Komponenten, Funktionen & Einsatzgebiete
Was ist ein HMI?
HMIs sind Benutzerschnittstellen, die eine Interaktion mit Maschinen ermöglichen. In der Industrie sind sie weit verbreitet und werden vor allem zu Steuerungs- und Überwachungszwecken eingesetzt. Auf dieser Seite erklären wir die Bestandteile, Funktionen und Anwendungsbereiche von HMIs.
Definition
Was ist ein HMI?
Ein HMI (Human Machine Interface) ist die Bedienoberfläche, über die Bediener Maschinen und Anlagen steuern und überwachen.
HMI steht für Human Machine Interface, auf Deutsch „Mensch-Maschine-Schnittstelle“. Ein HMI stellt eine Benutzeroberfläche bereit, die es einem Menschen ermöglicht, mit einer Maschine zu interagieren – beispielsweise über Schalter oder Touchscreen-Bildschirme.
In der industriellen Produktion sind HMIs überall zu finden: vom Touchpanel an der Spritzgussmaschine über das Bedienpult einer Verpackungsanlage bis zum Leitstand einer Abfülllinie. Bediener steuern und überwachen damit verschiedenste Anlagen, darunter z. B. CNC-Maschinen, Spritzgussmaschinen und SPS-gesteuerte Produktionslinien.
In den folgenden Abschnitten erklären wir, wie ein typisches HMI aufgebaut ist, welche Funktionen es erfüllt und wo HMIs in der Industrie eingesetzt werden. Außerdem gehen wir auf neuere Entwicklungen im HMI-Bereich ein.
Komponenten
Wie ist ein HMI aufgebaut?
Ein typisches HMI in der Industrie setzt sich aus verschiedenen Hardware- und Softwarekomponenten zusammen, welche die Eingabe, Ausgabe und die Kommunikation mit angeschlossenen Systemen realisieren.
Hauptbestandteile eines klassischen HMIs:
- Display: Visualisiert Daten, Prozesse und Steuerungsoptionen (z. B. LED/LCD-Display, Touchscreen).
- Eingabegeräte: Ermöglichen die Interaktion mit dem System (z. B. Maus, Tastatur, Touchscreen).
- Hardwareschnittstellen: Ermöglichen die Verbindung mit externen Geräten und Systemen (z. B. USB-Anschlüsse, Ethernet-Ports, serielle Anschlüsse wie RS232 und RS485).
Im Falle eines Touchscreens werden Eingabe und Ausgabe in einer Komponente vereint. Auf dem Gerät läuft eine HMI-Software, die Werte der Steuerung darstellt und Eingaben der Benutzer weitergibt.
Die grafischen Darstellungsmöglichkeiten eines HMI können sich stark unterscheiden und reichen von einfachen Symbolen und Werten bis hin zu anpassbaren Dashboards mit verschiedenen Visualisierungstypen.
Welche Schnittstellen und Steuerungsmöglichkeiten ein HMI benötigt, ist stark von der jeweiligen Maschine und den eingesetzten Steuerungen abhängig. Aber auch Schnittstellen und Protokolle zur Kommunikation mit übergeordneten Softwaresystemen müssen bedacht werden. Hier kommt z. B. OPC UA zum Einsatz, ein weit verbreiteter Kommunikationsstandard für den hersteller- und plattformunabhängigen Datenaustausch zwischen Geräten und Softwareanwendungen.
Ein klassisches HMI ist häufig Teil eines SCADA-Systems (Supervisory Control and Data Acquisition). Während das HMI eine direkte und meist lokale Schnittstelle zur Bedienung einer Maschine darstellt, koordiniert ein SCADA-System mehrere HMIs und ermöglicht eine zentrale Prozessüberwachung.
Arten
Welche Arten von HMIs gibt es?
HMIs lassen sich danach unterscheiden, wo die Bedienoberfläche läuft. In der Produktion begegnen Bedienern vor allem drei Arten von HMI-Systemen:
HMI-Panel an der Maschine
HMI-Software auf dem Industrie-PC
Web- bzw. Cloud-HMI
Funktionen
Funktionen eines HMI
HMIs sind ein Kernbestandteil vieler Industrieumgebungen. In der klassischen Automatisierungspyramide sind sie auf der Prozessleitebene angesiedelt und stellen den ersten Interaktionspunkt mit der Steuerung der vorhandenen Anlagen dar. Im Gegensatz zu Anwendungen auf der Betriebsleitebene (z. B. MES) und Unternehmensebene (z. B. ERP) befinden sie sich in der Regel direkt in der Nähe der Maschine.
