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人机接口应用实务

2019-05-24 11:32编辑:admin人气:


1 概论

  人机接口(human machine interface,hmi)或称为操作者接口(operator interface,oi),泛指使用者可以经由图形监控软件在pc或通用型人机接口上,以文字、数字或图形的方式来显示系统的制程或机械的状态、警报及其它相关讯息。

  早期的人机接口是简单的机械状态指示灯,诸如:电源投入、马达运转、停止或过载等,只需要少数的按钮、开关搭配各种颜色、大小和外形的指示灯,即可经济有效地显示出机械的运作状态。较为复杂的控制系统,除了简易的机械状态指示灯之外,有时尚需辅以一行或两行的文字/数字型式之平面式显示屏作为辅助说明。之后逐渐进展到搭配各种商业化的单色/彩色屏幕,并使用条状图(barchart)、趋势图(trend)等多元化的讯息及图形显示等方式来展现系统或机械的状态。当遭遇到相当庞大而且复杂的制程控制时,工业级计算机终端机则可提供最具弹性且功能强大的窗口以及先进的计算功能,因此可以在同一时间内提供精确的输入/输出信息及系统制程或机械的状态。

 目前的工业级人机界面,大多数为一种智能型的图形显示屏,它是专为plc应用而设计的小型工作站,能取代大部分的外部输入及输出组件,省却了人工配线、材料及工时,此外亦能将plc接点变化、数值数据等,以多元化的文字、数字及图形,实时显示于lcd屏幕上,使系统制程或机械操控更加自动化、人性化,因此工业级人机界面已广泛应用于分布式(dcs)控制系统中之单机或整厂监控。

2 通用型人机接口图形监控

  2.1 plc图形监控技术

  广义的图形监控,意指适当的设计或发展一亲和性的人机接口,以操控或显示系统的制程和机械状态。plc图形监控技术,大致上可分为下列几种:

  2.1.1通用型的人机接口

  主要在于选购一通用型的人机接口(硬件),并配合其附属的图控软件,在pc上进行图控画面的编辑和设计,经过编译成执行档后下载至人机接口,之后由人机接口与plc进行联机监控。

  2.1.2pc/ipc图形监控

  pc/ipc之图形监控,可分为下列两种模式:

  (1)套装式人机接口图控软件

  选购一合适的套装式人机接口图控软件,在一般pc/ipc上进行图控画面的编辑、编译及除错,之后经由图控软件本身所提供之各plc驱动程序,由pc/ipc直接与plc作联机监控。

  (2)自行发展人机接口图控软件

  利用现有的程序语言,诸如:visual basic(vb)、foxpro、delphi、turboc、labview之类的程序语言,在pc上自行设计、发展所需的i/o接口及图控画面,进行pc/ipc与plc之联机监控。

  一般而言,通用型人机接口厂商随机(产品)发行的使用说明书,大致上是针对硬体规格、特性及软体各功能选项作条文式叙述,因此较不利于user的学习。有鉴于plc在产业自动化中占有举足轻重的地位,且在plc的图形监控技术中,以使用通用型人机接口搭配其附属的套装式图控软件,在图控设计上较为简易。对于欠缺程序语言设计知识及经验的使用者而言,可以在很短的时间内学会图控软件的操作,进而规划所需的监控画面,因此本专栏拟就人机接口图形监控等应用实务作一简介。

  2.2 通用型人机接口_hitech

  市售通用型人机接口为数很多,在此暂以hitech之触控式工业级人机接口作一介绍,其硬件称为pws,可联机监控各知名厂牌之plc,诸如:ab、ge、mitsubishi、omron、siematic、vigor等。至于搭配pws使用之操作软件,则称之为adp(application development program)。

  2.2.1 adp模拟方式

  adp支持2种模拟方式,一为离线模拟,另一为在线仿真,adp仿真示意图分别如图1及图2所示。离线模拟时不接plc,在线模拟主要是利用pc的rs-232通讯接口,提供设计者将应用程序仿真成实际的人机接口环境,并透过plc?pc的通讯线及监控程序,使pc可以读取或写入与画面组件相关之plc信号接点或缓存器数值,进而完整的表达出设计者欲在人机接口上所展现的图形监控结果。

  2.2.2 联机监控

  plc_pws联机监控示意图如图3所示,联机监控可分为2部份:

  (1)下载连接:adp经过编译及除错后之执行档,由pc下载至人机接口硬件-pws。

  (2)通讯连接:pws可以读取或写入与画面组件相关之plc信号接点或缓存器数值,并实时以多元化的文字、数字及图形显示于智能型的lcd图形显示屏上,使操作者能经由人机接口屏幕清楚的知道机械状态,并经由屏幕所提供之触控键控制其动作,达成人机接口图形监控的最终目的。

