Industrieller Touchscreen: Technischer Leitfaden für OEM-Ausrüstung

Einführung

Die Schnittstellen von Industrieanlagen haben sich weiterentwickelt, da die Steuerungssysteme zunehmend softwaregesteuert sind. Traditionelle Bedienfelder mit mechanischen Schaltern, Anzeigelampen und Folientastaturen werden nach und nach durch grafische Schnittstellen auf integrierten Bildschirmen ersetzt.

Eine industrieller Touchscreen kombiniert visuelle Anzeige und Benutzereingabe in einer einzigen Benutzeroberfläche. Die Bediener interagieren mit den Maschinen über konfigurierbare Softwareschnittstellen und nicht über feste Hardware-Steuerungen.

Für Gerätehersteller bieten berührungsempfindliche Schnittstellen mehrere praktische Vorteile:

• Kontroll-Layouts können durch Software-Updates geändert werden
• mehrere Betriebsarten können über dieselbe Schnittstelle dargestellt werden
• Diagnose- und Überwachungstools können direkt in die Bedieneranzeige integriert werden

Die technischen Anforderungen an industrielle Displays unterscheiden sich jedoch erheblich von denen der Unterhaltungselektronik. Die Geräte können in Umgebungen mit Vibrationen, elektrischem Rauschen, Temperaturschwankungen, Staub, Feuchtigkeit oder im Dauerbetrieb rund um die Uhr eingesetzt werden.

Bei der Auswahl eines industriellen Touchscreens geht es also um mehr als die Wahl der Displaygröße oder der Touchtechnologie. Ingenieure müssen auch berücksichtigen:

• Systemarchitektur
• elektrische Schnittstellen
• mechanische Integration
• Schutz der Umwelt
• langfristige Verfügbarkeit der Komponenten

In diesem Leitfaden wird erklärt, wie industrielle Touch-Display-Systeme aufgebaut sind und wie Ingenieure sie während der Geräteentwicklung bewerten.

Was ist ein industrieller Touchscreen?

Eine industrieller Touchscreen ist ein Anzeigemodul für Industrie- oder Infrastrukturgeräte, das die visuelle Ausgabe und die Toucheingabe in einer einzigen Baugruppe integriert.

Das System besteht aus zwei Funktionsschichten:

• Ebene anzeigen - präsentiert die vom Kontrollsystem erzeugte grafische Benutzeroberfläche
• Berührungsebene - erkennt die Benutzerinteraktion und überträgt Koordinatendaten an den Host-Controller

Industrielle Touch-Displays werden üblicherweise in Systeme wie z.B.:

• Ausrüstung für die Fertigungsautomatisierung
• Maschinenbedienerterminals
• EV-Ladestationen
• Transportterminals
• Kioske für öffentliche Dienstleistungen

Im Gegensatz zu Verbrauchergeräten sind industrielle Anzeigemodule in der Regel für folgende Zwecke konzipiert längere Lebensdauer und robustere mechanische Konstruktion. Geräteschnittstellen können viele Jahre lang in Betrieb bleiben, so dass die Kompatibilität der Anzeige mit der Systemarchitektur während des gesamten Produktlebenszyklus gewährleistet sein muss.

Industrielle Touchscreen-Systemarchitektur

Aus der Systemperspektive ist das Anzeigemodul nur ein Teil der Bedienerschnittstellenarchitektur.

Ein typisches industrielles Schnittstellensystem besteht aus drei Schichten.

Operator Interface Layer

Der industrielle Touchscreen ist die visuelle Schnittstelle, über die der Bediener mit dem Gerät interagiert.

Die grafische Schnittstelle kann Folgendes umfassen:

• Prozessüberwachungsbildschirme
• Menüs zur Systemkonfiguration
• Diagnose-Tools
• Alarmbenachrichtigungen

Anzeige-Subsystem

Das Display-Subsystem enthält die für die Bilderzeugung und die Berührungserkennung zuständige Hardware.

Typische Komponenten sind:

• LCD-Anzeigefeld
• LED-Hintergrundbeleuchtung
• Berührungssensor-Gitter
• Touch-Controller-Elektronik

Kontrollsystem

Das Hostsystem kann ein Industriecomputer, ein eingebetteter Prozessor oder eine SPS-basierte Steuerung sein.

Die Koordinaten der Berührungseingabe werden vom Touch-Controller an das Host-System übertragen. Die Host-Software interpretiert diese Eingaben und aktualisiert die auf dem Bildschirm angezeigte grafische Oberfläche.

