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Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierung – Trends und Kurven sinnvoll anzeigen

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Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierung – Trends und Kurven sinnvoll anzeigen

Einleitung

In diesem aiMOOC lernst Du, Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierungen so zu lesen und zu gestalten, dass Trends und Kurven fachlich sinnvoll interpretiert werden können. Im Mittelpunkt stehen Zeitbezug, Einheit und Messbereich. Du arbeitest mit einer vollständig fiktiven virtuellen Anlage und ausschließlich mit Testdaten.

Zielgruppe: Ausbildung in Automatisierungstechnik, Mechatronik, Elektronik und verwandten technischen Berufen.

Sicherheitsrahmen: Alle Steuerungs- und Diagnoseaufgaben finden nur in lokalen oder ausdrücklich autorisierten Testumgebungen statt. Verwende keine fremden Netze, Produktivanlagen, Zugangsdaten oder Kundendaten. Übertrage keine realen Betriebsdaten ungefragt an externe Dienste.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du eine Trenddarstellung auf Zeitachse, Einheit und Messbereich prüfen, typische Darstellungsfehler erkennen, Signalverläufe vergleichen und aus Kurven eine begründete Diagnose für eine virtuelle Anlage ableiten.

Kurzfall: Virtuelle Misch- und Heizstation V-101

Du betreust im Ausbildungsraum eine lokale Simulation. Ein Behälter wird gefüllt, gerührt und erwärmt. Es gibt nur fiktive Signale.

Signal	Bedeutung	Einheit	Simulierter Messbereich
T101	Temperatur	°C	0 bis 100 °C
L101	Füllstand	%	0 bis 100 %
F101	Durchfluss	L/min	0 bis 50 L/min
N101	Rührerdrehzahl	min⁻¹	0 bis 1500 min⁻¹

Ausbildungsauftrag: Erkenne an der Visualisierung, ob ein Verlauf plausibel ist. Verändere in der Simulation nur freigegebene Sollwerte und Darstellungsparameter. Begründe jede Diagnose mit mindestens zwei sichtbaren Merkmalen.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Was zeigt eine Bedienoberfläche?

Eine HMI verbindet Bedienperson und Maschine. In der Prozessvisualisierung werden Zustände, Messwerte, Meldungen und zeitliche Verläufe sichtbar. Gute Anzeigen helfen Dir, normale und auffällige Zustände schnell zu unterscheiden.

Merksatz: Ein einzelner Zahlenwert zeigt einen Zustand. Ein Trend zeigt zusätzlich, wie sich dieser Zustand über die Zeit entwickelt.

Lerneinheit 2: Zeitbezug zuerst

Bei einem Trend gehört die Zeit meist auf die X-Achse. Prüfe vor jeder Deutung: Welcher Zeitraum? Welche Zeiteinheit? Live oder historisch? Welche Abtastung?

Ein dynamisches Zeitfenster wandert mit der aktuellen Zeit. Ein statisches Zeitfenster hat feste Start- und Endpunkte. Ohne klaren Zeitbezug kann dieselbe Kurve ruhig oder hektisch wirken.

Lerneinheit 3: Einheit und Messbereich

Ein Messwert besteht aus Zahlenwert und Einheit. Die Achsenbeschriftung muss zur dargestellten Größe passen. Ein Messbereich legt fest, in welchem Bereich eine Messung spezifiziert ist; der reine Anzeigebereich kann davon abweichen.

Prüfreihenfolge: Größe → Einheit → Messbereich → aktueller Wert → Verlauf.

Beispiel: 70 °C in einem Bereich von 0 bis 100 °C ist anders zu bewerten als 70 °C in einem Bereich von 60 bis 80 °C. Eine ungünstige Skalierung kann kleine Schwankungen dramatisch oder große Abweichungen harmlos erscheinen lassen.

Lerneinheit 4: Kurven vergleichen, ohne sich täuschen zu lassen

Vergleiche nur Signale, deren Zeitbezug eindeutig ist. Bei unterschiedlichen Einheiten oder Wertebereichen brauchst Du klar getrennte Skalen oder getrennte Diagramme. Achte auf abgeschnittene Verläufe, Sprünge, fehlende Punkte und ungewöhnlich lange waagerechte Abschnitte.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Ein Oszilloskop macht denselben Grundgedanken besonders sichtbar: Die horizontale Skala bestimmt den Zeitbezug, die vertikale Skala den Wertebereich. Eine ungeeignete Einstellung kann wichtige Signalmerkmale verdecken.

