楊俊飛

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MP377人機(jī)界面在齒輪箱試驗(yàn)平臺(tái)中的應(yīng)用

楊俊飛

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

本文介紹了基于齒輪箱試驗(yàn)平臺(tái)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，同時(shí)介紹了MP377多功能人機(jī)界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)的特點(diǎn)。

人機(jī)界面 MP377 通訊組態(tài)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備的使用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，分布式控制設(shè)備的在大型試驗(yàn)平臺(tái)中的應(yīng)用越來(lái)越多。人機(jī)界面開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)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(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成

本監(jiān)控系統(tǒng)是某齒輪箱試驗(yàn)平臺(tái)的重要組成部分，包括中央控制臺(tái)、遠(yuǎn)程控制柜、變頻柜、進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜、變壓器、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)器等。

本系統(tǒng)的核心控制單元是一套S7-400 PLC，控制對(duì)象是遠(yuǎn)程控制柜里的ET200M遠(yuǎn)程I/O、變頻柜等。ET200M作為主控PLC的遠(yuǎn)程I/O,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收并執(zhí)行主控PLC的控制指令和采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)。顯示界面設(shè)備為西門子操作員面板MP377。監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程I/0（ET200M）、變頻柜、電機(jī)、變壓器的監(jiān)控，可對(duì)齒輪箱試驗(yàn)平臺(tái)的各組成設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、故障診斷與保護(hù)。能實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)的事件信息及系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)并能進(jìn)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(guò)DP總線與MP377通訊。在MP377平臺(tái)上開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作輸入和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備狀態(tài)顯示輸出，并能以圖形或文本的形式實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)各設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置，顯示故障信息報(bào)警等功能。

作為人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，MP377可以為用戶提供以下幾個(gè)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(dòng)態(tài)）、文本（實(shí)時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)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(bào)警窗口的驅(qū)動(dòng)條件）、滾動(dòng)條控件（可用于文本列表、數(shù)據(jù)列表的滾動(dòng)查看）、表格控件（可用于系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的列表顯示）、時(shí)間顯示控件、圖形趨勢(shì)視圖（可用于系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的趨勢(shì)波形顯示）、消息視圖、變量實(shí)時(shí)狀態(tài)、口令列表（可用于編程人員和操作人員的使用權(quán)限等級(jí)設(shè)置）等。消息管理包括對(duì)事件、報(bào)警的消息管理。消息通過(guò)消息行和消息窗口顯示，并能送給打印機(jī)打印。消息能實(shí)時(shí)顯示，并可以將記錄消息發(fā)生時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)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(guò)軟件組態(tài)配置，可以實(shí)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(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。MP377可通過(guò)以上網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。

2 人機(jī)交互畫面設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代化控制設(shè)備控制過(guò)程日趨復(fù)雜的環(huán)境下，用戶對(duì)控制設(shè)備的監(jiān)視、控制和操作要求不斷提高?？刂圃O(shè)備的可擴(kuò)展性以及操作的友好性、透明性對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。MP377提供了這種用戶所需的可擴(kuò)展性、友好性和透明性。人機(jī)界面是人(操作人員)與過(guò)程(被監(jiān)控設(shè)備)之間的接口。 S7-400是控制過(guò)程的核心。MP377可承擔(dān)以下任務(wù)：

1)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的控制設(shè)計(jì)

操作人員可以通過(guò)圖形用戶界面遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程。

2)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程可視化設(shè)計(jì)

人機(jī)界面設(shè)備上可顯示系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。人機(jī)界面設(shè)備上的畫面可根據(jù)實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程變化。例如，系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)停機(jī)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)故障等狀態(tài)。

3) 系統(tǒng)狀態(tài)顯示報(bào)警設(shè)計(jì)

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備參數(shù)超過(guò)用戶設(shè)定的報(bào)警閾值會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，通過(guò)圖形或文本閃爍的顯示方式提示用戶檢查設(shè)備狀態(tài)。例如，電機(jī)溫度、電機(jī)電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速等設(shè)備參數(shù)超出報(bào)警值時(shí)。

4) 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和參數(shù)管理設(shè)計(jì)

人機(jī)界面系統(tǒng)可以將系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和參數(shù)導(dǎo)出，便于管理。例如，可以一次性將這些參數(shù)從人機(jī)界面設(shè)備下載到PLC，以便改變系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。

5) 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警歸檔設(shè)計(jì)

MP377可以記錄并保存系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和報(bào)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(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息，分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，定位故障設(shè)備。