Diese mehrschichtige Architektur ermöglicht es den Geräteherstellern, die Schnittstellen-Hardware von Steuerlogik, und verbessert die Flexibilität bei der Systementwicklung.

Arten von industriellen Touchtechnologien

In industriellen Touch-Displays werden verschiedene Sensortechnologien eingesetzt. Die Wahl hängt von den Umgebungsbedingungen und den Interaktionsanforderungen ab.

Resistive Touchscreens

Resistive Touch-Systeme erkennen Eingaben durch Druck auf leitende Schichten.

Typische Vorteile sind:

• Kompatibilität mit Handschuhen
• Unterstützung für Stifteingabe
• Toleranz gegenüber elektrischem Rauschen

Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich resistive Systeme für Umgebungen, in denen die Bediener schwere Handschuhe tragen oder in denen einfache Eingabemethoden ausreichend sind.

Die flexible Oberschicht kann sich in stark beanspruchten Umgebungen mit der Zeit abnutzen.

Projizierte kapazitive Berührung (PCAP)

Bei der projiziert-kapazitiven Technologie wird ein leitfähiges Gitter hinter einer Glasoberfläche eingebettet.

Typische Vorteile sind:

• gehärtete Glasoberfläche
• Multitouch-Fähigkeit
• hohe optische Klarheit

PCAP-Displays sind in modernen industriellen Schnittstellen weit verbreitet, da sie haltbare Glasoberflächen und gestenbasierte Interaktion unterstützen.

Kapazitive Systeme erfordern jedoch eine sorgfältige Erdung und elektrische Auslegung, um einen stabilen Betrieb in elektrisch verrauschten Umgebungen zu gewährleisten.

Akustische Oberflächenwellen (SAW)

Akustische Oberflächenwellen-Displays erkennen Berührungen durch Ultraschallwellen, die über die Bildschirmoberfläche laufen.

Sie bieten eine hohe optische Klarheit, sind aber empfindlicher gegenüber Oberflächenverschmutzungen wie Staub oder Wassertröpfchen.

Infrarot-Berührung

Infrarot-Touch-Systeme erkennen Interaktionen, wenn Objekte Infrarotstrahlen auf der Bildschirmoberfläche unterbrechen.

Sie werden in der Regel verwendet für großformatige Displays in Kiosken oder öffentlichen Terminals.

Schlüsselkomponenten von industriellen Touch-Displays

Mehrere Hardwarekomponenten bestimmen die optische Leistung und Haltbarkeit eines industriellen Touch-Displays.

LCD-Anzeigefeld

Die meisten industriellen Displays verwenden TFT-LCD-Bildschirme.

Wichtige Leistungsparameter sind unter anderem:

• Helligkeit
• Kontrastverhältnis
• Betrachtungswinkel
• Betriebstemperaturbereich

Geräte für den Außenbereich benötigen in der Regel eine höhere Helligkeit, um bei direkter Sonneneinstrahlung lesbar zu bleiben.

Deckglas

Das Deckglas schützt die Berührungsschicht und das Display vor mechanischen Beschädigungen.

Industrielle Displays verwenden häufig chemisch gehärtetes Glas mit einer Dicke zwischen 2 mm und 5 mm, je nach den Anforderungen an die Stoßfestigkeit.

Optisches Bonding

Beim optischen Kleben wird der Luftspalt zwischen den Displayschichten mit einem transparenten Klebstoff gefüllt.

Die technischen Vorteile umfassen:

• verbesserter Kontrast
• reduzierte Reflexionen
• erhöhte strukturelle Steifigkeit
• verbesserte Lesbarkeit in hellen Umgebungen

Touch Controller

Der Touch-Controller verarbeitet die Signale des Sensornetzes und wandelt sie in Koordinatendaten um, die an das Host-System übertragen werden.

Moderne Steuerungen umfassen häufig Algorithmen zur Rauschfilterung zur Vermeidung falscher Berührungserkennung in elektrisch verrauschten Umgebungen.

Industrielle Touchscreen-Schnittstellen und Integrationsstrategie

Industrielle Touch-Displays verwenden in der Regel separate Kommunikationskanäle für:

• Videosignale
• Touch-Eingabe-Daten

Gemeinsame Display-Schnittstellen

Typische Display-Schnittstellen sind:

• LVDS
• eDP
• HDMI
• DisplayPort

Touch Data-Schnittstellen

Die Daten für die Berührungseingabe werden in der Regel durch übertragen:

• USB
• I²C

Die geeignete Schnittstelle hängt weitgehend von der Architektur des Host-Systems ab.