Lerneinheit 5: Von der Kurve zur Diagnose

Ein Trend ist kein Beweis für eine Ursache. Formuliere zuerst eine Beobachtung und danach eine Hypothese.

Beobachtung in der Simulation	Mögliche Hypothese	Nächster sicherer Prüfschritt
Wert bleibt am oberen Rand	Darstellung zu klein skaliert oder Signal begrenzt	Messbereich und Achsengrenze prüfen
Sprung ohne Prozessänderung	Einheit, Umrechnung oder Sensorwert unplausibel	Rohwert und Einheitenzuordnung in der Simulation vergleichen
Zwei Kurven wirken zeitversetzt	unterschiedliche Zeitbasis oder Abtastung	Zeitstempel und Abtastintervall prüfen
Linie enthält Lücken	fehlende Simulationswerte	Datenqualität und Erfassungsstatus prüfen

Ein Regelkreis erklärt, warum Sollwert, Istwert und Stellgröße zeitlich zusammenhängen können. Die Kurve zeigt die Reaktion des Systems; die Diagnose muss trotzdem weitere Prozessinformationen einbeziehen.

Lerneinheit 6: Bedienoberfläche für schnelles Erkennen

Anzeigen sollten die für die Aufgabe wichtigen Informationen hervorheben. Farben, Symbole, Achsen und Werte müssen konsistent sein. Für Trends sind gut lesbare Beschriftungen, eindeutige Einheiten, passende Skalen und ein sichtbarer Zeitbereich wichtiger als dekorative Effekte.

Praxis: Steuerungs- und Diagnosemissionen

Basisaufgabe: Trend richtig einrichten

Situation: T101 steigt in der Simulation langsam an. Stelle einen Trend so ein, dass Temperatur, Einheit, Zeitfenster und Messbereich eindeutig sind. Dokumentiere Deine Wahl in einem Screenshot oder einer Skizze.

Hilfe 1: Beginne mit der X-Achse. Welcher Zeitraum soll beurteilt werden?

Hilfe 2: Prüfe danach die Y-Achse. Passt die Einheit zur Messgröße?

Hilfe 3: Wähle den Bereich so, dass Normalwert und relevante Abweichung sichtbar bleiben.

Begründetes Feedback: Eine gute Lösung nennt Zeitfenster, Zeiteinheit, Temperatureinheit und sichtbaren Wertebereich. Nur „die Kurve sieht gut aus“ reicht nicht, weil ohne diese Angaben keine reproduzierbare Bewertung möglich ist.

Anwendungsaufgabe: Fehlerhafte Anzeige finden

Situation: In der Simulation erscheinen Temperaturwerte um 293 bis 303, die Achse ist aber mit °C und 0 bis 100 beschriftet. Der Prozess selbst wurde nicht verändert. Finde den wahrscheinlichsten Darstellungsfehler und beschreibe eine sichere Korrektur nur in der lokalen Testumgebung.

Hilfe 1: Prüfe, ob Zahlenbereich und Einheit zusammenpassen.

Hilfe 2: 293 bis 303 passt eher zu einer anderen Temperaturskala als zu 0 bis 100 °C.

Hilfe 3: Vergleiche Rohwert, Umrechnung und Achsenbeschriftung.

Begründetes Feedback: Die plausible Diagnose ist eine falsche Einheit oder fehlende Umrechnung, zum Beispiel Kelvin statt Grad Celsius. Die Anzeige darf erst nach Prüfung der Signaldefinition angepasst werden; ein bloßes Ändern der Achsgrenze würde die Ursache verdecken.

Transferaufgabe: Zwei Kurven, eine falsche Schlussfolgerung

Situation: N101 und F101 steigen gleichzeitig. Eine Person behauptet: „Die Drehzahl verursacht sicher den höheren Durchfluss.“ Bewerte die Aussage.

Hilfe 1: Gleichzeitigkeit ist noch kein Nachweis für Ursache und Wirkung.

Hilfe 2: Prüfe Zeitbezug, Achsenskalierung und weitere mögliche Einflussgrößen.

Hilfe 3: Formuliere eine testbare Hypothese für die Simulation statt einer sicheren Behauptung.

