一.HMI系統是什么

1.1HMI系統的定義

工業控制器人機界面HMI系統，全稱為Human- Machine Interface，是連接人與工業控制設備的關鍵紐帶。它能夠利用顯示屏展示信息，并通過輸入單元，如觸摸屏、鍵盤、鼠標等，實現人與機器之間的信息交互，讓操作人員可以便捷地控制和監控工業設備的運行狀態。

1.2 HMI系統的功能

實時控制

操作人員通過HMI系統的界面，可直接對工業設備進行啟動、停止、調整參數等操作，確保設備按照生產需求穩定運行。比如在自動化生產線上，能即時調控設備的運轉速度、加工精度等關鍵參數

數據可視化

HMI系統以圖形化界面展示數據，將復雜的設備運行數據轉化為直觀的圖表、指示器等形式，使操作人員能快速、準確地理解系統狀態。例如，用柱狀圖呈現設備各時段的產量，用折線圖展示溫度、壓力等參數的變化趨勢

故障診斷

HMI系統具備強大的故障診斷功能，一旦設備出現異常，能迅速顯示錯誤信息和警告，詳細指出故障類型、位置等關鍵信息，為操作人員提供故障排除的方向和指導，從而有效縮短設備停機時間，降低生產損失

二. 產品行業標準

2.1 行業標準的重要性

行業標準是HMI系統產品質量和性能的重要保障，它確保了不同品牌、不同型號的HMI產品在功能、安全性、兼容性等方面達到一定的規范要求。遵循標準生產的產品，具有更高的可靠性和穩定性，能更好地滿足工業生產的嚴苛需求，同時也有助于降低用戶的學習成本和使用風險

2.2 主要行業標準解讀

GB/T 45283.3 - 2025標準解析

作為GB/T 45283系列標準的第三部分，該標準重點解決工業控制系統HMI組態軟件在復雜場景下的擴展交互需求。通過標準化XML文件結構，實現IO設備驅動、變量鏈接、函數庫等元素的跨平臺交換。例如，在Modbus協議擴展配置中，詳細規定了systemBits（系統位數）和byteOrder（字節順序）等關鍵參數，確保不同設備廠商的配置兼容；對于工業物聯網場景，對OPC UA的安全配置提出了嚴格要求，必須支持enableEncryption加密開關、securityPolicy安全策略等9項核心參數，以滿足IEC 62443安全要求。

其他國際與國內標準介紹

國際上，如ISO相關標準對HMI產品的人機工程學設計、易用性等方面做出規范，確保產品在全球范圍內的通用性和用戶友好性。國內除了上述GB標準外，還有一些行業協會制定的團體標準，從產品的電磁兼容性、環境適應性等角度進行補充規范，進一步完善了HMI系統的標準體系。

三.產品硬件/固件

3.1 處理器

處理器是HMI系統硬件的核心單元，其性能直接決定了HMI產品的運行速度和數據處理能力。根據HMI的產品等級不同，可分別選用8位、16位、32位的處理器。高端HMI產品通常采用32位處理器，能快速響應大量的操作指令和數據處理需求，保證系統的流暢運行；而一些簡單應用場景的HMI可能采用8位或16位處理器，以控制成本并滿足基本功能需求。

3.2 顯示單元

顯示單元負責將設備運行狀態、操作界面等信息直觀地呈現給用戶

常見的顯示技術有LCD（液晶顯示器）、LED（發光二極管顯示器）和OLED（有機發光二極管顯示器）

LCD具有成本低、顯示效果穩定的特點，廣泛應用于各類HMI產品；LED亮度高、壽命長，在一些對顯示亮度要求較高的工業環境中表現出色；OLED則具有自發光、對比度高、視角廣等優勢，能提供更清晰、逼真的顯示效果，逐漸在高端HMI產品中得到應用

