hmi

定义

hmi 是 Human-Machine Interface 的缩写，中文译作人机界面，也常写作人机接口，英文缩写还有 MMI，有时被称为操作者接口(operator interface)。它的基本含义是系统和用户之间进行交互与信息交换的媒介，负责把机器内部的信号形式转换成人类可以接受的形式^[1][2]。

在工业自动化领域，人机界面的含义更具体：它是一种连接 可编程逻辑控制器、变频器、直流调速器、仪表等控制设备的数字设备，借助显示屏呈现信息，通过触摸屏、键盘等输入单元写入工作参数或操作命令，从而实现人与机器之间的信息交互^[3]。这一设备由硬件和软件两部分共同组成，缺一不可^[3]。

需要注意，人机界面与日常所说的触摸屏并不等同。触摸屏只是人机界面产品可能采用的硬件输入部件之一，安装在显示屏前端以替代鼠标和键盘的部分功能，而人机界面产品是包含硬件与软件的整体交互设备^[4]。同样，组态软件也不等于人机界面，前者是运行在 PC 平台上的通用工具软件，与计算机或工控机配合才能构成完整的人机界面^[3]。

原理

典型的人机界面由硬件与软件两部分构成。硬件包括处理单元、显示单元、输入单元、通讯接口和数据存储单元，其中处理单元决定整机性能高低；软件分为两部分，一是运行在界面硬件中的系统软件，二是运行在 PC 上的画面设计或组态软件^[3][5]。

工作流程大致是：设计者在 PC 上用画面设计软件制作工程文件，编译后经串行口或网口下载到界面硬件中运行；运行时界面通过通讯接口与控制器交换数据，把采集到的状态量以图形、文字、数字形式显示出来，操作者的输入则按相应协议回传给控制器^[3][5]。

通讯接口常见的有 RS-232、RS-422/485 串行通讯、CAN 总线以及以太网接口，较高性能的产品还可使用 USB、并口等接口^[4][3]。系统软件中一般包含设备驱动、处理器内核软件和由设计软件生成的运行程序，设备驱动决定其能与哪些品牌的控制器通信^[5]。

从功能上看，人机界面通常具备设备状态显示（指示灯、按钮、文字、图形、曲线）、数据与文字输入、生产配方存储、生产数据记录、简单逻辑与数值运算、多设备联网等能力^[3]。较完整的系统还要求实时数据趋势显示、历史数据趋势显示、自动记录、报表生成与打印、图形界面控制、报警产生与记录等能力^[4]。

发展历程

人机界面这一术语源于人机工程学，其形态演变与计算机技术和人机工程学理论的发展同步^[5]。工业革命初期，操作者依靠由大量物理按钮、旋钮、开关和指示灯组成的机械控制台与设备交互，这种方式直观可靠，但效率低、对操作者技能要求高，属于初级发展阶段^[5]。

20 世纪 40 年代以后，磁芯存储器、显示技术和操作系统相继成熟，以命令行为主导的界面成为主流，用户通过键盘按规则输入字符构成指令，效率高但不直观、难学习^[5]。在工业现场，显示手段也从简单指示灯进展到七段数码管、字母显示管，使故障信息能够以编号或文本形式呈现^[6]。

可编程逻辑控制器的问世被视为人机界面监控系统的第一次飞跃：设备接入控制器后，界面不仅能显示停机状态，还能获取停机原因，监控范围也从单台设备扩展到车间产量统计^[6]。完全可编程的人机界面设备随后出现，用 CRT 显示器上的虚拟按钮与指示灯取代传统按钮面板^[6]。

20 世纪 80 年代，计算机图形学、软件工程与窗口系统的进步催生了图形用户界面，交互方式由抽象命令转为窗口、图标、菜单的指点操作，被视为人机协调阶段^[5]。20 世纪 90 年代后期，LCD 逐步取代 CRT，本质安全型触摸屏出现，PC 平台的监控软件进入应用，界面功能重心由硬件转向软件^[7]。

