摘要

人机界面（Human-Machine Interface，HMI）作为工业自动化领域核心的交互终端，正经历从传统触摸屏向智能化、网络化、平台化的深刻变革。本报告从基础概念、核心功能、通信与集成、软件架构、市场格局、硬件技术、行业应用、标准规范及选型实践等九大维度，对HMI进行全面系统的调研分析。报告覆盖西门子、罗克韦尔、施耐德、威纶通、昆仑通态等国内外主流品牌，深入剖析了PROFINET、Modbus、OPC UA、MQTT等通信协议的应用场景，并对AI融合、边缘计算、Web化等前沿趋势进行了前瞻性研判。

一、HMI基础概念与内涵界定

1.1 定义与本质

人机界面是人与机器之间进行信息交流和交互操作的媒介与对话接口，是自动化控制系统的重要组成部分。工业人机界面（Industrial HMI）作为一种带微处理器的智能终端，在工业环境中承担着信息展示与操作控制的双重职能——它将设备内部复杂的运行数据转化为人类可直观理解的图形、数字和曲线，同时接收操作人员的指令并传递给控制设备。

HMI在工业自动化体系中的定位可以概括为**“三显一控”**：显示实时数据（温度、压力、转速、产量等过程变量），显示历史趋势（曲线、报表、报警记录等统计分析），显示操作指导（SOP动画、故障排查视频等辅助信息），以及控制设备启停、参数修改和模式切换。

1.2 HMI的演进历程

HMI的发展经历了多个技术阶段，每一次跨越都与信息技术和工业需求的进步紧密相关：

第一代：物理按钮与指示灯阶段。 早期工业设备的“人机界面”由按钮、旋钮、选择开关和指示灯组成。操作面板通常是定制的控制柜，每个按钮对应一个具体功能。这种方式直观但功能有限，任何修改都需要改动硬件接线。

第二代：字符型文本显示器阶段。 随着单片机技术的成熟，基于字符型LCD的文本显示器出现。这类设备可以显示几行文字信息，通过功能键进行操作，实现了初步的数字化交互，但图形能力极为有限。

第三代：图形触摸屏阶段。 这是当前工业现场最普遍的HMI形态。基于嵌入式处理器和TFT液晶显示技术，配备电阻式或电容式触摸屏，可显示丰富的图形、动画和数据图表。组态软件的出现使工程师无需编写代码即可完成界面开发。

第四代：智能化与网络化阶段。 当前HMI正在经历的深刻变革。HMI不再仅仅是本地的显示与控制终端，而是演变为具备数据采集、边缘计算、云平台连接、远程访问等功能的智能节点。运行Android或Linux系统的工业平板电脑与HMI的界限日益模糊。

1.3 HMI与相关概念的辨析

在实际应用中，HMI常与以下概念产生关联或混淆：

概念	定位与范围	与HMI的关系
SCADA	监控与数据采集系统，覆盖广域多站点的监控	HMI可视为SCADA系统的现场级终端；SCADA的监控站本身也包含HMI软件
工业平板电脑	具备完整计算机功能的工业触控一体机	功能重叠越来越大，工业平板常被用作高端HMI，但HMI还可以是嵌入式面板
触摸屏	一种输入输出硬件装置	触摸屏是HMI的标准输入方式，但HMI还包括软件、通信等完整系统
组态软件	用于开发HMI画面的编程工具	HMI的运行依赖组态软件开发的工程文件，两者是工具与产品的关系

1.4 HMI的产品分类

按产品形态和技术路线，当前HMI可分为以下几大类：

（1）嵌入式HMI面板。 最传统、使用最广泛的形态。采用专用嵌入式硬件，运行RTOS或定制的嵌入式操作系统，配备固定规格的液晶屏和触摸面板。典型尺寸从4.3英寸到15英寸不等。优势是稳定可靠、启动快、成本低。西门子SIMATIC HMI Basic Panel和Comfort Panel、威纶通iE系列、昆仑通态TPC系列均属此类。

（2）工业平板电脑型HMI。 运行Windows或Android操作系统的全功能工业计算机，兼具HMI功能和通用计算能力。可通过安装第三方APP扩展功能，支持Web浏览器、数据库、高级编程语言等。HMI与工业平板电脑的界限正在模糊化，运行Android系统的设备支持安装第三方APP，代表了最新的集成趋势。

（3）Web/云端HMI。 基于HTML5、SVG和JavaScript等Web技术构建的新一代HMI方案。用户通过现代Web浏览器访问HMI画面，无需安装专用客户端软件。西门子的WinCC Unified即是Web技术路线在工业HMI领域的代表性实现，其采用原生Web技术构建可视化系统，支持通过任何现代Web浏览器访问。

（4）移动HMI。 以工业平板、智能手机为载体的移动操作终端，通过Wi-Fi或4G/5G网络连接控制系统，适用于需要操作人员移动作业的场景。

二、HMI核心功能体系

2.1 数据可视化功能

数据可视化是HMI最基础也是最核心的功能，将PLC采集的各类过程数据以直观的图形化方式呈现。

（1）实时数据显示。 以数字、仪表、柱状图、动画等形式显示温度、压力、流量、速度、位置、产量等实时过程变量。数据显示需要具备以下特性：刷新速率（通常100ms~1s）、数值精度、单位显示、超限变色提示等。

