人機界面應用在PLC工控系統中
1. 前 言
可編程序控制器Programmable Logic Controller在工廠自動化中占有舉足輕重的地位。技術的不斷發展極大地促進了基于ＰＬＣ為核心的控制系統在控制功能、控制水平等方面的提高。同時對其控制方式、運行水平的要求也越來越高，因此交互式操作界面、報警記錄和打印等要求也成為整個控制系統中重要的內容。對于那些工藝過程較復雜，控制參數較多的工控系統來說，尤其顯得重要。新一代工業人機界面的出現，對于在構建ＰＬＣ工控系統時實現上述功能，提供了一種簡便可行的途徑。
2. 工業人機界面的特點和功能
工業人機界面Human Machine Interface，簡稱HMI，又稱觸摸屏監控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。工業人機界面以特殊設計的計算機系統32位RISC CPU芯片為核心，在STN、TFT液晶顯示屏或EL電發光顯示器上罩蓋有透明的電阻網絡式觸摸屏。觸動屏幕時，電阻網絡上的電阻和電壓發生變化并由軟件計算出觸摸位置。
ＨＭＩ的主要功能有：數據的輸入與顯示；系統或設備的操作狀態方面的實時信息顯示；在HMI上設置觸摸控件可把HMI作為操作面板進行控制操作；報警處理及打印；此外，新一代工業人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數據進行處理、數據登錄及配方等智能化控制功能。
3.HMI在PLC工控系統上的應用
下面以國內某大型浮法玻璃生產線冷端切割區主控系統為例，介紹HMI在PLC工控系統上的應用。
3.1 系統概述
切割區為浮法玻璃生產線中一個重要工段，其中包括測量發訊、縱切、橫切、掰斷加速、掰邊、縱掰縱分、輸送輥道等眾多生產控制設備。系統硬件上主要由主控制器PLC，現場設備控制裝置，包括伺服控制器、變頻器、模擬量信號及脈沖信號處理器等和HMI構成。作為整個控制系統的核心，切割區主控系統在正常生產時根據生產工藝要求協調各個單機控制子系統的工作，制定切割計劃，實現整個生產過程全自動化。整個系統的核心控制部分由日本三菱FX-200系列PLC完成，此部分內容本文略，而系統的監控和交互式操作界面等任務將由HMI承擔。主要有以下內容：系統參數的設定；動態畫面的顯示；故障報警與診斷。其中HMI選用深圳顯控公司的SA-5.7型人機界面。
3.2 HMI與PLC之間的通訊
當HMI用于PLC控制系統時，HMI與PLC之間通過串口以Direct Link（直接連接）方式進行通訊。在該方式下，HMI根據要求直接讀入PLC的數據或把數據寫入PLC相應的地址中。由于內裝通訊協議，因此無須編制通訊程序，只要指定所用PLC類型即通訊協議，運行時便可實現通訊。因此大大減少了PLC用戶程序的負擔。在系統設計時，直接指定控制部件與其對應PLC的輸入輸出（Ｉ／Ｏ）、寄存器（Ｒ）、中間寄存器（Ｍ）的地址，運行時HMI就能自動和PLC進行數據交換。直接讀取或改寫PLC相應地址的內容，并據此改變畫面上顯示內容。同時通過對HMI的觸摸操作，可向PLC相應的地址輸入數據。
3.3 HMI監控主面
整個HMI監控系統采用樹型結構，由監控主畫面及相應功能子畫面組成。在監控主畫面下端設有控制功能鍵，按動功能鍵可以依次進入相應子畫面，執行所需的功能。在每一個子畫面中可通過 上一頁 、 下一頁 功能鍵在同一功能組中進行畫面切換，在任一子畫面都可以通過 主畫面 功能鍵退回到監控主畫面。系統自動采集相關數據，將切割計劃、測量脈沖、輥道速度等一些重要生產工藝參數顯示在主畫面上，便于操作人員的觀察。監控主畫面上還有生產過程的動態畫面顯示，在動態畫面上以各種形式模擬出主要控制設備的運行情況，例如光電開關的動作、電磁閥的吸合、電機的運行停止等，直觀、生動的反映出現場的過程，方便操作人員對生產情況、設備工況的了解。顯控公司的HMI編程軟件SamDraw3.1提供了豐富的控制部件，例如按鈕部件、畫面切換部件、指示燈部件、數據文本顯示部件等等，實現上述功能只要根據需要選擇相應的控制部件，定義好其屬性即可。SamDraw3.1采用監控軟件通用模式，所有控制部件的屬性通過組態形式完成，以實現相應控制功能。使用SamDraw3.1內附的圖庫及作圖工具來構造生產現場的模擬畫面，簡便易行。內容豐富的作圖工具庫，使得畫面生動、豐富多彩。 而且SamDraw3.1還支持圖片上傳以及自定義圖庫功能，用戶可以很方便的將本地圖片生成為圖庫或控件，在以后的組態過程中可以很方便的調用。
此外，充分利用HMI的優勢將原先布置在控制柜上的開關、指示燈盡可能地用HMI中的控制部件替代，這樣做減少硬件設備，簡化了現場設備間的接線，更重要的是給設計和調試帶來諸多方便。
3.4 HMI參數設置功能
主控系統中有多達近百個參數需要設置，根據控制功能將其分為聯鎖、橫切、橫掰、速度、掰邊、縱掰及設備參數組，使整個系統的結構更加合理。同時利用HMI觸摸操作的特性使參數設置變得極為直觀和簡便。在參數設定時，點擊數字輸入控件自動彈出系統的數字鍵盤進行操作。每個參數在部件屬性中定義并分配了相應的PLC地址，當確認后輸入的數據將存入PLC指定的地址中。操作完成后，按動ENT鍵，可消去數字鍵盤同時完成數字輸入。此種設計模式可最大化地利用畫面的有效面積。同時每個參數都設有上下限限制，當輸入數值超限時，系統將拒絕接受并且不能退出鍵盤，待輸入正確后方可退出。此外對重要的系統設備參數組，為安全起見，可以對參數設置畫面設置訪問權限，賦予操作人員不同的操作權限，增加系統的安全性。
3.5 HMI報警功能
在系統報警設計時，將故障信息在報警編輯器中編輯好，并在報警記錄子畫面中設置報警記錄顯示部件用于故障信息顯示。系統運行發生故障時，HMI根據PLC傳送的故障信號，將報警編輯器中對應的故障信息在報警記錄子畫面顯示出來。同時監控主畫面上的“故障”信號燈將閃爍，聲響報警。此時操作人員可進入報警記錄子畫面，根據故障信息查找原因，及時處理。
４. 結束語
該系統投入使用后，受到用戶的歡迎。系統具有安全、直觀、簡便等特點。監控、故障診斷和報警等功能的實現，大大提高了生產運行的可靠性。實踐證明，HMI在PLC控制系統中有著廣泛的應用前景，必將在工廠自動化中發揮出越來越大的作用。
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