2.1 人機(jī)界面開(kāi)發(fā)軟件

MP377的人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用西門子公司的WinCC flexible組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，這款軟件是面向自動(dòng)化的人機(jī)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(shè)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(jī)界面設(shè)備。WinCC flexible 運(yùn)行系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)程可視化。在WinCC flexible 運(yùn)行系統(tǒng)中，可以在過(guò)程模式下執(zhí)行項(xiàng)目。其運(yùn)行系統(tǒng)可通過(guò)選件擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)功能。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)控制任務(wù)

根據(jù)本齒輪箱試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際要求，系統(tǒng)運(yùn)行分為兩種工況：?jiǎn)螜C(jī)運(yùn)行工況、雙機(jī)運(yùn)行工況。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先自動(dòng)執(zhí)行初始化，判斷主控PLC與其它設(shè)備之間的通訊狀態(tài)，通訊正常初始化通過(guò)后進(jìn)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(diǎn)選擇、電機(jī)啟動(dòng)等），接收到用戶的啟動(dòng)指令后進(jìn)入系統(tǒng)順序合閘狀態(tài)，在合閘的過(guò)程中，MP377人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)合閘過(guò)程，提示用戶系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。合閘完畢后，進(jìn)入運(yùn)行等待狀態(tài)，如果接收到操作員的停機(jī)指令或因設(shè)備發(fā)生故障而停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)轉(zhuǎn)入順序分閘狀態(tài)，系統(tǒng)分閘完畢后進(jìn)入操作等待狀態(tài)。MP377人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前故障狀態(tài)，以圖形和文本的形式提示用戶當(dāng)前發(fā)生故障的設(shè)備狀態(tài)，產(chǎn)生故障的原因及處理方法。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換框圖如圖2所示。

2.3 人機(jī)界面組成

根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)，MP377的畫面組態(tài)按功能分為：?jiǎn)螜C(jī)運(yùn)行畫面、雙機(jī)運(yùn)行畫面、報(bào)警信息畫面、參數(shù)歷史記錄畫面等。

單機(jī)運(yùn)行分甲機(jī)和乙機(jī)獨(dú)立運(yùn)行工況，雙機(jī)運(yùn)行分甲乙機(jī)串聯(lián)和并聯(lián)工況。單機(jī)、雙機(jī)運(yùn)行畫面設(shè)置有用戶操作區(qū)域，包括電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行選擇按鈕、電機(jī)串聯(lián)運(yùn)行按鈕、電機(jī)單機(jī)運(yùn)行按鈕、電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)選擇按鈕、電機(jī)啟動(dòng)按鈕、電機(jī)停機(jī)按鈕；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)顯示區(qū)域，包括電機(jī)電壓、電機(jī)電流、電機(jī)功率、電機(jī)頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)減速時(shí)間、變頻器直流母線電壓；電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定區(qū)域等。畫面見(jiàn)圖3。

報(bào)警信息畫面主要記錄系統(tǒng)報(bào)警信息，人機(jī)界面根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)能自動(dòng)轉(zhuǎn)入當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)畫面。畫面見(jiàn)圖4。

參數(shù)歷史記錄畫面用于記錄主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，包括電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流等。便于用戶查詢歷史參數(shù)。畫面見(jiàn)圖5。

在畫面中的工況選擇、電機(jī)啟停等設(shè)定輸入設(shè)計(jì)方面，用戶指令的輸入主要通過(guò)人機(jī)界面圖庫(kù)中模擬的自鎖按鈕、自復(fù)位按鈕、選擇開(kāi)關(guān)通過(guò)與主控PLC的通訊將控制指令送出至現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備。系統(tǒng)參數(shù)的輸入主要通過(guò)I/O域，將用戶輸入至I/O域的數(shù)值與主控PLC的存儲(chǔ)地址相對(duì)應(yīng)，這樣就可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)修改，設(shè)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(guò)人機(jī)界面設(shè)置和修改系統(tǒng)參數(shù)變得很方便。

3 結(jié)束語(yǔ)

人機(jī)界面技術(shù)在齒輪箱試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中的使用，使監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔、實(shí)用、可靠，取消了大量的模擬量?jī)x表、指示燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等設(shè)備，提高了系統(tǒng)設(shè)備可靠性，降低了系統(tǒng)設(shè)備的故障率；由于MP377組態(tài)畫面形象、直觀，用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的認(rèn)知度更高，操作和監(jiān)視更加簡(jiǎn)便，提高了系統(tǒng)設(shè)備的可操作性；MP377組態(tài)畫面還具有報(bào)警狀態(tài)顯示、歸檔存儲(chǔ)和定位功能，使得用戶對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的日常維護(hù)更加簡(jiǎn)單。

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

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

[3] 羅仕鑒編著．人機(jī)界面設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)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(dòng)化。