楊俊飛

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MP377人機界面在齒輪箱試驗平臺中的應用

楊俊飛

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文介紹了基于齒輪箱試驗平臺的人機界面設計與開發(fā)，同時介紹了MP377多功能人機界面開發(fā)平臺的特點。

人機界面 MP377 通訊組態(tài)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化技術的發(fā)展，自動化設備的使用環(huán)境越來越復雜，分布式控制設備的在大型試驗平臺中的應用越來越多。人機界面開始應用于工業(yè)控制各個領域，它已成為現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)不可或缺的組成部分。

1 齒輪箱試驗平臺系統(tǒng)組成

本監(jiān)控系統(tǒng)是某齒輪箱試驗平臺的重要組成部分，包括中央控制臺、遠程控制柜、變頻柜、進線開關柜、變壓器、風機啟動器等。

本系統(tǒng)的核心控制單元是一套S7-400 PLC，控制對象是遠程控制柜里的ET200M遠程I/O、變頻柜等。ET200M作為主控PLC的遠程I/O,通過網(wǎng)絡接收并執(zhí)行主控PLC的控制指令和采集現(xiàn)場設備狀態(tài)。顯示界面設備為西門子操作員面板MP377。監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

本系統(tǒng)通過對遠程I/0（ET200M）、變頻柜、電機、變壓器的監(jiān)控，可對齒輪箱試驗平臺的各組成設備實施實時控制、監(jiān)視、故障診斷與保護。能實時記錄系統(tǒng)的事件信息及系統(tǒng)設備的運行參數(shù)和狀態(tài)并能進行歷史數(shù)據(jù)歸檔、查詢處理。

系統(tǒng)的主控單元S7-400通過DP總線與MP377通訊。在MP377平臺上開發(fā)人機界面，實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作輸入和對現(xiàn)場各設備狀態(tài)顯示輸出，并能以圖形或文本的形式實時顯示系統(tǒng)各設備運行狀態(tài)；實現(xiàn)各設備現(xiàn)場參數(shù)設置，顯示故障信息報警等功能。

作為人機界面的開發(fā)平臺，MP377可以為用戶提供以下幾個主要功能：1)系統(tǒng)狀態(tài)顯示；2)消息管理；3)與控制單元通訊。系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面包含有圖形（靜態(tài)和動態(tài)）、文本（實時數(shù)據(jù)）、I/0域(可作為PLC的操作指令輸入和控制指令輸出)、模擬量顯示控件（可顯示電機轉速、電機轉矩、電機繞組溫度、變壓器繞組溫度等）、數(shù)字量顯示控件（可用于指示燈控件、報警窗口的驅(qū)動條件）、滾動條控件（可用于文本列表、數(shù)據(jù)列表的滾動查看）、表格控件（可用于系統(tǒng)設備參數(shù)的列表顯示）、時間顯示控件、圖形趨勢視圖（可用于系統(tǒng)設備參數(shù)的趨勢波形顯示）、消息視圖、變量實時狀態(tài)、口令列表（可用于編程人員和操作人員的使用權限等級設置）等。消息管理包括對事件、報警的消息管理。消息通過消息行和消息窗口顯示，并能送給打印機打印。消息能實時顯示，并可以將記錄消息發(fā)生時間進行存儲和歸檔。 MP377上提供了MPI、PROFIBUS-DP、USB、以太網(wǎng)端口等接口與S7-400通訊，通過軟件組態(tài)配置，可以實現(xiàn)與可編程控制器PLC的通訊，顯示監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各設備的運行狀態(tài)。MP377可通過以上網(wǎng)絡協(xié)議組網(wǎng)實現(xiàn)對系統(tǒng)中各監(jiān)控設備的網(wǎng)絡化遠程管理。

2 人機交互畫面設計

在現(xiàn)代化控制設備控制過程日趨復雜的環(huán)境下，用戶對控制設備的監(jiān)視、控制和操作要求不斷提高?？刂圃O備的可擴展性以及操作的友好性、透明性對操作人員來說至關重要。MP377提供了這種用戶所需的可擴展性、友好性和透明性。人機界面是人(操作人員)與過程(被監(jiān)控設備)之間的接口。 S7-400是控制過程的核心。MP377可承擔以下任務：

1)系統(tǒng)運行過程的控制設計

操作人員可以通過圖形用戶界面遠程控制現(xiàn)場設備的運行過程。

2)系統(tǒng)運行過程可視化設計

人機界面設備上可顯示系統(tǒng)運行過程。人機界面設備上的畫面可根據(jù)實時更新系統(tǒng)運行過程變化。例如，系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停機、系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)故障等狀態(tài)。

3) 系統(tǒng)狀態(tài)顯示報警設計

在現(xiàn)場設備的運行過程中，設備參數(shù)超過用戶設定的報警閾值會自動觸發(fā)報警，通過圖形或文本閃爍的顯示方式提示用戶檢查設備狀態(tài)。例如，電機溫度、電機電壓、電機轉速等設備參數(shù)超出報警值時。

4) 系統(tǒng)運行過程和參數(shù)管理設計

人機界面系統(tǒng)可以將系統(tǒng)運行過程和參數(shù)導出，便于管理。例如，可以一次性將這些參數(shù)從人機界面設備下載到PLC，以便改變系統(tǒng)運行過程。