3.3 輸入單元

觸摸屏

是HMI系統中最常用的輸入設備之一，以其操作便捷、直觀的特點深受用戶喜愛；常見的觸摸屏技術有電容式、電阻式和表面聲波式。電容式觸摸屏通過感應人體電場來實現觸摸操作，具有響應速度快、支持多點觸控的優點，常用于智能手機和平板電腦等消費電子設備，在工業HMI中也逐漸普及；電阻式觸摸屏則通過壓力感應實現操作，精度較高，但響應速度相對較慢，且不支持多點觸控，適用于一些對操作精度要求高、操作頻率較低的工業場景；表面聲波式觸摸屏利用聲波在觸摸面上的傳播變化來檢測觸摸位置，具有穩定性好、壽命長的特點，但容易受灰塵、油污等環境因素影響

按鈕和開關

是基礎的輸入設備，用于直接控制機器的啟動、停止、急停等關鍵操作；它們具有操作簡單、可靠性高的特點，在工業控制中起著不可或缺的作用。例如，在一些對安全性要求極高的工業設備上，急停按鈕是保障人員和設備安全的最后一道防線，必須具備明顯的標識和可靠的性能

鍵盤和鼠標

是操作員提供了更精確的控制方式，常用于復雜的人機交互界面，如在工業監控中心的操作臺上，操作員可以通過鍵盤輸入復雜的指令，通過鼠標精準地選擇和操作界面元素，實現對工業系統的精細控制，尤其適用于需要大量文本輸入和復雜圖形操作的場景

3.4 通訊接口

串行接口

串行接口是一種常用的通訊接口，如RS-232、RS-485等；RS-232接口主要用于短距離、低速的數據傳輸，常用于連接計算機和一些簡單的工業設備，如調試設備、小型傳感器等；RS-485接口則具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、支持多節點連接的特點，廣泛應用于工業自動化領域，實現多個設備之間的數據通信和控制，如在工業現場總線系統中，多個HMI設備和PLC（可編程邏輯控制器）之間常通過RS - 485接口進行數據交互

USB/Type-c接口

USB接口具有高速傳輸、即插即用、支持熱插拔等優點，在HMI系統中得到了廣泛應用。它可用于連接外部存儲設備，如U盤，方便用戶備份和傳輸數據；也可連接打印機、掃描儀等外部設備，實現數據的輸出和輸入；還能用于連接一些高性能的輸入設備，如工業級鼠標、鍵盤等，提升操作體驗

以太網接口

以太網接口是實現HMI系統網絡化的關鍵接口，它支持高速數據傳輸，可將HMI設備接入企業內部網絡或互聯網，實現遠程監控、數據共享和遠程維護等功能。通過以太網接口，操作人員可以在辦公室或遠程地點實時監控工業現場設備的運行狀態，進行遠程操作和故障診斷，大大提高了生產管理的效率和靈活性

3.5 數據存貯單元

數據存貯單元用于存儲HMI系統的運行數據、歷史記錄、用戶設置等重要信息

常見的數據存儲方式有內存、閃存和硬盤;內存用于臨時存儲正在運行的程序和數據，具有讀寫速度快的特點，但斷電后數據會丟失；閃存則具有非易失性，即使斷電數據也能保存，常用于存儲系統配置文件、歷史數據等重要信息，如一些小型HMI設備使用閃存芯片來存儲用戶設置和運行日志；硬盤則具有大容量存儲的優勢，適用于存儲大量的歷史數據和復雜的應用程序，在一些高端HMI系統或工業監控服務器中，常采用硬盤來存儲海量的生產數據，以便后續的數據分析和挖掘。

四.EMC電磁兼容行業標準內容

4.1 EMC電磁兼容的概念

EMC，即電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility)，是指設備在復雜電磁環境中正常工作，同時不對其他設備造成干擾的能力。對于HMI系統而言，良好的EMC性能至關重要，因為它通常處于多個系統的交匯點，上連PLC、DCS等控制系統，下接傳感器、執行器等設備，中間還有無線模塊、觸摸屏、顯示屏等組件。如果EMC沒做好，輕則出現顯示異常、誤操作等問題，重則導致整個控制系統癱瘓。

4.2 相關行業標準中的EMC要求

靜電放電抗擾度

以GB/T 17626.2標準為例，它規定了HMI設備必須能承受至少8kV接觸放電（人體靜電）和15kV空氣放電（物體之間放電）。在實際工業環境中，人體靜電和物體之間的靜電放電現象較為常見，如果HMI設備的靜電放電抗擾度不達標，就可能在這些情況下出現重啟、死機、數據丟失等故障，嚴重影響生產的正常進行

