aiMOOC

Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierung – Sollwerte mit Grenzen versehen

QR-Code

Einleitung

Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierung – Sollwerte mit Grenzen versehen ist ein kompakter Lernkurs für die Ausbildung in Automatisierungstechnik, Mechatronik und verwandten Berufen. Im Mittelpunkt stehen zwei Fragen: Wer darf einen Sollwert ändern? und welche fachlich festgelegten Grenzen gelten dabei?

Du arbeitest mit einer rein virtuellen, lokal betriebenen Übungsanlage mit fiktiven Daten. Du beobachtest Sollwert und Istwert, prüfst Rollen und Berechtigungen, wertest Signalverläufe aus und diagnostizierst fehlerhafte Eingaben. Kurze Lerneinheiten führen von den Grundlagen zur Anwendung und zum Transfer.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du Sollwert, Istwert, Eingabegrenze, Alarmgrenze und Schutzgrenze unterscheiden. Du kannst begründen, warum Bedienrechte rollenbezogen vergeben werden und warum eine Eingabe sowohl in der Benutzerschnittstelle als auch in der Steuerungslogik plausibilisiert werden sollte. Außerdem kannst Du einfache Signalverläufe einer virtuellen Anlage lesen und typische Fehlerbilder systematisch eingrenzen.

Sicherheitsrahmen für alle Übungen

Alle Steuerungs- und Diagnoseaufgaben dieses Kurses beziehen sich ausschließlich auf lokale oder ausdrücklich autorisierte Testumgebungen mit fiktiven Daten. Es werden keine fremden Netze, Produktivanlagen, Zugangsdaten oder Kundendaten verwendet, angegriffen, umgangen oder ungefragt übertragen. Berechtigungen werden nicht ausgehebelt. Eine gesperrte Funktion wird diagnostiziert, nicht umgangen.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Was zeigt und bedient ein HMI?

Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder HMI macht Anlagenzustände sichtbar und ermöglicht – abhängig von Rolle und Freigabe – Bedienhandlungen. Typische Elemente sind Prozessbilder, Statusanzeigen, Trendkurven, Meldungen und Eingabefelder.

Merksatz: Eine Anzeige zeigt einen Zustand. Eine Eingabe verändert eine Vorgabe. Deshalb braucht ein Sollwertfeld mehr Schutz als ein reines Anzeigefeld.

Mini-Auftrag: Markiere in einer selbst gezeichneten HMI-Skizze drei reine Anzeigen und ein Sollwertfeld. Notiere, welche Elemente nur beobachtet und welche verändert werden dürfen.

Kurzfeedback: Gute Bedienbilder machen den Unterschied zwischen sehen und ändern deutlich. Das reduziert Fehlbedienung und hilft bei der Rechtevergabe.

Lerneinheit 2: Sollwert, Istwert und Grenzen

Der Sollwert ist der gewünschte Wert einer veränderlichen Prozessgröße. Der Istwert ist der aktuell gemessene Prozesswert. Eine Regelung vergleicht beide Größen und wirkt auf den Prozess ein.

Bei Sollwerten sind mehrere Grenzen zu unterscheiden:

Art	Zweck	Beispiel in der virtuellen Anlage
Eingabegrenze	zulässiger Bereich für eine Rolle	Bediener darf 40 bis 60 °C vorgeben
Alarmgrenze	macht einen auffälligen Prozesszustand sichtbar	Hochalarm ab 65 °C
Schutzgrenze	technische Grenze für Schutz- oder Verriegelungslogik	virtuelle Abschaltlogik bei 75 °C

Wichtig: Eingabegrenze, Alarmgrenze und Schutzgrenze erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Eine Alarmgrenze ist nicht automatisch eine zulässige Sollwertgrenze. Eine Schutzfunktion sollte nicht allein von der Bedienoberfläche abhängen.

Lerneinheit 3: Berechtigung und fachliche Freigabe

Berechtigungen bestimmen, wer eine Funktion nutzen darf. Fachliche Wertebereiche bestimmen, welche Werte in einer Rolle zulässig sind. Beides muss zusammenpassen.

