HMI（人機(jī)界面）是指在用戶與設(shè)備之間提供直接對(duì)話并能使用戶控制和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行的設(shè)備部件，包括供用戶觀察、修改和設(shè)置內(nèi)部軟件運(yùn)行過程及數(shù)據(jù)的硬件和軟件。HMI是人與機(jī)器之間信息交換和高效協(xié)作的主要媒介，用戶通過HMI接收來自機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)等信息，經(jīng)過分析處理后作出相應(yīng)決策，然后通過HMI進(jìn)行相關(guān)的輸入與控制操作，機(jī)器接收到這些指令后，做出特定的響應(yīng)。
HMI（Human Machine Interface）作為人機(jī)交互的關(guān)鍵紐帶，在提升生產(chǎn)效率、保障產(chǎn)品質(zhì)量、降低運(yùn)營成本、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新等方面發(fā)揮著重要作用，并在石油、化工、鋼鐵、電力、制藥、食品飲料、水處理等流程行業(yè)以及汽車、光伏、鋰電等離散型制造業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，HMI可分為工業(yè)自動(dòng)化HMI、汽車HMI、醫(yī)療設(shè)備HMI、智能家居HMI等，不同領(lǐng)域的HMI在構(gòu)成和特點(diǎn)上有所不同。本文將聚焦工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，介紹HMI的發(fā)展、構(gòu)成及特點(diǎn)，探討其選型原則，分析其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的典型應(yīng)用，并對(duì)國內(nèi)外主流的HMI廠商進(jìn)行盤點(diǎn)，為工業(yè)企業(yè)提供參考借鑒。
HMI這一術(shù)語源于人機(jī)工程學(xué)。伴隨著人機(jī)工程學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，HMI從早期的手動(dòng)控制機(jī)械裝置發(fā)展到命令語言人機(jī)界面、圖形用戶界面，再到語音識(shí)別、視覺反饋等具有多種感知能力的人機(jī)界面，經(jīng)歷了令人激動(dòng)和引人矚目的變化。
圖 1 典型的HMI外觀圖
在工業(yè)革命初期，操作人員主要通過機(jī)械控制臺(tái)來實(shí)現(xiàn)與機(jī)器的交互。這些機(jī)械控制臺(tái)由大量的物理按鈕/旋鈕、開關(guān)和指示燈組成，操作人員需要手動(dòng)操作這些組件來控制設(shè)備運(yùn)行。盡管這種方式直觀易懂、簡單可靠，但其效率相對(duì)較低，人機(jī)交互性有限，并且對(duì)操作人員的技能要求較高。這一階段屬于機(jī)械操作人機(jī)界面時(shí)期，是人機(jī)界面的初級(jí)發(fā)展階段。
20世紀(jì)40年代之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得迅猛發(fā)展，其中磁芯存儲(chǔ)器的誕生、顯示技術(shù)的日益成熟，以及操作系統(tǒng)的涌現(xiàn)，共同推動(dòng)了以命令行為主導(dǎo)的人機(jī)界面成為主流。這一階段人機(jī)交互通過機(jī)器語言以命令和詢問方式來完成，用戶使用鍵盤按照一定的規(guī)則輸入字符，形成可供機(jī)器識(shí)別和理解的命令和參數(shù)，并觸發(fā)機(jī)器執(zhí)行。這種方式交互效率高，支持豐富靈活的指令形式，但交互界面不直觀，易出錯(cuò)且難學(xué)習(xí)，要求用戶具備計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和技能。這一階段被認(rèn)為是人機(jī)對(duì)峙階段。
20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、軟件工程、窗口系統(tǒng)等軟件技術(shù)的進(jìn)步，圖形用戶界面應(yīng)運(yùn)而生。圖形用戶界面通常由窗口、圖標(biāo)、菜單、指示器組成，窗口是交互的基礎(chǔ)區(qū)域。這種界面采用圖形顯示方式進(jìn)行人機(jī)交互，用戶通過控制指示器或觸屏方式，來對(duì)窗口、圖標(biāo)和菜單等顯示元素進(jìn)行指點(diǎn)操作，從而完成交互任務(wù)。這種交互方式擺脫了抽象的命令，具有形象直觀的操作體驗(yàn)，交互便捷高效，但交互信息局限性較大，對(duì)于抽象的交互信息不易表現(xiàn)，對(duì)用戶指點(diǎn)操作的精度也有較高要求。這一階段被認(rèn)為是人機(jī)協(xié)調(diào)階段。
21世紀(jì)初期，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)高速發(fā)展并被廣泛關(guān)注，HMI開始了從傳統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的深刻轉(zhuǎn)變。例如三維人機(jī)界面，用戶能夠以三維立體的方式查看、操作和控制工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)、直觀的交互體驗(yàn)。此外，用戶還能夠通過語音或肢體動(dòng)作與三維空間中的界面元素進(jìn)行交互，計(jì)算機(jī)通過捕捉用戶的語音指令或動(dòng)作進(jìn)行意圖推理，以觸發(fā)對(duì)應(yīng)的交互功能。這一交互方式突破了二維界面的限制，提升了交互自然度，但需要有強(qiáng)大的處理器和顯卡作支撐，硬件成本、界面開發(fā)和維護(hù)成本高，且存在較難進(jìn)行交互意圖的精準(zhǔn)理解等問題。
