HMI（人機(jī)界面）是將個(gè)人連接到機(jī)器、系統(tǒng)或設(shè)備的用戶界面或控制面板，它通常應(yīng)用于工業(yè)過程。最早的HMI雛形是1945年前后工業(yè)2.0時(shí)期出現(xiàn)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(yù)先指定批處理的詳細(xì)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(xiàn)之前，是伴隨蒸汽機(jī)的發(fā)明而出現(xiàn)的工業(yè)1.0。操作員通過簡單的表計(jì)、開關(guān)和操作桿分別與每臺機(jī)器進(jìn)行交互。電力的出現(xiàn)宣布了工業(yè)2.0的到來，這個(gè)階段始于同樣有限的操作員/機(jī)器交互。隨著工業(yè)2.0的發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)了在布滿專用表盤和面板的獨(dú)立控制室監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程。這催生了批處理界面的發(fā)展。工業(yè)3.0始于1969年，當(dāng)時(shí)推出了第一臺可編程邏輯控制器（PLC）。

本文將追溯HMI技術(shù)的發(fā)展，首先從批處理界面講起。然后將回顧推進(jìn)HMI技術(shù)前進(jìn)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(fā)展到基于觸摸屏的先進(jìn)圖形用戶界面，以及使用聯(lián)網(wǎng)的手持移動(dòng)設(shè)備通過具有工業(yè)4.0特征的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）來控制和監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)。最后將簡要展望HMI在工業(yè)5.0中更進(jìn)一步的未來。

01

工業(yè)2.0和批處理

在工業(yè)2.0之初，人們進(jìn)行調(diào)整（接受培訓(xùn)）來與機(jī)器協(xié)作，并不存在什么HMI?？晒┦褂玫闹挥袕墓I(yè)1.0繼承而來的簡單的表計(jì)、操作桿和開關(guān)。大約1890年，當(dāng)制造過程中蒸汽動(dòng)力被電力取代時(shí)，工業(yè)2.0開始了，這催生了勞動(dòng)分工、大規(guī)模生產(chǎn)和裝配線。直到1945年，批處理才被引入并出現(xiàn)了最初的HMI。

批處理不同于當(dāng)今的自動(dòng)化系統(tǒng)。它的算力有限并且成本高昂，HMI也很粗糙。用戶要適應(yīng)計(jì)算機(jī)。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(jī)器實(shí)時(shí)交互；他們制作打孔卡或紙帶，交給機(jī)器操作員進(jìn)行實(shí)施（圖1）。

圖1：打孔卡和打孔帶是批處理系統(tǒng)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(shè)計(jì)中，機(jī)器使用類似于當(dāng)時(shí)電話總機(jī)室的插板進(jìn)行“編程”。相比之下，中間設(shè)計(jì)將指令輸入到控制面板上的開關(guān)矩陣中，這些開關(guān)被打開和關(guān)閉以直接在機(jī)器中生成控制代碼。程序必然是直截了當(dāng)?shù)?，通常僅限于打開和關(guān)閉繼電器。提交打孔卡或打孔帶提高了機(jī)器的生產(chǎn)效率。程序可以更復(fù)雜，并可在機(jī)器外生成，使機(jī)器能夠更加連續(xù)地運(yùn)行。但是使用打孔卡和打孔帶也存在缺點(diǎn)，需要按照嚴(yán)格的語法進(jìn)行，否則卡帶可能會(huì)損壞。錯(cuò)誤時(shí)有發(fā)生，但這些錯(cuò)誤要等到機(jī)器操作員運(yùn)行程序數(shù)小時(shí)或數(shù)天后才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤得到糾正后，又需要幾個(gè)小時(shí)或幾天的時(shí)間來重新運(yùn)行程序，但愿不要再出錯(cuò)。

02

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的提示

原始操作系統(tǒng)是從這些低效的批處理界面演變而來。最初，批處理系統(tǒng)的一組打孔程序卡或打孔帶需要包括與輸入/輸出（I/O）設(shè)備通信以及執(zhí)行任何其他所需內(nèi)部事務(wù)功能的指令，這些都是由當(dāng)今操作系統(tǒng)處理的活動(dòng)。1957年左右，開始出現(xiàn)大家常說的“裝入立即執(zhí)行”系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)變得更加強(qiáng)大而靈活（盡管仍然還看不到多少當(dāng)今系統(tǒng)的影子）?！把b入立即執(zhí)行”系統(tǒng)包含嵌入式“監(jiān)控”程序，用于為批處理程序提供通用I/O和其他服務(wù)。這些監(jiān)控程序還實(shí)施經(jīng)過了改進(jìn)的批處理程序錯(cuò)誤檢查，有時(shí)會(huì)在程序運(yùn)行之前捕捉到錯(cuò)誤，并向機(jī)器操作員和程序員提供更好的反饋。這些監(jiān)控程序被認(rèn)為是原始的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。再后來，從系統(tǒng)控制臺上的批處理監(jiān)控程序演變出了命令行界面（CLI）。計(jì)算資源不斷下降的成本推動(dòng)了CLI的廣泛應(yīng)用。延遲從幾天或幾小時(shí)縮短到幾秒鐘，系統(tǒng)變得更加高效。早期的CLI非常原始，基于同樣為新出現(xiàn)的分時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而開發(fā)的概念。CLI在操作員/程序員和系統(tǒng)之間采用了一系列請求和響應(yīng)交互。由于操作員和機(jī)器之間（幾乎）實(shí)時(shí)交互，在收到關(guān)于先前過程結(jié)果的近實(shí)時(shí)反饋時(shí)，操作員可以改動(dòng)程序后面的階段。軟件更具交互性，但仍遠(yuǎn)談不上用戶友好。早期的實(shí)現(xiàn)需要用戶使用大量的助記符。盡管如此，相比無法提供即時(shí)性能反饋的簡單批處理界面，這已是巨大的改進(jìn)。

