Welche Programmiersprachen werden für industrielle HMIs verwendet?

Wenn Sie jemals vor einem riesigen Bedienfeld in einer Fabrik gestanden haben und auf einen leuchtenden Touchscreen gedrückt haben, um die Geschwindigkeit eines Förderbands anzupassen oder die Temperatur einer Pumpe zu überprüfen, haben Sie ein industrielles HMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle) verwendet – das ist es, was die komplexen Maschinendaten der Fabrik in etwas übersetzt, das wir Menschen tatsächlich verstehen und auf das wir reagieren können. Als Lieferant dieser Geräte werde ich oft gefragt: „Mit welchen Programmiersprachen funktionieren diese HMIs eigentlich?“ Es gibt keine allgemeingültige Antwort, und die Wahl der richtigen Sprache ist entscheidend dafür, ob eine HMI zuverlässig läuft, sich an die Anforderungen einer Fabrik anpassen lässt oder sogar die Sicherheit der Arbeiter gewährleistet. Lassen Sie uns aufschlüsseln, was tatsächlich in realen industriellen Umgebungen verwendet wird und nicht nur Lehrbuchmaterial.

Lassen Sie uns zunächst klarstellen: Industrielle HMIs unterscheiden sich deutlich von den Smartphone- oder Laptop-HMIs, die die meisten von uns täglich verwenden. Diejenigen, die wir bauen, müssen rund um die Uhr in staubigen, heißen und vibrierenden Fabriken arbeiten, ohne dass es zu Ausfällen kommt. Sie sprechen mit SPS (Programmable Logic Controllers), Sensoren, Motoren und allen möglichen Altgeräten, die es schon seit Jahrzehnten gibt. Die Programmiersprachen hier sind also nicht die trendigen neuen Sprachen, die man für die App-Entwicklung sieht – sie sind kampferprobt, stabil und für die spezifischen Anforderungen der industriellen Automatisierung optimiert.

Beginnen wir mit der gebräuchlichsten Logik, von der Sie hören werden: Kontaktplanlogik, manchmal auch Kontaktplan oder KOP genannt. Dies ist übrigens keine textbasierte Sprache – sie ist grafisch und so gestaltet, dass sie den elektrischen Schaltplänen ähnelt, die Elektriker seit 100 Jahren verwenden. Wenn Sie wissen, wie man Schaltpläne der alten Schule liest, ist Ladder Logic absolut sinnvoll: Es verfügt über „Sprossen“, auf denen Sie Kontakte (wie Sensorauslöser oder Tastendrücke) und Spulen (wie das Ein- oder Ausschalten eines Motors) platzieren. Jahrzehntelang war dies die einzige Möglichkeit, industrielle HMIs und SPSen zu programmieren, und es gibt sie auch heute noch überall.

Warum bleibt Ladder Logic bestehen? Fabrikarbeiter und Ingenieure, die seit mehr als 20 Jahren in der Branche tätig sind, wissen es in- und auswendig. Wenn ein Linienarbeiter um 2 Uhr morgens Fehler an einer Maschine beheben muss, kann er mit einem Blick auf die Ladder-Logic-Ansicht des HMI einen ausgelösten Schalter schneller erkennen, als er eine Python-Zeile analysieren könnte. Es ist außerdem äußerst zuverlässig – es ist kein aufwändiger Compiler erforderlich, es läuft nativ auf den meisten SPS und HMIs ohne zusätzliche Verzögerung. Allerdings eignet es sich nicht für komplexe, datenintensive Aufgaben. Wenn Sie versuchen, ein Dashboard zu erstellen, das 10.000 Datenpunkte in einer gesamten Fabrik verfolgt, kann Ladder Logic unhandlich und schwer skalierbar werden. Hier kommen andere Sprachen ins Spiel.

Als nächstes: Strukturierter Text (ST), eine textbasierte Sprache, die BASIC oder C sehr ähnelt. Betrachten Sie sie als das Upgrade von Ladder Logic für moderne Anforderungen. Sie können in ST Schleifen, Wenn/Dann-Anweisungen, Variablen und sogar grundlegende mathematische Funktionen schreiben, was es perfekt für Aufgaben macht, die für Ladder Logic zu komplex sind, aber keine vollständige Programmiersprache benötigen. Wenn Sie beispielsweise möchten, dass Ihr Industrie-HMI die durchschnittliche Temperatur von 50 Heizgeräten über 10 Minuten berechnet und eine Warnung sendet, wenn sie zu hoch ist, können Sie dies in wenigen Zeilen in ST schreiben, anstatt 20 Sprossen in Ladder Logic zu zeichnen. Die meisten modernen HMI-Programme unterstützen ST und sind daher eine gute Wahl, wenn es darum geht, Vertrautheit und Funktionalität in Einklang zu bringen. Viele neuere Automatisierungsingenieure lernen jetzt zuerst ST, da es einfacher zu erlernen ist als Ladder Logic, wenn man grundlegende Programmierkenntnisse hat.

