dem Board integriert. Als externe Schnittstellen gibt es zwei Gbit-Ethernet, vier USB 2.0, RS-232 und DVI (digital & analog).

LVDS, USB 2.0, Sata (Steckplatz für eine 2,-5-Zoll-HDD/SSD), „eSATA“, Mini PCIe, „CFast“ und CF-Card stehen als interne Schnittstellen zur Verfügung. Über eine in das Mainboard integrierte Riserschnittstelle können Standard-PCI- und PCIe-Erweiterungskarten angebunden werden. Auf der internen Riserschnittstelle sind je nach eingesetztem COM-Express-Modul bis zu vier PCI- und bis zu zwei PCIe-Erweiterungskarten möglich. Das Mini-ITX-Format passt hinter Displaygrößen ab 7 Zoll.
Die PCI- oder PCIe-Erweiterungskarte ist über einen entsprechenden Riser in der gleichen Ebene wie das Mainboard einsetzbar. Damit lassen sich extrem flache Systeme realisieren (Bild 3). Dabei kann man das Mainboard mit dem COM-Express-Modul entweder in eine externe Box oder direkt in das Displaygehäuse einbauen. Da alle Schnittstellen nach einer Seite ausgerichtet sind, sind Gehäuselösungen mit IP65-Schutz auf fünf Seiten möglich.
Dieser Baukasten ermöglicht mit Standardkomponenten aus der Embedded Building Blocks , erweitert um Standarderweiterungskarten, nahezu eine optimale Lösung für alle Anwendungen. So lassen sich schnelle HMI-Lösungen ohne eine aufwendige und teure Sonderentwicklung realisieren.

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Autor: Wolfgang Heinz-Fischer ist Leiter Marketing und PR der TQ-Group in Seefeld.