李晉玲 王戌萌 劉紅亮

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

人機(jī)接口也叫人機(jī)界面（Human Machine Interface HMI）是控制系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它是將控制程序信息的內(nèi)部形式用人類可接受的形式顯示在界面上。HMI在自動化立體庫中的主要作用是對設(shè)備(堆垛機(jī)、輸送機(jī)、穿梭車、AGV等)進(jìn)行手動、半自動操作，以及對應(yīng)設(shè)備信息的顯示及其他特殊功能的實(shí)現(xiàn)。

1 HMI的前期發(fā)展

HMI是自動化控制系統(tǒng)和操作人員之間進(jìn)行交互信息的媒介，作為自動化立體倉庫中的設(shè)備，除了用PLC程序控制設(shè)備自動運(yùn)行外，HMI是必不可少的，它不僅能顯示設(shè)備狀態(tài)和信息，更是在調(diào)試初期手動及后期處理故障必不可少的設(shè)備。

自動化立體庫初期的HMI是帶有開關(guān)、按鈕、顯示燈和數(shù)碼顯示管的操作臺，通過開關(guān)直接操作設(shè)備運(yùn)行，電路板驅(qū)動數(shù)碼顯示管顯示，這種HMI接線和控制比較復(fù)雜，受視線和操作面板大小的限制，一般在設(shè)備沿線需要布置多個HMI。隨著工業(yè)通訊技術(shù)和觸摸屏技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了帶通訊接口（RS232、485、PROFIBUS-DP）觸摸屏式的HMI，這種HMI的出現(xiàn)很大程度上提高了自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的智能水平，設(shè)備的所有手動操作可集成在觸摸式的HMI中，可減少IO控制硬件和接線。因此，在設(shè)計(jì)上和實(shí)施調(diào)試時大大節(jié)省了時間和成本，并使之與人的信息交互更直觀，更人性化。此時的HMI仍舊是通過通訊線連接的固定式HMI，仍以設(shè)備沿線布置，不過只受操作人員視野范圍限制，不再受面板大小限制。下面以Prifibus-DP通訊接口的HMI為例說明圖1所示HMI在自動化立體庫控制網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 自動化立體倉庫HMI串行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

隨著以太網(wǎng)進(jìn)入工控領(lǐng)域，TCP/IP協(xié)議接口的HMI迅速發(fā)展起來，并取代了RS232、Modbus、Profibus-DP接口的HMI，將自動化立體倉庫的控制設(shè)備通過網(wǎng)線、交換機(jī)連接在一個局域網(wǎng)中，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，同時網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，即由串行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變成了樹形或星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)避免了中間某個環(huán)節(jié)斷線而導(dǎo)致后面設(shè)備全部癱瘓的危險(xiǎn)。圖2為自動化立體倉庫設(shè)備控制的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖2 自動化立體倉庫HMI以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 無線HMI的應(yīng)用

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到一定規(guī)模，以射頻技術(shù)使用電磁波取代雙絞線的局域網(wǎng)絡(luò)。隨著無線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)已越來越不能滿足人們的需求，于是無線應(yīng)運(yùn)而生，且發(fā)展迅速。盡管目前無線局域網(wǎng)還不能完全獨(dú)立于有線網(wǎng)絡(luò)，但近年來無線局域網(wǎng)的產(chǎn)品逐漸走向成熟，正以其優(yōu)越的靈活性和便捷性在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中發(fā)揮日益重要的作用。幾乎所有智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦都支持無線上網(wǎng)。因此，無線網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，也是工業(yè)可控制發(fā)展的必然趨勢。

