So unterstützt eine Hardware-Plattform bei individuellen HMI-Eingabesystemen

| Autor / Redakteur: Ralf Nebel * / Hendrik Härter

HMI-Eingaben entwickeln: Neben einer steigenden Komplexität steht die CPU bei der Entwicklung im Mittelpunkt.
HMI-Eingaben entwickeln: Neben einer steigenden Komplexität steht die CPU bei der Entwicklung im Mittelpunkt. (Bild: ©olly - stock.adobe.com)

Wer ein ausgereiftes HMI-System entwickelt, kann entweder auf Arduino oder Raspberry Pi zurückgreifen oder setzt das Extended Eco-System der U-Experten ein. Was es bietet, erfahren Sie im Text.

Entwickler eines HMI-Systems müssen entscheiden, ob die entwickelte Applikation im Rahmen technischer Möglichkeiten aktualisiert oder gar komplett neu aufgesetzt werden muss. An die CPU werden ganz unterschiedliche Anforderungen gestellt. Das hängt zum einen davon ab, ob applikationsabhängig oder über mehrere Produktfamilien entwickelt wird.

Einfließen müssen die künftigen technischen Features genauso wie die damit verbunden Kosten. Es kann vorkommen, dass neue Entwicklungen nicht einfließen. Grund: Haben Entwickler bereits eine bewährte Lösung in die HMI-Komponente eingearbeitet, dann belässt man es bei der Methode. Auch die Wartung von Seiten des Herstellers kann gänzlich eingestellt werden. In der vernetzten Industrie ist es notwendig, dass eine hohe Qualität und Sicherheit geboten wird.

Zudem werden Applikationen regelmäßig überwacht und dokumentiert. Das ist vor allem in kritischen Branchen zwingend notwendig wie in der Medizin oder der Lebensmittelindustrie. Ein modernes HMI-System setzt auf ein TFT-Display, das zudem über ein PCAP-Touch verfügt. Hier ist eine höhere Rechenleistung notwendig als es beispielsweise bei einfachen Dot-Matrix- oder alphanumerischen Displays der Fall ist.

Embedded-Betriebssysteme zur HMI-Entwicklung

Dazu gehören umfangreiche Grafik-Bibliotheken oder Applikations-Frameworks wie Qt. Sie bilden die Grundlage, um attraktive industrielle Bedienelemente zu erstellen. Grundlage sind sogenannte Embedded-Betriebssysteme wie Linux oder Windows. Um auf der Steuerungsseite die harten Anforderungen nach Echtzeit oder funktionaler Sicherheit zu erfüllen, bietet es sich an, einen zusätzlichen, dedizierten Controller einzusetzen. Dieser übernimmt die Aufgabe, mit der HMI zu kommunizieren. Somit werden für diese Projektansätze gleich mehrere CPUs und CPU-Architekturen eingeführt.

Einen Ansatz bilden Makerboards. Sie gibt es in verschiedenen Varianten wie Arduino oder Raspberry Pi. Auf den ersten Blick suggeriert ein Makerboard schnelle Erfolge, die sich auch zu Projektbeginn schnell umsetzen lassen. Für den Entwickler haben solche Makerboards den Vorteil, dass der Einstieg in Linux oder Win10 RT erleichtert wird.

Mit dem Raspberry Pi 3 ist ein leistungsstarkes und kostengünstiges Board mit vier ARMv8-Kernen verfügbar. Ein großer Vorteil der Maker-Boards sind ihre günstigen Anschaffungskosten. Preiswerte Hardware bietet einer stetig wachsenden Makerszene nahezu die gleichen Möglichkeiten wie professionelle Entwicklungsabteilungen. Und den Entwicklern in Unternehmen bieten die Boards einen größeren Experimentierraum, denn ein kostenintensives Entwicklungsboard würde zunächst die Einwilligung des Einkaufs oder eines Vorgesetzten erfordern.

Ein Raspberry PI 3 für die HMI-Entwicklung

Ein Makerboard hat allerdings keine integrierten Interfaces wie LVDS, parallel RGB oder eDP für Displays oder CAN, RS232 oder I²C für die Kommunikation. Fehlende Schutzbeschaltungen und Spannungsfestigkeit sowie das Betriebssystem sind nicht robust genug, um damit auch Industrieanwendungen auszustatten. Die Betriebssysteme sind im Allgemeinen SpinOffs von Desktop-PC-Setups und nicht für den industriellen Einsatz gedacht.

Wichtige Features wie Systempartitionierung, Robustheit der Datenspeicherung oder ein Secure-Boot-Setup sind nicht gewährleistet oder zeigen mögliche Schwächen, die zu einem späten Zeitpunkt auftreten können. Solche Schwächen können teilweise fatale Folgen für den Projektplan und das Budget mit sich ziehen. Beim Beispiel des Raspberry PI 3 sitzen die leistungsfähigen ARM Cortex Cores im Schatten der VideoCore-Engine. Damit wird nicht nur der maximale Hauptspeicher auf 1 GByte limitiert, sondern bedingt auch, dass alles durch eine Black-Box geroutet wird. Damit werden nicht nur die Bug-Fixs unmöglich, sondern es erschwert auch die Möglichkeit, das System in ein vorhandenes Linux-Setup für eine Intercompany-Strategie zu implementieren.

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