（2）趋势曲线。 将历史数据以折线图形式展示，帮助操作人员分析过程变化规律。包括实时趋势（滚动显示最近时间段的数据）和历史趋势（从归档数据库中调取任意时间段的数据）。主流的HMI软件平台提供了强大的趋势图定制配置界面，内置日期选择器、缩放、高亮笔、多坐标轴等功能，可以灵活地呈现和分析过程数据。

（3）报警管理。 当过程变量偏离正常范围时，HMI以声光形式提醒操作人员。完整的报警系统应包括：报警触发条件的设置、报警级别分类（如紧急、严重、警告、提示）、报警确认机制、报警历史记录与查询，以及报警报表的生成。ISA-101标准对报警可视化有专门的规范指导。

2.2 操作控制功能

（1）设备控制。 通过画面上的按钮、开关、滑块等控件对现场设备进行启停、调速、参数设定等操作。控制功能通常需要结合用户权限管理，确保只有授权人员才能执行关键操作。

（2）配方管理。 对于需要频繁切换生产参数的应用场景（如食品加工、注塑成型），HMI提供配方数据的存储、编辑、选择和下载功能。一套配方包含一组预设的工艺参数值，可一键下发至PLC。

（3）参数设定。 提供系统参数的集中管理界面，包括PID参数、限位值、通信参数、系统时间等。参数修改通常需要特定权限并记录操作日志。

2.3 数据管理功能

（1）数据记录与归档。 HMI可将关键过程数据按设定周期存储到本地存储器或外部数据库。西门子WinCC Unified PC内置了日志记录功能，可对长期相关的过程信息进行归档，满足GMP等合规性要求。

（2）报表生成。 基于记录的数据自动生成生产报表、质量报表、能耗报表等，支持定时打印或按需导出。

（3）审计追踪。 在高合规性行业（如制药、食品），HMI需要记录操作人员的每一次关键操作，形成可追溯的审计日志。

2.4 系统集成功能

（1）多协议通信。 现代HMI通常支持多种工业通信协议，能够同时与不同品牌、不同协议的设备进行数据交换。威纶通的HMI产品已通过OPC UA认证，支持通过OPC UA与外部系统进行安全可靠的数据交互。

（2）上位系统连接。 HMI作为数据网关，通过OPC UA、MQTT等协议将现场数据上传至MES、ERP或云平台，实现从车间到企业的信息贯通。EXOR推出的CORVINA云平台即是一个典型案例——它通过物联网连接将HMI的能力延伸至云端，实现安全远程访问、实时监控和预测性维护。

（3）多屏协同。 在大型系统中，多个HMI之间可以互相通信，实现画面切换联动、数据共享和分布式监控。

2.5 安全管理功能

（1）用户权限管理。 定义不同级别的用户账户（如操作员、工艺员、管理员），分配不同的操作权限，确保系统的安全操作。

（2）电子签名。 在关键操作（如配方修改、参数变更）时要求电子签名确认，满足FDA 21 CFR Part 11等法规要求。

（3）网络安全防护。 现代HMI支持TLS加密通信、证书认证等安全机制。北尔电子的X3系列HMI在设计时就围绕网络安全、高品质和易用性三大支柱进行工程化设计，符合IEC 62443-4-2要求，支持安全等级2（SL2）。

三、HMI通信与系统集成

3.1 通信架构总览

HMI在工业自动化网络中的通信角色是双向的：一方面向下与PLC、传感器、驱动器等现场设备通信，采集数据并下发指令；另一方面向上与MES、ERP、SCADA服务器或云平台通信，实现信息的上传与共享。

通信方式的选择取决于多方面因素：PLC的品牌与型号、数据传输的实时性要求、通信距离、电磁环境干扰程度以及成本预算。

3.2 主流工业通信协议详解

（一）以太网类协议

PROFINET。 西门子自动化系统的标配通信协议。HMI通过PROFINET与S7系列PLC集成通信时，需要在同一子网内，并在TIA Portal中组态“HMI连接”。PROFINET基于工业以太网，支持实时（RT）和等时实时（IRT）通信，适用于高速控制场景。西门子HMI与西门子PLC的最佳实践是采用品牌专用协议配合配套接口，如使用PROFINET以太网连接HMI与S7-1200 PLC。

EtherNet/IP。 由罗克韦尔自动化主导的工业以太网协议，基于标准TCP/IP和UDP/IP。在北美市场占据主导地位。支持生产者-消费者通信模型，支持隐式（I/O数据）和显式（配置/诊断数据）消息。Pro-face的HMI产品广泛支持EtherNet/IP协议，可实现与罗克韦尔PLC的顺畅集成。

Modbus TCP。 Modbus协议在以太网上的实现，将Modbus帧封装在TCP/IP报文中。协议简单开放，几乎所有品牌的HMI都支持，是跨品牌通信最通用的选择。适用于对实时性要求不高的通用监控场景。

标准TCP/IP与S7协议。 西门子HMI也支持通过标准TCP/IP与S7系列PLC通信，底层使用S7协议或ISO on TCP。这种方式不依赖PROFINET硬件，更灵活但也需要更细致的参数配置。

