工业控制器HMI系统产品

 

一.HMI系统是什么

1.1 HMI系统的定义

工业控制器人机界面HMI系统，全称为Human- Machine Interface，是连接人与工业控制设备的关键纽带。它能够利用显示屏展示信息，并通过输入单元，如触摸屏、键盘、鼠标等，实现人与机器之间的信息交互，让操作人员可以便捷地控制和监控工业设备的运行状态。

1.2 HMI系统的功能

实时控制

操作人员通过HMI系统的界面，可直接对工业设备进行启动、停止、调整参数等操作，确保设备按照生产需求稳定运行。比如在自动化生产线上，能即时调控设备的运转速度、加工精度等关键参数

数据可视化

HMI系统以图形化界面展示数据，将复杂的设备运行数据转化为直观的图表、指示器等形式，使操作人员能快速、准确地理解系统状态。例如，用柱状图呈现设备各时段的产量，用折线图展示温度、压力等参数的变化趋势

故障诊断

HMI系统具备强大的故障诊断功能，一旦设备出现异常，能迅速显示错误信息和警告，详细指出故障类型、位置等关键信息，为操作人员提供故障排除的方向和指导，从而有效缩短设备停机时间，降低生产损失

二. 产品行业标准

2.1 行业标准的重要性

行业标准是HMI系统产品质量和性能的重要保障，它确保了不同品牌、不同型号的HMI产品在功能、安全性、兼容性等方面达到一定的规范要求。遵循标准生产的产品，具有更高的可靠性和稳定性，能更好地满足工业生产的严苛需求，同时也有助于降低用户的学习成本和使用风险

2.2 主要行业标准解读

GB/T 45283.3 - 2025标准解析

作为GB/T 45283系列标准的第三部分，该标准重点解决工业控制系统HMI组态软件在复杂场景下的扩展交互需求。通过标准化XML文件结构，实现IO设备驱动、变量链接、函数库等元素的跨平台交换。例如，在Modbus协议扩展配置中，详细规定了systemBits（系统位数）和byteOrder（字节顺序）等关键参数，确保不同设备厂商的配置兼容；对于工业物联网场景，对OPC UA的安全配置提出了严格要求，必须支持enableEncryption加密开关、securityPolicy安全策略等9项核心参数，以满足IEC 62443安全要求。

其他国际与国内标准介绍

国际上，如ISO相关标准对HMI产品的人机工程学设计、易用性等方面做出规范，确保产品在全球范围内的通用性和用户友好性。国内除了上述GB标准外，还有一些行业协会制定的团体标准，从产品的电磁兼容性、环境适应性等角度进行补充规范，进一步完善了HMI系统的标准体系。

三.产品硬件/固件

3.1 处理器

处理器是HMI系统硬件的核心单元，其性能直接决定了HMI产品的运行速度和数据处理能力。根据HMI的产品等级不同，可分别选用8位、16位、32位的处理器。高端HMI产品通常采用32位处理器，能快速响应大量的操作指令和数据处理需求，保证系统的流畅运行；而一些简单应用场景的HMI可能采用8位或16位处理器，以控制成本并满足基本功能需求。

3.2 显示单元

显示单元负责将设备运行状态、操作界面等信息直观地呈现给用户

常见的显示技术有LCD（液晶显示器）、LED（发光二极管显示器）和OLED（有机发光二极管显示器）

LCD具有成本低、显示效果稳定的特点，广泛应用于各类HMI产品；LED亮度高、寿命长，在一些对显示亮度要求较高的工业环境中表现出色；OLED则具有自发光、对比度高、视角广等优势，能提供更清晰、逼真的显示效果，逐渐在高端HMI产品中得到应用

