Съвременни HMI компоненти в електрониката

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 5/2022 • 26.07.2022

  • Бутонните превключватели са един от най-опростените и най-широко разпространените HMI механизми в индустриалните приложения

  • Ергономични, лесни за манипулация и високонадеждни, джойстиците са решение, което може да бъде адаптирано според изискванията на конкретното приложение

  • Капацитивните панели се характеризират с ясни изображения и добър контраст, осигуряват мултисензорна реакция и са много по-чувствителни към докосване в сравнение с резистивните

 

Гъвкавостта на достъп за управление и наблюдение на процесите и активите в съвременните автоматизирани производства от различни точки и по всяко време не би била възможна без развитието на HMI технологиите.

Било като част от процеса на внедряване на IIoT системите в производството или просто за да се дадат по-достъпни и мощни средства за оперативен контрол, заслугите на човеко-машинния интерфейс (HMI) в глобалния индустриален преход са огромни. Човеко-машинният интерфейс е заел централна роля в много компании.

В отговор на нарастващия интерес към по-гъвкави възможности, доставчиците на HMI технологии налагат подход на динамично развитие, за да преодоляват пропуските, които дълго време задържаха HMI компонента, прикрепен към машината, към която принадлежи.

Броят на характеристиките, свързани с функционалността, надеждността и ергономичността на съвременните HMI компоненти непрекъснато нараства. Богати гами от бутонни, клавишни или плъзгащи превключватели, джойстици, лостови превключватели, кобилични превключватели, сензорни панели и т.н. се предлагат както като самостоятелни елементи, така и в конфигурации по желание на клиента. Предлаганото разнообразие от цветове, маркировки, покрития, форми и размери предоставя неограничен брой опции.

Бутонните превключватели например може да са с гумено покритие за по-добър контакт при допир и по-лесно почистване. Също така се предлагат и антибактериални покрития за взискателни хигиенни приложения. Капацитивните превключватели са модерно решение за контролни панели, като за оптимизиране на работата те може да са със специална маркировка, подсветка, чувствителност на натиск и продължителност на докосване за активиране. Това многопосочно развитие на HMI “арсенала” е ключово за създаването на цялостни персонализирани решения, отговарящи на специфичните изисквания на клиента.

 

Разнообразие от високонадеждни превключватели

Бутонните превключватели са един от най-опростените и най-широко разпространените HMI механизми в индустриалните приложения. Те се класифицират като нормално отворени (NO) или нормално затворени (NC). Нормално отворените превключватели затварят веригата, когато се задействат, докато нормално затворените прекъсват веригата, когато се задействат. В рамките на тази класификация функционалността на бутонните превключватели може допълнително да бъде дефинирана по отношение на веригите, които комутират.

Така могат да бъдат разграничени ключове с еднополюсни единични (SPST) контакти, с еднополюсни превключващи (SPDT) контакти, с двуполюсни единични (DPST) или с двуполюсни превключващи (DPDT) контакти. SPST имат само два извода и могат да отварят и затварят само една верига – например за включване и изключване на електромотор. SPDT имат три извода и с тях могат да се управляват две различни вериги. Например този тип превключватели може да се използва за превключване между захранването на два отделни светодиода или за превключване на режима на дадено оборудване. Превключвателите тип DPST и DPDT позволяват едновременно управление на две изолирани една от друга вериги, например с различни напрежения. Всички тези превключватели могат да се монтират и върху печатни платки.

Търсена характеристика при човеко-машинния интерфейс е възможността за усещане на реакцията на изпълнителния компонент при докосване. За целта се използват тактилни превключватели. Обикновено тактилните превключватели са с малък размер, подходящ за инсталиране върху печатни платки. Превключвателят се активира при натискане и след това се изключва при освобождаване. Този тип действие се нарича “моментно действие”. Конструктивните характеристики и интерфейса на тактилните бутони варират в широки граници. Предлагат се специализирани модели – с определен външен размер, възможност за монтаж върху даден тип клавиатура или панел, уплътняване и т.н., от които потребителите да избират за своите приложения. Характерно при тактилния превключвател е, че потребителите могат да усетят щракване при докосване.

Има два вида тактилни превключватели – стандартни и уплътнени. Стандартните превключватели се състоят от четири компонента: капаче, бутало, подвижна контактна пластина и основа. Уплътнените тактилни превключватели освен с изброените компоненти са снабдени с уплътняващо покритие, което не допуска проникване на влага или чуждо тяло в зоната на контакта. Освен това те са подкатегоризират според това как превключвателят е монтиран към печатната платка, като има варианти за монтаж в отвор и такива за повърхностен монтаж. Други опции на тактилните превключватели включват малки по размер и нископрофилни модели, модели с дълъг и среден ход, превключватели, подредени в лента и други. Подвижната контактна пластина е направена със специфични материали, повърхностна обработка и форма, за да поддържа стабилен контакт за продължителен период на употреба.

DIP превключвателите са друг тип механизми, утвърдили надеждността си в практиката. Те се използват от 70-те години на миналия век и представляват електромеханични устройства, които позволяват на потребителите да правят ръчни промени (да задават параметри) в електроните схеми. Простотата, гъвкавостта и ниската цена на DIP превключвателите гарантират дългосрочнa употреба в многобройни приложения. Те се предлагат в различни размери, конфигурации, превключващи механизми и мощности. Потребителите могат да избират броя на позициите на своя DIP превключвател въз основа на опциите за конфигурация за тяхното приложение. Някои DIP превключватели могат да се задействат ръчно, докато други изискват специален инструмент за превключване на позицията.