圖 2 HMI發(fā)展歷程
HMI的構(gòu)成、特點(diǎn)及選型原則
典型的HMI由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括處理單元、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等，其中處理單元是HMI的核心單元，決定了HMI性能的高低。目前，高性能的HMI處理單元主要為64位多核多線程處理器，如STM32MP2系列和國產(chǎn)Model4系列等。
顯示單元主要指顯示屏，用于數(shù)值/文本信息、圖形對(duì)象顯示，參數(shù)控制和配置。常見的顯示屏包括彩色屏、灰度屏、單色屏等，其中LED背光彩色屏應(yīng)用較為廣泛。
輸入單元主要有鍵盤、觸摸屏和鼠標(biāo)，其中鍵盤和觸摸屏應(yīng)用比較廣泛。
通訊接口根據(jù)不同需求有多種接口方式，常見通訊接口包括RS-232/422/485串行通訊、CAN通訊、Ethernet通訊、IIC等。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元主要有SD存儲(chǔ)卡、USB記憶棒等，用于存儲(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和備份應(yīng)用程序。
圖 3 典型的HMI硬件構(gòu)成
HMI軟件包括界面設(shè)計(jì)軟件和HMI硬件中的系統(tǒng)軟件兩部分。用戶需在PC機(jī)上通過界面設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)畫面，再通過計(jì)算機(jī)和人機(jī)界面的通信接口，將設(shè)計(jì)好的畫面編譯后傳遞至HMI。HMI硬件中的系統(tǒng)軟件由三部分組成：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、處理器系統(tǒng)內(nèi)核軟件和界面設(shè)計(jì)軟件生成程序。其中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與具體設(shè)備緊密相連，具備與主流PLC通訊的能力。處理器系統(tǒng)內(nèi)核軟件一般指嵌入式操作系統(tǒng)或具備操作系統(tǒng)功能的軟件。
圖 4 HMI軟件構(gòu)成
HMI作為連接人與機(jī)器的橋梁，其實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的過程是通過多種通信方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、顯示、指令輸入與傳遞以及反饋與調(diào)整的過程。HMI通過通訊接口連接PLC、傳感器、變頻器、儀表等，實(shí)時(shí)采集設(shè)備工作狀態(tài)和重要參數(shù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，HMI顯示單元以圖形、文字、數(shù)字等形式向用戶展示。用戶通過HMI輸入單元，輸入操作指令或調(diào)整參數(shù)，通過相應(yīng)的通信協(xié)議傳遞給PLC或其他工業(yè)控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作和控制。設(shè)備在執(zhí)行操作后，會(huì)將執(zhí)行結(jié)果和狀態(tài)變化反饋給HMI，并通過顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示。
圖 5 HMI模型示意圖
相較于工業(yè)PC機(jī)，HMI具有輕便小巧，交互性強(qiáng)，直觀易用，可靠性高，兼容性好等特點(diǎn)，為用戶現(xiàn)場操控提供極大的便利。
交互性。HMI支持多種交互方式，如語音、手勢(shì)、觸摸屏、物理按鈕、鍵盤等，用戶可以方便地輸入指令、調(diào)整參數(shù)，并與設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。同時(shí)，HMI憑借良好的響應(yīng)性能，快速響應(yīng)用戶的操作，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)，為用戶提供及時(shí)的信息反饋，保障交互的流暢性和實(shí)時(shí)性。
易用性。HMI具有直觀的操作界面和形象的圖形顯示功能。在操作界面上，HMI更加直觀友好，更貼合工業(yè)操作人員的日常習(xí)慣和實(shí)際需求。操作人員可以根據(jù)自己的工作流程和偏好，靈活的進(jìn)行界面?zhèn)€性化設(shè)置，提高操作效率和使用舒適度。在數(shù)據(jù)可視化方面，HMI可以將復(fù)雜的數(shù)據(jù)和信息以圖形化的方式展示，提供形象的數(shù)據(jù)可視化效果，使得操作人員能夠更直觀地了解設(shè)備狀態(tài)，并迅速做出判斷和決策。
可靠性。在工業(yè)生產(chǎn)中，HMI的工作環(huán)境往往比較嚴(yán)苛且具挑戰(zhàn)性，要求其必須具備堅(jiān)固耐用的特性，能夠在高溫、低溫、高濕、高壓、振動(dòng)、鹽霧、粉塵等各種惡劣的工作環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，HMI軟件更加專注于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的功能實(shí)現(xiàn)，且經(jīng)過專業(yè)的優(yōu)化和調(diào)試，能夠在長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的情況下保持穩(wěn)定。
