人与机器是协作关系（人与机器是协作关系,人应尽量用好机器这个助手）

HMI（人机界面）是将个人连接到机器、系统或设备的用户界面或控制面板，通常用于工业过程。 HMI最早的原型是1945年左右工业2.0时期出现的批处理界面。

批处理界面是一个非交互式用户界面，用户预先指定批次的详细信息，并在所有处理完成后接收输出。一旦批处理开始，就不允许进一步输入。在批处理接口出现之前，随着蒸汽机的发明，工业1.0就出现了。操作员通过简单的仪表、开关和杠杆与每台机器单独交互。电力的出现预示着工业2.0 的到来，这一阶段始于同样有限的操作员/机器交互。随着工业2.0的发展，在充满专用刻度盘和面板的独立控制室中监控整个生产过程已逐渐成为可能。这引发了批处理接口的开发。工业3.0 始于1969 年，当时推出了第一台可编程逻辑控制器(PLC)。

本文将从批处理界面开始追溯HMI技术的发展。然后，它将回顾先进的HMI技术的演变，从最早的PLC上使用的原始命令行界面，到基于触摸屏的高级图形用户界面，以及通过工业4.0特性使用联网手持移动设备物联网(IoT) 来控制和监控自动化系统。最后，我们将简要展望HMI在工业5.0中的进一步未来。

01

工业2.0和批量处理

在工业2.0 之初，人们适应（训练）了与机器一起工作，并且没有HMI。可用的只是继承自工业1.0 的简单仪表、杠杆和开关。工业2.0始于1890年左右，当时制造过程中蒸汽动力被电力取代，出现了劳动分工、大规模生产和装配线。直到1945 年，批处理才被引入，最初的HMI 才出现。

批处理不同于当今的自动化系统。它的计算能力有限且昂贵，而且它的HMI 很粗糙。用户需要适应计算机。 HMI增加了开销，而软件的设计目的是最大限度地提高处理器利用率并减少HMI等开销。程序员并不直接与机器进行实时交互；他们制作打孔卡或纸带，交给机器操作员进行实施（图1）。

图1：打孔卡和打孔带是批处理系统HMI 的一种形式

（图片来源：Shutterstock）打孔卡和纸带是高级版本。在早期的设计中，这些机器是使用类似于当时电话总机室中的插线板来“编程”的。相比之下，中间设计将指令输入控制面板上的开关矩阵，这些开关矩阵被打开和关闭以直接在机器中生成控制代码。该过程必然很简单，并且通常仅限于打开和关闭继电器。提交打孔卡或打孔带可提高机器的生产率。程序可以更复杂并在机器外部生成，从而使机器能够更连续地运行。但使用打孔卡和打孔磁带也有缺点，它们需要严格的语法，否则磁带可能会损坏。错误会发生，但直到机器操作员运行程序数小时或数天后才会被发现。发现的错误被纠正后，需要花费数小时或数天的时间重新运行程序并希望它不再出错。

02

计算机操作系统技巧

原始操作系统是从这些低效的批处理接口演变而来的。最初，批处理系统的一组打孔程序卡或条需要包括用于与输入/输出（I/O）设备通信以及执行任何其他所需的内部事务功能的指令，这些指令全部由当今的操作系统处理。 1957年左右，通常所说的“立即加载并执行”系统开始出现。计算机变得更强大、更灵活（尽管与今天的系统仍然没有什么相似之处）。 Load Immediate 系统包含一个嵌入式“监视器”程序，为批处理程序提供通用I/O 和其他服务。这些监视器还实现了改进的批处理程序错误检查，有时可以在程序运行之前捕获错误，并向机器操作员和程序员提供更好的反馈。这些监控程序被认为是原始的计算机操作系统。后来，命令行界面（CLI）由系统控制台上的批量监控程序演变而来。计算资源成本的下降推动了CLI 的广泛采用。延迟从几天或几小时减少到几秒钟，系统变得更加高效。早期的CLI 非常原始，基于为新兴的分时计算机系统开发的概念。 CLI 在操作员/程序员和系统之间采用一系列请求和响应交互。由于操作员和机器之间的（几乎）实时交互，操作员可以更改程序的后续阶段，同时接收有关先前过程结果的近实时反馈。该软件的交互性更强，但仍远未达到用户友好性。早期的实现需要用户使用大量的助记符。尽管如此，与不提供即时性能反馈的简单批处理界面相比，这仍然是一个巨大的改进。

但机器用户想要更多。

03

工业3.0

工业3.0可以追溯到计算机时代之初，当时人们开始对机器进行更直接、实时的控制。从机械系统和模拟电子学到数字电子学的转变凸显了这一点。 1969 年第一台PLC 的推出通常被认为是工业3.0 的开始。 1968 年，GM Hydramatic（通用汽车公司的自动变速箱部门）开始寻求用电子系统取代硬连线（且难以重新编程）的基于继电器的控制系统。这导致了第二年第一台PLC 的生产。这种PLC 由Bedford Associates 发明，称为Modicon（模块化数字控制器）PLC（图2）。 Modicon PLC 是HMI 领域的一项重大进步。它比通用计算机更加用户友好，并使用简单的编程语言进行操作，重点关注工业自动化所需的逻辑和开关操作。 PLC 包括用于机器配置、报警和一般控制的HMI。