Eingebettete Prozessorsysteme verwenden in der Regel LVDS oder eDP mit I²C, während Industriecomputer oft mit HDMI oder DisplayPort kombiniert mit USB-Toucheingang.

USB-Touch-Schnittstellen sind bei der Systemdiagnose oft leichter unabhängig zu testen.

Mechanische Integration und Montageoptionen

Die mechanische Integration ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Anzeigesystemen.

Üblicherweise werden mehrere Montageverfahren angewandt.

Offene Rahmenanzeigen

Displays mit offenem Rahmen sind für den Einbau in kundenspezifische Gerätegehäuse konzipiert.

Dieser Ansatz bietet OEM-Herstellern maximale Flexibilität bei der Gestaltung von Frontplatten und Dichtungsstrukturen.

Sie erfordert jedoch zusätzlichen mechanischen Konstruktionsaufwand.

Schalttafelmontierte Displays

Schalttafelmontierte Displays werden durch einen Ausschnitt im Gerätegehäuse installiert.

Dichtungen sorgen für den Schutz vor Umwelteinflüssen zwischen dem Displayrahmen und der Gehäuseoberfläche.

Diese Konfiguration ist üblich in Maschinenbedienfelder.

VESA-befestigte Displays

Bildschirme mit VESA-Montagemuster können an verstellbaren Armen oder Halterungen befestigt werden.

Diese Konfiguration wird häufig in verwendet:

• Kontrollräume
• Bedienerarbeitsplätze
• Prüfplätze

Unterputz-Displays

Bei der bündigen Montage wird die Anzeigefläche direkt in die Gerätetafel integriert.

Die daraus resultierende ebene Oberfläche vereinfacht die Reinigung, erfordert aber engere Einbautoleranzen.

Überlegungen zur Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit

Industrielle Displays müssen in anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig funktionieren.

Typische Umweltprobleme sind:

• Staub- und Partikelbelastung
• Vibration und Schock
• Feuchtigkeitseinwirkung
• elektrisches Rauschen
• Dauerbetrieb

Umweltschutzbewertungen wie IP65 werden in der Regel verwendet, um das Eindringen von Staub und Wasser zu verhindern.

Weitere Überlegungen zur Zuverlässigkeit sind:

• Schutz vor elektrostatischer Entladung
• elektromagnetische Verträglichkeit
• Schlagfestigkeit

Installationen im Freien müssen ebenfalls berücksichtigt werden:

• Sonnenlichtexposition
• Temperaturschwankung
• UV-Beständigkeit

Bei der Auswahl einer Anzeigelösung ist es wichtig, die Einsatzumgebung zu verstehen.

Auswahl der Größe von industriellen Touchscreens

Industrielle Touch-Displays sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich.

Typische Größenkategorien sind:

5-10 Zoll

Häufig bei Schnittstellen für Kompaktmaschinen.

10-15 Zoll

Häufig in Maschinenbedienterminals verwendet.

15 Zoll und mehr

Wird in Kiosken, Infrastruktursystemen und großen Schalttafeln verwendet.

Die Auswahl der Anzeigegröße hängt davon ab:

• Schnittstellenkomplexität
• Sichtweite des Bedieners
• verfügbarer Einbauraum

Industrieller Touchscreen vs. industrieller Monitor

Eine Industriemonitor ist ein Anzeigegerät ohne integrierte Computerhardware.

Er empfängt Videosignale von einem externen Computer.

Touch-fähige Industriemonitore bieten Touch-Funktionalität, sind aber dennoch auf ein separates Steuersystem angewiesen.

Diese Architektur ist üblich, wenn die Computerhardware an anderer Stelle im Gerät installiert ist.

Industrieller Touchscreen vs. Panel PC

A Panel-PC integriert:

• Anzeige
• Touch-Interface
• Embedded Computer

zu einer einzigen Einheit.

Panel-PCs vereinfachen die Installation, verringern aber die Flexibilität bei der Aufrüstung der Computerhardware unabhängig vom Bildschirm.

Eigenständige industrielle Touch-Displays bieten mehr Flexibilität in der Systemarchitektur.