3.3 输入单元

触摸屏

是HMI系统中最常用的输入设备之一，以其操作便捷、直观的特点深受用户喜爱；常见的触摸屏技术有电容式、电阻式和表面声波式。电容式触摸屏通过感应人体电场来实现触摸操作，具有响应速度快、支持多点触控的优点，常用于智能手机和平板电脑等消费电子设备，在工业HMI中也逐渐普及；电阻式触摸屏则通过压力感应实现操作，精度较高，但响应速度相对较慢，且不支持多点触控，适用于一些对操作精度要求高、操作频率较低的工业场景；表面声波式触摸屏利用声波在触摸面上的传播变化来检测触摸位置，具有稳定性好、寿命长的特点，但容易受灰尘、油污等环境因素影响

按钮和开关

是基础的输入设备，用于直接控制机器的启动、停止、急停等关键操作；它们具有操作简单、可靠性高的特点，在工业控制中起着不可或缺的作用。例如，在一些对安全性要求极高的工业设备上，急停按钮是保障人员和设备安全的最后一道防线，必须具备明显的标识和可靠的性能

键盘和鼠标

是操作员提供了更精确的控制方式，常用于复杂的人机交互界面，如在工业监控中心的操作台上，操作员可以通过键盘输入复杂的指令，通过鼠标精准地选择和操作界面元素，实现对工业系统的精细控制，尤其适用于需要大量文本输入和复杂图形操作的场景

3.4 通讯接口

串行接口

串行接口是一种常用的通讯接口，如RS-232、RS-485等；RS-232接口主要用于短距离、低速的数据传输，常用于连接计算机和一些简单的工业设备，如调试设备、小型传感器等；RS-485接口则具有抗干扰能力强、传输距离远、支持多节点连接的特点，广泛应用于工业自动化领域，实现多个设备之间的数据通信和控制，如在工业现场总线系统中，多个HMI设备和PLC（可编程逻辑控制器）之间常通过RS - 485接口进行数据交互

USB/Type-c接口

USB接口具有高速传输、即插即用、支持热插拔等优点，在HMI系统中得到了广泛应用。它可用于连接外部存储设备，如U盘，方便用户备份和传输数据；也可连接打印机、扫描仪等外部设备，实现数据的输出和输入；还能用于连接一些高性能的输入设备，如工业级鼠标、键盘等，提升操作体验

以太网接口

以太网接口是实现HMI系统网络化的关键接口，它支持高速数据传输，可将HMI设备接入企业内部网络或互联网，实现远程监控、数据共享和远程维护等功能。通过以太网接口，操作人员可以在办公室或远程地点实时监控工业现场设备的运行状态，进行远程操作和故障诊断，大大提高了生产管理的效率和灵活性

3.5 数据存贮单元

数据存贮单元用于存储HMI系统的运行数据、历史记录、用户设置等重要信息

常见的数据存储方式有内存、闪存和硬盘;内存用于临时存储正在运行的程序和数据，具有读写速度快的特点，但断电后数据会丢失；闪存则具有非易失性，即使断电数据也能保存，常用于存储系统配置文件、历史数据等重要信息，如一些小型HMI设备使用闪存芯片来存储用户设置和运行日志；硬盘则具有大容量存储的优势，适用于存储大量的历史数据和复杂的应用程序，在一些高端HMI系统或工业监控服务器中，常采用硬盘来存储海量的生产数据，以便后续的数据分析和挖掘。

四.EMC电磁兼容行业标准内容

4.1 EMC电磁兼容的概念

EMC，即电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility)，是指设备在复杂电磁环境中正常工作，同时不对其他设备造成干扰的能力。对于HMI系统而言，良好的EMC性能至关重要，因为它通常处于多个系统的交汇点，上连PLC、DCS等控制系统，下接传感器、执行器等设备，中间还有无线模块、触摸屏、显示屏等组件。如果EMC没做好，轻则出现显示异常、误操作等问题，重则导致整个控制系统瘫痪。

