Touch-Eingabe Wie sich Funktionssicherheit und Bediensicherheit umsetzen lassen

Autor / Redakteur: Eberhard Schill * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Eingabe von Informationen an einem Touchscreen ist praktisch. Funktionssicherheit und Bediensicherheit schützen vor gefährlichen Fehleingaben und sorgen für die entsprechende Sicherheit.

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Sicherheit bei der Eingabe: Landmaschinen oder Baumaschinen werden mittlerweile per Touchscreen bedient. Dabei darf es zu keiner Fehlbedienung kommen.
Sicherheit bei der Eingabe: Landmaschinen oder Baumaschinen werden mittlerweile per Touchscreen bedient. Dabei darf es zu keiner Fehlbedienung kommen.
(Bild: Kyocera)

Über das Smartphone lassen sich heute im vernetzten Heim Lampen, Fernseher oder Heizungen steuern. Ein Bedienfehler wäre ärgerlich, aber einen größeren Schaden würde dieser nicht hinterlassen. Mit dem Smartphone oder Tablet jedoch ein Fahrzeug oder gar eine Maschine bedienen? Auf diese Idee käme wohl niemand.

Touch-Funktionen sind hier nicht eindeutig und es kann zu einer Fehlbedienung kommen. Einige Funktionen werden nicht direkt beim ersten Touch ausgeführt und intuitiv würde man die Eingabe wiederholen. Bei der Bedienung eines Endgerätes wie Smartphone oder Tablet erwartet niemand, dass alles zu einhundert Prozent funktioniert. Deshalb sind auf Bedienterminals für sicherheitsrelevante Anwendungen nach wie vor mechanische Schalter vorhanden.

Einen Notschalter gibt es daher nicht als Touch-Funktion im Display integriert, sondern als mechanischen Druckknopf. Mit der entsprechenden Benutzeroberfläche bietet das Bediendisplay wesentlich mehr Möglichkeiten zur Interaktion mit dem Terminal.

Zwei Arten von Sicherheit bei der Eingabe

Schalter werden nur dargestellt, wenn sie auch gebraucht werden, Symbole und Hilfstexte erleichtern den Ablauf. Maschinenzustände lassen sich grafisch oder per Kamera direkt anzeigen, Regler und Schieber auf dem Display wie ihre analogen Pendants einstellen, ganz ohne mechanischen Verschleiß. Idealerweise sollte eine Bedienterminal zu einhundert Prozent aus einem Display bestehen und dennoch verlässlich funktionieren.

Es gibt zwei Arten von Sicherheit: Zuerst erwähnt sei die Funktionssicherheit einer HMI-Schnittstelle. Sie ist abhängig von der Hardware des Bediendisplays. Voraussetzung für eine uneingeschränkte Funktionalität über den geplanten Lebenszyklus ist der Einsatz von langlebigen Komponenten, die für die spezifizierte Anwendung ausgelegt sind.

Um eine passende Auswahl von Komponenten treffen zu können, ist es in der Design-in-Phase wichtig, die geplanten Einsatzbedingungen der HMI mit dem Kunden genau zu besprechen. Bei Kyocera ist das beispielsweise ein Großteil der Kundenberatung. Deshalb liegt der Fokus auf folgenden Komponenten:

  • Backlight: Es bestimmt, wie hell ein Display leuchtet. Helle Umgebungsbedingungen (im Freien) erfordern hohe Helligkeiten, wechselnde Beleuchtungsbedingungen eine umfassende Dimmbarkeit des Displays. Moderne Backlights bestehen aus LEDs, die zur Erhöhung der Ausfallsicherheit in mehreren Ketten/Strängen betrieben werden. Sollte ein LED-Strang ausfallen, wird das Display zwar dunkler, bleibt aber ablesbar.
  • Optische Folien und Displayelektronik: Für einen Betrieb in feuchter Umgebung müssen besonders stabile Polarisationsfilter benutzt und entsprechend verarbeitet werden, da sonst eindringende Feuchtigkeit diese für den Displaybetrieb essenziellen Folien zerstört. Im Extremfall kann sogar eine Versiegelung notwendig sein. Analog dazu ist es möglich, Elektronik-Komponenten oder Leiterbahnen zu verkapseln. In manchen Anwendungen werden Feuchtigkeitsabsorber im Gerätegehäuse vorgesehen.
  • Mechanischer Aufbau: Ein HMI in Arbeitsmaschinen muss dem mechanischen Aufbau und der Vibrationsfestigkeit Rechnung tragen. In einem Standard-Display sind alle Komponenten mit einem leichten Spiel verbaut, damit sich bei thermischer Ausdehnung keine Verspannungen zwischen Glas und Metallrahmen ergeben (Bild 1). Dieser Ausdehnungsspielraum kann zu Klappergeräuschen und Abrieb führen. Deshalb ist das Glas bei Industriedisplays meist federnd im Plastikrahmen des Backlights gelagert. Mechanischer Stress des Displays sollte vermieden werden, da er die Anzeigequalität (Mura) beeinträchtigen kann und im Extremfall sogar einen Bruch des Displays zur Folge haben kann. Bei EMV-kritischen Anwendungen muss außerdem darauf geachtet werden, dass sich Display und Elektronik in einem Metallgehäuse befinden. Die Display-Leiterplatte sollte nach EMV-Gesichtspunkten ausgelegt sein. Meist sind diese Leiterplatten mehrschichtig. Offen liegende Flexleiterplatten, wie bei einem Laptop, müssen zusätzlich abgeschirmt werden.
  • Displayalterung: Kritisch ist ein Einbrennen des Bildes. Skalen oder Icons befinden sich während des gesamten Betriebszeitraumes unverändert an derselben Position. Bei einem Wechsel bleibt das Geisterbild zu sehen. Statische Bilder sollten nicht über einen längeren Zeitraum an derselben Stelle bleiben. Neben einem Bildschirmschoner kann über Software das gesamte Bild nach gewisser Zeit regelmäßig um eine Pixelbreite horizontal und/oder vertikal verschoben werden.