Rolle	Typische Berechtigung in der Übung	Sollwertbereich
Beobachter	ansehen, Trends lesen	keine Änderung
Bediener	freigegebene Sollwerte ändern	40 bis 60 °C
Einrichter	nach Arbeitsauftrag erweiterten Bereich verwenden	30 bis 70 °C
Rechteverwaltung	Konten und Rollen verwalten	keine automatische Prozessfreigabe

Das Prinzip lautet: so viel Berechtigung wie nötig, so wenig wie möglich. Ein technischer Administrator ist deshalb nicht automatisch fachlich berechtigt, Prozesswerte zu verändern.

Mini-Auftrag: Begründe, warum ein Auszubildender mit Beobachterrolle einen Trend sehen, aber keinen Sollwert ändern sollte.

Kurzfeedback: Trennung von Beobachten, Bedienen und Einrichten senkt das Risiko unbeabsichtigter Änderungen und unterstützt nachvollziehbare Verantwortlichkeiten.

Lerneinheit 4: Ausbildungsfall – virtuelle Mischstation VM-01

Du arbeitest an der fiktiven VM-01. Sie besteht nur aus einer lokalen Simulation. Ein virtueller Behälter enthält Wasser. Dargestellt werden Temperatur, Füllstand, ein virtueller Rührer und ein Heizsignal. Es gibt keine Verbindung zu einer realen Anlage.

Auftrag der Schicht: Der Temperatursollwert soll von 50 °C auf 58 °C geändert werden. Für die Rolle Bediener gilt 40 bis 60 °C.

Zulässige Eingabe: 58 °C liegt im freigegebenen Bereich und darf in der Übung übernommen werden.
Unzulässige Eingabe: 72 °C liegt außerhalb des Bedienbereichs und muss abgewiesen werden.
Rollenprüfung: Ein Beobachter darf auch 58 °C nicht schreiben.
Rückmeldung: Bei einer abgewiesenen Eingabe bleibt der bisherige Sollwert erhalten und die HMI erklärt den Grund.

Gestaltungsregel: Ungültige Eingaben sollten nicht stillschweigend auf einen anderen Wert umgerechnet werden. Eine klare Meldung wie Zulässig: 40 bis 60 °C – Sollwert unverändert ist für den Lernfall nachvollziehbarer.

Lerneinheit 5: Signalverläufe lesen

Ein Trend zeigt, wie sich Werte über die Zeit verändern. Für die Diagnose sind insbesondere Sollwertsprung, Istwertreaktion, Grenzverletzung und Messwertqualität wichtig.

Signalverlauf A – normale Reaktion nach Sollwertänderung

Zeitpunkt	Sollwert	Istwert
t0	50 °C	50 °C
t1	58 °C	51 °C
t2	58 °C	54 °C
t3	58 °C	57 °C
t4	58 °C	58 °C

Diagnose: Der Istwert folgt dem neuen Sollwert mit Verzögerung. Das ist bei einem trägen Prozess grundsätzlich plausibel.

Signalverlauf B – auffälliges Eingangssignal

Zeitpunkt	Sollwert	Istwert	Qualitätsanzeige
t0	50 °C	49 °C	gültig
t1	50 °C	50 °C	gültig
t2	50 °C	999 °C	fehlerhaft
t3	50 °C	999 °C	fehlerhaft

Diagnose: Ein unplausibler Messwert mit schlechter Qualität ist zuerst als Mess- oder Signalproblem zu untersuchen. Der Sollwert wird nicht zur Anpassung an einen offensichtlich fehlerhaften Istwert verändert.

Lerneinheit 6: Grenzen richtig umsetzen und diagnostizieren

Eine robuste Lösung prüft Werte an mehr als einer Stelle. Die HMI führt den Menschen, die Steuerungslogik erzwingt die fachlichen Regeln. Rollenrechte, Betriebszustand und Freigabebedingungen werden ebenfalls geprüft.

