Funktionale Sicherheit im HMI

In Schwerlast- und Spezialfahrzeugen ist die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) zentral. Mit wachsender Systemkomplexität rücken Ergonomie, Zuverlässigkeit und Sicherheit in den Fokus. Funktionale Sicherheit wird dabei zum Schlüsselelement, um Risiken zu minimieren und den sicheren Betrieb zu gewährleisten. 

Funktionale Sicherheit beschreibt die Fähigkeit eines Systems, bei Auftreten eines Fehlers oder Ausfalls in einen sicheren Zustand überzugehen oder sicher weiterzuarbeiten. Insbesondere bei mobilen Arbeitsmaschinen oder Spezialfahrzeugen, wo Mensch und Maschine in enger Interaktion stehen, können Fehlfunktionen oder Fehleingaben gravierende Folgen für den Bediener oder das Arbeitsumfeld haben. 

Im Gegensatz zur klassischen Produktsicherheit, die meist durch mechanische oder konstruktive Maßnahmen erreicht wird, konzentriert sich die funktionale Sicherheit auf das Verhalten des Systems im Fehlerfall – insbesondere bei elektronischen oder programmierbaren Steuerungen. Dies ist gerade bei HMI-Systemen entscheidend: Ein falsch dargestellter Zustand, ein nicht ausgelöster Alarm oder eine fehlerhafte Bedienreaktion kann schwerwiegende Konsequenzen haben. 

Relevante Normen 

Die funktionale Sicherheit ist durch eine Vielzahl internationaler Normen geregelt, die je nach Branche und Anwendung unterschiedlich ausfallen. Die IEC 61508 stellt die Basisnorm für funktionale Sicherheit elektronischer und programmierbarer Systeme dar. Sie definiert weiterhin die entsprechenden Sicherheitsanforderungsstufen. Auch wenn die grundlegenden Elemente und Prinzipien ähnlich aufgebaut sind, unterscheiden sich die Normen in verschiedenen Märkten und Applikationen. Hier einige Beispiele: 

• IEC 62061 – Sicherheitsbezogene Steuerungssysteme in Maschinen 

• ISO 13849-1 – Maschinensicherheit: Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen 

• IEC 61511 – Sicherheitsrelevante Systeme in der Prozessindustrie 

• ISO 26262 – Sicherheitsrelevante elektronische Systeme in Straßenfahrzeugen 

Für die jeweiligen Märkte gibt es weitere Normen, welche die Anforderungen in konkreten Anwendungen spezifischer definieren. Diese Normen stellen nicht nur Vorgaben an die Hard- und Software, Sie definieren vielmehr auch die Risikobeurteilung, Sicherheitsanforderungen, Teststrategien, Dokumentation und Entwicklungsprozess.  

Ziele der funktionalen Sicherheit 

Das Hauptziel ist der Schutz von Mensch und Umwelt durch das zuverlässige Verhalten eines Systems im Fehlerfall. Dieses Ziel wird beispielsweise durch folgende Elemente erreicht: 

• Fehlererkennung und -behandlung: Ein auf Sicherheit ausgerichtetes System muss mögliche Fehler frühzeitig erkennen und kontrolliert darauf reagieren. 

• Vermeidung systematischer Fehler: Bereits in der Entwicklung werden Methoden angewandt, um potenzielle Fehlerquellen zu identifizieren und zu vermeiden.

• Risikominimierung durch Erreichen eines bestimmten Sicherheitsniveaus: Gemäß einer Risikoanalyse muss ein geeignetes Sicherheitslevel eingehalten werden, das den potenziellen Gefahren gerecht wird. Je nach Norm wird dies als Perfomance Level (PL) oder Safety Integrity Level (SIL) klassifiziert. 

In der Praxis bedeutet dies, dass potenzielle Fehlerquellen frühestmöglich diagnostizierbar sind und im Falle einer auftretenden Störung ein sicherer Zustand gewährleistet sein muss. 