電快速瞬變脈沖群抗擾度

標準規定了HMI設備在電源端口和信號線、控制線端口應能承受一定強度的電快速瞬變脈沖群干擾。在工業現場，開關電源切換、電機啟停等操作會產生電快速瞬變脈沖群，這些脈沖群可能通過電源線或信號線傳入HMI設備，干擾設備的正常運行。因此，HMI設備需要具備足夠的電快速瞬變脈沖群抗擾度，以確保在這種復雜電磁環境下穩定工作

浪涌和雷擊抗擾度

對于可能遭受浪涌和雷擊的工業環境，相關標準對HMI設備在電源端口和信號線、控制線端口的浪涌和雷擊抗擾度提出了要求。例如，在戶外工業設備或靠近高壓輸電線路的工業場所，HMI設備可能受到雷擊產生的浪涌電壓沖擊，或者因附近電氣設備的操作產生的浪涌干擾。如果設備的浪涌和雷擊抗擾度不足，就可能被損壞，導致生產中斷和經濟損失

輻射抗擾度與傳導抗擾度

輻射抗擾度要求HMI設備能夠抵御來自空間的電磁輻射干擾，如高頻通信設備（如Wi- Fi、藍牙）、大功率射頻設備（如雷達、微波爐）等產生的電磁輻射。傳導抗擾度則關注設備對通過電源線、信號線等傳導進來的電磁干擾的抵抗能力。在工業環境中，這些干擾源廣泛存在，HMI設備必須滿足相應的輻射抗擾度和傳導抗擾度標準，才能保證自身的正常運行以及不對其他設備造成干擾

五. 電子部分電磁兼容行業痛點

5.1 復雜電磁環境下的信號干擾問題

在工業現場，存在著大量的電磁干擾源，如電機、繼電器、高頻設備等，它們產生的電磁波會對HMI系統的電子信號產生干擾

這種干擾可能導致HMI系統的顯示異常，如畫面閃爍、花屏；也可能造成觸摸屏的誤操作，影響操作人員對設備的控制；甚至會引發通信中斷，使HMI系統與其他設備之間的數據傳輸受阻，嚴重影響工業生產的連續性和穩定性

5.2 硬件防護措施的局限性

HMI系統在硬件設計上采取了一些防護措施，如添加屏蔽層、濾波電容等，但這些措施存在一定的局限性; 屏蔽層可能由于安裝工藝問題或長期使用后的老化，導致屏蔽效果下降

濾波電容也只能對特定頻率范圍內的干擾信號起到濾波作用，對于一些復雜的寬頻干擾信號，難以完全消除; 硬件防護措施的成本較高，增加了產品的生產成本，限制了其在一些對成本敏感的應用場景中的應用

5.3 軟件抗干擾能力不足

部分HMI系統的軟件在抗干擾方面存在不足，缺乏有效的數據校驗和糾錯機制

當受到電磁干擾導致數據傳輸錯誤或丟失時，軟件無法及時發現并糾正，可能會導致系統做出錯誤的控制決策

例如: 在接收傳感器數據時，如果數據受到干擾發生錯誤，軟件不能準確識別，就可能使HMI系統對設備狀態的判斷出現偏差，進而影響整個生產過程的正常運行

5.4 不同設備間的電磁兼容性協調困難

在工業自動化系統中，HMI系統需要與多種設備協同工作，如PLC、傳感器、執行器等。然而，不同設備的電磁特性各不相同，它們之間的電磁兼容性協調存在困難

當這些設備在同一電磁環境中工作時，可能會相互干擾，導致整個系統的性能下降。

例如，HMI系統與附近的無線通信設備可能會產生相互干擾，影響各自的正常工作，如何解決不同設備間的電磁兼容性協調問題，是當前行業面臨的一大挑戰

六.電磁兼容行業解決方案

6.1 硬件層面的優化

加強屏蔽設計

采用優質的金屬材料制作HMI設備的外殼，形成良好的電磁屏蔽層，阻擋外界電磁輻射進入設備內部。同時，在外殼的縫隙、接口等部位使用導電襯墊或導電膠條，確保屏蔽的完整性。例如，在設備的顯示屏邊框、接口連接處等容易出現電磁泄漏的地方，安裝導電襯墊，有效減少電磁輻射的泄漏，提高設備的抗干擾能力