4.2 相关行业标准中的EMC要求

静电放电抗扰度

以GB/T 17626.2标准为例，它规定了HMI设备必须能承受至少8kV接触放电（人体静电）和15kV空气放电（物体之间放电）。在实际工业环境中，人体静电和物体之间的静电放电现象较为常见，如果HMI设备的静电放电抗扰度不达标，就可能在这些情况下出现重启、死机、数据丢失等故障，严重影响生产的正常进行

电快速瞬变脉冲群抗扰度

标准规定了HMI设备在电源端口和信号线、控制线端口应能承受一定强度的电快速瞬变脉冲群干扰。在工业现场，开关电源切换、电机启停等操作会产生电快速瞬变脉冲群，这些脉冲群可能通过电源线或信号线传入HMI设备，干扰设备的正常运行。因此，HMI设备需要具备足够的电快速瞬变脉冲群抗扰度，以确保在这种复杂电磁环境下稳定工作

浪涌和雷击抗扰度

对于可能遭受浪涌和雷击的工业环境，相关标准对HMI设备在电源端口和信号线、控制线端口的浪涌和雷击抗扰度提出了要求。例如，在户外工业设备或靠近高压输电线路的工业场所，HMI设备可能受到雷击产生的浪涌电压冲击，或者因附近电气设备的操作产生的浪涌干扰。如果设备的浪涌和雷击抗扰度不足，就可能被损坏，导致生产中断和经济损失

辐射抗扰度与传导抗扰度

辐射抗扰度要求HMI设备能够抵御来自空间的电磁辐射干扰，如高频通信设备（如Wi- Fi、蓝牙）、大功率射频设备（如雷达、微波炉）等产生的电磁辐射。传导抗扰度则关注设备对通过电源线、信号线等传导进来的电磁干扰的抵抗能力。在工业环境中，这些干扰源广泛存在，HMI设备必须满足相应的辐射抗扰度和传导抗扰度标准，才能保证自身的正常运行以及不对其他设备造成干扰

五. 电子部分电磁兼容行业痛点

5.1 复杂电磁环境下的信号干扰问题

在工业现场，存在着大量的电磁干扰源，如电机、继电器、高频设备等，它们产生的电磁波会对HMI系统的电子信号产生干扰

这种干扰可能导致HMI系统的显示异常，如画面闪烁、花屏；也可能造成触摸屏的误操作，影响操作人员对设备的控制；甚至会引发通信中断，使HMI系统与其他设备之间的数据传输受阻，严重影响工业生产的连续性和稳定性

5.2 硬件防护措施的局限性

HMI系统在硬件设计上采取了一些防护措施，如添加屏蔽层、滤波电容等，但这些措施存在一定的局限性; 屏蔽层可能由于安装工艺问题或长期使用后的老化，导致屏蔽效果下降

滤波电容也只能对特定频率范围内的干扰信号起到滤波作用，对于一些复杂的宽频干扰信号，难以完全消除;  硬件防护措施的成本较高，增加了产品的生产成本，限制了其在一些对成本敏感的应用场景中的应用

5.3 软件抗干扰能力不足

部分HMI系统的软件在抗干扰方面存在不足，缺乏有效的数据校验和纠错机制

当受到电磁干扰导致数据传输错误或丢失时，软件无法及时发现并纠正，可能会导致系统做出错误的控制决策

例如: 在接收传感器数据时，如果数据受到干扰发生错误，软件不能准确识别，就可能使HMI系统对设备状态的判断出现偏差，进而影响整个生产过程的正常运行

5.4 不同设备间的电磁兼容性协调困难

在工业自动化系统中，HMI系统需要与多种设备协同工作，如PLC、传感器、执行器等。然而，不同设备的电磁特性各不相同，它们之间的电磁兼容性协调存在困难

当这些设备在同一电磁环境中工作时，可能会相互干扰，导致整个系统的性能下降。

例如，HMI系统与附近的无线通信设备可能会产生相互干扰，影响各自的正常工作，如何解决不同设备间的电磁兼容性协调问题，是当前行业面临的一大挑战

六.电磁兼容行业解决方案

6.1 硬件层面的优化

加强屏蔽设计

采用优质的金属材料制作HMI设备的外壳，形成良好的电磁屏蔽层，阻挡外界电磁辐射进入设备内部。同时，在外壳的缝隙、接口等部位使用导电衬垫或导电胶条，确保屏蔽的完整性。例如，在设备的显示屏边框、接口连接处等容易出现电磁泄漏的地方，安装导电衬垫，有效减少电磁辐射的泄漏，提高设备的抗干扰能力