（二）串口通信协议

Modbus RTU。 基于RS-232或RS-485物理层的串行通信协议，采用主从模式。最多支持一个主站（HMI）和247个从站。RS-485支持最长1200米的通信距离，且具有良好的抗干扰能力，适合远距离、低成本、对速度要求不高的应用场景。用户提供的参考材料中提到的帧结构——帧头+地址+功能码+数据+校验+帧尾——正是Modbus RTU的典型帧格式。

部分高级HMI支持通过Lua脚本自定义串口协议的帧解析，以适应非标准协议的设备通信需求。

自定义串口协议。 一些老旧设备或专用仪表使用非标准协议。部分HMI提供“自由口”编程能力，允许用户编写脚本自定义帧解析逻辑，极大扩展了HMI对非标设备的兼容能力。

（三）现场总线协议

Profibus DP。 经典的现场总线协议，在过程自动化领域仍大量使用。HMI需要配备DP接口或通过网关转换才能接入Profibus网络。在Profibus网络中，HMI通常作为主站（二类主站）读写PLC（一类主站）的数据。

CANopen。 基于CAN总线的应用层协议，广泛应用于运动控制、汽车电子、医疗设备等领域。CANopen定义了丰富的设备子协议（如DS301通信协议、DS402运动控制协议），HMI作为CANopen主站可以实现对伺服驱动器、变频器等设备的监控。

（四）高级通信标准

OPC UA（开放平台通信统一架构）。 这是工业4.0时代最具战略意义的数据交互标准。与传统的OPC Classic（基于微软DCOM技术）不同，OPC UA是平台无关的、面向服务的架构，内置安全机制，支持数据加密、签名和认证。

OPC UA的核心优势包括：平台独立性（不受操作系统限制，可运行于Windows、Linux、嵌入式系统甚至无操作系统的设备）、安全性（内建证书认证和加密机制，支持非对称和对称加密）、信息模型（不仅传输数据，还能描述数据的语义和结构）、支持Pub/Sub模式（结合MQTT或AMQP实现高效的云通信）。西门子已经建议用户将其HMI系统从传统的OPC DA/HDA/AE服务迁移至OPC UA，以提升安全性。

MQTT。 轻量级的发布/订阅式消息传输协议，专为低带宽、高延迟或不稳定的网络环境设计。在工业物联网场景中，MQTT常被用作HMI向云平台推送数据的通道。

（五）无线通信

部分HMI支持Wi-Fi（基于IEEE 802.11标准，方便移动操作和维护场景）、4G/5G（通过蜂窝网络实现远程数据采集和控制）、蓝牙（短距离无线连接，常用于本地参数配置和诊断）。

3.3 通信配置与集成实践

同品牌集成

在TIA Portal等集成开发环境中，HMI与PLC的通信配置高度自动化。以西门子为例，只需在同一项目中添加HMI设备和PLC设备，系统自动建立“HMI连接”，开发者只需关联变量即可，无需手动配置IP地址和端口号。

跨品牌集成

当HMI与不同品牌的PLC通信时，需要采用标准协议或驱动转换。常见方案包括：

• 采用Modbus TCP/RTU作为通用中间协议
• 使用OPC UA作为统一数据接口
• 使用协议网关（如从CC-Link IE转换为PROFINET）
• 使用KEPServerEX等第三方通信平台软件，该平台支持超过150种驱动和多种协议标准

云平台集成

HMI通过MQTT或OPC UA Pub/Sub将数据发布到云平台。EXOR的CORVINA平台即是一个典型应用——工程师可通过无代码仪表盘构建云端或边缘的监控界面，实现从车间到云端的无缝数据流通。

四、HMI软件架构与组态开发

4.1 软件架构层次

现代HMI的软件架构可以分为四个层次：

第一层：UI显示层。 负责画面渲染和触摸交互处理，包括图形控件、动画效果、导航逻辑等。新一代HMI已广泛采用HTML5、SVG和JavaScript等原生Web技术。

第二层：UX交互层。 定义用户交互逻辑，包括按钮响应、页面跳转、弹窗管理、手势识别等交互行为的处理。

第三层：业务逻辑层。 实现报警判断、配方管理、数据计算、权限验证等业务功能。在高端HMI中，这一层可以通过脚本语言（如VB Script、C#、Python）实现复杂的定制逻辑。

第四层：数据解析层。 负责与PLC及其他设备之间的协议解析和数据映射，将通信数据包转换为上层可用的变量值。

这种分层架构的优势在于各层独立演进——显示层可以升级到新的前端技术而不影响通信层，通信层可以增加新协议支持而不需要修改画面逻辑。

4.2 组态软件对比

组态软件是HMI开发的图形化编程工具，不同品牌和产品线配备不同的组态软件平台。

厂商/品牌	组态软件	技术特点	价格定位
西门子	WinCC (TIA Portal)	全集成自动化平台，与PLC编程、驱动配置一体化；支持WinCC Unified（Web技术）	高端，授权费用较高
罗克韦尔	FactoryTalk View ME/SE	分为机器级（ME）和监控级（SE），与Logix平台深度集成	高端
施耐德/Pro-face	GP-Pro EX	强兼容性，支持300+品牌PLC协议，画面设计能力强	中高端
三菱	GT Designer3	与三菱PLC无缝集成，支持CC-Link IE	中端
威纶通	EasyBuilder Pro	简单易上手，功能全面，文档资料丰富，支持OPC UA	中低端，性价比高
昆仑通态	MCGS	偏国产生态，上位机风格，功能强大但上手曲线较陡	中低端
步科	Kinco DTools	偏轻量级，适合简单应用场景	低端
汇川	AutoShop	与汇川PLC强绑定，适合汇川生态用户	中低端