優化濾波電路

在電源入口和信號線上加裝高性能的濾波器，如π型濾波器、共模扼流圈等，對電源和信號中的干擾進行有效過濾。π型濾波器可以對電源中的高頻噪聲進行衰減，共模扼流圈則能抑制共模干擾信號在信號線上的傳輸。通過合理設計和選擇濾波器的參數，使其能夠針對工業環境中常見的干擾頻率進行有效濾波，提高HMI系統的電磁兼容性

選用抗干擾能力強的元器件

在硬件設計中，優先選用具有高抗干擾能力的芯片和元器件。這些元器件通常具有更好的電氣性能和抗干擾特性，能夠在復雜電磁環境下穩定工作。例如，選擇具有高抗靜電能力的芯片，可有效減少靜電放電對設備的影響；采用抗干擾能力強的電容、電阻等元件，能提高電路的穩定性，降低干擾信號對電路的影響

6.2 軟件層面的改進

增加數據校驗與糾錯機制

在軟件中加入數據校驗算法，如CRC（循環冗余校驗）、奇偶校驗等，對接收和發送的數據進行校驗，確保數據的準確性。當檢測到數據錯誤時，通過糾錯算法進行糾正，或者要求重新發送數據。例如，在HMI系統與PLC進行數據通信時，對傳輸的數據進行CRC校驗，若發現數據錯誤，立即通知對方重新發送，保證數據的可靠傳輸。

采用看門狗機制

引入看門狗定時器，定期監測軟件的運行狀態。如果軟件出現異常，如死機、程序跑飛等情況，看門狗定時器將在設定時間內未收到軟件的正常心跳信號時，自動復位系統，使軟件重新啟動，恢復正常運行。這一機制能夠有效提高HMI系統在受到電磁干擾時的穩定性和可靠性，避免因軟件故障導致的生產事故。

6.3 系統層面的協同優化

合理布局設備

在工業現場安裝HMI系統時，充分考慮設備之間的電磁兼容性，合理布局HMI設備與其他電子設備的位置。避免將HMI設備與強干擾源，如大功率電機、射頻設備等放置過近，減少電磁干擾的影響。同時，注意設備之間的布線，將電源線和信號線分開布置，避免信號之間的串擾。

統一電磁兼容標準與測試

整個工業自動化系統的各個設備應遵循統一的電磁兼容標準進行設計和生產，確保設備之間的電磁兼容性。在系統集成前，對每個設備進行嚴格的電磁兼容測試，驗證其是否符合標準要求。通過統一標準和嚴格測試，減少設備之間的電磁干擾問題，提高整個系統的穩定性和可靠性。

6.4 DC電源接口EMC及可靠性設計

DC電源接口:用于連接外部電源適配器(如12V/24V 直流輸入)

工業控制器HMI系統產品

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
3R090L	GDT	電源接口	浪涌，防雷（戶外產品，關注續流問題）	3RXXXL
SMBJ15CA	TVS 瞬態抑制二極管	電源接口	浪涌、拋負載	SMB
SMCJ30CA	TVS 瞬態抑制二極管	電源接口	浪涌、拋負載	SMC
CMZ7060A-701T	EMI 共模抑制器	電源接口	CE傳導，共模抑制，電流更小，考慮小封裝	7060

6.5 DP接口EMC及可靠性設計

DP接口:DisplayPort（DP） 是由 視頻電子標準協會制定的 高性能數字音視頻接口，專為高分辨率顯示器和多屏應用設計。

其核心特性包括：高帶寬：DisplayPort 2.0支持 77.37 Gbps（UHBR 13.5），可傳輸 16K@60Hz 或 8K@120Hz（DSC壓縮）；

