工业领域的HMI设计

作者：RS组件公司自动化控制营销类经理-Heiko Luckhaupt

在过去十年内，人机界面（HMI）设计始终是消费者电子市场的发展标志。如今，人们期望使用的所有产品不仅美观而且操作简单。

这是物质和时尚所趋。显然，创建一个智能手机HMI是一项复杂而艰巨的工程。同样，一个看似简单的产品（例如无线路由器/调制解调器），其设计须投入多项技能和专业知识。在此，对于非专业用户，安装仅需要提供三个或四个LED和两个按钮的足够信息，并在出现问题时，能够通过电话帮助台远程排除故障。

现在，从消费领域获悉的许多原理被应用于工业自动化和控制面板的HMI设计。最引人注目的是，图形触摸屏创建面板使用率的不断增加，其代替了传统“主导”设备（例如指示器、显示器及开关）。目前，许多逻辑控制器和可编程逻辑控制器（PLC）系列也设有图形用户界面，与过去的简单按钮和仪表相比，具备了更多台式电脑的特点。

然而，事实上现代HMI设计不仅仅包括触摸屏。通过将更多传统方案与界面设计的新创意相结合，面板创建者可得到世界上最佳的稳健性、综合性、性价比和反向兼容性HMI。

经销商（例如RS）能够提供各类组件，使该新建灵活性达到最佳，以及面板创建者所需的技术支持，作出构建新装置、维护及升级现有设备正确方案的知情、创造性和可靠性选择。

当提到监控功能，我们首先想到的是按钮和指示器：尽管这些产品常常被视为“传统”方案，但他们还是受到技术进步的影响。现代产品的安装快速简捷，通常仅需“手动”便可完成，无需任何工具。在安装直径为16mm至30mm的产品时，有一系列功能可供使用，包括选择器开关和安全按键操作开关。LED照明的发展拓宽了设计师可用的颜色范围，同时，大大缩减了生产一台人性化清晰显示器所需的能量。目前，可用产品具有较高稳健性和环境密封性，使用寿命更长，几乎可以在任何条件下使用。

Schneider Electric（施耐德电气公司）的和谐ZB4/XB4系列证明了众多这种趋势。设计符合行业标准22mm孔固定要求，和谐ZB4/XB4的特点包括，弹簧返回按钮、照明按钮、带速动锁定的蘑菇头紧急停止按钮、LED、白炽灯、霓虹指示灯、选择器以及按键选择器开关。

设计防护等级达到IP66和IP69K，且符合国际EN/IEC、UL、CSA、CCC和NEMA标准以及其他规定，这些强大设备集低负荷电接触和高功率性能于一体。简捷而快速安装是其主要特点，采用便于单手拆除和安装的单螺钉防旋转结构。

此外，ABB还提供全方位指示设备，结合大量低压产品使用，例如接触器、软启动器、DOL和Y/D启动器、电子继电器、断路器及开关。

本公司提供一系列模块设备和小型设备：前者的特点是具备一系列能够结合高灵活性的执行机构，其专有可脱卸设计便于快捷组装。后者的特点是采用一体化结构和坚固设计，易于安装。

所有小型设备和选自模块设备的装置均采用防护等级达到批准质量的IP67和IP69K。这意味着产品能够承受周期性浸没，以及各行业要求的高压高温条件下的喷洒（例如水泥、食品和饮料）。

除标准和高防护等级的Titan按钮和指示器之外，伊顿还提供适合用于受限空间的RMQ16系列。各面板部件可安装面板上，四侧找平且无任何间隙。与传统的22mm系列相比，前部尺寸18mmx18mm的RMQ16系列设备的使用能够达到三倍信息密度。

该系列包括两种尺寸的前部组件：25x25mm和18x18mm，这两种尺寸部件均使用16.2mm的相同标准安装孔。由于LED使用寿命比机器寿命长，控制电路设备可采用LED来代替白炽灯泡，有效降低灯泡更换率。

为安全访问控制应用程序，伊顿还提供指纹识别模块，减少因密钥、身份证或PIN码丢失导致的问题。M22-ESA仅要求22.5mm的标准安装孔径，且使用专用Moeller工具即可简单安装。系统可同时存储100个不同的指纹。