Dann gibt es noch C/C++, das Sie vielleicht überraschen wird – aber es ist tatsächlich sehr verbreitet für die kundenspezifische industrielle HMI-Entwicklung, insbesondere für kleinere, spezialisierte Geräte. Warten Sie, warum nicht einfach Ladder oder ST verwenden? C/C++ gibt Ihnen viel mehr Kontrolle über die Hardware, was für HMIs von entscheidender Bedeutung ist, die beispielsweise Hochgeschwindigkeits-Sensordaten verarbeiten, mit grafikintensiven Schnittstellen arbeiten oder mit Nischen-Industrieprotokollen kommunizieren müssen, die keine generische Sprache unterstützt. Wenn Sie beispielsweise eine HMI für eine kundenspezifische Produktlinie medizinischer Geräte erstellen, die mit den Daten eines bestimmten Laserschneiders synchronisiert werden muss, können Sie mit C/C++ jeden Teil der Benutzeroberfläche so anpassen, dass sie genau so funktioniert, wie Sie es benötigen, ohne den Overhead höherer Programmiersprachen. Der Nachteil? Sie benötigen einen erfahrenen Entwickler, der C/C++-Code schreibt und verwaltet, und wenn Sie nicht aufpassen, ist er anfälliger für Fehler – nicht ideal für eine Fabrik, die rund um die Uhr in Betrieb ist und in der ein Absturz Tausende an Ausfallzeiten kosten könnte.

Python taucht zunehmend in industriellen HMIs auf, vor allem für mittelgroße Fabriken, die mehr Flexibilität wünschen, ohne in ein großes C/C++-Projekt zu investieren. In vielen HMI-Programmen können Sie mittlerweile Python-Skripte einbetten, um beispielsweise Daten aus Cloud-basierten Analysetools abzurufen, benutzerdefinierte Warnungen über Slack oder E-Mail zu senden oder grundlegende Modelle für maschinelles Lernen auszuführen, um vorherzusagen, wann ein Teil ausfallen könnte. Wenn Sie beispielsweise eine kleine Fertigungsstätte mit einem [7-Zoll-HMI] haben – perfekt für enge Räume auf einer Werkbank – können Sie dieses HMI mithilfe von Python mit einem kostenlosen Analysetool verbinden, das verfolgt, wie oft eine Maschine verwendet wird, sodass Sie Wartungsarbeiten planen können, bevor sie kaputt geht. Der Haken dabei ist, dass Python interpretiert wird, was bedeutet, dass es etwas langsamer als kompilierte Sprachen wie C ist und sich daher nicht für Echtzeitaufgaben eignet, die in Millisekunden reagieren müssen. Aber für unkritische, datenorientierte Aufgaben ist es ein Game-Changer, der es Fabriken ermöglicht, ihre HMIs anzupassen, ohne das Budget zu sprengen.

Eine Sprache, von der Sie vielleicht nicht so oft hören, die aber immer noch in vielen älteren HMIs verwendet wird, ist BASIC. Alte, proprietäre HMIs von Marken, die es schon seit mehr als 40 Jahren gibt, verwenden oft BASIC für benutzerdefinierte Skripte. Das einzige Problem besteht darin, dass die meisten dieser Systeme veraltet sind, Teile schwer zu finden sind und sich nicht gut mit modernen Geräten kombinieren lassen. Daher empfehlen wir fast immer ein Upgrade auf ein neueres HMI, das ST, Python oder C unterstützt. Wenn in einer Fabrik beispielsweise noch ein altes HMI läuft, das BASIC verwendet, ist die Wahrscheinlichkeit von Kompatibilitätsproblemen beim Hinzufügen eines neuen Sensors viel höher, und wenn es abstürzt, gibt es nicht so viele Techniker, die wissen, wie man das Problem behebt.

Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie wir die Sprache auswählen, die wir beim Aufbau unserer HMIs verwenden möchten, wie z. B. unserer [Industrial HMI]-Reihe. Zuerst fragen wir den Kunden, was er eigentlich braucht: Handelt es sich um eine kleine Werkstatt mit ein paar Maschinen, die lediglich grundlegende Ein-/Aus-Steuerung und Temperaturmessungen benötigen? Dann ist ein [7-Zoll-HMI] mit Ladder Logic oder ST perfekt – einfach, zuverlässig und für das interne Team leicht zu bedienen. Wenn es sich um eine große Autoteilefabrik mit einer ganzen Montagelinie handelt, die Hunderte von Datenpunkten verfolgen und mit Cloud-Analysen synchronisieren muss? Wir werden wahrscheinlich ein HMI erstellen, das sowohl Ladder Logic für die Kernmaschinensteuerung als auch Python für die benutzerdefinierten Datenskripte unterstützt. Für Kunden, die eine völlig neue Linie mit einzigartiger Ausrüstung bauen, können wir benutzerdefinierten C/C++-Code schreiben, um sicherzustellen, dass das HMI genau so kommuniziert, wie sie es benötigen.

