HMI-Bedienfelddesign und Best Practices

Übersicht: Was ein HMI-Bedienfeld eigentlich leistet

Ein Mensch-Maschine-Schnittstellen-Bedienfeld (HMI) ist der dem Bediener zugewandte Teil eines automatisierten Systems zur Überwachung, Steuerung und Diagnose von Industriemaschinen. Praktisch gesehen vereint es Visualisierung (Bildschirme/LEDs), Steuereingänge (Tasten, Schalter, Berührung), Kommunikation (Ethernet, Feldbus) und Sicherheitsverriegelungen in einem einzigen, wartbaren Schrank oder Bedienpult. Dieser Artikel konzentriert sich auf umsetzbare Designentscheidungen – Komponentenauswahl, Verkabelung und Erdung, Bildschirmlayout, Integration mit SPS/Antrieben und Schritte zur Fehlerbehebung in der Praxis.

Schlüsselkomponenten und praktische Auswahlkriterien

Bei der Auswahl der Komponenten kommt es weniger auf die Marke als vielmehr auf die Übereinstimmung elektrischer und umweltbezogener Anforderungen an. Geben Sie für jede Komponente unten die Betriebsspannung, die Schutzart (IP), das Kommunikationsprotokoll und die MTBF an, wenn Sie Alternativen vergleichen.

Wichtige Hardware und was überprüft werden muss

• HMI-Display: Überprüfen Sie die Bildschirmgröße auf die erforderliche Informationsdichte, die Bildschirmhelligkeit (cd/m²) für Umgebungslicht, den Touch-Typ (resistiv vs. kapazitiv) und die Einbautiefe.
• SPS/Steuerung: Stellen Sie eine ausreichende E/A-Anzahl und freie Kapazität (20–30 % freie E/A empfohlen), eine mit Regelkreisen kompatible Zykluszeit und native Protokollunterstützung für die HMI sicher.
• Eingabegeräte: Industriedrucktaster, Wahlschalter und Not-Aus-Schalter, ausgelegt für die Systemspannung und mit angemessener mechanischer Haltbarkeit (Zyklenbewertung).
• Kommunikationsmodule: bevorzugen Sie Ethernet/IP oder PROFINET, wenn eine hohe Bandbreite erforderlich ist; Verwenden Sie RS-485/Modbus RTU für große Entfernungen oder Nachrüstszenarien.
• Netzteile und USV: Wählen Sie ein DIN-Schienen-Netzteil, das für Einschaltspitzenströme ausgelegt ist, und eine kleine USV für sicheres HMI-Abschalten oder kritische Alarme.

Gestaltung effektiver HMI-Bildschirme: Benutzerfreundlichkeitssicherheit

Gut gestaltete Bildschirme reduzieren Bedienfehler und verkürzen die Reaktionszeit. Konzentrieren Sie sich auf eine klare Hierarchie, die Verwendung von Farben nur für den Status (vermeiden Sie dekorative Farben) und eine vorhersehbare Navigation. Jeder Bildschirm sollte nur die Informationen anzeigen, die für die Aufgabe des Bedieners erforderlich sind – Alarme, kritische Sollwerte und Sofortmaßnahmen – und einen einfachen Zugriff auf die Diagnose ermöglichen.

Layout- und Interaktionsregeln

• Primärer Statusbereich: Platzieren Sie kritische Werte (Temperaturen, Drücke, Motorzustände) im oberen linken Quadranten – dem Bereich, den das Auge am schnellsten finden kann.
• Alarmbehandlung: Verwenden Sie eine einzige Alarmliste mit Zeitstempeln, Sortierung nach Schweregrad und Bestätigung mit einem Klick. Verlassen Sie sich nicht ausschließlich auf blinkende visuelle Signale – schließen Sie akustisches Feedback ein, das je nach Schweregrad konfigurierbar ist.
• Bestätigungsmuster: erfordern zweistufige Bestätigungen für kritische Sollwertänderungen und umfassen einen Audit-Trail-Eintrag für Bediener, Zeit und vorherigen Wert.