但機(jī)器用戶想要的更多。

03

工業(yè)3.0

工業(yè)3.0可以追溯到計(jì)算機(jī)時(shí)代的開端，人們開始對機(jī)器進(jìn)行更直接和實(shí)時(shí)的控制。從機(jī)械系統(tǒng)和模擬電子到數(shù)字電子的轉(zhuǎn)變凸顯了這一點(diǎn)。1969年第一臺PLC的推出通常被認(rèn)為是工業(yè)3.0的開始。1968年，GM Hydramatic（通用汽車的自動(dòng)變速器部門）開始尋求用電子系統(tǒng)替代硬接線（且難以重新編程）的基于繼電器的控制系統(tǒng)。這催生了次年生產(chǎn)的第一臺PLC。這臺PLC由Bedford Associates發(fā)明，被稱為Modicon（模塊化數(shù)字控制器）PLC（圖2）。Modicon PLC是HMI領(lǐng)域的重大進(jìn)步。它比通用計(jì)算機(jī)更加用戶友好，并使用簡單的編程語言進(jìn)行操作，而編程語言注重于工業(yè)自動(dòng)化所需的邏輯和開關(guān)操作。PLC包括用于機(jī)器配置、報(bào)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(tǒng)中使用按鈕和指示燈，文本顯示、基本圖標(biāo)和CLI也很常見。從20世紀(jì)70年代開始，PLC使用在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的更復(fù)雜編程和HMI監(jiān)控系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)通過通信接口連接。在20世紀(jì)80年代，臺式計(jì)算機(jī)開始取代遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)提供與PLC直接連接的HMI，支持特定于供應(yīng)商且簡化了機(jī)器編程和監(jiān)控的硬件平臺。

20世紀(jì)90年代初，發(fā)布了IEC 61131-3。這是第一種獨(dú)立于供應(yīng)商的工業(yè)自動(dòng)化和PLC用編程語言，使得HMI更易于使用。此外，在20世紀(jì)90年代，PLC上的HMI功能得到擴(kuò)展，除了過程控制外，還增加了機(jī)器診斷和故障排除。20世紀(jì)90年代后期設(shè)計(jì)的PLC具有圖形觸摸屏HMI，并將互聯(lián)網(wǎng)連接帶到了工廠車間。

04

工業(yè)4.0

工業(yè)4.0始于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。在HMI發(fā)展的早期階段，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人對機(jī)器和工業(yè)過程更強(qiáng)的控制。發(fā)展工業(yè)4.0 HMI則是為了支持人與機(jī)器之間不斷提高的協(xié)作水平。HMI經(jīng)過發(fā)展，支持將“機(jī)器”的定義擴(kuò)展為包含決策支持系統(tǒng)、軟件以及云中的大數(shù)據(jù)。工業(yè)4.0中的人機(jī)協(xié)作得到了無線連接以及便攜式設(shè)備的支持，這些設(shè)備從手持控制器或手機(jī)上的觸摸屏到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡應(yīng)有盡有（圖3）。其結(jié)果便是所謂的信息物理系統(tǒng) （CPS），這個(gè)系統(tǒng)將計(jì)算和物理資產(chǎn)從云端集成到工廠車間。CPS始于嵌入式計(jì)算機(jī)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，用來監(jiān)控物理過程，通常將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行分析。CPS的傳感器和執(zhí)行器與周圍環(huán)境無縫融合，創(chuàng)造出IIoT并實(shí)現(xiàn)了從集中控制到分散控制的轉(zhuǎn)變。過去，會(huì)有一個(gè)與每臺機(jī)器或每個(gè)PLC相關(guān)聯(lián)的HMI，用于在本地或在集中控制室控制多臺機(jī)器。工業(yè)4.0 HMI則是分布式的，更加以人為中心。工廠中的每個(gè)人都有自己的HMI，以無線方式連接到他們控制的各種資產(chǎn)。

