一種3D效果監(jiān)控人機界面的設(shè)計

王 勝 程武山

(上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

人機界面(Human Machine Interface，HMI)是系統(tǒng)和用戶之間進行交互、信息交換的媒介，是人與機器交互的終端設(shè)備，是工業(yè)控制系統(tǒng)操控的必須功能單元[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)控人機界面仍然停留在點線面的簡單平面圖形上[2]，容易造成操作人員視覺疲勞、工作效率低甚至造成操作失誤。隨著工業(yè)自動化的飛速發(fā)展，用戶希望用更加形象、更加仿真的三維視角來展示整個系統(tǒng)生產(chǎn)線的工藝流程。未來人機界面將在觀念及應(yīng)用場合等方面都有所改變[3]。

由于傳統(tǒng)的工業(yè)數(shù)據(jù)通信方式在設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中存在大量的異構(gòu)問題，每個應(yīng)用軟件開發(fā)商必須按照不同的協(xié)議規(guī)范開發(fā)特定的通信程序[4]。因此隨著現(xiàn)場設(shè)備的種類和產(chǎn)品的不斷升級，給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負(fù)擔(dān)。當(dāng)前市場中基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集軟件一般只解決I/O驅(qū)動程序的問題，往往忽視其與SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))、HMI之間的關(guān)系，例如數(shù)據(jù)的有效性判斷、數(shù)據(jù)監(jiān)視效果及數(shù)據(jù)查看權(quán)限等功能。針對工業(yè)領(lǐng)域中通信協(xié)議復(fù)雜、系統(tǒng)集成度差和數(shù)據(jù)傳輸效率低的實際難題，基于OPC通用接口技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口層同構(gòu)化，實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化接口平臺和便捷數(shù)據(jù)存取。采用3D效果的監(jiān)控人機界面設(shè)計，使仿真效果圖更加逼真，可在一定程度上提高數(shù)據(jù)監(jiān)控內(nèi)容的判別性。

1 總體設(shè)計①

本設(shè)計是關(guān)于多功能快速微孔穿絲機監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面，完成對生產(chǎn)線工藝流程的監(jiān)控，根據(jù)各工位傳感器反饋的信號顯示各部件的工作狀態(tài)，通過界面對設(shè)備操作控制，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運行的實時監(jiān)控。多功能快速微孔穿絲機監(jiān)控系統(tǒng)人機界面的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 3D效果監(jiān)控人機界面體系

2 人機界面

2.1 元件圖庫的建立

在色彩設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要構(gòu)建3D效果圖庫的框架并確定合適的界面整體比例。人的眼睛對不同的前景和背景顏色搭配有不同的視覺疲勞程度，在設(shè)計中充分考慮了這個問題，可以給用戶提供一個舒適的視覺環(huán)境，提高工作效率，降低由于視覺上的疲勞造成的操作失誤。

本設(shè)計按照國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，元件分類及顏色配比等進行具體的參數(shù)化繪制圖庫，運用相關(guān)繪圖軟件(Solid Works)，繪出的圖像凸顯3D立體效果，要求在調(diào)用時更加方便快捷。

2.2 3D效果界面的設(shè)計

3D效果界面設(shè)計的流程如圖2所示，運用的技術(shù)包括3D立體繪圖技術(shù)、圖片處理技術(shù)、視覺效果處理技術(shù)和C#編程技術(shù)。其中，3D立體繪圖技術(shù)是用于圖片的生成和制作，基于Solid Works軟件的應(yīng)用，解決三維效果圖的制作問題。圖片處理技術(shù)是運用Photoshop軟件，在主體3D圖片完成之后從局部到整體參考色彩工效學(xué)等方面的知識對其進行視覺感官效果的修改和美化工作。在視覺效果處理技術(shù)方面運用GIF Movie Gear軟件制作動畫，使3D效果界面的色彩更加豐富和人性化。整個人機交互界面的開發(fā)是以C#編程技術(shù)為依托的，運用Visual Studio 2008軟件編程，將3D圖庫轉(zhuǎn)化為類同C#軟件的附加安裝包，通過一鍵安裝的形式，添加入C#源程序中，即時調(diào)用，穩(wěn)定可靠。

