Comment choisir un écran pour une application IHM ? Technologies, conditions d’utilisation et exigences de conception

Dans un de nos récents articles, nous avons expliqué ce que sont les applications IHM. Aujourd’hui, nous souhaitons aller plus loin et discuter de la manière de choisir un écran pour une application d’interface homme-machine. L’écran est souvent le principal point de contact entre l’opérateur et la machine. Il présente les données du processus, les messages, les alarmes, les paramètres de fonctionnement et les états de l’appareil. Dans de nombreuses applications, il permet également aux utilisateurs d’exploiter, de configurer et de gérer le système. Dans cet article, nous examinons les principaux critères de sélection d’un écran pour les applications IHM, notamment la lisibilité de l’interface, les conditions d’éclairage, la technologie tactile, la résistance mécanique et la stabilité de fonctionnement dans l’environnement cible.

Différentes technologies d’affichage peuvent être utilisées dans les applications IHM – y compris LCD, OLED, et même EPD, ou papier électronique. La solution optimale dépend de facteurs tels que

• le type d’informations affichées,
• la dynamique de l’interface,
• les conditions d’éclairage,
• le mode de fonctionnement de l’appareil,
• l’espace d’installation disponible,
• la résistance mécanique requise,
• l’environnement d’utilisation de l’appareil.

Un écran différent fonctionnera mieux dans un simple régulateur de température, un autre dans un panneau d’opérateur sur une chaîne de production, et un autre encore dans un appareil de mesure portable. C’est pourquoi la sélection d’un écran pour une IHM ne doit pas être considérée comme un simple choix technologique, mais comme faisant partie du processus de conception de l’ensemble de l’appareil.

Qu’est-ce que l’IHM ?

L’IHM, ou interface homme-machine, est une interface qui permet à une personne de communiquer avec une machine, un appareil ou un système de contrôle. Elle agit comme une couche qui convertit les données de la machine en informations claires et conviviales pour l’opérateur, tout en transformant les actions de l’utilisateur en commandes que le système peut exécuter.

Une IHM permet à l’opérateur de vérifier ce qui se passe avec la machine et de réagir en conséquence. Elle peut afficher, entre autres, l’état actuel de l’appareil, la température, la vitesse de fonctionnement, le niveau de remplissage, les messages d’alarme, les données de production et l’historique des événements.

À partir d’un panneau IHM, l’utilisateur peut contrôler la machine, l’appareil ou le système – lancer un processus, régler les paramètres, sélectionner un mode de fonctionnement, acquitter une alarme ou accéder aux diagnostics.

Pour en savoir plus sur les IHM, consultez notre guide des applications IHM : Qu’est-ce qu’une IHM ? Guide des interfaces homme-machine dans l’industrie .

Exemples d’applications IHM

Les applications IHM sont utilisées dans de nombreuses industries. Leur forme peut varier considérablement – de simples affichages montrant quelques messages d’état à des écrans d’opérateur présentant des données de production complexes, des alarmes, des tendances, des diagrammes de système ou des paramètres de fonctionnement de la machine.

IHM dans l’industrie

Dans les environnements industriels, l’IHM joue le rôle de centre de communication entre l’opérateur et la machine. Les écrans sont utilisés, entre autres, dans les panneaux de commande des machines, les postes d’assemblage, les centres CNC, les lignes d’emballage, les systèmes de palettisation et les applications SCADA/HMI pour les halls de production. Ils permettent aux utilisateurs de sélectionner des programmes d’exploitation, de contrôler les paramètres du processus, de réinitialiser les erreurs, de surveiller les performances, d’afficher les alarmes et de vérifier l’état actuel de l’appareil.

Dans ces applications, les aspects suivants sont particulièrement importants :

• lisibilité des données en temps réel,
• la résistance à l’utilisation intensive,
• la capacité à travailler dans un environnement industriel,
• une utilisation intuitive pour l’opérateur,
• l’identification rapide des erreurs, des alarmes et des états nécessitant une réponse de l’opérateur.