兼容性。HMI具備廣泛的通信協(xié)議支持能力，涵蓋Modbus、TCP/IP等多種協(xié)議，這種多樣化通信協(xié)議的兼容性，使得HMI能夠與不同層級(jí)和不同類型的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，HMI具備靈活的數(shù)據(jù)格式適配、與其他系統(tǒng)的無縫集成以及良好的電磁兼容性，使得其能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效、可靠的人機(jī)交互，提高生產(chǎn)效率。
如何選擇適合自己的HMI，是企業(yè)經(jīng)常面臨的一項(xiàng)重要決策。企業(yè)在HMI選型時(shí)，需要從兼容性、性能參數(shù)、功能需求、可靠性、易用性、成本等多維度進(jìn)行綜合考慮。
產(chǎn)品與軟硬件的兼容性。企業(yè)首先需要了解HMI的通信接口參數(shù)，例如是否有對(duì)應(yīng)的物理接口，是否支持以太網(wǎng)通信，是否支持?jǐn)U展，支持外設(shè)數(shù)量和類型等?？紤]HMI與將要連接的設(shè)備和系統(tǒng)的兼容性，包括控制系統(tǒng)、通信協(xié)議和設(shè)備使用的數(shù)據(jù)格式等，是否能與之通信和協(xié)同工作。
性能與任務(wù)要求的一致性。HMI性能參數(shù)涵蓋了中央處理器性能、存儲(chǔ)容量、顯示尺寸、分辨率、顯示亮度、色彩等多個(gè)方面，其中中央處理器主頻和核心數(shù)、內(nèi)存是衡量HMI性能的關(guān)鍵指標(biāo)。中央處理器主頻越高，核心數(shù)越多，其處理速度越快。內(nèi)存越大，HMI運(yùn)行越流暢。企業(yè)需依據(jù)HMI即將承擔(dān)的任務(wù)，來評(píng)估所需的處理速度、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量。例如，對(duì)于涉及大量數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜圖像呈現(xiàn)的應(yīng)用，應(yīng)選擇主頻高和內(nèi)存大的HMI。
功能與企業(yè)需求的匹配度。企業(yè)應(yīng)明確通過HMI需要實(shí)現(xiàn)哪些功能，如數(shù)據(jù)顯示、圖表生成、報(bào)警提示、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。例如，當(dāng)企業(yè)頻繁根據(jù)新需求對(duì)分析報(bào)表進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整時(shí)，選擇一款具備強(qiáng)大數(shù)據(jù)可視化功能且界面可靈活定制的HMI至關(guān)重要。同時(shí)，界面是否直觀易用、圖標(biāo)和按鈕是否清晰易懂也值得企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注。
產(chǎn)品成熟度與可靠性。在HMI選型時(shí)，企業(yè)需要關(guān)注產(chǎn)品是否有同行業(yè)的成功實(shí)施案例，了解其在同行業(yè)或相近行業(yè)的表現(xiàn)，進(jìn)而判斷該產(chǎn)品是否合適。此外，由于各行業(yè)對(duì)HMI工作環(huán)境的要求各異，企業(yè)需要根據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境的具體要求，選擇具有相應(yīng)防護(hù)等級(jí)和耐用度的產(chǎn)品。例如，在食品行業(yè)，需要選擇具備耐低溫、防水等特性的產(chǎn)品；在化工行業(yè)，需要選擇具備高精度、耐腐蝕、防塵等特性的產(chǎn)品；而在冶金行業(yè)，則應(yīng)選擇能夠承受高溫和振動(dòng)等惡劣環(huán)境的產(chǎn)品。
總體成本。在進(jìn)行HMI選型時(shí)，不宜盲目追求技術(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品高性能，而應(yīng)注重合理控制成本。企業(yè)在考慮產(chǎn)品一次性購買成本的同時(shí)，還需全面權(quán)衡實(shí)施、維護(hù)、升級(jí)改造等總體成本。目前部分廠商針對(duì)自身的產(chǎn)品提供了配套的服務(wù)，企業(yè)應(yīng)依據(jù)自身實(shí)際的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求，來選擇一款既能滿足生產(chǎn)需求，又具備合理成本的產(chǎn)品。
HMI作為工業(yè)自動(dòng)化的重要組成部分，以其直觀、高效、智能的優(yōu)勢(shì)，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了前所未有的變革。HMI目前已在石油、化工、鋼鐵、電力、制藥、水處理等流程行業(yè)以及汽車、光伏、鋰電、機(jī)械等離散型制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用場景廣泛且多樣，涵蓋了產(chǎn)線監(jiān)控、設(shè)備控制、物流倉儲(chǔ)管理、能源管理、安全監(jiān)控等。
