Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Výběr LCD pro průmyslové stroje a zařízení

Základním prvkem téměř všech jednotek pro komunikaci mezi strojem a obsluhou (HMI) jsou displeje. Jde-li o stroje a zařízení určené pro průmyslovou výrobu, musí displeje splňovat mnohé specifické požadavky, odlišné od požadavků kladených na displeje pro spotřební elektroniku, elektroniku v automobilech, informačních panelech atd.
V moderních průmyslových strojích a zařízeních se nejčastěji používají displeje TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display). Jim se bude věnovat také tento článek. Jaké parametry by měly displeje určené pro průmyslové prostředí splňovat?
 

Optické vlastnosti

Na prvním místě je to rozsah kontrastu, tedy rozdíl mezi jasem tmavých a světlých zobrazovacích bodů. LCD určené např. pro osobní počítače obvykle vystačí s rozsahem kontrastu 200 : 1, protože u nich lze snadno zajistit, aby se na ně obsluha dívala ze správné vzdálenosti a pokud možno přímo. U průmyslových zařízení je tomu jinak: vzdálenost mezi displejem a pozorovatelem bývá větší než optimální a displej musí být čitelný i z větších úhlů. Nelze zajistit ani optimální světelné podmínky. Proto se zde s uvedeným rozsahem kontrastu většinou nevystačí a doporučuje se používat displeje s hodnotou okolo 450 : 1.
Rozsahu kontrastu se někdy zjednodušeně říká jen kontrast. Kontrast je však definován jako podíl rozdílu jasů nejtmavšího a nejsvětlejšího bodu a průměrného jasu; není tedy jen vlastností displeje, ale i toho, co displej zobrazuje.
Na druhém místě lze jmenovat barevné podání. Teorie barevných modelů a profilů zařízení je poměrně komplikovaná, ale zjednodušeně lze konstatovat, že barevné podání LCD je ovlivněno především podsvětlením. Principů podsvětlení je více; v současné době se do popředí dostává podsvětlení s využitím LED. Ve srovnání s podsvětlením s fluorescenčními výbojkami CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp), což je jiný často používaný způsob podsvětlení, umožňuje zobrazit větší barevný prostor. Pro průmyslovou automatizaci jsou displeje s podsvětlením s LED vhodné mj. také proto, že nejsou citlivé na mechanické otřesy a vibrace.
Obecně u průmyslových zařízení zpravidla nebývají požadavky na barevné podání tak velké jako např. u televizorů s LCD nebo u monitorů pro grafická studia.
Podsvětlením je ovlivňován také jas displeje, parametr, který je u průmyslových zobrazovačů obvykle důležitější než barevné podání. Zatímco u kancelářských displejů s úhlopříčkou 15" postačuje jas mezi 250 a 300 cd/m2, u průmyslových displejů se doporučuje volit jas alespoň 450 cd/m2. Je nutné pamatovat na to, že použití dotykového stínítka jas displeje snižuje.
Displeje pro průmyslové stroje a zařízení se musí vypořádat s vlivem okolního světla, které může podstatně zhoršit viditelnost údajů na displeji. Výrobci displejů přišli na několik způsobů, jak vliv okolního světla nejen eliminovat, ale dokonce jej využít ke zvýšení jasu displeje. Využívá se při tom odrazná plocha umístěná pod displejem, zabírající, podle konstrukce, zhruba 5 % plochy displeje. Dopadající světlo se zde odráží, a zvyšuje tak jas displeje. Displej s tímto uspořádáním se nazývá transflektivní (běžné displeje s podsvětlením se nazývají transmisivní; displeje bez podsvětlení, využívající pouze odražené světlo, jsou reflexivní; obr. 1).
Další udávanou charakteristikou je doba odezvy displeje. Doba odezvy u běžných LCD přibližně 20 ms většinou postačuje i v průmyslu; pouze v některých případech, např. pro zobrazení vysoce dynamických jevů, je nutné použít displeje s kratší dobou odezvy. Speciálními metodami lze dosáhnout doby odezvy až 6 ms, což vyhovuje i pro vysoce dynamické videosekvence.
Velmi důležitou charakteristikou je také pozorovací úhel. Výrobci používají speciální konstrukční uspořádání, aby jej co nejvíce rozšířili. Běžně se lze setkat s displeji o pozorovacím úhlu 160° i více. Na obr. 2 je znázorněn princip jedné z metod rozšiřujících pozorovací úhel: Mobile Advanced Super View (ASV) od firmy Sharp. Displeje využívající Mobile ASV jsou vhodné zejména pro přenosná zařízení – PDA, videokamery apod. U klasického displeje jsou kapalné krystaly v displeji uspořádány paralelně. Proto osoby 1 a 2 vidí obraz s různým jasem a kontrastem, osoba 3 dokonce nevidí žádný obraz. U displejů s Mobile ASV jsou kapalné krystaly uspořádány koncentricky, a osoby 4, 5 a 6 proto vidí obraz ve stejné kvalitě.
Ve speciálních případech se naopak požaduje, aby pozorovací úhel byl co nejmenší a údaje na displeji nebyly čitelné pro osoby, které nejsou přímo před displejem. K dispozici jsou i displeje, kde lze úhel pohledu podle potřeby měnit nebo které zobrazují současně dva obrazy, z nichž každý je viditelný z jiného úhlu. Ty se ale spíše než v průmyslu používají v reklamě nebo jako informační panely – např. cestující jedoucí po eskalátoru do metra vidí na takovém displeji umístěném na boční stěně eskalátorové šachty jiné informace než cestující jedoucí opačným směrem.
 