Énergie et infrastructures

Dans les secteurs de l’énergie et des infrastructures, l’IHM permet de superviser des systèmes qui doivent souvent fonctionner en continu et de manière fiable. Les écrans peuvent être utilisés dans des applications liées aux fermes photovoltaïques, aux éoliennes, aux stations de traitement des eaux, aux systèmes de télémétrie, aux systèmes d’alimentation électrique ou aux infrastructures municipales. L’écran peut afficher la production d’énergie, la température de l’onduleur, les débits, les niveaux de liquide, l’état des vannes, les messages d’alarme ou les informations sur les pannes.

Dans ce cas, l’IHM ne se contente pas d’afficher des données : elle aide les utilisateurs à réagir rapidement aux écarts par rapport à la norme, aux pannes ou aux modifications des paramètres de fonctionnement du système.

Automatisation des bâtiments – maison et bureau intelligents

Dans l’automatisation des bâtiments, l’IHM est le plus souvent utilisée dans les panneaux muraux, les thermostats, les systèmes CVC, les systèmes d’alarme, les panneaux de contrôle d’accès et les interfaces de GTB. La GTB, ou gestion technique du bâtiment, est un système qui intègre diverses installations du bâtiment (éclairage, chauffage, ventilation, climatisation, sécurité et contrôle d’accès) et permet de les contrôler à partir d’un seul niveau. À partir d’un tel écran, l’utilisateur peut contrôler la température, la ventilation, l’éclairage, les alarmes, l’accès aux pièces ou d’autres fonctions du bâtiment.

Dans ce type d’application, l’affichage doit avant tout être lisible, esthétique et pratique au quotidien. La bonne taille, de bons angles de vue, un fonctionnement stable dans des conditions d’éclairage changeantes et une présentation intuitive des fonctions clés du bâtiment sont également importants. Dans l’automatisation des bâtiments, l’écran est souvent installé dans un endroit visible, il doit donc s’intégrer parfaitement dans la conception de l’appareil et dans l’espace utilisable au sens large.

Machines et véhicules mobiles

Dans les machines agricoles, les engins de chantier et autres véhicules spécialisés, les écrans de l’IHM sont chargés de présenter les données de fonctionnement, les états du système, les messages de diagnostic, les réglages de l’entraînement, les réglages de la climatisation et les paramètres du véhicule.

Dans ces applications, l’écran doit être adapté à des conditions de fonctionnement plus exigeantes. Les facteurs les plus importants sont les suivants :

• la lisibilité dans des conditions d’éclairage changeantes,
• des angles de vision larges,
• la résistance aux vibrations et aux chocs,
• un fonctionnement stable à différentes températures,
• une utilisation pratique sur le terrain.

IHM dans les dispositifs médicaux

Dans les dispositifs médicaux, l’IHM est utilisée pour présenter des résultats de mesure, des états de fonctionnement, des alarmes, des paramètres de procédure, des messages de service ou des données de diagnostic. Elle peut faire partie d’appareils de diagnostic, d’analyseurs, de systèmes de dosage, d’incubateurs ou d’équipements de mesure, par exemple.

Dans ce type d’application, la précision des informations affichées, la bonne lisibilité, la fiabilité et la facilité d’utilisation sont particulièrement importantes. L’écran doit aider les utilisateurs à lire rapidement les données et réduire le risque de mauvaise interprétation des messages.

Dans le cas des dispositifs médicaux, des exigences réglementaires peuvent également s’appliquer, notamment les normes de la série CEI 60601, qui concernent la sécurité des équipements électriques médicaux, et la CEI 62366-1, qui concerne l’ingénierie de l’utilisabilité des dispositifs médicaux. Cela signifie que l’affichage et l’ensemble de l’interface utilisateur doivent permettre un fonctionnement sûr, clair et fiable de l’appareil.

Comment choisir un écran pour une application IHM ?

