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固态软起动装置的HMI人机界面设计

时间:2025-07-19 10:02:00 来源:中能苏创 点击次数:
一、设计背景与核心价值
在工业电机控制领域,固态软起动装置作为替代传统星三角起动、自耦降压起动的智能化设备,其核心功能是通过电力电子元件(如晶闸管)的相位控制,实现电机平滑加速,减少起动冲击电流对电网和机械系统的损害。而 HMI(人机界面)作为操作人员与装置之间的交互枢纽,直接决定了设备的易用性、监控效率和故障处理速度。
优质的 HMI 设计能为固态软起动装置带来三重核心价值:一是降低操作门槛,使非专业人员也能快速掌握基本操作;二是提升监控精度,通过直观的数据可视化及时发现电机运行异常;三是缩短故障响应时间,借助结构化的报警与诊断引导,减少停机损失。某重型机械厂的案例显示,采用优化 HMI 设计的固态软起动装置,其操作人员培训周期缩短 40%,故障处理时间减少 50%,间接提升了生产线的整体稼动率。
二、设计原则与用户需求分析
(一)核心设计原则
固态软起动装置的 HMI 设计需遵循工业界面特有的原则,同时兼顾电机控制场景的专业性:
  1. 功能性优先:确保核心操作(如起动、停止、参数设置)的响应速度<0.5 秒,避免因界面卡顿导致操作延迟。

  1. 信息层级清晰:采用 "金字塔式" 信息架构,将电机电流、电压等关键数据置于视觉焦点区,次要信息(如历史记录)可通过层级菜单调取。

  1. 防误操作设计:对关键参数修改设置双重确认机制,重要操作(如强制停机)需输入权限密码,避免误触导致的生产事故。

  1. 环境适应性:考虑工业现场的振动、粉尘、强光等干扰,界面应支持 700cd/m² 以上亮度调节,按键采用物理凸起或虚拟触摸反馈强化操作确认感。

(二)用户需求画像
不同岗位的用户对 HMI 的需求存在显著差异,需针对性设计功能模块:
  • 操作工:关注实时状态监控(如电机运行与否)、简单启停操作,界面需简洁直观,避免复杂参数干扰。

  • 维护工程师:需要详细的故障代码、历史曲线分析、参数调试功能,界面应提供专业诊断工具入口。

  • 管理人员:侧重设备运行效率统计(如起动次数、平均起动时间)、能耗分析,需生成可视化报表。

某调研数据显示,工业场景中 80% 的操作集中在起动 / 停止控制和状态监控,因此 HMI 设计应确保这两类操作在 2 步内可完成,减少菜单层级跳转。
三、功能模块规划与布局设计
(一)主界面布局
采用 "三区五块" 的经典工业界面布局,平衡信息密度与操作便捷性:
  1. 顶部状态栏(占比 10%):显示设备型号、当前时间、通讯状态(如与 PLC 的连接图标)、权限等级标识,左侧设置急停按钮(红色背景 + 白色图标,尺寸不小于 30×30mm)。

  1. 中部主监控区(占比 60%)

  • 左侧:动态电流 / 电压曲线(采用绿色线条,背景网格线透明度 50%),X 轴显示时间(最近 30 秒),Y 轴标注量程范围(0-200% 额定值)。

  • 右侧:关键数据仪表盘,包括当前转速(模拟指针式)、起动时间倒计时(数字式,字号不小于 24pt)、运行状态指示灯(绿色运行 / 黄色待机 / 红色故障)。

  1. 底部功能区(占比 30%)

  • 物理按键区:设置起动(绿色)、停止(黄色)、复位(蓝色)三个实体按键,间距≥20mm,带 LED 背光提示。

  • 虚拟菜单区:通过触摸或编码器切换至参数设置、故障查询、历史记录等二级界面,图标采用象形设计(如齿轮代表参数,感叹号代表报警)。

(二)核心功能模块
  1. 运行监控模块

  • 实时显示参数:三相电流(A 相 / Ia、B 相 / Ib、C 相 / Ic)、线电压、电机转速(rpm)、起动时间(s)、当前扭矩百分比。

  • 动态指示:电机运行状态采用动画模拟(如旋转的电机图标),过载时电流曲线变为红色并闪烁,超限值处显示水平警戒线。

  1. 参数设置模块

  • 分类组织参数:基础参数(起动方式选择:电压斜坡 / 电流斜坡)、保护参数(过载倍数、脱扣时间)、高级参数(晶闸管导通角调节)。

  • 输入辅助:数值输入时提供上下键微调(步长可设)和虚拟键盘,关键参数旁标注推荐值范围(如 "起动电压:20-70% Ue")。

  1. 故障诊断模块

  • 分级报警显示:一级报警(如过流)全屏闪烁提示并伴随蜂鸣器报警,二级报警(如散热片超温)仅在状态栏提示。

  • 故障处理引导:点击故障代码(如 "E012")弹出详细说明,包括可能原因(如 "电流传感器故障")、排查步骤(配电路图缩略图)、处理建议。

  1. 历史记录模块

  • 双维度查询:按时间范围(近 24 小时 / 7 天 / 30 天)或事件类型(起动记录 / 故障记录)筛选,支持 Excel 格式导出。

  • 趋势分析:提供电流、电压的历史曲线对比(最多可叠加 3 条曲线),支持缩放查看某段起动过程的细节变化。

四、交互逻辑与操作流程设计
(一)核心操作流程优化
针对高频操作设计极简路径,减少认知负荷:
  1. 电机起动流程

  • 主界面点击 "起动" 按钮→弹出确认框(显示 "是否起动电机?当前模式:电压斜坡")→点击 "确认"→界面显示起动进度条(0-100%),同步更新电流曲线→起动完成后切换至运行状态。