Ein sinnvoller Ablauf für eine virtuelle Sollwertänderung ist:

Authentifizierung: Rolle ist bekannt.
Autorisierung: Rolle darf die Funktion nutzen.
Betriebszustand: Sollwertänderung ist im aktuellen Simulationsmodus freigegeben.
Werteprüfung: Eingabe liegt im fachlich zulässigen Bereich.
Übernahme: neuer Sollwert wird gesetzt.
Rückmeldung: HMI zeigt übernommenen Wert oder einen verständlichen Ablehnungsgrund.

Wenn eine Eingabe trotz scheinbar korrektem Wert nicht funktioniert, prüfst Du zuerst Rolle, Betriebsart, Schreibfreigabe, Wertebereich und Signalqualität. Du umgehst keine Sperren und veränderst keine fremden Systeme.

Aufgaben mit gestuften Hilfen und begründetem Feedback

Basisaufgabe: Eingabe oder Anzeige?

In der VM-01 siehst Du die Felder Temperatur Ist, Temperatur Soll, Alarm Hoch und Benutzerrolle. Entscheide, welche Felder ein Bediener normalerweise nur liest und welches Feld er innerhalb seiner Freigabe ändern darf.

Hilfe 1 – Orientierung: Suche nach dem Feld, das eine gewünschte Prozessgröße vorgibt.

Hilfe 2 – Struktur: Ist beschreibt den gemessenen Zustand. Soll beschreibt das Ziel.

Hilfe 3 – Lösungscheck: Der Bediener sollte den Temperatursollwert ändern können; Istwert, Alarmanzeige und Rollenanzeige dienen hier der Information.

Begründetes Feedback: Wenn Du den Sollwert als Eingabefeld erkennst, trennst Du Prozessbeobachtung von Prozessvorgabe. Genau diese Trennung ist für Berechtigungen und Plausibilitätsprüfungen entscheidend.

Anwendungsaufgabe: Drei Eingabeversuche

Die Bedienergrenze liegt bei 40 bis 60 °C. Der aktuelle Sollwert ist 50 °C. Beurteile 58 °C, 60 °C und 61 °C.

Hilfe 1 – Orientierung: Prüfe Unter- und Obergrenze einschließlich der Randwerte.

Hilfe 2 – Struktur: Ein Wert ist zulässig, wenn er größer oder gleich der Untergrenze und kleiner oder gleich der Obergrenze ist.

Hilfe 3 – Lösungscheck: 58 °C und 60 °C sind zulässig. 61 °C ist abzulehnen; der alte Sollwert bleibt erhalten.

Begründetes Feedback: Der Grenzwert 60 °C gehört zum freigegebenen Bereich, wenn die Regel ausdrücklich 40 bis 60 lautet. 61 °C überschreitet die fachliche Freigabe und darf nicht durch bloße HMI-Eingabe wirksam werden.

Transferaufgabe: Rechtefehler oder Wertefehler?

Ein Auszubildender ist als Beobachter angemeldet und versucht, 55 °C einzugeben. Die HMI verweigert die Übernahme. Ein zweiter Nutzer ist als Bediener angemeldet und gibt 68 °C ein; auch diese Eingabe wird verweigert. Erkläre die beiden Ablehnungsgründe.

Hilfe 1 – Orientierung: Prüfe zuerst Darf die Rolle schreiben? und danach Ist der Wert erlaubt?.

Hilfe 2 – Struktur: Beobachter scheitert an der Autorisierung. Bediener scheitert am Wertebereich.

Hilfe 3 – Lösungscheck: Beim Beobachter ist die Funktion gesperrt, obwohl 55 °C im Bedienbereich liegt. Beim Bediener ist die Funktion grundsätzlich erlaubt, aber 68 °C liegt außerhalb seines Bereichs.