Le choix d’un écran pour une application IHM doit toujours résulter des spécificités de l’appareil et de l’environnement dans lequel il fonctionnera. Un simple écran d’état n’aura pas les mêmes exigences qu’un panneau d’opérateur avancé sur une ligne de production, et un appareil portable aura encore d’autres exigences.

Avant de choisir un type d’affichage, il convient de répondre à plusieurs questions concernant l’application elle-même :

• Quelles sont les informations qui s’affichent à l’écran ?
• L’interface sera-t-elle statique ou dynamique ?
• Comment l’utilisateur utilisera-t-il l’appareil – une fonction tactile est-elle nécessaire ?
• Dans quelles conditions d’éclairage l’appareil fonctionnera-t-il ?
• L’appareil sera-t-il exposé à la saleté, à la poussière, à des liquides, à des impacts accidentels ou intentionnels, à des vibrations ou à des chocs ?
• Des interférences électromagnétiques peuvent-elles se produire à proximité de l’écran ?
• Dans quelle plage de température l’appareil fonctionnera-t-il et sera-t-il exposé à des changements de température soudains ?
• Quel est l’espace d’installation disponible ?
• Des éléments mécaniques supplémentaires sont-ils nécessaires, tels que des boutons, des interrupteurs ou un clavier ?
• Quelle sera l’intensité de l’utilisation de l’appareil – occasionnelle, cyclique ou continue ?

Ce n’est que sur cette base que les paramètres clés de l’affichage pour une application donnée peuvent être définis – de la lisibilité et de la luminosité, en passant par la technologie tactile et l’interface de communication, jusqu’à la résistance mécanique, la résistance à la température et le fonctionnement stable dans un environnement industriel. Dans les sections suivantes, nous examinons les facteurs les plus importants à prendre en compte lors de la conception d’un dispositif IHM.

Pour en savoir plus sur les différences entre les technologies d’affichage spécifiques (LCD, LCD-TFT, OLED et EPD), consultez notre article sur les technologies d’affichage utilisées dans les applications IHM.

Lisibilité de l’interface

La lisibilité des IHM dépend non seulement de la conception graphique de l’interface, mais aussi des paramètres de l’écran lui-même. Les facteurs clés sont la taille de l’écran, la zone active, la résolution, le contraste, la luminosité et les angles de vue.

Dans les applications simples où l’écran présente des valeurs uniques, des messages courts ou des états, un petit écran graphique ou à caractères peut suffire – par exemple, un écran LCD ou OLED monochrome. Dans les tableaux de commande plus avancés, où l’utilisateur doit lire simultanément plusieurs paramètres, graphiques, alarmes, recettes ou diagrammes de processus, les écrans LCD-TFT sont généralement le meilleur choix.

Conditions d’éclairage

Les conditions d’éclairage ont un impact direct sur la lisibilité des données affichées sur l’écran d’une IHM, et donc sur le confort d’utilisation de l’appareil. En fonction de la technologie de visualisation utilisée, la même interface peut donner d’excellents résultats dans un environnement donné, mais nécessiter des paramètres de panneau ajustés ou des solutions de conception supplémentaires dans un autre environnement. C’est pourquoi l’écran doit toujours être choisi en fonction des conditions d’utilisation réelles.

Lors du choix d’une technologie, il convient de tenir compte de ces éléments :

• Les écrans à cristaux liquides exigent que la conception et/ou les paramètres soient adaptés aux conditions d’éclairage :
  • dans les écrans LCD monochromes, le type de rétroéclairage et de polariseur est particulièrement important – les versions réfléchissantes utilisent bien la lumière ambiante, les versions transmissives s’appuient sur le rétroéclairage et les versions transflectives combinent les deux approches ;
  • dans les écrans LCD TFT couleur – le facteur clé est le choix de la luminosité du rétroéclairage. Par exemple, dans les intérieurs très éclairés, il vaut la peine d’envisager un panneau d’une luminosité d’environ 1000 cd/m² ou plus pour garantir une lisibilité optimale du contenu ;
• Les écrans OLED émettent leur propre lumière, ce qui permet d’obtenir un contraste très élevé et une excellente lisibilité du contenu dans diverses conditions d’éclairage ;
• Grâce à leur technologie semblable à celle du papier, les EPD fonctionnent très bien sous une lumière intense, y compris la lumière du soleil, mais nécessitent un éclairage supplémentaire dans des conditions de faible luminosité.