Viele neuere Automatisierungsleute fragen sich vielleicht: Warum nicht einfach JavaScript verwenden? Es ist bei Web-Apps sehr beliebt, oder? Die Wahrheit ist, dass JavaScript selten für industrielle HMIs verwendet wird, da es nicht für die rauen Umgebungen und Echtzeitanforderungen optimiert ist, die HMIs benötigen. Webbasierte HMIs werden immer beliebter – einige Fabriken nutzen sie, um Ingenieuren die Kontrolle von Maschinen über ihre Telefone zu ermöglichen – aber für den eigentlichen Steuerungsteil benötigen Sie immer noch eine Muttersprache wie Ladder oder ST. Web-HMIs eignen sich hervorragend für die Fernüberwachung, jedoch nicht für die Kernaufgaben, die den Betrieb einer Linie rund um die Uhr gewährleisten.

Beachten Sie außerdem, dass die meisten industriellen HMI-Systeme nicht nur eine Sprache verwenden. Sie kombinieren sie, um das Beste aus jedem herauszuholen. Beispielsweise könnte Ladder Logic die grundlegende Motorsteuerung übernehmen (was es wirklich gut kann), ST für die Berechnung der Produktionszahlen und Python für das Senden von Daten an ein Cloud-Dashboard. Dieser „Best-of-both“-Ansatz ist der Grund, warum moderne HMIs so flexibel sind – sie können gleichzeitig mit alten Legacy-Geräten und neuen kundenspezifischen Tools arbeiten.

Als HMI-Anbieter habe ich aus erster Hand gesehen, wie die Wahl der falschen Sprache zu großen Problemen führen kann. Vor ein paar Jahren hatte wir einen Kunden, der versuchte, eine generische Smartphone-App zur Steuerung seiner Verpackungslinie zu verwenden und dabei eine webbasierte HMI auf JavaScript-Basis zu nutzen. Es stürzte jedes Mal ab, wenn die Leitung besetzt war, da JavaScript den Echtzeit-Datenfluss nicht bewältigen konnte. Sie mussten für die Kernsteuerung auf ein benutzerdefiniertes HMI mit Ladder Logic umsteigen, was ihre Ausfallzeit um 90 % reduzierte. Ein anderer Kunde, eine kleine Handwerksbrauerei, wollte die Fermentationstemperaturen verfolgen und eine SMS-Benachrichtigung senden, wenn eine Charge fertig war – wir verwendeten ein [HMI 10 Zoll] mit Python-Skripting, damit sie Daten von ihren Temperatursensoren abrufen und Texte senden konnten, ohne einen separaten Entwickler einstellen zu müssen.

Also, was ist hier das Mitnehmen? Es gibt keine „beste“ Programmiersprache für industrielle HMIs – alles hängt von der Größe Ihrer Fabrik, Ihrer Ausrüstung, den Aufgaben, die das HMI erledigen muss, und dem Fachwissen Ihres Teams ab. Wenn Sie ein erfahrener Techniker sind, der jahrelang mit Schaltplänen gearbeitet hat, ist Ladder Logic wahrscheinlich Ihre erste Wahl. Wenn Sie benutzerdefinierte Datenfunktionen hinzufügen müssen, ohne Ihr Budget zu sprengen, ist Python eine großartige Option. Bei komplexen, benutzerdefinierten Projekten bietet Ihnen C/C++ die Kontrolle, die Sie benötigen.

Letztendlich besteht das Ziel einer HMI nicht nur darin, über einen schicken Touchscreen zu verfügen, sondern vielmehr darin, die Arbeit in der Industrie sicherer, effizienter und für die Menschen vor Ort einfacher zu bedienen. Aus diesem Grund bauen wir unsere HMIs so, dass sie mehrere Programmiersprachen unterstützen, sodass wir unabhängig von Ihren Anforderungen eine Lösung finden können, die zu Ihnen passt.

Wenn Sie die HMIs Ihrer Fabrik aufrüsten oder ein neues System aufbauen möchten, das auf Ihren Betrieb zugeschnitten ist, erläutern wir Ihnen gerne Ihre Optionen und helfen Ihnen bei der Auswahl der richtigen Tools für Ihr Team und Ihre Linie.

Referenzen

1. Internationale Gesellschaft für Automatisierung (ISA). (2021). IEC 61131-3: Programmiersprachen für die industrielle Automatisierung.
2. Rockwell Automation. (2023). Leitfaden für industrielle HMI-Produkte.
3. Python für Anwendungsfälle der industriellen Automatisierung. (2022). Automation World Magazine.
4. Leiterlogik vs. strukturierter Text: Ein praktischer Vergleich für Fabrikteams. (2023). Regelungstechnik.