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Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierung – Eine HMI mit Nutzungsfällen testen

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Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierung – Eine HMI mit Nutzungsfällen testen

Einleitung

Eine HMI verbindet Bedienperson und Maschine: Sie zeigt Zustände, Meldungen und Verläufe und ermöglicht freigegebene Eingriffe in den Prozess. In diesem aiMOOC trainierst Du das an einer rein virtuellen Förder- und Sortieranlage.

Ausbildungsfall: In der fiktiven Ausbildungszelle „Sortierstation A“ transportiert ein Förderband Werkstücke zu einer Lichtschranke. Ein Sensor erkennt das Werkstück, ein Antrieb bewegt das Band und eine Weiche sortiert es aus. Die HMI zeigt Betriebsart, Freigaben, Sensoren, Motorzustand, Störungen und Trends.

Dein Auftrag: Teste drei Nutzungsfälle:

Normalbetrieb: Anlage starten, Prozess beobachten und Sollverhalten bestätigen.
Störung: Fehlerbild erkennen, Meldung und Signalverlauf auswerten und Ursache eingrenzen.
Wiederanlauf: sichere Voraussetzungen prüfen, Störung quittieren und den Prozess bewusst neu starten.

Sicherheitsrahmen: Alle Übungen finden ausschließlich in einer lokalen Simulation, einer Offline-VM oder einer ausdrücklich autorisierten Schulungsumgebung mit fiktiven Signalen statt. Keine fremden Netze, Produktivanlagen, Zugangsdaten oder Kundendaten verwenden, scannen, verändern oder übertragen.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

HMI-Elemente wie Anzeige, Taster, Meldefenster und Trend unterscheiden.
einen normalen Signalablauf mit einem gestörten Ablauf vergleichen.
eine Störung anhand von Meldung, Status und Trend systematisch eingrenzen.
einen Wiederanlauf erst nach erfüllten Freigabebedingungen ausführen.
Testergebnisse mit Sollwert, Istwert, Beobachtung und Begründung dokumentieren.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: HMI lesen statt nur klicken

Eine HMI soll Informationen so darstellen, dass Du den Anlagenzustand schnell verstehst. Nach ISA-101 gehören unter anderem Informationsdarstellung, Prozessvisualisierung, Benutzerinteraktion und Bedienertraining zu den Kernthemen eines leistungsfähigen HMI-Konzepts.

Merke: Farbe allein reicht nicht. Gute Anzeigen verbinden Farbe mit Text, Symbol, Position oder Zustandsbezeichnung.

Element	Frage beim Test
Statusanzeige	Passt die Anzeige zum simulierten Signal?
Taster	Wird nur die freigegebene Aktion ausgelöst?
Meldung	Ist Ursache, Ort oder erforderliche Reaktion verständlich?
Trend	Ist die zeitliche Reihenfolge der Signale erkennbar?

Medienhinweis: Das Video „Using CODESYS with HMI Interfaces“ von RealPars zeigt statische Elemente, Statusanzeigen und Bedienelemente einer Visualisierung. Es wird über den von YouTube vorgesehenen Embed-Mechanismus eingebunden; die Rechte am Video verbleiben beim jeweiligen Rechteinhaber.

Lerneinheit 2: Der virtuelle Ausbildungsfall

Die Simulation nutzt nur fiktive Tags. Es gibt keine Verbindung zu einer realen Maschine.

Fiktives Signal	Bedeutung	Typ
AUTO	Automatikbetrieb gewählt	Eingang
START	Startanforderung	Bedienbefehl
S1_WERKSTUECK	Werkstück an Lichtschranke	Sensor
M1_LAEUFT	Fördermotor aktiv	Status
W1_AUF	Sortierweiche geöffnet	Status
STOERUNG	Sammelstörung aktiv	Status
RESET	Störung quittieren	Bedienbefehl
FREIGABE	Startbedingungen erfüllt	Status

Die Abbildung zeigt eine reale industrielle Visualisierungsoberfläche als Anschauungsbeispiel. Im Kurs arbeitest Du dagegen nur mit der beschriebenen virtuellen Schulungsanlage.

Lerneinheit 3: Normalbetrieb testen

Sollablauf: AUTO aktiv → FREIGABE aktiv → START → M1_LAEUFT → Werkstück erreicht S1 → Weiche reagiert → Werkstück verlässt Station.