Die Kernfunktionen eines klassischen HMIs sind die Visualisierung von Daten zu Steuerungs-, Diagnose- und Überwachungszwecken sowie die Steuerung von Maschinen und Prozessen. Darüber hinaus können HMIs auch Daten aufzeichnen oder Alarme auslösen.
Datenvisualisierung
Je nach Art der Maschine können Prozess- und Betriebsdaten in verschiedenen Formen angezeigt werden.
Beispiele:
- Gauge-Charts/Tachometeranzeigen für Drehzahlen, Druck- und Temperaturwerte
- Balken-/Säulendiagramme für Energieverbräuche
- Liniendiagramme für Temperaturschwankungen
- Ampelsysteme für Betriebszustände
- 3D-Modelle zur interaktiven Visualisierung von einzelnen Komponenten
Das Bild zeigt ein Beispiel für die Visualisierung von Produktionsdaten mit manubes.
Steuerung
Auch bei den Steuerungsmöglichkeiten eines HMI gibt es viele verschiedene Varianten – u. a. abhängig davon, ob es sich um ein Interface direkt an der Maschine, einen Rechner oder ein mobiles Gerät handelt.
Neben Knöpfen und Schaltern können daher auch Maus und Tastatur oder Touchscreens zum Einsatz kommen. Vor allem letztere sind in vielen modernen HMIs zu finden.
Überwachung, Diagnose und Alarmmeldungen
Die Visualisierung von Produktionsdaten durch ein HMI dient nicht nur dazu, die Steuerung zu unterstützen, sondern auch der Echtzeit-Überwachung von Prozessen (siehe auch Produktionsüberwachung).
Im Idealfall sind Fehler und Abweichungen durch die passende Darstellung direkt erkennbar und erlauben schnelle Reaktionen.
Außerdem können Warnungen und Alarmmeldungen generiert werden, z. B. beim Unterschreiten eines bestimmten Werts.
Datenaufzeichnung
Durch ein HMI erfasste Prozessdaten können gespeichert und für spätere Analysen herangezogen werden, beispielsweise bei der Betrachtung historischer Daten im Kontext einer Produktionsoptimierung.
Vergleich
HMI, SPS und SCADA im Vergleich
| Kriterium | SPS | HMI | SCADA |
|---|---|---|---|
| Aufgabe | Führt das Steuerungsprogramm aus, liest Sensoren und schaltet Aktoren | Zeigt Prozesswerte und Alarme an und nimmt Eingaben der Bediener entgegen | Überwacht und steuert mehrere Anlagen, Linien oder Standorte zentral |
| Ebene der Automatisierungspyramide | Steuerungsebene | Prozessleitebene, direkt an der Maschine | Prozessleitebene, anlagenübergreifend |
| Ort | Im Schaltschrank | An der Maschine oder am Bedienpult | Im Leitstand bzw. auf Servern |
| Nutzer | Arbeitet selbstständig; Automatisierungstechniker programmieren sie | Bediener und Einrichter an der Maschine | Leitstandspersonal, Schichtleitung, Instandhaltung |
| Daten | Aktuelle Werte im Speicher der Steuerung | Vor allem aktuelle Werte, teils kurze Verläufe | Historie, Alarmarchiv und Berichte |
| Typische Geräte | Kompakt- oder modulare SPS | HMI-Panel, Industrie-PC, Web-HMI | SCADA-Software auf Servern und Clients |
Die Grenzen verschwimmen: Manche HMI-Panels enthalten eine integrierte Steuerung, und SCADA-Systeme bringen eigene HMI-Bildschirme mit. Entscheidend ist die Aufgabe, nicht das Gerät.
Anwendung
Anwendungsbereiche von HMIs in der Industrie
HMIs spielen eine zentrale Rolle in der industriellen Produktion – überall dort, wo Bediener Maschinen und Anlagen steuern und überwachen. Typische Einsatzbereiche sind:
Fertigungsindustrie
Prozessindustrie
Intralogistik
Energie- und Versorgungstechnik im Werk
Weiterentwicklung
Entwicklung von HMI-Systemen – Von lokalen Panels bis zu Cloud-HMIs
Der Begriff HMI als Mensch-Maschine-Schnittstelle ist relativ weit gefasst und kann je nach Interpretation eine ganze Reihe an Systemen einschließen, welche die Steuerung und Überwachung von Maschinen erlauben.