Zunehmende Bedeutung für das HMI-Design 

Funktionale Sicherheit geht weit über Sensoren und Aktoren hinaus. Auch die Schnittstelle Mensch-Maschine muss sicher, fehlertolerant und resistent gegen Missbrauch sein. Entwickler von HMIs sehen sich in zunehmendem Maß mit folgenden Herausforderungen konfrontiert: 

• Zunehmende Automatisierung: Moderne Maschinen sind stark auf elektronische Steuerungssysteme angewiesen. HMI werden zu einem kritischen Punkt für sicherheitsrelevante Eingaben und Rückmeldungen 

• Zunehmende Komplexität der Bedienaufgaben: Komplexe Benutzeroberflächen bieten ein höheres Fehlerpotential für Bedienfehler. Falscheingaben können sicherheitskritisch sein.

• Strengere gesetzliche und normative Anforderungen verlangen zunehmend einen konformen Entwicklungsprozess und die entsprechende Auslegung von Hard- und Software 

Ziel muss es also sein, ein benutzerorientiertes und ergonomisches Design zu schaffen, welches es dem Bediener ermöglicht, auch unter Stress schnell und intuitiv zu agieren. Dazu gehört die Vereinfachung der Benutzerschnittstelle, beispielsweise durch gezielte Reduzierung der Tastenanzahl und einem klaren visuellen Feedback für den Nutzer. 

Neben dem Bedienkonzept spielt natürlich eine entsprechend ausgelegte Hard- und Softwarearchitektur eine entscheidende Rolle. Die sichere und unverfälschte Übertragung von Tastensignalen ist hierbei entscheidend. Der Einsatz von zertifizierten Komponenten, Redundanz und Überwachung, integrierte Sicherheits- und Diagnosefunktionen sowie aktive Fehlererkennung sind hier nur einige Schlagworte. Insbesondere für HMIs welche an ein Bussystem angebunden sind, spielt das CANOpen Safety Kommunikationsprotokoll eine elementare Rolle.  

Funktional Sichere Keypads 

Am Beispiel der Rugged Keypads der Baureihe 09 von EAO wird deutlich, wie die genannten Anforderungen umgesetzt sind und somit einen signifikanten Nutzen für Hersteller und Anwender schaffen. 

• DEKRA Zertifiziert nach DIN EN ISO 13849, Performance Level D (PLd) 

• Höchstmaß an Robustheit: Für den zuverlässigen Einsatz, auch unter rauen Bedingungen  

• Zuverlässige und sichere Bedienung sowie ein aktives Feedback zu Zustand und Status an den Nutzer durch programmierbare und mehrfarbige Beleuchtungsmöglichkeiten  

• Integrierte Diagnosefähigkeiten zur eigenständigen Überwachung der eigenen Funktionalität  

• CANOpen Safety Protokoll für die sichere Übertragung zum Fahrzeugsystem   

Mit Einsatz von funktional sicheren HMI-Komponenten ergeben sich zahlreiche Vorteile für Hersteller und Bediener. Neben der generellen Erhöhung der Sicherheit ist die Einhaltung gesetzlicher Anforderungen von elementarer Bedeutung. Weiterhin ist durch den Einsatz sicherer und robuster Komponenten mit deutlich weniger Wartungsaufwänden, Stillstand- und Ausfallzeiten zu rechnen, was eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zur Folge hat und die Betriebskosten nachhaltig senken kann.  

Funktionale Sicherheit ist also weit mehr als ein technisches Detail – sie ist ein integraler Bestandteil moderner HMI- und Bedientechnik. Nur durch die gezielte Berücksichtigung sicherheitsrelevanter Aspekte bereits in der Entwicklungsphase lassen sich Systeme realisieren, die nicht nur benutzerfreundlich, sondern auch betriebssicher und normkonform sind.  

Autor: Dipl.-Ing. Stephan Hakuba, Expert Product Manager, EAO AG