基于PLC人機界面控制系統的標準化研究

王 晅，張學彩

（揚州高等職業技術學校，江蘇 揚州 225002）

1 PLC與人機界面概念

1.1 PLC

PLC也被稱之為可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器主要應用的是可編輯的存儲器。在實際運用過程當中，其內部存儲程序能夠執行各項邏輯運算功能，并實現順序化的數據控制與定時管理，絕大程度上能夠實現對于各項數據的技術和算術操作，但是都要基于用戶的宏觀指令，并通過相應的數字或者是模擬形式輸出輸入控制不同類型的機械設備，控制其進行生產運作。此外，PLC可編輯邏輯控制器在本質上屬于一種專用于工業領域的控制計算機，整體的硬件結構與微型計算機相似，在其基本結構中以CPU、顯示面板、電源、內存等組成。

此外，在整體的工作原理中，PLC可編程邏輯控制器在真正投入運行使用后，整體的工作環節一般可以劃分為三個主要階段。第一階段為輸入采樣，第二階段為用戶程序執行，第三階段則是輸出刷新。當系統完成上述這三個階段后，就可以稱作為是一個掃描周期，而在綜合運行過程中，PLC可編程邏輯控制器的CPU會在相同的速度調節下重復三個階段的指令操作。

1.2 人機界面

人機界面簡稱HCI，也稱之為用戶界面或者是使用者界面。人機界面是人與計算機之間交換傳遞信息的主要媒介和對話接口端，是計算機系統當中的重要組成部分之一。在人機界面設計過程中，需要遵循相應的原則才能夠實現人機界面的有效設計。

（1）以用戶為中心展開基本設計，在系統設計環節中，設計人員需要緊抓用戶的特性，注重用戶各項需求，在系統的開發環節中需要征求用戶個人意見，并向用戶展開信息咨詢，針對系統的設計決策需要有效結合用戶的實際工作環境，需要理解用戶對于系統的實際需求，而最為有效的方法就是讓用戶參與到實際的開發與研究中。

（2）要遵循順序與功能原則，所謂的順序原則就是要按照各項事件的處理順序、訪問原則、查看各項事務內容，在具體的工藝控制領域中，針對其設計監管和人機對話主界面進行相應的順序設計。在面向功能原則方面，要按照目標所處的應用環境和具體的使用功能需求，對各類子系統的控制類型和管理對象是否處于相同界面進行多元化的處理，保障設計功能區域的完善性。

（3）一致性原則。在一致性原則設計當中，包含著色彩相同、操作相同、文字相同，尤其在工業控制領域，以電氣自動化控制系統來說，在標準化的設計過程中，需要重點體現一致性原則，這樣能夠便于相關人員的使用和操作，避免操作失誤的情況出現。

2 人機界面設計系統組成分析

2.1 人機界面設計組成

在PLC人機界面控制系統的標準化設計與研究過程中，人機界面設計組成包括畫面設計、畫面組成這兩個部分。

一般而言，人機界面是控制系統當中十分重要的組成部分，也是用戶與系統之間相互交流的重要交互接口，而畫面的設計好壞也將會深度影響到PLC控制系統的整體運行性能，畫面的設計一般會從可交互性數據、輸入、信息、顯示等不同方面進行考慮。而且，在工業控制領域中，尤其是機電控制系統的標準化設計時，必須要求人機界面相對簡潔、清晰。另外在畫面組成方面，會按照系統不同的控制任務將畫面分為開機畫面、換頁畫面、選擇畫面、送料畫面、模擬畫面、裁切畫面、裁切速度畫面、馬達卷科畫面以及脈沖對照畫面等等。

2.2 系統組成

在綜合系統組成當中，主要由PLC、觸摸屏、伺服電機、氣缸、電磁閥等組成。在整體要求上需要裁切出不同的料號端子，對同料號的端子裁切出不同的PIN數。而控制系統硬件中包含著控制單元、人機界面、交流伺服電機、繼電器、自動開關、電磁閥等多項關鍵部分。只有對各個關鍵部分進行核對和操作，才能夠實現整體系統的監控管理，通過人機界面設計組成結合各項參數，實現最終的控制功能。

3 控制系統的標準化硬件設計

PLC可編程邏輯控制器在如今的發展形勢當中呈現出了高速發展趨勢，不僅具備著供應自動化的客觀需求，而且其本身能夠適用于諸多的工業控制領域，在優質控制特點的加持下，PLC可編程邏輯控制器能夠更為有效地解決工業控制領域當中的諸多問題，并有效提高整體設備的機電一體化產品模式，特別是在機電一體化運行中，可以通過標準化的控制能力覆蓋到安全、靈活、便捷、經濟、可靠等多方面的問題。