威纶通以EasyBuilder软件简单易上手著称，资料丰富；昆仑通态的MCGS软件功能强大但学习曲线较陡，特别适合偏上位机风格的应用；步科的Kinco DTools偏轻量级。

4.3 组态开发流程

完整的HMI组态开发流程可分为五个阶段：

第一阶段：需求分析与规划。 这是整个开发流程中最为关键的第一步。开发人员需要与工艺工程师、操作人员充分沟通，明确HMI需要显示哪些数据、控制哪些设备、有哪些操作流程、报警逻辑如何设计、用户权限如何分配、报表需求有哪些等。这一阶段的产出物包括：画面结构图、变量清单表、报警定义表、权限矩阵等。

第二阶段：工程配置。 在组态软件中创建新项目，选择HMI设备型号（决定屏幕分辨率、性能参数和可用功能），建立与PLC的通信连接配置（设置通信协议、设备地址、网络参数等）。

第三阶段：变量与数据库。 定义HMI内部变量和外部变量（映射至PLC地址）。外部变量需要指定通信协议、设备站号、数据地址（如西门子的DB100.DBD0、Modbus的40001等）以及数据类型和采集周期。变量管理需要注重命名规范和分组策略。

第四阶段：画面设计与组态。 使用组态软件提供的图形控件库，创建工艺流程画面、参数设置画面、报警画面、趋势画面、配方画面等。遵循HMI设计规范（如ISA-101标准），注重画面层次结构（总览→区域→设备→参数）、色彩使用规范（正常/警告/报警的标准配色）、以及导航逻辑的一致性。

第五阶段：调试与优化。 在模拟环境中测试画面逻辑、报警触发、数据通信的正确性，然后进行现场联调。调试阶段需要关注画面响应速度、数据刷新流畅度、触摸操作灵敏度等用户体验指标。

4.4 高性能HMI设计理念

ISA-101标准为高性能HMI（High-Performance HMI）提供了系统化的设计指导。其核心理念包括：建立HMI设计理念与风格指南文档，定义全系统统一的视觉风格和交互规范；设计层次化的画面结构，支持从总览到细节的逐级钻取；使用低饱和度的背景色和有限的高亮色，仅在异常时使用鲜艳色彩吸引注意力；采用灰色为主的基调，将彩色保留给报警和关键状态指示；合理组织报警信息，避免信息过载；定义关键性能指标并在画面中呈现。

五、HMI市场格局与主要厂商

5.1 全球市场规模与增长趋势

全球HMI市场近年来保持稳健增长态势。2024年全球人机界面市场规模约为55-56亿美元，预计到2031-2033年将达到约92-94亿美元，年复合增长率（CAGR）在6%至9%之间波动，不同研究机构的测算略有差异。

从细分市场来看，基于触摸屏的HMI市场在2025年达到172亿元人民币，预计2032年将达到315亿元人民币，CAGR为9.1%。工业触摸面板计算机市场2025年规模约为24.83亿美元，预计2032年将达到38.13亿美元，CAGR为6.4%。

市场增长的主要驱动力包括：工业自动化渗透率持续提升、智能制造和数字化转型的政策推动、物联网与边缘计算技术融合、老旧设备HMI的更新替换需求、以及汽车、医疗等新兴应用领域的扩展。

5.2 主要国际厂商

（1）西门子。 全球HMI市场的领导者，拥有最完整的产品组合。产品线从入门级的SIMATIC HMI Basic Panel（4-12英寸），到中高端的Comfort Panel（7-22英寸），再到基于PC的WinCC Unified PC。其新一代WinCC Unified全面采用Web技术，支持通过Industrial Edge实现边缘部署和集中管理，提供无代码工程、基于Web的可视化、OpenPipe直连PLC数据等先进功能。

（2）罗克韦尔自动化。 北美市场的主导者，PanelView系列HMI与ControlLogix/CompactLogix PLC生态深度绑定。FactoryTalk View软件平台提供机器级（ME）和监控级（SE）两个版本，覆盖从单机到全厂监控的应用需求。

（3）施耐德电气/Pro-face。 Pro-face作为施耐德旗下的HMI品牌，是HMI领域的“老牌强者”，主打高性能、强兼容和长寿命。其产品在恶劣环境下表现优异，主流产品配备1600万色TFT显示屏、1000cd/m²高亮度、16:9宽屏，支持宽视角显示。在兼容性方面，Pro-face支持OPC UA、Modbus、EtherNet/IP等300多种品牌PLC的通信协议。