优化滤波电路

在电源入口和信号线上加装高性能的滤波器，如π型滤波器、共模扼流圈等，对电源和信号中的干扰进行有效过滤。π型滤波器可以对电源中的高频噪声进行衰减，共模扼流圈则能抑制共模干扰信号在信号线上的传输。通过合理设计和选择滤波器的参数，使其能够针对工业环境中常见的干扰频率进行有效滤波，提高HMI系统的电磁兼容性

选用抗干扰能力强的元器件

在硬件设计中，优先选用具有高抗干扰能力的芯片和元器件。这些元器件通常具有更好的电气性能和抗干扰特性，能够在复杂电磁环境下稳定工作。例如，选择具有高抗静电能力的芯片，可有效减少静电放电对设备的影响；采用抗干扰能力强的电容、电阻等元件，能提高电路的稳定性，降低干扰信号对电路的影响

6.2 软件层面的改进

增加数据校验与纠错机制

在软件中加入数据校验算法，如CRC（循环冗余校验）、奇偶校验等，对接收和发送的数据进行校验，确保数据的准确性。当检测到数据错误时，通过纠错算法进行纠正，或者要求重新发送数据。例如，在HMI系统与PLC进行数据通信时，对传输的数据进行CRC校验，若发现数据错误，立即通知对方重新发送，保证数据的可靠传输。

采用看门狗机制

引入看门狗定时器，定期监测软件的运行状态。如果软件出现异常，如死机、程序跑飞等情况，看门狗定时器将在设定时间内未收到软件的正常心跳信号时，自动复位系统，使软件重新启动，恢复正常运行。这一机制能够有效提高HMI系统在受到电磁干扰时的稳定性和可靠性，避免因软件故障导致的生产事故。

6.3 系统层面的协同优化

合理布局设备

在工业现场安装HMI系统时，充分考虑设备之间的电磁兼容性，合理布局HMI设备与其他电子设备的位置。避免将HMI设备与强干扰源，如大功率电机、射频设备等放置过近，减少电磁干扰的影响。同时，注意设备之间的布线，将电源线和信号线分开布置，避免信号之间的串扰。

统一电磁兼容标准与测试

整个工业自动化系统的各个设备应遵循统一的电磁兼容标准进行设计和生产，确保设备之间的电磁兼容性。在系统集成前，对每个设备进行严格的电磁兼容测试，验证其是否符合标准要求。通过统一标准和严格测试，减少设备之间的电磁干扰问题，提高整个系统的稳定性和可靠性。

6.4 DC电源接口EMC及可靠性设计

DC电源接口:用于连接外部电源适配器(如12V/24V 直流输入)

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
3R090L	GDT	电源接口	浪涌，防雷（户外产品，关注续流问题）	3RXXXL
SMBJ15CA	TVS 瞬态抑制二极管	电源接口	浪涌、抛负载	SMB
SMCJ30CA	TVS  瞬态抑制二极管	电源接口	浪涌、抛负载	SMC
CMZ7060A-701T	EMI 共模抑制器	电源接口	CE传导，共模抑制，电流更小，考虑小封装	7060

6.5 DP接口EMC及可靠性设计

DP接口:DisplayPort（DP） 是由 视频电子标准协会制定的 高性能数字音视频接口，专为高分辨率显示器和多屏应用设计。

其核心特性包括：高带宽：DisplayPort 2.0支持 77.37 Gbps（UHBR 13.5），可传输 16K@60Hz 或 8K@120Hz（DSC压缩）；

