HMI-Design erobert industrielle Anwendungen

Von Heiko Luckhaupt, Category Marketing Manager A&C, RS Components

Fortschritte im Bereich des Human Machine Interface (HMI) waren in den vergangenen zehn Jahren kennzeichnend für die Entwicklungen im Unterhaltungselektronik-Markt. Heutzutage erwarten Menschen von allen Produkten, die sie benutzen, ein gutes Aussehen und eine leichte Bedienung.

Bei diesem Trend liegt der Schwerpunkt sowohl auf Substanz als auch auf Stil. Der Bau eines Smartphone-HMI ist natürlich eine komplexe und umfangreiche technische Meisterleistung. Jedoch sollte genauso viel Kompetenz und Fachwissen in die Konstruktion eines scheinbar einfachen Produktes, wie z.B. einem WLAN-Router/Modem fließen. Lediglich drei oder vier LEDs und zwei Taster genügen, um ausreichend Informationen zu liefern, damit ein Laie die Montage in Eigenregie durchführen kann sowie um bei Problemen eine Ferndiagnose über einen telefonischen Helpdesk zu ermöglichen.

Viele der Grundsätze, die im Verbraucherbereich gelernt wurden, finden nun Anwendung beim HMI-Design für industrielle Automatisierung und Bedienfelder. Am auffälligsten ist die beim Bau von Schalttafeln vermehrte Verwendung graphischer Touchscreens, welche die herkömmlichen "Steuer"-Geräte wie z.B. Anzeige-Elemente, Displays und Schalter ersetzen. Viele Steuerungen und SPS-Geräte verfügen heutzutage über graphische Benutzeroberflächen, die mehr Gemeinsamkeiten mit Desktop-PCs als mit den einfachen Knöpfen und Messgeräten der Vergangenheit haben.

Eins jedoch steht fest: das moderne HMI-Design bedeutet mehr als nur Touchscreens. Durch Kombinieren von herkömmlichen Lösungen mit dem Interface-Design der neuen Generation sind Hersteller nun in der Lage, die weltweit besten Geräte in Bezug auf Robustheit, einfachen Einbau, Preis und Rückwärtskompatibilität zu produzieren.

Ein Händler wie RS kann jede beliebige Komponente liefern, die benötigt wird, um das Beste aus dieser neu entdeckten Flexibilität zu machen und zusätzlich die technische Unterstützung bereitstellen, die für Schaltschrankbauer erforderlich ist, um fundierte, kreative und zuverlässige Auswahlen über die richtige Lösung sowohl in Bezug auf den Bau neuer Installationen als auch auf die Wartung und Aktualisierung bestehender Ausrüstungen zu treffen.

Schalter und Anzeige-Elemente bleiben beim Thema "Überwachung und Steuerung von Funktionen" die erste Wahl: obwohl oft als "herkömmliche" Lösungen gesehen, blieben diese Produkte keineswegs vom technologischen Fortschritt unberührt.

Moderne Produkte sind schnell und einfach aufzubauen, oftmals werkzeugfrei und mit nur zwei Händen. Eine Reihe von Funktionen, einschließlich Wahlschalter und sicherer Schlüsselschalter sind in Einbaudurchmessern von 16 mm bis 30 mm erhältlich. Die Umstellung auf LED-basierte Beleuchtung bedeutete eine Erweiterung der Farbpalette für die Konstrukteure sowie eine Senkung der Energie, die zur Herstellung eines übersichtlichen, benutzerfreundlichen Displays erforderlich ist. Es gibt nun Produkte mit einer noch größeren Robustheit und einem höheren Schutz gegenüber Umwelteinflüssen, die sich zudem durch eine höhere Lebensdauer unter fast allen Bedingungen auszeichnen.

 

Die Harmony ZB4/XB4-Serie von Schneider Electric zeigt auf beispielhafte Weise viele dieser Trends. Konstruiert, um den Anforderungen des Industriestandards für 22-mm-Bohrungsbefestigungen gerecht zu werden, zeichnet sich das Harmony ZB4/XB4 durch folgende Merkmale aus: Schalter mit Federrückstellung; beleuchtete Drucktasten; Pilz-Notaus-Schalter mit Schnappverriegelung; LED-, Glühlampen-, und Neon-Meldeleuchten; Wahl- und Schlüsselwahlschalter.

 

Gebaut nach Schutzart IP66 und IP69K und mit den internationalen Standards, unter anderem, EN/IEC, UL, CSA, CCC und NEMA übereinstimmend, vereinen diese robusten Geräte einen elektrischen Niederlast-Kontakt mit Hochleistung. Einfachheit und schnelle Montage mit einer einzigen Verriegelungsschraube mit Verdrehsicherung sind wichtige Eigenschaften, die eine einfache Entfernung und Montage mit nur einer Hand ermöglichen.  

ABB bietet auch ein umfangreiches Sortiment an Steuergeräten, die sich mit einer breiten Palette von Niederspannungsprodukten wie Schützen, Sanftanlassern, DOL- und Y/D-Startern, elektronischen Relais, Unterbrechern und Schaltern, kombinieren lassen.