（4）三菱电机。 GOT系列HMI与三菱PLC系统紧密集成，支持CC-Link IE等三菱专属协议，在日本和亚太市场拥有稳固的市场份额。

（5）艾默生。 Movicon.NExT平台是现代HMI/SCADA的代表性产品，最新版本优化了连接性、开发效率和运行性能。

（6）其他。 包括欧姆龙（NB/NS系列）、贝加莱（ABB旗下）、倍福（TwinCAT HMI）、北尔电子等。

5.3 中国国产HMI厂商

近年来，国产HMI厂商发展迅速，在中低端市场形成强劲竞争态势，同时积极向高端领域渗透。

（1）威纶通。 国产HMI的标杆品牌，以高性价比和易用性著称。EasyBuilder组态软件简单易上手，资料丰富，社区活跃，适合中小型自动化项目。其产品已通过OPC UA认证，物联网云功能在国产品牌中表现突出，手机端自适应体验较好。

（2）昆仑通态。 MCGS组态软件功能强大，偏上位机风格，在国产化替代和军工、电力等特定领域有较强的生态优势。虽然学习曲线相对较陡，但其提供的软硬件一体化解决方案能够满足复杂的工业控制需求。

（3）信捷电气。 HMI产品与自有PLC、伺服系统集成度高，提供“云智造”物联网平台，适合信捷生态用户的一体化部署方案。

（4）汇川技术。 作为国产自动化的领军企业，汇川的HMI与自有PLC通过AutoShop平台强绑定，在华南地区的电子制造、新能源设备等领域占有一定市场份额。

（5）步科。 以Kinco DTools轻量级组态软件为特点，产品偏轻量定位，适合对成本和复杂度敏感的应用场景。

（6）其他国产品牌。 台达、繁易、禾川、麦格米特、显控、傲拓、维控、合信等品牌也各具特色，覆盖不同细分市场。

5.4 市场竞争格局

国际品牌在中大型项目和高端应用中仍占据主导地位，尤其是在与自有PLC生态绑定的场景中优势明显。但在中小型设备和通用自动化市场，国产HMI凭借价格优势（通常比同规格国际品牌低30%-50%）、本地化技术支持以及快速响应能力，已经获得广泛认可。

六、HMI硬件技术详解

6.1 显示技术

（1）TFT-LCD。 当前工业HMI最主流的显示技术。采用薄膜晶体管主动矩阵驱动，相比早期的STN-LCD，TFT在色彩饱和度、对比度、响应速度和可视角度方面有明显优势。主流HMI产品的颜色深度可达1600万色（24位真彩色），亮度通常在300-500cd/m²。

（2）高亮度与宽温技术。 户外或强光环境下的HMI需要更高的显示亮度（可达1000cd/m²以上）以保证可读性。宽温显示屏可在-30°C至80°C的环境温度范围内稳定工作。

（3）宽屏与高分辨率趋势。 16:9宽屏比例正在取代传统的4:3屏幕，WXGA（1280×800）和Full HD（1920×1080）分辨率成为标配。更高分辨率带来更精细的画面表现和更大的信息承载量。

6.2 触摸技术

（1）电阻式触摸屏。 传统方案，通过两层导电薄膜的接触实现触摸检测。优点是不受手套、水渍、油污影响，成本低。缺点是透光率较低（约80%），不支持多点触控，表面易磨损。

（2）电容式触摸屏。 现代高端HMI的首选。利用人体电流感应实现触摸检测。透光率高（约90%以上）、支持多点触控（缩放、旋转等手势）、表面硬度高、耐磨损。但普通电容屏不能戴手套操作，需要使用专用触控笔或支持手套模式的电容屏。

6.3 防护等级

IP防护等级（Ingress Protection）是评价HMI环境适应性的核心指标，由IEC 60529标准定义。

防护等级	防护能力	适用环境
IP65	完全防尘 + 防低压喷水	一般车间环境
IP66	完全防尘 + 防强力喷水	清洗频繁的车间
IP67	完全防尘 + 短时间浸水（1m/30min）	户外/潮湿环境
IP69K	完全防尘 + 防高温高压水喷射（80bar/80°C）	食品/制药卫生级清洗

食品、制药等卫生敏感行业需要使用IP69K防护等级的HMI。贝加莱等厂商已推出具备IP69K防护等级的HMI产品，可在高压高温水冲洗的严苛卫生条件下长期运行。

6.4 处理器与存储

级别	典型处理器	内存	存储	适用场景
入门级	ARM Cortex-A7/A8	128-256MB	128-512MB Flash	简单画面显示
中端	ARM Cortex-A9/A53	512MB-1GB	4-8GB eMMC	标准工艺监控
高端	Cortex-A72/x86	2-8GB	32-128GB SSD	复杂画面/数据分析

处理器的选择直接影响HMI的画面切换速度、动画流畅度和数据处理能力。近年来，四核乃至八核处理器开始应用于高端HMI，使得运行3D画面、视频播放和AI推理成为可能。

6.5 安装方式与物理规格

• 面板嵌入式安装： 通过安装卡扣将HMI固定在控制柜面板开孔中，是最常见的安装方式
• VESA壁挂安装： 使用标准VESA孔距（75mm/100mm），常用于大尺寸工业平板
• 悬臂安装： 通过支撑臂系统实现HMI的灵活调整，适合设备操作台场景

七、行业应用场景与典型案例

7.1 离散制造业

典型设备： 数控机床、注塑机、包装机、印刷机、纺织机械。

应用特点： HMI承担设备主控面板的角色，集成设备启停控制、工艺参数设定、配方管理、故障诊断等功能。对画面刷新率要求较高（通常需要100-200ms），并需要支持多语言以适应设备出口需求。

