高端人机控制界面产品设计

傅立丰

摘  要：在推进智能制造的今天，人机界面作为人与机器或智能设备的通信互动平台，在人机交互活动中扮演着越来越重要的角色，其也是实现工业4.0不可或缺的功能单元。如何设计一款高效、自然、安全、和谐的人机控制界面是关键一环。人机界面涉及的学科比较广，包括人工智能、图像处理、语音识别、人机工程学等技术。该文从产品架构和控制系统方面出发，结合一些具体方案，阐述如何才能设计出人机相合性好的产品。

关键词：人机界面;产品架构;自动化;结构设计

中图分类号：TP273            文献标志码：A

0 引言

人机界面（HMI，Human Machine Interface）是指人与机器的沟通平台，是人与机器的通信和对话接口。然而人们有时会把人机界面称作触摸屏，其实这个称谓并不准确。触摸屏（TouchPad）只是人机界面硬件中的一个组成部分，它只是人机界面的一种交互手段。比如人机界面通过文本输入、点击、滑动、拖拉等动作给机器下达指令。而人机界面产品则是一个涉及多学科领域的系统，它包括输入、输出、显示、计算、储存、控制等硬件以及相应的配套软件系统。随着科技的发展和智能化的推进，人机交互与人们的生活更加密不可分。比如通过手机上的智能家居App控制家用智能电器，使家里的扫地机器人、中央空调、家庭影院、厨房设备更好、更贴心地服务我们。另外在工业领域，随着工业控制技术的蓬勃发展，以及工业4.0时代的到来，HMI在工业领域也有了更多应用，其广泛用于机器加工设备、智能化产线、能源控制系统、楼宇系统、物流系统等方面[1]。

1 设计构思

由于HMI的使用范围越来越广，使用环境也千差万别，因此对适用于各种环境和系统的通用型HMI的设计要求就变得越来越高。因此，符合工业4.0的HMI在终端使用中，需要具有更强抗振等级、更高的防护（IP）等级、可以更安全可靠的运行、可以更便捷的安装维护、拥有更多的质量认证，只有这样的产品才能被市场广泛接受。为了拓展市场，该单位启动了一个高端通用型的人机界面，致力于给客户提供更好的体验，能给客户带来更多的价值。在产品的概念设计阶段，通过收集大量客户的反馈，分析市场上现有的产品，并反复进行具有前瞻性的技术讨论，决定对效率、灵活性、通用性、安全性、科技性这5个方面进行改进提升。

通过设计成无工具安装以及更人性化的软件设计来提高效率。通过产品上的二维码和在线用户手册链接，使现场维护更便捷。使用基本的Web HMI訪问所有的HTML5服务器，以此来提高产品的灵活性，使客户在使用和维护时更加便捷。提供更多的接口和选择，使其可以跟不同的设备机器进行连接，以此来提高产品的通用性。通过通用防坠钩设计和添加应用程序到固件级别的方式提升网络安全程度，以此来提高产品的安全性。

2 产品的架构及其组成

为了贯彻该产品的设计思路以及考虑到产品生产过程的稳定性，笔者把一些先进的模块化设计理念贯彻在设计中，使产品结构更加简单稳定。其结构主要可以拆分为高透防眩光保护膜、前面板、显示模块（触摸屏、支撑框、液晶显示屏）、主机PCBA（具有显示、图像处理、计算、储存和输入输出等功能）、控制PCBA（有PLC功能，其功能主板是可选项）、后盖、安装螺丝及附件（如图1所示）。

2.1 保护膜

其保护膜应用高科技镀层的PET薄膜，贴附在前面板上。其具有以下4个作用。1）使HMI外观更加美观，产品清洁保养更加方便。2）有利于HMI的防护等级。3）保护HMI的触摸屏，使触摸模块有更长的寿命。4）防眩光。

2.2 前面板

前面板是人机界面的一个重要零件。前面板的结构强度会影响产品的IP等级和抗震等级，以及产品安装的稳定性。前面板的材料不仅影响产品外观，而且影响产品的防腐防化能力，所以其零件设计要充分考虑选材、结构、价格和人性化等问题。市场上高端产品的前面板一般用铝合金压铸（价格高、造型简单），低端产品对产品的要求不是太高，所以产品架构一般以价格为导向，选用价格比较低的塑料。为了提高产品的竞争力，给客户带来更多的价值，笔者通过大量思考研究，开发出了一种具创新性的设计（用类似现在消费类电子的CNC铝做面板，代替昂贵的铝合金），打破了业界常用的传统架构。然而CNC铝板加工相对于其他的加工方式还是比较贵的，为了保持价格优势，对产品进行再次改良。用铝板+塑料内衬的方法代替整个复杂的铝件成品，简化了铝件的加工结构，大大缩短了铝件的加工时间，另外改良后的铝件变成的框形板状结构，通过类似套娃机的机构，使不同尺寸的前框可以同时生成，这样大大提高了铝板材料的利用率和生产效率（如图2所示）。相比于传统的铝合金前面板，其面板具有以下5个优势。1）更低廉的成本，零件的价格是铝合金压铸件的40%～50%，并且能够保证足够的零件强度。2）更少的投资，CNC前面板不需要模具费用，大大减少了项目投资。3）更美观和更具有现代感的外观，另外因为表面是阳极处理，所以比较容易根据客户的要求定制颜色。4）更好的产品质量（更精确的尺寸、平整度）。5）更好的防腐能力。