图2：连接到早期PC 的可编程逻辑控制器Modicon PLC 584，该PC 位于西班牙加泰罗尼亚国家科学技术博物馆。 （图片来源：Belogorodov - stock.adobe.com） 早期的PLC HMI 采用多种形式：简单系统中使用按钮和指示器，但文本显示、基本图标和CLI 也很常见。从20 世纪70 年代开始，PLC 使用在远程计算机上运行的更复杂的编程和HMI 监控系统，整个系统通过通信接口连接。在20 世纪80 年代，台式计算机开始通过提供直接连接到PLC 的HMI 来取代远程计算机，支持特定于供应商的硬件平台，从而简化机器编程和监控。

20 世纪90 年代初，IEC 61131-3 发布。这是第一个独立于供应商的工业自动化和PLC 编程语言，使HMI 更易于使用。此外，在20 世纪90 年代，PLC 上的HMI 功能得到了扩展，除了过程控制之外还包括机器诊断和故障排除。 20 世纪90 年代末设计的PLC 采用图形触摸屏HMI，并将互联网连接引入工厂车间。

04

工业4.0

工业4.0 始于工业物联网(IIoT)。在HMI 开发的早期阶段，目标是实现人类对机器和工业流程的更好控制。工业4.0 HMI的发展是为了支持人与机器之间不断提高的协作水平。 HMI 已经发展到支持扩展“机器”的定义，包括云中的决策支持系统、软件和大数据。工业4.0 中的人机协作由无线连接以及便携式设备（从手持控制器或手机触摸屏到增强现实眼镜）提供支持（图3）。其结果是所谓的网络物理系统（CPS），它将计算和物理资产从云端集成到工厂车间。 CPS 从用于监控物理过程的嵌入式计算机和传感器网络开始，通常将数据发送到云端进行分析。 CPS的传感器和执行器与周围环境无缝集成，创建IIoT，实现从集中控制到分散控制的转变。过去，每台机器或每个PLC 都会有一个HMI，用于在本地或集中控制室控制多台机器。工业4.0 HMI是分布式的，更加以人为中心。工厂中的每个人都有自己的HMI，无线连接到他们控制的各种资产。

图3：工业4.0 中的人机协作得到无线连接和便携式设备（从手持控制器上的触摸屏到增强现实眼镜）的支持。工业4.0 HMI 通常附带预装的应用程序，除了控制机器人和其他机器并与之协作之外，还可用于查看文档、观看教学媒体视频和安全访问外部基于网络的系统。这些HMI 通常是可扩展的，并且可以包含各种应用程序来支持特定活动，例如：

执行先进的生产算法和计算

通过多种协议连接到多个来源的数据，包括直接连接到IIoT 联网设备

显示历史数据

自动化工作流程

管理库存

分析机器和电机驱动器的健康状况以进行预测性维护

创建通知并发送提醒

05

工业5.0——下一步是什么？

工业5.0将看到更广泛的人机协作定义以及HMI的相应变化。工业5.0将建立在大数据、云、机器学习和人工智能的基础上。实时跨现实界面将取代当今的HMI。

工业5.0 HMI将支持扩展的通信模式——人与机器、机器人和协作机器人之间的双向路径。在工业4.0中，人类直接控制与机器的协作。工业5.0 将进一步扩展这一点，通过HMI 使机器能够发起与人类的协作（图4）。 HMI的持续发展将确保人们越来越多地融入工业流程和制造环境。

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结论

HMI的发展始于工业2.0时代，当时人们寻求通过批处理界面更好地控制机器。随着PLC和实时HMI的相关进步，工业3.0时代实现了更高水平的细粒度控制。工业4.0经历了范式变革，HMI的目标从对机器的严格控制转变为更多与机器的协作，并开发针对IIoT和大数据优化的HMI。工业5.0时代，人与机器的协作水平将不断扩大。 HMI 将发展到包括跨现实环境，可以满足人与机器之间更紧密的实时连接的需求，机器主动请求人类输入以帮助优化各种活动和流程。

图4：大数据、人工智能和跨现实将在工业5.0 中实现人机界面的新范式，其中机器将主动联系人类以帮助解决困难情况。

关于作者杰夫谢泼德

Jeff 是Jeta Power Systems 的联合创始人，该公司是一家被Computer Products 收购的高功率开关电源制造商。 Jeff 还是一位发明家，在热能收集和光学超材料领域拥有17 项美国专利。他是业内知名人士，经常就电力电子的全球趋势发表演讲。他曾受邀在许多行业活动中发表演讲，包括IEEE 应用电力电子会议全体会议、Semico West、全球半导体联盟新机会会议、IBM 电源和冷却研讨会以及台达电子全球电信电源高级员工研讨会。

Jeff 拥有加州大学戴维斯分校定量方法和数学硕士学位。他在电力电子、电子元件和其他技术主题方面拥有30 多年的写作经验。自担任EETimes 杂志高级编辑以来，他一直在撰写有关电力电子的文章。他创办了一本关于电力电子设计的杂志《Powertechniques》，每月发行量超过30,000份。随后，他创立了达内尔集团（Darnell Group），这是一家全球电力电子研究和出版公司。达内尔集团推出PowerPulse.net，为全球电力电子工程界提供每日新闻。 Jeff 撰写了一本开关电源教科书《电源》，由Prentice Hall 雷斯顿分部出版。

原标题：人机界面的演变

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审稿人：彭静