典型案例： 注塑机HMI集成温度PID控制画面、注射速度压力曲线显示、模具配方管理和生产计数功能，通常使用7-10英寸嵌入式HMI面板。

7.2 过程工业

典型场景： 化工、制药、食品饮料、水处理。

应用特点： HMI通常作为DCS系统的操作站，或作为单机设备的就地操作终端。要求支持复杂的报警管理、趋势曲线分析、批次报告、审计追踪等功能。符合ISA-101高性能HMI标准的设计理念在此类场景尤为重要。

典型案例： 制药发酵罐系统采用15英寸以上HMI，配置多层权限（操作员/工艺员/管理员），实现FDA 21 CFR Part 11合规性要求的电子签名和审计追踪。

7.3 汽车制造

两大方向：

• 生产设备HMI： 汽车装配线大量使用HMI进行工位控制和数据采集，需要与MES系统紧密集成
• 车载HMI（座舱人机界面）： 与工业HMI技术同源但面向消费级应用。2025年全球汽车HMI市场规模已达到800.1亿美元，涵盖了中控屏、仪表盘、HUD抬头显示等

车载HMI的发展方向包括：多模态交互——突破传统物理按键和触屏的限制，实现语音、手势、视线追踪等多种交互方式的融合；健康监测——通过座舱内无接触式传感器实时监测驾乘者的心率、血压、疲劳程度等生理参数；个性化体验——基于驾驶员偏好和习惯的自适应界面。

7.4 基础设施与能源

典型场景： 电力变电站、泵站、楼宇自控、数据中心。

应用特点： 对可靠性要求极高，通常要求7×24不间断运行；通信距离可能较长（需要通过光纤或无线通信）；需要支持IEC 61850（电力）、BACnet（楼宇）等行业特定协议。

7.5 医疗设备

典型应用： CT/MRI控制台、实验室分析仪器、透析机。

应用特点： 需要通过IEC 60601（医疗电气设备安全标准）认证；界面设计需要特别关注操作安全，防止误操作导致医疗事故；对卫生清洁有严格要求。

7.6 消费电子与智能家居

典型应用： 智能家电控制面板、智能音箱显示屏、家庭能源管理系统。

应用特点： 注重用户体验和视觉美观，常采用3D UI和动画效果。3D HMI设计在智能家电的“引导式维护”等功能的呈现上已经得到应用，提升了用户操作的直观性和品牌体验。

八、HMI相关标准与规范体系

8.1 国际标准

标准编号	标准名称	核心内容
IEC 60529	外壳防护等级（IP代码）	定义IP防护等级测试方法
IEC 62443-4-2	工业自动化和控制系统安全	组件级网络安全要求，研华和北尔电子均有合规产品
ISA-101	人机界面标准	HMI设计全生命周期管理规范
ISO 13849	机械安全-控制系统安全相关部件	安全相关HMI的功能安全要求
IEC 61131-3	可编程控制器编程语言	与HMI开发间接相关（PLC编程标准）
IEC 60601	医疗电气设备标准	医疗HMI的电气安全和基本性能要求
ISO 20653	道路车辆防护等级	车载HMI的防护要求，对蒸汽喷射等有专门规定

8.2 通信标准

标准/协议	管理组织	关键特性
OPC UA	OPC Foundation	平台无关、安全加密、信息建模，已纳入IEC 62541标准
PROFINET	PI (PROFIBUS & PROFINET International)	工业以太网，支持RT/IRT实时通信
Modbus	Modbus Organization	开放协议，简单通用
EtherNet/IP	ODVA	CIP协议在以太网上的实现
MQTT	OASIS	轻量级发布/订阅，物联网首选

8.3 中国标准与政策

中国在推进智能制造和工业互联网的背景下，对HMI相关技术提出了明确要求。在通信协议方面，工信部推动OPC UA作为工业数据互通的标准协议，鼓励设备厂商支持统一的数据交换标准。在信息安全方面，工业控制系统信息安全管理要求（等保2.0标准）对HMI作为工业控制系统组件的安全防护提出了合规要求，需要满足身份鉴别、访问控制、安全审计、通信完整性等安全能力。在国产化替代方面，在自主可控政策的推动下，涉及国家安全和关键基础设施领域的项目优先采用国产HMI产品，为昆仑通态、威纶通等国产厂商提供了重要的市场机遇。

九、HMI选型指南与实践

9.1 选型决策框架

HMI选型需要综合考虑以下维度的需求：

第一维度：应用环境。

• 安装位置：控制柜内/外、户外、洁净室？
• 环境温度：常温、高温还是低温？
• 湿度/粉尘/腐蚀性：是否需要IP65以上防护？
• 清洗要求：是否需要IP69K卫生级防护？

第二维度：功能需求。

• 画面复杂度：简单数据显示 or 复杂工艺流程？
• 变量点数：几十个 or 上千个？
• 刷新速度：100ms级 or 1s级即可？
• 配方管理：是否需要配方存储和快速切换？
• 数据记录：是否需要历史数据归档和报表？
• 联网需求：是否需要MES/云平台连接？

第三维度：通信兼容性。

• PLC品牌和型号是否与HMI品牌协议匹配？
• 是否需要跨品牌设备通信？通信协议是否标准且开放？
• 是否涉及老旧设备的非标准协议？
• 是否需要OPC UA/MQTT等高级通信功能？