Das Unternehmen bietet modulare und kompakte Gerätefamilien: geboten wird eine große Auswahl an Operatoren, die sich mit einer hohen Flexibilität und einer urheberrechtlich geschützten Schnappkonstruktion für eine einfache und schnelle Montage kombinieren lassen. Die Kompakt-Gruppe zeichnet sich durch eine "Alles-in-Einem"-Bauweise sowie durch eine zuverlässige Konstruktion für zusätzliche Einfachheit und eine leichte Montage aus.

Die gesamte Kompakt-Gruppe sowie ausgewählte Geräte aus der modularen Gruppe sind nach IP67 und IP69K zugelassen. Dies bedeutet, dass die Produkte einem regelmäßigen Untertauchen sowie Wasserspritzer bei Hochdruck und hoher Temperatur standhalten, wie es in Branchen wie der Zement-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie erforderlich ist.

Neben seinem Standard- und Hochschutz-Sortiment aus Titan-Drucktastern und Anzeige-Elementen bietet Eaton die RMQ16-Produktreihe, die für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot geeignet ist. Die verschiedenen Schalttafel-Elemente können bündig und lückenlos an allen vier Seiten angebracht werden. Verglichen mit dem herkömmlichen 22-mm-Sortiment kann durch die Verwendung der RMQ16-Geräte mit ihrem Vorderseiten-Maß von 18 mm x 18 mm die dreifache Informationsdichte erzielt werden.

Die Gruppe beinhaltet zwei Frontelement-Größen: 25 x 25mm und 18 x 18mm, die beide dieselbe Standard-Montageöffnung von 16,2mm verwenden. Steuerungsgeräte können mit den LEDs anstelle von Glühlampen geliefert werden, die einen Lampenwechsel wirksam verhindern, da die Lebensdauer von LEDs länger als die der Maschine ist.

Bei Anwendungen im Bereich Sicherheit und Zugangskontrolle bietet Eaton auch ein Modul zur Fingerabdruckerkennung, bei dem Probleme wie verlorene Schlüssel, verlegte Ausweise oder vergessene PIN-Nummern der Vergangenheit angehören.  Das M22-ESA benötigt lediglich eine Standard-Aufnahmeöffnung mit einem Durchmesser von 22,5 mm und ist mit Hilfe eines patentierten Moeller-Werkzeuges einfach zu montieren. Das System speichert bis zu 100 verschiedene Fingerabdrücke.

Das Gerät Schneider Harmony XB5R bietet eine interessante Variante des Drucktasten-Themas, da es Energiegewinnungstechniken nutzt und somit über einen drahtlosen Fern-Schalter verfügt. Die drahtlose Verbindung funktioniert in einer Entfernung von bis zu 40 m in Innenräumen und bietet eine absolute Flexibilität des Steuerungsstandortes, wodurch sich der Bediener frei um die Maschine herum bewegen kann.

Der drahtlose Betrieb spart nicht nur Zeit und Kosten bei der Installation ein, sondern schaltet das Risiko von Kabelschäden und Problemen verwendeter Schaubklemmen aus. Ohne Kabeleinführung ist auch die Wahrscheinlichkeit eines Staubeintritts geringer. Energiespeicherungstechnologie bedeutet, dass während der Lebensdauer des Schalters keinerlei Batterien ausgetauscht oder entsorgt werden müssen.

Im Bereich von Druckschalter / Anzeige-Element sind die Drucktasten und Anzeigelampen des Siemens SIRIUS 3SB3 sowohl in Kunststoff als auch in Metall erhältlich und lassen sich leicht von einer Person mit nur einem Schraubenzieher montieren.

Die Geräte verbinden sich mit Steuerungssystemen sowohl über die Siemens-AS-Schnittstelle als auch über herkömmliche industrielle Steuerungen. Für spezielle Umgebungsbedingungen wie Ölbeständigkeit bietet das Unternehmen die Polyamid- und Metallausführungen.

Steuertafeln müssen häufig die Überwachung bestimmter Größen wie Temperatur, Durchfluss, Druck oder Geschwindigkeit beinhalten. Diese müssen nicht nur für den Bediener klar lesbar sein sondern auch eine Benutzer-Interaktion zulassen.

Die heutigen Schalttafel-Temperatur- und Prozesssteuerungen unterstützen eine Reihe von Funktionen, von der einfachen Ein-/Aus-Steuerung bis hin zur vollständigen PID-Regelung. Hersteller sorgen für fast jeden Eingangstyp, einschließlich Spannung, Stromstärke, Thermoelemente und Widerstandsgeräte. Geräte enthalten üblicherweise Alarmfunktionen, die Betreiber warnen können, wenn sich Parameter außerhalb des Toleranzbereichs befinden.

