Emre Ceylan
HMI-Bildschirm
Heutzutage sind HMI-Bildschirme (Human Machine Interface) in den Bereichen industrielle Automatisierung, Maschinensteuerung und Prozessmanagement zu einem der wichtigsten Kommunikationspunkte zwischen Bediener und System geworden. Steuereinheiten mit HMI zeigen dem Benutzer den Systemzustand, Sensordaten und Fehlerwarnungen in Echtzeit und bieten gleichzeitig die Möglichkeit zur Touch-Steuerung. Aber wie kann man ein solches System professionell entwerfen?
Was ist HMI und warum ist es wichtig?
HMI ist die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine.
Sie reicht von einfachen Tastenpanel-Systemen bis hin zu fortschrittlichen Touch-Farbdisplays. Die Bedeutung von HMI in der Industrie lässt sich auf drei Hauptpunkte reduzieren:
- Benutzerfreundlichkeit: Der Bediener soll das System leicht verstehen und schnell reagieren können.
- Effizienz: Prozesse können in Echtzeit überwacht und optimiert werden.
- Sicherheit: Fehler werden sofort visuell oder akustisch angezeigt.
Ein HMI-Bildschirm ist nicht nur ein Anzeigeinstrument; in Kombination mit der richtigen Software, Hardware und Kommunikationsprotokollen wird er zu einer vollwertigen Steuerplattform.
Grundlegende Schritte beim Entwurf einer Steuereinheit mit HMI
Bedarfsanalyse
Der Designprozess beginnt immer mit einer klaren Definition der Anforderungen:
- Welche Parameter soll die Maschine anzeigen?
- Welche Daten kann der Benutzer ändern?
- Welche Kommunikationsschnittstellen werden verwendet (RS485, CAN, Ethernet usw.)?
Ohne klare Antworten auf diese Fragen kann ein Design sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareseite zu schwer korrigierbaren Fehlern führen.
Hardware-Auswahl
Eine HMI-Steuereinheit besteht in der Regel aus drei Hauptkomponenten:
Mikrocontroller oder industrielle CPU
STM32, ESP32, PIC32 oder ARM Cortex-basierte Prozessoren werden häufig verwendet.
Leistung, Speichergröße und Umweltschutz (IP-Schutzklasse) müssen berücksichtigt werden.
Bildschirmmodul
Kriterien bei der Displayauswahl:
- Größe (z. B. 3,5”, 5”, 7”)
- Auflösung (320×240, 800×480 usw.)
- Touch-Typ (resistiv oder kapazitiv)
- Helligkeit und Betrachtungswinkel (insbesondere für Außeneinsätze)
Nextion, TFT SPI oder LVDS-basierte Displays sind in industriellen Designs weit verbreitet.
Stromversorgung und Ein-/Ausgangseinheiten (I/O)
- Versorgungsspannung: üblicherweise 12 V oder 24 V DC
- Analoge Sensoreingänge, digitale Ausgänge, Relaissteuerung und Schutzschaltungen (TVS, Sicherungen, Optokoppler) sollten in professionellen Systemen vorhanden sein.
HMI-Softwaredesign
Das GUI-Design (Benutzeroberfläche) des Bildschirms beeinflusst direkt die Bedienerfahrung.
Hier sollte eine einfache, verständliche und reaktionsschnelle Struktur gewählt werden.
Wichtige Punkte beim Interface-Design:
- Kritische Informationen sollten immer auf dem Hauptbildschirm angezeigt werden.
- Farben und Symbole sollten sinnvoll eingesetzt werden.
- Menüwechsel sollten verzögerungsfrei und logisch sein.
- Bestätigungsfenster (Confirmation Dialogs) helfen, Bedienfehler zu vermeiden.
Software-Entwicklungstools:
Nextion Editor, TouchGFX, LVGL oder Qt for MCUs sind sehr effektiv für die HMI-Entwicklung.
Im Hintergrund verwaltet die C- oder C++-basierte Steuerungssoftware auf dem Mikrocontroller die Daten.
Kommunikationsprotokolle und Datenmanagement
Für die Kommunikation der HMI mit der Steuereinheit oder externen Systemen ist die Wahl des richtigen Protokolls entscheidend.
Gängige Protokolle:
- Modbus RTU / Modbus TCP: der am häufigsten verwendete Standard in der Industrie
- CANBus: bevorzugt in der Automobil- und Bewegungssteuerung
- UART / SPI / I²C: ideal für die direkte Niedrig-Level-Datenübertragung mit Mikrocontrollern
- Ethernet / WiFi: für Fernüberwachung und webbasierte Steuerungen
Die Datenstruktur sollte gut geplant sein, damit die Werte auf dem HMI-Bildschirm mit dem Steueralgorithmus synchronisiert werden.
Beispiel: Temperatur-, Strom- oder Druckwerte werden über ADC erfasst, verarbeitet und mehrmals pro Sekunde auf dem Bildschirm aktualisiert.
Test, Kalibrierung und Robustheit
Nach Fertigstellung eines Prototyps sollten Langzeittests unter Einfluss von Hitze, Lärm, Vibration und elektromagnetischen Störungen (EMI) durchgeführt werden.
Für die Genauigkeit der Sensordaten sollten Temperatur- oder Stromkalibrierungen erfolgen.
In industriellen Umgebungen sind HMI-Bildschirme häufig hoher Luftfeuchtigkeit, Staub, Spannungsschwankungen und Magnetfeldern ausgesetzt. Daher:
- Metallgehäuse oder IP65-geschützte Panels verwenden
- EMI-Filter und optische Isolation implementieren
Häufige Fehler beim Design von HMI-Steuereinheiten
- Zu komplex gestaltete Benutzeroberflächen
- Niedrige Bildschirmaktualisierungsrate
- Fehlender Schutz vor Stromversorgungsstörungen
- ESD-ungeschützte Touch-Panels
- Vernachlässigte Rückmeldesignale
Die Vermeidung dieser Fehler erhöht die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Produkts erheblich.
Fazit: Intelligente Schnittstellen für industrielle Effizienz
Steuereinheiten mit HMI sind das Herz der modernen industriellen Automatisierung.
Richtig gestaltet, reduzieren sie die Arbeitsbelastung des Bedieners, verhindern Fehler und steigern die Systemleistung.
Beim Entwickeln einer Steuereinheit sollten nicht nur Bildschirm, sondern auch Hardware-Sicherheit, Software-Architektur und Benutzerfreundlichkeit gemeinsam betrachtet werden.
Ein ganzheitlicher Ansatz führt zu langlebigen, robusten und benutzerfreundlichen Lösungen.
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