第四维度：预算与品牌生态。

• 项目预算范围？
• 是否已有固定的PLC/自动化品牌供应商？
• 对本地技术支持和售后服务的需求程度？

第五维度：行业特殊要求。

• 是否需要特定行业认证（如医疗IEC 60601）？
• 是否涉及FDA合规（电子签名、审计追踪）？
• 是否需要功能安全相关认证？

9.2 选型建议速查表

应用场景	推荐方案	参考价格
简单单机设备（少量变量、基础控制）	7寸嵌入式HMI（如威纶通iE系列、西门子Basic Panel）	1000-5000元
标准自动化设备（配方、报警、趋势）	10-12寸嵌入式HMI（如昆仑通态TPC系列、西门子Comfort Panel）	5000-15000元
复杂工艺系统（多画面、数据归档）	15寸以上工业平板（如Pro-face SP5000系列、西门子WinCC Unified PC）	15000-30000元
远程监控/云端方案	Web HMI + 边缘计算网关（如西门子Unified Edge）	按方案定制
卫生级环境（食品/制药）	IP69K防护HMI（如贝加莱、Pro-face卫生型）	高端定价
纯国产化项目	昆仑通态MCGS或信捷电气一体化方案	性价比高

9.3 国产与国际品牌的选择权衡

选择国际品牌的场景： 甲方或项目方明确指定品牌（如西门子、罗克韦尔）；PLC系统已确定使用同一国际品牌，追求最好的兼容性和集成效率；项目对HMI可靠性要求极高，愿意为品牌溢价付费；需要全球化技术支持和标准化部署。

选择国产品牌的时机： 项目预算有限，需要在保证基本品质的前提下控制成本；中小型OEM设备配套，对品牌认可度要求相对灵活；涉及国产化替代政策的项目，优先采用国产方案；需要快速响应的本地化技术支持和定制化服务。

9.4 项目规划注意事项

组态软件授权模式需要提前明确——部分厂商的组态软件需要单独购买授权，且分开发和运行两种版本，项目预算中应包含软件授权费用。

老旧设备改造项目的兼容性评估至关重要——需要确认HMI支持的通信协议是否能够与原有PLC匹配，必要时预留协议转换网关的费用。

备件管理应从全生命周期视角规划——选择HMI型号时应考虑该产品线的生命周期（通常工业HMI产品生命周期为5-10年），避免选择即将停产的型号。

HMI的设计水平直接影响操作效率和生产安全——在项目预算中应为画面设计留出足够的人力和时间投入，遵循ISA-101等国际标准进行专业设计。

十、HMI前沿趋势与未来展望

10.1 人工智能与多模态交互

AI正在深刻重塑HMI的交互方式。传统HMI依赖操作人员主动查找和分析数据，而AI赋能的HMI变被动为主动——根据设备状态和上下文自动提供操作建议、故障预警和优化方案。在交互层面，工业HMI开始引入语音识别、自然语言处理和手势控制，使操作人员可以在双手不便时通过语音指令完成操作。部分厂商已经开始将AI智能体嵌入HMI系统，支持自然对话、语音控制和智能输入。面向特定行业的智能座舱方案正在实现毫秒级端到端的丝滑语音对话交互，将多模态交互从概念推向商用落地。

10.2 Web技术与跨平台统一体验

基于HTML5、SVG和JavaScript的Web技术正在成为HMI界面开发的新标准。Web化带来三大核心优势：可在任何现代浏览器中访问，无需安装专用客户端软件；跨操作系统兼容（Windows、Linux、Android、iOS均支持）；IT/OT融合——HMI画面可被MES、ERP等企业系统调用和嵌入。

西门子的WinCC Unified是Web技术在工业HMI领域的标杆实现。新一代统一面板覆盖从4英寸到22英寸的全尺寸范围，从价格敏感的基本面板到功能强大的舒适面板，统一基于Web技术架构，保证了从低成本到高端应用的一致体验。WinCC Unified还支持通过GraphQL接口与IT系统进行数据交互，进一步打通了OT与IT的数据壁垒。

10.3 边缘计算与云边协同

HMI的角色正在从纯显示终端向边缘计算节点演进。边缘计算的引入使HMI能够在现场完成数据分析、异常检测和即时决策，而不完全依赖云端连接。通过本地预处理有效减少了数据传输量，降低了云端存储和带宽成本。同时，在断网情况下，边缘HMI仍可维持基本的监控和控制功能，保障了系统可用性。

EXOR推出的MicroEdge方案与CORVINA云平台配合，形成了从车间HMI到云端分析的完整数据链路，实现了“边缘计算+云平台”的协同架构。西门子的WinCC Unified for Industrial Edge更直接集成了边缘计算能力，通过无代码工程实现基于Web的边缘可视化，支持通过Industrial Edge管理平台进行远程部署。

10.4 工业物联网与远程运维

随着IIoT技术的普及，HMI正在成为连接现场设备与云端的核心枢纽。新一代HMI普遍支持MQTT、OPC UA Pub/Sub等物联网协议，能将设备运行数据实时推送至云平台，同时接收云端下发的控制指令和配置更新。