隨著制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速推進(jìn)，產(chǎn)線實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控已成為企業(yè)提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源配置、保障產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)的重要手段。而HMI如同一雙銳利的眼睛，能夠?qū)崟r(shí)洞察生產(chǎn)脈搏。通過HMI，操作人員可以清晰掌握生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，包括設(shè)備的工作狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、產(chǎn)品合格率等關(guān)鍵信息，不僅提高了生產(chǎn)效率，還保障了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。當(dāng)生產(chǎn)線出現(xiàn)異常時(shí)，HMI會(huì)立即通過短信、語音等方式發(fā)出報(bào)警信號(hào)，引導(dǎo)操作人員迅速定位問題并采取相應(yīng)措施，從而有效避免生產(chǎn)延誤和損失。
例如，某知名螺栓制造企業(yè)，采用基于Web的HMI解決方案，采集不同品牌設(shè)備的PLC數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，通過OPC UA與HMI進(jìn)行通信，HMI將每臺(tái)設(shè)備的近50個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為易于閱讀的圖形元素，這些圖形元素可在各種支持HTML5的設(shè)備（如手機(jī)、平板電腦等）上訪問，操作人員能即時(shí)監(jiān)控特定機(jī)器的運(yùn)行狀況，同時(shí)也能隨時(shí)獲得整個(gè)生產(chǎn)過程的總體性能概覽。
圖 6 基于Web的HMI解決方案設(shè)備監(jiān)控畫面
（圖源：北爾電子官網(wǎng)）
在設(shè)備控制方面，HMI的直觀、易用特性得到了充分發(fā)揮，成為靈活操控的生產(chǎn)利器。通過HMI界面，操作人員可以方便地啟停設(shè)備、調(diào)節(jié)參數(shù)、設(shè)定工藝等。這種控制方式不僅簡化了操作流程，降低了操作難度和復(fù)雜度，還提高了設(shè)備操控的便捷性和靈活性。在自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)環(huán)境中，HMI甚至可以實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的一鍵啟停，大大提升了生產(chǎn)效率。此外，HMI的遠(yuǎn)程訪問和管理功能，使操作人員能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)一步提高了工作效率。
例如，某飲料企業(yè)采用西門子SMART LINE HMI解決方案，通過HMI參數(shù)設(shè)置欄可選擇設(shè)備運(yùn)行模式，設(shè)定克重、罐料速度、伺服返回速度等，標(biāo)定偏差值，從而提高罐裝精準(zhǔn)度和效率。在狀態(tài)欄可動(dòng)態(tài)顯示伺服運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前速度和位置、罐料儲(chǔ)存器的液面位置、罐裝容器的填罐進(jìn)度、罐裝累計(jì)次數(shù)等，為操作人員分析設(shè)備性能，發(fā)現(xiàn)潛在問題并進(jìn)行優(yōu)化決策提供支撐。
圖 7 SMART LINE HMI解決方案設(shè)備控制畫面
（圖源：西門子官網(wǎng)）
在倉儲(chǔ)物流方面，高效準(zhǔn)確的庫存管理、訂單的快速響應(yīng)，以及資源的最優(yōu)配置是備受關(guān)注的核心問題。HMI為倉儲(chǔ)物流管理提供了一個(gè)直觀易用的操作界面，操作人員可以通過HMI遠(yuǎn)程控制倉儲(chǔ)設(shè)備，如堆垛機(jī)、物流小車等，實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)入庫、出庫、庫內(nèi)調(diào)度等作業(yè)。通過HMI，操作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控倉庫實(shí)時(shí)狀態(tài)，如貨物的存儲(chǔ)位置、數(shù)量、移動(dòng)狀態(tài)等。HMI與RFID、條形碼等技術(shù)的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了貨物的精準(zhǔn)追蹤和高效調(diào)度，顯著提升了倉儲(chǔ)物流的運(yùn)作效率與智能化水平。
例如，某醫(yī)藥企業(yè)采用西門子SIMATIC HMI解決方案，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC相連進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)入庫、出庫、移庫作業(yè)，自動(dòng)召回到指定位置，以及自動(dòng)回收空托盤等作業(yè)，極大地提高了倉儲(chǔ)物流效率。此外，操作人員能夠通過HMI直觀查看PLC中各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，進(jìn)而判斷倉儲(chǔ)設(shè)備各電氣元件的通斷情況以及故障點(diǎn)的位置，無需到上位機(jī)系統(tǒng)中查看和解除故障，大大縮短了故障判斷和排查時(shí)間，提高了倉儲(chǔ)效率和響應(yīng)速度。
