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Das Design des Mensch-Maschine-Interfaces (HMI) spielt eine entscheidende Rolle in der industriellen Automatisierung, da es als Brücke zwischen Maschinenbedienern und industriellen Systemen fungiert und es ihnen ermöglicht, Prozesse, Steuerungsgeräte und Fehlerbehebung effizient zu überwachen. Ein effektives HMI-Design stellt den entscheidenden Unterschied zwischen effizientem, sicherem Anlagenbetrieb und kostspieligen Fehlern dar, die zu Produktionsverlusten, Sicherheitsvorfällen und Frustration des Bedieners führen.

Eine intuitive und gut gestaltete HMI verbessert die Produktivität, reduziert menschliche Fehler und erhöht die Sicherheit am Arbeitsplatz. Gut konzipierte HMI-Systeme reduzieren die kognitive Belastung des Bedieners, indem sie Informationen in logischen Hierarchien darstellen, die mit mentalen Modellen von Prozessfluss- und Gerätebeziehungen übereinstimmen, wobei Untersuchungen zeigen, dass Bediener mit richtig gestalteten Schnittstellen Entscheidungen in abnormalen Situationen 40-60% schneller treffen.

Was ist Human-Machine Interface Design?

Das Design der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) erstellt Systeme und Bildschirme für die Interaktion mit Maschinen, Entwicklungssoftware oder Geräten, bei denen eine Person eine visuelle oder digitale Schnittstelle verwendet, um einen Befehl zu erteilen oder Feedback von einer Maschine zu erhalten. Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist eine digitale oder physische Schnittstelle, die es dem Bediener ermöglicht, mit Maschinen zu interagieren, Prozesse zu steuern und Daten zu visualisieren.

Jede Mensch-Maschine-Schnittstelle ist letztendlich so konzipiert, dass sie den Menschen hilft, zu sehen, was passiert, bei Bedarf Maßnahmen zu ergreifen und die Kontrolle zu behalten. Der Wert einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ergibt sich daraus, wie gut sie dem Betreiber der Fabrik hilft, den Herstellungsprozess zu überwachen, denn egal wie automatisiert ein Herstellungsprozess sein mag, es besteht immer noch die Notwendigkeit, dass ein Bediener ihn überwacht, kontrolliert und manchmal eingreift, um Probleme zu lösen.

Die Evolution der HMI-Technologie

Die frühen Tage der Steuerschnittstellen bestanden aus Banken von physischen Schaltern, Analogzählern und Papierkartenschreibern, gefolgt von der ersten HMI, bei denen es sich um Kathodenstrahlröhren (CRT) -Bildschirme handelte, die einfache Grafiken zeigten, dann um Flüssigkristallanzeigen (LCDs), die Farbe in die Schnittstelle einführten. Die Einführung von berührungsempfindlichen Displays markierte einen großen Durchbruch in der Technologie, die die Entwicklung von benutzerfreundlichen Schnittstellen erleichterte, die Echtzeitdaten präsentierten und ein intuitives und visuell ansprechendes Steuerungsmittel boten.

Mit der Weiterentwicklung der HMIs wurden ihre Fähigkeiten erheblich erweitert und bieten nun eine Reihe von Funktionen zur Verbesserung der Funktionalität, wie Datenprotokollierung, Alarmmanagement, Fernzugriff und Diagnose. Mit dem Aufkommen von Cloud Computing und dem Internet der Dinge (IoT) sind HMIs noch leistungsfähiger geworden und ermöglichen eine Echtzeitüberwachung und -steuerung von überall auf der Welt.

Vor zwanzig Jahren nutzten Industriearbeiter einfache HMIs mit einer einzigen Software, bis das Produkt auslief, aber heute setzen Smartphones neue Standards für die Benutzererfahrung, und die digital nativen Arbeiter erwarten anspruchsvolle Schnittstellen, die die Smartphone-Funktionalität als absolutes Minimum widerspiegeln - auch in Fabrikumgebungen.

Das ISA-101 Standard Framework

ISA-101 (Human Machine Interfaces for Process Automation Systems) ist ein internationaler Standard, der von der International Society of Automation (ISA) veröffentlicht wurde und Best Practices für das HMI-Design in der industriellen Automatisierung definiert, die Anzeigehierarchie, Farbnutzung, Alarmintegration, Benutzerinteraktion und Lebenszyklusmanagement abdecken. Die Normen und technischen Berichte der ISA-101-Serie bieten eine vertrauenswürdige Roadmap für die Entwicklung, Implementierung, den Betrieb und die Wartung von Human Machine Interfaces (HMIs) in modernen Prozessautomatisierungssystemen, die sich auf die Verbesserung von Sicherheit, Qualität, Produktivität und Zuverlässigkeit konzentrieren.

Diese Prinzipien ergeben sich aus der Forschung im Bereich Engineering menschlicher Faktoren und jahrzehntelanger Erfahrung in der industriellen Automatisierung in verschiedenen Prozess- und Fertigungsumgebungen. Alle Empfehlungen folgen den ISA-101-Standards und bewährten Best Practices der Branche.