因此，基于PLC人機界面控制系統的標準化研究，在選擇PLC和觸摸屏結合的詳細方案時，需要重視控制系統的標準化硬件設計過程，同時也需要深度考慮到控制系統標準化硬件設計所傳遞的優勢功能。

①可靠性高、抗干擾能力強。PLC可編程邏輯控制器一般專用于工業控制，在硬件與軟件這兩個方面都選擇了濾波、隔離、故障診斷、屏蔽以及自動恢復等標準化的措施，來實現覆蓋性的控制管理。在具體應用過程當中，能夠促使PLC可編程邏輯控制器實現較強的抗干擾能力，而且其平均故障的間隔時間較長，故障的恢復時間也較短，在標準化的研發過程中，這也是PLC控制功能優越于常規危機控制的重要特點之一。

②編程形式直觀、應用便捷簡單。在基于PLC人機界面控制系統的標準化研究過程中，針對其控制系統的標準化硬件設計，必須要深度考慮到最終所形成的產品具有機電一體化的功能，而絕大多數的電氣技術人員必須要優先了解電氣控制線路當中的一些特點。在這之中，絕大多數的PLC可編程邏輯控制器所采用的都是與繼電器原理圖相近似的一種梯形圖編程方式，這種編程方式不僅在感官上更為直觀，而且在應用中也較為簡單、便利。

③體積較小、能耗較低。從原則上來說，PLC本身的體積相對較小，這也意味著在機械設備安裝的過程當中，PLC很容易就會安裝在設備內部結構中，這是安裝上的優勢，也促使機電一體化控制設備更為便利。而且，在采用PLC可編程邏輯控制器后，即便是面對一些較為復雜多變的控制系統，也能夠大幅度降低大量中間繼電器與時繼電器的消耗情況，并且PLC可編程邏輯控制器的體積與幾個繼電器大小之總和相當，所以也可以將開關柜的體積縮小到原有的1/2到1/10之間。在整個過程中，因為不斷降低了線圈用電量，所以整體的耗能情況也就會不斷降低。與此同時，PLC的配線相比于繼電器的控制系統配件相對較少。因此，能夠節省大量的配線與附件，隨著配線與附件在數量上的節省，也會相應的降低安裝接線的用工時長，對于前期的投入費用也會有效降低。

④功能完善、擴充便利。隨著PLC可控制編程器的應用，所形成的機電一體化系統就有著標準化的產品功能模塊和擴展單元，能夠便于適應不同狀態下的工業控制標準，而且也能夠與現場各項運行設備實現順利連接，并形成更為標準化的應用系統。

⑤控制程序可變、具有良好柔性。在PLC可編程邏輯控制器的應用下，整體原理是根據程序實現的標準化的控制，如果生產工藝發生改變，或者是整體的生產線設備需要更新時，便不需要轉變PLC所處的硬件設備，只要修改內部程序，即可滿足變換需求。

4 控制系統的標準化軟件設計

4.1 基礎分析

PLC作為一種全新的工業控制計算機，整體的運算速度不僅高，而且功能性強大，在內部程序設計方面較為簡便，能夠有效改變程序，并實現靈活、便利、可靠的改變功能，最重要的是PLC具有著較強的抗干擾能力，能在極為惡劣的工業環境中進行長期穩定的工作，也正是這樣的優勢才促使PLC能夠應用在工業自動化控制的不同領域中。PLC具有優點，也就具有一定的缺陷，PLC的主要缺陷就在于并不具備人機交互的功能。如果在控制環節中需要轉控制參數時，就需要深度了解系統內部的實際控制狀況，這種缺陷會在長時間應用下逐漸體現。伴隨著如今計算機技術的高端發展，人機界面技術的出現，促使PLC擁有了更為重要的發展機遇。特別是在機電一體化自動控制過程中，基于PLC人機界面控制系統的標準化建設，能夠延續PLC本身的工業控制計算能力，但同時也改變了其原有的缺陷問題。

