Die Mensch-Maschinen-Schnittstelle (MMS) - Polysoude

Mensch-Maschine
Die Mensch-Maschinen-Schnittstelle (MMS)
... und das mechanisierte, automatisierte WIG-Orbitalschweissen
Das erklärte Ziel eines jeden Herstellers von Maschinen und
Automaten ist die sichere und einfache Bedienung der Geräte,
um sie somit einer möglichst grossen Anzahl von Anwendern
zugänglich zu machen.
Die Autonomie/Selbständigkeit des Bedieners möglichst schnell
und ohne viel Schulungsaufwand zu erreichen ist eine weitere
Herausforderung, da dies zu einer Kostenreduzierung und
damit zu einem wirtschaftlichen Vorteil sowohl für den Betreiber
als auch für den Hersteller führt.
Mit dieser kurzen Einleitung ist klar, wo heute der Schwerpunkt
bei der Entwicklung von Anlagen zum Orbital- und mechanisierten/automatisierten
Schweissen liegt.
Hans-Peter Mariner, POLYSOUDE S.A.S., Nantes
Was ist eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle (MMS), wie sieht
sie aus, welchen Anforderungen muss sie gerecht werden oder
umgekehrt, welche Eigenschaften sollte sie besitzen?
Definition: Mensch-Maschinen-Schnittstelle (MMS)
Mit Mensch-Maschine-Schnittstelle wird der Teil einer Anlage/
Maschine bezeichnet, der mit dem Menschen interagiert. Sie
muss, um vom Menschen bedienbar zu sein, speziell den Bedürfnissen
des Menschen angepasst sein. In der Forschung
und Entwicklung werden diese Aspekte für die Definition der
Benutzerschnittstelle berücksichtigt.
Die MMS erlaubt dem Mitarbeiter das Bedienen der Maschine,
das Beobachten der Anlagenzustände und falls erforderlich, das
Eingreifen in den Prozess. Die Bereitstellung der Informationen
erfolgt entweder hardwaretechnisch über Bedienpulte mit Signallampen,
Anzeigefeldern und Tastern oder softwaretechnisch
über ein Visualisierungssystem, das auf einem Bildschirm
läuft.
Abb. 1+2: Beispiel einer «historischen» Mensch-Maschine-
Schnittstelle: Dampflokomotive und TGV-Hochgeschwindigkeitszug
Ein alltägliches Beispiel ist ebenfalls die Schnittstelle Fahrer/
Auto: Pedale, Lenkrad, Schalthebel usw. gehören zu den Befehlsgebern/Bedienungselementen.
Das Armaturenbrett mit den verschiedenen Anzeigen gehört
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zur Informationsebene.
Die gesamte Gestaltung ist übersichtlich und leicht, meist intuitiv
erlernbar.
Die Verwendung von Symbolen, gegenüber Erläuterungen oder
Text allgemein, sind aus verschiedenen Gründen vorzuziehen,
aber, wie beispielsweise einige Warnzeichen, erklärungsbedürftig.
Ein solches Visualisierungssystem besteht aus einem PC mit
Bildschirm und Tastatur bzw. Maus oder einem Touchscreen.
Manche Systeme benötigen ein firmenspezifisches Betriebssystem
mit Computer. Besser ist es jedoch, wenn das System
auf einem handelsüblichen PC implementiert werden kann.
Durch einzelne Bildschirmobjekte und Grafiken entsteht dann
eine Bedieneroberfläche, welche die Funktionen und die gespeicherten
Daten der Maschine wiedergibt.
Die MMS ist über ein Bussystem (MPI, Profibus, Ethernet) mit
der SPS gekoppelt.
Abb. 3: Graphisch unterstützte Bedienerführung einer Orbitalschweissanlage
Soviel zur allgemeinen Beschreibung der Mensch-Maschinen-
Schnittstelle (MMS), über die sämtliche Interaktionen mit der
Anlage, mehr oder weniger einfach aus Sicht des Bedieners,
abgewickelt werden. Die wesentlichen «Schlagwörter» und
damit Merkmale bzw. Ausdruck für die Qualität der Schnittstelle
sind:
Intuitiv – intelligent – sprachneutral – der Aufgabe entsprechend
minimalistisch
Für die Zukunft «offene» und «kommunizierende»
Anlagen-Konzepte
Neben einer graphisch unterstützten Mensch-Maschinen-
Schnittstelle (MMS) bietet moderne Industrieelektronik noch
eine ganze Reihe weitere Möglichkeiten, um dem Bediener das
Leben zu vereinfachen, bzw. ihm die Möglichkeit zu bieten, sich
auf wesentliche Einflussgrössen, auf welche die «Maschine»
keinen Einfluss hat, zu konzentrieren.
Ein Beispiel ist die eigenständige Anlagenkonfiguration, d. h.
die automatische Erkennung des jeweils angeschlossenen
«Werkzeuges» wie z.B. des Schweisskopftyps und seiner Parameter
ohne manuelle Eingabe. Somit ist gewährleistet, dass
die Orbitalschweissanlage und deren Schweissprogramme für

Abb. 4–7: Automatische Schweisskopferkennung
alle verständlich die Schweissgeschwindigkeit direkt in absoluten
Werten (mm oder Zoll / min) ausdrückt und dies unabhängig
von der Mechanik des jeweiligen Schweisskopfes.