Signalverlauf A – Normalbetrieb

Zeitpunkt	AUTO	FREIGABE	START	M1_LAEUFT	S1_WERKSTUECK
t0	1	1	0	0	0
t1	1	1	1	1	0
t2	1	1	0	1	1
t3	1	1	0	1	0

Basisaufgabe: Prüfe, ob Motorstatus und Sensorsignal in einer sinnvollen Reihenfolge erscheinen.

Begründetes Feedback: Richtig ist: Der Motor muss nach einer gültigen Startanforderung anlaufen; das Sensorsignal darf erst später kommen, wenn das Werkstück die Lichtschranke erreicht. Erscheint S1 schon vor dem Motorstart, stimmt der Testablauf oder die Simulation nicht mit dem Sollprozess überein.

Lerneinheit 4: Störung diagnostizieren

Fehlerbild: Nach START bleibt M1_LAEUFT aus. Gleichzeitig wird STOERUNG aktiv.

Signalverlauf B – Störung

Zeitpunkt	START	FREIGABE	STOERUNG	Meldung
t0	0	1	0	bereit
t1	1	1	1	Motorfreigabe verloren
t2	0	0	1	Start gesperrt
t3	0	1	1	Ursache behoben, Quittierung fehlt

Anwendungsaufgabe: Welche Beobachtung ist wichtiger als ein erneutes Drücken auf START?

Begründetes Feedback: Zuerst wird geprüft, warum FREIGABE verloren ging und welche Meldung zuerst auftrat. Wiederholtes Starten liefert wenig Diagnoseinformation und darf eine fehlende Freigabe nicht umgehen.

Gestufte Hilfen zur Diagnose

Stufe	Hilfe
Hilfe 1	Vergleiche zuerst Soll- und Istzustand von FREIGABE, M1_LAEUFT und STOERUNG.
Hilfe 2	Suche die erste zeitliche Abweichung, nicht nur die zuletzt sichtbare Meldung.
Hilfe 3	Wenn START anliegt, aber M1_LAEUFT aus bleibt und FREIGABE danach abfällt, liegt die Diagnose vor dem Motorlauf.

Lerneinheit 5: Wiederanlauf prüfen

Ein sicherer Wiederanlauf ist kein „Reset und weiter“. Die Ursache muss beseitigt sein, die Freigabebedingungen müssen wieder stimmen und ein Start darf nicht unerwartet erfolgen.

Trainingsregel für die Simulation:

Ursache im virtuellen Modell beseitigen.
FREIGABE kontrollieren.
Meldung quittieren.
Anlagenbereich in der Simulation als frei bestätigen.
START bewusst auslösen.
ersten Zyklus besonders beobachten.

Transferaufgabe: Formuliere eine HMI-Freigabematrix mit mindestens drei Bedingungen, die vor einem Wiederanlauf erfüllt sein müssen.

Begründetes Feedback: Eine gute Lösung trennt zwischen „Fehler nicht mehr aktiv“, „Sicherheits- bzw. Betriebsfreigabe vorhanden“ und „bewusster Startbefehl“. Nur das Erlöschen einer Störmeldung beweist noch keinen sicheren Wiederanlauf.

Medienhinweis: Das RealPars-Video „What is SCADA?“ ordnet HMI, Steuerung und Prozessdaten in einen größeren Automatisierungskontext ein. Für diese Ausbildungseinheit genügt der Abschnitt zu HMI, Prozessdaten und Bedienreaktionen.

Lerneinheit 6: Trends und Meldungen gemeinsam lesen

Ein Einzelwert zeigt nur einen Moment. Ein Trend zeigt die Reihenfolge. Für die Fehlersuche kombinierst Du:

Meldung: Was wurde erkannt?
Status: Welche Bedingung ist gerade erfüllt?
Trend: Was geschah zuerst?
Bedienhandlung: Welche Aktion wurde wann ausgelöst?

Mini-Fall: START wird bei t1 gesetzt. M1_LAEUFT bleibt aus. FREIGABE fällt bei t2 ab. STOERUNG erscheint bei t2. Der stärkste Hinweis ist die Kombination aus ausbleibendem Motorstatus und anschließend verlorener Freigabe.

