Die Interaktionsmöglichkeiten bei HMIs werden immer vielfältiger: vom Touch-Screen über Remote-Touch-Systeme, bei dem die Bedienung mit dem eigenen Smartphone erfolgt, bis hin zu Sprach- und Gestensteuerung. (Bild: Seco Northern Europe)
Laut Seco Northern Europe (ehemalig Garz & Fricke Group) sind die Treiber für den zunehmenden Einsatz von HMIs vor allem neue Technologien aber auch die zunehmende Digitalisierung in allen Branchen. Dabei stehen vor allem eine einfachere Bedienung und eine präzisere Informationsdarstellung auf den Displays im Vordergrund.
Hygieneaspekt bei der HMI-Bedienung wird immer wichtiger
Bei HMIs für medizinische Anwendungen war der Hygieneaspekt schon immer sehr wichtig. Dies betrifft insbesondere die Bedienelemente. Die Corona-Krise führte dazu, dass dieses Kriterium auch in anderen Anwendungsgebieten in den Vordergrund rückt. Deshalb wird immer öfter gefordert, dass die Bedieneinheiten komplett desinfizierbar sein müssen, was sich auf die eingesetzten Materialien auswirkt. So sind beispielsweise sichtbare, lackierte Kunststoffe in der Regel nicht desinfektionsmittelbeständig. Auch ist es heute aus Hygienegründen erforderlich, dass der Einbau fugenlos erfolgt. So können keine Kanten entstehen, in denen sich Schmutz ansammelt. Dieser Aspekt treibt auch die Entwicklung alternativer Bedienkonzepte wie die Gestensteuerung voran.
Diese Rolle spielen alternative Bedienkonzepte wie Sprach- und Gestensteuerung
Die Interaktionsmöglichkeiten werden immer vielfältiger: vom Touch-Screen über Remote-Touch-Systeme, bei dem die Bedienung mit dem eigenen Smartphone erfolgt, bis hin zu Sprach- und Gestensteuerung. Im Vordergrund steht dabei die Überlegung, die optimale Interaktionsmöglichkeit zwischen Nutzer und einem spezifischen Endgerät zu finden. So ist beispielsweise die Sprachsteuerung in einer lauten Umgebung nicht sinnvoll und wenn man die Hände nicht frei hat, lässt sich mit einer Gestensteuerung relativ wenig anfangen. Letztlich bestimmen also die Applikation, das Umfeld und der Standort das Bedienkonzept.
Warum Nutzer individuell anpassbare Software für HMIs fordern
Aus der Smartphone-Welt sind Anwender gewohnt, ihr Gerät über die Software individuell anzupassen. Dieser Trend ist nun auch im B2B- und Industrial-Bereich und hier insbesondere im Automotive-Sektor zu beobachten. Für Hersteller von Produkten mit längerer Lebenserwartung ist es ein enormer Wettbewerbsvorteil, wenn sich die Geräte hinsichtlich Aussehen und Art der Nutzung immer wieder durch Software an die Gegebenheiten anpassen und auch modernisieren lassen. Dieses Konzept bietet die Möglichkeit, Funktionen über die Software hinzuzufügen, zu verändern, zu entfernen oder auch nur für eine begrenzte Zeit zuzulassen. Mit diesen Anpassungsmöglichkeiten können auch Optimierungen und Funktionserweiterungen während des laufenden Betriebs erfolgen.
Bei Softwarelösungen für HMIs ist heute die einfache Integrationsmöglichkeit in die Systeme der Gerätehersteller entscheidend. Dabei geht der Trend eindeutig zur HMI-Gesamtlösung aus einer Hand, inklusive kompletter Schnittstelle zum Betriebssystem, der Einbindung in übergreifende IoT-Lösungen, Zertifizierungen und Dokumentation etc. Durch die anpassbaren Funktionen in der Software wird so eine weitgehende Individualisierung der Systeme ermöglicht. Dies muss jedoch von Anfang an bei der Entwicklung der Hardware berücksichtigt werden.
Steigende Rechenleistung und Hardware-Anforderungen
Zwar steigt die Rechenleistung in allen Bereichen, doch der Markt verlangt nicht nach einer General-Purpose-Hardware, die alles kann. Die Bandbreite der Komponenten ist groß: vom einfachen Mikrocontroller bis hin zum Controller mit Special Features wie Industrial Ethernet mit Echtzeitfähigkeit oder mit speziellen Kamera-Engines. Von einfachen Prozessorsystemen bis hin zu High-Performance-SoCs ist alles möglich. Durch die Vielfalt steigen aber auch die Anforderungen an die Entwickler. Komponenten mit neueren Technologien und höheren Bandbreiten verlangen ein besonderes Augenmerk im Leiterplattendesign. Das ist notwendig, um einwandfreie Funktion und Stabilität über den kompletten Temperaturbereich hinweg zu garantieren. Das erfordert heute viel mehr Vorarbeit als noch vor einigen Jahren und wird künftig noch wichtiger werden.
Auch Schnittstellen haben Auswirkung auf das Hardware-Design: USB 3.0 bietet im Vergleich zu USB 2.0 mehr Funktionen, als nur einen Speicherstick oder eine Maus anzuschließen. Diese Features aber bringen neue Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit sich. Das wirkt sich nicht nur auf das Hardware-Design des HMIs, sondern auf das gesamte Gerätedesign aus. Ebenso wie die Bildschirmauflösung steigt auch die Leistungsfähigkeit der Prozessoren und damit die Anforderung an die Software-Entwicklung. Außerdem wird die Möglichkeit zum Anschluss von Kameras und Mikrofonen an Bedeutung gewinnen. Heute gehört eine umfassende Analyse der Vorgänge in den Geräten schon fast zum Standard.