Begründetes Feedback: Ein zeitlicher Zusammenhang kann eine Hypothese stützen, beweist aber keine Kausalität. Eine fachlich bessere Antwort trennt Beobachtung, Hypothese und kontrollierten Test in der autorisierten Simulation.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Geprüfte Fachquellen

Quelle	Nutzen für den Kurs
ISA101 – Human-Machine Interfaces	Fachlicher Rahmen zu HMI-Gestaltung, Navigation, Grafiken, Alarmen und Schnittstellen
Siemens SIMATIC HMI – Visualizing Processes	Zeitbereiche und Trenddarstellung in HMI-Systemen
BIPM – SI Brochure	Größen, Einheiten und Beschriftung von Diagrammachsen
Wikipedia – Messbereich	Unterscheidung von Messbereich und Anzeigebereich
BSI – ICS-Security-Kompendium	Sicherheitsbewusster Umgang mit industriellen Steuerungs- und Automatisierungssystemen

Verwendete freie Bilder

Datei	Rechtehinweis
Chiller plant SCADA system.jpg	Wikimedia Commons, CC0 1.0
GoJS SCADA Industrial Monitor.png	Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Line chart graph.png	Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Modern Digital Oscilloscope.jpg	Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
PID en.svg	Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was prüfst Du bei einer Trendkurve zuerst, bevor Du sie deutest? (Den Zeitbezug der X-Achse) (!Die Hintergrundfarbe) (!Die Schriftart des Menüs) (!Die Position des Firmenlogos)

Welche Angabe gehört zwingend zu einem technischen Messwert? (Eine passende Einheit) (!Ein Benutzername) (!Ein Produktfoto) (!Ein Alarmton)

Was beschreibt der Messbereich? (Den Bereich, in dem die Messung spezifiziert ist) (!Die Anzahl der angezeigten Kurven) (!Die Größe des Bildschirms) (!Die Anzahl der Bedienpersonen)

Was kennzeichnet ein dynamisches Zeitfenster in einer Trenddarstellung? (Es bewegt sich mit der aktuellen Zeit) (!Es hat immer feste Start- und Endzeiten) (!Es zeigt keine Messwerte) (!Es besitzt keine Zeitachse)

Warum kann eine unpassende Y-Achse die Interpretation verfälschen? (Sie kann Änderungen überbetonen oder verbergen) (!Sie ändert automatisch den realen Prozess) (!Sie ersetzt die Einheit durch eine Farbe) (!Sie macht Zeitstempel überflüssig)

Welche Aussage zu zwei gleichzeitig steigenden Kurven ist fachlich richtig? (Gleichzeitigkeit allein beweist keine Ursache) (!Eine Kurve verursacht immer die andere) (!Beide Signale müssen dieselbe Einheit haben) (!Die Zeitachse ist dann unwichtig)

Was ist bei einer am oberen Diagrammrand abgeschnittenen Kurve zuerst zu prüfen? (Die Skalierung und der dargestellte Wertebereich) (!Die Bildschirmhelligkeit) (!Die Sprache des Menüs) (!Die Mausgeschwindigkeit)

Was ist in diesem Kurs für Steuerungs- und Diagnoseversuche zulässig? (Eine lokale oder ausdrücklich autorisierte Testumgebung mit fiktiven Daten) (!Eine fremde Produktionsanlage ohne Zustimmung) (!Ein Kundennetz mit echten Zugangsdaten) (!Ein ungefragter Export realer Betriebsdaten)

Warum sind Zeitstempel bei Diagnosekurven wichtig? (Sie ermöglichen die zeitliche Zuordnung von Ereignissen) (!Sie bestimmen die Farbe der Kurve) (!Sie ersetzen den Messbereich) (!Sie legen die Benutzerrolle fest)

Welche Reihenfolge unterstützt eine saubere Diagnose? (Beobachtung dann Hypothese dann kontrollierte Prüfung) (!Ursache behaupten dann Kurve suchen dann Einheit ändern) (!Skala ändern dann Daten löschen dann Ursache festlegen) (!Alarm quittieren dann Zeitachse ausblenden dann messen)

Memory

Zeitachse	Zeitpunkt oder Zeitspanne
Y-Achse	Messwertskala
Einheit	Bedeutung des Zahlenwerts
Messbereich	gültiger Bereich der Messung
Trend	zeitlicher Verlauf
Clipping	abgeschnittener Kurvenverlauf

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Zeitbezug	Zeitfenster
Einheit	Grad Celsius
Messbereich	Unter- und Obergrenze
Sollwert	gewünschter Prozesswert
Istwert	gemessener Prozesswert
Trend	zeitlicher Verlauf

...