隨著無線技術(shù)的成熟，無線通訊的觸摸HMI也進(jìn)入了工控領(lǐng)域，以其在無線基站信號范圍內(nèi)不受物理和空間限制的優(yōu)點(diǎn)成為工控領(lǐng)域的新焦點(diǎn)。無論自動化立體倉庫的設(shè)備數(shù)量多少，設(shè)備分散性如何，只要布置的局域網(wǎng)的無線基站能覆蓋設(shè)備全區(qū)，無線HMI都可以訪問該局域網(wǎng)內(nèi)的任何設(shè)備，操作人員可走到設(shè)備附近直觀地去操作。此時，操作屏的數(shù)量可根據(jù)系統(tǒng)配置，而無需考慮設(shè)備布置和控制視野范圍。圖3為自動化立體倉庫無線HMI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖3 自動化立體倉庫HMI無線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 云端HMI的應(yīng)用

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，云設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)入了物流設(shè)備的控制系統(tǒng)中，物流設(shè)備的云技術(shù)是通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享和信息交流，從而提高物流裝備設(shè)計(jì)的效率。云端HMI的設(shè)計(jì)方案是將本自動化立體倉庫中的所有需要顯示和操作的PLC控制器內(nèi)容編輯在此云端HMI不同頁面內(nèi)。此云端HMI必須與所有PLC控制器屬于同一個物理局域網(wǎng)內(nèi)，然后通過無線基站的無線信號發(fā)布，配備無線工業(yè)PAD安裝訪問云端HMI的APP，通過無線訪問云端HMI，通過此APP選擇需要連接的PLC控制器IP地址，隨即進(jìn)入需要連接的PLC控制器的相應(yīng)操作頁面和顯示頁面。圖4為自動化立體倉庫云端HMI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖4 自動化立體倉庫云端HMI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 無線HMI的優(yōu)勢

1）布線簡單 由于自動化立體倉庫現(xiàn)場的PLC控制器都與上位監(jiān)控機(jī)進(jìn)行通訊，故PLC控制器均集于一個局域網(wǎng)內(nèi)。每個控制柜中都布置有交換機(jī)，更方便無線發(fā)射基站的布置。固定的HMI則需將每個現(xiàn)場HMI連接到PLC控制器的接口網(wǎng)上，因而無線HMI減少了通訊線纜的鋪設(shè)，布線方式簡單。

2）便于操作 無線HMI設(shè)備便于操作人員就近設(shè)備進(jìn)行操作和查詢，大大提高了操作的可靠性。固定接口的HMI是一個區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個HMI，且不可移動，操作起來必須視線可及，若在盲區(qū)，操作起來就具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3）通用性強(qiáng) 無線HMI可將整個自動化立體倉庫現(xiàn)場的PLC控制器的功能和信息顯示都集于一個HMI上，下載在不同的無線HMI上只需更改對應(yīng)HMI的IP地址即可，程序通用性較強(qiáng)，無需對應(yīng)不同的屏編輯不同的程序。固定的HMI因控制設(shè)備范圍不同而需進(jìn)行不同的編輯，每個HMI對應(yīng)的功能各不相同，故通用性不強(qiáng)。

4）降低成本 由于無線HMI的可移動性，對于一套大系統(tǒng)、一個無線HMI即可完成所有設(shè)備的操作；對于固定HMI，由于受視野范圍的限制，一套大系統(tǒng)通常需要5、6個甚至更多的固定HMI完成所有設(shè)備的操作，雖然一個無線HMI的價(jià)格高于固定HMI，但綜其成本無線HMI優(yōu)勢明顯低于固定HMI。

5 HMI的未來發(fā)展

隨著無線技術(shù)的發(fā)展與成熟，無線HMI的應(yīng)用會越來越廣，但因無線HMI的產(chǎn)品種類較少，且價(jià)格昂貴，故無線HMI的應(yīng)用受到局限。隨著云技術(shù)的發(fā)展和云端HMI的開發(fā)，與之配套使用的無線平板電腦也有很多適用于工業(yè)場合，可選擇范圍很大，且價(jià)格比無線HMI便宜，又有云端HMI資源共享優(yōu)勢，故云端HMI將會逐步占據(jù)工控領(lǐng)域的HMI主導(dǎo)位置。