In der modernen Industrieautomatisierung müssen Bediener nahtlos mit komplexen Steuerungssystemen wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), verteilten Leitsystemen (DCS) und SCADA-Plattformen interagieren. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) dient als unverzichtbare Brücke zwischen menschlichen Bedienern und automatisierten Prozessen und wandelt rohe Steuerungsdaten in verwertbare visuelle Informationen um. Dieser Artikel erklärt, wie HMIs funktionieren, welche Rolle sie in der Automatisierung spielen und welche bewährten Methoden für eine effektive Umsetzung gelten.

Die Rolle der HMI in Steuerungssystemen verstehen

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verarbeitet diskrete und analoge Signale, führt Steuerungsalgorithmen aus und gibt Befehle an Feldgeräte aus. Allerdings fehlt ihr eine native Schnittstelle zur Anzeige von Echtzeit-Prozessdaten für menschliche Nutzer. Daher fungiert eine HMI als visuelles Tor, das es Bedienern ermöglicht, Maschinenabläufe sicher zu überwachen, zu analysieren und zu steuern, ohne direkt auf die Programmierumgebung der SPS zugreifen zu müssen.

Arten von HMIs: Von PCs bis zu Industriebedientafeln

HMIs gibt es in zwei Hauptformen:

1. PC-basierte HMIs – Allgemeine Computer, die spezialisierte Grafiksoftware ausführen (z. B. Wonderware, Ignition oder Rockwell FactoryTalk View) und über Ethernet oder andere industrielle Netzwerke mit SPS verbunden sind.

2. Panel-HMIs – Robuste, speziell für raue Umgebungen gefertigte Geräte. Diese Einheiten verfügen oft über Touchscreens, IP-geschützte Gehäuse und kompakte Bauformen, die sich für Fabrikbedientafeln eignen.

Obwohl beide denselben Zweck erfüllen, sind Panel-HMIs für den dauerhaften Industrieeinsatz ausgelegt und bieten Zuverlässigkeit sowie Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen, Staub und Temperaturschwankungen.

Wie HMIs mit SPS kommunizieren

HMIs kommunizieren mit SPS über digitale Netzwerke unter Verwendung industrieller Kommunikationsprotokolle wie Modbus, EtherNet/IP oder PROFINET. Techniker programmieren HMIs so, dass sie bestimmte Variablen – sogenannte Tags – lesen und schreiben, die Datenpunkte im Speicher der SPS entsprechen. Jedes grafische Element auf der HMI (z. B. ein Knopf, eine Anzeige oder ein Indikator) ist mit einem oder mehreren Tags verknüpft, die definieren, wie es mit dem Prozess interagiert.

Beispielsweise kann das Drücken eines virtuellen „Start“-Knopfs auf dem HMI-Bildschirm eine „1“ an eine bestimmte Speicheradresse der SPS schreiben und so einen Motor starten.

Die Bedeutung der Tag-Verwaltung

Tag-Datenbanken bilden die Grundlage des HMI-Designs. Jeder Tag ist einer SPS-Variablen zugeordnet und erhält Attribute wie Nur-Lese oder Lesen/Schreiben Zugriff. Um Konflikte zu vermeiden, sollten Eingabedaten – etwa Signale von physischen Drucktastern oder Sensoren – stets nur lesbar bleiben. Wenn die HMI diese Punkte überschreiben darf, kann dies unvorhersehbares Verhalten in der Steuerungslogik verursachen.

Eine bewährte Programmierpraxis ist, sicherzustellen, dass nur ein Gerät auf eine bestimmte Speicherstelle schreibt, sei es die SPS oder die HMI.

Effektive HMI-Bildschirme gestalten

Eine gut gestaltete HMI spiegelt reale Prozesse klar und übersichtlich wider. Bediener sollten Prozesszustände und Alarme auf einen Blick erfassen können. Beim Entwickeln von HMIs gilt:

• Beibehalten konsistenter Benennungskonventionen für Tags (z. B. „Reaktor_Temp_Hoch“ oder „Pumpe1_Start“).