KI/IoT-Plattform Clea
Die KI/IoT-Plattform Clea verbindet elektronische Endgeräte mit der Cloud und ermöglicht so die Geräteüberwachung in Echtzeit. Dabei werden u. a. Analysen, Infrastrukturmanagement, vorausschauende Wartung, sichere Software-Updates aus der Ferne ermöglicht. Die Plattform kombiniert KI, IoT, Edge- und Cloud-Computing mit anwendungsorientierten Dienstleistungen und Standard- oder maßgeschneiderten Hardware-Lösungen. So kann jedes Gerät in ein Cloud-verwaltetes Gerät verwandelt werden, das eine intelligente Steuerung und Überwachung ermöglicht.
Ein wichtiger Anwendungsbereich für Clea sind Verkaufsautomaten für die Nachrüstung bestehender Infrastrukturen, die Implementierung einer neuen intelligenten Lösung oder die Integration von Standard-Subsystemen. Ein Anwendungsbeispiel ist ein Verkaufsautomat der mit Gesichts-, Alters- und Emotionserkennung ausgestattet ist. Diese Lösung läuft auf Basis des Flexy Vision 21.5 HMI mit 8-Megapixel-Kamera. Sie zeigt, wie ein Verkaufsautomat mithilfe einer angepassten Clea-App in ein intelligentes Gerät verwandelt werden kann. Dieses ist in der Lage, die Eigenschaften und Stimmung des Kunden zu erkennen und die Informationen zu nutzen, um, in diesem Fall, ein individuelles Getränk vorzuschlagen. Die App-Instanz sammelt vom Verkaufsautomaten benutzerspezifische Daten wie Geschlecht, Alter und Stimmung und analysiert diese in der Cloud.
Die vorausschauende Wartung ist einer der effektivsten Anwendungsgebiete von Clea. Durch den Einsatz von KI-Modellen kann die Plattform in Echtzeit Anomalien bei funktionstüchtigen Maschinen erkennen und frühzeitig Reparaturaufträge auslösen. Dadurch lassen sich Maschinenstillstände vermeiden und die Kosten, beispielsweise für Notreparaturen, erheblich reduzieren.
Im Energiesektor lässt sich die Plattform für die unterbrechungsfreie Stromversorgung einsetzen. Dazu ruft sie von einer USV Daten ab, um deren Status, maximale Last, Batteriekapazität sowie Eingangs- und Ausgangsspannungen zu ermitteln. Die Analysen erleichtern die Überwachung, Effizienz-Optimierung und die Verringerung der Ausfallzeiten von Stromversorgungsgeräten. Alarme oder Statusänderungen werden sofort an den Nutzer gesendet. Die USV-Betriebsdaten sind über eine moderne Weboberfläche oder über eine App verfügbar.
Machine Learning und Künstliche Intelligenz
Neue Prozessoren wie der i.MX 8M Plus von NXP bringen zum Beispiel eine Neural Network Engine mit. Dabei ist ein Teil des Prozessors nur für die Ausführung von Machine-Learning-Algorithmen zuständig. Das Thema ist bei industriellen Systemen noch relativ neu, bietet jedoch viele Chancen. Auch die Hersteller fangen an, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Sie stellen sich beispielsweise Fragen wie: Was kann ich alles machen, welche Vorteile ergeben sich daraus und welche Auswirkungen hat es eventuell auf meine Geschäftsprozesse? Kann man im öffentlichen Raum z. B. eine Kaffeemaschine platzieren, die per künstlicher Intelligenz (KI) Gesichter auswertet und dem Nutzer am Ende einen doppelten Espresso anbietet, weil er gerade sehr müde aussieht – ist das datenschutzrechtlich erlaubt?
Die ersten Systeme mit dedizierter KI-Einheit sind seit einigen Monaten erhältlich und und so hält diese Technologie allmählich Einzug in die HMI-Welt. Dies bietet Herstellern große Möglichkeiten: Sie können mit ihren Kunden in die Diskussion gehen und den Nutzen einer Neural Network Engine in einem HMI aufzeigen. Beispielsweise könnte eine rotierende Komponente in der Maschine via Mikrofon und KI überwacht und über die Bedieneinheit gegebenenfalls Fehler- und Warnmeldungen ausgegeben werden. Damit ganz eng verbunden ist natürlich auch das Thema Datenschutz. Deshalb wird die Entwicklungstätigkeit zukünftig deutlich weiter gefasst sein als bisher. Entwickler müssen sich mehr Gedanken über die Auswirkungen einer Innovation machen und dabei berücksichtigen, an welche gesetzlichen Grenzen sie eventuell gelangen und welche Datenschutzrichtlinien gegebenenfalls verletzt werden könnten.
Mit Seco Mind bietet das Unternehmen eine eigene Geschäftseinheit, die alle Dienstleistungen rund um leistungsstarke und innovative IoT- und AI-Anwendungen bündelt. Fokus ist die Bereitstellung spezieller Software-Services und -Plattformen rund um den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI), Data Science und Daten-Orchestrierung. Hierfür bietet das Unternehmen eine SaaS-IoT-Softwaresuite mit dem Namen Clea. Die Lösung wurde entwickelt, um Felddaten in umsetzbare und messbare Erkenntnisse zu überführen sowie Geräte- und Applikationsverwaltung in einer Plattform zu bündeln. Bereits heute ist diese flexible Lösung eng in die Seco-Hardware eingebunden und kann schnell eingesetzt werden.