Der HMI Lifecycle Ansatz

Die Erstellung und Aufrechterhaltung einer effektiven HMI-Strategie ist ein mehrstufiger Prozess, der sich über Jahrzehnte erstrecken kann, von ersten Konzepten bis hin zur Stilllegung, wobei ISA-101 einen Lebenszyklusansatz für ein effektives HMI-Management verfolgt und versucht, verschiedene Bedürfnisse über diesen Zeitraum hinweg zu identifizieren, zu definieren und zu adressieren. Als echter Lebenszyklus-basierter Standard definiert ISA-101, wie Technologien in allen Phasen des HMI-Lebenszyklus, von der Konzeption über die Implementierung bis hin zu Betrieb und Wartung, am besten eingesetzt werden können, ähnlich dem ISA 18.2/IEC 62682 Standard für Alarmmanagement und den ISA 84/IEC 61508 und 61511 Standards für Prozesssicherheit.

Die wichtigsten HMI-Lebenszyklusphasen sind Design, Implementieren und Betreiben, wobei HMI Philosophy, Style Guide und Toolkits eine Reihe konsistenter Dokumentationen für das HMI-Management am Standort oder unternehmensweit bereitstellen, während kontinuierliche Arbeitsprozesse - einschließlich MOC, Audit und Validierung - während des gesamten Lebenszyklus stattfinden können.

HMI Philosophy Document

Das HMI Philosophy Document erläutert die Prinzipien und Ziele des HMI Managements am Standort oder größeren Unternehmen und ist unabhängig von Automatisierungsplattformen, erklärt, wie der ISA-101-Lebenszyklus umgesetzt wird, und erläutert die Rollen und Verantwortlichkeiten der beteiligten Personen. Die HMI Philosophie bietet unabhängige oder plattformspezifische Leitprinzipien für das HMI Design in Ihrem Werk.

HMI Style Guide

Der HMI Style Guide erklärt spezifische Aspekte der Implementierung der HMI Philosophie in einer spezifischen Automatisierungssystemplattformumgebung, wobei das Verständnis der Mechanik der verwendeten Automatisierungssystemplattform dafür sorgt, dass die Implementierung leicht zu warten ist und die standardmäßigen integrierten Funktionen der Plattform so weit wie möglich verwendet werden. Bei der Implementierung dieser Prinzipien in einem realen Projekt priorisieren Sie die Standardisierung von Bildschirmvorlagen, bevor Sie einzelne Bildschirme erstellen, definieren Sie Header-Layout, Farbpalette, Schriftgrößen, Tastenstile und Alarmbanner Platzierung einmal.

Grundprinzipien eines effektiven HMI-Designs

Die HMI-Grundsätze bilden die Grundlage für die Schaffung effektiver Bedienerschnittstellen unabhängig von der jeweiligen Branche, Plattform oder Anwendung.

Visuelle Hierarchie und Informationsarchitektur

Visuelle Hierarchie führt die Aufmerksamkeit des Bedieners auf die wichtigsten Informationen, während das Bewusstsein für den Gesamtsystemstatus erhalten bleibt, wobei die richtige Hierarchieimplementierung Größe, Farbe, Kontrast, Position und Animation verwendet, um eine klare Unterscheidung zwischen kritischen Alarmen, wichtigen Prozessvariablen und Hintergrundinformationen zu schaffen, die der Bediener für den Kontext benötigt, aber nicht sofortige Maßnahmen.

Die Informationsarchitektur organisiert HMI-Inhalte in logischen Strukturen, die den mentalen Modellen der Prozessgeräte und Steuerungsstrategien des Bedieners entsprechen, wobei die Organisation nach Prozessfluss, Gerätegruppierung oder Funktionsbereichen anstelle von willkürlichen Anordnungen effektiv ist.

Vereinfachung ohne Informationsverlust

Vereinfachung bedeutet nicht, wichtige Informationen zu entfernen - es bedeutet, Informationen effizient zu organisieren und zu präsentieren, ohne Unordnung oder Verwirrung, mit gut gestalteten HMI-Bildschirmen, die komplexe Prozessbeziehungen durch durchdachtes Layout, angemessene Abstraktion und logische Gruppierung klar vermitteln, anstatt jeden möglichen Datenpunkt gleichzeitig anzuzeigen.

Ein gut gestaltetes HMI mit den richtigen Schnittstellenkomponenten sollte nur wichtige Informationen in einem sauberen, strukturierten Layout anzeigen, was die Effizienz und Benutzerfreundlichkeit erhöht, indem nur wichtige Daten angezeigt werden, um ein Durcheinander des Bildschirms zu vermeiden.

Eindeutige Angabe und klare Kennzeichnung

Eindeutige Anzeige stellt sicher, dass Bediener den Gerätestatus, Alarmbedingungen und Prozessvariablen auf einen Blick bestimmen können, ohne mehrdeutige Symbole zu interpretieren oder detaillierten Text zu lesen, mit klarer visueller Unterscheidung zwischen laufender und gestoppter Ausrüstung, normalen und abnormalen Bedingungen und automatischen versus manuellen Steuermodi, die Fehlinterpretationen verhindern.

Bei der sinnvollen Kennzeichnung werden beschreibende Namen verwendet, die vom Bediener verstanden werden, und nicht kryptische Abkürzungen, SPS-Tag-Namen oder technische Terminologie. Die Etiketten sollten dem Verständnis der Benutzer über die Maschine oder den Betrieb (ihr mentales Modell) entsprechen, da sich die Benutzer möglicherweise nicht mit ihrem technischen Etikett auf den Tank beziehen, obwohl dies die technische Bezeichnung ist, sondern mit einem bekannteren Namen.

