MP377人機界面在齒輪箱試驗平臺中的應用

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，同時介紹了MP377多功能人機界面開發平臺的特點。

人機界面 MP377 通訊組態

0 引言

隨著現代工業自動化技術的發展，自動化設備的使用環境越來越復雜，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控制各個領域，它已成為現代工業監控系統不可或缺的組成部分。

1 齒輪箱試驗平臺系統組成

本監控系統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,通過網絡接收并執行主控PLC的控制指令和采集現場設備狀態。顯示界面設備為西門子操作員面板MP377。監控系統硬件結構如圖1所示。

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

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

作為人機界面的開發平臺，MP377可以為用戶提供以下幾個主要功能：1)系統狀態顯示；2)消息管理；3)與控制單元通訊。系統狀態顯示界面包含有圖形（靜態和動態）、文本（實時數據）、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）、數字量顯示控件（可用于指示燈控件、報警窗口的驅動條件）、滾動條控件（可用于文本列表、數據列表的滾動查看）、表格控件（可用于系統設備參數的列表顯示）、時間顯示控件、圖形趨勢視圖（可用于系統設備參數的趨勢波形顯示）、消息視圖、變量實時狀態、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生時間進行存儲和歸檔。 MP377上提供了MPI、PROFIBUS-DP、USB、以太網端口等接口與S7-400通訊，通過軟件組態配置，可以實現與可編程控制器PLC的通訊，顯示監控系統內各設備的運行狀態。MP377可通過以上網絡協議組網實現對系統中各監控設備的網絡化遠程管理。

2 人機交互畫面設計

在現代化控制設備控制過程日趨復雜的環境下，用戶對控制設備的監視、控制和操作要求不斷提高。控制設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場設備的運行過程。

2)系統運行過程可視化設計

人機界面設備上可顯示系統運行過程。人機界面設備上的畫面可根據實時更新系統運行過程變化。例如，系統啟動、系統停機、系統運行狀態、系統故障等狀態。

3) 系統狀態顯示報警設計

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

4) 系統運行過程和參數管理設計

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

5) 系統運行參數和報警歸檔設計

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

2.1 人機界面開發軟件

MP377的人機界面設計采用西門子公司的WinCC flexible組態軟件開發，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工具，可用于組態 SIMATIC HMI 操作員設備、SIMATIC C7 系統的操作員控制部分、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在SIMATIC HMI 系列中不同的人機界面設備。WinCC flexible 運行系統能夠實現過程可視化。在WinCC flexible 運行系統中，可以在過程模式下執行項目。其運行系統可通過選件擴展標準功能。

2.2 監控系統控制任務

根據本齒輪箱試驗平臺監控系統的實際要求，系統運行分為兩種工況：單機運行工況、雙機運行工況。系統啟動時，首先自動執行初始化，判斷主控PLC與其它設備之間的通訊狀態，通訊正常初始化通過后進入系統操作等待狀態，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順序合閘狀態，在合閘的過程中，MP377人機界面實時顯示當前系統合閘過程，提示用戶系統當前狀態。合閘完畢后，進入運行等待狀態，如果接收到操作員的停機指令或因設備發生故障而停機時，系統則自動轉入順序分閘狀態，系統分閘完畢后進入操作等待狀態。MP377人機界面實時顯示系統當前故障狀態，以圖形和文本的形式提示用戶當前發生故障的設備狀態，產生故障的原因及處理方法。系統狀態轉換框圖如圖2所示。

2.3 人機界面組成

根據系統的控制任務，MP377的畫面組態按功能分為：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和并聯工況。單機、雙機運行畫面設置有用戶操作區域，包括電機并聯運行選擇按鈕、電機串聯運行按鈕、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；系統運行狀態及參數顯示區域，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；電機轉速設定區域等。畫面見圖3。

報警信息畫面主要記錄系統報警信息，人機界面根據系統的運行狀態能自動轉入當前系統狀態畫面。畫面見圖4。

參數歷史記錄畫面用于記錄主要設備的運行參數，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。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場被控設備。系統參數的輸入主要通過I/O域，將用戶輸入至I/O域的數值與主控PLC的存儲地址相對應，這樣就可以根據用戶的需求進行系統參數修改，設置某些參數，滿足系統控制要求。數值的輸入需要有數字鍵盤，MP377多功能面板上配有數字鍵盤，就使得通過人機界面設置和修改系統參數變得很方便。

3 結束語

人機界面技術在齒輪箱試驗平臺監控系統中的使用，使監控系統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，提高了系統設備可靠性，降低了系統設備的故障率；由于MP377組態畫面形象、直觀，用戶對整個系統設備的認知度更高，操作和監視更加簡便，提高了系統設備的可操作性；MP377組態畫面還具有報警狀態顯示、歸檔存儲和定位功能，使得用戶對系統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。