Die Auto-Programmierung
Es ist bereits schwierig, die 3 bzw. 4 Grundparameter (Schutzgas,
Schweissstrom, Schweissgeschwindigkeit, Drahtgeschwindigkeit)
einer Orbitalschweissanlage abhängig von der
Schweissposition zum Erzielen einer rundum gleichmässigen
Schweissnaht einzustellen. Wie schwierig es ist die 25 bis 30
Parameter einzustellen, welche sich ergeben, sobald man alle
Möglichkeiten einer modernen Anlage mit pulsierendem
Schweissstrom, pulsierender zum Schweissstrom synchronisierter
Schweiss- und Drahtgeschwindigkeit, etc. und deren
Kombinationsmöglichkeiten nutzen will, ist leicht nachzuvollziehen
und keinem Bediener zuzumuten.
Mit Hilfe einer Programmbibliothek oder der mathematischen
Berechnung von Schweissparametern, dem sogenannten „Synergie-Betrieb“
mit vorprogrammierten Parametern abhängig
von ihrer Aufgabenstellung, wird die Bedienung der Anlage
sehr einfach.
Abb. 8+9: Schweissversuche zur empirischen Ermittlung
eines mathematischen Modells zur Berechnung von Parametern
. Grundwerkstoffe 304L und 316 L
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Der Gerätehersteller übernimmt die Aufgabe der Parameteroptimierung
auf Basis von Probeschweissungen, unterschiedlicher
Aussendurchmesser, Wandstärken und Materialchargen
und den davon abgeleiteten Algorithmen.
Ein garantiert reproduzierbares Schweissergebnis
Die errechneten oder aus einer Programmbibliothek stammenden
elektrischen Parameter eines Schweissprogramms führen
nur dann zum erwarteten, reproduzierbaren Schweissergebnis,
wenn die dazugehörenden mechanischen Parameter allerseits
verständlich erfasst und dokumentiert wurden.
Abb. 10–13: Zeigen eine Vielzahl mechanischer Parameter als
Einflussgrössen
Ein Schweissprogramm mit seinen ausschliesslich elektrischen
Parametern ist nur ein Bestandteil einer kompletten Schweissanweisung,
die darüber hinaus sämtliche Randbedingungen,
insbesondere die sogenannten mechanischen Parameter, beinhaltet.
Abb. 14: Von der Anlage dokumentierte mechanische Parameter
für Brennereinstellung und Drahtzuführung
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Abb. 15: Von der Anlage dokumentierte mechanische Parameter
der Bauteilvorbereitung
Das Ergebnis
Die einfache Eingabe des Rohrdurchmessers, der Wandstärke
und des Grundwerkstoffes reichen aus, damit die Anlage für
jede Aufgabe nicht nur ein Schweissprogramm sondern eine
komplette Schweissanweisung passend zum angeschlossenen
Schweisskopf vorschlägt.
Schweissbereit in Sekunden
Programmoptimierungen, Anpassungen an Chargenunterschiede,
Draht- und Gastoleranzen bzw. die Umgebungstemperatur
sind über die graphisch unterstützte Mensch-Maschinen-Schnittstelle
(MMS) entweder on-line während oder offline
nach Beendigung einer Referenzschweissung leicht möglich
und können auf Wunsch dauerhaft im Maschinenspeicher abgelegt
werden.
Programmoptimierung
Auch hier bietet der Entwickler und Hersteller eine Hilfestellung
in Form eines Expertenmenus mit «Ablaufdiagramm», welches
zur strukturierten und systematischen Optimierung eines
Schweissprogramms führt.
Die «offene, kommunizierende» Bauweise einer Anlage ermöglicht
die Übertragung von kompletten Schweissanweisungen
oder aufgezeichneten Istwerten mittels USB oder
Ethernet-Schnittstelle an einen zentralen Leitstand oder andere
mobile Arbeitsplätze.
Abschliessend kann gesagt werden, dass eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle
(MMS) unbegrenzt erweiterbar ist und die
darüber bediente bzw. gesteuerte Anlage dank der heute dafür
entwickelten Softwareplattform «zeitlos» ist und damit an
immer neue Bedürfnisse angepasst werden kann.
In diesem «offenen» Sinne ist es nach der automatischen
Schweisskopferkennung, der automatischen Schweissprogrammerstellung
nur ein kleiner Schritt zur automatischen Bauteilerkennung
z.B. mittels Barcodelesegerät und der damit verbundenen
selbsttätigen Auswahl der entsprechenden Schweissanweisung
aus dem Maschinenspeicher der Orbital-
schweissanlage.
Moderne Anlagen-Konzepte sollten derartige Entwicklungen
bereits beinhalten und somit dem technischen Anforderungsprofil
der Anwender entsprechen!
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Abb. 16: Eingabe der Auswahlkriterien
Abb. 17: Suchergebnis, einer den Auswahlkriterien entsprechenden
Schweissanweisung
Abb. 18: Graphische Darstellung eines Schweissprogrammes
mit direkter Eingabemöglichkeit
Abb. 19: Expertenmenu zur Schweissprogrammoptimierung