Medienhinweis: Das Video „An Introduction to HMI/Visualization Programming with CODESYS!“ von Scantime zeigt eine HMI-/Visualisierungsumgebung. Im Kurs wird es nur zur Anschauung genutzt; die praktische Arbeit bleibt in der lokalen bzw. ausdrücklich autorisierten Testumgebung.

Teststrategie für den Ausbildungsfall

Testfall	Aktion in der Simulation	Erwartung	Begründung
Normalstart	AUTO wählen und START auslösen	Motorstatus wird aktiv	Start ist freigegeben und Störung ist nicht aktiv
Sensorereignis	virtuelles Werkstück an S1 erzeugen	S1 wechselt zeitlich nach Motorstart	Sensor bestätigt den Prozessfortschritt
Fehlerfall	fiktive Motorfreigabe entziehen	Motor bleibt aus und Störung erscheint	HMI muss Ursache und Wirkung sichtbar machen
Quittierung ohne Ursache	RESET bei weiterhin aktivem Fehler	kein Wiederanlauf	Quittieren darf die Ursache nicht ersetzen
Wiederanlauf	Ursache beheben, Freigabe prüfen, quittieren, bewusst starten	Anlage läuft kontrolliert an	Restart erfolgt erst nach erfüllten Bedingungen

Interaktive Steuerungs- und Diagnoseaufgaben

Steuerungsaufgabe: Was würdest Du als Nächstes tun?

Situation A: AUTO = 1, FREIGABE = 1, STOERUNG = 0, M1_LAEUFT = 0. Sinnvolle Aktion: START in der Simulation auslösen. Feedback: Die Startbedingungen sind erfüllt; ein bewusster Startbefehl ist jetzt fachlich passend.

Situation B: AUTO = 1, FREIGABE = 0, STOERUNG = 1. Sinnvolle Aktion: Meldung und Ursache prüfen, nicht START erzwingen. Feedback: Eine fehlende Freigabe ist ein Sperrgrund. Ein Startversuch löst die Ursache nicht.

Situation C: Fehlerursache wurde in der Simulation behoben, FREIGABE = 1, STOERUNG = 1. Sinnvolle Aktion: Störung quittieren, danach bewussten Wiederanlauf ausführen. Feedback: Die Ursache ist behoben, aber der gespeicherte Fehlerstatus muss noch korrekt zurückgesetzt werden.

Diagnoseaufgabe: Finde die erste Abweichung

Zeit	START	FREIGABE	M1_LAEUFT	S1_WERKSTUECK	STOERUNG
A	aus	ein	aus	aus	aus
B	ein	ein	aus	aus	aus
C	aus	aus	aus	aus	ein
D	aus	aus	aus	aus	ein

Aufgabe: Markiere die erste fachlich auffällige Stelle. Feedback: Bereits in Zustand B fehlt M1_LAEUFT trotz gültiger Startanforderung und vorhandener Freigabe. Zustand C zeigt erst die nachfolgende Störreaktion.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Die Lerninhalte wurden mit fachlichen und rechtlichen Primär- bzw. Fachquellen abgeglichen:

ISA-101 Series of Standards: Rahmen für HMI-Design, Informationsdarstellung, Interaktion, Betrieb und Training.
ISA InTech – Factory Automation: HMI zur Anzeige von Maschinenzuständen, Überwachung, Bedienung und Statusinformation.
Betriebssicherheitsverordnung § 11: Beherrschung unzulässiger oder instabiler Betriebszustände, insbesondere bei An- und Abfahr- sowie Erprobungsvorgängen.
Richtlinie 2006/42/EG: Das Wiederingangsetzen nach Stillstand darf grundsätzlich nur durch absichtliche Betätigung einer vorgesehenen Befehlseinrichtung erfolgen, sofern kein gefahrloser automatischer Ablauf vorliegt.
Verordnung EU 2023/1230 über Maschinen: ersetzt die Maschinenrichtlinie vollständig ab 20. Januar 2027; zum Zeitpunkt dieses Kurses ist der Übergang zu beachten.

Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien:

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.
SIMATIC WinCC Workspace.jpg – Mixabest – CC BY-SA 3.0.
Eclipse SCADA Demo System.png – Jens Reimann – CC BY-SA 4.0.
GoJS SCADA Industrial Monitor.png – Simonsarris – CC BY-SA 4.0.
Scada Software.png – LeaoLCDS – CC0 1.0.
Control panel of a robotic arm in a factory.jpg – Shixart1985 – CC BY 2.0.

