Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) haben sich in den letzten Jahrzehnten aufgrund des rasanten technischen Fortschritts stark verändert. Die HMI-Branche hat die Entwicklung von einem einfachen Druckknopf zu einem digitalen Zwilling in der Fertigung miterlebt. Es ist jedoch zu erwarten, dass sich die Art und Weise, wie Menschen mit Maschinen kommunizieren, noch weiter verändern wird. Trends wie Enterprise IoT und Industrie 4.0 spielen in dieser Hinsicht eine wesentliche Rolle, da sie die wichtigsten Träger dieser HMI-Transformation sind.
4 Etappen der industriellen Revolution
Der Begriff „Industrie 4.0“ wurde erstmals 2011 im Zusammenhang mit der intelligenten Fertigung verwendet und erhielt später eine breitere Bedeutung, die auch das Verkehrswesen, intelligente Gebäude, Bergbau, Öl und Gas, das Gesundheitswesen und andere Bereiche umfasst. Er tauchte während der vierten Stufe der industriellen Revolution auf. Um den Begriff Industrie 4.0 zu verstehen, ist es daher wichtig, seine Vorläufer zu erforschen.
Die erste industrielle Revolution
Im Jahr 1784 wurde der erste mechanische Webstuhl erfunden, was den Beginn der ersten Stufe der industriellen Revolution und der Industrie 1.0 markierte. Es folgte die Einführung von wasser- und dampfbetriebenen Maschinen, die es den Arbeitern ermöglichten, die Maschinen Tag und Nacht zu betreiben, ohne dass mehrere Arbeiter benötigt wurden. Die Mechanisierung war der Kern der Industrie 1.0 und führte zur modernen Fertigung, wie wir sie kennen.
Die zweite industrielle Revolution
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erschien die Elektrizität, um Wasser und Dampf zu ersetzen, und ermöglichte es den Herstellern, ihre Energiequellen auf einzelne Maschinen zu konzentrieren. Die Ära der Industrie 2.0 ist gekennzeichnet durch die Massenproduktion von Gütern, die mithilfe von Fließbändern und Arbeitsteilung die Arbeitskräfte optimiert.
Die dritte industrielle Revolution
Die dritte Stufe der industriellen Revolution begann in den späten 1960er Jahren mit der Erfindung der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Die breite Anwendung von Elektronik und Informationstechnologie, um eine weitere Automatisierung und Digitalisierung der Fertigung zu erreichen, liegt dem Zeitalter der Industrie 3.0 zugrunde. Technologien wie IoT, Cloud Computing und Big Data Analytics gehören ebenfalls zu den wichtigsten Treibern der dritten industriellen Revolution.
Die vierte industrielle Revolution
Wir befinden uns mitten in der vierten industriellen Revolution - dem nächsten Sprung in der Digitalisierung und Automatisierung des Fertigungssektors, der ein nachhaltiges Produktivitätswachstum verspricht und die Arbeitsweise der Fabriken verändern wird. Die Industrie 4.0 hat die Interaktion zwischen Arbeitern und Maschinen grundlegend verändert. In dieser neuen Ära gehen die Aufgaben der Maschinen über die manuellen Fertigungsprozesse hinaus: Sie beginnen, eine wichtige Rolle im Fertigungsmanagement, der Ressourcenplanung, der Datenerfassung und -analyse sowie der Logistik zu spielen.
Industrie 4.0-Komponenten
Industrie 4.0 bietet neue Möglichkeiten für eine fortschrittliche Produktion mit Hilfe von Technologien, die die menschliche Arbeitskraft ergänzen und verstärken. Die Palette dieser Technologien ist bekannt, denn es handelt sich um die Innovationen, die im letzten Jahrzehnt entstanden sind:
- Internet der Dinge
- 3D-Druck
- Fortgeschrittene Mensch-Maschine-Schnittstellen
- Große Datenmengen
- Erweiterte und virtuelle Realität
Schlüsselkomponente von Industrie 4.0 ist jedoch ein cyber-physisches System (CPS), das eine Kombination aus rechnergestützten und physikalischen Prozessen darstellt.
Wir haben gerade einen Wendepunkt im Bereich der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens erreicht, an dem diese Technologien beginnen, in der realen Welt Anwendung zu finden. Dies ist besonders ermutigend für die Vision der Industrie 4.0, da diese Technologien für die Autonomie, Anpassungsfähigkeit und "Intelligenz", die in der Industrie 4.0 angestrebt werden, von entscheidender Bedeutung sein werden
Stellen Sie sich den Herausforderungen der Industrie 4.0 mit Zuversicht.