Kreuzworträtsel

Zeitachse	Welche Achse zeigt in einem Trend meist den zeitlichen Verlauf?
Einheit	Was ergänzt den Zahlenwert zu einer technischen Größenangabe?
Messbereich	Wie heißt der spezifizierte Wertebereich einer Messung?
Diagnose	Wie nennt man die systematische Suche nach der Ursache einer Auffälligkeit?
Kurve	Wie heißt eine grafische Linie, die einen Verlauf darstellt?
Abtastung	Wie heißt die zeitliche Erfassung einzelner Messpunkte?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Zeitachse lesen: Fotografiere oder skizziere eine fiktive Trendanzeige und markiere Zeitraum, Zeiteinheit und aktuellen Zeitpunkt.
Einheitencheck: Erstelle fünf fiktive Messwerte aus der virtuellen Anlage und ergänze jeweils die korrekte Einheit.
Messbereich markieren: Zeichne für T101 einen Wertebereich und kennzeichne Normalbereich, Warnbereich und Darstellungsgrenzen.
HMI-Skizze: Entwirf eine einfache Bedienoberfläche mit genau einem Behälter, drei Messwerten und einem Trend.

Standard

Trendvergleich: Erstelle zwei fiktive Temperaturverläufe mit unterschiedlicher Zeitachse und erkläre, wie sich die Wahrnehmung derselben Änderung unterscheidet.
Signalfehler: Baue in einer Tabellenkalkulation absichtlich einen Sprung, eine Datenlücke und eine Begrenzung ein und beschreibe die sichtbaren Merkmale.
Bedienaufgabe: Plane für die lokale Simulation eine sichere Bedienfolge zum Starten, Beobachten und Stoppen des virtuellen Rührers.
Diagnoseprotokoll: Dokumentiere zu einer Auffälligkeit Beobachtung, Hypothese, Prüfschritt und Ergebnis, ohne eine reale Anlage zu verwenden.

Schwer

Skalierungsvergleich: Stelle denselben fiktiven Datensatz mit drei unterschiedlichen Y-Achsen dar und bewerte, welche Darstellung für die Diagnose am geeignetsten ist.
Soll-Ist-Analyse: Erzeuge in einer lokalen Simulation einen Sollwertsprung und untersuche, wie Sollwert, Istwert und Stellgröße zeitlich zusammenhängen.
Mehrsignal-Diagnose: Kombiniere Temperatur, Füllstand und Durchfluss zu einem fiktiven Fehlerfall und entwickle eine begründete Prüfreihenfolge.
Transferprojekt: Gestalte eine kleine Anlagenvisualisierung mit Übersicht, Trendseite und Diagnoseseite. Begründe jede Achse, Einheit, Farbe und Interaktion aus Sicht einer Bedienperson.

Lernkontrolle

Darstellungsentscheidung: Zwei Personen wählen unterschiedliche Zeitfenster für denselben Datensatz. Erkläre, warum beide Kurven korrekt sein können und trotzdem unterschiedliche Eindrücke erzeugen.
Messbereichsprüfung: Ein Sensor ist für einen bestimmten Bereich spezifiziert, die HMI zeigt darüber hinaus Werte an. Beurteile, welche Aussagen noch verlässlich sind und welche nicht.
Einheitenfehler: Entwickle einen fiktiven Fall, in dem eine falsche Einheit zu einer Fehlentscheidung führen könnte, und beschreibe eine Prüfroutine zur Vermeidung.
Korrelation und Ursache: Begründe, warum zwei ähnliche Kurven keine Kausalität beweisen, und plane einen kontrollierten Test in der lokalen Simulation.
Diagnosestrategie: Ordne Beobachtung, Hypothese, Prüfung und Bewertung zu einer nachvollziehbaren Fehlersuche und begründe die Reihenfolge.
Bedienbarkeit: Bewerte eine selbst entworfene Trendseite danach, ob eine andere Auszubildende Zeitbezug, Einheit und Messbereich innerhalb weniger Sekunden erkennen kann.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

Zeitbezug einer Trenddarstellung korrekt benennen und begründen.
Einheit und Messbereich zu jedem relevanten Signal korrekt angeben.
Mindestens zwei typische Darstellungsfehler fachlich erklären.
Einen fiktiven Signalverlauf nachvollziehbar diagnostizieren.
Beobachtung und Ursache sauber voneinander trennen.
Eine sichere Arbeitsweise ausschließlich in lokalen oder ausdrücklich autorisierten Testumgebungen nachweisen.