Begründetes Feedback: Eine sichere und gut diagnostizierbare Bedienoberfläche unterscheidet Rollenfehler von Wertefehlern. So lässt sich die Ursache beheben, ohne Rechte zu umgehen oder Grenzen aufzuweichen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wozu dient eine Eingabegrenze für einen Sollwert? (Sie begrenzt die zulässigen Eingaben für eine festgelegte Rolle) (!Sie ersetzt jede technische Schutzfunktion) (!Sie zeigt nur die Farbe des Bedienbildes an) (!Sie macht die Benutzeranmeldung überflüssig)

Was ist ein Sollwert in einer Regelung? (Der gewünschte Wert einer veränderlichen Prozessgröße) (!Der Name des angemeldeten Benutzers) (!Die höchste Bildschirmauflösung) (!Der zuletzt gespeicherte Alarmtext)

Warum sollte eine Werteprüfung nicht nur in der HMI stattfinden? (Weil auch die Steuerungslogik fachlich unzulässige Werte abweisen sollte) (!Weil die HMI niemals Werte anzeigen darf) (!Weil jede Eingabe automatisch ein Alarm ist) (!Weil Rollen in Bedienoberflächen nicht vorkommen dürfen)

Was unterscheidet eine Alarmgrenze von einer Sollwert-Eingabegrenze? (Eine Alarmgrenze kennzeichnet einen auffälligen Prozesszustand) (!Eine Alarmgrenze meldet nur den Benutzernamen) (!Eine Alarmgrenze ist immer identisch mit der Eingabegrenze) (!Eine Alarmgrenze vergibt automatisch Schreibrechte)

Welche Aussage zur Rolle Beobachter ist im Ausbildungsfall richtig? (Sie darf Werte ansehen aber keine Sollwerte schreiben) (!Sie darf jeden Sollwert ohne Begrenzung ändern) (!Sie darf Schutzfunktionen deaktivieren) (!Sie darf Benutzerrollen beliebig erweitern)

Wie soll die HMI im Ausbildungsfall auf 72 Grad bei einer Bediengrenze bis 60 Grad reagieren? (Sie weist die Eingabe ab und lässt den bisherigen Sollwert bestehen) (!Sie übernimmt 72 Grad ohne Hinweis) (!Sie ändert die Benutzerrolle automatisch) (!Sie deaktiviert die Werteprüfung)

Was zeigt der Signalverlauf einer trägen Regelstrecke nach einem Sollwertsprung typischerweise? (Der Istwert folgt dem neuen Sollwert zeitlich verzögert) (!Der Istwert kennt den neuen Sollwert schon vor der Eingabe) (!Der Sollwert wird automatisch zur Benutzerrolle) (!Der Istwert muss sofort exakt springen)

Was ist bei einem offensichtlich fehlerhaften Messwert mit schlechter Signalqualität zuerst sinnvoll? (Das Mess- oder Signalproblem diagnostizieren) (!Den Sollwert auf den fehlerhaften Messwert setzen) (!Die Berechtigungsprüfung abschalten) (!Die Alarmgrenze dauerhaft entfernen)

Welche Reihenfolge ist für eine Sollwertänderung sinnvoll? (Berechtigung prüfen dann Wertebereich prüfen dann übernehmen) (!Übernehmen dann Benutzer anmelden dann Bereich festlegen) (!Schutzfunktion entfernen dann Wert übernehmen dann Rolle prüfen) (!Alarm löschen dann Rollenprüfung deaktivieren dann schreiben)

Wo dürfen die Übungen dieses Kurses durchgeführt werden? (Nur in lokalen oder ausdrücklich autorisierten Testumgebungen mit fiktiven Daten) (!In beliebigen fremden Produktionsnetzen) (!Mit echten Kundendaten ohne Freigabe) (!Durch Umgehung gesperrter Benutzerrollen)

Memory

Sollwert	gewünschter Prozesswert
Istwert	aktuell gemessener Prozesswert
Eingabegrenze	zulässiger Wertebereich einer Eingabe
Alarmgrenze	Schwelle für eine Prozessmeldung
Berechtigung	erlaubte Funktion einer Rolle
Validierung	Prüfung einer Eingabe auf Zulässigkeit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Beobachter	Werte ansehen ohne Sollwertänderung
Bediener	freigegebene Sollwerte im Bedienbereich ändern
Einrichter	erweiterten Bereich nach Arbeitsauftrag nutzen
Eingabegrenze	zulässige Vorgabe für ein Eingabefeld
Alarmgrenze	Schwelle zur Kennzeichnung eines auffälligen Prozesszustands

Kreuzworträtsel

Sollwert	Welcher Begriff bezeichnet den gewünschten Wert einer Prozessgröße?
Istwert	Welcher Begriff bezeichnet den aktuell gemessenen Prozesswert?
Grenzwert	Wie heißt eine festgelegte Grenze für einen Wert?
Berechtigung	Wie heißt die Erlaubnis einer Rolle für eine Funktion?
Validierung	Wie heißt die Prüfung einer Eingabe auf Zulässigkeit?
Visualisierung	Wie heißt die grafische Darstellung von Anlagenzuständen?

