Die meisten Bedien- und Beobachtungskonzepte in Prozessanlagen basieren nach wie vor auf Remote-Bedienstationen - besonders in explosionsgefährdeteten Bereichen. Der zugehörige PC befindet sich im sicheren Bereich, dessen Anschlüsse für Monitor, Tastatur und Maus über eine KVM-Box (Keyboard, Video, Mouse) zum Remote-HMI in die Anlage führen.

Aber längst nicht alle derzeit eingesetzten Remote-HMI-Systeme unterstützen die aktuellen digitalen Monitor- Schnittstellen moderner PCs und Workstations. Darüber hinaus führt die starre Verbindung zwischen PC und KVMSwitch zu Problemen: Zum einen basieren moderne Leitsysteme mehr und mehr auf Client-Server-Architekturen, so dass für jede Bedienstation vor Ort ein PC mit den notwendigen und kostenintensiven Software-Lizenzen bereitstehen muss.

Zum anderen wird neben der Automatisierungslösung zusätzliche Software parallel genutzt, beispielsweise QM-Systeme oder Mess- und Diagnose-Tools. Da diese Lösungen wegen der Gewährleistung häufig nicht auf ein und demselben PC installiert sein dürfen und sogar getrennte Netzwerke notwendig sind, steigt der Gerätebedarf stark an. So wird im Feld aus Kostengründen oft auf diese Funktionen verzichtet.

HMI-Anbindung: konventionell oder innovativ

Bei der Kopplung von Remote-Stationen in Ex-Zonen mit einem PC im sicheren Bereich dominieren nach wie vor KVMBoxen. Neben den älteren Schnittstellen VGA und PS/2 etablieren sich die aktuellen Standards DVI und USB. Daher unterstützen die KVM-Boxen sowohl klassische analoge Bedien- und Video- Schnittstellen als auch die digitalen Interfaces. KVM-Box und Remote-HMI kommunizieren wiederum per Ethernet (TP- oder LWL-Kabel).

In ausgedehnten Anlagen können so auch große Entfernungen problemlos überbrückt werden - mit Lichtwellenleitern sind Strecken bis zu 2 km möglich. Alternativ zu der 1:1-Verbindung über KVM-Boxen kommunizieren die HMIPanels über ihren Ethernet-Port als Thin-Clients mit Host-Computern. Der TP-Ethernet- Anschluss ist nach erhöhter Sicherheit ausgeführt. Da derzeit keine Norm für eine eigensichere Variante existiert, gibt es die Anschlussart per Twisted-Pair nur als herstellerspezifische Lösungen.

Dagegen existieren für die LWL-Anbindung nach „op is" (optisch inherent sicher) weltweit einheitliche Definitionen. Dementsprechend unterstützen mehrere Switch-Hersteller diese Lösung. Der Vorteil von Thin Client: Die auf dem Server eingesetzten Betriebssysteme und Software bleiben flexibel wählbar, da die Stationen sowohl das leistungsfähige Remote Desktop Protocol (RDP) von Microsoft unterstützen als auch die populäre Plattform-Lösung RealVNC, die für unterschiedlichste Betriebssysteme zur Verfügung steht.

Die Vernetzungs-Varianten

Die Verbindung eines einzigen Ex-geschützten HMI-Systems mit einer Workstation im sicheren Bereich ist - unabhängig von einer Kopplung per KVM oder über ein Fernzugriffs-Protokoll - der einfachste Anwendungsfall. Hinsichtlich Kosten, Verfügbarkeit und Flexibilität wesentlich interessanter ist allerdings die Zuordnung mehrerer HMI-Geräte zum selben Server oder eines HMI-Panels zu unterschiedlichen Host- Rechnern.

Sanfte Migration: Die Ex-geschützten Bedien-Panel unterstützen neben der klassischen KVM-Kopplung den Thin-Client-Betrieb über die Protokolle RDP und RealVNC.

© R. Stahl

Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Workstation im sicheren Bereich abwechselnd von bis zu vier verschiedenen Remote-Stationen im Feld ansprechen, ohne dass mehrere Software-Lizenzen notwendig sind. Natürlich kann das Netzwerk auch so konfiguriert werden, dass unterschiedliche Bedienstationen mit verschiedenen Workstations kommunizieren können. Vom selben Bedienplatz aus lässt sich beispielsweise sowohl auf die Prozessautomatisierung als auch auf ein Condition-Monitoring-System oder auf das Warenwirtschaftssystem zugreifen.

Denkbar ist auch der Einsatz als quasi-redundante Bedienstation: Fällt ein HMIPanel aus, kann sich der Anlagenfahrer an einem anderen Terminal anmelden und von dort aus den Prozess kontrollieren und steuern. Für Applikationen mit komplexen Visualisierungen reichen mitunter selbst 19-Zoll-Displays nicht mehr aus, um das große Informationsaufkommen übersichtlich darzustellen.

