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En uno de nuestros artículos recientes, explicamos qué son las aplicaciones HMI. Hoy queremos ir un paso más allá y hablar de cómo elegir una pantalla para una aplicación de interfaz hombre-máquina. La pantalla suele ser el principal punto de contacto entre el operario y la máquina. Presenta datos del proceso, mensajes, alarmas, parámetros de funcionamiento y estados del aparato. En muchas aplicaciones, también permite a los usuarios manejar, configurar y gestionar el sistema. En este artículo, analizamos los criterios clave para seleccionar una pantalla para aplicaciones HMI, como la legibilidad de la interfaz, las condiciones de iluminación, la tecnología táctil, la resistencia mecánica y el funcionamiento estable en el entorno de destino.
En las aplicaciones HMI se pueden utilizar distintas tecnologías de visualización, como LCD, OLED e incluso EPD o papel electrónico. La solución óptima depende de factores como
- el tipo de información mostrada,
- dinámica de la interfaz,
- condiciones de iluminación,
- la forma en que funciona el aparato,
- espacio de instalación disponible,
- resistencia mecánica necesaria,
- el entorno operativo del dispositivo.
Una pantalla diferente funcionará mejor en un simple controlador de temperatura, otra en un panel de operador de una línea de producción y otra en un dispositivo de medición portátil. Por eso, la selección de la pantalla para la HMI no debe tratarse simplemente como una elección de tecnología, sino como parte del proceso de diseño de todo el dispositivo.
¿Qué es HMI?
HMI, o interfaz hombre-máquina, es una interfaz que permite a una persona comunicarse con una máquina, dispositivo o sistema de control. Actúa como una capa que convierte los datos de la máquina en información clara y sencilla para el operario, al tiempo que convierte las acciones del usuario en órdenes que el sistema puede ejecutar.
Una HMI permite al operador comprobar lo que ocurre con la máquina y responder en consecuencia. Puede mostrar, entre otras cosas, el estado actual del aparato, la temperatura, la velocidad de funcionamiento, el nivel de llenado, los mensajes de alarma, los datos de producción y el historial de eventos.
Desde un panel HMI, el usuario puede controlar la máquina, el dispositivo o el sistema: iniciar un proceso, ajustar parámetros, seleccionar un modo de funcionamiento, reconocer una alarma o acceder a diagnósticos.
Aprende más sobre HMI en nuestra guía de aplicaciones HMI: ¿Qué es HMI? A guide to human-machine interfaces in industry.
Ejemplos de aplicaciones HMI
Las aplicaciones HMI se utilizan en muchas industrias. Su forma puede variar significativamente: desde simples pantallas que muestran sólo unos pocos mensajes de estado hasta pantallas de operador que presentan datos de producción complejos, alarmas, tendencias, diagramas del sistema o parámetros de funcionamiento de la máquina.
HMI en la industria
En entornos industriales, la HMI actúa como centro de comunicación entre el operario y la máquina. Las pantallas se utilizan, entre otros, en paneles de operador de máquinas, estaciones de montaje, centros CNC, líneas de envasado, sistemas de paletizado y aplicaciones SCADA/HMI para naves de producción. Permiten a los usuarios seleccionar programas de funcionamiento, controlar parámetros del proceso, restablecer errores, controlar el rendimiento, mostrar alarmas y comprobar el estado actual del aparato.
En estas aplicaciones, son especialmente importantes los siguientes aspectos:
- legibilidad de los datos en tiempo real,
- resistencia al uso intensivo,
- la capacidad de operar en un entorno industrial,
- Funcionamiento intuitivo para el operador,
- Identificación rápida de errores, alarmas y estados que requieren la respuesta del operador.
Energía e infraestructuras
En los sectores de la energía y las infraestructuras, la HMI ayuda a supervisar sistemas que a menudo deben funcionar de forma continua y fiable. Las pantallas pueden utilizarse en aplicaciones relacionadas con parques fotovoltaicos, turbinas eólicas, estaciones de tratamiento de aguas, sistemas de telemetría, sistemas de suministro eléctrico o infraestructuras municipales. La pantalla puede presentar la producción de energía, la temperatura del inversor, los caudales, los niveles de líquido, los estados de las válvulas, los mensajes de alarma o la información sobre fallos.
En este caso, la HMI hace algo más que mostrar datos: ayuda a los usuarios a responder rápidamente a las desviaciones de la norma, los fallos o los cambios en los parámetros de funcionamiento del sistema.