2.3 显示模块

显示模块是一个模组，主要包括了触摸屏、液晶显示屏和中框。触摸屏通过双面胶固定在中框上，液晶显示器通过卡勾固定在中框上，中框用来保护触摸屏和显示屏，并对其位置进行精确定位。这样的设计可以使触摸屏和显示屏都固定在同一个基准上，可以减少产品组装的累积公差，使触摸屏和显示屏配合的更加精准。另外安装触摸屏和显示屏时，需要在无尘的环境下安装，保证可视区内没有异物。通过这样模块化设计，可以优化产品生产线，仅把这个模块放在无尘级别高的车间，其他的组装安排在一般生产要求的车间，这样就降低了产线的架设难度和成本。组装好显示模组后，用螺丝固定在前面板上。考虑到该产品是具有通用性的人机界面，其应用环境比较复杂也很难预估，因此在设计中我们选用了更加安全和成熟的电阻式触摸屏，以此来保证产品在电子干扰下仍能安全工作。液晶显示屏选用高分辨率的产品，保证产品的图像清晰度和使用者的舒适度。

2.4 主机板

主机板主要包括一些电源、通信端口、MCU、储存和图像处理等单元。通信接口包括串行接口、以太网接口、USB接口等。显示模块与主机板通过FPC和同轴电缆线进行通信。连接器的设计和通信线的走向要充分考虑信号的抗干扰性。

2.5 具有PLC功能的控制主板

其控制主板是一个选项，客户可以根据使用情况，选择控制主板有PLC功能的人机界面产品和单纯的HMI产品。其PCBA没有独立的电源，是通过连接器共享主机板的电源，与主机板的通信也是通过连接器进行的。其功能跟小型的PLC类似，用于控制电机、开关等设备。包括数字量的输入输出和模拟量的输入输出[2]。

2.6 后壳

后壳的作用主要是为了保护主板和通信接口的稳定。材料选用PC工程塑料，设计有防跌落的卡勾，防止在安装过程中意外跌落。后壳的设计也具有多样性，可以根据接口的类型，与是否带PLC功能的控制主板进行搭配。另外，后盖上还有一些结构可以用来固定一些附件和线缆，使产品在运行工程中更加安全稳定。

2.7 安装螺丝和附件

附件包括防水的橡胶垫和一些增加通信接口连接牢固性的固定端子。在如何使客户获得更好的使用体验的问题上，我们对产品的包装、安装、维护进行了全面升级。特别是对产品安装进行了简化，产品采用了无工具安装模式，这样工人就可以徒手安装我们的产品，并能保证产品的防水和抗震动能力。笔者发明了一种可以快速安装的螺母。工人可以单手快速安装这个螺母（方便在狭小空间使用，旋钮一圈可以获得成倍的进给量）。用较小的扭矩就可以获得较大的正压力，保证产品安装完好（相对于市场上的安装螺丝）。

3 人机界面的系统设计

人机界面产品是为了解决PLC的人机交互问题而产生的，所以人机界面的很多应用离不开PLC。该产品有2种模式，一种是集成简单PLC控制模块的人机界面，另一种是一般意义上的人机界面。下面对这2种人机界面系统设计进行简单的说明和比较[3]。

3.1 人机界面（没有集成PLC控制模块）

它通过RS-232、RS-485、CAN、Ethernet等协议与这些控制系统进行数据交换，它可以实时更新和监控，并可以将数据图像动态地显示在屏幕上。操作者可以根据屏幕上显示的信息、警報，通过HMI对系统进行操作。

当然很多工业控制设备都具备串口通信能力，如变频器、直流调速器、温控仪表、数采模块等。

其都可以连接人机界面产品，以此来实现人机交互功能。除了传统的串行（RS-232、RS-422/RS-485）通信接口外，笔者设计的产品还具有网口、USB等数据接口，这样就可以与具有网口、USB等接口的工业控制设备相连接，以此来实现设备的人机交互功能（如图3所示）。

3.2 人机界面（集成PLC控制模块）

顾名思义带PLC功能的HMI集成了PLC的控制模块和PLC的控制软件，人机界面和PLC的通信转换了人机界面的内部通信，使通信更有效率，也大大简化了产品的系统设计。2种人机界面系统的设计差别如图4所示。

4 结论

该文设计的具有通用性的高级人机界面，运用了全新的架构，使产品外观更加美观，质量更加稳定，维护安装更加方便。运用了具有创新性的硬件和软件，使显示更加清晰和直观。产品也取得了世界多个组织的质量认证（UL、CE、ATEX、Marine等认证）。现在产品广泛应用于机器设备、污水处理系统、包装系统、木材加工等领域。

参考文献

[1]张强，王赛.人机界面（HMI）系统设计、安装与调试[M].北京：科学出版社，2014.

[2]周浩，黄雄峰，李科，等.工业人机界面技术发展及其应用综述[J].可编程控制器与工厂自动化，2012（10）：37-40.

[3]程建良，王保卫.采血管自动开盖机设计[J].机电工程技术，2007（7）：26-29.