Reflexionsarme Displays für explosionsgeschützte HMI-Systeme

Im Freien installierte Bedien- und Beobachtungstechnik gehört in zahlreichen Branchen zum Alltag. In vielen Fällen gerade in der Prozesstechnik stehen die HMI-Systeme (human-­machine-interface) in Ex-Bereichen. Neben explosionsgeschützter Aus­legung werden an Bedien- und Beobachtungsstationen oft noch weitere anspruchsvolle Anforderungen gestellt, z.  B. Unempfindlichkeit gegenüber extremen Umgebungstemperaturen. Ein unterschätztes, doch ganz praktisches Problem ist ­allerdings sehr häufig die schlechte Ablesbarkeit von Displays bei Sonnenlicht und Reflexionen aus der Umgebung. Ein Beitrag von Dipl.-Ing. Horst Friedrich, Director Product ­Management and Software Development, R. Stahl HMI Systems.

Maßnahmen, um Spiegelungen und Blendungen zu verhindern bzw. trotz dieser eine gute Lesbarkeit der Anzeige zu gewährleisten, setzten bisher vor allem an zwei Punkten an. So wurden Bildschirme überbaut, um sie zu beschatten. Allerdings: Bei ungünstigem Sonnenstand reichte der Schattenwurf selbst sperriger Vorbauten nicht aus. 

Eine andere Methode: besonders leuchtstarke Backlights, mit denen dem hellen einfallenden Licht eine ebenso hell oder noch heller hinterleuchtete Anzeige entgegengesetzt wird. Dies hat den Nachteil, dass sich der Energieverbrauch der Leuchten schnell verdoppelt oder sogar noch weiter erhöht. Auch Leuchtdioden setzen noch über 85 % der aufgenommenen Energie nicht in Licht, sondern in Abwärme um. Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer aller verbauten Komponenten werden stark beeinträchtigt. In explosionsgefährdeten Bereichen kommt hinzu, dass Energielimitierungen und maximale Oberflächentemperaturen einzuhalten sind.

Paket aus Polfiltern lenkt Sonnenlicht ab
Ein dritter potenzieller Lösungsweg, nämlich der Einsatz von Polarisationsfiltern, brachte zunächst ebenfalls nur unbefriedigende Ergebnisse. Typischerweise war entweder die Reflexionsunterdrückung zu gering oder die Dämpfung der eigenen Hinterleuchtung der Geräte fiel zu stark aus. Vor kurzem jedoch gelang schließlich eine erfolgreiche Umsetzung des Konzeptes, eine Kombination mehrerer Polarisationsfilter sehr effektiv über- bzw. hintereinander anzuordnen.

Einfallendes Umgebungslicht wird von diesem Filterpaket zur Seite hin abgelenkt. Zugleich werden die Helligkeit der Hinterleuchtung und die Bilddarstellung für den Betrachter kaum beeinträchtigt. Die jetzt implementierte Lösung ist nicht einmal auf besonders helle LED angewiesen. Zwar können die „Sunlight readable"-Displays, die nun als Option für die beschriebenen Anwendungsfälle angeboten werden, bis 1000 cd/m² hell gedimmt werden. Sie erreichen jedoch selbst bei starkem Umgebungslicht bereits mit einer Hintergrund-Helligkeit von 700 bis 800 cd/m² eine sehr gut lesbare Darstellung.

Ex-geschützte HMI-Systeme und ­Display-Technik
R. Stahl bietet das neue Display mit 15-Zoll-Diagonale im ersten Schritt für das Modell ET-436 aus der Open HMI-Familie des Herstellers. Die Ex-geschützten Geräte dieser Serie sind mit CPUs der Intel Atom-Baureihe ausgerüstet. Die extrem stromsparende Architektur dieser Prozessoren minimiert interne Wärmeverluste und sorgt dafür, dass im Dauerbetrieb bei bis zu +50 °C am Einsatzort durchweg die volle Systemleistung verfügbar bleibt. Kurzfristig werden sogar Temperaturspitzen bis +55 °C toleriert. Die untere Temperaturgrenze für den Betrieb der Systeme liegt bei -­30 °C. Konstruktiv baut die für die Gas- und Staub-Ex-Zonen 1, 21, 2 und 22 zertifizierte Serie auf ein durchdachtes, servicefreundliches Design: Im geschlossenen Gehäuse eines Open HMI finden interne, separat explosionsgeschützte Module Platz, die bei Bedarf einzeln gewechselt werden können.

Zum Einsatz kommen unterschiedliche, jeweils besonders effektive und praktische Zündschutzarten. So sind beispielsweise CPU und Stromversorgungsbaugruppe durch druckfeste Kapselung (Ex d) geschützt, der Inverter hingegen meist durch Verguss (Ex m). Auf Ventilatoren und andere bewegte Teile wird komplett verzichtet. Auch ein Einsatz bei Vibrationen und ähnlichen mechanischen Beanspruchungen in rauer Umgebung sind bei Panel PCs dieser Bauart unproblematisch. Ihr Touchscreen macht Open HMIs besonders komfortabel - auch Bedienpersonal in Schutzanzügen kann mit Handschuhen noch ohne Schwierigkeiten daran arbeiten.