人機(jī)界面(HMI)是系統(tǒng)和用戶(hù)之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與操作員可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。HMI作為人機(jī)交互的窗口普遍應(yīng)用于棉紡、塑料機(jī)械、化工、包裝等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備中。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)控制裝置在控制儀表基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)以后，自動(dòng)化控制手段也越來(lái)越豐富。

    可編程邏輯控制器(PLC)是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)控制而設(shè)計(jì)的裝置，它具有功能強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用。但單純的PLC控制系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和工藝參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和修改。對(duì)于小型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可用HMI與PLC組成結(jié)構(gòu)緊湊的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控型自動(dòng)控制系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管理和操作效率。

    液位是工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的控制參數(shù)之一，液位控制是過(guò)程控制中的典型案例，液位控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至是產(chǎn)品制造成敗的關(guān)鍵，所以液位控制具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。在液位控制系統(tǒng)中，將HMI與PLC結(jié)合起來(lái)，操作人員可在人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程控制，操作簡(jiǎn)便易學(xué)、方便直觀，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，而且能隨時(shí)動(dòng)態(tài)顯示現(xiàn)場(chǎng)的重要信息，方便操作人員正確掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)盡可能地工作于最佳狀態(tài)。

    基于此，燕山大學(xué)機(jī)電實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)了1套液位監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為學(xué)生開(kāi)設(shè)一門(mén)綜合型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

1 系統(tǒng)硬件組成及功能特點(diǎn)

    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于HMI與PLC的液位控制系統(tǒng)，以PLC作為控制核心，配以液位傳感器、電磁閥及微機(jī)、觸摸屏、水泵、儲(chǔ)水箱、上下水箱等。通過(guò)PLC控制水泵的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而保證液位可以按照控制要求達(dá)到設(shè)定水位，利用人機(jī)界面對(duì)水槽液位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)的PLC選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的日本三菱公司的FXIN一40MR，其配置點(diǎn)為24點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出。人機(jī)界面選用昆侖通態(tài)的TPC7062KS觸摸屏，運(yùn)用MCGS軟件完成系統(tǒng)的組態(tài)。液位檢測(cè)采用防水設(shè)計(jì)的電容式NPN常開(kāi)型接近開(kāi)關(guān)。輸出選用發(fā)光二極管及蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)控制方框圖見(jiàn)圖1。

圖1液位控制系統(tǒng)方框圖

    控制系統(tǒng)具有手動(dòng)／自動(dòng)兩種控制方式，可以根據(jù)生產(chǎn)的需要將液位分為3段來(lái)設(shè)定，并分段顯示。在自動(dòng)控制時(shí)，當(dāng)液位為最低極限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)水泵對(duì)水箱加水，操作人員可以設(shè)定液位值，液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并發(fā)出停泵信號(hào)，同時(shí)操作人員可以通過(guò)觸摸屏上的“確認(rèn)”按鈕解除報(bào)警聲光。在手動(dòng)控制時(shí)，在最高位時(shí)不能啟泵，最低位時(shí)不能停泵，其余任何時(shí)刻操作人員都可以對(duì)水泵進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)啟和停止動(dòng)作。

2 HMI畫(huà)面組態(tài)過(guò)程

    人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等。HMI軟件一般分為兩部分，即運(yùn)行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下的畫(huà)面組態(tài)軟件。使用者都必須先使用HMI的畫(huà)面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過(guò)PC機(jī)和HMI產(chǎn)品的串行通信口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用的是MCGS畫(huà)面組態(tài)軟件，用戶(hù)在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成菜單設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)控制流程等全部組態(tài)工作，在運(yùn)行環(huán)境中完成對(duì)工程的控制工作。

    在選擇好相應(yīng)硬件設(shè)備后，用MCGS組態(tài)軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，具體組態(tài)過(guò)程如下：

(1)建立新工程。打開(kāi)MCGS組態(tài)環(huán)境，定義工程項(xiàng)目名稱(chēng)，指定存盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)文件的名稱(chēng)及存盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新的周期。

(2)制作工程畫(huà)面。工程畫(huà)面的制作在用戶(hù)窗口內(nèi)完成，根據(jù)液位系統(tǒng)中所用到的硬件設(shè)備，在MCGS的設(shè)備工具箱中選取，然后放到合適的位置，讓系統(tǒng)中的物料流動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，以實(shí)現(xiàn)與操作人員之間的交互式界面。圖2為液位控制組態(tài)畫(huà)面圖。