So zum Beispiel bietet die PA 400 Prozesskontroll-Überwachungsanlage von Baumer einen vollen Funktionsumfang. Mit allen Prozesssignalen in den Bereichen ±10V DC oder ±20mA kompatibel, verfügt das Gerät über eine vertraute 14mm-große rote LED-Anzeige und eine Alarmfunktion für Sensorfehler und Skalenüberschreitung. Zudem kann es über drei Tasten auf der Vorderseite programmiert werden. Darüber hinaus bietet es einen 24V DC / 25mA - Sensorausgang und ist in einer Ausführung mit zwei Alarmschwellen und Relaisausgang erhältlich.

Die Notwendigkeit der Meldung von Alarmsituationen, zusammen mit der erhöhten Robustheit und Flexibilität der LCD-Anzeigetechnologie führte zu einem vermehrten Einsatz von Farbwechseltechniken in alphanumerischen Anzeigefeldern, um Anwendern deutlichere visuelle Nachrichten zu liefern.

Temperaturregler vom Typ E5C sowie digitale Zeitschaltuhren H5CX und digitale Zähler H7CX aus dem Hause Omron nutzen ein solches System mit einem zwei- oder dreifarbigen Display (rot, gelb und grün), mit denen ein Erreichen von Sollwerten oder ein Überschreiten von Grenzwerten deutlich angezeigt werden kann.

Alternativ kann die Mehrfarben-Funktion dazu verwendet werden, um zwischen den Anzeigen unterschiedlicher Größen zu unterscheiden, z.B. Zähler und Zeitschaltuhren. All diese Funktionen wurden dafür entwickelt, um das Leben des Endverbrauchers zu vereinfachen sowie um vom Panelhersteller oder Monteur leicht konfigurierbar zu sein.

Zweifellos haben sich herkömmliche Schaltschrank-Komponenten in den letzten Jahren weit entwickelt und es ist richtig, dass die schnellsten Veränderungen auf dem Markt dem Einsatz von Graphikdisplays zuzuschreiben sind.

Für die Steuerung von SPS-Systemen bietet Mitsubishi die E-Reihe der HMI-Panels, die mit SPS-basierten Systemen von Rockwell, Siemens, Omron, Eaton, Telemecanique und Mitsubishi zusammengeschaltet werden können.

Diese Geräte verfügen über hintergrundbeleuchtete graphische LCD-Touchscreen-Felder und werden über Windows-Programmier-Werkzeuge konfiguriert. Durch einen Intel XScale RISC-Prozessor mit Windows CE können sie mit anderen Systemen über RS232, RS422/485, Ethernet oder USB verbunden werden. Über eine umfangreiche Treiberbibliothek kann der Status des gesamten Systems von einem einzigen Platz aus überwacht werden, was eine Fern-Datenerfassung und einen Wartungsprogramm-Up/Download möglich macht.

Viele der großen Automatisierungshersteller bieten nun auch Unterstützung bei der Integration von Logiksteuerungen und HMI-Funktionen in eine einzelne Einheit. So zum Beispiel können für kostensensitive Anwendungen mit begrenztem Platzangebot Händler der Automatisierungsbranche wie RS ein System konfigurieren, in das ein Bosch Rexroth IndraLogic SPS-System in ein Touchscreen-HMI-System auf der Basis von Windows CE eingebaut ist.

Bei diesem Ansatz bleiben die Kompatibilität mit IEC 61131-3 sowie die Vorteile einer SPS-Steuerung zusammen mit der Vertrautheit und der benutzerfreundlichen Oberfläche eines Windows-Gerätes weiter bestehen. 

Mit seinem MFD-Titan-System präsentiert sich Eaton mit einem interessanten Konzept auf diesem Markt. Es verfügt über ein vorderseitiges Multifunktionsdisplay, das mit Standard-22,5mm-Montagesystemen kompatibel ist, welche direkt an ein Logiksteuermodul an der Rückwand angeschlossen werden können. Durch Anbringen eines ansteckbaren digitalen oder analogen E/A-Moduls lässt sich eine komplette, panel-montierte Steuerung konstruieren.

Mehrere Lieferanten bieten ebenso flexible und konfigurierbare Systeme, welche die Funktionen einer herkömmlichen Steuertafel über ein Touchscreen nachahmen. So zum Beispiel kombiniert das PanelPilot von Lascar Electronics ein 16-Bit TFT-Farbdisplay, das über eine USB-Schnittstelle programmiert werden kann.

Über Panel Pilot können Nutzer eine Anzeigeart aus einer Reihe von Analog-, Digital- und Balkendiagramm-Stilen sowie Anzeigefarben, Beschriftungen und Skalierung, falls erforderlich, auswählen. Nach Auswahl aller Anzeigeoptionen über eine einfache "Zeigen-und-Klicken"-Anwendung kann der Panelhersteller die Konfiguration speichern und auf das Display herunterladen.

Mit dem steigenden Komplexitätsgrad der Steuerungssysteme nehmen die Herausforderungen für ihre menschlichen Betreiber zu. Glücklicherweise war diese gestiegene Komplexität mit einem besseren Verständnis für die Interaktion von Mensch und Maschine verbunden. Panelhersteller und Steuerungssystem-Ingenieure können diese neue Einsicht beim technologischen Fortschritt nutzen, um industrielle Systeme der neuen Generationen herzustellen, welche die Komplexität übertreffen.