Optimierung des industriellen HMI-Designs mit modularen 22mm-Kontrollkomponenten

Das Design und die Implementierung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) für industrielle Maschinen und Steuerungssysteme stellen eine einzigartige Reihe von technischen Herausforderungen dar. Neben den grundlegenden Funktionen müssen die heutigen HMI-Komponenten auch strenge Anforderungen an die Betriebszuverlässigkeit, die Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse und die Designflexibilität erfüllen. Für Elektronikingenieure und Systemintegratoren hat die Auswahl der Komponenten nicht nur einen direkten Einfluss auf die Erfahrung des Endbenutzers, sondern auch auf die Gesamtbetriebskosten (TCO), da sie Faktoren wie Lagerverwaltung, Installationszeit und langfristige Wartung beeinflussen.

In diesem technischen Artikel wird untersucht, wie ein modularer Ansatz für 22mm-Kontrollkomponenten diese industriellen Herausforderungen bewältigen kann. Anhand der M22-Serie von Eaton als technische Fallstudie wird in diesem Artikel untersucht, wie Modularität, vor Ort konfigurierbare Funktionen und eine robuste Konstruktion Ingenieuren ein vielseitiges und zuverlässiges Toolkit für die HMI-Entwicklung an die Hand geben.

Die Grundlage dieses Konzepts ist ein System, mit dem eine breite Palette von Schalttafeln aus einem grundlegenden Satz von Schalttafelkomponenten aufgebaut werden kann. Abbildung 1 gibt einen repräsentativen Überblick über eine solche Komponentenfamilie und veranschaulicht die Vielfalt der Akteure und ihren Bausteincharakter.

Abbildung 1: Explosionsdarstellung der Komponenten einer modularen 22mm-Kontrolleinheit. (Bildquelle: Eaton)

Herausforderung 1: Haltbarkeit und Zuverlässigkeit in rauen Industrieumgebungen

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung industrieller HMI ist die Gewährleistung der Überlebensfähigkeit und langfristigen Zuverlässigkeit von Komponenten in rauen Umgebungen. Die Einwirkung von Flüssigkeiten, Staub, Öl, korrosiven Stoffen und starken Vibrationen kann bei elektromechanischen Standardkomponenten zu einem vorzeitigen Ausfall führen.

Traditionell mussten für die Spezifikation von Komponenten für raue Umgebungen spezielle, oft teure Teile beschafft werden, die für bestimmte Bedingungen ausgelegt sind. Standardkomponenten mit geringerer Schutzart (IP) sind ungeeignet für Umgebungen, die eine regelmäßige Reinigung mit Hochdruckwasserstrahlen oder eine hohe Konzentration von Schwebstoffen aufweisen. Dies zwingt die Konstrukteure dazu, entweder für alle Anwendungen zu viel zu spezifizieren, was die Kosten in die Höhe treibt, oder mehrere Komponentenebenen für unterschiedliche Umgebungsbedingungen zu verwalten.

Eine effizientere Lösung ist eine Bauteilserie, bei der eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse ein grundlegendes Merkmal ist. Die M22-Serie von Eaton zum Beispiel ist mit hohen IP-Schutzarten für alle Standardprodukte ausgestattet. Viele Kontrollkomponenten, darunter der Druck-Zug-Notausschalter M22S-PV (Abbildung 2) und der unbeleuchtete Drucktaster M22S-DR-S (Abbildung 3), entsprechen den Schutzklassen IP67 und IP69K.

Abbildung 2: Der modulare Druck-Zug-Notausschalter M22S-PV. (Bildquelle: Eaton)

Abbildung 3: Der RMQ-Titan-Taster M22-DR-S. (Bildquelle: Eaton)

IP67 schützt vor vorübergehendem Eintauchen in Wasser. Diese Einstufung ist entscheidend für Bauteile an Maschinen, die stehendem Wasser, starken Spritzern oder verschiedenen Wetterbedingungen im Freien ausgesetzt sind.

Die Schutzart IP69K schützt vor Wasserstrahlen aus nächster Nähe, hohem Druck und hoher Temperatur. Dies ist eine wichtige Anforderung in Branchen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der pharmazeutischen Industrie und der Schwermaschinenindustrie, in denen strenge und häufige Hygieneprotokolle an der Tagesordnung sind.

Durch die Standardisierung von Komponenten mit diesen Bewertungen können Ingenieure Systeme entwerfen, die rauen Bedingungen standhalten, ohne dass sie Nischenkomponenten beschaffen müssen, was den Entwurfs- und Beschaffungsprozess vereinfacht.