Bild 1: Das Display für die Bedienung besteht aus mehreren Komponenten. Beim Einbau in Arbeitsmaschinen muss dem mechanischen Aufbau und der Vibrationsfestigkeit Rechnung getragen werden.
Bild 1: Das Display für die Bedienung besteht aus mehreren Komponenten. Beim Einbau in Arbeitsmaschinen muss dem mechanischen Aufbau und der Vibrationsfestigkeit Rechnung getragen werden.
(Bild: Kyocera)

Jetzt folgt die Betrachtung der Bediensicherheit bei einer HMI-Schnittstelle. Sie hängt in erster Linie von einer ergonomisch gestalteten Softwareoberfläche ab. Industrieterminals sind Arbeitsgeräte und müssen intuitiv und ermüdungsfrei bedienbar sein. Dazu sollte die HMI gut in der Hand liegen und alle virtuellen oder mechanischen Tasten problemlos erreichbar sein. Informationen sollten gut ablesbar und strukturiert in der Mitte dargestellt werden. Bei der Anordnung sollten häufig genutzte Bedienelemente so positioniert sein, dass sie gut für Zeigefinger oder Daumen zu erreichen sind und Untermenüs vermieden werden. Tastengröße und -abstand sollten eine Fehlbedienung möglichst ausschließen.

Eingabe zurück an den Anwender melden

Bild 2: Funktionssicherheit und Bediensicherheit sind Grundlage, wenn ein Touchscreen für die Eingabe verwendet wird.
Bild 2: Funktionssicherheit und Bediensicherheit sind Grundlage, wenn ein Touchscreen für die Eingabe verwendet wird.
(Bild: Kyocera)

Ein Touchpanel speziell in der Industrie bleibt im täglichen Einsatz nicht sauber und lässt sich nicht mehr gut ablesen. Mit einer Fett abweisenden Oberflächen lässt sich das vermeiden, womit eine verschmierte Oberfläche reduziert wird. In Kombination mit einem entsprechenden Controller lässt sich ein Touchdisplay selbst unter Benetzung mit Flüssigkeiten mit mehreren Fingern oder sogar des Handballens bedienen. Selbst Handschuhe sind möglich. Ist das Touchpanel korrekt abgeglichen, kann es jede Eingabe korrekt interpretieren.

Wichtig für den Benutzer ist eine zeitnahe Rückmeldung der Einheit, die eine erfolgte Eingabe bestätigt. Das erfolgt optisch oder akustisch und ist besonders wichtig bei Maschinen mit einer gewissen Reaktionszeit, wo keine unmittelbar erkennbare Reaktion erfolgt. Wer gewohnt ist, mechanische Schalter umzulegen oder Regler zu drehen, tut sich schwer, nach der Berührung einer Glasoberfläche auf eine korrekte Eingabe zu vertrauen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 4/2021 (Download PDF)

Haptisches Feedback simulieren

Für das gewohnte haptische Feedback zurück zum Anwender hat der Hersteller Kyocera eine spezielle Technik entwickelt, die das simuliert. Die patentierte Haptivity Technologie erzeugt den gewohnten Tastenklick auf beliebigen Oberflächen, sodass sich auf einem Display dargestellte Tasten und Schalter so anfühlen, wie der Benutzer es von mechanischen Bedienelementen gewohnt ist. Dazu wird die berührte Oberfläche nach Überschreiten einer bestimmten Druckschwelle durch einen Piezo als Aktuator gezielt in eine kurze Vibration versetzt. Durch Variation der Ansteuerparameter des Piezos lässt sich der wahrgenommene Klick in weiten Grenzen per Software einstellen.

Die einstellbare Auslösekraft einer Berührung verhindert Fehlbedienungen. Die technisch mögliche Implementierung mehrstufiger Schalter oder Slider hilft, die HMI benutzerfreundlicher zu gestalten. Außerdem helfen eingearbeitete Mulden in der Glasoberfläche, um den Finger zu führen und dabei die Bedienoberfläche nahezu blind zu ertasten.

* Eberhard Schill ist Manager Marketing und Distribution bei Kyocera in Dietzenbach, Deutschland.

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