圖3：工業(yè)4.0中的人機(jī)協(xié)作得到了無線連接以及便攜式設(shè)備的支持，這些設(shè)備從手持控制器上的觸摸屏到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡應(yīng)有盡有。工業(yè)4.0 HMI通常帶有預(yù)安裝的App，除了控制機(jī)器人和其他機(jī)器并與之協(xié)作外，還可用于查看文檔、觀看教學(xué)媒體視頻和安全訪問外部基于Web的系統(tǒng)。這些HMI通常是可擴(kuò)展的，可以包括各種App來支持特定活動(dòng)，例如：

◇ 執(zhí)行高級生產(chǎn)算法和計(jì)算

◇ 通過多種協(xié)議（包括與IIoT聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的直接連接）連接到多個(gè)來源的數(shù)據(jù)

◇ 顯示歷史數(shù)據(jù)

◇ 自動(dòng)化工作流程

◇ 管理庫存

◇ 分析機(jī)器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的健康狀況以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)

創(chuàng)建通知和發(fā)送提醒

05

工業(yè)5.0 – 下一步是什么？

工業(yè)5.0將看到人機(jī)協(xié)作更廣的定義以及HMI的相應(yīng)變化。工業(yè)5.0將建立在大數(shù)據(jù)、云、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的基礎(chǔ)上。實(shí)時(shí)交叉現(xiàn)實(shí)界面將取代當(dāng)今的HMI。

工業(yè)5.0 HMI將支持?jǐn)U展的通信模式 - 人與機(jī)器、機(jī)器人以及協(xié)作機(jī)器人之間的雙向通路。在工業(yè)4.0中，由人來直接控制與機(jī)器的協(xié)作。工業(yè)5.0將對此做進(jìn)一步擴(kuò)展，HMI將使機(jī)器能夠啟動(dòng)與人的協(xié)作（圖4）。HMI的持續(xù)發(fā)展將確保人們越來越緊密地融入工業(yè)過程和制造環(huán)境。

06

結(jié)語

HMI的發(fā)展始于工業(yè)2.0時(shí)期，人們尋求通過批處理界面更好地控制機(jī)器。隨著PLC和實(shí)時(shí)HMI的相關(guān)進(jìn)步，在工業(yè)3.0時(shí)期實(shí)現(xiàn)了更高級別的細(xì)粒度控制。工業(yè)4.0經(jīng)歷了范式改變，HMI的目標(biāo)從對機(jī)器的嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)變?yōu)榕c機(jī)器更多的協(xié)作以及發(fā)展針對IIoT和大數(shù)據(jù)優(yōu)化的HMI。人與機(jī)器之間的協(xié)作水平將在工業(yè)5.0時(shí)代繼續(xù)擴(kuò)大。HMI將演變?yōu)榘ń徊娆F(xiàn)實(shí)環(huán)境，可以滿足人與機(jī)器之間更密切的實(shí)時(shí)連接需求，由機(jī)器主動(dòng)請求人類輸入以幫助優(yōu)化各種活動(dòng)和過程。

圖4：大數(shù)據(jù)、人工智能和交叉現(xiàn)實(shí)將實(shí)現(xiàn)工業(yè)5.0中的人機(jī)界面新范式，其中的機(jī)器會(huì)主動(dòng)與人類聯(lián)系幫助解決困難情況。

Jeff Shepard作者介紹

Jeff是Jeta電力系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司是一家被Computer Products公司收購的大功率開關(guān)電源制造商。Jeff還是個(gè)發(fā)明家，他在熱能收集和光學(xué)超材料領(lǐng)域擁有17項(xiàng)美國專利。他是業(yè)內(nèi)知名人士，經(jīng)常就電力電子領(lǐng)域的全球趨勢發(fā)表演講。他曾受邀在許多行業(yè)活動(dòng)上發(fā)表演講，包括IEEE應(yīng)用電力電子會(huì)議全會(huì)、Semico West、全球半導(dǎo)體聯(lián)盟新機(jī)遇會(huì)議、IBM電力和冷卻研討會(huì)以及Delta Electronics全球電信電力高級員工研討會(huì)。

Jeff擁有加州大學(xué)戴維斯分校的定量方法和數(shù)學(xué)碩士學(xué)位。他在電力電子、電子元器件和其他技術(shù)主題方面有著30多年的寫作經(jīng)驗(yàn)。他從擔(dān)任《EETimes》雜志的高級編輯時(shí)就開始撰寫電力電子方面的文章。他創(chuàng)辦了《Powertechniques》，這是一本有關(guān)電力電子設(shè)計(jì)的雜志，每月發(fā)行量超過3萬份。隨后，他又創(chuàng)立了全球電力電子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group發(fā)布了PowerPulse.net，為全球電力電子工程社區(qū)提供每日新聞。Jeff曾編寫過一本開關(guān)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(biāo)題：人機(jī)界面的演變

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