Displays für explosionsgeschütze HMI-Systeme Polfilterpaket gegen Reflektionen

Im Freien installierte Bedien- und Beobachtungstechnik gehört in zahlreichen Branchen zum Alltag – vom Öl- und Gas-Sektor über Anlagen in der chemischen und pharmazeutischen Industrie bis zu Package Units und Maschinen unterschiedlicher Anwendungen. In vielen Fällen – gerade in der Prozesstechnik – stehen die HMI-Systeme in Ex-Bereichen. Ein unterschätztes, doch ganz praktisches Problem für jeden Bediener stellt häufig die schlechte Ablesbarkeit von Displays dar, deren Anzeige vom Sonnenlicht und von Reflexionen aus der Umgebung überstrahlt wird. Selbst bei Einsatz überdurchschnittlich leuchtstarker Anzeigen wird an einem sonnigen Tag der reflektierte Anteil an Umgebungslicht noch immer als mindestens doppelt so hell empfunden wie auf einem TFT-Display erzeugte Bilder. In der physiologisch relevanten Einheit ausgedrückt steht etwa der Leuchtdichte eines High Brightness LED-Displays, die typischerweise um 1.000cd/m² beträgt, einfallendes Sonnenlicht mit einer Helligkeit von häufig ca. 400.000cd/m² gegenüber. Selbst von Displays mit Antireflex-Beschichtung werden davon noch Strahlen mit einer Leuchtkraft von rund 2.000 bis 3.000cd/m² zum Betrachter reflektiert. Mit einer üblicheren, im Verbrauch günstigeren und auch thermisch unproblematischeren Standard-Hinterleuchtung, die weniger als 500cd/m² erreicht, ergibt sich eine noch ungünstigere Konstellation. Bei bedecktem Himmel fällt der Blendeffekt zwar schwächer aus, macht sich aber dennoch oft störend bemerkbar. Schattenspendender Vorbau schafft keine Abhilfe Gleißende Reflexionen auf HMI-Displays erschweren nicht nur die Bedienung von Maschinen oder Anlagen. Bei Systemen, die für kritische Beobachtungsaufgaben eingesetzt werden, können sie natürlich auch ein beträchtliches zusätzliches Sicherheitsrisiko mit sich bringen. 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: Einerseits wurden die Bildschirme überbaut, um sie ausreichend zu beschatten. In der Praxis erwies sich dies in vielen Fällen als unzulängliche Lösung: Bei ungünstigem Sonnenstand blieb der Schattenwurf selbst sperriger, reichlich unpraktischer Vorbauten oder großer hochgeklappter Deckel einfach unzureichend. Alternativ oder ergänzend dazu kamen besonders leuchtstarke Backlights zum Einsatz, mit denen dem hellen einfallenden Licht eine ebenso hell oder noch heller hinterleuchtete Anzeige entgegengesetzt werden sollte. Diese Lösung hat den Nachteil, dass sich der Energieverbrauch der Leuchten schnell verdoppelt oder sogar noch weiter erhöht, was selbst bei prinzipiell sparsamen LEDs problematisch ist. Obwohl sie deutlich weniger Verlustleistung abführen als Glühlampen, setzen auch Leuchtdioden noch über 85% der aufgenommenen Energie nicht in Licht, sondern in Abwärme um. Bei einer typischen Verbrauchssteigerung von 7W für eine normale LED-Hinterleuchtung auf mindestens 16W für ein High Brightness Display mit einer Leuchtdichte von 1.000cd/m² allein für die Beleuchtung steigen die Temperaturen im Inneren eines HMI-Systems enorm an. Die Funktionstüchtigkeit und die Lebensdauer aller verbauten Komponenten werden entsprechend stark beeinträchtigt. Bei Bedien- und Beobachtungstechnik für explosionsgefährdete Bereiche kommt erschwerend hinzu, dass bestimmte Energielimitierungen und maximale Oberflächentemperaturen einzuhalten sind. Bei der Temperaturbelastung muss in Ex-Systemen außerdem berücksichtigt werden, dass alle Komponenten der Geräte lüfterlos und üblicherweise komplett eingeschlossen ausgelegt werden müssen, da Eigensicherheit bei HMIs technisch nicht realisierbar ist. Zuguterletzt ist selbst dann, wenn diese Umstände beherrscht werden können, in der Praxis auch mit einer deutlich helleren Hinterleuchtung eine wirklich überzeugende Bilddarstellung mit nur wenig störenden Reflexen bei konventionellen Displays kaum zu erreichen. Paket aus Polfiltern lenkt Sonnenlicht ab und verbessert Lesbarkeit Ein dritter potenzieller Lösungsweg, 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. Unterm Strich verbesserte sich die Ablesbarkeit für die Benutzer der Systeme in beiden Fällen eher geringfügig. 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 1.000cd/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. Bewährte Ex-geschützte HMI-Systeme mit neuer Display-Technik Angeboten wird das neue Display mit 15\“-Diagonale im ersten Schritt für das Modell ET-436 aus der Open HMI-Familie. Die Ex-geschützten Geräte dieser Serie sind mit CPUs der Intel Atom-Baureihe ausgerüstet. Die stromsparende Architektur dieser Prozessoren verringert interne Wärmeverluste und sorgt dafür, dass im Dauerbetrieb bei bis zu 50°C am Einsatzort durchweg die volle Systemleistung verfügbar bleibt. Kurzfristig werden Temperaturspitzen bis 55°C toleriert. Konstruktiv baut die für die Gas- und Staub-Ex-Zonen 1, 21, 2 und 22 zertifizierte Serie auf ein servicefreundliches Design: Im geschlossenen Gehäuse eines Open HMI finden interne, separat explosionsgeschützte Module Platz, die bei Bedarf einzeln gewechselt werden können. Angeboten werden die Geräte in unterschiedlichen 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. Der Touchscreen der Open HMIs sorgt für Ergonomie: Auch Bedienpersonal in Schutzanzügen kann mit Handschuhen daran arbeiten. Die Geräte bieten dank ihrer offenen Plattform softwareseitig hohe Flexibilität und können durch ihr vorinstalliertes Windows-Betriebssystem sofort in Betrieb genommen werden. Ihr Lebenszyklus erstreckt sich auf über 50.000 Stunden. Für Open HMIs liegen zahlreiche internationale Zulassungen vor. Als optionales Zubehör stehen separate Tastaturen und Zeigerinstrumente sowie spezielle Ein­gabegeräte wie Mifare- oder Barcode-Leser zur Verfügung.