Ein weiterer Aspekt der Zuverlässigkeit ist die Lichtquelle für beleuchtete Bedienelemente. Herkömmliche Glühbirnen sind anfällig für mechanische Stöße und Vibrationen und haben eine begrenzte Lebensdauer, sodass sie regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Die M22-Reihe mit Bedienelementen wie dem in Abbildung 4 gezeigten beleuchteten Drucktaster M22-DL-X geht auf solche Probleme ein, indem sie ausschließlich LED-Beleuchtung verwendet.

Bild 4: Der modulare Taster M22-DL-X mit LED-Beleuchtung. (Bildquelle: Eaton)

LEDs sind von Natur aus stoß- und vibrationsfest und bieten eine deutlich längere Lebensdauer, die bis zu 100.000 Stunden betragen kann. Dank dieser Langlebigkeit ist während der typischen Lebensdauer einer Maschine kein Austausch der Lampen erforderlich, was zu einer Reduzierung der Wartungsintervalle und einer Verbesserung der Gesamtbetriebskosten führt. Darüber hinaus ist das optische Design der M22-Objektive auf die Leistung der LEDs abgestimmt, so dass eine klare und helle Anzeige gewährleistet ist, die nicht leicht durch Umgebungslicht beeinträchtigt wird.

Herausforderung 2: Optimierung des Bestands und Senkung der Gesamtbetriebskosten

Für OEMs und Systemintegratoren gehen die Kosten einer Komponente über den ursprünglichen Kaufpreis hinaus. Die Komplexität und die Kosten für die Verwaltung des Lagerbestands für eine Vielzahl funktional unterschiedlicher, aber physisch ähnlicher Teile können erheblich sein. Ein typisches Bedienfeld kann Taster, Druckschalter und verschiedene Wahlschalterkonfigurationen erfordern, die traditionell jeweils einer eindeutigen Teilenummer entsprechen.

Die Bevorratung von Dutzenden von Lagerhaltungseinheiten (SKUs) mit fester Funktion führt zu hohen Lagerhaltungskosten, erhöhter Lagerkomplexität und dem Risiko von Produktionsverzögerungen, wenn eine bestimmte, weniger häufig vorkommende Variante nicht vorrätig ist.

Ein modulares System mit vor Ort umrüstbaren Funktionen bietet eine direkte Lösung für diese logistische Herausforderung. Ein Druckschalter der Serie M22, wie z. B. der M22S-DR-S, kann vom Techniker einfach in einen Taster umgewandelt werden. Abbildung 5 zeigt, dass dies durch die Einstellung eines kleinen, seitlich am Gehäuse zugänglichen Verriegelungsrings erreicht wird, der sowohl für Flexibilität als auch für eine bequeme Installation ausgelegt ist. Mit diesem einzigen Merkmal kann eine Teilenummer die Funktion von zwei erfüllen, wodurch sich der Lagerbestand für einfache Drucktasten halbiert.

Abbildung 5: Der feldkonvertierbare Funktionswähler (links) und die Verdrehsicherung für eine sichere Montage (rechts). (Bildquelle: Eaton)

Bei schlüsselbetätigten Schaltern, wie dem M22-WRS (Abbildung 6), bestimmt dieses System die Positionen, an denen der Schlüssel abgezogen werden kann. In ähnlicher Weise kann die Funktion eines Standard-Drehknopfs mit zwei Stellungen, wie z. B. des M22-WKV (Abbildung 7), vor Ort geändert werden, was den Bedarf an mehreren SKUs mit unterschiedlicher Betriebslogik weiter reduziert. Dank dieser Anpassungsfähigkeit können einige wenige Basis-SKUs für eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Logikanforderungen verwendet werden.

Abbildung 6: Der modulare Schlüsselschalter M22-WRS mit zwei Stellungen. (Bildquelle: Eaton)

Abbildung 7: Der modulare Wahlschalter M22-WKV. (Bildquelle: DigiKey)

Durch die Einführung einer modularen und konvertierbaren Komponentenfamilie können Unternehmen die Anzahl der eindeutigen Teilenummern in ihrem Bestand erheblich reduzieren, was zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten, einer vereinfachten Beschaffung und einer größeren Designflexibilität führt.