Darstellung von Hierarchie und Navigationsstruktur

ISA-101 bietet einen Rahmen und Richtlinien für die Gestaltung und Implementierung von HMIs in der Prozessindustrie, wobei der Schwerpunkt auf der Schaffung von Schnittstellen liegt, die die Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit der operativen Reaktionen verbessern. Einer der wichtigsten Aspekte von ISA-101 ist sein hierarchischer Ansatz zur Darstellung der Organisation.

Die vierstufige Display-Hierarchie

HMI-Display-Designs sollten auf Aufgabenanalyse und Ergonomie basieren, nicht auf P&IDs, wobei Displays für die Ausführung detaillierter Aufgaben sowie einen Überblick über den Kontrollbereich des Bedieners sorgen müssen, und eine Navigationshierarchie entwickelt werden sollten, die es dem Bediener ermöglicht, auf ein höheres Detailniveau zu bohren, wobei ISA-101 nicht mehr als vier Hierarchieebenen empfiehlt.

Level 1 - Übersichtsanzeige: Der Übersichtsbildschirm zeigt den gesamten Prozess auf hohem Niveau mit wichtigen Leistungsindikatoren und Status für jeden Hauptabschnitt, der als Startbildschirm und der Bildschirm dient, der nach einer bestimmten Inaktivitätsperiode erscheinen sollte. Level 1 oder Level 2 Anzeigen sollten auf dem Bedienerbereich und den KPIs (Key Performance Indicators) basieren, nicht auf P &IDs und sollten einen prägnanten, aber informativen Status des Prozesses bieten.

Level 2 - Area Screens: Area Screens zeigen pro Hauptprozessabschnitt einen Bildschirm mit Ausrüstungsdetails, Betriebsparametern und lokalen Steuerungen.

Level 3 - Task Detail Displays: Bediener können einzelne Komponenten wie Pumpen, Ventile oder Kessel von dieser Ebene aus steuern, die mit den notwendigen Echtzeitdaten, Steuerungen und detaillierten Betriebszuständen ausgestattet sind, die für den aktiven Eingriff in den Prozess konzipiert sind, wo die meisten Routineoperationen ausgeführt werden.

Level 4 - Konfiguration und Diagnose: Level 4-Bildschirme werden für Einstellungen, Wartungsaktivitäten, Systemdiagnose und Konfigurationsaufgaben verwendet und sind oft mit Faceplate-Steuerungen für Geräte, Sequenzen, Einheitenparameter usw. verbunden, wobei diese Schnittstellen weniger häufig aufgerufen und typischerweise auf spezialisiertes Personal beschränkt sind, einschließlich detaillierter Einstellungen, die die Parameter des Prozesses oder der Ausrüstung anpassen können und umfassende Diagnosedaten bereitstellen, die für die Fehlersuche und Wartung nützlich sind.

Best Practices für die Navigation

Betreiber sollten in der Lage sein, jeden Bildschirm von jedem anderen Bildschirm aus mit zwei Berührungen oder Klicks zu erreichen. Vermeiden Sie tiefe Navigationsbäume. Jede Ebene ist so konzipiert, dass sie Informationen liefert, die für bestimmte betriebliche Anforderungen und Benutzerrollen kontextbezogen relevant sind, und gewährleistet, dass die Betreiber nicht von unnötigen Daten überwältigt werden, sondern auch, dass sie Betriebssituationen schnell und genau einschätzen und fundierte Entscheidungen treffen können.

Farbtheorie und visuelle Designstandards

Einer der am meisten missverstandenen Aspekte von ISA-101 ist sein Ansatz zur Farbnutzung. Viele glauben, dass ISA-101 lediglich für die Verwendung von langweiligen Graustufengrafiken auf Human Machine Interfaces (HMIs) plädiert, die einige Betreiber visuell unattraktiv und uninspirierend finden, aber diese Wahrnehmung verfehlt die breitere und viel wichtigere Absicht des Standards: Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit und Förderung einer effektiven Entscheidungsfindung durch gut organisierte HMI-Designs.

Der Zweck von Gray Backgrounds

Effektives HMI folgt den Hochleistungsprinzipien von ISA-101: graue Hintergründe statt bunter Grafiken, Informationshierarchie von der Übersicht bis zum Detail, begrenzte Verwendung von Farbe. Der graue Hintergrundansatz dient einem bestimmten Zweck: Er ermöglicht es, Farbe für die Anzeige von abnormalen Bedingungen und kritischen Informationen zu reservieren, wodurch diese Elemente für die Bediener sofort sichtbar werden.

Wenn Farbe sparsam vor einem neutralen Hintergrund verwendet wird, wird sie zu einem mächtigen Werkzeug, um die Aufmerksamkeit auf das zu lenken, was am wichtigsten ist.

Design für Farbstörungen

Modernes HMI-Design muss Bedienern mit verschiedenen Arten von Farbsichtmängeln Rechnung tragen. Best Practices umfassen die Verwendung redundanter Codierungsmethoden, die nicht nur auf Farbe angewiesen sind, um kritische Informationen zu vermitteln. Dies könnte die Kombination von Farbe mit Form, Position, Helligkeit oder Textetiketten umfassen, um sicherzustellen, dass alle Bediener den Systemstatus unabhängig von ihren Farbwahrnehmungsfähigkeiten genau interpretieren können.

