高端人機控制界面產(chǎn)品設(shè)計

傅立豐

摘? 要：在推進智能制造的今天，人機界面作為人與機器或智能設(shè)備的通信互動平臺，在人機交互活動中扮演著越來越重要的角色，其也是實現(xiàn)工業(yè)4.0不可或缺的功能單元。如何設(shè)計一款高效、自然、安全、和諧的人機控制界面是關(guān)鍵一環(huán)。人機界面涉及的學(xué)科比較廣，包括人工智能、圖像處理、語音識別、人機工程學(xué)等技術(shù)。該文從產(chǎn)品架構(gòu)和控制系統(tǒng)方面出發(fā)，結(jié)合一些具體方案，闡述如何才能設(shè)計出人機相合性好的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：人機界面;產(chǎn)品架構(gòu);自動化;結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

人機界面（HMI，Human Machine Interface）是指人與機器的溝通平臺，是人與機器的通信和對話接口。然而人們有時會把人機界面稱作觸摸屏，其實這個稱謂并不準確。觸摸屏（TouchPad）只是人機界面硬件中的一個組成部分，它只是人機界面的一種交互手段。比如人機界面通過文本輸入、點擊、滑動、拖拉等動作給機器下達指令。而人機界面產(chǎn)品則是一個涉及多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)，它包括輸入、輸出、顯示、計算、儲存、控制等硬件以及相應(yīng)的配套軟件系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展和智能化的推進，人機交互與人們的生活更加密不可分。比如通過手機上的智能家居App控制家用智能電器，使家里的掃地機器人、中央空調(diào)、家庭影院、廚房設(shè)備更好、更貼心地服務(wù)我們。另外在工業(yè)領(lǐng)域，隨著工業(yè)控制技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及工業(yè)4.0時代的到來，HMI在工業(yè)領(lǐng)域也有了更多應(yīng)用，其廣泛用于機器加工設(shè)備、智能化產(chǎn)線、能源控制系統(tǒng)、樓宇系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等方面[1]。

1 設(shè)計構(gòu)思

由于HMI的使用范圍越來越廣，使用環(huán)境也千差萬別，因此對適用于各種環(huán)境和系統(tǒng)的通用型HMI的設(shè)計要求就變得越來越高。因此，符合工業(yè)4.0的HMI在終端使用中，需要具有更強抗振等級、更高的防護（IP）等級、可以更安全可靠的運行、可以更便捷的安裝維護、擁有更多的質(zhì)量認證，只有這樣的產(chǎn)品才能被市場廣泛接受。為了拓展市場，該單位啟動了一個高端通用型的人機界面，致力于給客戶提供更好的體驗，能給客戶帶來更多的價值。在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，通過收集大量客戶的反饋，分析市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品，并反復(fù)進行具有前瞻性的技術(shù)討論，決定對效率、靈活性、通用性、安全性、科技性這5個方面進行改進提升。

通過設(shè)計成無工具安裝以及更人性化的軟件設(shè)計來提高效率。通過產(chǎn)品上的二維碼和在線用戶手冊鏈接，使現(xiàn)場維護更便捷。使用基本的Web HMI訪問所有的HTML5服務(wù)器，以此來提高產(chǎn)品的靈活性，使客戶在使用和維護時更加便捷。提供更多的接口和選擇，使其可以跟不同的設(shè)備機器進行連接，以此來提高產(chǎn)品的通用性。通過通用防墜鉤設(shè)計和添加應(yīng)用程序到固件級別的方式提升網(wǎng)絡(luò)安全程度，以此來提高產(chǎn)品的安全性。

2 產(chǎn)品的架構(gòu)及其組成

為了貫徹該產(chǎn)品的設(shè)計思路以及考慮到產(chǎn)品生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，筆者把一些先進的模塊化設(shè)計理念貫徹在設(shè)計中，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加簡單穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)主要可以拆分為高透防眩光保護膜、前面板、顯示模塊（觸摸屏、支撐框、液晶顯示屏）、主機PCBA（具有顯示、圖像處理、計算、儲存和輸入輸出等功能）、控制PCBA（有PLC功能，其功能主板是可選項）、后蓋、安裝螺絲及附件（如圖1所示）。

