HMI / Visualisierung – Übersicht

Früher bestand die Bedienung einer Maschine aus einer Reihe fest verdrahteter Elemente: ein grüner Taster zum Starten, ein roter zum Stoppen, ein paar Meldeleuchten, vielleicht ein Wahlschalter für Hand- und Automatikbetrieb. Jeder dieser Bedienteile war einzeln verkabelt und mit der Steuerung verbunden. Wollte man eine zusätzliche Anzeige, musste man eine weitere Leuchte einbauen und ein Kabel ziehen.

Ein HMI, das Human-Machine-Interface, ersetzt dieses fest verdrahtete Pult durch einen Bildschirm. Statt physischer Taster und Leuchten gibt es jetzt Bedien- und Anzeigeobjekte auf dem Display, die per Software mit der Steuerung verknüpft sind. Eine neue Anzeige bedeutet keine neue Verkabelung mehr, sondern nur ein zusätzliches Objekt im Projekt.

Die Aufgabe eines HMI lässt sich auf zwei Wörter bringen: bedienen und beobachten. Bedienen heißt, dem Prozess Befehle geben – starten, stoppen, Sollwerte vorgeben, Betriebsart wählen. Beobachten heißt, den aktuellen Zustand sehen – läuft der Motor, wie hoch ist der Druck, gibt es eine Störung.

Ein HMI ist dabei nicht dasselbe wie ein SCADA-System. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) überwacht und steuert ganze Anlagen oder sogar mehrere Standorte zentral von einem Leitstand aus und sammelt langfristig Prozessdaten. Ein HMI sitzt dagegen direkt an einer Maschine oder einem Anlagenteil und bedient genau diesen Bereich. SCADA ist ein eigenes, großes Feld und nicht Thema dieses Beitrags.

HMI-Geräte gibt es in mehreren Bauformen, die sich nach Bedienart, Größe und Robustheit unterscheiden.

Das Tastenpanel hat physische Tasten rund um oder unter dem Display. Es eignet sich dort, wo mit Handschuhen bedient wird oder ein klarer Druckpunkt gewünscht ist. Das Touchpanel verzichtet auf physische Tasten und wird komplett über den Bildschirm bedient. Hier unterscheidet man zwei Technologien: resistive Touchscreens reagieren auf Druck und funktionieren auch mit Handschuh oder Stift, lösen aber gröber auf. Kapazitive Touchscreens reagieren auf die Berührung der Fingerhaut, bieten Gesten wie Wischen und Zoomen, brauchen aber meist die bloße Hand oder spezielle Handschuhe.

Für größere Anwendungen kommt der Industrie-PC zum Einsatz – ein robuster Rechner mit Monitor, auf dem eine vollwertige Visualisierungssoftware läuft. Er bietet mehr Rechenleistung und Bildschirmfläche als ein kompaktes Panel.

Bei der Auswahl spielen mehrere praktische Kriterien zusammen:

Die Schutzart (IP) beschreibt, wie gut ein Gehäuse gegen Fremdkörper und Wasser geschützt ist. Sie wird mit dem Kürzel IP und zwei Ziffern angegeben – die erste für Fremdkörper und Staub, die zweite für Wasser. An der Front eines Panels ist eine hohe Schutzart wichtig, weil dort gereinigt wird; die Rückseite sitzt geschützt im Schaltschrank.

Ein HMI zeigt von sich aus gar nichts an – es hat keine eigene Prozesslogik. Alle Werte, die auf dem Bildschirm erscheinen, kommen aus der SPS. Und jeder Tastendruck auf dem Panel landet als Wert in der SPS. Das HMI ist also ein Fenster auf die Daten der Steuerung.