LearningApps

Lückentext

Der gewünschte Wert einer Prozessgröße heißt

.

Der aktuell gemessene Prozesswert heißt

.

Eine Rolle legt fest, welche Bedienhandlungen ein Nutzer aufgrund seiner

ausführen darf.

Der fachlich freigegebene Bereich eines Sollwertfeldes wird durch eine

begrenzt.

Ein auffälliger Prozesszustand kann durch eine

gekennzeichnet werden.

Eine ungültige Sollwerteingabe sollte durch die Steuerungslogik zusätzlich

werden.

Bei schlechter Messwertqualität wird zuerst das Signalproblem

.

Die Übungen finden ausschließlich in einer autorisierten lokalen

statt.

Offene Aufgaben

Leicht

HMI-Skizze: Zeichne eine einfache Bedienseite der VM-01 mit Istwert, Sollwert, Benutzerrolle und Rückmeldung für eine abgelehnte Eingabe.
Grenzen markieren: Erstelle einen Zahlenstrahl für den Bedienbereich 40 bis 60 °C und markiere zulässige sowie unzulässige Beispielwerte.
Rollenkarte: Formuliere für Beobachter, Bediener und Einrichter jeweils einen kurzen Satz mit erlaubten und nicht erlaubten Tätigkeiten.
Signalverlauf beschreiben: Beschreibe in drei Sätzen, wie ein Istwert einem neuen Sollwert verzögert folgen kann.

Standard

Bedienkonzept: Entwirf ein Sollwertfeld mit Einheitenanzeige, Min-Max-Hinweis und verständlicher Fehlermeldung für ungültige Eingaben.
Diagnoseprotokoll: Erstelle ein Prüfschema für den Fall, dass ein Bediener einen zulässigen Sollwert nicht übernehmen kann.
Trendbewertung: Erfinde einen kurzen fiktiven Signalverlauf mit Sollwert, Istwert und Qualitätsstatus und erkläre, woran Du eine Messstörung erkennst.
Berechtigungsmatrix: Entwickle eine Rollen-Funktions-Matrix für Beobachten, Bedienen, Einrichten und Rechteverwaltung und begründe jede Schreibberechtigung.

Schwer

Mehrschichtige Validierung: Entwickle ein Konzept, wie HMI und Steuerungslogik denselben fachlichen Sollwertbereich konsistent prüfen, ohne sich allein auf die HMI zu verlassen.
Transfer auf Füllstand: Übertrage das Grenz- und Rollenprinzip von Temperatur auf den fiktiven Füllstand einer virtuellen Anlage und begründe neue Wertebereiche.
Fehleranalyse: Unterscheide anhand eines selbst entworfenen Falls zwischen Rollenfehler, Wertefehler, Betriebszustandsfehler und Signalfehler und entwickle eine sichere Diagnosefolge.
Usability-Prüfung: Plane einen kleinen Test mit Mitschülern, in dem Du untersuchst, ob Nutzer Eingabegrenzen, Alarmgrenzen und Rückmeldungen eindeutig verstehen. Verwende nur die lokale Übungssimulation.

