人与机器之间协作水平将在工业5.0时代继续扩大

 

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，它通常应用于工业过程。最早的HMI雏形是1945年前后工业2.0时期出现的批处理界面。

批处理界面是一种非交互式用户界面，由用户预先指定批处理的详细信息，在所有处理完成后收到输出。批处理过程开始后就不再允许其他的输入。在批处理界面出现之前，是伴随蒸汽机的发明而出现的工业1.0。操作员通过简单的表计、开关和操作杆分别与每台机器进行交互。电力的出现宣布了工业2.0的到来，这个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，逐渐实现了在布满专用表盘和面板的独立控制室监控整个生产过程。这催生了批处理界面的发展。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）。

本文将追溯HMI技术的发展，首先从批处理界面讲起。然后将回顾推进HMI技术前进的演化过程——从原始的命令行界面起步，在最早的的PLC上使用，如今已发展到基于触摸屏的先进图形用户界面，以及使用联网的手持移动设备通过具有工业4.0特征的物联网（IoT）来控制和监控自动化系统。最后将简要展望HMI在工业5.0中更进一步的未来。

01

工业2.0和批处理

在工业2.0之初，人们进行调整（接受培训）来与机器协作，并不存在什么HMI。可供使用的只有从工业1.0继承而来的简单的表计、操作杆和开关。大约1890年，当制造过程中蒸汽动力被电力取代时，工业2.0开始了，这催生了劳动分工、大规模生产和装配线。直到1945年，批处理才被引入并出现了最初的HMI。

批处理不同于当今的自动化系统。它的算力有限并且成本高昂，HMI也很粗糙。用户要适应计算机。HMI增加了开销，软件则旨在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的形式之一

（图源：Shutterstock）打孔卡和纸带是高级版本。在早期的设计中，机器使用类似于当时电话总机室的插板进行“编程”。相比之下，中间设计将指令输入到控制面板上的开关矩阵中，这些开关被打开和关闭以直接在机器中生成控制代码。程序必然是直截了当的，通常仅限于打开和关闭继电器。提交打孔卡或打孔带提高了机器的生产效率。程序可以更复杂，并可在机器外生成，使机器能够更加连续地运行。但是使用打孔卡和打孔带也存在缺点，需要按照严格的语法进行，否则卡带可能会损坏。错误时有发生，但这些错误要等到机器操作员运行程序数小时或数天后才会被发现。发现的错误得到纠正后，又需要几个小时或几天的时间来重新运行程序，但愿不要再出错。

02

计算机操作系统的提示

原始操作系统是从这些低效的批处理界面演变而来。最初，批处理系统的一组打孔程序卡或打孔带需要包括与输入/输出（I/O）设备通信以及执行任何其他所需内部事务功能的指令，这些都是由当今操作系统处理的活动。1957年左右，开始出现大家常说的“装入立即执行”系统。计算机变得更加强大而灵活（尽管仍然还看不到多少当今系统的影子）。“装入立即执行”系统包含嵌入式“监控”程序，用于为批处理程序提供通用I/O和其他服务。这些监控程序还实施经过了改进的批处理程序错误检查，有时会在程序运行之前捕捉到错误，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。再后来，从系统控制台上的批处理监控程序演变出了命令行界面（CLI）。计算资源不断下降的成本推动了CLI的广泛应用。延迟从几天或几小时缩短到几秒钟，系统变得更加高效。早期的CLI非常原始，基于同样为新出现的分时计算机系统而开发的概念。CLI在操作员/程序员和系统之间采用了一系列请求和响应交互。由于操作员和机器之间（几乎）实时交互，在收到关于先前过程结果的近实时反馈时，操作员可以改动程序后面的阶段。软件更具交互性，但仍远谈不上用户友好。早期的实现需要用户使用大量的助记符。尽管如此，相比无法提供即时性能反馈的简单批处理界面，这已是巨大的改进。

但机器用户想要的更多。

03

工业3.0

工业3.0可以追溯到计算机时代的开端，人们开始对机器进行更直接和实时的控制。从机械系统和模拟电子到数字电子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（通用汽车的自动变速器部门）开始寻求用电子系统替代硬接线（且难以重新编程）的基于继电器的控制系统。这催生了次年生产的第一台PLC。这台PLC由Bedford Associates发明，被称为Modicon（模块化数字控制器）PLC（图2）。Modicon PLC是HMI领域的重大进步。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，而编程语言注重于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，收藏于西班牙加泰罗尼亚国家科技博物馆。（图源：Belogorodov - stock.adobe.com）早期的PLC HMI采取多种形式：简单系统中使用按钮和指示灯，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，台式计算机开始取代远程计算机提供与PLC直接连接的HMI，支持特定于供应商且简化了机器编程和监控的硬件平台。