  • 异常处理:若参数未设置完整,弹出提示框并自动跳转至未完成参数项(如 "请设置起动时间参数")。

  1. 故障复位流程

  • 故障状态下点击 "复位" 按钮→系统自动检测故障是否消除→若已消除,状态灯变为绿色;若未消除,弹出 "故障未解除,是否强制复位?" 提示→需输入工程师权限密码(4 位数字)方可执行强制操作。

(二)触控与反馈设计
考虑工业场景的操作精度限制,交互设计需强化反馈机制:
  • 触摸操作:虚拟按键尺寸不小于 40×40mm,点击时提供触觉反馈(如轻微震动)和视觉反馈(按键变色 + 边框闪烁)。

  • 旋钮操作:配备增量式编码器旋钮,调节参数时每旋转一格对应数值变化 1%,同时屏幕显示数字跳动动画,避免调节过度。

  • 状态切换:模式切换(如 "本地控制 / 远程控制")采用滑动开关设计,切换过程中显示过渡动画(如齿轮转动图标),明确操作生效状态。

某测试数据表明,加入多模态反馈(视觉 + 触觉)的界面,操作错误率可降低 35%,尤其适合戴手套操作的工业场景。
五、视觉设计与数据可视化
(一)视觉规范
工业 HMI 的视觉设计需在专业性与可读性间找到平衡:
  1. 色彩系统

  • 主色调:采用深蓝色(RGB 0,51,102)作为界面背景,降低视觉疲劳;

  • 功能色:运行状态用绿色(RGB 0,204,0),警告用黄色(RGB 255,204,0),故障用红色(RGB 255,0,0),参数用白色(RGB 255,255,255);

  • 禁用状态:采用 50% 透明度的灰度处理,避免与激活状态混淆。

  1. 字体规范

  • 数据显示:采用等宽字体(如 Consolas),数字高度不小于 12mm(对应屏幕 10 寸时字号 24pt);

  • 文字说明:采用无衬线字体(如微软雅黑),中文最小字号 10pt,英文最小字号 9pt,行间距 1.2 倍。

(二)数据可视化设计
针对电机起动过程的关键参数,采用多样化图表提升信息解读效率:
  • 电流曲线:采用实时绘制的折线图,起动阶段(0-10 秒)横轴压缩显示,稳定运行阶段横轴拉伸,突出加速过程的电流变化特征。

  • 状态指示:用环形进度条表示起动完成度(0-100%),内部显示当前阶段(如 "限流阶段"→"电压提升阶段"→"全压运行")。

  • 参数对比:设置参数与实际运行值采用双列显示,偏差超过 ±5% 时用橙色标注,帮助快速发现参数配置问题。

某电力设备厂商的用户测试显示,采用图形化展示的电流数据,操作人员的异常识别速度比纯数字显示快 2.3 秒,错误识别率降低 60%。
六、硬件选型与适配设计
(一)显示屏选型建议
根据应用场景选择合适的硬件规格,平衡成本与性能:
  • 尺寸:中小功率装置(≤110kW)推荐 7-10 寸屏(分辨率 800×480),大功率装置(>110kW)建议 10-15 寸屏(分辨率 1024×600),便于查看多参数曲线。

  • 触控方式:粉尘较多的环境优先选择电阻式触摸屏(戴手套可操作),洁净环境可采用电容式触摸屏(支持多点触控)。

  • 防护等级:至少达到 IP65(前面板),确保防水防尘;工作温度范围 - 20℃~60℃,适应工业现场温差。

(二)硬件与软件适配
  • 响应速度优化:采用双核处理器(主频≥800MHz),保证界面切换流畅;关键数据刷新周期≤100ms,避免监控滞后。

  • 接口兼容性:支持 RS485/Modbus RTU 协议(与 PLC 通讯)、USB 接口(数据导出),部分高端型号可集成以太网接口(支持 Web 远程监控)。

  • 断电保护设计:参数设置过程中突然断电时,系统应自动保存已输入的内容,重启后提示 "是否恢复上次未完成设置"。

七、测试与迭代优化
(一)测试指标体系
通过多维度测试验证 HMI 设计的有效性:
  1. 操作效率:测量完成典型任务(如设置起动电压参数)的平均时间,目标值<30 秒。

  1. 错误率:统计 10 名操作人员在 2 小时内的误操作次数,允许值≤2 次 / 人。

  1. 环境适应性:在振动测试台(10-50Hz)、强光环境(10000lux)下测试界面可读性和操作可靠性。

(二)迭代优化案例
某厂商的固态软起动装置 HMI 经过三轮迭代:
  • V1.0:采用传统菜单式布局,操作人员完成起动操作平均需 6 步,错误率 15%。

  • V2.0:优化为主界面直接显示起动按钮,增加图形化指示,操作步骤减少至 3 步,错误率降至 8%。

  • V3.0:加入智能提示(如参数设置时的推荐值建议),错误率进一步降至 3%,获得用户广泛认可。

八、结论与未来趋势
固态软起动装置的 HMI 设计是技术与人性的结合点,优质设计不仅能提升设备的易用性,更能间接保障工业生产的安全与效率。未来,随着工业互联网的发展,HMI 将呈现三大趋势:一是融入 AR 技术,通过摄像头识别设备状态并叠加虚拟操作指引;二是支持语音控制(适应嘈杂环境的降噪算法),解放操作人员双手;三是基于 AI 的自适应界面,根据用户操作习惯自动调整常用功能的位置。
设计人员需始终牢记:工业 HMI 的终极目标不是炫技,而是让复杂的电机控制技术变得 "可知、可感、可控",成为操作人员的 "得力助手" 而非负担。通过持续的用户研究与技术创新,HMI 将在固态软起动装置的智能化进程中扮演更加关键的角色。


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