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CPS Vorteile und Bedenken
Nach dem Paradigma der Industrie 4.0 sind CPS zunehmend autonom und selbstorganisierend: Sie können Daten sammeln, sie analysieren und sogar Entscheidungen auf dieser Grundlage treffen. Die nächste logische Frage lautet: "Welche Rolle wird der Mensch im Fertigungsprozess spielen?"
Einige Menschen befürchten, dass die Produktionsanlagen ohne Arbeiter auskommen, wenn intelligente Maschinen den Menschen ersetzen. Tatsächlich werden CPS die Bediener nicht ersetzen, sondern nur die Rollen wechseln. Während intelligente CPS den Fertigungsprozess kontinuierlich überwachen, vorhersagen oder Verschiebungen in der Normalität erkennen, greifen Menschen nur bei kritischen Entscheidungen ein. Darüber hinaus kann die Industrie 4.0 neue Arbeitsplätze in den Bereichen Big-Data-Analyse, Industrierobotik und Maschinenbau schaffen sowie die Art und Weise, wie Menschen mit technischen Systemen kommunizieren, revolutionieren und Prozesse erheblich verbessern.
Es wird erwartet, dass sich aus der Ersetzung der heutigen Maschinen durch CPS nacheinander einige wichtige Vorteile ergeben werden:
- CPS unterstützt den Echtzeit-Datentransfer zwischen Industriemaschinen, Produktionskette, Lieferanten und Geschäftssystemen für eine effiziente Entscheidungsfindung
- CPS ermöglicht die Selbstüberwachung, d.h. wenn ein industrielles Betriebsmittel kaputt geht, sendet es eine Warnung an die Supporttechniker, um Probleme proaktiv zu beheben. Das spart Zeit, Geld und Aufwand, um die Systeme funktionsfähig zu halten.
- CPS ermöglicht die tägliche Kontrolle über die gesamte Produktion, was dazu beiträgt, diese besser an die Anforderungen der Verbraucher anzupassen.
- CPS bietet ein höheres Maß an Transparenzund Kontrolle über die Lieferketten und verbessert die Rückverfolgbarkeit und Sicherheit der Waren.
Neue Arten der Mensch-Maschine-Schnittstelle
Da intelligente CPS den Kommunikationsprozess zwischen Mensch und Maschine verändern, erfordern sie neue Arten von Schnittstellen, um eine reibungslose Interaktion zu gewährleisten. Neue Mensch-Maschine-Schnittstellen müssen ausgefeilter sein, um die Effizienz zu steigern und Fernwartungsvorgänge zu ermöglichen, insbesondere wenn die Mitarbeiter in staubigen, feuchten oder dunklen Umgebungen mit Technologien interagieren. Da die Bediener in den Fertigungsprozess einbezogen werden, um wichtige Entscheidungen zu treffen, sollte das HMI-System eine einfache und schnelle Eingabe von Befehlen ermöglichen, um die Genauigkeit, Sicherheit und Geschwindigkeit der Problemlösung zu erhöhen.
Mit diesen Anforderungen im Hinterkopf werden jetzt von Industrie 4.0- und IoT-Entwicklern neue Arten von HMIs implementiert: verbesserte Touch-Schnittstellen, Sprachschnittstellen, Gestenschnittstellen und AR/VR-Tools.
Erweiterte Touch-Schnittstellen
Touchscreen-Displays haben sich seit ihrer Einführung vor rund 20 Jahren erheblich weiterentwickelt und sind benutzerfreundlicher und leistungsfähiger geworden, was die visuelle Darstellung von Daten angeht. Industrielle Schnittstellen ermöglichen IoT und M2M-Konnektivität, so dass produzierende Unternehmen industrielle Vorgänge vor Ort sowohl lokal als auch aus der Ferne überwachen und steuern können. Moderne Touch-Schnittstellen sind empfindlich und ermöglichen die Bedienung von Maschinen auch mit Handschuhen, was dem Bediener zusätzlichen Komfort und Sicherheit bietet.