圖2 3D界面設(shè)計流程

3 實時監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同構(gòu)化通信平臺

OPC(OLE for Processing Control)是用于過程控制的OLE技術(shù)，即過程控制用的對象鏈接與嵌入技術(shù)[5]。OPC技術(shù)按一套標(biāo)準(zhǔn)的COM對象、方法和屬性，提供方便的信息流通和交換，解決了數(shù)據(jù)傳輸滯后、效率低及系統(tǒng)集成度低等問題[6]。OPC技術(shù)規(guī)范統(tǒng)一的接口函數(shù)，實現(xiàn)了應(yīng)用程序和工業(yè)控制設(shè)備之間高效、靈活的數(shù)據(jù)讀/寫[7]。

本設(shè)計基于OPC技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口層同構(gòu)，為監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序之間的通信建立一個接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備與過程監(jiān)控的信息互連。在控制設(shè)備與控制軟件之間建立單一的數(shù)據(jù)存取規(guī)范，便捷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，利用這個接口規(guī)范支持網(wǎng)絡(luò)上的分布應(yīng)用程序的通信以及不同平臺上應(yīng)用程序之間的通信[8]。通過建立各種設(shè)備的OPC接口服務(wù)器，使得不同現(xiàn)場硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件通過共同的標(biāo)準(zhǔn)化接口進行數(shù)據(jù)交換，并完善采集數(shù)據(jù)的診斷、監(jiān)視和管理，實現(xiàn)過程監(jiān)控等自動化工業(yè)領(lǐng)域的“即插即用”功能[9]。

OPC服務(wù)器通過PLC控制器收集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)信息，通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口傳送給OPC客戶端應(yīng)用，OPC客戶端軟件通過一致的OPC接口訪問OPC服務(wù)器，獲取數(shù)據(jù)信息。

OPC客戶端均利用Visual Studio 2008軟件進行組態(tài)，將3D圖庫添加入C#源程序中，即時調(diào)用，模擬現(xiàn)場設(shè)備。界面中各個圖形和現(xiàn)場的工況相連接，實時顯示現(xiàn)場工況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的交換并執(zhí)行對現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測、報警、診斷維護及設(shè)定或配置控制命令等。

3.2 基于OPC技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)

本設(shè)計基于OPC技術(shù)構(gòu)建實時監(jiān)控系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖3所示。

3.2.1各數(shù)據(jù)層功能

過程數(shù)據(jù)產(chǎn)生層，產(chǎn)生工藝現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)信號，將PLC與現(xiàn)場設(shè)備相連，則現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)被采集到各個PLC；過程數(shù)據(jù)采集層，架設(shè)不同設(shè)備的OPC接口服務(wù)器，通過OPC服務(wù)器將上傳的數(shù)據(jù)解包并讀入OPC服務(wù)器；過程數(shù)據(jù)表示層，架設(shè)不同子系統(tǒng)的人機交互程序，完成過程數(shù)據(jù)的診斷、建模處理及監(jiān)控等功能；管理數(shù)據(jù)采集層，架設(shè)不同設(shè)備的OPC接口服務(wù)器，建立過程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接口；管理數(shù)據(jù)表示層，架設(shè)離線數(shù)據(jù)管理軟件和在線數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件。

圖3 基于OPC技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)

3.2.2監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場設(shè)備、PLC和HMI，現(xiàn)場設(shè)備通過工業(yè)線纜連接PLC，PLC通過通信總線連接至OPC服務(wù)器，HMI與OPC服務(wù)器連接。上位機HMI包括多個用于監(jiān)控過程控制的分站上位機HMI和用于整體數(shù)據(jù)管理和控制的一個總站上位機HMI，OPC服務(wù)器包括與分站上位機HMI數(shù)量一致的分站OPC服務(wù)器和一個總站OPC服務(wù)器，PLC通過Profibus DP連接至分站OPC服務(wù)器，分站上位機HMI與分站OPC服務(wù)器連接，并通過以太網(wǎng)連接至總站OPC服務(wù)器，總站上位機與總站OPC服務(wù)器連接。總站上位機設(shè)有運行管理模塊和離線數(shù)據(jù)管理模塊。