Automatización de edificios: hogar y oficina inteligentes
En la automatización de edificios, la HMI se utiliza sobre todo en paneles murales, termostatos, sistemas de climatización, sistemas de alarma, paneles de control de acceso e interfaces BMS. El BMS, o Sistema de Gestión de Edificios, es un sistema que integra varias instalaciones del edificio -como iluminación, calefacción, ventilación, aire acondicionado, seguridad y control de accesos- y permite supervisarlas desde un único nivel. Desde esa pantalla, el usuario puede controlar la temperatura, la ventilación, la iluminación, las alarmas, el acceso a las habitaciones u otras funciones del edificio.
En este tipo de aplicación, la pantalla debe ser ante todo legible, estéticamente agradable y cómoda en el uso diario. También son importantes el tamaño adecuado, unos buenos ángulos de visión, un funcionamiento estable en condiciones de luz cambiantes y una presentación intuitiva de las funciones clave del edificio. En la automatización de edificios, la pantalla suele instalarse en un lugar visible, por lo que debe encajar bien tanto en el diseño del aparato como en el espacio útil más amplio.
Máquinas y vehículos móviles
En la maquinaria agrícola, los equipos de construcción y otros vehículos especializados, las pantallas HMI se encargan de presentar los datos de funcionamiento, los estados del sistema, los mensajes de diagnóstico, los ajustes del accionamiento, los ajustes del aire acondicionado y los parámetros del vehículo.
En estas aplicaciones, la pantalla debe adaptarse a condiciones de funcionamiento más exigentes. Los factores más importantes son:
- legibilidad en condiciones de iluminación cambiantes,
- amplios ángulos de visión,
- Resistencia a las vibraciones y a los golpes,
- funcionamiento estable a distintas temperaturas,
- manejo cómodo en el campo.
HMI en dispositivos médicos
En los dispositivos médicos, la HMI se utiliza para presentar resultados de mediciones, estados de funcionamiento, alarmas, parámetros de procedimientos, mensajes de servicio o datos de diagnóstico. Puede formar parte de dispositivos de diagnóstico, analizadores, sistemas de dosificación, incubadoras o equipos de medición, por ejemplo.
En este tipo de aplicaciones, la precisión de la información mostrada, la buena legibilidad, la fiabilidad y la facilidad de uso son especialmente importantes. La pantalla debe ayudar a los usuarios a leer rápidamente los datos y reducir el riesgo de malinterpretar los mensajes.
En el caso de los dispositivos médicos, también pueden aplicarse requisitos normativos, como las normas de la serie IEC 60601, que se refieren a la seguridad de los equipos eléctricos médicos, y la IEC 62366-1, que se refiere a la ingeniería de usabilidad de los dispositivos médicos. Esto significa que tanto la pantalla como toda la interfaz de usuario deben permitir un funcionamiento seguro, claro y fiable del aparato.
Cómo elegir una pantalla para una aplicación HMI
La elección de una pantalla para una aplicación HMI debe derivarse siempre de las características específicas del dispositivo y del entorno en el que funcionará. Una simple pantalla de estado tendrá requisitos diferentes a los de un panel de operador avanzado en una línea de producción, y un dispositivo portátil volverá a tener requisitos diferentes.
Antes de seleccionar un tipo de pantalla, merece la pena responder a varias preguntas sobre la propia aplicación:
- ¿Qué información aparecerá en la pantalla?
- ¿La interfaz será estática o dinámica?
- ¿Cómo manejará el usuario el dispositivo? ¿Se requiere funcionalidad táctil?
- ¿En qué condiciones de iluminación funcionará el aparato?
- ¿El aparato estará expuesto a suciedad, polvo, líquidos, impactos accidentales o intencionados, vibraciones o golpes?
- ¿Pueden producirse interferencias electromagnéticas cerca de la pantalla?
- ¿En qué intervalo de temperatura funcionará el aparato, y estará expuesto a cambios bruscos de temperatura?
- ¿Cuánto espacio de instalación hay disponible?
- ¿Se necesitan elementos mecánicos adicionales, como botones, interruptores o un teclado?
- ¿Con qué intensidad se utilizará el aparato: ocasional, cíclica o continuamente?
Sólo sobre esta base pueden definirse los parámetros clave de la pantalla para una aplicación determinada: desde la legibilidad y el brillo, pasando por la tecnología táctil y la interfaz de comunicación, hasta la resistencia mecánica, la resistencia a la temperatura y el funcionamiento estable en un entorno industrial. En los siguientes apartados, analizamos los factores más importantes que hay que tener en cuenta al diseñar un dispositivo HMI.