圖2液位控制組態(tài)畫(huà)面圖

(3)定義數(shù)據(jù)對(duì)象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對(duì)象是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本單元，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程也就是定義數(shù)據(jù)對(duì)象的過(guò)程。定義數(shù)據(jù)對(duì)象的內(nèi)容主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱(chēng)、類(lèi)型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量存盤(pán)相關(guān)的參數(shù)。表1是液位控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)對(duì)象。

表1液位控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象

(4)動(dòng)畫(huà)連接。由圖形對(duì)象繪制而成的圖形畫(huà)面是靜止不動(dòng)的，需要對(duì)這些圖形對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)，才能真實(shí)地描述外界對(duì)象的狀態(tài)變化，達(dá)到過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。MCGS實(shí)現(xiàn)圖形動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)的主要方法是將用戶(hù)窗口中圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立相關(guān)性鏈接，并設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)屬性。

項(xiàng)目名稱(chēng)，指定存盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)文件的名稱(chēng)及存盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新的周期。

(4)動(dòng)畫(huà)連接。由圖形對(duì)象繪制而成的圖形畫(huà)面是靜止不動(dòng)的，需要對(duì)這些圖形對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)，才能真實(shí)地描述外界對(duì)象的狀態(tài)變化，達(dá)到過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。MCGS實(shí)現(xiàn)圖形動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)的主要方法是將用戶(hù)窗口中圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立相關(guān)性鏈接，并設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)屬性。

    在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，圖形對(duì)象的外觀和狀態(tài)特征，由數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)時(shí)采集值驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)圖形的動(dòng)畫(huà)效果。

(5)編寫(xiě)控制流程。在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)建箱中選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊，由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，正確的編寫(xiě)腳本程序，可以簡(jiǎn)化組態(tài)過(guò)程，大大提高工作效率，優(yōu)化控制過(guò)程哺。引。液位控制系統(tǒng)部分的腳本程序如下：

IF選擇開(kāi)關(guān)=1 AND低液位傳感器=0 AND正常液位傳感器=0 AND高液位傳感器=0 THEN水泵1開(kāi)關(guān)=1水泵開(kāi)關(guān)2=1水泵開(kāi)關(guān)3=1ENDIF

(6)運(yùn)行調(diào)試。系統(tǒng)組態(tài)完成后首先進(jìn)行組態(tài)檢查，在確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境。

3控制程序設(shè)計(jì)

3．1控制程序流程圖

控制程序流程見(jiàn)圖3。

圖3控制程序流程圖

3．2 PLC編程說(shuō)明

由于在組態(tài)過(guò)程中使用了腳本程序，使得PLC控制程序得到了很大的簡(jiǎn)化。

(1)系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)2種控制方法。可分3段設(shè)定和顯示，在最低液位時(shí)自動(dòng)啟泵，當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停泵。

(2)采用電容式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)液位時(shí)，當(dāng)液位到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)其觸點(diǎn)閉合，指示燈點(diǎn)亮；液位離開(kāi)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)其觸點(diǎn)打開(kāi)。為保證相應(yīng)測(cè)量段的指示燈不立即熄滅，同時(shí)不受液位波動(dòng)的影響，每段指示燈的控制均采用自鎖形式，只有當(dāng)液位上升或下降到相鄰段時(shí)指示燈才熄滅。

(3)當(dāng)液位到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，液位指示燈閃爍，由于燈光采用定時(shí)器，故計(jì)數(shù)器以1 S為周期閃爍；若液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停泵，并設(shè)置蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警聲設(shè)計(jì)為響3 S、停1 S，循環(huán)20 S后自停，或在20 S內(nèi)按確認(rèn)按鈕關(guān)閉蜂鳴器，指示燈傳平光。

(4)手動(dòng)控制時(shí)，在最高位時(shí)不能啟泵，最低位時(shí)不能停泵。

4結(jié)束語(yǔ)

    本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用PLC作為系統(tǒng)控制核心，并融人組態(tài)技術(shù)，組成了結(jié)構(gòu)緊湊的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控型自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管理和操作效率。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、連接和軟件程序的編制。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、重組性好、便于升級(jí)擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)，非常適合學(xué)生自主動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，并可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行更深入的研究。