进入 21 世纪，物联网、大数据与人工智能技术推动人机界面向网络化、智能化转变，出现了可用三维立体方式查看与操作设备的三维界面，并支持语音、肢体动作等交互形式^[5]。近年行业报道显示，2025 年中国 HMI 市场规模达到 48.65 亿元，同比增长 4.2%，内资品牌份额升至 58%^[1]。

应用

按应用领域划分，人机界面可分为工业自动化人机界面、汽车人机界面、医疗设备人机界面、智能家居人机界面等，不同领域的产品在构成与特点上存在差异^[5]。工业自动化是其中最主要的应用方向，覆盖石油、化工、钢铁、电力、制药、食品饮料、水处理等流程行业，以及汽车、光伏、锂电、机械等离散制造业^[5]。

在产线监控中，界面实时呈现设备工作状态、生产进度与合格率等参数，出现异常时通过短信、语音等方式发出报警，便于操作者快速定位问题^[5]。在设备控制中，操作者可通过界面启停设备、调节参数、设定工艺，自动化程度高的产线甚至可实现整线一键启停，并借助远程访问功能在网络上完成监控^[5]。

仓储物流场景中，界面与堆垛机、物流小车等设备配合，实现自动入库、出库与库内调度，并可与条码、射频识别等技术结合完成货物追踪^[5]。能源管理方面，界面以图表、仪表盘形式展示能耗、电压、电流等数据，并按排产计划设定节能模式的启停时间^[5]。安全监控方面，界面显示温度、压力、流量等安全参数，检测到异常时触发声光、短信或邮件报警，并可与其他安防系统联动^[5]。

在以 PLC 为核心的控制系统中，界面还常用于替代外部输入输出组件、简化程序设计。例如计时控制电路、交通信号灯顺序控制、数值运算与指令执行过程的演示，都可在界面上以按钮、指示灯、数值显示等控件实现图形化监控^[2]。

局限

人机界面的能力受限于它所连接的控制器。这类产品最初是为解决 PLC 的人机交互问题而出现的，能否与某台设备通信，取决于组态软件中是否提供该设备的通讯驱动；若缺少对应驱动，需由厂商另行编制，否则无法建立连接^[3]。

不同厂商的界面硬件通常搭配各自的专用画面组态软件，通用性有限；相比之下，运行在 PC 上的通用组态软件支持的设备种类更多、功能更强，适用于大型监控系统^[3]。这意味着界面产品的性能上限还受处理器等级制约，产品按档次分别选用 8 位、16 位、32 位处理器，低端产品能力有限^[3]。

交互形态本身也带来信息损失。早期 CRT 界面一次只能在一屏内呈现数量有限的按钮，工程师需把控件分散到多个画面，显著增加设计与编程成本^[6]。当监控信息量过大时，操作者面对大量指示灯与数据，反而难以快速有效处理^[6]。

较新的交互方式同样存在门槛。图形用户界面对抽象信息的表达能力有限，且对指点操作的精度要求较高；三维界面的自然度虽有提升，却依赖高性能处理器与显卡，硬件、界面开发与维护成本都较高，对交互意图的精准理解也仍较困难^[5]。此外，工业现场对温度、湿度、振动、粉尘等环境条件要求严格，产品的防护等级与耐用度构成实际使用中的约束^[5]。

参见

• 可编程逻辑控制器 —— 工业人机界面最主要连接的控制设备，界面为其提供操作与显示手段。

• 触摸屏 —— 常被当作人机界面的代称，实际只是其中一种输入硬件部件。

• 组态软件 —— 用于制作人机界面画面工程的软件工具。

• 图形用户界面 —— 人机界面发展过程中的重要形态，由窗口、图标、菜单构成。

• 人机工程学 —— 人机界面概念与术语的来源学科。

• 监控与数据采集系统 —— 常与人机界面配合，用于大范围设备状态采集与监控。