Para saber más sobre las diferencias entre tecnologías de visualización específicas -LCD, LCD-TFT, OLED y EPD-, consulta nuestro artículo independiente sobre tecnologías de visualización utilizadas en aplicaciones HMI.
Legibilidad de la interfaz
La legibilidad de una HMI no sólo depende del diseño gráfico de la interfaz, sino también de los parámetros de la propia pantalla. Los factores clave son el tamaño de la pantalla, el área activa, la resolución, el contraste, el brillo y los ángulos de visión.
En aplicaciones sencillas en las que la pantalla presenta valores únicos, mensajes breves o estados, puede bastar con una pequeña pantalla gráfica o de caracteres, por ejemplo, una pantalla LCD monocroma u OLED. En paneles de operador más avanzados, donde el usuario necesita leer varios parámetros, gráficos, alarmas, recetas o diagramas de proceso al mismo tiempo, los LCD-TFT suelen ser la mejor opción.
Condiciones de iluminación
Las condiciones de iluminación tienen un impacto directo en la legibilidad de los datos mostrados en la pantalla de una HMI y, por tanto, en la comodidad de trabajar con el dispositivo. Dependiendo de la tecnología de visualización utilizada, la misma interfaz puede funcionar muy bien en un entorno, pero requerir parámetros de panel ajustados o soluciones de diseño adicionales en otro. Por eso, la pantalla debe seleccionarse siempre en función de las condiciones reales de funcionamiento.
A la hora de seleccionar una tecnología, conviene tenerlo en cuenta:
- Los LCD requieren que el diseño y/o los parámetros se adapten a las condiciones de iluminación:
- En los LCD monocromos, el tipo de retroiluminación y polarizador es especialmente importante: las versiones reflectantes aprovechan bien la luz ambiente, las transmisivas dependen de la retroiluminación y las transflectivas combinan ambos enfoques;
- en las pantallas LCD TFT en color, el factor clave es seleccionar adecuadamente el brillo de la retroiluminación. Por ejemplo, en interiores muy iluminados, merece la pena considerar un panel con un brillo de unos 1000 cd/m² o más para garantizar una legibilidad óptima del contenido;
- Las pantallas OLED emiten su propia luz, lo que proporciona un contraste muy alto y una excelente legibilidad del contenido en diversas condiciones de iluminación;
- Los EPD, debido a su tecnología similar al papel, funcionan muy bien con luz intensa, incluida la luz solar, pero requieren iluminación adicional en condiciones de poca luz.
Tecnología táctil
Si la HMI diseñada se va a manejar de forma táctil, hay que seleccionar la tecnología de panel táctil adecuada. Las opciones más comunes son la tecnología capacitiva y la resistiva, aunque en determinados casos también pueden considerarse otras soluciones menos populares, como el toque IR, es decir, el toque por infrarrojos. Cada tecnología tiene características de funcionamiento diferentes, por lo que la elección debe basarse no sólo en las expectativas del usuario, sino también en las condiciones en que se utilizará el dispositivo.
Entre los factores importantes está la forma en que se va a manejar el panel: si el operador va a utilizar la mano desnuda, guantes de materiales como látex, nitrilo, goma o tela, o una herramienta adicional, como un lápiz óptico. También hay que tener en cuenta si en la superficie de la pantalla pueden aparecer sustancias que afecten a la estabilidad del funcionamiento táctil, como agua, geles, aceites o grasas. Otros factores importantes son la precisión de funcionamiento requerida, la intensidad de uso del panel y la presencia de interferencias electromagnéticas en el entorno del dispositivo.
Obtén más información sobre las tecnologías táctiles capacitiva y resistiva en nuestro artículo.
Interfaz de comunicación
Al seleccionar una pantalla para una aplicación HMI, también es importante tener en cuenta cómo se transmitirán los datos entre la pantalla y la electrónica de control del dispositivo. La interfaz de comunicación debe ajustarse al tipo de pantalla, la resolución, la frecuencia de actualización de la imagen, la longitud de la conexión, los recursos disponibles del sistema y las condiciones de funcionamiento de la aplicación.
En dispositivos sencillos que presentan una pequeña cantidad de datos, se suelen utilizar interfaces como SPI, I²C o buses de datos paralelos, por ejemplo, una interfaz 8080 o 6800 de 8 bits. Son adecuadas para pequeñas pantallas LCD monocromas, pantallas OLED y EPD, en las que la interfaz no requiere un gran ancho de banda. Su ventaja es una integración relativamente sencilla y un número reducido de líneas de señal, mientras que su limitación puede ser la velocidad de transmisión.