4.2 系統分析

首先，基于不同的標準和需求，控制系統標準化軟件設計中對于系統的設計標準要具備手動、自動靈活控制功能，所以選擇了極為穩定而可靠的HITECH觸摸屏人機界面，此人機界面不僅能夠有效保存大量的自動化生產運行工作數據，而且還可以采用cf卡的形式，幫助使用者保存各項工藝數據。其次，通過此種形式也可以將數據在電腦上進行修改，并通過cf卡傳回到觸摸屏內，這樣對于各項數據的控制管理就變得極為便利。而且因為HI下的ECH人機提供了較為強大的宏觀指令，整體的宏觀指令在邏輯編輯方面并不復雜，有著簡單易學的特點。因此，通過宏觀指令，能夠促使人機與晶體膜厚監控儀實現通訊功能。最后，觸摸屏在接收到監控儀器上的各項數據信息之后，會通過宏觀指令形式進行內部的算術運算，隨后再進行相應的邏輯判斷分析，緊接著將分析計算好的信號輸送到PLC中，這樣就會實現對于設備的自動化運行控制。

4.3 觸摸屏技術

觸摸屏作為一種全新的電腦輸入設備，不管在任何領域都有著極強的應用優勢，而且其操作簡單、便捷、自然的功能也適用于當前的工業自動化控制系統中。其次，觸摸屏與PLC的互結合也在不斷完善，其標準化的控制功能也促使著操作界面擁有著更為豐富的控制能力?？梢哉f，觸摸屏的有效應用也為PLC可編程邏輯控制器提供了更為廣泛的應用空間。最后，由于觸摸屏技術本身所具備的各項優勢功能，促使著機電自動化控制擁有了更多的科學依據，尤其在結合PLC可編程邏輯控制器下，機電自動化控制系統能夠通過觸摸屏來控制內部裝置，實現生產、運行、加工中的各項命令，從本質上滿足了工業生產加工的實際需求。

4.4 控制系統人機界面設計

基于PLC人機界面控制系統的標準化研究中，對于控制系統的標準化軟件設計部分最為關鍵的就是要針對控制系統人機界面展開設計，在控制系統的人機界面設計中，主要分為三個部分。

（1）HITECH觸摸屏。通過對于觸摸屏技術的深入了解和分析，參考控制系統標準化的各項要求與特點，更為科學化的選擇PLC的型號，并同時選用HITECH觸摸屏作為當前控制系統主要人機界面。在整個環節中，該觸摸屏的規格型號規定為PWS3760，而觸摸屏的整體控制界面所運用的是觸摸屏的專用工具HITECH-ADP3軟件展開的綜合設計。另外，PWS3760的觸摸屏在顯示尺寸上是10.4，而顏色顯示則為256色，這也是當前HITECH觸摸屏系列中較為全新的一款產品，而后在整體結構設計過程中，不僅具有較為美觀的造型設計，而且面板設計與用戶配合，應用度極高，在標準化的設計當中，會針對應用需求對操作版進行自由設計，設計內容包含著面板按鈕面板顏色面板圖案等等，這些都能夠由設計者進行自由的搭配，從而形成更為優質的人機界面效果。

（2）控制界面的設計。隨著HITECH-ADP3.0軟件打開之后，需要優先構建一個全新的屏幕文件，并對所需要設置的文件進行相應設置，在設置內容上涵蓋著文件的名稱以及人機界面種類與PLC可編程邏輯控制器的種類，當文件設置完成之后，隨后就會進入到畫面進行下一步的創建工作。

（3）PLC和觸摸屏的通訊結構設置。HITECH觸摸屏在實際工作運行環節中要經過串行通訊接口RS232C和PLC之間進行相互連接。不過，需要注意的是，數據終端設備以及數據通信設備之間的連接所采用的是二進制數據交換接口技術的標準，所以在對接過程中需要反復核對接口標準。

此外，HITECH觸摸屏和PLC之間具有著直接性的存儲通訊形式，兩者之間的相互對接以及數據存儲控制區域相連。在實際的運行環節中，觸摸屏的畫面所呈現的數據都經由觸摸屏自動向PLC內部發送相關數據請求，并最終實現對于數據信號的接收，而觸摸鍵的操作從輸入口令到觸摸屏自動輸送到PLC之間，形成了一個系統性的循環通信功能，在整個環節中并不需要單獨對程序進行編寫，就可以做到數據之間的發送與接收，不但有效簡化了程序設計的復雜性，而且也提高了數據傳輸的通訊效果。與此同時，隨著各項通訊參數的科學設置，傳送速率與數據長度要調整到標準化的范圍中，這樣就會促使觸摸屏與PLC形成融合的人機界面控制系統。

5 結束語

綜上所述，在如今新時期的發展過程中，各項工業生產運行都開始注重自動化、一體化的運行模式，而隨著PLC可編程邏輯控制器應用以來，雖然能夠實現多元化的工業控制目的，但是仍然存在很多缺陷性的問題。不過，隨著PLC與人機界面控制系統的相互結合，標準化的設計與研究能夠有效填補PLC單方面作業時的缺陷。