HMI（人機界面）是將個人連接到機器、系統或設備的用戶界面或控制面板，它通常應用于工業過程。最早的HMI雛形是1945年前后工業2.0時期出現的批處理界面。

批處理界面是一種非交互式用戶界面，由用戶預先指定批處理的詳細信息，在所有處理完成后收到輸出。批處理過程開始后就不再允許其他的輸入。在批處理界面出現之前，是伴隨蒸汽機的發明而出現的工業1.0。操作員通過簡單的表計、開關和操作桿分別與每臺機器進行交互。電力的出現宣布了工業2.0的到來，這個階段始于同樣有限的操作員/機器交互。隨著工業2.0的發展，逐漸實現了在布滿專用表盤和面板的獨立控制室監控整個生產過程。這催生了批處理界面的發展。工業3.0始于1969年，當時推出了第一臺可編程邏輯控制器（PLC）。

本文將追溯HMI技術的發展，首先從批處理界面講起。然后將回顧推進HMI技術前進的演化過程——從原始的命令行界面起步，在最早的的PLC上使用，如今已發展到基于觸摸屏的先進圖形用戶界面，以及使用聯網的手持移動設備通過具有工業4.0特征的物聯網（IoT）來控制和監控自動化系統。最后將簡要展望HMI在工業5.0中更進一步的未來。

01

工業2.0和批處理

在工業2.0之初，人們進行調整（接受培訓）來與機器協作，并不存在什么HMI。可供使用的只有從工業1.0繼承而來的簡單的表計、操作桿和開關。大約1890年，當制造過程中蒸汽動力被電力取代時，工業2.0開始了，這催生了勞動分工、大規模生產和裝配線。直到1945年，批處理才被引入并出現了最初的HMI。

批處理不同于當今的自動化系統。它的算力有限并且成本高昂，HMI也很粗糙。用戶要適應計算機。HMI增加了開銷，軟件則旨在最大限度地提高處理器利用率并減少HMI等開銷。程序員并不直接與機器實時交互；他們制作打孔卡或紙帶，交給機器操作員進行實施（圖1）。

圖1：打孔卡和打孔帶是批處理系統HMI的形式之一

（圖源：Shutterstock）打孔卡和紙帶是高級版本。在早期的設計中，機器使用類似于當時電話總機室的插板進行“編程”。相比之下，中間設計將指令輸入到控制面板上的開關矩陣中，這些開關被打開和關閉以直接在機器中生成控制代碼。程序必然是直截了當的，通常僅限于打開和關閉繼電器。提交打孔卡或打孔帶提高了機器的生產效率。程序可以更復雜，并可在機器外生成，使機器能夠更加連續地運行。但是使用打孔卡和打孔帶也存在缺點，需要按照嚴格的語法進行，否則卡帶可能會損壞。錯誤時有發生，但這些錯誤要等到機器操作員運行程序數小時或數天后才會被發現。發現的錯誤得到糾正后，又需要幾個小時或幾天的時間來重新運行程序，但愿不要再出錯。

02

計算機操作系統的提示

原始操作系統是從這些低效的批處理界面演變而來。最初，批處理系統的一組打孔程序卡或打孔帶需要包括與輸入/輸出（I/O）設備通信以及執行任何其他所需內部事務功能的指令，這些都是由當今操作系統處理的活動。1957年左右，開始出現大家常說的“裝入立即執行”系統。計算機變得更加強大而靈活（盡管仍然還看不到多少當今系統的影子）。“裝入立即執行”系統包含嵌入式“監控”程序，用于為批處理程序提供通用I/O和其他服務。這些監控程序還實施經過了改進的批處理程序錯誤檢查，有時會在程序運行之前捕捉到錯誤，并向機器操作員和程序員提供更好的反饋。這些監控程序被認為是原始的計算機操作系統。再后來，從系統控制臺上的批處理監控程序演變出了命令行界面（CLI）。計算資源不斷下降的成本推動了CLI的廣泛應用。延遲從幾天或幾小時縮短到幾秒鐘，系統變得更加高效。早期的CLI非常原始，基于同樣為新出現的分時計算機系統而開發的概念。CLI在操作員/程序員和系統之間采用了一系列請求和響應交互。由于操作員和機器之間（幾乎）實時交互，在收到關于先前過程結果的近實時反饋時，操作員可以改動程序后面的階段。軟件更具交互性，但仍遠談不上用戶友好。早期的實現需要用戶使用大量的助記符。盡管如此，相比無法提供即時性能反饋的簡單批處理界面，這已是巨大的改進。

但機器用戶想要的更多。

03

工業3.0

工業3.0可以追溯到計算機時代的開端，人們開始對機器進行更直接和實時的控制。從機械系統和模擬電子到數字電子的轉變凸顯了這一點。1969年第一臺PLC的推出通常被認為是工業3.0的開始。1968年，GM Hydramatic（通用汽車的自動變速器部門）開始尋求用電子系統替代硬接線（且難以重新編程）的基于繼電器的控制系統。這催生了次年生產的第一臺PLC。這臺PLC由Bedford Associates發明，被稱為Modicon（模塊化數字控制器）PLC（圖2）。Modicon PLC是HMI領域的重大進步。它比通用計算機更加用戶友好，并使用簡單的編程語言進行操作，而編程語言注重于工業自動化所需的邏輯和開關操作。PLC包括用于機器配置、報警和一般控制的HMI。