Während klassische HMIs oft lokal an der Maschine, an einem dedizierten Computer oder Touchpanel installiert waren, ist es heute zunehmend möglich, HMIs in einer verteilten Umgebung zu nutzen. Dabei können Nutzer von verschiedenen Standorten aus auf das System zugreifen.
Noch einen Schritt weiter gehen web- bzw. cloudbasierte HMIs, die es erlauben, mobil und mit einem Webbrowser auf Bedienoberflächen für Maschinen zuzugreifen, ohne spezielle Software zu installieren. Dies erfordert jedoch eine sichere Netzwerkverbindung zu den entsprechenden Maschinen (ein Beispiel, wie diese umgesetzt werden kann, finden Sie auf unserer Seite zur Systemanbindung mit manubes).
Im Gegensatz zu den klassischen HMIs bieten Cloud-HMIs eine Reihe an Vorteilen.
Vorteile von webbasierten HMIs
Zentrale Verwaltung
Mobiler Zugriff
Kosteneffizienz
Skalierbarkeit
Cloudbasierte HMIs bieten noch einen weiteren Vorteil: Durch die Nähe zur Unternehmensebene lassen sie sich leichter mit KI-, Big-Data- und ähnlichen Anwendungen integrieren, um erfasste Daten für Optimierungen zu nutzen. Mögliche Schnittstellen sind MQTT oder REST, welche beide häufig in der Cloud-Kommunikation zum Einsatz kommen. Auch können Cloud-Plattformen, die als HMI dienen, selbst entsprechende Funktionen zur Datenverarbeitung implementieren. Ein Beispiel ist unsere manubes-Plattform mit Features wie dem Datamodel Designer, dem Workflow Designer oder dem KI-basierten Chat-Assistenten.
manubes als Cloud-HMI testen
Maschinendaten im Browser visualisieren, Steuerungen per OPC UA lesen und beschreiben – ohne eigene Server und ohne Installation.
Jetzt testenWorauf es bei der Auswahl eines HMI ankommt
Welche Anforderungen ein HMI erfüllen muss, hängt von der Maschine, der Produktionsumgebung und den Bedienern ab. Diese Punkte sollten Unternehmen vor der Auswahl eines HMI-Systems klären:
Schnittstellen und Protokolle
Das HMI muss die eingesetzten Steuerungen verstehen und sich an übergeordnete Systeme wie MES oder ERP anbinden lassen. Herstellerunabhängige Standards wie OPC UA, MQTT oder REST halten die Anlage offen für spätere Erweiterungen.
Umgebungsbedingungen
Staub, Feuchtigkeit, Temperatur und Vibrationen bestimmen, wie robust ein HMI-Panel sein muss – etwa die Schutzart der Front oder ein Touchscreen, der sich auch mit Handschuhen bedienen lässt.
Bedienbarkeit für Bediener
Eine klare Navigation, eindeutige Alarmdarstellung und Bildschirme, die zur Rolle passen, verkürzen Reaktionszeiten und vermeiden Fehlbedienungen. Bei internationalen Teams gehört die Sprachumschaltung dazu.
Zugriffsrechte und Sicherheit
Wer darf Werte nur ansehen, wer darf Sollwerte ändern? Eine Benutzerverwaltung, die jedem Benutzer eine Rolle zuweist, und eine verschlüsselte Verbindung sind Pflicht, sobald ein HMI auch aus der Ferne erreichbar ist.
Erweiterbarkeit und Wartung
Lassen sich weitere Maschinen ohne neues Projekt anbinden, und wie aufwendig sind Updates? Zentral verwaltete Web-HMIs sparen hier Aufwand gegenüber vielen einzeln gepflegten Panels.
manubes
manubes als HMI-Lösung für die Produktion
Unsere Cloud-Plattform manubes bietet die Möglichkeit, Maschinendaten in Echtzeit zu visualisieren und über interaktive Bedienelemente direkt auf Steuerungen und Prozesse zuzugreifen. Über OPC UA ist der Datenaustausch bidirektional: manubes liest Werte aus Steuerungen und schreibt bei Bedarf auch Werte in Steuerungen zurück, etwa Sollwerte oder Parameter – eine Voraussetzung für echte Produktionssteuerung.