Damit das funktioniert, wird jedes Objekt auf dem Bildschirm mit einer Variablen in der SPS verknüpft. Solche Variablen heißen oft Tags. Eine Statusleuchte für „Motor läuft“ wird zum Beispiel mit einem Ausgang oder einem Merker der SPS verbunden. Ein Eingabefeld für den Soll-Druck schreibt seinen Wert in einen Datenbaustein. Diese Verknüpfung kann in zwei Richtungen gehen:

• Lesen: Das HMI holt einen Wert aus der SPS und zeigt ihn an (z. B. aktuelle Temperatur).
• Schreiben: Das HMI gibt einen Wert in die SPS (z. B. neuer Sollwert, Start-Befehl).

Die Anbindung der Variablen bezieht sich auf die übliche Struktur einer Steuerung aus Eingängen, Ausgängen, Merkern und Datenbausteinen. Wie diese intern adressiert werden, ist ein eigenes Thema – hier reicht das Verständnis, dass jedes Bildschirmobjekt auf genau eine solche Adresse zeigt.

Physikalisch hängt das Panel über ein Bussystem oder ein Netzwerk an der SPS. Gängig sind heute Ethernet-basierte Industrienetze wie Profinet, daneben ältere Feldbusse wie Profibus. Über dieses Netz tauschen HMI und SPS laufend Werte aus. Fällt die Verbindung aus, zeigt das Panel keine aktuellen Werte mehr – ein häufiger Fehlerfall, auf den wir in Kapitel 6 zurückkommen.

Das folgende Blockschema zeigt den Datenfluss von links nach rechts: Der physische Prozess liefert Signale an die SPS, die SPS verarbeitet sie und tauscht über das Netzwerk Werte mit dem HMI aus.

Ein HMI is nur so gut wie seine Bedienoberfläche. Eine überladene, unlogisch aufgebaute Visualisierung kostet im Störungsfall wertvolle Sekunden, weil der Bediener erst suchen muss.

Sinnvoll ist eine Bildhierarchie. Das Startbild oder Übersichtsbild zeigt den Gesamtzustand der Anlage auf einen Blick. Von dort gelangt man über Navigation zu Detailbildern für einzelne Anlagenteile. So bekommt der Bediener erst den Überblick und kann dann gezielt ins Detail gehen, statt alles auf einem überfrachteten Bild zu sehen.

Die typischen Objekte auf einem HMI-Bild sind:

• Schaltflächen für Befehle wie Start, Stopp, Quittieren
• Anzeigefelder für Zahlenwerte wie Temperatur oder Stückzahl
• Balken und Zeiger für analoge Größen, die sich laufend ändern
• Symbole für Anlagenteile wie Motoren, Ventile, Behälter
• Statusleuchten für Ein/Aus-Zustände

Bei der Gestaltung gelten ein paar Grundregeln, die sich in der Praxis bewährt haben. Die Oberfläche sollte über alle Bilder hinweg konsistent sein: gleiche Funktion an gleicher Stelle, gleiche Farbe für gleiche Bedeutung. Die Schrift muss aus normalem Bedienabstand lesbar sein. Zusammengehörige Elemente werden räumlich gruppiert, damit das Auge sie als Einheit erfasst. Und es gilt: weniger ist mehr – nur anzeigen, was der Bediener in dieser Situation wirklich braucht.

Neben dem laufenden Anzeigen von Werten ist die Meldeverwaltung eine Kernaufgabe jedes HMI. Hier unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten:

• Betriebsmeldungen informieren über den normalen Ablauf: „Charge fertig“, „Tür geöffnet“, „Handbetrieb aktiv“. Sie sind keine Störung, sondern Status.
• Störmeldungen weisen auf einen Fehler hin, der ein Eingreifen verlangt: „Motorschutz ausgelöst“, „Druck zu hoch“, „Sensor defekt“.

Ein zentraler Mechanismus ist die Schwellenwertüberwachung von Analogwerten. Das HMI – oder die SPS, die dem HMI den Status liefert – vergleicht einen laufenden Messwert wie Temperatur oder Druck mit festgelegten Grenzwerten. Wird ein Grenzwert überschritten, ändert sich die Darstellung: Ein Anzeigefeld wechselt die Farbe, ein Balken läuft in den roten Bereich, oder es wird eine Alarmmeldung ausgelöst. So erkennt der Bediener eine kritische Entwicklung, bevor sie zum Schaden führt. Die Grenzwerte werden bei der Projektierung festgelegt, oft mehrstufig – etwa eine Vorwarnung und ein echter Alarm bei einem höheren Wert.