圖 8 SIMATIC HMI解決方案入庫作業(yè)畫面
（圖源：西門子官網(wǎng)）
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，HMI的應(yīng)用場景不斷拓展，特別是在能源管理方面，其發(fā)揮的作用日益顯著。通過HMI直觀的操作界面，操作人員可以遠(yuǎn)程操控能耗設(shè)備，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和設(shè)備開閉控制，不僅提高了操作的便利性，還降低了人力和時(shí)間成本。此外，通過HMI將能源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如能耗、電壓、電流等）以圖表、儀表盤等形式展現(xiàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電能、水能、燃?xì)獾饶茉吹氖褂们闆r，使管理者能夠迅速掌握能耗狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，制定節(jié)能策略，不僅提高了管理效率，還降低了運(yùn)維成本。
例如，某汽車企業(yè)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和智能控制技術(shù)，通過HMI智能輸出控制指令，實(shí)現(xiàn)塔燈、空調(diào)、工位照明及風(fēng)扇等設(shè)備能耗的動(dòng)態(tài)精細(xì)化管控。企業(yè)通過PLC采集車間所有塔燈控制信號(hào)，并在HMI上依據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃設(shè)立節(jié)能模式開啟時(shí)間，實(shí)現(xiàn)塔燈在非生產(chǎn)時(shí)段、無作業(yè)區(qū)域自動(dòng)關(guān)停，有效降低車間能耗。對(duì)于電控柜空調(diào)開關(guān)的控制，企業(yè)增設(shè)了溫度傳感器、繼電器及斷路器，接入了線體 PLC，通過HMI設(shè)置遠(yuǎn)程操作按鈕，采用Message指令實(shí)現(xiàn)了全廠空調(diào)聯(lián)網(wǎng)控制，一鍵遠(yuǎn)程關(guān)停，節(jié)約了能源。在工位照明及風(fēng)扇管理上，企業(yè)接入了PLC，編寫了工位照明及風(fēng)扇節(jié)能智能自動(dòng)控制程序和HMI控制界面，操作人員通過HMI迅速且便捷的實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)線照明和風(fēng)扇的遠(yuǎn)程控制，按需開啟。
安全是工業(yè)生產(chǎn)永恒的主題，HMI在實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)防事故、應(yīng)急響應(yīng)等方面，為企業(yè)筑起了一道堅(jiān)固的安全防線。借助HMI直觀的操作界面，操作人員能夠高效的監(jiān)控和控制復(fù)雜的工業(yè)過程，實(shí)時(shí)掌握工業(yè)場所的安全狀態(tài)，包括泄漏、火災(zāi)、危險(xiǎn)操作等潛在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于檢測(cè)到安全隱患，HMI立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，引導(dǎo)操作人員采取相應(yīng)的安全措施。此外，HMI還可以與消防、安防等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更為智能化的安全管控。
例如，某醫(yī)藥企業(yè)應(yīng)用倍加福VisuNet GXP HMI解決方案，將車間現(xiàn)場危險(xiǎn)點(diǎn)、應(yīng)急資源整合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場的全方位、全天候監(jiān)控，提高了現(xiàn)場監(jiān)管和應(yīng)急管理的能力。操作人員通過HMI屏幕直觀查看生產(chǎn)線上的各項(xiàng)安全參數(shù)（如溫度、壓力、流量等），以及藥品儲(chǔ)罐等設(shè)備填充和排放狀態(tài)，無需進(jìn)入敏感的生產(chǎn)區(qū)域，便可迅速、高效的了解生產(chǎn)安全狀況。一旦檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)或潛在風(fēng)險(xiǎn)，HMI立即觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，通過聲光電報(bào)警、短信或郵件通知等方式，迅速提醒相關(guān)人員采取措施，有效避免了安全事故的發(fā)生。
圖 9 VisuNet HMI遠(yuǎn)程控制架構(gòu)
（圖源：倍加福官網(wǎng)）
人工智能、大模型等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為HMI的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。未來，HMI將在交互方式、信息呈現(xiàn)方式、產(chǎn)品功能等方面發(fā)生變化，朝著多層次互動(dòng)、更便捷人性化、更智能的方向發(fā)展。