Herausforderung 3: Integration moderner Steuerungs- und Sicherheitskomponenten auf begrenztem Raum

Mit der zunehmenden Komplexität von Industriemaschinen nimmt auch die Dichte der Steuerungsfunktionen auf den HMI-Schalttafeln tendenziell zu. Der physische Platz auf einer Schalttafel ist jedoch oft ein unveränderbares und wertvolles Gut. Ingenieure stehen häufig vor der Aufgabe, mehr Kontrolloptionen auf kleinerem Raum zu bieten, ohne die Benutzerfreundlichkeit oder Sicherheit zu beeinträchtigen.

Der herkömmliche Ansatz, für jede Funktion ein 22mm-Standardelement zu verwenden, verbraucht schnell den verfügbaren Platz auf dem Bedienfeld, insbesondere bei Anwendungen, die eine mehrachsige Richtungssteuerung erfordern.

Spezialisierte Bedienelemente, die mehrere Funktionen in einem einzigen 22mm-Element zusammenfassen, sind eine effektive Lösung.

• Joystick-Bedienelement: Für Anwendungen, die eine Richtungssteuerung erfordern, wie z. B. das Bewegen eines Portals oder eines Förderbands, kann ein Joystick-Bediener wie der M22-WJ2H in Abbildung 8 zwei einzelne Drucktasten ersetzen. Das spart Platz und bietet dem Bediener eine intuitivere Steuerungsoberfläche.

Abbildung 8: Der Drucktasten-Joystick M22-WJ2H. (Bildquelle: Eaton)

• Doppel-Drucktaster: Ein Doppel-Drucktaster, wie z. B. der M22-DDL-GR-GB1-GB0 (Abbildung 9), vereint zwei Tasten (in der Regel für START/STOP) und eine zentrale Kontrollleuchte in einer Einheit, um eine hohe Dichte an Start-/Stopp-Steuerungen zu ermöglichen. Diese Komponenten sind speziell für die Maximierung der Kontrollelementdichte entwickelt worden.

Abbildung 9: Der Drucktaster M22-DDL-GR-GB1-GB0 für die Start/Stopp-Steuerung. (Bildquelle: Eaton)

Sicherheit ist ein unverzichtbarer Aspekt bei der Entwicklung von HMI. Notausschaltungen müssen zuverlässig und ausfallsicher sein. Eine wichtige technische Anforderung an die Bauteile in diesen Stromkreisen ist das Konzept „positive Öffnung“ (oder direkte Öffnung) für Öffnerkontakte, wie in der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC)/EN 60 947-5-1 definiert. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kontakte durch die Bewegung des Betätigers mechanisch geöffnet werden, selbst im seltenen Fall einer Kontaktverschweißung.

Das M22-System umfasst eine Reihe von Not-Aus-Schaltern, die für den Betrieb mit diesen sicherheitsbewerteten Kontaktblöcken ausgelegt sind. Zu den Betätigungselementen gehören Standard-Druck-Zug-Schalter (M22S-PV) und Modelle mit Schlüsselentriegelung, wie z. B. der M22-PVS45P, dargestellt in Abbildung 10. Die Version mit Schlüsselfreigabe bietet eine zusätzliche Sicherheitsebene, die gewährleistet, dass eine Maschine nach einem Notstopp nicht ohne die Genehmigung des Personals, das den Schlüssel besitzt, neu gestartet werden kann.

Abbildung 10: Der modulare Not-Aus-Schalter M22-PVS45P mit Schlüsselentriegelung. (Bildquelle: Eaton)

Fazit

Die Herausforderungen, denen sich Elektronikingenieure bei der Entwicklung industrieller HMI stellen müssen, erfordern eine ganzheitlichere Lösung als die Auswahl einzelner Komponenten auf der Grundlage einer einzigen Spezifikation. Ein modulares und feldkonfigurierbares System von Kontrollkomponenten, wie die M22-Serie von Eaton, bietet ein umfassendes Toolkit, das diese Herausforderungen systemisch angeht.

Durch die Nutzung von Merkmalen wie hoher Schutzart, langlebiger LED-Beleuchtung, vor Ort konvertierbarer Funktionalität und einer breiten Palette spezialisierter Kontrollelemente können Ingenieure HMI-Systeme entwerfen, die nicht nur zuverlässig und robust, sondern auch kosteneffizient zu bauen und zu warten sind. Dieser systemorientierte Ansatz bei der Komponentenauswahl führt letztlich zu effizienteren Konstruktionszyklen, einer optimierten Logistik und sichereren, langlebigeren Endprodukten.