Sprachschnittstellen
Sprachschnittstellen verfügen in der Regel nicht über einen Bildschirm zur Anzeige von Informationen, sondern erleichtern den Datenzugriff durch freihändige, intuitive und effiziente Interaktionen. In der Industrie 4.0 werden sprachgesteuerte Schnittstellen unverzichtbar, insbesondere dort, wo Maschinen aus der Ferne bedient werden müssen.
Makino, eines der Unternehmen, die Pionierarbeit im Bereich der sprachgesteuerten industriellen HMI geleistet haben, hat Athena entwickelt, das einfache Sprachbefehle zur Steuerung von Produktionsanlagen in der Fertigung verwendet. Die Bediener von Athena können nun nicht nur Befehle aus der Ferne erteilen, sondern auch Fragen zu kritischen Maschinenkennzahlen stellen.
Gestik-Schnittstellen
Ähnlich wie bei Sprachschnittstellen ermöglicht die Gestensteuerung eine berührungslose Bedienung von Industriemaschinen oder Computersystemen. Sie erkennen die Hand- oder Kopfbewegungen des Bedieners und verwenden spezielle mathematische Algorithmen, um Geräte zu steuern oder mit ihnen zu interagieren. Durch eine Vielzahl von Methoden - kabelgebundene Handschuhe, Tiefen- und Stereokameras oder Hand-Tracking-Controller - ermöglichen Gestenschnittstellen eine genauere und schnellere Mensch-Maschine-Interaktion.
VR- und AR-Werkzeuge
Augenblicklich gehören Augmented und Virtual Reality zu den wichtigsten Technologien zur Steigerung der Effizienz, zur Senkung der Betriebskosten und zur Flexibilisierung der Produktion in vielen Fertigungsprozessen, von der Bestandsverwaltung bis zur Mitarbeiterschulung.
Bei Aufgaben am Fließband müssen sich die Mitarbeiter oft extrem konzentrieren, um eine Vielzahl von Komponenten präzise zusammenzufügen. AR-Tools zerlegen diese Komponenten, indem sie wichtige Informationen einblenden, was die Arbeit des Montagepersonals erheblich erleichtert und das Risiko von Fehlern verringert.
Die Mitarbeiter müssen nun nicht mehr in Montagehandbüchern nachsehen und können sich immer sicher sein, was sie als Nächstes tun müssen, was die Leistung erheblich verbessert. Lockheed Martin, das weltweit größte Verteidigungsunternehmen, hat beispielsweise AR für die Montage von Raumfahrzeugen integriert. Da es im Weltraum keine Reparaturwerkstatt gibt, unternimmt das Unternehmen zusätzliche Anstrengungen, um Genauigkeit und Präzision zu gewährleisten. In diesem Fall müssen einige wichtige Teile wie Befestigungselemente mit einer Toleranz von 0,5' platziert werden, und die mit AR-Brillen ausgestatteten Mitarbeiter können diese Komponenten nun zuverlässig ausrichten. Lockheed berichtet, dass es für jedes Befestigungselement, das jedes Jahr in Millionenhöhe bestellt wird, 38 Dollar an Berührungsarbeit einspart.
Ein weiterer Bereich, in dem sich AR und VR in der Fertigung auswirken, ist die Schulung der Mitarbeiter. Bei der Einarbeitung eines neuen Mitarbeiters gibt es viele Herausforderungen, darunter die Verfügbarkeit von Ausrüstung und Trainern. Außerdem ist es oft kostspielig, einige Szenarien vor Ort nachzustellen, insbesondere solche, die die Sicherheit betreffen. Lockheed Martin hat AR auch eingesetzt, um seinen Mitarbeitern animierte Anleitungen für den Zusammenbau von Raumschiffkomponenten zu geben. Das Unternehmen berichtet von einer atemberaubenden Zeitersparnis von 95 % bei der Interpretation von Montageanweisungen durch die Mitarbeiter. Letztendlich sorgen diese Technologien einfach für ein intensiveres Training am Arbeitsplatz, was die Zufriedenheit der Mitarbeiter ausreichend erhöht.
Zu guter Letzt können AR und VR auch die Zeiten für Wartung und Fehlererkennung drastisch verkürzen. ThyssenKrupp, ein großer Aufzughersteller, hat beispielsweise seine Techniker mit AR-Tools für Reparaturarbeiten ausgestattet. Jetzt können Servicetechniker Probleme zuverlässiger erkennen und erhalten eine in Echtzeit eingeblendete Anleitung. Das Unternehmen behauptet, dass die Techniker eine Reparatur nun viermal schneller abschließen können als zuvor.
