高端人機控制界面產品設計

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，其也是實現工業4.0不可或缺的功能單元。如何設計一款高效、自然、安全、和諧的人機控制界面是關鍵一環。人機界面涉及的學科比較廣，包括人工智能、圖像處理、語音識別、人機工程學等技術。該文從產品架構和控制系統方面出發，結合一些具體方案，闡述如何才能設計出人機相合性好的產品。

關鍵詞：人機界面;產品架構;自動化;結構設計

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。而人機界面產品則是一個涉及多學科領域的系統，它包括輸入、輸出、顯示、計算、儲存、控制等硬件以及相應的配套軟件系統。隨著科技的發展和智能化的推進，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、家庭影院、廚房設備更好、更貼心地服務我們。另外在工業領域，隨著工業控制技術的蓬勃發展，以及工業4.0時代的到來，HMI在工業領域也有了更多應用，其廣泛用于機器加工設備、智能化產線、能源控制系統、樓宇系統、物流系統等方面[1]。

1 設計構思

由于HMI的使用范圍越來越廣，使用環境也千差萬別，因此對適用于各種環境和系統的通用型HMI的設計要求就變得越來越高。因此，符合工業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、擁有更多的質量認證，只有這樣的產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。在產品的概念設計階段，通過收集大量客戶的反饋，分析市場上現有的產品，并反復進行具有前瞻性的技術討論，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。

通過設計成無工具安裝以及更人性化的軟件設計來提高效率。通過產品上的二維碼和在線用戶手冊鏈接，使現場維護更便捷。使用基本的Web HMI訪問所有的HTML5服務器，以此來提高產品的靈活性，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備機器進行連接，以此來提高產品的通用性。通過通用防墜鉤設計和添加應用程序到固件級別的方式提升網絡安全程度，以此來提高產品的安全性。

2 產品的架構及其組成

為了貫徹該產品的設計思路以及考慮到產品生產過程的穩定性，筆者把一些先進的模塊化設計理念貫徹在設計中，使產品結構更加簡單穩定。其結構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，產品清潔保養更加方便。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。前面板的結構強度會影響產品的IP等級和抗震等級，以及產品安裝的穩定性。前面板的材料不僅影響產品外觀，而且影響產品的防腐防化能力，所以其零件設計要充分考慮選材、結構、價格和人性化等問題。市場上高端產品的前面板一般用鋁合金壓鑄（價格高、造型簡單），低端產品對產品的要求不是太高，所以產品架構一般以價格為導向，選用價格比較低的塑料。為了提高產品的競爭力，給客戶帶來更多的價值，筆者通過大量思考研究，開發出了一種具創新性的設計（用類似現在消費類電子的CNC鋁做面板，代替昂貴的鋁合金），打破了業界常用的傳統架構。然而CNC鋁板加工相對于其他的加工方式還是比較貴的，為了保持價格優勢，對產品進行再次改良。用鋁板+塑料內襯的方法代替整個復雜的鋁件成品，簡化了鋁件的加工結構，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構，通過類似套娃機的機構，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效率（如圖2所示）。相比于傳統的鋁合金前面板，其面板具有以下5個優勢。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）更美觀和更具有現代感的外觀，另外因為表面是陽極處理，所以比較容易根據客戶的要求定制顏色。4）更好的產品質量（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時，需要在無塵的環境下安裝，保證可視區內沒有異物。通過這樣模塊化設計，可以優化產品生產線，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要求的車間，這樣就降低了產線的架設難度和成本。組裝好顯示模組后，用螺絲固定在前面板上。考慮到該產品是具有通用性的人機界面，其應用環境比較復雜也很難預估，因此在設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品，保證產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，客戶可以根據使用情況，選擇控制主板有PLC功能的人機界面產品和單純的HMI產品。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、開關等設備。包括數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定。材料選用PC工程塑料，設計有防跌落的卡勾，防止在安裝過程中意外跌落。后殼的設計也具有多樣性，可以根據接口的類型，與是否帶PLC功能的控制主板進行搭配。另外，后蓋上還有一些結構可以用來固定一些附件和線纜，使產品在運行工程中更加安全穩定。

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，我們對產品的包裝、安裝、維護進行了全面升級。特別是對產品安裝進行了簡化，產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品，并能保證產品的防水和抗震動能力。筆者發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，保證產品安裝完好（相對于市場上的安裝螺絲）。

3 人機界面的系統設計

人機界面產品是為了解決PLC的人機交互問題而產生的，所以人機界面的很多應用離不開PLC。該產品有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種人機界面系統設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等協議與這些控制系統進行數據交換，它可以實時更新和監控，并可以將數據圖像動態地顯示在屏幕上。操作者可以根據屏幕上顯示的信息、警報，通過HMI對系統進行操作。

當然很多工業控制設備都具備串口通信能力，如變頻器、直流調速器、溫控儀表、數采模塊等。

其都可以連接人機界面產品，以此來實現人機交互功能。除了傳統的串行（RS-232、RS-422/RS-485）通信接口外，筆者設計的產品還具有網口、USB等數據接口，這樣就可以與具有網口、USB等接口的工業控制設備相連接，以此來實現設備的人機交互功能（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的通信轉換了人機界面的內部通信，使通信更有效率，也大大簡化了產品的系統設計。2種人機界面系統的設計差別如圖4所示。

4 結論

該文設計的具有通用性的高級人機界面，運用了全新的架構，使產品外觀更加美觀，質量更加穩定，維護安裝更加方便。運用了具有創新性的硬件和軟件，使顯示更加清晰和直觀。產品也取得了世界多個組織的質量認證（UL、CE、ATEX、Marine等認證）。現在產品廣泛應用于機器設備、污水處理系統、包裝系統、木材加工等領域。

參考文獻

[1]張強，王賽.人機界面（HMI）系統設計、安裝與調試[M].北京：科學出版社，2014.

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

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