Alarmmanagement- und Alarmmeldesysteme

Die Betreiber benötigen klare, gut organisierte Alarmsysteme, um schnell auf mögliche Probleme reagieren zu können. Ein effektives Alarmmanagement ist einer der wichtigsten Aspekte des HMI-Designs und hat direkte Auswirkungen auf die Reaktionszeiten und die Sicherheitsergebnisse des Betreibers.

Alarm Priorisierung und Präsentation

Alarmsysteme sollten klar zwischen verschiedenen Prioritätsstufen unterscheiden, um sicherzustellen, dass kritische Alarme sofort die Aufmerksamkeit des Bedieners erfassen, während Benachrichtigungen mit niedrigerer Priorität keine unnötige Ablenkung verursachen.

Die Alarmregale und -unterdrückung sollten in das HMI integriert werden, jedoch mit angemessenen Sicherheitsstufen und automatischen Abschaltzeiten, wobei kein Alarm dauerhaft ohne eine Überprüfung des Change Managements zum Schweigen gebracht wird.

Alarmschutz vor Überschwemmungen

Eine der gefährlichsten Situationen in der industriellen Automatisierung tritt auf, wenn Bediener einer Alarmflut ausgesetzt sind - Dutzende oder Hunderte von Alarmen, die gleichzeitig während einer abnormalen Situation aktiviert werden. Effektives HMI-Design verhindert Alarmfluten durch intelligente Alarmrationalisierung, Gruppierung verwandter Alarme und Implementierung einer geeigneten Alarmunterdrückungslogik, die verhindert, dass kaskadierende Alarme von Bedienern überfordert werden, wenn sie am meisten Klarheit benötigen.

Datenvisualisierung und analoge Displays

Die wichtigsten Ziele, auf die man sich bei der Optimierung des HMI konzentrieren sollte, sind die Umwandlung von Daten in nützliche Informationen und die Aufmerksamkeit auf die Informationen zu lenken, die für den Bediener am wichtigsten sind.

Vorteile von Analog Displays

Analoge Displays sind effektiver als digitale Displays, um Daten in einen praktischen Kontext zu stellen, ähnlich wie eine analoge Uhr besser ist als eine digitale Uhr, um anzuzeigen, wie viel Zeit Sie bis zu Ihrem nächsten Meeting haben, wenn Sie es eilig haben, da die digitale Uhr einfach Zahlen hat, die Ihnen zeigen, wie spät es ist, während eine analoge Uhr die aktuelle Uhrzeit anzeigt und es leicht macht zu sehen, wie viel Zeit noch übrig ist.

Anhand dieses kleinen Beispiels können Sie sich vorstellen, wie viel einfacher es analoge Displays machen, Dutzende von Prozesswerten auf einem Bildschirm zu bewerten, wobei der Bediener sofort sehen kann, wo die aktuellen Bedingungen im Vergleich zu den gewünschten Bedingungen stehen.

Die Verwendung eingebetteter Trends zeigt, wohin sich die Daten entwickeln. Trends und historische Daten können leicht wiederverwendet und integriert werden. Trendanzeigen helfen den Betreibern, nicht nur die aktuellen Bedingungen, sondern auch die Richtung und die Änderungsrate zu verstehen, und ermöglichen proaktives Eingreifen, bevor die Bedingungen kritische Schwellenwerte erreichen.

Situationsbewusstsein und Operatoreffektivität

Ein gut konzipiertes HMI erleichtert eine effektive menschliche Aufsicht, verbessert das Situationsbewusstsein und mindert die Risiken im Zusammenhang mit Systemausfällen oder unerwarteten Szenarien.

Unterstützung von Entscheidungsfindung unter Druck

Durch die effektive Übermittlung wichtiger Informationen kann ein Hochleistungs-HMI den Betreibern helfen, schnell zu beurteilen, was zu tun ist. HMIs, die in der Lage sind, große Mengen an Informationen auf leicht verdauliche Weise zu präsentieren, haben zu erheblichen Effizienzgewinnen beigetragen, da Echtzeitdaten zu Prozessvariablen, Gerätestatus und Produktionsmetriken den Betreibern ermöglichen, fundierte Entscheidungen schnell zu treffen.

Ein gut gestaltetes HMI ist der Unterschied zwischen einem Bediener, der ein sich entwickelndes Problem in Sekunden auffängt, und einem, der auf einen Bildschirm voller blinkender Farben starrt, während die Produktion zum Stillstand kommt, mit schlecht gestalteten Bildschirmen, die zu langsameren Reaktionszeiten, höheren Fehlerraten und frustrierten Bedienern führen, die auf Workarounds zurückgreifen, die das System untergraben.

Reduzierung der kognitiven Belastung

Kognitive Belastung bezieht sich auf die mentale Anstrengung, die erforderlich ist, um Informationen zu verarbeiten und Entscheidungen zu treffen. Effektives HMI-Design minimiert unnötige kognitive Belastung, indem es Informationen in intuitiven Formaten präsentiert, konsistente Konventionen verwendet und visuelle Unordnung beseitigt. Dies ermöglicht es den Bedienern, ihre mentalen Ressourcen auf das Verständnis von Prozessbedingungen und das Treffen geeigneter Kontrollentscheidungen zu konzentrieren, anstatt sich mit der Interpretation der Schnittstelle selbst zu befassen.