灵活扩展：支持多流传输（MST）、菊花链（Daisy Chain）及USB-C Alt Mode；

开放标准：免版权费，广泛集成于PC、显卡及专业显示设备。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装	特点
ESD0524P	ESD	DP接口	浪涌、静电	DFN2510	用量大，价值比高

6.6 HDMI接口EMC及热插拔可靠性设计

HDMI 接口: 用于连接显示器输出视频信号（部分开发板支持）

型号	器件类型	使用位置	作用	封装	特点
ESD0524P	ESD	HDMI接口	浪涌、静电	DFN2510	用量大，价值比高

6.7 USB-Type-C接口EMC及热插拔可靠性设计

USB-Type-C 接口:USB-Type-C接口具有高速数据传输能力，广泛应用于机器人与外部存储设备、传感器等的连接。其高速模式下的数据传输速率可达10Gbps，能快速传输大量数据，如机器人视觉图像数据；具备即插即用特性，方便用户随时连接和更换设备，提高机器人使用的便捷性，在各类机器人应用场景中发挥着关键作用。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
ESD0524P	ESD	USB接口	浪涌、静电	DFN2510
ESDLC5V0D3B	ESD	USB接口	浪涌、静电	SOD323
SMF6.5CA	TVS	USB接口	浪涌、抛负载	SOD123FL

6.8 千兆网接口EMC及热插拔可靠性设计

千兆网接口:支持有线网络连接；千兆网接口提供稳定的网络连接，支持远程控制和数据交互。通过以太网，可实时上传工作数据至云端，接受远程指令，实现智能化远程操作；

其传输速率可达1000Mbps甚至更高，满足设备在工业自动化、智能物流等领域对高速、稳定数据传输的需求；

若是使用百兆网，可将共模电感更换为CMZ2012B-900T。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
3R090L	GDT	千兆网接口	浪涌	3RXXXL
ESDLC3V3D3B	ESD	千兆网接口	浪涌、静电	SOD323
CML3225A-510T	共模电感	千兆网接口	共模噪声	3225

6.9 SPI接口EMC及热插拔可靠性设计

SPI 接口：高速串行通信接口，用于连接存储芯片、显示屏等

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
ESD0524P	ESD	SPI接口	浪涌、静电	DFN2510

6.10 RS-485接口EMC及可靠性设计

RS485 接口: RS-485 是一种串行通信标准，可以支持多个设备通过同一条串行总线进行通信；且适用于中长距离通信，具有较好的抗干扰能力和数据传输稳定性。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
CMZ3225A-102T	共模电感	RS485接口	抑制共模噪声	2012/3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	RS485接口	消除高频干扰	1608
ESD5V0APB	ESD	RS485接口	浪涌、静电	SOT23
SMAJ6.0AH	TVS	RS485接口	浪涌、静电	SMA

6.11 CAN通讯接口EMC及可靠性设计

CAN通讯接口:控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
CML3225A-510T	共模电感	CAN通讯接口	抑制共模噪声	3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	CAN通讯接口	消除高频干扰	1608
ESD24VAPB	ESD	CAN通讯接口	浪涌、静电	SOT23

6.12 WIFI天线EMC及可靠性设计

WIFI天线:WIFI天线是用于传输和接收电磁波的设备，通过发射和接收电磁波实现无线通信。同时天线通过特定形状和尺寸选择性地接收或发射特定频率的电磁波，实现电信号与电磁波的相互转换。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
NRESDTLC5V0D8B	ESD	WIFI天线	浪涌、静电	DFN1006

6.13 GPIO 接口EMC及热插拔可靠性设计

GPIO 接口（通用输入输出）：连接外部设备（如继电器、传感器），实现逻辑控制与模拟量采集。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
ESD5V0D3B	ESD	GPIO接口	浪涌、静电	SOD323
PBZ1608A102Z0T	磁珠	GPIO接口	消除高频干扰	1608