Kundenspezifische OEM-Touch-Displays für die Industrie

OEM-Gerätehersteller benötigen oft Display-Lösungen, die auf spezifische mechanische oder elektrische Anforderungen zugeschnitten sind.

Die Anpassung kann Folgendes beinhalten:

• Anpassung der Anzeigegröße
• Optimierung der Helligkeit
• Montageänderungen
• Änderungen der Schnittstellenkonfiguration

Viele OEM-Lösungen werden von bestehenden Display-Plattformen abgeleitet, um die Komplexität der Integration und die Entwicklungszeit zu reduzieren.

Anwendungsszenarien und technische Herausforderungen

Unterschiedliche Einsatzumgebungen bringen unterschiedliche technische Prioritäten mit sich.

Automatisierungstechnik

Erfordert Kompatibilität mit industriellen Steuerungssystemen und stabilen Betrieb in elektrisch verrauschten Umgebungen.

EV-Ladestationen

Muss die Sichtbarkeit bei Außenbeleuchtung aufrechterhalten und in einem großen Temperaturbereich arbeiten.

Öffentliche Kioske

Benötigt werden haltbare Oberflächen, die einer hohen Beanspruchung und möglichen Stößen standhalten.

Verkehrsinfrastruktur

Erfordert oft eine erweiterte Temperaturtoleranz und langfristige Zuverlässigkeit.

Industrielle Touchtechnologie im Vergleich

Die Auswahl der Technologie sollte sich an den Umgebungsbedingungen und den Anforderungen an die Interaktion mit dem Bediener orientieren.

Auswahlverfahren für industrielle Touchscreens

Die Auswahl eines industriellen Touch-Displays erfolgt in der Regel nach einer strukturierten technischen Bewertung.

Schritt 1 - Definieren der Einsatzumgebung
Ermitteln Sie den Temperaturbereich, die Vibrationsbelastung und die Anforderungen an die Schutzart.

Schritt 2 - Bestimmen der Anzeigegröße und des Schnittstellenlayouts

Schritt 3 - Auswahl der geeigneten Touch-Technologie

Schritt 4 - Festlegung der Montagearchitektur

Schritt 5 - Bestätigung der Kompatibilität mit den Schnittstellen des Hostsystems

Schritt 6 - Bewertung der Verfügbarkeit über den gesamten Lebenszyklus und Überlegungen zum Service

Die Einhaltung dieses Prozesses trägt dazu bei, dass sich das Display gut in das Gesamtdesign der Anlage einfügt.

Schlussfolgerung

Industrielle Touchscreens sind zu einer zentralen Schnittstellenkomponente im modernen Gerätedesign geworden.

Durch die Kombination von Anzeige- und Eingabefunktionen ermöglichen sie flexible softwarebasierte Schnittstellen für die Maschinensteuerung und -überwachung.

Die Auswahl einer geeigneten Anzeige erfordert eine sorgfältige Bewertung:

• Umweltbedingungen
• Systemarchitektur
• mechanische Integration
• langfristige Zuverlässigkeit

Die Kenntnis dieser Faktoren hilft Geräteentwicklern und Systemintegratoren sicherzustellen, dass die gewählte Schnittstellenlösung sowohl die betrieblichen Anforderungen als auch die langfristigen Erwartungen an den Lebenszyklus erfüllt.

FAQ - Industrielle Touchscreens

Was ist der Unterschied zwischen industriellen und privaten Touchscreens?
Industrielle Displays sind für eine längere Lebensdauer, einen größeren Temperaturbereich und eine höhere mechanische Beständigkeit ausgelegt.

Sind kapazitive Touchscreens für industrielle Umgebungen geeignet?
Ja, wenn sie richtig konstruiert sind und über eine geeignete Erdung, Abschirmung und Filterung der Steuerung verfügen.

Welcher Helligkeitsgrad ist für Außenanzeigen erforderlich?
Geräte für den Außenbereich benötigen in der Regel 800-1500 nits, je nach Sonneneinstrahlung.

Können industrielle Touchscreens mit Handschuhen bedient werden?
Resistive Bildschirme unterstützen standardmäßig Handschuhe. PCAP-Systeme können Handschuhe unterstützen, wenn sie auf eine höhere Empfindlichkeit eingestellt sind.

Wenn Sie Schnittstellen für Geräte entwerfen und eine maßgeschneiderte industrielle Touch-Display-Lösung benötigen, unser Ingenieurteam kann bei der Bewertung der Integrationsanforderungen helfen.