多模態(tài)交互融合。在交互方式上，HMI不再局限于單一的交互方式，而是將觸控、語音、手勢(shì)、生物識(shí)別等多種模態(tài)進(jìn)行融合。用戶通過語音指令控制設(shè)備的同時(shí)，結(jié)合手勢(shì)操作能夠進(jìn)行功能切換或參數(shù)調(diào)整，提高交互的效率和便捷性。此外，利用眼動(dòng)追蹤技術(shù)，HMI可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的視線焦點(diǎn)，根據(jù)用戶的目光停留位置和時(shí)間，自動(dòng)判斷用戶的需求并進(jìn)行相應(yīng)的操作。
人工智能技術(shù)應(yīng)用。人工智能技術(shù)賦予HMI智能助手的功能，使其不僅能依據(jù)實(shí)時(shí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)深入分析，挖掘潛在故障模式，進(jìn)行設(shè)備故障提前預(yù)警；還能夠理解用戶的自然語言指令，并根據(jù)用戶的需求提供建議，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制和優(yōu)化。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)與HMI深度融合，使得操作人員能夠直觀獲取設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)、維修指導(dǎo)等信息，極大提升操作的便捷性和效率。
數(shù)據(jù)可視化升級(jí)。未來HMI不僅限于簡單地展示數(shù)值和靜態(tài)圖形報(bào)告，而是以更加吸引人的形式展現(xiàn)信息背后的故事，例如更逼真和絲滑的動(dòng)畫。通過將數(shù)據(jù)以情境化方式進(jìn)行表達(dá)，確保信息的準(zhǔn)確傳達(dá)并提升用戶的理解程度。
高度可定制化。隨著市場競爭的加劇和用戶需求的多樣化，高度可定制的HMI解決方案成為大勢(shì)所趨。在界面定制方面，用戶可以根據(jù)自己的喜好和需求，自定義更專業(yè)和符合習(xí)慣的用戶界面，包括主題風(fēng)格、圖標(biāo)、布局等。在功能定制方面，用戶可以根據(jù)行業(yè)特性和使用需求，對(duì)啟動(dòng)、停止、參數(shù)調(diào)整等功能進(jìn)行個(gè)性化定制，以滿足不同行業(yè)和應(yīng)用場景的需求。HMI也可以根據(jù)用戶的使用習(xí)慣和場景自動(dòng)調(diào)整界面布局和功能顯示，提供更為個(gè)性化的交互體驗(yàn)。
統(tǒng)一開放平臺(tái)化。HMI正逐步從單一的控制面板發(fā)展成為統(tǒng)一、開放、可擴(kuò)展的HMI平臺(tái)。HMI平臺(tái)采用多協(xié)議識(shí)別、內(nèi)部數(shù)據(jù)分析過濾技術(shù)，通過統(tǒng)一的通信接口，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備互聯(lián)。HMI平臺(tái)能夠兼容不同的操作系統(tǒng)、不同的通信協(xié)議以及不同的顯示設(shè)備，通過云連接，操作人員在WEB客戶端或移動(dòng)設(shè)備APP即可遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，并控制設(shè)備的啟停等。此外，HMI平臺(tái)還支持設(shè)備的遠(yuǎn)程升級(jí)和維護(hù)，有效提升設(shè)備的管理效率和便捷性，降低設(shè)備維護(hù)成本。
HMI作為連接人與機(jī)器的橋梁，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色。當(dāng)前，國際知名的HMI廠商主要集中在歐美及日本等發(fā)達(dá)國家，包括德國的西門子、菲尼克斯電氣、倍福和倍加福，法國的施耐德電氣，瑞士的ABB，瑞典的北爾電子，美國的羅克韋爾自動(dòng)化、伊頓和艾默生，日本三菱電機(jī)、歐姆龍和基恩士等。這些企業(yè)憑借其先進(jìn)的技術(shù)實(shí)力、全面的整體解決方案以及卓越的品牌影響力，在眾多市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。
隨著我國數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入實(shí)施和智能化升級(jí)的加速推進(jìn)，工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，帶動(dòng)了國內(nèi)HMI市場需求的持續(xù)增長。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國HMI領(lǐng)域在產(chǎn)品創(chuàng)新、性能穩(wěn)定性、品牌影響力等方面均取得較大進(jìn)步，整體呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)頭，涌現(xiàn)出研華科技、臺(tái)達(dá)、步科股份、匯川技術(shù)、中控技術(shù)等一批耳熟能詳?shù)腍MI廠商。他們通過不斷技術(shù)研發(fā)和市場拓展，逐步以成套解決方案供應(yīng)商的身份參與市場競爭，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力和市場影響力。
以下將針對(duì)中國市場上主流的HMI廠商進(jìn)行盤點(diǎn)。
西門子（Siemens）作為全球電子電氣工程領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，共推出了精簡、移動(dòng)、按鍵、SMART LINE 4大系列HMI產(chǎn)品，其HMI產(chǎn)品集成了先進(jìn)的顯示技術(shù)、觸控技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力及通信接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)設(shè)備的直觀控制與監(jiān)控，處于市場領(lǐng)先地位。