Typografie und Textpräsentation

Text auf HMI-Displays sollte klar und leicht zu lesen sein, da er für das Verständnis der Navigation durch den Benutzer wichtig ist, indem er die Schriftart Sans Serif verwendet, um die Lesbarkeit und eine konsistente Schriftgröße für Daten, Beschriftungen, Titel und Header zu verbessern (normalerweise 10pt Schriftart).

Primärdaten sollten größer sein und eine fette Schrift verwenden, wobei eine größere Schriftgröße als die entsprechenden Etiketten und Einheiten verwendet wird, um Daten hervorzuheben. Schriftgrößen hängen von der Bildschirmgröße und der Art und Weise ab, wie der Benutzer den Monitor betrachtet, wobei ein großer Monitor hoch an einer Wand oder Decke angebracht ist, der Daten in einem Abstand von Benutzern anzeigen soll, die möglicherweise eine größere Schriftart als einen Monitor benötigen, der aus nächster Nähe betrachtet wird.

Numerische Daten, die miteinander in Zusammenhang stehen und verglichen werden sollen, sollten mit der Gleichwertigkeit der Dezimalpunkte begründet werden, die es dem Bediener erleichtern, Werte schnell zu scannen und zu vergleichen.

Reaktionsfähigkeit und Echtzeit-Performance

Ein HMI, das hinter dem Prozess zurückbleibt, ist schlechter als überhaupt kein HMI, wobei die Bildwiederholrate schnell genug sein muss, dass die Bediener die Anzeige als Echtzeit wahrnehmen, mit einer für die meisten Prozessanwendungen ausreichenden Aktualisierungsrate von einer Sekunde, obwohl diskrete Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie automatisierte Montagesysteme möglicherweise eine Aktualisierung von kritischen Indikatoren im Sekundenbereich erfordern.

Testen Sie Ihre HMI-Leistung unter realistischen Bedingungen: volle Alarmlasten, mehrere Bildschirme geöffnet, die historische Protokollierung aktiv und das Netzwerk, das normalen Datenverkehr mit sich bringt, da Leistungsprobleme, die nur unter Last auftreten, am schädlichsten sind, weil sie genau dann auftreten, wenn der Betreiber das System am meisten benötigt.

User-Centered Design und Customization

Nicht alle Maschinenbediener verfügen über das gleiche technische Know-how, da die Anpassung von HMIs für verschiedene Benutzerebenen die Benutzerfreundlichkeit und Effizienz verbessert. Moderne HMI-Systeme sollten rollenbasierte Zugriffe und Anpassungen unterstützen, so dass verschiedene Benutzergruppen auf die für ihre Aufgaben relevanten Informationen und Kontrollen zugreifen können.

Einbeziehung der Endbenutzer in Design

Die Implementierung eines guten HMI-Designs beinhaltet die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Designern und Endbenutzern. Automatisierungsanbieter und Systemintegratoren, die die Benutzer bei der Entwicklung dieses Dokuments beraten, können auf Erfahrungen mit der Arbeit mit HMI-Implementierungen in vielen Branchen zurückgreifen. Die Durchführung von Benutzertests hilft, Usability-Probleme vor der Bereitstellung zu identifizieren, und das Sammeln von Bedienerfeedback während des Betriebs ermöglicht kontinuierliche Verbesserungen.

HMI-Systeme sollten sich auf der Grundlage von realen Anwender-Feedbacks entwickeln, um die Benutzerfreundlichkeit zu maximieren. Ein HMI sollte niemals als statisch betrachtet werden, wobei Systeme für die periodische Überwachung, für die Erfassung und Auswertung von Benutzer-Feedback und für die Durchführung von Überarbeitungen zur Optimierung von HMI-Anzeigen im Laufe der Zeit benötigt werden, wobei das Verfahren detaillierte Änderungsprotokolle enthält.

Moderne HMI-Technologien und -Plattformen

Der Markt für industrielle Automatisierung bietet zahlreiche HMI-Plattformen mit jeweils spezifischen Stärken und Fähigkeiten. Das Verständnis plattformspezifischer Funktionen hilft Designern, integrierte Funktionen zu nutzen, anstatt kundenspezifische Lösungen zu erstellen.

Beliebte HMI-Plattformen

Ignition (Perspective) verwendet integriertes responsives Design für mobilfreundliche HMIs und nutzt die Komponentenbibliothek für ein konsistentes Erscheinungsbild. FactoryTalk View verwendet globale Objekte für wiederverwendbare Komponenten und implementiert die Navigation über Display-Makros. AVEVA InTouch verwendet ArchestrA-Grafiken für skalierbare, wiederverwendbare Anzeigeelemente.

Mobiles und responsives Design

Moderne Industrieumgebungen erfordern HMI-Designs, die sowohl erfahrene Bediener als auch neues Personal unterstützen, zuverlässig über verschiedene Bildschirmgrößen und Auflösungen hinweg funktionieren, sich nahtlos in mobile Geräte integrieren und das Situationsbewusstsein bieten, das für eine effektive Prozesssteuerung in immer komplexer werdenden Automatisierungssystemen erforderlich ist.