Další vlastnosti

Rozměry displeje se obvykle udávají délkou úhlopříčky v palcích. Nejmenší displeje, s úhlopříčkou 2" až 4", jsou typické pro průmyslové kapesní počítače nebo jednotky dálkového ovládání. Jejich podíl na trhu je přibližně 8 %. Měřicí a zkušební zařízení mívají displeje mezi 5" a 9" (podíl na trhu 13 %). Displeje mezi 10" až 15" se používají u širokého spektra řídicích jednotek a průmyslových přenosných počítačů a zaujímají 70 % trhu displejů. Větší průmyslové displeje, od 16" zhruba do 29", se používají méně často, jejich podíl na trhu je přibližně 9 % (podíly na trhu jsou podle průzkumu společnosti iSuppli z roku 2006). Novým trendem jsou širokoúhlé průmyslové displeje s poměrem stran 16 : 9. Kromě toho, že nový, zatím neobvyklý formát displeje snáze zaujme zákazníkovu pozornost, mají tyto displeje i další výhody, zvláště tam, kde se využívá multimediální obsah. Například umožňují na jednom displeji současně zobrazit videozáznam i dodatečné textové a grafické informace nebo poskytují větší prostor pro zobrazení tlačítek u displejů s dotykovým stínítkem. Příklad širokoúhlého displeje je na obr. 3; je to displej LQ043T3DX02 (Sharp). K jeho základním parametrům kromě poměru stran 16 : 9 a velikosti úhlopříčky 4,3" patří jas 165 cd/m2, rozsah kontrastu 400 : 1, doba odezvy 60 ms a pozorovací úhel 160°. Tento displej je vhodný např. pro GPS v automobilech. Obdobný displej LQ043T1DG01, představený v časopise Automa 8-9/2007 na str. 48, má na rozdíl od předchozího jas 500 cd/m2, rozsah kontrastů 300 :1 a pozorovací úhel 120°. Díky těmto vlastnostem je zvláště vhodný pro PDA určená do průmyslového prostředí.
Životnost displeje je ovlivněna především životností jeho podsvětlení. Obvykle se udává v tisících hodin provozu. Dobré displeje pro průmyslová zařízení mají životnost podsvětlení okolo 50 tisíc hodin, zatímco běžné displeje pro spotřební elektroniku asi pětkrát kratší. Protože životnost displeje je obvykle kratší než životnost jím vybaveného zařízení, je dobré myslet na možnost snadné výměny.
Zvláště u displejů přenosných přístrojů a displejů určených pro použití v dopravní technice je důležitá odolnost proti vibracím a nárazům. Používají se speciální konstrukční uspořádání a displeje procházejí náročnými testy.
Zvláště u displejů přenosných přístrojů a displejů určených pro použití v dopravní technice je důležitá odolnost proti vibracím a nárazům. Používají se speciální konstrukční uspořádání a displeje procházejí náročnými testy.
Cena displeje je důležitá, ovšem u průmyslových zařízení je obvykle jen malou částí ceny celého zařízení. Zákazníci jsou ochotni si připlatit za kvalitu. Zatímco u spotřebního zboží se dnes mnohdy počítá s životností displeje jeden rok i méně, u průmyslového zařízení by každoroční výměna displeje byla těžko přijatelná.
Dostupnost displeje by měla být co nejdelší. Výrobce při uvádění nového výrobku na trh musí počítat s tím, že konstruktéři strojů a zařízení musí mít čas na to, vyvinout nová zařízení nebo přizpůsobit již existující tak, aby co nejlépe využívala vlastnosti nového displeje. Specifikace nového displeje by proto měla být konstruktérům známa alespoň čtvrt roku před jeho uvedením na trh. Stejně tak při ukončení výroby solidní výrobce oznámí zákazníkovi s dostatečným předstihem, alespoň půlročním, kdy může uplatnit poslední objednávky.
 

Závěrem

Průmyslové displeje mají mnohé odlišnosti, vyplývající jak z provozních podmínek, jimž jsou vystaveny, tak z požadavku na podstatně delší životnost než u spotřební elektroniky. Specifikace správného displeje je obtížná a časově náročná úloha. Konstruktérům lze doporučit osvědčenou „zkratku“: obrátit se na spolehlivého výrobce a ptát se jej na zkušenosti s použitím displejů na strojích a zařízeních co nejvíce podobných jimi vyvíjeným produktům.
 
(S využitím referátu [Peruvemba, S. K.: Making the Right Display Choice for Industrial Applications. Sharp Microelectronics of the Americas, 2007], záznamu přednášky [Wagschal, G.: Wide Format TFTs For Industrial Applications] přednesené 10. září 2007 na Sharp Innovation Forum, Kloster Seeon, SRN, a technických podkladů firmy Sharp Microelectronics Europe, dostupných na http://www.sharpsme.com)
Petr Bartošík
 
Obr. 1. Transflektivní displeje částečně využívají k podsvětlení dopadající světlo a tím zvyšují čitelnost (a – transmisivní TFT LCD, b – reflektivní High Reflective TFT LCD, c – transflektivní Advanced TFT LCD, schéma Sharp Microlelectronics)
Obr. 2. Princip Mobile ASV (a – klasický displej, b – Mobile ASV, Sharp Microelectronics)
Obr. 3. Širokoúhlý průmyslový displej Sharp LQ043T3DX02