施耐德公司和谐XB5R设备在按钮主题设计上多了一些有趣变化，采用能量收集技术提供无线遥控开关。该无线连接设备在室外40m远的位置仍然有效，提供指令位置的全面灵活应用，并允许操作员在机器周围自由移动。

无线操作不仅节省安装时间和成本，而且降低了电缆损坏和所用螺纹端子问题的可能性。即使没有电缆接入点，灰尘也不容易进入。同时，能量收集技术意味着在开关使用期内无需更换和去除电池。

最后，在按钮开关/指示器领域，采用塑料材质或金属材质的西门子SIRIUS 3SB3按钮和指示灯，一个人仅使用螺丝刀即可轻松组装。

此类设备通过西门子的AS界面或传统行业控制与控制系统相连接。对于特殊环境条件（例如耐油性），本公司提供聚酰胺和金属版两种。

控制面板往往需要合并各项监测数值（例如温度、流量、压力或速度）。这些数值不仅要求便于操作员读取，而且须允许用户互动。

如今的板装式温度和过程控制器，支持从简单开/关控制到完整PID的一系列功能。制造商几乎能提供任何输入类型，包括电压、电流、热电偶及电阻设备。此类设备一般包括报警功能，能够在参数超出公差时向操作员发出警告。

例如，堡盟PA400过程控制监控器，提供典型的完整个性化设置。兼容±10V DC或±20mA量程范围内的所有处理信号，该设备采用常见的14mm红色LED显示屏，提供传感器故障和尺寸过大警告，同时能够在其前面板上使用三个按键进行编程。此外，该设备提供24V DC/25mA传感器输出，可用于含有两个报警阈值和继电器输出的版本中。

随着LCD显示技术稳健性和灵活性的日益提高，对标记报警条件的需要，已使字幕数字显示器变色技术的使用不断增加，为操作者提供更为清晰的视觉信息。

欧姆龙E5C型温度控制器、H5CX数字计时器和H7CX数字计数器的系统带两色/三色变色显示器（红色、琥珀色和绿色），能够在达到设定值或超出限值时清晰显示视觉指示值。

或者，多色功能可用于区别不同类型显示器上的数值-例如计数器和计时器。所有这些设备旨在为终端用户的生活提供便捷，其设计旨在为面板创建者或安装者提供便利配置。

毫无疑问，传统面板组件在近年取得了显著发展，事实上，图形显示器公司推动了市场的快速发展。

对于PLC系统的控制，三菱提供E系列HMI面板，该面板能够与基于罗克韦尔、西门子、欧姆龙、伊顿、施耐德及三菱PLC的系统相互连接。

这些设备以背光式LCD图形触摸屏为特色，并使用Windows编程工具配置而成。这些设备通过Intel XScale RISC处理器运行Windows CE，能够通过RS232、RS422/485、以太网或USB与其他系统相连。全面的驱动程序库允许从单点监测整个系统状态，并能够进行系统维护的远程数据采集和程序安装/下载。

目前，有许多主要自动化设备制造商也支持将逻辑控制器和HMI功能融为一体。例如，对于低成本受限空间应用程序，自动化经销商（例如RS）能够配置一个系统，在该系统中，将博世力士乐IndraLogic PLC系统内置在Windows CE触摸屏HMI系统中。

这种方法保留IEC 61131-3兼容性和PLC型控制实施的优势，具有Windows设备的常用及人性化界面。

凭借MFD-Titan系统，伊顿迅速进入市场。提供前面板多功能显示器，以及能够兼容直接耦合至后面板逻辑控制器模块的22.5mm标准安装系统。通过添加一个夹式数字或模拟I/O模块，可组建一个完整的面板安装控制器。

此外，许多供应商提供灵活的可配置系统，旨在通过触摸屏模仿传统控制面板的特点。例如，Lascar电气公司的PanelPilot通过一个USB接口连接一个可编程16位彩色TFT显示器。

PanelPilot允许用户根据需要选择显示器类型：包括模拟、数字及条形图型、显示器颜色、任何文本标签及缩放比例（如需要）。使用简单的点击应用程序选取所有显示器以后，面板创建者便能保存配置并将其下载到显示器上。

由于控制系统比以往更为复杂，操作员所面临的挑战也日益加剧。幸运的是，复杂性的增大与人机互动理解能力的相应提高并驾齐驱。面板创建者和控制系统工程师可使用这种新观点以及技术进步，生产出击败复杂系统的新一代工业系统。