Human Machine Interface (HMI): Arten und Normen

Ein Human Machine Interface (HMI), deutsch Mensch-Maschine-Schnittstelle, ist die Hard- oder Software, über die ein Mensch eine Maschine oder Anlage bedient und beobachtet. Das NIST-Glossar nennt als Spannweite das Bedienpult mit Tasten und Meldeleuchten ebenso wie den Industrie-PC mit farbiger Grafik (NIST). Es zeigt Zustände, Messwerte und Meldungen an und nimmt Eingaben entgegen, etwa Sollwerte, Start- und Stoppbefehle oder die Quittierung einer Störung. In der Fertigung ist im Alltag meist ein Touchpanel oder Panel-PC an der Maschine gemeint.

Das HMI steuert die Maschine nicht selbst. Es gibt Befehle an die Steuerung weiter, meist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), und liest von ihr die Werte, die es anzeigt.

Arten von HMI in der Fertigung

HMI, SPS, SCADA und MES

Die vier Begriffe beschreiben verschiedene Ebenen der Automatisierung und werden oft verwechselt.

Ein SCADA-System hat selbst HMI-Bildschirme, deshalb verschwimmt die Grenze in der Leitwarte. Der Unterschied zum MES liegt im Bezug. HMI und SCADA zeigen, was die Anlage gerade tut. Ein MES ordnet das dem Auftrag, der Schicht und den Kennzahlen zu. Die Richtlinie VDI 5600 Blatt 1 beschreibt das MES als Ebene zwischen dem ERP, das für Ereignisse wie Maschinenstopps zu grob arbeitet, und den Steuerungen, deren Daten für die Organisation der Fertigung zu detailliert sind. Mehr dazu im Vergleich MES und SCADA und im Beitrag zu OT und IT.

Normen und Gestaltungsregeln

Beispiel: Alarmflut an einer Linie

Die Zahlen sind ausgedacht und dienen nur der Anschauung. Ein Leitstand zeigt die Meldungen einer Montagelinie mit acht Stationen. In einer Frühschicht von acht Stunden laufen 420 Alarme auf, also gut 52 je Stunde oder fast einer pro Minute.

Bei dieser Rate geht die eine Meldung, die einen Eingriff verlangt, leicht unter. Eine Auswertung nach Quellen zeigt, woher die Flut kommt.

Drei Quellen erzeugen zwei Drittel der Alarme. Die Lichtschranke bekommt eine Verzögerung von einer Sekunde, die Füllstandswarnung wird zur Statusanzeige ohne Alarm, der Druckluftgrenzwert erhält eine Hysterese. Verschwinden diese Alarme ganz, bleiben 135 je Schicht, knapp 17 je Stunde. Das ist ein Drittel der alten Flut. Im nächsten Schritt werden die übrigen 46 Meldungen genauso nach Quelle ausgewertet.

Was ein gutes HMI ausmacht

• Ruhiger Grundton. Ist die Normalanzeige zurückhaltend, fällt eine Abweichung in Farbe sofort auf.
• Farben mit fester Bedeutung. Für Leuchtmelder gilt nach EN 60204-1: Rot für Notfall und gefährlichen Zustand, Gelb für anormal, Blau für eine nötige Handlung des Bedieners, Grün für normal, Weiß für neutral (Übersicht der BG ETEM).
• Werte mit Bezug. Ein Druck von 6,2 bar sagt wenig, ein Trend mit Grenzwerten zeigt, ob er stabil ist.
• Bilder in Ebenen. Von der Übersicht über die Anlage bis zur Diagnose eines Antriebs, mit festen Wegen zwischen den Ebenen.
• Klare Bedienrechte. Wer Sollwerte ändern darf, ist geregelt und wird protokolliert.
• Touch an der Maschine. Große Schaltflächen, kurze Reaktionszeit und eine Rückmeldung bei jeder Berührung. Gefahrbringende Bewegungen brauchen eine zusätzliche Sicherung gegen versehentliches Auslösen, etwa eine Doppelbetätigung, wie sie die BG ETEM für Druckmaschinen beschreibt.
• Lesbar aus dem Bedienabstand. Die DGUV nennt einen Sehabstand von höchstens dem 200-Fachen der Zeichenhöhe. Wer aus einem Meter abliest, braucht also mindestens 5 mm hohe Schrift (DGUV Information 209-068).

Was SYMESTIC an der Maschine ergänzt

SYMESTIC ersetzt kein HMI für die Maschinensteuerung. Maschinen werden über digitale Signale mit der IoT Box ohne Eingriff in die SPS angebunden oder per OPC UA über das Cloud Gateway. Neben dem HMI arbeiten die Werker mit den Shopfloor-Clients von SYMESTIC. Sie sind touchoptimiert, in ihrer Zahl nicht begrenzt und dienen dem, was das HMI nicht weiß: Aufträge starten, Stillständen einen Grund zuordnen, Qualitätsprüfungen erfassen. Die Werkerführung läuft auf Windows, Android, iPadOS und macOS.

Mehr dazu auf den Seiten zum Werkerassistenzsystem und zur Anbindung älterer Maschinen.

Quellen

• NIST Glossar: human-machine interface
• VDI: VDI 5600 Blatt 1, Fertigungsmanagementsysteme (MES) und VDI/VDE 3850 Blatt 1, Inhaltsübersicht
• IEC: IEC 60073 und IEC 60204-1, ISO: ISO 9241-110:2020, ISA: ANSI/ISA-101.01-2015
• BG ETEM: Sicherheitsgerechtes Konstruieren von Druck- und Papierverarbeitungsmaschinen, Elektrische Ausrüstung und Steuerungen; DGUV: Information 209-068 Ergonomische Maschinengestaltung

Über den Autor:

Martin Brandel

MES Consultant und Projektleiter bei der symestic GmbH, Schwerpunkt industrielle Automatisierung und Maschinenanbindung. Dipl.-Ing. Nachrichtentechnik.
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