YouTube: Die drei eingebetteten Videos wurden als tatsächlich vorhandene YouTube-Videos geprüft. Es werden keine Kopien erstellt; genutzt wird der von YouTube vorgesehene Embed-Mechanismus. Die jeweiligen Video- und Kanalrechte verbleiben bei den Rechteinhabern.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Information prüfst Du vor einem bewussten Wiederanlauf zuerst? (Ob die Ursache beseitigt und die Freigabe wieder vorhanden ist) (!Ob die Starttaste besonders lange gedrückt wird) (!Ob die HMI heller eingestellt ist) (!Ob möglichst viele Meldungen gleichzeitig quittiert werden)

Was zeigt ein Trend gegenüber einer einzelnen Statusanzeige zusätzlich? (Die zeitliche Reihenfolge von Signaländerungen) (!Nur den Namen des Bedieners) (!Nur die Farbe einer Schaltfläche) (!Nur die Größe des HMI-Panels)

Welche Beobachtung ist im Störfall besonders hilfreich? (Die erste Abweichung vom Sollablauf) (!Die zuletzt gedrückte Bildschirmtaste unabhängig vom Prozess) (!Die Anzahl aller HMI-Seiten) (!Die Gehäusefarbe des Panels)

Was bedeutet eine aktive Freigabe im Ausbildungsfall? (Die definierten Startbedingungen sind erfüllt) (!Der Motor läuft zwingend bereits) (!Jede Störung wurde automatisch gelöscht) (!Die Simulation ist mit einer Produktivanlage verbunden)

Wie reagierst Du auf eine aktive Störung bei fehlender Freigabe? (Ursache und Meldung prüfen) (!Startbefehl wiederholt erzwingen) (!Alle Signale auf eins setzen) (!Die Diagnose überspringen)

Was ist beim Test eines HMI-Tasters wichtig? (Die Aktion darf nur unter den vorgesehenen Bedingungen wirken) (!Der Taster muss immer jede Sperre umgehen) (!Der Taster muss möglichst viele Funktionen gleichzeitig auslösen) (!Der Taster braucht keine Rückmeldung)

Warum reicht eine Störmeldung allein oft nicht für die Diagnose? (Weil Status und zeitlicher Signalverlauf zusätzliche Zusammenhänge zeigen) (!Weil Meldungen grundsätzlich bedeutungslos sind) (!Weil Trends nur für Bürosoftware gedacht sind) (!Weil Sensoren nie Teil einer Diagnose sind)

Welche Umgebung ist für die Übungen vorgesehen? (Eine lokale oder ausdrücklich autorisierte Testumgebung mit fiktiven Daten) (!Ein beliebiges fremdes Firmennetz) (!Eine Produktivanlage ohne Freigabe) (!Ein System mit echten Kundenzugangsdaten)

Was soll nach Behebung einer simulierten Fehlerursache vor dem Neustart erfolgen? (Freigabe prüfen und den gespeicherten Fehlerzustand korrekt quittieren) (!Sicherheitsbedingungen ignorieren) (!Den Motorstatus manuell auf aktiv setzen) (!Alle Trends löschen)

Welche Kombination beschreibt eine nachvollziehbare Testdokumentation? (Sollzustand Istzustand Beobachtung und Begründung) (!Nur ein Bildschirmfoto ohne Kontext) (!Nur das Wort funktioniert) (!Nur die Uhrzeit des Tests)

Memory

HMI	Bedien- und Beobachtungsschnittstelle
Freigabe	erfüllte Startbedingung
Trendkurve	zeitlicher Signalverlauf
Quittierung	Bestätigung eines gespeicherten Fehlers
Sensor	erfasst einen Prozesszustand
Aktor	wirkt auf den Prozess
Normalbetrieb	erwarteter Sollablauf
Wiederanlauf	kontrollierter Neustart nach Stillstand

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	HMI-Test
Sollablauf	erwartete Reihenfolge der Prozessschritte
Istzustand	tatsächlich beobachteter Anlagenzustand
Störmeldung	Hinweis auf eine erkannte Abweichung
Signaltrend	zeitliche Entwicklung eines Prozesswertes
Freigabeprüfung	Kontrolle der Bedingungen vor dem Start
Quittierung	Rücksetzen eines gespeicherten Fehlerstatus nach behobener Ursache