3.2.3數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要是運用OPC技術(shù)建立OPC服務(wù)器，實現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，同時還要把不同控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有統(tǒng)一接口的OPC數(shù)據(jù)格式。在OPC客戶端安裝組態(tài)軟件，架設(shè)不同的人機交互程序，負(fù)責(zé)讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)量,完成數(shù)據(jù)的診斷、處理及監(jiān)控等功能。利用OPC接口柔軟性極高的特點提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新快、動作延遲短且控制精度高，改善了以往的生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控效率。通過實驗測試，監(jiān)控系統(tǒng)界面顯示與實際工位間的時間延時縮短至極短時間內(nèi)，界面的畫面動態(tài)顯示僅滯后于工位實際動作時間約200ms。

4 人機交互界面

4.1 監(jiān)控人機界面

設(shè)計實例為多功能快速微孔穿絲機監(jiān)控系統(tǒng)，利用觸摸屏實現(xiàn)操作控制、各種狀態(tài)信息和動態(tài)監(jiān)控圖的顯示,其人機界面整體采用模塊化設(shè)計，分為三大功能模塊：監(jiān)測信息顯示模塊、工藝流程動作模塊和監(jiān)控界面控制模塊。整個監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)人機界面

4.1.1監(jiān)測信息顯示模塊

此模塊包括報警信息、參數(shù)顯示、生產(chǎn)統(tǒng)計、設(shè)備狀態(tài)和檢測結(jié)果5個模塊。報警信息模塊對系統(tǒng)中的各類故障或錯誤進行報警顯示；參數(shù)顯示主要是產(chǎn)品的型號和生產(chǎn)信息的顯示；生產(chǎn)統(tǒng)計模塊包括了經(jīng)過檢測的產(chǎn)品總數(shù)統(tǒng)計以及合格品、不合格品的數(shù)量統(tǒng)計顯示；設(shè)備狀態(tài)模塊包含系統(tǒng)狀態(tài)和各機構(gòu)運行狀態(tài)的顯示；檢測結(jié)果模塊完成數(shù)據(jù)處理。

4.1.2工藝流程動作模塊

該模塊主要指界面上的流程監(jiān)控模塊，此模塊的設(shè)計采用3D立體化動態(tài)效果顯示工藝流程的理念，突破傳統(tǒng)二維監(jiān)控界面單調(diào)、缺乏活力的特點，凸顯3D動態(tài)仿真效果的優(yōu)勢，用戶能夠獲得感覺愉悅和興趣增強的操作體驗。

4.1.3監(jiān)控界面控制模塊

本著界面操作簡潔化的原則，在滿足生產(chǎn)需要的前提下，對軟件界面的人工操作部分進行了簡化設(shè)計，包括模塊導(dǎo)航、控制生產(chǎn)過程和退出系統(tǒng)3個部分，方便操作使用。此模塊在系統(tǒng)界面的運行中具有較高的優(yōu)先級。

整個界面監(jiān)控流程為工件經(jīng)傳送帶輸送到此工序后，界面中會實時顯示工件的移動過程。當(dāng)工件到達生產(chǎn)位置后，界面中將顯示出由機械手放置到轉(zhuǎn)盤的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)盤周圍傳感器檢測到穿絲工位上的熔斷器時，將顯示綠燈，定長校直給絲單元開始運行，對熔斷絲進行校直并取定長的熔斷絲輸送至定位穿絲單元進行精確定位，然后穿入熔斷器上的熔斷絲微孔，完成整個送絲、穿絲的流程。

4.2 軟件設(shè)計

4.2.1OPC客戶端開發(fā)

OPC技術(shù)的開發(fā)是建立在Windows系統(tǒng)之上的，OPC基金會提供了規(guī)范文檔和接口定義文件。開發(fā)OPC客戶端需要的環(huán)境配置包括Windows操作系統(tǒng)和Visual Studio 2008軟件。