云平台实现了设备运行参数的远程监控，支持微信/APP/短信等移动端报警推送，以及无需亲临现场即可完成的远程固件升级和项目更新。

10.5 HMI与工业平板电脑的融合

HMI与工业平板电脑之间的界限正在迅速模糊。运行Android或Linux系统的工业平板电脑不仅可以运行HMI组态软件，还能安装第三方APP、Web浏览器、数据库等通用软件。

这种融合带来了显著优势：一台设备即可同时满足设备监控、数据分析和现场办公的需求；用户可以安装MES终端、仓储管理、质量管理等APP，实现一机多用；后续可通过软件升级不断增加新功能而无需更换硬件。

10.6 数字孪生与3D可视化

数字孪生技术正在从概念验证走向工业落地，HMI作为操作人员的可视化窗口，是呈现数字孪生模型的最佳载体。3D HMI可以实时展示设备的机械运动状态，将虚拟模型与实际设备数据关联起来。操作人员可以通过3D视角直观了解设备内部结构状态，快速定位故障点；在虚拟环境中模拟操作指令的效果后再下发到真实设备，降低了操作风险。

10.7 国产化与自主可控

在中国自主可控政策的推动下，国产HMI厂商正在经历快速发展期。国产HMI从“替代入门级产品”向“攻克中高端市场”迈进——不仅在性价比方面保持优势，在功能性、可靠性和生态完整度方面也在持续缩小与国际品牌的差距。

关键趋势包括：国产HMI组态软件体验持续优化；对OPC UA、MQTT等开放标准的支持日趋完善；与国产PLC/伺服/变频的生态整合不断深入；面向军工、电力、石油等国家战略行业的定制化方案日益成熟。

10.8 市场展望总结

展望未来五年（2026-2031），HMI市场将保持约6%-9%的年复合增长率，预计到2031年全球市场规模将达到约92亿美元。市场增长将由以下因素共同驱动：全球制造业自动化渗透率的持续提升；存量设备HMI的更新换代需求；边缘计算与AI技术的深度嵌入；新兴经济体的工业化进程加速；以及汽车智能座舱和医疗设备等新兴应用领域的扩张。

附录一：通信协议参数快速参考表

协议类型	协议名称	物理层	最大节点数	传输距离	最大速率	典型应用场景
工业以太网	PROFINET	以太网	无限制	100m（铜缆）	100Mbps/1Gbps	西门子系统高速控制
工业以太网	EtherNet/IP	以太网	无限制	100m	100Mbps/1Gbps	罗克韦尔系统
工业以太网	Modbus TCP	以太网	247	100m	100Mbps	通用监控
工业以太网	CC-Link IE	以太网	254	100m	1Gbps	三菱系统
现场总线	Profibus DP	RS-485	126	1200m	12Mbps	过程自动化
现场总线	CANopen	CAN	127	40-500m	1Mbps	运动控制/车辆
串口通信	Modbus RTU	RS-232/485	247	15m/1200m	115.2kbps	低成本和远距离
物联网协议	MQTT	以太网/Wi-Fi	无限制	全球（互联网）	-	云平台数据推送
高级通信	OPC UA	以太网	无限制	全球（互联网）	-	IT/OT数据互通

附录二：主要HMI组态软件参数对比

组态软件	所属厂商	支持系统	最大变量数	画面数	脚本支持	Web发布	OPC UA	学习难度
WinCC (TIA Portal)	西门子	Windows	8000+	500+	VB/C脚本	✓（Unified）	✓	中高
FactoryTalk View ME	罗克韦尔	Windows	5000	400+	VBA	✗	需插件	中高
GP-Pro EX	Pro-face	Windows	8000+	不限	D脚本	✓	✓	中
GT Designer3	三菱	Windows	4000	500+	脚本	✗	需网关	中
EasyBuilder Pro	威纶通	Windows	2000+	不限	宏指令	✓	✓	低
MCGS	昆仑通态	Windows	3000+	不限	脚本	需配置	需配置	中
Kinco DTools	步科	Windows	1000+	200+	宏指令	✗	✗	低

参考资料来源

1. 百度百科，《工业人机界面》，2026年2月
2. 中国工控网，《2026年HMI触摸屏市场深度解析》，2026年4月
3. Siemens，《SIMATIC WinCC Unified产品介绍》，2025年
4. Pro-face，《Pro-face系列HMI产品概览》，2025年
5. QYResearch，《全球基于触摸屏的人机界面行业总体规模分析报告》，2025年
6. 6Wresearch，《Global Human Machine Interface Market (2025-2031)》，2025年
7. Fortune Business Insights，《Human Machine Interface Market Size, Share | Growth [2032]》，2026年
8. IMARC Group，《Human Machine Interface Market Report 2026-2034》，2026年
9. Siemens，《SIMATIC WinCC Unified for Industrial Edge》，2025年
10. Weintek，《Weintek HMIs Are OPC UA Certified》，2025年7月
11. 中国工控网，《工业触摸屏选型-车间防护与评估》，2026年4月
12. 中国工控网，《北尔电子X3系列HMI网络安全》，2026年3月
13. Exor International，《Exor HMI and Corvina IoT at SPS 2025》，2025年11月
14. 工控论坛，《国产HMI触摸屏主要品牌及优缺点》，2026年4月
15. ISA，《ISA-101 HMI Compliance How-to》，2026年4月