En el caso de los LCD-TFT, especialmente los de mayor diagonal y resolución, se suelen utilizar interfaces como RGB, LVDS, MIPI DSI, HDMI o eDP. Proporcionan el ancho de banda necesario para soportar interfaces de operador dinámicas, pero requieren una adaptación adecuada a la plataforma de hardware, el controlador gráfico y la longitud del cable.
En algunos sistemas HMI, la pantalla también puede formar parte de una arquitectura de comunicación de dispositivos más amplia que utiliza buses como CAN, RS-485, Ethernet o UART. No son las típicas interfaces de matriz, pero pueden utilizarse para la comunicación entre el panel de operador, el controlador o el sistema de nivel superior.
Por eso, al diseñar una HMI, merece la pena analizar no sólo la pantalla en sí, sino toda la ruta de transmisión de datos: desde la fuente de información, pasando por la electrónica de control, hasta la forma en que se presenta el contenido en la pantalla.
Resistencia a los daños mecánicos
En las aplicaciones industriales, la pantalla puede estar expuesta a una serie de posibles daños mecánicos: desde impactos accidentales, presión y arañazos hasta el contacto con herramientas u otros objetos presentes en el lugar de funcionamiento del aparato. Por este motivo merece la pena considerar soluciones que mejoren la resistencia mecánica de la sección frontal ya en la fase de diseño de la IPM. Entre ellas puede estar un cristal protector adecuadamente seleccionado, unión ópticay un diseño mecánico adaptado a las condiciones de funcionamiento del dispositivo.
La resistencia mecánica se describe a veces mediante una clasificación IK, pero no debe tratarse como un parámetro de la propia pantalla. La escala IK, descrita en la norma IEC 62262, se utiliza para definir la resistencia de las carcasas de los equipos eléctricos a impactos mecánicos externos de una energía determinada. Esto significa que, al diseñar una HMI, hay que analizar todo el frontal del aparato: la pantalla, el cristal protector, el marco, el método de montaje del módulo, el soporte frontal y el diseño de la caja. Sólo un conjunto completo correctamente diseñado puede proporcionar la resistencia necesaria a los daños mecánicos.
Resistencia a la contaminación
En muchas aplicaciones HMI, la pantalla funcionará en un entorno en el que puede estar expuesta al polvo, el agua y otras sustancias industriales, como los productos de limpieza. Estas sustancias no sólo pueden depositarse en la superficie de la pantalla, sino que -si el diseño no está debidamente preparado- también pueden penetrar en el módulo de visualización. Para reducir este riesgo, la parte frontal del aparato debe estar debidamente protegida. Algunos aspectos importantes son el diseño de la carcasa, el método de montaje de la pantalla, la selección de las juntas, la protección de los bordes y la protección de las zonas especialmente vulnerables a la entrada de contaminación. Según los requisitos de la aplicación, también puede utilizarse la unión óptica. Elimina el espacio de aire entre las capas de los módulos y reduce los espacios donde podría acumularse polvo, humedad u otros contaminantes.
El nivel de protección contra el polvo y el agua se describe mediante la clasificación IP, definida en la norma IEC 60529. Sin embargo, al igual que ocurre con la resistencia mecánica, no es un parámetro de la pantalla en sí, sino de la estructura completa, que suele ser la carcasa o el dispositivo acabado. Por tanto, al diseñar una HMI, debe tenerse en cuenta todo el sistema: la pantalla, el cristal protector, la junta frontal, el marco, los conectores, la carcasa y el método de montaje. Sólo la combinación correcta de estos elementos permite alcanzar el grado de protección IP requerido.
Resistencia a las interferencias electromagnéticas
En entornos industriales, los dispositivos HMI funcionan a menudo cerca de fuentes de interferencias electromagnéticas, como motores, inversores, fuentes de alimentación conmutadas, relés o cables. Las interferencias electromagnéticas puede afectar al funcionamiento de varios componentes del aparato, pero en muchos casos sus efectos son más fáciles de notar en la pantalla. Pueden aparecer como alteraciones de la imagen, parpadeos, pérdida temporal de contenido, artefactos, rayas, decoloración o refresco inestable de los datos mostrados. . En las aplicaciones HMI, estos problemas son especialmente importantes porque la pantalla es responsable de la comunicación continua entre el dispositivo y el operador.