Daher unterstützen die HMI-Panels der Firma Stahl den Aufbau von Multi-Monitor-Stationen: Bis zu acht Bildschirm-Inhalte, die über mehrere Grafikkarten am selben Host angebunden sind, können auf der entsprechenden Anzahl von Panels im Ex-Bereich dargestellt werden, inklusive Span-Modus (Zusammenschaltung mehrerer Monitore zu einem großen Display) und Touchscreen-Bedienung.

Zum Funktionsumfang des Touchscreen gehört ebenso ein einblendbares Soft-Keyboard für zwei Dutzend Sprachen und Zeichensätze sowie eine integrierte Emulation einer 2-Tasten-Maus. Beide Eingabemöglichkeiten stehen bereits beim Windows-Login zur Verfügung und benötigen keinen Treiber auf dem Host- PC. Hinsichtlich Life-Cycle-Management und Systempflege ein wichtiger Aspekt.

Selbstständiger Verbindungsaufbau der digitalen Schnittstellen

Flexibilität bei den Kommunikationsarten ist das wichtigste Merkmal der Remote-HMI-Systeme, deren komplette Konfiguration über eine On-Screen-Bedienung unterstützt wird. Die integrierte Diagnosefunktion zeigt sowohl auf dem Display der Remote-Station als auch an der KVM-Box via LEDs den Kommunikationsstatus an.

Eine fehlerhafte Verkabelung oder eine doppelt vergebene IP-Adresse lassen sich darüber schnell identifizieren und beseitigen. Steht die Kommunikationsverbindung, ist nur noch bei analogen VGA- und PS/2- Signalen eine einmalige Kalibrierung notwendig, die wiederum automatisch erfolgt.

Multi-Monitor-Betrieb: Umfangreiche Visualisierungen können auf maximal acht Systems in Köln. Panels dargestellt und per Touchscreen bedient werden.

© R. Stahl

Digitale Schnittstellen bauen die Verbindungen sogar komplett selbstständig auf. Dies funktioniert nicht nur bei der einfachen Ankopplung eines HMI an einen Server; auch bei Multi-Monitor- Stationen erfolgt die Skalierung des Bildschirms automatisch über alle angeschlossenen Displays.

Individuelle Einstellungen können per On-Screen-Display erledigt werden. Dies ist ein wesentlicher Fortschritt gegenüber anderen Remote-HMIs, bei denen oft DIP-Schalter am oder sogar im Gerät einzustellen sind. Außerdem lassen sich bei der Softwarekonfiguration alle Parameter auf einem USB-Stick speichern und stehen bei einem Gerätetausch oder für die Parametrierung anderer Geräte zur Verfügung.

Die Geräte der ET/MT-5x6-Baureihe gibt es mit hintergrundbeleuchteten 15- oder 19-Zoll-Displays. Beide Typen erreichen eine Betriebsdauer von 50 000 Stunden bei +25 °C. Die „kleinen" HMIs erzielen im High-Brightness-Modus eine Leuchtstärke von 650 cd/m2, so dass sie auch bei starker Sonneneinstrahlung noch ablesbar bleiben.

Für den Einsatz in rauen Industrie-Umgebungen sowie in Ex-Bereichen der Zonen 1, 2, 21 und 22 konzipiert, werden keine Sondergehäuse benötigt. Neben der bereits vorliegenden ATEX-Zertifizierung sind weitere Bescheinigungen in Vorbereitung, zum Beispiel die UL-Zulassung für Class 1, Division 2 für Nordamerika sowie nach GOST-R für den russischen Markt.

Die seewasserfeste Front aus Aluminium ist in der Standardausführung mit einer Polyesterfolie überzogen. Optional gibt es Edelstahl-Varianten (SS 316). Aufgrund des modularen Aufbaus lassen sich die einzelne Komponenten wie Hauptbaugruppe, Stromversorgung und andere Module direkt vor Ort austauschen. Beide Typen erreichen auf der Bedienseite die Schutzart IP66, rückseitig IP65.

Entsprechend den Zielapplikationen wurden die Systeme für extreme Umgebungstemperaturen ausgelegt: Kaltstarts sind bei Temperaturen bis -10 °C noch zulässig, im laufenden Betrieb vertragen die Panels -20 bis +50 °C, in Verbindung mit einer Heizung und zusätzlicher Schutzscheibe sogar -40 °C.

Beim Zubehör lässt sich das komplette Programm der Open-HMI und Operator-Interface-Baureihen nutzen, vom Sonnendach über hygienische Feldgehäuse für Reinraum-Anwendungen bis zu den verschiedenen Montage-Hilfsmitteln. Alternativ zur Touchscreen-Bedienung können die verschiedenen Tastaturen, Trackballs, Joysticks sowie Barcode- und RFID-Leser samt der erforderlichen Elektronik mit den HMI-Panel kombiniert werden.

Autor: Horst Friedrich ist Leiter Produktmanagement und Software- Entwicklung bei der Firma R. Stahl HMI Systems in Köln.