2.1 保護膜

其保護膜應(yīng)用高科技鍍層的PET薄膜，貼附在前面板上。其具有以下4個作用。1）使HMI外觀更加美觀，產(chǎn)品清潔保養(yǎng)更加方便。2）有利于HMI的防護等級。3）保護HMI的觸摸屏，使觸摸模塊有更長的壽命。4）防眩光。

2.2 前面板

前面板是人機界面的一個重要零件。前面板的結(jié)構(gòu)強度會影響產(chǎn)品的IP等級和抗震等級，以及產(chǎn)品安裝的穩(wěn)定性。前面板的材料不僅影響產(chǎn)品外觀，而且影響產(chǎn)品的防腐防化能力，所以其零件設(shè)計要充分考慮選材、結(jié)構(gòu)、價格和人性化等問題。市場上高端產(chǎn)品的前面板一般用鋁合金壓鑄（價格高、造型簡單），低端產(chǎn)品對產(chǎn)品的要求不是太高，所以產(chǎn)品架構(gòu)一般以價格為導(dǎo)向，選用價格比較低的塑料。為了提高產(chǎn)品的競爭力，給客戶帶來更多的價值，筆者通過大量思考研究，開發(fā)出了一種具創(chuàng)新性的設(shè)計（用類似現(xiàn)在消費類電子的CNC鋁做面板，代替昂貴的鋁合金），打破了業(yè)界常用的傳統(tǒng)架構(gòu)。然而CNC鋁板加工相對于其他的加工方式還是比較貴的，為了保持價格優(yōu)勢，對產(chǎn)品進行再次改良。用鋁板+塑料內(nèi)襯的方法代替整個復(fù)雜的鋁件成品，簡化了鋁件的加工結(jié)構(gòu)，大大縮短了鋁件的加工時間，另外改良后的鋁件變成的框形板狀結(jié)構(gòu)，通過類似套娃機的機構(gòu)，使不同尺寸的前框可以同時生成，這樣大大提高了鋁板材料的利用率和生產(chǎn)效率（如圖2所示）。相比于傳統(tǒng)的鋁合金前面板，其面板具有以下5個優(yōu)勢。1）更低廉的成本，零件的價格是鋁合金壓鑄件的40%～50%，并且能夠保證足夠的零件強度。2）更少的投資，CNC前面板不需要模具費用，大大減少了項目投資。3）更美觀和更具有現(xiàn)代感的外觀，另外因為表面是陽極處理，所以比較容易根據(jù)客戶的要求定制顏色。4）更好的產(chǎn)品質(zhì)量（更精確的尺寸、平整度）。5）更好的防腐能力。

2.3 顯示模塊

顯示模塊是一個模組，主要包括了觸摸屏、液晶顯示屏和中框。觸摸屏通過雙面膠固定在中框上，液晶顯示器通過卡勾固定在中框上，中框用來保護觸摸屏和顯示屏，并對其位置進行精確定位。這樣的設(shè)計可以使觸摸屏和顯示屏都固定在同一個基準上，可以減少產(chǎn)品組裝的累積公差，使觸摸屏和顯示屏配合的更加精準。另外安裝觸摸屏和顯示屏?xí)r，需要在無塵的環(huán)境下安裝，保證可視區(qū)內(nèi)沒有異物。通過這樣模塊化設(shè)計，可以優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)線，僅把這個模塊放在無塵級別高的車間，其他的組裝安排在一般生產(chǎn)要求的車間，這樣就降低了產(chǎn)線的架設(shè)難度和成本。組裝好顯示模組后，用螺絲固定在前面板上。考慮到該產(chǎn)品是具有通用性的人機界面，其應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜也很難預(yù)估，因此在設(shè)計中我們選用了更加安全和成熟的電阻式觸摸屏，以此來保證產(chǎn)品在電子干擾下仍能安全工作。液晶顯示屏選用高分辨率的產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的圖像清晰度和使用者的舒適度。

2.4 主機板

主機板主要包括一些電源、通信端口、MCU、儲存和圖像處理等單元。通信接口包括串行接口、以太網(wǎng)接口、USB接口等。顯示模塊與主機板通過FPC和同軸電纜線進行通信。連接器的設(shè)計和通信線的走向要充分考慮信號的抗干擾性。

2.5 具有PLC功能的控制主板

其控制主板是一個選項，客戶可以根據(jù)使用情況，選擇控制主板有PLC功能的人機界面產(chǎn)品和單純的HMI產(chǎn)品。其PCBA沒有獨立的電源，是通過連接器共享主機板的電源，與主機板的通信也是通過連接器進行的。其功能跟小型的PLC類似，用于控制電機、開關(guān)等設(shè)備。包括數(shù)字量的輸入輸出和模擬量的輸入輸出[2]。

