Bedienoberflächen und Anlagenvisualisierung – Sollwerte mit Grenzen versehen
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
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.
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