如何最好地设计一个人机界面系统

人机界面系统为用户操作机器、系统或仪器提供控制。复杂的人机界面系统可以在各种应用中实现可靠的技术操作，包括高速列车，CNC加工中心，半导体生产设备以及医疗诊断和实验室设备。人机界面系统包含用户将触摸、看到、听到或使用的所有元素，以执行控制功能并接收这些操作的反馈。

如何设计一个人机界面系统?

一个高度可靠的人机界面系统，提供安全、经济、一致和直观的性能，依赖于整个设计、面板布局、生产、测试和质量保证过程中工程最佳实践的应用。同样重要的是，深入了解并遵守所有相关的人体工程学、安全和行业标准，必须为设计和制造周期的每一步提供信息。功能需求的明确定义、操作员的专业水平以及与其他系统的任何通信/交互为知识密集型设计过程提供了起点。

定义操作/功能需求

操作人员对设备进行有效控制所需的工具以及整体应用的要求决定了接口功能的选择。

一般的功能

这个接口将控制多少功能?一个功能可能通过按钮、锁和旋转开关来实现，而多个功能可能需要多个屏幕显示来覆盖操作员功能和选项。什么样的视觉、听觉或触觉反馈能最好地服务于操作人员执行所定义的功能?

输入复杂度

输入可以像开/关开关或触摸屏显示一样简单。触摸屏HMI系统在公共事务应用中越来越受欢迎，因为它们可以简化复杂的操作，并容忍适度的粗糙使用。定义输入要求将有助于确定哪种控制技术最适合特定应用。

运营商的反馈

反馈对操作员的有效性和效率至关重要。反馈可以是视觉的、听觉的、触觉的，或者是应用程序所必需的这些的任何组合。在没有机械运动的系统中，反馈是必不可少的，比如触摸屏或触发时没有移动部件的电容设备。在某些情况下，反馈提供了对操作的确认，而在其他情况下，它增加了功能。

与其他系统的接口/互连

人机界面系统必须能够与控制下的系统以及其他相关系统进行接口/互连。例如，在工业环境中，HMI可能通过硬线或串行总线连接到提供机器状态的输入/输出(I/O)点。此外，它可能联网到制造执行系统和供应物流/库存系统。

环境注意事项

应用环境(包括物理位置和垂直行业环境)决定了HMI系统的耐久性要求。环境压力包括暴露于潮湿和元素，极端温度，磨损，破坏，以及恶劣环境(如工业生产地板)的一般粗糙使用特征。

生命周期的耐久性

HMI系统应该足够坚固，能够承受各种元素和大量使用，但它也应该在设备生命周期内持续使用。例如，a磁共振成像(MRI) HMI系统接口至少使用10年。

法规/标准的考虑

对技术人体工程学，设计和制造标准的全面了解是HMI系统设计的基础。其中包括工程标准，如MIL-STD-1472F，它为军事系统、子系统、设备和设施建立了人类工程设计标准;《美国残疾人法》规定的联邦标准;和行业指南，例如全球半导体行业协会SEMI - 92 -93，涵盖半导体制造设备的人机交互。其他HMI规格由ANSI定义，IEEE国际标准化组织(ISO)等。

定义运算符

成功实现HMI系统的关键是对操作人员有一个良好的定义和理解。操作者是被动的/直观的用户吗?如果是这样，命令/函数应该是简单的，具有易于理解的界面。对于这种类型的用户，可重复性也很重要——信息和操作应该在每次使用中一致地出现。对于需要更复杂控制的专家用户，可能有多个层或级别用于与设备接口。

对于从直觉到专家的任何用户，界面符合人体工程学的考虑应该包括:面板布局、HMI组件选择、信息呈现、反馈和安全考虑。

面板布局

面板布局应设计成以可预测和一致的方式向操作员功能组提供相关信息。此外，该系统还必须要求作业者主动采取行动，并通过及时提供这些行动的反馈来通知作业者。布局要有条理，以便在需要操作人员的下一个动作时，提前清楚地提示操作人员。

人机界面组件选择

HMI设计人员可以通过仔细分析其应用需求，然后确定以下内容，从而简化对适当开关或HMI组件的搜索:

• 电评级
• 驱动偏好(瞬时、保持、旋转等)
• 物理配置和安装需求
• 特殊要求如照明、标记、环境密封等。

配色方案

有效运用色彩的关键在于简洁。避免过多的颜色或闪烁的警报。关键动作坚持“红绿灯”模式:

• 红色表示停止/故障/故障
• 黄色表示警告
• 绿色代表OK/start/go/pass。

用户反馈

反馈对人体工程学工业设计至关重要。确保按下控制按钮、切换开关或输入命令的结果绝对清楚。确定操作者的反馈是视觉的、听觉的、触觉的，还是多种技术的结合。

光标控制(轨迹球、操纵杆、键盘、触控板等)

不同控制技术之间的选择主要取决于应用所需的控制分辨率。轨迹球或操纵杆可以实现精细的逐像素控制，分辨率远高于典型的PC点击控制器。

开关(按钮、摇杆、滑动、锁扣、旋转等)

当需要快速视觉指示时，按钮开关允许选择照明来指示打开/关闭开关状态。它们在机械和机床、电子生产、铁路和公共汽车运输、医疗和诊断或其他佩戴手套时更容易操作的环境中也很有用。