圖 10 西門子HMI產(chǎn)品（圖源：西門子官網(wǎng)）
2、三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）
三菱電機(jī)是全球市場領(lǐng)先的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商，在HMI領(lǐng)域，推出了GOT2000、GOT1000、GOT SIMPLE、GT SoftGOT系列產(chǎn)品。其中GOT2000系列HMI產(chǎn)品，采用了智能交互設(shè)計(jì)，具有高度的兼容性和高操作性能，能夠支持多種通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)接口，可與各種自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)無縫對(duì)接，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、紡織、電氣、包裝、化工等多個(gè)領(lǐng)域。
圖 11 三菱電機(jī)HMI產(chǎn)品（圖源：三菱電機(jī)官網(wǎng)）
3、施耐德電氣（Schneider Electric）
施耐德電氣在HMI方面，先后推出了Harmony ST6、Magelis GTU、Magelis STU等HMI產(chǎn)品。其中Harmony ST6產(chǎn)品具有多屏幕和布局對(duì)象（?？棵姘澹┕δ?，可將更多信息整合到一個(gè)頁面中。該產(chǎn)品支持Web Viewer功能，可以通過PC、平板電腦、智能手機(jī)等設(shè)備遠(yuǎn)程訪問或操作HMI上的可視化應(yīng)用程序，并預(yù)裝有EcoStruxure安全連接顧問，能夠?qū)崿F(xiàn)HMI和所連接設(shè)備的安全遠(yuǎn)程維護(hù)。
圖 12 施耐德電氣HMI產(chǎn)品（圖源：施耐德電氣官網(wǎng)）
4、菲尼克斯電氣（PHOENIX CONTACT）
菲尼克斯電氣作為工業(yè)自動(dòng)化及電氣制造領(lǐng)域的技術(shù)先鋒，其提供的HMI解決方案涵蓋了從基礎(chǔ)的HMI操作界面，到可在PC平臺(tái)運(yùn)行的高性能圖形密集型工業(yè)可視化系統(tǒng)。其推出的新一代HMI產(chǎn)品TP 6000系列，采用多點(diǎn)觸控應(yīng)用的設(shè)計(jì)，支持-20℃至50℃的寬溫運(yùn)行，具有豐富的通訊驅(qū)動(dòng)，可直接和大部分品牌的PLC通訊。該產(chǎn)品采用開放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，能夠兼容任何Web服務(wù)器，支持遠(yuǎn)程訪問，能夠通過Visu+ Mobile應(yīng)用程序和HTML5 Web客戶端訪問HMI。
圖 13 菲尼克斯電氣HMI產(chǎn)品（圖源：菲尼克斯電氣官網(wǎng)）
近年來，倍福不斷在其HMI平臺(tái)上進(jìn)行迭代升級(jí)，很多倍福的新技術(shù)都在其HMI組件中得到應(yīng)用，比如Vision、Scope、Speech等。TwinCAT HMI是倍福新一代的HMI產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)大、速度更快、操作更簡單的特點(diǎn)，能夠自適應(yīng)顯示器的分辨率和方向。該產(chǎn)品擁有“所見即所得”的圖形編輯器和現(xiàn)成的HTML5模板，使用者能夠快速定制復(fù)雜且符合人體工學(xué)的HMI頁面，并可以通過簡單的控件組合和參數(shù)的修改，方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。
圖 14 倍福HMI產(chǎn)品（圖源：倍福官網(wǎng)）
研華科技在HMI領(lǐng)域推出了工業(yè)級(jí)可編程HMI、防爆行業(yè)HMI產(chǎn)品，其中WebOP系列可編程HMI產(chǎn)品提供RTOS即時(shí)操作系統(tǒng)，搭配研華WebOP Designer組態(tài)軟件，能夠與操作系統(tǒng)無縫相連，可與百余種PLC連接，可與不同的運(yùn)動(dòng)控制器、熱控制器、逆變器和傳感器等設(shè)備連接使用，為工廠自動(dòng)化從業(yè)者提供勞動(dòng)節(jié)約型、效率提高型和操作簡易型應(yīng)用解決方案。
圖 15 研華科技HMI產(chǎn)品（圖源：研華科技官網(wǎng)）
臺(tái)達(dá)在HMI領(lǐng)域推出了DOP100、DOP107H、DOP300S、TP、HMC等系列產(chǎn)品，以滿足不同行業(yè)和應(yīng)用場景的需求。其中DOP100系列涵蓋基本、標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)階、手持4種類型，內(nèi)嵌HMI編程軟件DIAScreen及Lua編輯器，便于使用者編程。臺(tái)達(dá)HMI能夠支持Ethernet通訊及多語種輸入功能，具有警報(bào)提示、歷史資料及使用者權(quán)限管理等功能，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)床、包裝、紡織、機(jī)器人、橡塑、能源、物流、鋰電等行業(yè)。
圖 16 臺(tái)達(dá)HMI產(chǎn)品（圖源：臺(tái)達(dá)官網(wǎng)）