2.6 后殼

后殼的作用主要是為了保護主板和通信接口的穩(wěn)定。材料選用PC工程塑料，設(shè)計有防跌落的卡勾，防止在安裝過程中意外跌落。后殼的設(shè)計也具有多樣性，可以根據(jù)接口的類型，與是否帶PLC功能的控制主板進行搭配。另外，后蓋上還有一些結(jié)構(gòu)可以用來固定一些附件和線纜，使產(chǎn)品在運行工程中更加安全穩(wěn)定。

2.7 安裝螺絲和附件

附件包括防水的橡膠墊和一些增加通信接口連接牢固性的固定端子。在如何使客戶獲得更好的使用體驗的問題上，我們對產(chǎn)品的包裝、安裝、維護進行了全面升級。特別是對產(chǎn)品安裝進行了簡化，產(chǎn)品采用了無工具安裝模式，這樣工人就可以徒手安裝我們的產(chǎn)品，并能保證產(chǎn)品的防水和抗震動能力。筆者發(fā)明了一種可以快速安裝的螺母。工人可以單手快速安裝這個螺母（方便在狹小空間使用，旋鈕一圈可以獲得成倍的進給量）。用較小的扭矩就可以獲得較大的正壓力，保證產(chǎn)品安裝完好（相對于市場上的安裝螺絲）。

3 人機界面的系統(tǒng)設(shè)計

人機界面產(chǎn)品是為了解決PLC的人機交互問題而產(chǎn)生的，所以人機界面的很多應(yīng)用離不開PLC。該產(chǎn)品有2種模式，一種是集成簡單PLC控制模塊的人機界面，另一種是一般意義上的人機界面。下面對這2種人機界面系統(tǒng)設(shè)計進行簡單的說明和比較[3]。

3.1 人機界面（沒有集成PLC控制模塊）

它通過RS-232、RS-485、CAN、Ethernet等協(xié)議與這些控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，它可以實時更新和監(jiān)控，并可以將數(shù)據(jù)圖像動態(tài)地顯示在屏幕上。操作者可以根據(jù)屏幕上顯示的信息、警報，通過HMI對系統(tǒng)進行操作。

當然很多工業(yè)控制設(shè)備都具備串口通信能力，如變頻器、直流調(diào)速器、溫控儀表、數(shù)采模塊等。

其都可以連接人機界面產(chǎn)品，以此來實現(xiàn)人機交互功能。除了傳統(tǒng)的串行（RS-232、RS-422/RS-485）通信接口外，筆者設(shè)計的產(chǎn)品還具有網(wǎng)口、USB等數(shù)據(jù)接口，這樣就可以與具有網(wǎng)口、USB等接口的工業(yè)控制設(shè)備相連接，以此來實現(xiàn)設(shè)備的人機交互功能（如圖3所示）。

3.2 人機界面（集成PLC控制模塊）

顧名思義帶PLC功能的HMI集成了PLC的控制模塊和PLC的控制軟件，人機界面和PLC的通信轉(zhuǎn)換了人機界面的內(nèi)部通信，使通信更有效率，也大大簡化了產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計。2種人機界面系統(tǒng)的設(shè)計差別如圖4所示。

4 結(jié)論

該文設(shè)計的具有通用性的高級人機界面，運用了全新的架構(gòu)，使產(chǎn)品外觀更加美觀，質(zhì)量更加穩(wěn)定，維護安裝更加方便。運用了具有創(chuàng)新性的硬件和軟件，使顯示更加清晰和直觀。產(chǎn)品也取得了世界多個組織的質(zhì)量認證（UL、CE、ATEX、Marine等認證）。現(xiàn)在產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于機器設(shè)備、污水處理系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)、木材加工等領(lǐng)域。

參考文獻

[1]張強，王賽.人機界面（HMI）系統(tǒng)設(shè)計、安裝與調(diào)試[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[2]周浩，黃雄峰，李科，等.工業(yè)人機界面技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用綜述[J].可編程控制器與工廠自動化，2012（10）：37-40.

[3]程建良，王保衛(wèi).采血管自動開蓋機設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2007（7）：26-29.