圖2：連接到早期PC的可編程邏輯控制器Modicon PLC 584，收藏于西班牙加泰羅尼亞國家科技博物館。（圖源：Belogorodov - stock.adobe.com）早期的PLC HMI采取多種形式：簡單系統中使用按鈕和指示燈，文本顯示、基本圖標和CLI也很常見。從20世紀70年代開始，PLC使用在遠程計算機上運行的更復雜編程和HMI監控系統，整個系統通過通信接口連接。在20世紀80年代，臺式計算機開始取代遠程計算機提供與PLC直接連接的HMI，支持特定于供應商且簡化了機器編程和監控的硬件平臺。

20世紀90年代初，發布了IEC 61131-3。這是第一種獨立于供應商的工業自動化和PLC用編程語言，使得HMI更易于使用。此外，在20世紀90年代，PLC上的HMI功能得到擴展，除了過程控制外，還增加了機器診斷和故障排除。20世紀90年代后期設計的PLC具有圖形觸摸屏HMI，并將互聯網連接帶到了工廠車間。

04

工業4.0

工業4.0始于工業物聯網（IIoT）。在HMI發展的早期階段，目標是實現人對機器和工業過程更強的控制。發展工業4.0 HMI則是為了支持人與機器之間不斷提高的協作水平。HMI經過發展，支持將“機器”的定義擴展為包含決策支持系統、軟件以及云中的大數據。工業4.0中的人機協作得到了無線連接以及便攜式設備的支持，這些設備從手持控制器或手機上的觸摸屏到增強現實眼鏡應有盡有（圖3）。其結果便是所謂的信息物理系統 （CPS），這個系統將計算和物理資產從云端集成到工廠車間。CPS始于嵌入式計算機和傳感器網絡，用來監控物理過程，通常將數據發送到云端進行分析。CPS的傳感器和執行器與周圍環境無縫融合，創造出IIoT并實現了從集中控制到分散控制的轉變。過去，會有一個與每臺機器或每個PLC相關聯的HMI，用于在本地或在集中控制室控制多臺機器。工業4.0 HMI則是分布式的，更加以人為中心。工廠中的每個人都有自己的HMI，以無線方式連接到他們控制的各種資產。

圖3：工業4.0中的人機協作得到了無線連接以及便攜式設備的支持，這些設備從手持控制器上的觸摸屏到增強現實眼鏡應有盡有。工業4.0 HMI通常帶有預安裝的App，除了控制機器人和其他機器并與之協作外，還可用于查看文檔、觀看教學媒體視頻和安全訪問外部基于Web的系統。這些HMI通常是可擴展的，可以包括各種App來支持特定活動，例如：

◇ 執行高級生產算法和計算

◇ 通過多種協議（包括與IIoT聯網設備的直接連接）連接到多個來源的數據

◇ 顯示歷史數據

◇ 自動化工作流程

◇ 管理庫存

◇ 分析機器和電機驅動器的健康狀況以進行預測性維護

創建通知和發送提醒

05

工業5.0 – 下一步是什么？

工業5.0將看到人機協作更廣的定義以及HMI的相應變化。工業5.0將建立在大數據、云、機器學習和人工智能的基礎上。實時交叉現實界面將取代當今的HMI。

工業5.0 HMI將支持擴展的通信模式 - 人與機器、機器人以及協作機器人之間的雙向通路。在工業4.0中，由人來直接控制與機器的協作。工業5.0將對此做進一步擴展，HMI將使機器能夠啟動與人的協作（圖4）。HMI的持續發展將確保人們越來越緊密地融入工業過程和制造環境。

06

結語

HMI的發展始于工業2.0時期，人們尋求通過批處理界面更好地控制機器。隨著PLC和實時HMI的相關進步，在工業3.0時期實現了更高級別的細粒度控制。工業4.0經歷了范式改變，HMI的目標從對機器的嚴格控制轉變為與機器更多的協作以及發展針對IIoT和大數據優化的HMI。人與機器之間的協作水平將在工業5.0時代繼續擴大。HMI將演變為包括交叉現實環境，可以滿足人與機器之間更密切的實時連接需求，由機器主動請求人類輸入以幫助優化各種活動和過程。

圖4：大數據、人工智能和交叉現實將實現工業5.0中的人機界面新范式，其中的機器會主動與人類聯系幫助解決困難情況。

Jeff Shepard作者介紹

Jeff是Jeta電力系統公司的聯合創始人，該公司是一家被Computer Products公司收購的大功率開關電源制造商。Jeff還是個發明家，他在熱能收集和光學超材料領域擁有17項美國專利。他是業內知名人士，經常就電力電子領域的全球趨勢發表演講。他曾受邀在許多行業活動上發表演講，包括IEEE應用電力電子會議全會、Semico West、全球半導體聯盟新機遇會議、IBM電力和冷卻研討會以及Delta Electronics全球電信電力高級員工研討會。

Jeff擁有加州大學戴維斯分校的定量方法和數學碩士學位。他在電力電子、電子元器件和其他技術主題方面有著30多年的寫作經驗。他從擔任《EETimes》雜志的高級編輯時就開始撰寫電力電子方面的文章。他創辦了《Powertechniques》，這是一本有關電力電子設計的雜志，每月發行量超過3萬份。隨后，他又創立了全球電力電子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group發布了PowerPulse.net，為全球電力電子工程社區提供每日新聞。Jeff曾編寫過一本開關電源教科書《Power Supplies》，由普倫蒂斯霍爾出版社的雷斯頓分部出版。

原文標題：人機界面的演變

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