Scrollbare Dashboards und responsive, adaptive Layouts werden Standard, wobei einige Systeme sogar die Platzierung von Elementen automatisieren, so dass sich die Benutzer keine Sorgen um Designentscheidungen machen müssen, um sicherzustellen, dass Dashboards lesbar und funktionell bleiben auf jedem Gerät.

Skalierbarkeit und langfristige Wartung

Ihre HMI-Architektur muss zuverlässig bleiben, wenn sich die Technologie weiterentwickelt und sich die Anforderungen der Benutzer ändern, wobei kurzfristige Effizienz wichtig ist, aber echter Erfolg bedeutet, dass Sie für langfristige Anpassungsfähigkeit entwerfen.

Komponentenbasierte Architektur

Entwickler und Designer können besser zusammenarbeiten, um die HMI-Leistung – sowohl kurzfristig als auch langfristig – zu optimieren, indem Sie Ihre Architektur komponentenisieren und keine monolithische Lösung erstellen. Bauen Sie modulare, wiederverwendbare Komponenten, um die Erstellung von Dashboards einfach und konsistent zu gestalten, Inhalte mit Abschnitten für Klarheit und Fokus zu organisieren und eine flexible und dennoch geführte Datenvisualisierung zu ermöglichen, einschließlich benutzerdefinierter Widgets.

Ob es sich um ein Bedienfeld für den Betrieb schwerer Maschinen oder ein Handset handelt, das die Sicherheit eines Kraftwerks überwacht, HMI-Designer sollten eine konsistente und skalierbare Architektur anstreben, wobei eine konsistente Architektur aus der Verwendung etablierter Technologien für alle Ihre HMI-Komponenten und -Module und der Ausrichtung Ihres HMI-Softwaredesigns, Ihrer Architektur, Dokumentation und Ihres Quellcodes resultiert.

Vorteile der Standardisierung

Konsistenz und Skalierbarkeit sind entscheidend, um die langfristige Zuverlässigkeit und fortschrittliche Funktionalität der Software zu gewährleisten, da sie es Ihnen ermöglichen, sich an die neuesten Trends anzupassen, von der Einbettung neuer KI-Modelle bis hin zur Anpassung an neue Hardware, die Zusammenarbeit mit mehreren Partnern mit etablierter Technologie, geringere Wartungskosten durch die Ausrichtung aller wichtigen Teile der Softwareproduktion und helfen neuen Entwicklern und Kunden, frühere Softwarekomponenten und -module wiederzuverwenden.

Sicherheit und Zugangskontrolle

Sicherheit ist in der industriellen Automatisierung von entscheidender Bedeutung und verhindert unbefugte Änderungen der Maschineneinstellungen. Moderne HMI-Systeme müssen robuste Sicherheitsmaßnahmen wie Benutzerauthentifizierung, rollenbasierte Zugriffskontrolle, Auditprotokollierung und Schutz vor Cyberbedrohungen implementieren.

Ein gut konzipiertes HMI dient als entscheidender Schutz vor Cyberbedrohungen, verhindert unbefugten Zugriff und gewährleistet die Integrität des Fahrzeugbetriebs in zunehmend vernetzten Umgebungen. Während sich diese Bezugnahme auf Automobilanwendungen bezieht, gilt das Prinzip gleichermaßen für die industrielle Automatisierung, bei der vernetzte Systeme mit ähnlichen Sicherheitsherausforderungen konfrontiert sind.

Kommunikationsprotokolle und Integration

HMIs müssen verschiedene Kommunikationsprotokolle unterstützen, um eine nahtlose Integration mit einer Vielzahl von Industriegeräten zu gewährleisten, wobei einige der gängigsten Protokolle wie Ethernet/IP, PROFINET und MODBUS TCP/IP für Ethernet-basierte Kommunikation und PROFIBUS verwendet werden.

Die Wahl des Protokolls beeinflusst die Fähigkeit des HMI, mit SPS, Sensoren und anderen Geräten im Automatisierungssystem zu kommunizieren. HMIs müssen oft mit Systemen für die Überwachung und Steuerung auf höherer Ebene interagieren.

Testen, Validieren und Beauftragen

Als Teil des ISA-101-Lebenszyklusmodells sollten neue und überarbeitete HMI-Anzeigen vor der Inbetriebnahme getestet werden, wobei ein Simulationssystem in der Lage ist, die Test- und Schulungsaktivitäten erheblich zu verbessern.

Umfassende Prüfungen sollten Funktionstests umfassen, um alle Bedienelemente und Anzeigen bestimmungsgemäß zu überprüfen, Leistungstests unter realistischen Lastbedingungen, Usability-Tests mit den tatsächlichen Bedienern und die Validierung, dass das HMI alle festgelegten Anforderungen und Normen erfüllt.

Schulung und Betreiberkompetenz

Selbst das am besten konzipierte HMI erfordert eine angemessene Schulung des Bedieners, um sein volles Potenzial auszuschöpfen. Die Trainingsprogramme sollten nicht nur die Nutzung der Schnittstelle, sondern auch die zugrunde liegende Prozesslogik, Alarmreaktionsverfahren und Fehlerbehebungsverfahren abdecken.

Die ISA-101-Implementierungsphase umfasst Anforderungen an Tests, Dokumentation und Schulungen. Eine effektive Schulung stellt sicher, dass die Betreiber die Fähigkeiten des HMI verstehen und es sowohl im normalen Betrieb als auch in außergewöhnlichen Situationen effektiv nutzen können.