Kreuzworträtsel

Freigabe	Welche Bedingung muss vor einem zulässigen Start vorhanden sein?
Trendkurve	Wie heißt die zeitliche Darstellung eines Signals?
Quittierung	Wie heißt die Bestätigung eines gespeicherten Fehlers?
Stillstand	Wie heißt der Zustand einer nicht laufenden Anlage?
Diagnose	Wie nennt man die systematische Eingrenzung einer Störungsursache?
Wiederanlauf	Wie heißt der kontrollierte Neustart nach einer Störung?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

HMI-Elemente: Skizziere eine Bildschirmseite für die virtuelle Sortierstation mit Status, Start, Stopp, Meldung und Trend.
Signalbeschreibung: Schreibe für fünf fiktive Tags jeweils in einem Satz, was das Signal bedeutet.
Normalbetrieb: Zeichne den Sollablauf von Start bis Werkstückerkennung als einfache Prozesskette.
Meldungstext: Formuliere drei kurze, eindeutige HMI-Meldungen für typische simulierte Fehler.

Standard

Testfall: Erstelle einen Testfall mit Vorbedingung, Aktion, Sollzustand, Istzustand und Bewertung.
Signalverlauf: Erfinde einen plausiblen Störungsverlauf für START, FREIGABE, M1_LAEUFT und STOERUNG und begründe die Reihenfolge.
Fehlerdiagnose: Tausche Deinen Signalverlauf mit einer anderen Person und lasse die erste Abweichung bestimmen.
Wiederanlauf: Entwickle eine Checkliste für den kontrollierten Neustart der virtuellen Anlage.

Schwer

HMI-Testkonzept: Entwirf ein kleines Testkonzept mit mindestens sechs Nutzungsfällen für Normalbetrieb, Störung und Wiederanlauf.
Anlagenvisualisierung: Vergleiche zwei selbst entworfene HMI-Seiten und begründe, welche schneller zur Fehlerursache führt.
Transfer: Übertrage die Testlogik auf eine virtuelle Pumpe, einen Lüfter oder einen Roboter und passe Signale sowie Freigaben an.
Erklärvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo mit ausschließlich selbst erstellten oder frei lizenzierten Medien, in dem Du eine sichere HMI-Diagnose in einer lokalen Simulation erklärst.

Lernkontrolle

Ursache und Wirkung: Ein Startbefehl ist sichtbar, der Motorstatus bleibt aus und eine Sekunde später fällt die Freigabe ab. Erkläre zwei mögliche Interpretationen und welche zusätzliche Information Du zur Entscheidung brauchst.
Testdesign: Entwickle einen Test, der nachweist, dass eine Quittierung bei weiterhin aktiver Fehlerursache keinen unzulässigen Wiederanlauf auslöst.
Priorisierung: Begründe, warum bei mehreren Meldungen nicht automatisch die zuletzt angezeigte Meldung die eigentliche Ursache sein muss.
Visualisierung: Entscheide, welche drei Informationen auf einer Übersichtsseite dauerhaft sichtbar sein sollten, damit Normalbetrieb und Störung schnell unterscheidbar sind.
Transfer auf andere Anlage: Übertrage das Prinzip Ursache beheben – Freigabe prüfen – quittieren – bewusst starten auf eine virtuelle Pumpenstation.
Sicherer Ausbildungsbetrieb: Erkläre, warum fiktive Daten und eine lokale oder ausdrücklich autorisierte Umgebung für Lernversuche fachlich sinnvoll sind.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:

einen HMI-Bildschirm fachlich lesen und Bedienelemente von Statusanzeigen unterscheiden kannst.
einen Normalablauf anhand von Signalzuständen nachvollziehen kannst.
eine erste Abweichung in einem Signalverlauf findest.
Meldung, Status und Trend gemeinsam zur Diagnose nutzt.
einen Testfall mit Vorbedingung, Aktion, Sollzustand, Istzustand und Bewertung dokumentierst.
einen Wiederanlauf mit nachvollziehbaren Freigabebedingungen begründest.
Testgrenzen und den sicheren Einsatz ausschließlich lokaler oder ausdrücklich autorisierter Testumgebungen einhältst.
Medien- und Quellenangaben korrekt kennzeichnest.