Jenseits des Hypes
Es mag kontraintuitiv klingen, aber damit diese Technologien langfristig echte Vorteile bringen, bedarf es mehr als nur ihrer Einführung in die Fertigungsabläufe.
In dem jüngsten Bericht von Deloitte mit dem Titel Industrie 4.0: At the intersection of readiness and responsibility" gaben zwei Drittel der befragten Unternehmen an, dass sie Ad-hoc-Ansätze für Industrie 4.0 verfolgen, während nur 10 % der Befragten unter den Unternehmensleitern angaben, dass sie über längerfristige Strategien verfügen, um den maximalen Nutzen aus verschiedenen HMI-Systemen zu ziehen. Es überrascht nicht, dass die letztgenannte Gruppe insgesamt weitaus erfolgreicher war.
In diesem Fall geht es bei dem langfristigen Ansatz nicht um die Erstellung kontinuierlicher Technologieeinführungspläne und Produktkonfigurationsstrategien, sondern darum, ein Gleichgewicht zwischen Gewinn und sozialer Verantwortung zu finden. Der PwC-Bericht "Digital Product Development 2025" ergab, dass die Unternehmen, die sich auf Product Lifecycle Management und Enterprise Resource Planning konzentrieren, eine Effizienzsteigerung bei der Produktentwicklung von 31 % und eine Verkürzung der Markteinführungszeit von 28 % erwarten.
Diese Verlagerung der Aufmerksamkeit auf Nachhaltigkeit und soziale Verantwortung der Unternehmen ist weitgehend auf den zunehmenden Druck von Kunden und Mitarbeitern zurückzuführen. Während in einer idealen Welt der Fokus auf Nachhaltigkeit das Ergebnis der inneren sozialen Verantwortung von Unternehmensleitern sein sollte, sind die heutigen Kunden, Mitarbeiter und Interessengruppen zunehmend mit der Umwelt beschäftigt. Viele sehen den Fokus ihres Unternehmens auf gesellschaftliche Themen durch die Erwartungen von Vorständen und Kunden getrieben:
Damit sind wir an dem Punkt angelangt, an dem diejenigen, die eine umfassende CSR-Politik verfolgen, in der Lage sein werden, schneller zu innovieren, bessere Fachkräfte einzustellen und ein stetiges Wachstum zu erleben.
HMI: Tipps zur Umsetzung
Keine große Neuigkeit hier, Sie brauchen einen Implementierungsplan. Da Unternehmen die maximalen Vorteile von Industrie 4.0 und HMIs nutzen wollen, ist es entscheidend, die folgenden Implementierungsschritte zu berücksichtigen:
- Zunächst müssen Unternehmen mit der Durchführung von Audits beginnen, um ihre aktuelle Position auf der Reifeskala für Industrie 4.0 zu bewerten, gefolgt von der Aufstellung eines langfristigen F&E-Plans.
- Als Nächstes ist es wichtig, neue Führungspositionen zu schaffen, die für die Einführung und Nutzung der HMIs und die Identifizierung neuer Investitionsmöglichkeiten verantwortlich sind. Später müssen diese Führungskräfte auch für die Zuweisung von Teams sorgen, die sich für Innovationen einsetzen.
- Als Vorbereitung auf den Wandel empfiehlt es sich auch, ausreichende Schulungs- und Entwicklungsprogramme für die Mitarbeiter zu schaffen. Es bleibt jedoch eine große Herausforderung, herauszufinden, welche Fähigkeiten Ihre Mitarbeiter genau benötigen. Deshalb ist es wichtig, eine langfristige F&E-Strategie zu verfolgen, wie sie im ersten Schritt beschrieben wurde.
Abschließende Gedanken
Mit Sprach- und Gestensteuerung, verbesserten Touch-Interfaces und VR/AR-Tools verlagern sich die Mensch-Maschine-Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine in dieser Industrie 4.0-Evolution zu einer vollständig digitalen Automatisierung. Die neuen Arten von HMIs können viele Vorteile für intelligente Fabriken bringen, indem sie deren Effizienz verbessern und Ausfallzeiten verringern. Darüber hinaus können sie bei sich wiederholenden Tätigkeiten oder in gefährlichen Umgebungen den Betrieb erleichtern und für zusätzliche Sicherheit am Arbeitsplatz sorgen.