匯川技術(shù)作為國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，先后推出了IT7000、ITS7000系列HMI產(chǎn)品。其HMI產(chǎn)品采用扁平化樣式風(fēng)格+高分辨率控件，通過拖拽式+表格化+批量操作+視圖類集成顯示的組態(tài)方式，讓使用者可以更快速的完成基本功能的組態(tài)和編程調(diào)試，縮短設(shè)備調(diào)試周期。其HMI支持全系列匯川產(chǎn)品協(xié)議和主流PLC廠商協(xié)議，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和敏捷的響應(yīng)速度。
圖 17 匯川技術(shù)HMI產(chǎn)品（圖源：匯川技術(shù)官網(wǎng)）
步科股份是國內(nèi)領(lǐng)先的自動(dòng)化控制、機(jī)器人動(dòng)力和數(shù)字化工廠解決方案供應(yīng)商，也是國內(nèi)較早自主研發(fā)HMI的企業(yè)之一，其工業(yè)人機(jī)界面產(chǎn)品市場占有率在本土品牌廠商中多年保持優(yōu)勢(shì)地位。步科目前擁有FUTURE系列、GREEN系列、MASS系列以及行業(yè)專用系列等不同定位的HMI產(chǎn)品，軟件內(nèi)部集成阿里工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接口，方便用戶實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)上云等功能。
圖 18 步科股份HMI產(chǎn)品（圖源：步科股份官網(wǎng)）
中控技術(shù)HMI產(chǎn)品與自身的PLC等自動(dòng)化產(chǎn)品形成了良好的配套，在通信和功能配合上具有高度的協(xié)同性，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫連接和快速的數(shù)據(jù)交互，減少了系統(tǒng)集成的復(fù)雜性和成本，提高了整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其中，其新一代物聯(lián)網(wǎng)人機(jī)界面FE6000系列，具有豐富的控件和圖形庫，用戶可以輕松地進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和功能組態(tài)。通過自主組態(tài)，能夠快速實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)采集畫面組態(tài)、設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和査詢、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋?/section>
e-works在對(duì)主流HMI廠商盤點(diǎn)的基礎(chǔ)上，梳理形成了HMI廠商生態(tài)圖。
圖 19 HMI廠商生態(tài)圖
隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求的日益增長和技術(shù)創(chuàng)新的加速推進(jìn)，HMI不僅僅是一個(gè)簡單的交互界面，它已經(jīng)成為企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的重要組成部分，并在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)安全等方面發(fā)揮越來越重要的作用，直接帶動(dòng)了HMI市場需求的持續(xù)增長。
未來，HMI將更加注重與人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合，為操作人員提供更加直觀、智能和個(gè)性化的交互體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間更靈活、更高效、更便捷的信息交互。這不僅對(duì)企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)提出了更高的要求，也為企業(yè)帶來了更多的發(fā)展機(jī)遇。面對(duì)日益激烈的市場競爭，企業(yè)需要不斷加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新能力，提升產(chǎn)品性能和品質(zhì)，才能更好滿足市場多樣化的需求，贏得市場競爭的先機(jī)。（來源數(shù)字化企業(yè)）
圖 1 典型的HMI外觀圖
圖 2 HMI發(fā)展歷程
圖 3 典型的HMI硬件構(gòu)成
圖 4 HMI軟件構(gòu)成
圖 5 HMI模型示意圖
圖 6 基于Web的HMI解決方案設(shè)備監(jiān)控畫面
圖 7 SMART LINE HMI解決方案設(shè)備控制畫面
圖 8 SIMATIC HMI解決方案入庫作業(yè)畫面
圖 9 VisuNet HMI遠(yuǎn)程控制架構(gòu)
圖 10 西門子HMI產(chǎn)品（圖源：西門子官網(wǎng)）
圖 11 三菱電機(jī)HMI產(chǎn)品（圖源：三菱電機(jī)官網(wǎng)）
圖 12 施耐德電氣HMI產(chǎn)品（圖源：施耐德電氣官網(wǎng)）
圖 13 菲尼克斯電氣HMI產(chǎn)品（圖源：菲尼克斯電氣官網(wǎng)）
圖 14 倍福HMI產(chǎn)品（圖源：倍福官網(wǎng)）
圖 15 研華科技HMI產(chǎn)品（圖源：研華科技官網(wǎng)）
圖 16 臺(tái)達(dá)HMI產(chǎn)品（圖源：臺(tái)達(dá)官網(wǎng)）
圖 19 HMI廠商生態(tài)圖