Technologie tactile

Si l’IHM conçue doit être commandée par le toucher, il faut choisir la technologie appropriée pour l’écran tactile. Les options les plus courantes sont les technologies capacitive et résistive, mais dans certains cas, d’autres solutions moins populaires peuvent également être envisagées, comme le toucher IR, c’est-à-dire le toucher infrarouge. Chaque technologie ayant des caractéristiques de fonctionnement différentes, le choix doit être basé non seulement sur les attentes de l’utilisateur, mais aussi sur les conditions dans lesquelles l’appareil sera utilisé.

Parmi les facteurs importants, citons la manière dont le panneau sera utilisé : l’opérateur utilisera-t-il sa main nue, des gants en latex, en nitrile, en caoutchouc ou en tissu, ou un outil supplémentaire, tel qu’un stylet ? Il est également nécessaire de déterminer si des substances susceptibles d’affecter la stabilité du fonctionnement tactile peuvent apparaître sur la surface de l’écran, telles que de l’eau, des gels, des huiles ou des graisses. D’autres facteurs importants sont la précision de fonctionnement requise, l’intensité de l’utilisation du panneau et la présence d’interférences électromagnétiques dans l’environnement de l’appareil.

Pour en savoir plus sur les technologies tactiles capacitives et résistives, consultez notre article.

Interface de communication

Lors de la sélection d’un écran pour une application IHM, il est également important de tenir compte de la manière dont les données seront transmises entre l’écran et l’électronique de commande de l’appareil. L’interface de communication doit être adaptée au type d’écran, à la résolution, au taux de rafraîchissement de l’image, à la longueur de la connexion, aux ressources système disponibles et aux conditions de fonctionnement de l’application.

Dans les dispositifs simples qui présentent une petite quantité de données, des interfaces telles que SPI, I²C ou des bus de données parallèles – par exemple, une interface 8080 ou 6800 de 8 bits – sont souvent utilisées. Ces interfaces conviennent aux petits écrans LCD monochromes, aux écrans OLED et aux EPD, lorsque l’interface ne nécessite pas une grande largeur de bande. Leur avantage est une intégration relativement simple et un petit nombre de lignes de signaux, tandis que leur limite peut être la vitesse de transmission.

Dans le cas des écrans LCD-TFT, en particulier ceux dont la diagonale est plus grande et la résolution plus élevée, des interfaces telles que RGB, LVDS, MIPI DSI, HDMI ou eDP sont plus couramment utilisées. Elles fournissent la bande passante nécessaire pour prendre en charge les interfaces opérateur dynamiques, mais nécessitent une adaptation adéquate à la plate-forme matérielle, au contrôleur graphique et à la longueur du câble.

Dans certains systèmes IHM, l’écran peut également faire partie d’une architecture de communication plus large utilisant des bus tels que CAN, RS-485, Ethernet ou UART. Il ne s’agit pas d’interfaces matricielles typiques, mais elles peuvent être utilisées pour la communication entre le panneau de commande, le contrôleur ou le système de niveau supérieur.

C’est pourquoi, lors de la conception d’une IHM, il convient d’analyser non seulement l’écran lui-même, mais aussi l’ensemble du circuit de transmission des données, depuis la source d’information jusqu’à la présentation du contenu à l’écran, en passant par l’électronique de commande.

