利用模块化 22 mm 引导单元优化工业 HMI 人机接口设计

工业机械和控制系统人机接口 (HMI) 的设计和实施带来了一系列独特的工程挑战。除了基本功能外，当今的 HMI 组件还必须满足运行可靠性、环境适应性和设计灵活性方面的严格要求。对于电子工程师和系统集成商来说，组件的选择不仅直接影响最终用户的使用体验，更关乎总拥有成本 (TCO)，这些影响具体表现在库存管理、安装时间和长期维护等方面。

这篇技术文章将探讨如何使用 22 mm 引导单元的模块化方法应对这些工业挑战。本文将以 Eaton M22 系列为技术案例，探讨模块化、现场可配置的功能和坚固耐用的结构，如何为工程师提供了一个可靠的多功能人机接口设计工具包。

这种方法基于一个系统——由常见背板元器件构成的多样化操作器系统。图 1 所示为一个典型的元器件系列，说明了操作器的多样性及其组装的构建块性质。

图 1：说明模块化 22 mm 引导单元产品系列的剖视图。(图片来源：Eaton）

挑战 1：恶劣工业环境下的耐用性和可靠性

确保各个组件在恶劣工况下的耐受能力和长期运行可靠性，是工业 HMI 设计面临的主要挑战。接触液体、灰尘、油类、腐蚀性介质和存在剧烈振动，会导致标准机电组件过早失效。

从传统上讲，为恶劣工况选择各种组件时，需要采购针对特定条件的专用部件，而这些部件往往价格昂贵。防护等级 (IP) 较低的标准组件不适合经常使用高压水枪清洗或空气中微粒浓度较高的应用。这迫使设计人员要么对所有应用选择超规格组件，导致成本飙升，要么针对不同的工况条件进行分级管理。

更高效的解决方案是，采用将高环境耐受性作为基本特性的一系列组件。例如，Eaton M22 系列标准产品的设计具有很高的 IP 防护等级。包括 M22S-PV 推拉式紧急停止按钮（图 2）和 M22S-DR-S 非发光按钮（图 3）在内的许多操作器的防护等级均达到了 IP67 和 IP69K。

图 2：M22S-PV 模块化推拉式紧急停止操作器。(图片来源：Eaton）

图 3：M22-DR-S RMQ-Titan 按钮。(图片来源：Eaton）

达到 IP67 防护等级的器件可以暂时浸入水中，而不会影响性能。这一防护等级对于暴露在积水、严重飞溅或各种户外天气条件下的机械部件具有关键作用。

达到 IP69K 防护等级，可抵御近距离的高压、高温水射流。这项要求在食品饮料、制药及重型设备等行业极其重要，这些领域普遍执行严格且频繁的卫生清洁规程。

通过对具有这些防护等级的部件进行标准化，工程师可以设计出能够承受恶劣工况的系统，而无需采购特殊部件，从而简化设计、采购流程。

可靠性的另一个方面是能使操作器发光的光源。传统的白炽灯泡容易因机械冲击和振动而无法工作，而且使用寿命有限，需要定期更换。M22 系列操作器（如图 4 所示的 M22-DL-X 发光按钮本体）完全采用 LED 照明，很好地解决了这些问题。

图 4：带 LED 的 M22-DL-X 模块化按钮。(图片来源：Eaton）

固态 LED 本身抗冲击、抗振动，实现了显著更长工作寿命，其额定寿命长达 100,000 小时。如此之长的使用寿命，在机器的典型使用寿命期限内无需像以前那样更换灯泡，从而减少了维护时间，提高了总拥有成本。此外，M22 透镜的光学设计与 LED 的输出相匹配，保证了发光清晰明亮，不易受到环境光影响。

挑战 2：优化库存，降低总拥有成本

对于 OEM 和系统集成商来说，组件的成本超出了最初的购买价格。管理各种功能不同但物理上相似的零部件库存时，其复杂程度和成本都可能很高。对于典型的控制面板来说，可能需要瞬动按钮、保持按钮和各种选择开关配置，且每个传统配置对应一个独特的零件编号。

