怎么选不会错——嵌入式HMI vs 基于IPC的HMI

我们与手机、汽车和自动化系统等进行交互的方式，都可以被称为人机界面（HMI）。以汽车行业为例，多年以来，HMI已从机械式（手动变速杆换挡）、电子式（前灯开关）、发展到数字式（触摸屏导航控件）。数字系统似乎是目前HMI发展的最高目标，已有多种方法可以实现这种类型的接口。

　　对当今的工业自动化系统而言，用户在工厂车间安装数字化HMI时，通常有两种选择。他们可以选择专为特定目的而设计制造的专用HMI，有时它们也被称为嵌入式HMI。也可以选择标准PC或工业PC（IPC），它们运行更通用的操作系统以及基于IPC的HMI应用程序。

　　由于PC应用广泛，因此很多人认为：既然嵌入式HMI功能比不上基于IPC的HMI，那么IPC解决方案应该是最佳选择。但事实是：嵌入式HMI几乎可以执行和基于IPC的HMI一样的功能，而且具有较低的净运营成本、较小的外形尺寸、更易于维护的特点。接下来，本文将详细介绍在嵌入式HMI和基于IPC的HMI之间进行选择时，需要考虑的一些因素和建议。

　　HMI的演进

　　最早的自动化HMI是一些简单的物理指示装置，例如按钮、开关、灯和指针式仪表。这使操作员可以初始化自动化系统的输入，并获得状态的输出指示。将这些装在面板上的设备作为人机界面，可以提供即时响应和直观反馈，受到很多用户的喜爱。

　　数字化HMI带来了巨大的进步。用户可以将更多的控件和指示器集成到一个HMI显示器上，并且占用的空间更小。配置可以通过软件进行更新，这比重新设计和重新布线物理控制面板要容易得多（图1）。

　　早期的数字化HMI是定制的嵌入式系统，为特定任务而设计，只能够执行特定和有限的运营技术（OT）任务，但从计算的角度来看，这种设计使其更高效、更轻便。

　　随着PC（以及后来的IPC和移动设备）与通用IT操作系统的出现，供应商开发了可以在这些系统上运行的HMI软件。基于IPC的HMI在性能、功能和外观上迅速超过嵌入式HMI。不过，要实现这些特性也是有代价的。

　　基于IPC的HMI

　　由于PC及IPC产品大量商用，因此功能更强、成本更低。用PC实现HMI的主要优势包括：

　　●快速更新的高性能处理器；
　　●内存充足；
　　●大容量存储；
　　●众多有线和无线连接选项；
　　●可修复的基于部件的设计；
　　●能够承载更高级别的功能软件，例如数据库和分析软件；
　　●OT人员可以从诸多HMI软件包中选择；
　　●改进与IT系统的集成。

　　不过，基于IPC 的HMI 也有自身的局限。在大多数情况下，尤其是中小型设备和机器，使用基于IPC的HMI的总生命周期成本要超过嵌入式HMI的成本。IPC的功能过于丰富，有些是工业HMI所不需要的，这只会增加成本和操作的复杂性。复杂性可能体现在硬件、操作系统和软件管理中。

　　基于PC的硬件是模块化的，更具经济性，但不太适合在要求严格的工业环境中。IPC是为工业环境构建的，但这种专业化也就意味着硬件比办公级PC贵很多。

　　另一个问题来自操作系统，用户必须对其仔细管理和更新。嵌入式HMI也有对性能和安全性更新的需求，但是基于PC的平台更容易受到攻击，必须经常进行网络安全更新。

　　使用基于IPC的HMI的一个好处是，用户有数十种HMI应用程序、套件和相关软件产品（如历史数据库、报告包等）可供选择。用户可以创建自定义编码应用。但多样化的软件选项也给最终用户带来了确认互操作性、许可成本以及软件更新方面的负担。IPC可以构成有吸引力的HMI的基础。在安装后，它可以运行数年，但更有可能需要持续的支持和更新。

　　用户还必须考虑其现实需求。许多IPC是独立机箱，需要单独的面板安装显示器。虽然这意味着用户可以混合并精确匹配所需的零件，但在安装方面需要付出更多努力。如果从将来HMI的可维护性的角度出发，为显示器保持一致的面板开孔尺寸，是需要考虑的重要因素。

　　嵌入式HMI的优势 

　　确定最佳HMI类型时，应用程序的大小（标签计数和所需显示器的数量）可能是一个主要因素。对于许多中型及以下规模的设备和过程，嵌入式HMI可提供足够的功能。

　　尽管嵌入式HMI可能会使用一些商用计算元器件，但其硬件设计是为适应与工业应用相关的温度和其它环境因素而定制的。嵌入式操作系统无需使用占用大量资源的通用操作系统，而只需要承载HMI功能即可，它需要较低的处理能力和较少的内存。

　　嵌入式HMI通常可以开箱即用。它们的一体式触摸屏易于使用，与基于IPC的HMI组件相比，故障点较少，这有助于准备维护备用件。无论是新项目还是为现有系统更换装置，都可以实现快速部署（图2）。

　　从以下几个方面来看，嵌入式HMI也具有良好的经济效益：

　　●易于建立基于PC的专用软件开发环境，有时甚至是免费的；
　　●包含Runtime软件；
　　●完整产品的定价通常低于IPC和软件许可价格；
　　●紧凑而坚固的设计更适合安装和维护；
　　●独立配置不太需要系统更新；
　　●与基于IPC的解决方案相比，更换整个设备的速度更快。

　　过去，HMI平台的竞争主要基于具体的功能集差异。当今，发展日臻成熟的HMI，包括基于IPC和嵌入式HMI之间的许多交叉功能。两种类型的HMI都可以实现：

　　●与多种类型的目标设备通信；
　　●支持多种工业协议；
　　●利用标签进行配置；
　　●提供丰富的图形对象；
　　●提供动画选项。

　　在某些情况下，技术的成熟带来了更加简化的系统。简化的、高性能HMI设计原则，已取代了与旧HMI设计相关的过量动画。 （作者：Bill Dehner）