Résistance aux dommages mécaniques

Dans les applications industrielles, l’écran peut être exposé à toute une série de dommages mécaniques potentiels, qu’il s’agisse d’impacts accidentels, de pressions, de rayures ou de contacts avec des outils ou d’autres objets présents sur le lieu d’utilisation de l’appareil. C’est la raison pour laquelle, il vaut la peine d’envisager des solutions qui améliorent la résistance mécanique de la partie frontale dès le stade de la conception de l’IHM. Il peut s’agir d’un verre de protection bien choisi, le collage optiqueet une conception mécanique adaptée aux conditions de fonctionnement de l’appareil.

La résistance mécanique est parfois décrite à l’aide d’un indice IK, mais elle ne doit pas être considérée comme un paramètre de l’écran lui-même. L’échelle IK, décrite dans la norme CEI 62262, est utilisée pour définir la résistance des boîtiers d’équipements électriques aux impacts mécaniques externes d’une énergie spécifiée. Cela signifie que lors de la conception d’une IHM, l’ensemble de la face avant de l’appareil doit être analysé : l’écran, le verre de protection, le cadre, la méthode de montage du module, le support avant et la conception du boîtier. Seul un ensemble complet correctement conçu peut offrir la résistance requise aux dommages mécaniques.

Résistance à la contamination

Dans de nombreuses applications IHM, l’écran fonctionne dans un environnement où il peut être exposé à la poussière, à l’eau et à d’autres substances industrielles, telles que les produits de nettoyage. Ces substances peuvent non seulement se déposer sur la surface de l’écran, mais aussi pénétrer dans le module d’affichage si la conception n’est pas correctement préparée. Pour réduire ce risque, la face avant de l’appareil doit être correctement protégée. Les aspects importants sont la conception du boîtier, la méthode de montage de l’écran, la sélection des joints, la protection des bords et la protection des zones particulièrement vulnérables à la pénétration de contaminants. Selon les exigences de l’application, le collage optique peut également être utilisé. Il élimine l’espace d’air entre les couches du module et réduit les espaces où la poussière, l’humidité ou d’autres contaminants peuvent s’accumuler.

Le niveau de protection contre la poussière et l’eau est décrit par l’indice IP, défini dans la norme IEC 60529. Cependant, comme pour la résistance mécanique, il ne s’agit pas d’un paramètre de l’écran lui-même, mais de la structure complète – le plus souvent le boîtier ou le dispositif fini. Par conséquent, lors de la conception d’une IHM, il convient de prendre en compte l’ensemble du système : l’écran, le verre de protection, le joint avant, le cadre, les connecteurs, le boîtier et la méthode de montage. Seule la combinaison correcte de ces éléments permet d’atteindre l’indice de protection IP requis.

Résistance aux interférences électromagnétiques

Dans les environnements industriels, les appareils IHM fonctionnent souvent à proximité de sources d’interférences électromagnétiques, telles que des moteurs, des onduleurs, des alimentations à découpage, des relais ou des câbles. Interférences électromagnétiques peut affecter le fonctionnement de divers composants de l’appareil, mais dans de nombreux cas, c’est sur l’écran que ses effets sont les plus faciles à remarquer. Ils peuvent se manifester par des perturbations de l’image, un scintillement, une perte temporaire de contenu, des artefacts, des bandes, une décoloration ou un rafraîchissement instable des données affichées . Dans les applications IHM, ces problèmes sont particulièrement importants car l’écran est responsable de la communication permanente entre l’appareil et l’opérateur.

La résistance aux interférences électromagnétiques est une question de conception complexe qui doit être prise en compte dès le stade du développement de l’architecture de l’appareil. Il ne s’agit pas seulement de choisir l’écran lui-même, mais aussi de concevoir correctement le circuit imprimé, d’acheminer correctement les signaux, l’alimentation et la mise à la terre, de sélectionner les câbles et les connecteurs appropriés et de blinder les zones particulièrement exposées aux interférences. Pour les écrans dotés d’une fonction tactile, le contrôleur tactile et sa configuration sont également importants. Ils sont chargés d’interpréter les signaux provenant de l’écran tactile, de filtrer les interférences et de distinguer les contacts valides des signaux accidentels, par exemple ceux causés par des sources d’interférence électromagnétique situées à proximité. Un contrôleur correctement sélectionné et configuré permet de maintenir un fonctionnement stable, même dans des environnements de travail exigeants.