Um sichere Verbindungen zu verteilten Anlagen herzustellen, nutzt manubes das Konzept des Edge Computing: Edge Nodes, die in lokalen Netzwerken betrieben werden, verarbeiten produktionsrelevante Daten und ermöglichen sichere und bidirektionale Verbindungen zwischen lokalen Systemen und der manubes-Cloud.
Dabei bietet manubes alle zuvor beschriebenen Vorteile eines Cloud-HMI. Unternehmen können mobil auf alle Funktionen der Plattform zugreifen, benötigen keine eigene Server-Hardware und profitieren von einem hohen Maß an Flexibilität und Skalierbarkeit.
Darüber hinaus implementiert manubes eine Vielzahl an intuitiven Funktionen und Tools für das Management industrieller Daten und Prozesse. Mithilfe von No-Code-Designwerkzeugen erhalten Teams in der Produktion die Möglichkeit, ihre eigenen Lösungen zu entwickeln.
Die Grafik zeigt die Cloud-Anbindung von lokalen Produktionssystemen mit manubes.
Fazit
HMIs bleiben unverzichtbar, werden aber vielseitiger
HMIs sind als Schnittstellen für die Steuerung und Überwachung von Maschinen unverzichtbar und werden es auch in Zukunft bleiben. Allerdings wurden klassische HMIs, wie sie in der Automatisierungspyramide beschrieben werden, im Rahmen der voranschreitenden Digitalisierung vielfach durch andere Konzepte ergänzt.
Insbesondere die Verbreitung standardisierter und internetbasierter Schnittstellen wie OPC UA hat dazu beigetragen, die Kommunikation mit Maschinen über zentrale Systeme zu ermöglichen.
Häufige Fragen zu HMIs
Was bedeutet HMI?
HMI steht für Human Machine Interface, auf Deutsch Mensch-Maschine-Schnittstelle. Gemeint ist die Bedienoberfläche, über die Bediener Maschinen und Anlagen steuern und überwachen – zum Beispiel ein Touchpanel an einer Spritzgussmaschine.
Was ist ein HMI-Panel?
Ein HMI-Panel ist ein Bediengerät mit Display und meist einem Touchscreen, das direkt an der Maschine oder am Schaltschrank sitzt. Es zeigt Prozesswerte und Alarme an und nimmt Eingaben der Bediener entgegen.
Welche Komponenten hat ein HMI?
Ein klassisches HMI besteht aus einem Display, Eingabegeräten wie Touchscreen, Tasten oder Tastatur und Hardwareschnittstellen wie Ethernet, USB oder RS232/RS485. Dazu kommt die HMI-Software, die Werte der Steuerung darstellt und Eingaben weitergibt.
Was ist der Unterschied zwischen HMI und SPS?
Die SPS führt das Steuerungsprogramm aus und schaltet Aktoren. Das HMI ist die Oberfläche, über die Menschen die Werte der SPS sehen und Eingaben machen; dazu liest und schreibt es Variablen der SPS.
Was ist der Unterschied zwischen HMI und SCADA?
Ein HMI ist die meist lokale Bedienoberfläche einer Maschine. Ein SCADA-System überwacht und steuert mehrere Anlagen zentral, speichert Verläufe und Alarme und nutzt dafür eigene HMI-Bildschirme.
Wie programmiert man ein HMI?
HMIs werden meist nicht klassisch programmiert, sondern projektiert: In einer Visualisierungssoftware legt man Bildschirme an, platziert Anzeigen und Bedienelemente und verknüpft sie mit Variablen der Steuerung. In manubes geschieht das ohne Programmierung per Drag-and-Drop im Page Designer.
Was ist ein Cloud-HMI?
Ein Cloud-HMI ist eine Bedienoberfläche, die im Webbrowser läuft und über eine sichere Verbindung auf Maschinen zugreift. manubes nutzt dafür Edge Nodes im lokalen Netzwerk und OPC UA, sodass Werte aus Steuerungen gelesen und in Steuerungen geschrieben werden können.
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