20世纪90年代初，发布了IEC 61131-3。这是第一种独立于供应商的工业自动化和PLC用编程语言，使得HMI更易于使用。此外，在20世纪90年代，PLC上的HMI功能得到扩展，除了过程控制外，还增加了机器诊断和故障排除。20世纪90年代后期设计的PLC具有图形触摸屏HMI，并将互联网连接带到了工厂车间。

04

工业4.0

工业4.0始于工业物联网（IIoT）。在HMI发展的早期阶段，目标是实现人对机器和工业过程更强的控制。发展工业4.0 HMI则是为了支持人与机器之间不断提高的协作水平。HMI经过发展，支持将“机器”的定义扩展为包含决策支持系统、软件以及云中的大数据。工业4.0中的人机协作得到了无线连接以及便携式设备的支持，这些设备从手持控制器或手机上的触摸屏到增强现实眼镜应有尽有（图3）。其结果便是所谓的信息物理系统 （CPS），这个系统将计算和物理资产从云端集成到工厂车间。CPS始于嵌入式计算机和传感器网络，用来监控物理过程，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融合，创造出IIoT并实现了从集中控制到分散控制的转变。过去，会有一个与每台机器或每个PLC相关联的HMI，用于在本地或在集中控制室控制多台机器。工业4.0 HMI则是分布式的，更加以人为中心。工厂中的每个人都有自己的HMI，以无线方式连接到他们控制的各种资产。

 

图3：工业4.0中的人机协作得到了无线连接以及便携式设备的支持，这些设备从手持控制器上的触摸屏到增强现实眼镜应有尽有。工业4.0 HMI通常带有预安装的App，除了控制机器人和其他机器并与之协作外，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Web的系统。这些HMI通常是可扩展的，可以包括各种App来支持特定活动，例如：

◇ 执行高级生产算法和计算

◇ 通过多种协议（包括与IIoT联网设备的直接连接）连接到多个来源的数据

◇ 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

创建通知和发送提醒

05

工业5.0 – 下一步是什么？

工业5.0将看到人机协作更广的定义以及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。实时交叉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、机器人以及协作机器人之间的双向通路。在工业4.0中，由人来直接控制与机器的协作。工业5.0将对此做进一步扩展，HMI将使机器能够启动与人的协作（图4）。HMI的持续发展将确保人们越来越紧密地融入工业过程和制造环境。

06

结语

HMI的发展始于工业2.0时期，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，在工业3.0时期实现了更高级别的细粒度控制。工业4.0经历了范式改变，HMI的目标从对机器的严格控制转变为与机器更多的协作以及发展针对IIoT和大数据优化的HMI。人与机器之间的协作水平将在工业5.0时代继续扩大。HMI将演变为包括交叉现实环境，可以满足人与机器之间更密切的实时连接需求，由机器主动请求人类输入以帮助优化各种活动和过程。

 

图4：大数据、人工智能和交叉现实将实现工业5.0中的人机界面新范式，其中的机器会主动与人类联系帮助解决困难情况。

 

Jeff Shepard作者介绍

Jeff是Jeta电力系统公司的联合创始人，该公司是一家被Computer Products公司收购的大功率开关电源制造商。Jeff还是个发明家，他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，经常就电力电子领域的全球趋势发表演讲。他曾受邀在许多行业活动上发表演讲，包括IEEE应用电力电子会议全会、Semico West、全球半导体联盟新机遇会议、IBM电力和冷却研讨会以及Delta Electronics全球电信电力高级员工研讨会。

Jeff拥有加州大学戴维斯分校的定量方法和数学硕士学位。他在电力电子、电子元器件和其他技术主题方面有着30多年的写作经验。他从担任《EETimes》杂志的高级编辑时就开始撰写电力电子方面的文章。他创办了《Powertechniques》，这是一本有关电力电子设计的杂志，每月发行量超过3万份。随后，他又创立了全球电力电子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group发布了PowerPulse.net，为全球电力电子工程社区提供每日新闻。Jeff曾编写过一本开关电源教科书《Power Supplies》，由普伦蒂斯霍尔出版社的雷斯顿分部出版。

原文标题：人机界面的演变

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　　审核编辑：彭菁