La resistencia a las interferencias electromagnéticas es una cuestión de diseño compleja que debe tenerse en cuenta ya en la fase de desarrollo de la arquitectura del dispositivo. No se trata sólo de seleccionar la pantalla en sí, sino también de un diseño adecuado de la placa de circuito impreso, un enrutamiento correcto de las señales, la alimentación y la toma de tierra, una selección adecuada de cables y conectores, y el apantallamiento de las zonas especialmente expuestas a las interferencias. En las pantallas con funcionalidad táctil, el controlador táctil y su configuración también son importantes. Se encargan de interpretar las señales del panel táctil, filtrar las interferencias y distinguir las pulsaciones válidas de las señales accidentales, por ejemplo las causadas por fuentes cercanas de EMI. Un controlador correctamente seleccionado y configurado ayuda a mantener un funcionamiento estable incluso en entornos de trabajo exigentes.
Por eso, la resistencia a las interferencias electromagnéticas debe considerarse una característica de todo el diseño, no de un solo componente. El funcionamiento estable de una HMI depende de la correcta integración de la pantalla, el panel táctil, la electrónica de control, la carcasa y el cableado. Es el diseño coherente de todos estos elementos lo que ayuda a reducir el riesgo de interferencias en la imagen, errores en el funcionamiento táctil o rendimiento incorrecto del dispositivo en un entorno industrial.
Temperaturas de funcionamiento
Al seleccionar una pantalla para una aplicación HMI, también hay que tener en cuenta el rango de temperatura en el que funcionará el dispositivo. Esto se aplica tanto a las temperaturas bajas como a las altas, así como a los cambios bruscos de temperatura.
La temperatura afecta no sólo a la propia pantalla, sino también a todos los componentes del aparato y sus interacciones. Además de la matriz y el panel táctil, hay que tener en cuenta las juntas, la electrónica de control y sus componentes, los módulos de comunicación, las fuentes de alimentación, las baterías, los cables, los conectores, los elementos de montaje, la carcasa y los sistemas de refrigeración o calefacción. Cada uno de estos componentes puede responder de forma diferente a los cambios de temperatura, y su comportamiento puede afectar al funcionamiento de otros elementos del sistema.
Las altas temperaturas pueden acelerar el envejecimiento de los componentes electrónicos, reducir la vida útil de la retroiluminación, modificar los parámetros de funcionamiento de los circuitos integrados, degradar los materiales ópticos, debilitar las propiedades adhesivas o reducir la elasticidad de las juntas. Las bajas temperaturas, a su vez, pueden afectar al rendimiento de las pilas, al tiempo de respuesta de las pantallas, a las propiedades mecánicas de los plásticos y a la fiabilidad de las conexiones eléctricas. Los cambios bruscos de temperatura son un reto adicional, ya que pueden provocar condensación de humedad, tensiones mecánicas y diferencias de dilatación térmica entre los distintos materiales.
Por eso, la resistencia a la temperatura debe analizarse a nivel de todo el aparato, teniendo en cuenta tanto los parámetros de los componentes individuales como la forma en que están integrados. Aunque la propia pantalla sea adecuada para funcionar dentro de un rango de temperatura exigente, otro elemento del sistema puede convertirse en el factor limitante. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, también puede ser necesario utilizar soluciones de gestión térmica, como disipadores de calor, ventiladores, ventilación adecuadamente diseñada o calefactores.
Un análisis exhaustivo de las condiciones térmicas ayuda a reducir el riesgo de problemas de funcionamiento y garantiza un rendimiento estable del aparato durante toda su vida útil.
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Elegir una pantalla para una aplicación HMI es una decisión que afecta no sólo al aspecto de la interfaz, sino también a la facilidad de uso, la fiabilidad del dispositivo y la correcta interpretación de los datos por parte del usuario. Al seleccionar una pantalla, conviene tener en cuenta el tipo de información mostrada, la dinámica de la interfaz, las condiciones de iluminación, la tecnología táctil, la resistencia a los daños mecánicos, el polvo, el agua, la contaminación y las interferencias electromagnéticas.
Crear una solución óptima depende de un análisis exhaustivo de todo el contexto de la aplicación. Por eso la pantalla debe tratarse como parte de un diseño completo del dispositivo, junto con el panel táctil, el cristal protector, la electrónica de control, la carcasa, el sellado, el cableado y el método de montaje. Sólo la correcta combinación de estos elementos permite crear una HMI legible, cómoda de usar y estable en las condiciones de funcionamiento previstas.
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