C’est pourquoi la résistance aux interférences électromagnétiques doit être considérée comme une caractéristique de l’ensemble de la conception, et non d’un seul composant. Le fonctionnement stable de l’IHM dépend de l’intégration correcte de l’affichage, de l’écran tactile, de l’électronique de commande, du boîtier et du câblage. C’est la conception cohérente de tous ces éléments qui permet de réduire le risque d’interférences d’image, d’erreurs de fonctionnement tactile ou de performances incorrectes de l’appareil dans un environnement industriel.

Températures de fonctionnement

Lors de la sélection d’un écran pour une application IHM, la plage de température dans laquelle l’appareil fonctionnera doit également être prise en compte. Cela vaut aussi bien pour les températures basses que pour les températures élevées, ainsi que pour les changements brusques de température.

La température affecte non seulement l’écran lui-même, mais aussi tous les composants de l’appareil et leurs interactions. Outre la matrice et l’écran tactile, il faut tenir compte des joints, de l’électronique de commande et de ses composants, des modules de communication, des alimentations, des batteries, des câbles, des connecteurs, des éléments de montage, du boîtier et des systèmes de refroidissement ou de chauffage. Chacun de ces composants peut réagir différemment aux changements de température et son comportement peut affecter le fonctionnement d’autres éléments du système.

Les températures élevées peuvent accélérer le vieillissement des composants électroniques, réduire la durée de vie du rétroéclairage, modifier les paramètres de fonctionnement des circuits intégrés, dégrader les matériaux optiques, affaiblir les propriétés adhésives ou réduire l’élasticité des joints. Les basses températures, quant à elles, peuvent affecter les performances des batteries, le temps de réponse des écrans, les propriétés mécaniques des plastiques et la fiabilité des connexions électriques. Les changements brusques de température constituent un défi supplémentaire, car ils peuvent entraîner une condensation de l’humidité, des contraintes mécaniques et des différences de dilatation thermique entre les différents matériaux.

C’est pourquoi la résistance à la température doit être analysée au niveau de l’ensemble de l’appareil, en tenant compte à la fois des paramètres des composants individuels et de la manière dont ils sont intégrés. Même si l’écran lui-même est apte à fonctionner dans une plage de températures exigeante, un autre élément du système peut devenir le facteur limitant. Selon les conditions de fonctionnement, il peut également être nécessaire d’utiliser des solutions de gestion thermique telles que des dissipateurs de chaleur, des ventilateurs, une ventilation bien conçue ou des appareils de chauffage.

Une analyse complète des conditions thermiques permet de réduire le risque de problèmes opérationnels et de garantir la stabilité des performances de l’appareil tout au long de sa durée de vie.

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Le choix d’un écran pour une application IHM est une décision qui affecte non seulement l’apparence de l’interface, mais aussi la facilité d’utilisation, la fiabilité de l’appareil et l’interprétation correcte des données par l’utilisateur. Lors de la sélection d’un écran, il convient de tenir compte du type d’informations affichées, de la dynamique de l’interface, des conditions d’éclairage, de la technologie tactile, de la résistance aux dommages mécaniques, à la poussière, à l’eau, à la contamination et aux interférences électromagnétiques.

La création d’une solution optimale dépend d’une analyse approfondie de l’ensemble du contexte de l’application. C’est pourquoi l’écran doit être considéré comme un élément d’un dispositif complet – avec l’écran tactile, le verre de protection, l’électronique de commande, le boîtier, l’étanchéité, le câblage et la méthode de montage. Seule la bonne adéquation de ces éléments permet de créer une IHM lisible, pratique à utiliser et stable dans les conditions d’utilisation prévues.

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