Задължително преди избора на превключвател е необходима внимателна консултация относно техническите спецификации, защото тя дава информация, на база на която моделите могат да се съпоставят един с друг. Номиналните стойности на тока и напрежението на превключвателите са особено важни, за да се гарантира, че са съвместими с критериите за функционалност на конкретния проект. Когато става въпрос за начин на монтаж, превключвателите обикновено се предлагат в опции за повърхностен монтаж, в гнездо или в панел.

 

Персонализирани решения за пълен контрол

Ергономични, лесни за манипулация и високонадеждни, било то управлявани с палец и пръст или с цял захват на ръката, джойстиците са решение, което може да бъде адаптирано според особеностите дори на най-взискателните приложения.

Процесът на създаване на един такъв продукт от висок индустриален клас за критични производствени приложения започва от етапа на проектиране и се основава на принципи за солидна здравина, висока надеждност, безотказност и ергономичност. Утвърдените производители в сегмента на HMI продуктите поддържат постоянен процес на партньорство със своите клиенти, защото един от най-важните критерии за развитие на тези продукти е добрата комуникация и изчерпателната обратна връзка.

Утвърдена практика е да се предлагат услуги за създаване на персонализирани HMI компоненти и в още по-голяма степен на джойстици, отговарящи на индивидуалните приложения на всеки потребител. Това е подход, от който и двете страни извличат съществена полза – клиентът е доволен, защото получава точно това, което иска, а производителят поддържа актуална информираност за това какви са нуждите на индустрията и кои са характеристиките на дизайна и функционалностите, които ще спечелят клиента.

В етапа на проектиране се решава каква ще бъде конфигурацията от HMI елементи, които джойстикът ще обединява, какъв тип материал ще се използва, дали ще се използва стандартно покритие, еластомерна мембрана или друг вид специфичен продукт. Реализацията може да се извърши на базата на концептуални проекти в начален етап, които да зададат насока за персонализираната версия. Възможностите за персонализация може да обхващат окабеляване, конектори, бутонни превключватели, колелца, ключове, сензори за близост, цветове, специална маркировка лостове и много други атрибути. В джойстика се интегрира и комуникация чрез CAN BUS протокол според нуждите на клиента.

Джойстикът е широко възприето решение в дистанционното управление на безпилотни превозни средства. Колелцата, базирани на ефекта на Хол, с механизъм за неограничено превъртане предоставят изключително интуитивно взаимодействие в навигационните системи на превозни средства. Интегрирани в джойстика, тези колелца дават на потребителя инстинктивно средство за управление, което е изключително надеждно и ергономично. Предлагат се модели за монтаж върху панел без ограничаване на превъртането и с различен брой “кликания” на оборот. Ергономичността се гарантира от висококачествен материал, като различни еластомерни мембрани например, които имат добро сцепление, но са меки на допир. Колелцето може да бъде и с подсветка, за да се поддържа максимална видимост дори при работа в запрашена или слабо осветена среда.

Компонентите за джойстици, предназначени за индустриални приложения, се проектират с усилена конструкция. Специализираните продукти може да се характеризират с експлоатационен живот от над един милион цикъла.

 

Къде се крие ключът към модерния интерфейс

Зад невероятния успех на съвременните HMI решения, елегантните стъклени панели и управлението с нежно докосване стоят резистивните и капацитивните сензорни технологии.

Скритият капацитивен превключвател (Capacitive Hidden Switch) може да се инсталира зад почти всеки непроводим потребителски интерфейс и да бъде практически невидим. Този подход предлага напълно нови възможности за проектиране на потребителски интерфейси.

Капацитивните HMI елементи изискват захранване. По този начин се генерира постоянно електрическо поле върху повърхността на сензора. Капацитивният сензор използва естествената проводимост на човешкото тяло. Докосването на сензора с пръст, който сам по себе си е заобиколен от електрическо поле, предизвиква реакция от страната на сензора. Неговата повърхност се състои от прозрачен проводящ материал, като често това е индиево-калаен оксид. В случаите на сензорните дисплеи например, той се нанася върху стъклото. Благодарение на своята прозрачност и проводимост този материал е идеален за производството на прозрачни електроди за сензорни екрани. При докосването на капацитивния сензор възниква взаимодействие на две електрически полета, инициира се поток между повърхностно капацитивните електроди и пръста на потребителя. Сензорите на екрана или превключвателя улавят промяната в напрежението и се задейства реакция за превключване на устройството.

За разлика от капацитивните сензорни екрани резистивните се нуждаят от механичен натиск било то с пръст или стилус. Резистивната сензорна технология разчита на електроди, които имат равномерно напрежение в цялата проводима зона. Това осигурява отчитане на специфично напрежение при засичане на контакт.

Често в производствените обекти потребителите трябва да носят ръкавици. В тези случаи е подходящо да се използват HMI устройства с резистивни панели. Капацитивните екрани по-често се срещат в потребителски устройства като таблети, лаптопи и смартфони, но от друга страна, те имат предимството да са по-надеждни, характеризират се с по-ясни изображения с по-добър контраст, осигуряват мултисензорно отчитане, много по-чувствителни са към леко докосване и могат да работят дори при напукан екран.

Приложенията на капацитивната и резистивната технологии бележат успех в устройства, предназначени за персонално, обществено и индустриално ползване. Не би било преувеличение, ако кажем, че изчистеният дизайн на скритите зад стъкло сензорни бутони диктува модерния стил в HMI решенията за управление в производството, персоналните устройства и дори интелигентните домакински уреди. Нещо повече, предвид възможностите, които дават тези технологии, прогнозите са човеко-машинният интерфейс, базиран на тях, да се окаже HMI технологията на Индустрия 4.0.

Новият брой 5/2022

брой 5-2022

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



ЕКСКЛУЗИВНО

Top