储备数十种功能固定的库存单位 (SKU) 会导致库存持有成本升高、仓库管理复杂度增加，而且如果某种不常用的特定型号缺货，还可能造成生产延误。

配备现场可转换操作器的模块化系统为这一物流难题提供了一种直接的解决方案。安装人员可将 M22 系列的保持按钮（如 M22S-DR-S）转换为瞬动功能。如图 5 所示，调节操作器本体侧面的小锁环即可实现上述转换，这种设计既灵活又方便安装。这种单一化功能意味着一个零件编号可以发挥两个零件编号的作用，从而将基本按钮的库存需求减半。

图 5：可现场转换的功能选择器（左）和用于安全安装的防旋转凸片（右）。(图片来源：Eaton）

对于钥匙操作式开关，如 M22-WRS（图 6），该系统可确定可拔出钥匙的位置。同样，标准的双位置旋钮选择器，如 M22-WKV（图 7），也可以现场更改其自保持功能，从而减少对具有不同操作逻辑的多款 SKU 的需求。这种适应性使得一些基本操作器 SKU 可满足大量特定应用的逻辑要求。

图 6：M22-WRS 模块化钥匙操作式双位置选择开关。(图片来源：Eaton）

图 7：M22-WKV 模块化选择开关操作器。(图片来源：DigiKey）

通过采用模块化和可转换的组件系列，企业可以大大减少库存中唯一零件编号的数量，从而降低 TCO，简化采购流程，提高设计灵活性。

挑战 3：在有限空间内集成先进的控制和安全功能

随着工业机械变得越来越复杂，人机接口面板上的控制功能密度也在逐渐增加。然而，控制面板上的物理空间通常是固定且宝贵的资源。工程师经常需要在不影响可用性和安全性的前提下，在更小的空间内实现更多的控制功能。

采用每项功能都配置一个标准 22mm 操作器的传统方案，会迅速占用面板空间，在需要多轴方向控制的应用中尤其如此。

将多种功能集成于单个 22mm 预留孔中的专用操作器，将是一种高效解决方案。

• 操纵杆操作器：对于需要控制方向的应用，如移动龙门架或传送带，图 8 所示的 M22-WJ2H 操纵杆操作器可取代两个独立的按钮。这不仅能节省空间，还为操作员提供了更直观的控制接口。

图 8：M22-WJ2H 按钮式操纵杆操作器。(图片来源：Eaton）

• 双联按钮：为实现高密度启动/停止控制，如 M22-DDL-GR-GB1-GB0（图 9）之类的双联按钮将两个按钮（通常用于启动/停止）和一个中央指示灯组合成一个单元。这些组件专为最大限度地提高 22mm 空间内的控制密度而设计。

图 9：用于启动/停止控制的 M22-DDL-GR-GB1-GB0 按钮。(图片来源：Eaton）

安全是人机接口设计中不容忽视的一个环节。急停电路必须可靠，并具有故障安全保护功能。根据国际电工委员会 (IEC)/EN 60 947-5-1 的规定，对于这些电路中组件的一个核心技术要求是常闭 (NC) 触点的"强制断开" （或直接断开动作）概念。这将确保即使在发生触点熔焊的情况下，触点也能通过致动器的运动以机械方式被强制断开。

M22 系统包括一系列紧急停止操作器，专为与这些安全级触点块配合使用而设计。致动器类型包括标准推拉式 （M22S-PV）和钥匙操作释放式，如图 10 所示的 M22-PVS45P。钥匙操作释放版本进一步加强了安全保护，确保在紧急停止后，未经持有钥匙的人员授权，将无法重新启动机器。

图 10：M22-PVS45P 模块化钥匙操作式急停操作器。(图片来源：Eaton）

结语

要解决电子工程师在工业人机接口设计中面临的挑战，需要一种比单纯依据单一规格来选择组件更为全面的解决方案。Eaton M22 系列等模块化和可现场配置的引导单元系统提供了一个全面的工具包，可系统地应对这些挑战。

工程师通过集成高防护等级 (IP)、长效 LED 背光、现场可转换型功能及多样化专用操作器等特性，可设计出既可靠耐用，又兼具制造与维护经济性的工业人机交互系统。这种系统级的组件选择方法最终会实现更高效的设计周期、更精简的物流，以及更安全、更耐用的最终产品。