5) 系統(tǒng)運行參數(shù)和報警歸檔設計

MP377可以記錄并保存系統(tǒng)運行參數(shù)和報警信息，并有檢索功能。該功能能使用戶快速查詢系統(tǒng)歷史運行參數(shù)和報警信息，分析系統(tǒng)運行狀態(tài)，定位故障設備。

2.1 人機界面開發(fā)軟件

MP377的人機界面設計采用西門子公司的WinCC flexible組態(tài)軟件開發(fā)，這款軟件是面向自動化的人機界面軟件，其中集成了所有的基本組態(tài)工具，可用于組態(tài) SIMATIC HMI 操作員設備、SIMATIC C7 系統(tǒng)的操作員控制部分、面板式 PC 以及基于 PC 的可視化軟件。

WinCC flexible 不同的版本可以組態(tài)在SIMATIC HMI 系列中不同的人機界面設備。WinCC flexible 運行系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過程可視化。在WinCC flexible 運行系統(tǒng)中，可以在過程模式下執(zhí)行項目。其運行系統(tǒng)可通過選件擴展標準功能。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)控制任務

根據(jù)本齒輪箱試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)的實際要求，系統(tǒng)運行分為兩種工況：單機運行工況、雙機運行工況。系統(tǒng)啟動時，首先自動執(zhí)行初始化，判斷主控PLC與其它設備之間的通訊狀態(tài)，通訊正常初始化通過后進入系統(tǒng)操作等待狀態(tài)，等待用戶輸入命令（例如工況選擇、操作地點選擇、電機啟動等），接收到用戶的啟動指令后進入系統(tǒng)順序合閘狀態(tài)，在合閘的過程中，MP377人機界面實時顯示當前系統(tǒng)合閘過程，提示用戶系統(tǒng)當前狀態(tài)。合閘完畢后，進入運行等待狀態(tài)，如果接收到操作員的停機指令或因設備發(fā)生故障而停機時，系統(tǒng)則自動轉入順序分閘狀態(tài)，系統(tǒng)分閘完畢后進入操作等待狀態(tài)。MP377人機界面實時顯示系統(tǒng)當前故障狀態(tài)，以圖形和文本的形式提示用戶當前發(fā)生故障的設備狀態(tài)，產(chǎn)生故障的原因及處理方法。系統(tǒng)狀態(tài)轉換框圖如圖2所示。

2.3 人機界面組成

根據(jù)系統(tǒng)的控制任務，MP377的畫面組態(tài)按功能分為：單機運行畫面、雙機運行畫面、報警信息畫面、參數(shù)歷史記錄畫面等。

單機運行分甲機和乙機獨立運行工況，雙機運行分甲乙機串聯(lián)和并聯(lián)工況。單機、雙機運行畫面設置有用戶操作區(qū)域，包括電機并聯(lián)運行選擇按鈕、電機串聯(lián)運行按鈕、電機單機運行按鈕、電機正轉反轉選擇按鈕、電機啟動按鈕、電機停機按鈕；系統(tǒng)運行狀態(tài)及參數(shù)顯示區(qū)域，包括電機電壓、電機電流、電機功率、電機頻率、電機轉速、電機轉矩、電機減速時間、變頻器直流母線電壓；電機轉速設定區(qū)域等。畫面見圖3。

報警信息畫面主要記錄系統(tǒng)報警信息，人機界面根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)能自動轉入當前系統(tǒng)狀態(tài)畫面。畫面見圖4。

參數(shù)歷史記錄畫面用于記錄主要設備的運行參數(shù)，包括電機溫度、電機轉速、電機電流等。便于用戶查詢歷史參數(shù)。畫面見圖5。

在畫面中的工況選擇、電機啟停等設定輸入設計方面，用戶指令的輸入主要通過人機界面圖庫中模擬的自鎖按鈕、自復位按鈕、選擇開關通過與主控PLC的通訊將控制指令送出至現(xiàn)場被控設備。系統(tǒng)參數(shù)的輸入主要通過I/O域，將用戶輸入至I/O域的數(shù)值與主控PLC的存儲地址相對應，這樣就可以根據(jù)用戶的需求進行系統(tǒng)參數(shù)修改，設置某些參數(shù)，滿足系統(tǒng)控制要求。數(shù)值的輸入需要有數(shù)字鍵盤，MP377多功能面板上配有數(shù)字鍵盤，就使得通過人機界面設置和修改系統(tǒng)參數(shù)變得很方便。

3 結束語

人機界面技術在齒輪箱試驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)中的使用，使監(jiān)控系統(tǒng)設備的設計更加簡潔、實用、可靠，取消了大量的模擬量儀表、指示燈、按鈕、轉換開關等設備，提高了系統(tǒng)設備可靠性，降低了系統(tǒng)設備的故障率；由于MP377組態(tài)畫面形象、直觀，用戶對整個系統(tǒng)設備的認知度更高，操作和監(jiān)視更加簡便，提高了系統(tǒng)設備的可操作性；MP377組態(tài)畫面還具有報警狀態(tài)顯示、歸檔存儲和定位功能，使得用戶對系統(tǒng)設備的日常維護更加簡單。

[1] SIMATIC HMI MP 377參考手冊. Siemens, 2007.

[2] SIMATIC HMI WinCC flexible 2007用戶手冊.

[3] 羅仕鑒編著．人機界面設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

Applications of MP377 Human-machine Interface to Gearbox Test Platform

Yang Junfei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064 , China）

TP273

A

1003-4862（2014）11-0068-03

2014-08-25

楊俊飛(1979-), 男，工程師，研究方向：自動化。