Best Practices für Verkabelung, Erdung und Schranklayout

Eine korrekte Verkabelung und Erdung verhindert Rauschen, intermittierende Fehler und Feldbusfehler. Verwenden Sie eine separate Verlegung für Strom- und Signalkabel, halten Sie die erforderlichen Kriechstrecken ein und platzieren Sie einen Überspannungsschutz in der Nähe der Eintrittspunkte. Ein klarer Verkabelungsplan spart Stunden bei der Inbetriebnahme und Wartung.

Praktische Verkabelungs-Checkliste

• Trennen Sie Wechselstromnetz-, Gleichstrom- und Niederspannungssignalkabel nach Möglichkeit in getrennten Kabelkanälen mit geerdeten Metalltrennwänden.
• Verwenden Sie für Differenzsignale ein abgeschirmtes Twisted-Pair-Kabel. Schließen Sie Abschirmungen nur an einem Ende an die Schrankerde an (Herstellerrichtlinien können variieren).
• Erdung: Verbinden Sie alle Geräteerdungen mit einer einzigen Erdungsschiene. Überprüfen Sie den Pfad mit niedriger Impedanz und dokumentieren Sie die Widerstandswerte gegen Erde.

Integration mit SPS, Antrieben und Netzwerken

Integration ist oft der längste Teil eines Projekts. Ordnen Sie Tags frühzeitig zu, standardisieren Sie Namenskonventionen und sperren Sie Datenraten, um eine Überlastung des HMI mit schnellen Übergangspunkten zu vermeiden. Testen Sie die Netzwerkstabilität mit geplanten SPS-Neustarts und simulierter Netzwerklatenz.

Tag- und Datenstrategie

• Verwenden Sie eine strukturierte Tag-Benennung: Area_Machine_DevicePoint um Kollisionen zu vermeiden und die Diagnose zu vereinfachen.
• Minimieren Sie die Abfrage hochfrequenter Signale an die HMI; Lassen Sie die SPS Regelkreise verwalten und nur zusammengefasste Werte auf die Anzeige übertragen.

Sicherheits-, Normen- und behördliche Überlegungen

HMI-Bedienfelder müssen den geltenden lokalen und internationalen Standards entsprechen: elektrische (IEC/UL), funktionale Sicherheit (IEC 61508/ISO 13849) für Sicherheits-SPS und Not-Aus-Geräte sowie elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Dokumentieren Sie Sicherheitsrollen, erforderliche SIL/PLe-Stufen und Diagnoseabdeckung frühzeitig im Design.

Fehlerbehebung, Diagnose und vorbeugende Wartung

Durch die Einbeziehung von Diagnosepunkten und einer Wartungsroutine werden Ausfallzeiten reduziert. Integrieren Sie Selbsttestroutinen, klare Fehlercodes und Schritt-für-Schritt-Wiederherstellungsaktionen, die über das HMI zugänglich sind.

Häufige Fehler und wie man sie eingrenzt

• Kommunikationsausfälle: Überprüfen Sie zuerst die physische Verbindung (LEDs, Kabelkontinuität), dann die Netzwerkkonfiguration (IP-Konflikte, Switch-VLANs) und dann den SPS-Status.
• Intermittierende Berührungsreaktion: Überprüfen Sie die Firmware des Touch-Controllers, suchen Sie nach verrauschten Strom- oder EMI-Quellen und testen Sie mit einem kalibrierten Eingabegerät.
• Eingefrorene Bildschirme: Stellen Sie sicher, dass sowohl in der HMI als auch in der SPS Watchdogs vorhanden sind. Fügen Sie eine Soft-Restart-Aktion hinzu, die wichtige Daten beibehält und das Ereignis protokolliert.

Vergleich der HMI-Bedienfeldspezifikationen

Eine kompakte Tabelle zum Vergleich typischer HMI-Panel-Aufbauoptionen für kleine, mittlere und schwere Industrieanwendungen.

Checkliste für die Bereitstellung (vor der Inbetriebnahme)

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