Störmeldungen müssen quittiert werden. Quittieren heißt: Der Bediener bestätigt, dass er die Meldung zur Kenntnis genommen hat. Erst dann verschwindet sie aus der aktiven Anzeige, bleibt aber im Meldearchiv gespeichert. Diese Historie ist wichtig für die Fehlersuche – man sieht, welche Störung wann aufgetreten ist und wie oft.

Damit nicht jeder alles verstellen kann, gibt es eine Benutzerverwaltung mit Zugriffsrechten. Ein einfacher Bediener darf starten, stoppen und quittieren. Sollwerte oder Maschinenparameter ändern dürfen nur Personen mit höherer Berechtigung, etwa aus der Instandhaltung. So verhindert man Fehlbedienungen und unbefugte Eingriffe.

Bei den Meldefarben gilt das Prinzip aus der Bedienpraxis: Rot signalisiert Gefahr oder Störung, Gelb eine Warnung oder einen Zustand, der Aufmerksamkeit erfordert, Grün den sicheren Normalbetrieb. Diese Bedeutungen sollten über die ganze Anlage einheitlich verwendet werden, damit eine Farbe immer dasselbe heißt.

Eine klare Grenze gibt es beim Not-Halt: Die Not-Halt-Funktion darf niemals über eine Schaltfläche auf dem Touchpanel laufen. Not-Halt muss ein fest verdrahteter, mechanischer Taster sein, der unabhängig von Software und Panel wirkt. Das HMI darf einen Not-Halt-Zustand höchstens anzeigen, aber nicht auslösen oder aufheben. Die Sicherheitsanforderungen dazu sind ein eigens Thema.

Ein HMI-Projekt entsteht am Rechner mit einer Engineering-Software des jeweiligen Herstellers. Dort werden die Bilder gezeichnet, die Objekte angelegt und mit den SPS-Variablen verknüpft. Anschließend wird das fertige Projekt auf das Panel übertragen. Erst auf dem Panel und im Zusammenspiel mit der echten SPS zeigt sich, ob alles passt.

Bei der Inbetriebnahme treten typische Fehler immer wieder auf:

• Falsche Variablenverknüpfung: Ein Objekt zeigt auf die falsche Adresse. Die Anzeige bleibt leer, zeigt einen falschen Wert oder ein Befehl wirkt nicht – wie in Kapitel 3 beschrieben.
• Kommunikationsabbruch: Das Panel erreicht die SPS nicht. Ursachen sind ein falsch gesteckter Stecker, eine falsche Netzwerkadresse oder ein Verkabelungsfehler.
• Adresskonflikt: Zwei Teilnehmer im Netz haben dieselbe Adresse, was die Kommunikation stört.

Steht alles, gehört eine Datensicherung zum Pflichtprogramm. Vom fertigen, getesteten Projekt wird ein Backup angelegt. Geht ein Panel kaputt, lässt sich das Ersatzgerät damit in kurzer Zeit auf denselben Stand bringen, statt die Visualisierung neu zu erstellen.

Für die laufende Wartung prüft man regelmäßig die Funktion von Touch und Anzeige, reinigt die Front fachgerecht und hält die Backups aktuell. Bei Erweiterungen der Maschine wird das HMI-Projekt entsprechend ergänzt und erneut gesichert.

Bei der Farbgestaltung von Meldungen und Zuständen empfiehlt es sich, die in Kapitel 5 genannten Bedeutungen – Rot für Störung, Gelb für Warnung, Grün für Normalbetrieb – über alle Anlagen eines Betriebs gleich zu halten. Das erleichtert das Bedienen für Personal, das zwischen mehreren Maschinen wechselt.