Management von Change (MOC) Prozessen

Unterstützung der Endbenutzer bei der Einrichtung eines Prozesses zur Verwaltung von Änderungen an Strategie, Displays, Grafiken, Standorten usw. mit dem Verfahren einschließlich Test- und Schulungsanforderungen. In der Betriebsphase umfasst ISA-101 das Management von Änderungen und Anforderungen für HMI-Betrieb, Wartung und Stilllegung.

Ein robuster MOC-Prozess stellt sicher, dass HMI-Modifikationen vor der Implementierung richtig bewertet, getestet, dokumentiert und kommuniziert werden, wodurch unbeabsichtigte Konsequenzen vermieden und die Systemintegrität im Laufe der Zeit erhalten bleibt.

Branchenspezifische Überlegungen

Während ISA-101 allgemeine Grundsätze bietet, die branchenübergreifend anwendbar sind, können bestimmte Sektoren einzigartige Anforderungen haben. Prozessindustrien wie chemische Fertigung, Öl und Gas sowie Pharmazeutika erfordern oft umfangreiche Alarmmanagement- und Chargensteuerungsfunktionen. Diskrete Fertigung kann Hochgeschwindigkeitsdatenaktualisierungen und Maschinenstatusvisualisierung priorisieren. Wasser- und Abwasserbehandlungsanlagen benötigen geographische Übersichtsdarstellungen, die verteilte Vermögenswerte zeigen.

Dieser umfassende HMI-Design-Leitfaden wurde von industriellen Automatisierungsingenieuren mit mehr als 20 Jahren Erfahrung bei der Entwicklung von Bedienerschnittstellen für die chemische Verarbeitung, Herstellung, Wasseraufbereitung und Stromerzeugungsanlagen entwickelt.

Häufige HMI-Design-Fehler zu vermeiden

Wenn ein HMI nicht in einem optimalen Zustand ist, kann es mehr zu einem Hindernis als zu einer Lösung werden, wobei eines der häufigsten HMI-Probleme darin besteht, dass die Bildschirme so mit Farbe und Details überladen sind, dass es für den Bediener schwierig ist, die Situation schnell zu beurteilen.

Andere häufige Fehler sind:

  • Verwendung von SPS-Tagnamen anstelle von betreiberfreundlichen Labels
  • Organisation von Displays basierend auf dem Standort der Geräte und nicht auf operativen Aufgaben
  • Implementierung inkonsistenter Navigationsmuster über verschiedene Bildschirme hinweg
  • Übernutzung von Animationen und dynamischen Elementen, die eher ablenken als informieren
  • Nichtprüfung der HMI-Leistung unter realistischen Lastbedingungen
  • Vernachlässigung der Erfassung und Einbeziehung von Anwender-Feedback
  • Erstellen von tiefen Navigationshierarchien, die übermäßige Klicks erfordern, um kritische Informationen zu erreichen

Messung der HMI-Wirksamkeit

Die wichtigsten Leistungsindikatoren können die Reaktionszeit des Bedieners auf Alarme, die Häufigkeit von Bedienerfehlern, die für die Erledigung gemeinsamer Aufgaben erforderliche Zeit, die Zufriedenheit des Bedieners und die Häufigkeit von Vorfällen im Zusammenhang mit HMI-Usability-Problemen umfassen.

Durch die Übernahme dieser Standards können Teams Fehler beim Bediener reduzieren und das Situationsbewusstsein verbessern. Die Quantifizierung dieser Verbesserungen hilft, Investitionen in HMI-Upgrades zu rechtfertigen und den Geschäftswert der Einhaltung von Designstandards zu demonstrieren.

Das Gebiet des HMI-Designs entwickelt sich mit neuen Technologien und sich ändernden Erwartungen der Bediener weiter. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen ermöglichen zunehmend prädiktive Analysen und intelligente Alarmfilterung. Augmented Reality bietet neue Möglichkeiten zur Überlagerung digitaler Informationen auf physische Geräte. Sprachsteuerung und gestenbasierte Schnittstellen können traditionelle Eingabemethoden in geeigneten Anwendungen ergänzen.

Durch die Untersuchung von Usability-Herausforderungen, technologischen Fortschritten und der Integration sich schnell entwickelnder Technologien wie KI (Künstliche Intelligenz), AR (Augmented Reality) und gestenbasierter Steuerungen zeigt diese Studie, wie effektiv HMIs die kognitive Belastung minimieren und gleichzeitig die Funktionalität beibehalten.

SPS 2025 hat bestätigt, dass das großartige Dashboard-Design sowohl universell als auch nuanciert ist, wobei Dashboards jetzt eine grundlegende Erwartung sind, aber die eigentliche Herausforderung besteht darin, sie intuitiv, zusammenhängend und wirklich hilfreich zu machen.

Praktische Umsetzungsstrategien

Der ISA-101-Standard bietet einen formalen Rahmen für das HMI-Design, aber Sie müssen kein vollständiges HMI-Philosophiedokument implementieren, um sinnvolle Verbesserungen vorzunehmen, wobei praktische Richtlinien aus Jahrzehnten des Baus und der Inbetriebnahme von Automatisierungsgeräten in allen Branchen stammen.