• Logische Gruppierung verwandter Ausrüstungen, etwa alle „Reaktor“- oder „Wärmetauscher“-Tags.

• Verwendung klarer Farben, intuitiver Anordnungen und standardisierter Symbole zur Verringerung von Bedienfehlern.

Eine einheitliche Tag-Benennung verbessert zudem die Skalierbarkeit von Projekten und erleichtert die Fehlersuche in großen Steuerungssystemen.

Fortgeschrittene Funktionen moderner HMIs

Moderne HMIs gehen über die reine Visualisierung hinaus. Sie integrieren leistungsstarke Funktionen wie:

• Datenaufzeichnung und Verlauf – Erfassen und Visualisieren von Prozessgrößen über die Zeit.

• Alarmverwaltung – Benachrichtigung der Bediener bei ungewöhnlichen Zuständen mit klaren Prioritätsstufen.

• Rezeptsteuerung – Vereinfachung von Produktionsänderungen durch Parametersätze.

• Webserver-Zugriff – Ermöglicht Fernüberwachung über sichere Netzverbindungen.

• Integrierte Steuerung – Einige HMIs verfügen über eingebaute SPS-Funktionalität für kompakte Steuerungslösungen.

Dadurch dienen HMIs zunehmend als sowohl betriebliche als auch analytische Schaltzentrale in intelligenten Fabriken und Industrie 4.0 Umgebungen.

Bewährte Methoden für die Umsetzung von HMIs

Um einen zuverlässigen Betrieb und die Systemintegrität zu gewährleisten:

• Trennen Sie Lese- und Schreibrechte sorgfältig.

• Definieren Sie alle Tag-Namen und Datenstrukturen, bevor das Grafikdesign beginnt.

• Sichern Sie regelmäßig HMI-Konfigurationen und Tag-Datenbanken.

• Überprüfen Sie die Kommunikationswege zwischen HMI und SPS durch Simulationstests.

• Schulen Sie Bediener darin, Alarme und Trends effektiv zu interpretieren.

Eine gut umgesetzte HMI kann Ausfallzeiten erheblich reduzieren und die Anlageneffizienz durch verwertbare Einblicke verbessern.

Branchenblick: Die Zukunft der HMI-Systeme

Die nächste Generation von HMIs wird Rechenleistung am Netzwerkrand (Edge Computing), KI-gestützte Analysen und Cloud-Anbindung nutzen, um vorausschauende Erkenntnisse zu liefern. Anbieter wie Siemens, Rockwell Automation und Schneider Electric integrieren HMIs mit zentralen Datenplattformen, die Echtzeit-Entscheidungen über verteilte Systeme ermöglichen.

Außerdem entstehen mobile HMIs und AR-basierte Schnittstellen , die Technikern Fernsicht und Steuerung von Fabrikanlagen bieten.

Anwendungsbeispiel: Steuerung der Sauerstoffreinigung

Betrachten wir ein Vakuum-Schwingsaug- (VSA) Sauerstoffreinigungssystem. Hier zeigt die HMI Live-Druckwerte, Ventilzustände und Sauerstoffkonzentrationen an, sodass Bediener Prozessparameter sofort anpassen können. Die zugrundeliegende SPS steuert Ventilzeiten und Kompressorsequenzen, während die HMI als Fenster des Bedieners in die Systemleistung dient – was sowohl Sicherheit als auch Effizienz erhöht.

Fazit: Die HMI als Eckpfeiler der Industrieautomatisierung

In der Industrieautomatisierung wandelt die Mensch-Maschine-Schnittstelle komplexe Steuerungslogik in eine intuitive, visuelle Form um. Sie befähigt Bediener, sicher mit SPS, DCS und anderen Steuerungssystemen zu interagieren und stellt sicher, dass datenbasierte Entscheidungen in verlässliche Prozessresultate münden. Indem sie Visualisierung, Kommunikation und Steuerung in einer Plattform vereint, bleibt die HMI ein unverzichtbares Element des vernetzten industriellen Ökosystems.