OPC客戶端和服務(wù)器的交互過程為：創(chuàng)建并連接服務(wù)器對象；添加組、項；進行數(shù)據(jù)的讀/寫操作；與OPC服務(wù)器斷開連接[10]。OPC服務(wù)器安裝在操作系統(tǒng)中，Client通過注冊表查詢服務(wù)器并列表，然后客戶端選取列表中服務(wù)器名稱，為服務(wù)器創(chuàng)建一個COM對象。一旦COM對象創(chuàng)建，客戶就會得到一個OPC服務(wù)器的主接口，負(fù)責(zé)創(chuàng)建OPC Group，并返回其他接口指針，以保證客戶端可以調(diào)用服務(wù)器的接口函數(shù)。客戶端獲取通信信息時，瀏覽服務(wù)器的Item，選取需要的Item，添加到Group對象中。進行數(shù)據(jù)通信時，服務(wù)器實時監(jiān)控組中的項，當(dāng)項屬性發(fā)生變化則立即通知客戶端，項信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中含有項值及時間標(biāo)簽等，客戶端解析數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)并使用它們來刷新客戶端視圖。開發(fā)OPC客戶端就是實現(xiàn)客戶端應(yīng)用程序?qū)PC服務(wù)器中信息數(shù)據(jù)的獲取與處理，完成客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。本設(shè)計利用Visual Studio 2008軟件開發(fā)客戶端程序，基于OPC的客戶端程序設(shè)計流程如圖5所示。

4.2.2軟件模塊化設(shè)計

該人機界面監(jiān)控系統(tǒng)中，通過應(yīng)用軟件的編制來完善生產(chǎn)工藝監(jiān)測，其系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為系統(tǒng)監(jiān)控模塊、通信模塊、診斷模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。

監(jiān)控模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)化三維立體設(shè)計，用更加形象、仿真的三維視角來展示系統(tǒng)生產(chǎn)線的工藝流程，模擬現(xiàn)場設(shè)備運行情況、實際生產(chǎn)運作狀態(tài)并及時根據(jù)現(xiàn)場工況做出遠(yuǎn)程調(diào)整控制。

通信模塊，系統(tǒng)的現(xiàn)場控制層與過程控制層的數(shù)據(jù)通信是使用總線Profibus DP連接，而數(shù)據(jù)管理層是通過以太網(wǎng)連接至過程控制層，其通信都是基于OPC技術(shù)實現(xiàn)接口同構(gòu)而完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 基于OPC的客戶程序設(shè)計流程

診斷模塊，具有生產(chǎn)流水線故障智能診斷功能，針對系統(tǒng)平臺的報警模塊，建立了一套以響應(yīng)模式為基準(zhǔn)的報警模型。報警模型將平臺數(shù)據(jù)信息分為報警級、錯誤級和消息級三級處理模式。

數(shù)據(jù)管理，包括運行數(shù)據(jù)管理模塊和離線數(shù)據(jù)管理模塊，運行數(shù)據(jù)管理模塊用于對監(jiān)控過程進行實時管理；離線數(shù)據(jù)管理模塊用于生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)管理，可對數(shù)據(jù)進行增、刪、改。可存儲生產(chǎn)流水線的工作過程數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)并生成打印報表輸出。

5 結(jié)論

5.13D效果的監(jiān)控人機界面的設(shè)計。改善了傳統(tǒng)的監(jiān)控界面采用2D的界面仿真設(shè)計，3D的仿真效果圖更加逼真、耐看，在一定程度上提高了數(shù)據(jù)監(jiān)控內(nèi)容的判別性。同時，3D效果監(jiān)控零件圖庫使得系統(tǒng)平臺的應(yīng)用開發(fā)更加便捷、高效。

5.2異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同構(gòu)化通信平臺的建立。基于OPC技術(shù)實現(xiàn)接口同構(gòu)，針對不同通信方式建立OPC服務(wù)器，實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化接口平臺，便捷數(shù)據(jù)存取，利用OPC接口柔軟性極高的特點提高了數(shù)據(jù)傳輸效率與穩(wěn)定性。

5.33D立體繪圖技術(shù)、圖片處理技術(shù)、視覺效果處理技術(shù)和C#編程技術(shù)4項基本技術(shù)的結(jié)合。將3D圖庫轉(zhuǎn)化為類同C#軟件的附加安裝包，通過一鍵安裝的形式，添加入C#源程序中，實現(xiàn)了即時調(diào)用，并且穩(wěn)定可靠。