Lernkontrolle

Transferfall Rollenwechsel: Ein Sollwert ist für einen Einrichter zulässig, aber für einen Bediener nicht. Erkläre, wie die Bedienoberfläche den Unterschied sichtbar machen sollte, ohne unnötige technische Details preiszugeben.
Grenzenkonflikt: Eine HMI erlaubt 30 bis 70 °C, die Steuerungslogik akzeptiert jedoch nur 40 bis 60 °C. Analysiere die Folgen für Bedienbarkeit und Fehlerdiagnose und schlage eine konsistente Lösung vor.
Signaldiagnose: Ein Istwert springt plötzlich auf einen extrem hohen Wert und die Qualitätsanzeige wird schlecht. Begründe, welche Prüfungen vor einer Sollwertänderung erfolgen sollten.
Betriebszustand: Ein Bediener hat die richtige Rolle und gibt einen gültigen Wert ein, aber die Anlage befindet sich in einem Simulationszustand, in dem Änderungen gesperrt sind. Erkläre eine sinnvolle Rückmeldung.
Gestaltungsentscheidung: Vergleiche stilles Begrenzen einer falschen Eingabe mit einer klaren Ablehnung und begründe, welche Variante für den Ausbildungsfall transparenter ist.
Sicherheitsübertragung: Übertrage das Prinzip von Berechtigung plus Wertebereich auf eine andere virtuelle Prozessgröße und erkläre, warum die Schutzlogik unabhängig von der HMI bleiben sollte.

Lernnachweis

Für den Lernnachweis ist wichtig, dass Du die Zusammenhänge erklärst und nicht nur Begriffe nennst.

Du unterscheidest Sollwert, Istwert, Eingabegrenze, Alarmgrenze und Schutzgrenze fachlich korrekt.
Du begründest rollenbezogene Schreibrechte und das Prinzip minimal notwendiger Berechtigung.
Du wertest mindestens einen Signalverlauf aus und leitest eine plausible Diagnose ab.
Du entwickelst eine sichere Reaktion auf unzulässige Eingaben, bei der der bisherige Sollwert erhalten bleibt.
Du erklärst die mehrschichtige Validierung in HMI und Steuerungslogik.
Du hältst den Sicherheitsrahmen ein und arbeitest ausschließlich mit fiktiven Daten in lokalen oder ausdrücklich autorisierten Testumgebungen.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Die fachlichen Aussagen wurden mit frei zugänglichen bzw. öffentlich dokumentierten Quellen abgeglichen. Für die Ausbildung wichtig sind insbesondere Rollen und Autorisierung, Eingabevalidierung, verständliche HMI-Gestaltung sowie die Trennung von Bedienoberfläche und Schutzlogik.

NIST SP 800-82 Rev. 3 – Guide to Operational Technology Security: beschreibt OT-Sicherheit unter Berücksichtigung von Zuverlässigkeit und Safety.
BSI – Empfehlungen für Hersteller und Integratoren von ICS: verweist unter anderem auf sichere Industriekomponenten und Testleitfäden.
BSI – ICS-Security-Kompendium für Hersteller: behandelt unter anderem Eingabevalidierung an grafischen Benutzeroberflächen und autorisierten physischen Zugang.
ISA101 – Human-Machine Interfaces: behandelt Gestaltung, Bedienung, Alarme und Sicherheitsmethoden für industrielle HMI.
Wikipedia – Benutzerschnittstelle: Überblick zu Mensch-Maschine-Schnittstellen.
Wikipedia – Sollwert: Begriff und Einordnung des Sollwerts in der Regelungstechnik.

Medienrechte geprüft:

HMI-Panel in der Industrie.jpg – Earl of Oxford, CC BY-SA 4.0.
HMI-Panel Anschlüsse.jpg – Earl of Oxford, CC BY-SA 4.0.
Set-point control.png – Brews ohare, CC0 1.0.
SCADA Systems Layout.png – deramsey, CC BY-SA 4.0.
Eclipse SCADA Demo System.png – Jens Reimann, CC BY-SA 4.0.
Signalflussdiagramm Steuerung.png – HeinrichKü, CC BY-SA 3.0 DE / GFDL laut Dateibeschreibungsseite.
Control Room DSC0028.jpg – Arielinson, CC BY-SA 4.0.
Die zwei eingebetteten YouTube-Videos wurden als öffentlich verfügbare Videos recherchiert. Sie werden nur über die von YouTube vorgesehene Einbettung eingebunden; die Urheberrechte verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Sie sind nicht als OER gekennzeichnet und werden nicht heruntergeladen oder neu veröffentlicht. YouTube-Hilfe zur Einbettung.