靈活擴展：支持多流傳輸（MST）、菊花鏈（Daisy Chain）及USB-C Alt Mode；

開放標準：免版權費，廣泛集成于PC、顯卡及專業顯示設備。

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝	特點
ESD0524P	ESD	DP接口	浪涌、靜電	DFN2510	用量大，價值比高

6.6 HDMI接口EMC及熱插拔可靠性設計

HDMI 接口:用于連接顯示器輸出視頻信號（部分開發板支持）

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝	特點
ESD0524P	ESD	HDMI接口	浪涌、靜電	DFN2510	用量大，價值比高

6.7 USB-Type-C接口EMC及熱插拔可靠性設計

USB-Type-C 接口:USB-Type-C接口具有高速數據傳輸能力，廣泛應用于機器人與外部存儲設備、傳感器等的連接。其高速模式下的數據傳輸速率可達10Gbps，能快速傳輸大量數據，如機器人視覺圖像數據；具備即插即用特性，方便用戶隨時連接和更換設備，提高機器人使用的便捷性，在各類機器人應用場景中發揮著關鍵作用。

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
ESD0524P	ESD	USB接口	浪涌、靜電	DFN2510
ESDLC5V0D3B	ESD	USB接口	浪涌、靜電	SOD323
SMF6.5CA	TVS	USB接口	浪涌、拋負載	SOD123FL

6.8 千兆網接口EMC及熱插拔可靠性設計

千兆網接口:支持有線網絡連接；千兆網接口提供穩定的網絡連接，支持遠程控制和數據交互。通過以太網，可實時上傳工作數據至云端，接受遠程指令，實現智能化遠程操作；

其傳輸速率可達1000Mbps甚至更高，滿足設備在工業自動化、智能物流等領域對高速、穩定數據傳輸的需求；

若是使用百兆網，可將共模電感更換為CMZ2012B-900T。

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
3R090L	GDT	千兆網接口	浪涌	3RXXXL
ESDLC3V3D3B	ESD	千兆網接口	浪涌、靜電	SOD323
CML3225A-510T	共模電感	千兆網接口	共模噪聲	3225

6.9 SPI接口EMC及熱插拔可靠性設計

SPI 接口：高速串行通信接口，用于連接存儲芯片、顯示屏等

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
ESD0524P	ESD	SPI接口	浪涌、靜電	DFN2510

6.10 RS-485接口EMC及可靠性設計

RS485 接口:RS-485 是一種串行通信標準，可以支持多個設備通過同一條串行總線進行通信；且適用于中長距離通信，具有較好的抗干擾能力和數據傳輸穩定性。

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
CMZ3225A-102T	共模電感	RS485接口	抑制共模噪聲	2012/3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	RS485接口	消除高頻干擾	1608
ESD5V0APB	ESD	RS485接口	浪涌、靜電	SOT23
SMAJ6.0AH	TVS	RS485接口	浪涌、靜電	SMA

6.11 CAN通訊接口EMC及可靠性設計

CAN通訊接口:控制器局域網總線（CAN，Controller Area Network）是一種用于實時應用的串行通訊協議總線。CAN協議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。CAN協議的特性包括完整性的串行數據通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
CML3225A-510T	共模電感	CAN通訊接口	抑制共模噪聲	3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	CAN通訊接口	消除高頻干擾	1608
ESD24VAPB	ESD	CAN通訊接口	浪涌、靜電	SOT23

6.12 WIFI天線EMC及可靠性設計

WIFI天線:WIFI天線是用于傳輸和接收電磁波的設備，通過發射和接收電磁波實現無線通信。同時天線通過特定形狀和尺寸選擇性地接收或發射特定頻率的電磁波，實現電信號與電磁波的相互轉換。

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
NRESDTLC5V0D8B	ESD	WIFI天線	浪涌、靜電	DFN1006

6.13 GPIO 接口EMC及熱插拔可靠性設計

GPIO 接口（通用輸入輸出）：連接外部設備（如繼電器、傳感器），實現邏輯控制與模擬量采集。

型號	器件類型	使用位置	作用	封裝
ESD5V0D3B	ESD	GPIO接口	浪涌、靜電	SOD323
PBZ1608A102Z0T	磁珠	GPIO接口	消除高頻干擾	1608

審核編輯 黃宇