短行程技术(导电橡胶、薄膜、键盘、小键盘等)

短行程技术是为那些必须易于清洁或消毒的行业开发的。短行程技术可以包括典型键盘中具有成本效益的导电橡胶键，覆盖层下的圆顶键或多层膜。

触摸和开关技术(电容式、压电式、高频式等)

在恶劣环境中操作的应用，如公共通道，或汽水分配，在那里，糖浆液体容易进入裂缝并粘住机器，需要一个坚固的，完全密封的表面。压电、电容和高频技术都提供坚固耐用的开关技术，具有长生命周期和低维护成本。

显示技术(LCD、有源矩阵、OLED、FED、等离子体等)

在HMI应用程序中，显示器的基本功能是提供信息源——操作员通过交互获取信息或提示进入下一个屏幕。显示技术的选择取决于人机界面系统环境及其环境照明程度，以及颜色要求。有源矩阵LCD技术通常用于彩色功能，而传统LCD技术用于单色反馈足够的应用。有机发光二极管(OLEDS)(碳基)目前可以支持较小的显示器。

交互式显示器、触摸屏

触摸屏技术提供了一系列的功能和特性，根据应用和环境控制人机界面系统的选择。在设计周期的早期阶段确定使用哪种触摸技术非常重要，因为不同的选择提供了非常独特的电气和机械要求。

表面声波(SAW)触摸技术

SAW触摸技术将声波从一个换能器发送到另一个位于X/Y网格上的玻璃表面。接收换能器检测波是否被触摸干扰，并识别其坐标以转换为电信号。SAW在室外和恶劣的环境中很好用，因为它可以通过沉重的触控笔或戴着手套的手指激活。

运动控制

运动控制通常采用操纵杆技术，用于需要宏观控制的应用，例如控制装载机上的铲斗，机械臂或材料处理设备或拉动机构的方向控制。

与HMI系统连接/通信

一旦您确定了HMI的外观、感觉和操作方式，请考虑HMI将如何连接并与受控的核心设备或系统进行通信。通常，通信可以通过几种方式实现:硬连线连接、串行总线连接或无线连接。

硬连接的连接

传统的硬连线系统仍然在许多运输和工业遗留系统中使用。硬连线系统不需要特殊的工具，并且简单、可见、易于理解，特别是在HMI接口控制一台机器的情况下。

有许多缺点，包括难以集成更改或新功能—新功能需要新的连接。由于电线的数量和电线的实际尺寸，传统的布线也需要更多的空间，并且由于更高的引脚数而需要更大的连接器。

串行总线系统

随着设备和控制系统变得越来越复杂，数据需求越来越大，数据传输成为一个关键问题。为了促进更快的数据传输速率，设备结合了串行总线连接——特别是在电子、半导体、机械加工、工业、过程和运输中。串行总线方法消除了由于电缆长度导致的数据传输速度减慢，并提供了可靠、实时的操作和在制品反馈。

总线系统提供了许多优于硬连线连接的优点，包括易于添加新功能(通常通过软件)，而无需添加或更换硬件。布线更简单，更灵活，电缆和连接器更小，允许更紧凑的设计和更容易的硬件更新和重新定位。

现场总线协议为互连工业驱动器，电机，执行器和控制器而发展。现场总线包括:Profibus, DeviceNet, ControlNet, CAN/CANOpen, Interbus和Foundation现场总线。

更高级的网络主要通过以太网的各种变体与现场总线协议连接。这些包括:Profinet，以太网/IP，以太网Powerlink, EtherCAT, Modbus-TCP和SERCOS III。

无线连接/通信

在过去20年左右的时间里，工业应用已经采用了无线技术，主要是为了利用实时数据传输、应用程序移动性和远程管理功能。干扰，可靠性，和安全在人机界面领域，无线连接仍然存在困难。

安全注意事项

对于人机界面系统设计，安全考虑是系统的关键部分。在高风险环境中，人为失误是造成大多数事故的一个因素。警报的清晰表示以及报告错误的能力是任何HMI的关键元素。

此外，紧急停止开关，通常被称为e - stop，确保人员和机械的安全，并提供一致的，可预测的，故障安全的控制响应。为了满足工作场所安全和既定的国际和国内监管要求，各种电气机械必须具有这些用于紧急关闭的专用开关控制。

HMI系统的国际和美国标准

整个人机界面系统设计周期的关键是对联邦、工业、人体工程学、安全和设计标准的全面了解。其中包括人类工程标准，如MILSTD-1472F，它为军事系统、子系统、设备和设施建立了人类工程设计标准;《美国残疾人法案》(Americans with Disabilities Act)等联邦标准;和行业指南，如全球半导体行业协会SEMI，涵盖半导体制造设备的人机交互。

其他HMI规范由ANSI、IEEE、ISO等提供。

欧盟(EU)在欧盟机械指令中为家用，商业或工业应用中的任何设备提供了规格，这些设备的部件由电源驱动，而不是手动操作。符合该指令的设备可获得CE标志。

根据最终的产品应用，遵守适当的标准可以确保产品符合行业标准。这包括组件的位置，图例的大小和颜色，紧急停止开关配置和保护，以及其他符合人体工程学的因素，以提高可用性，效率和安全性。

- John J. Pannone是HMI系统销售的副总裁EAO;主编埃里克·r·艾斯勒石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com。

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