Beginnend mit bestehenden Systemen

Unternehmen mit HMI-Systemen können Verbesserungen schrittweise umsetzen, anstatt vollständige Redesigns zu erfordern. Konzentrieren Sie sich zuerst auf die wichtigsten Displays und Verbesserungen mit den höchsten Auswirkungen. Standardisieren Sie die Farbnutzung, verbessern Sie die Alarmdarstellung und verbessern Sie die Navigation, bevor Sie sich mit umfassenden Redesigns befassen.

Neue Systeme bauen

Bei neuen HMI-Projekten sollten Sie im Voraus Zeit in die Entwicklung umfassender Dokumente für Philosophie und Stilführer investieren. Wiederverwendbare Vorlagen und Komponentenbibliotheken erstellen. Bediener frühzeitig in den Entwurfsprozess einbeziehen und während der gesamten Entwicklung iterative Tests durchführen.

Dies kann Sie bei der Implementierung von ISA 101.01 in Ihrer Anwendung unterstützen, indem Sie wiederverwendbare Richtlinien bereitstellen, die Standards als Ausgangspunkt für Ihren eigenen HMI Style Guide folgen, der durch die Nutzung wiederverwendbarer Bibliotheken als HMI-Toolkit für die Implementierung weiter vereinfacht werden kann.

Kostenüberlegungen und ROI

Die Investition in ein richtiges HMI-Design ist im Vergleich zu den Kosten des von ihm kontrollierten Automatisierungssystems gering, aber die Auswirkungen auf den täglichen Betrieb sind unverhältnismäßig groß, wobei ein Bediener, der der Schnittstelle vertraut und Informationen schnell finden kann, ein Bediener ist, der die Produktion am Laufen hält.

Auch heute noch werden viele Endbenutzer mit den neuen Tools und Ansätzen für HMI bis zu 10.000 US-Dollar oder mehr ausgeben, um jede Seite der HMI-Grafiken für ihre Prozessabläufe zu entwickeln. Diese Investition zahlt sich jedoch durch reduzierte Ausfallzeiten, schnellere Problemlösung, weniger Bedienfehler und verbesserte Sicherheitsergebnisse aus.

Ressourcen für weiteres Lernen

Fachleute, die ihre HMI-Design-Know-how vertiefen wollen, verfügen über zahlreiche Ressourcen. Der ISA-101-Standard selbst bietet umfassende Anleitung, während technische Berichte zu bestimmten Themen erweitert werden. Industriekonferenzen bieten Möglichkeiten, reale Implementierungen zu sehen und von erfahrenen Praktikern zu lernen.

Bücher wie "The High-Performance HMI Handbook" bieten praktische Anleitungen auf der Grundlage von Erfahrungen vor Ort. Online-Communities und professionelle Organisationen erleichtern den Wissensaustausch zwischen HMI-Designern und Automatisierungsexperten. Viele Automatisierungsanbieter bieten Schulungsprogramme an, die speziell für ihre Plattformen geeignet sind.

Weitere Informationen zu Industrieautomationsstandards und Best Practices finden Sie auf der Website der International Society of Automation Weitere Ressourcen zum Thema Human Factors Engineering finden Sie unter Human Factors and Ergonomics Society.

Schlussfolgerung

Effektives HMI-Design ist weit mehr als die Schaffung attraktiver Grafiken oder die Implementierung der neuesten Technologie. Es erfordert einen systematischen Ansatz, der auf Human Factors Engineering, Industriestandards und praktischer Betriebserfahrung basiert. ISA-101 ist mehr als nur eine Richtlinie für die Verwendung von Graustufengrafiken - es ist ein umfassender Ansatz für das HMI-Design, der die Effektivität und Sicherheit des Bedieners verbessert, wobei die in ISA-101 vorgeschriebene stufenbasierte Organisation von HMIs verstanden und implementiert wird Prozessindustrien können ihre betriebliche Klarheit und Reaktionseffektivität deutlich verbessern.

HMI-Design spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Fähigkeit eines Betreibers, die Systeme einer Industrieanlage effektiv zu verwalten, insbesondere bei der Erkennung und Lösung einer abnormalen Situation, indem Designstandards übernommen werden, wie sie von Gruppen wie ANSI und ISA entwickelt wurden, so dass Organisationen Daten in einem konsistenten, klaren und skalierbaren Kontext hinzufügen können.

Durch die Einhaltung etablierter Prinzipien, die Einbeziehung der Endbenutzer während des gesamten Designprozesses, die Implementierung eines ordnungsgemäßen Lifecycle-Managements und die Verpflichtung zur kontinuierlichen Verbesserung können Unternehmen HMI-Systeme erstellen, die es den Betreibern wirklich ermöglichen, komplexe Automatisierungssysteme sicher und effizient zu überwachen und zu steuern. Die Investition in ein ordnungsgemäßes HMI-Design liefert messbare Renditen durch verbesserte Sicherheit, reduzierte Fehler, schnellere Reaktionszeiten und verbesserte betriebliche Produktivität.

Da Automatisierungssysteme immer komplexer und leistungsfähiger werden, wird die Bedeutung effektiver Mensch-Maschine-Schnittstellen nur noch zunehmen. Organisationen, die HMI-Design-Exzellenz priorisieren, positionieren sich für den operativen Erfolg in einer zunehmend wettbewerbsintensiven und anspruchsvollen Industrielandschaft.