3 人机接口图形监控应用实务

  3.1 取代外部输入/输出组件及简化程序设计

  工业级人机接口,能取代大部分的外部输入及输出组件,省却了人工配线、材料及工时,并可以简化程序设计。在此以常用之组件为例,说明其等效之输入/输出组件及指令。

图3 plc_pws连线监控示意图

  组件\按钮

  (1)设on=set,(2)设off=rst,(3)保持型按钮=pb,(4)交替型按钮=sw,(5)设常数值= mov kn d20,(6)加值=add d20 kn d20,(7)减值=sub d20 kn d20。

  组件\指示灯

  各种颜色、大小和外形之指示灯。

  组件\数值输入

  (1)10进制按键=tky x0 d100 m0,(2)定时器/计数器之间接设定值=mov kn d20,(3)16进制按键=hky x0 y0 d100 m0,(4)指拨开关=dsw x10 y10 d100 k1,(5)数据缓存器设定值=mov kn d20。

  组件\数值显示

  (1)七段显示器=segl d101 y0 kn (0~3),(2)定时器/计数器现在值,(3)数据缓存器内容值。

  3.2 人机接口图形监控应用范例

图4 计时控制电路

  【例1】基本指令之图形监控

  (1)某计时控制电路如图4所示,t0、t2为一般型定时器,t250为停电保持型定时器。定时器设定值:t0、t250为直接设定,t2则透过d20作间接设定。

  (2)适当选用adp组件,设计一般型与停电保持型定时器之图形监控画面如图5所示,组件设置及格式如表1所示。

图5 计时控制电路之图形监控

表1 计时控制电路组件设置及格式


  【例2】plc阶梯图或sfc之图形监控

  (1)plc一般阶梯图、机械状态流程图(msc)或顺序功能流程图(sfc),均可执行相关的人机接口图形监控。

  (2)某单向十字路口红绿灯控制电路之sfc如图6所示,其图形监控画面如图7所示,组件设置及格式如表2所示。

图6 单向十字路口红绿灯sfc

表2 监控组件设置及格式

  【例3】plc数值表示及其图形监控

  (1)plc内部之数值运算或储存全部采用二进制数值,无论是16位或32位之数值,均以其最高位msb(b15 or b31)表示该数值之正负,剩下之位(b14~b0或b30~b0)才真正用以表示数值大小。当msb为1,则此数为负数,plc之负数系以2的补码(2`s complement)来表示。所谓2的补码,系将等值正数之所有位(b15~b0或b31~b0)反相(1变0,0变1,亦即所谓1的补码),然后再加上1,即变成2的补码。

  (2)初学习者对上述plc数值表示之文字解说,往往是丈二金刚摸不着头绪,故在此设计一plc数值表示及图形监控画面如图8所示,其中之阶梯图程序可经由绘图菜单选项中之垂直线及水平线加以绘制,辅以静态文字标示出组件接点编号及应用指令。经由数值输入及状态指示灯等组件设计及配置,即可让初学者对plc数值、应用指令操作数中之位缓存器(kny0)及负数表示方式等有更进一步的认识和了解。组件设置及格式如表3所示。


表3 plc数值表示及图形监控组件设置及格式


【例4】功能或应用指令之图形监控

  plc的功能或应用指令,是由应用指令及操作数所构成,其中之来源[s]或目的[s]操作数处理的对象大部分是位缓存器或16/32位的数据缓存器。但是一般的使用手册对应用指令的解说,都偏向于文字的叙述,对初学者而言,可能看完之后还是懵懵懂懂。作者在从事plc应用指令的教学及实习时,适度的设计了一些相关的图形监控画面,发现不但可以提高学习的兴趣,另一方面也提升了学习的成效。

图7 单向十字路口红绿灯之图形监控

图8 plc数值表示及图形监控


  (1)针对【例2】图8中之图形监控画面,稍为增添或删除一些组件,即可验证其它应用指令的含义,例如:数据传送(12_mov)、数据反相传送(14_cml)、加1(24_inc)、减1(25_dec)、补码(29_neg)、右/左旋转(30_ror/31_rol)、位右/左移位(34_sftr/35_sftl)、译码/编码(41_deco/42_enco)、on位数总和(43_sum)及指定位状态检查(44_bon)等指令。

  (2)此外也可就数据缓存器的相关指令,设置适当的数值输入及数值显示组件,外加一些条件接点按钮,即可增进对四则运算:整数型加法(20_add)、减法(21_sub)、乘法(22_mul)、除法(23_div)、位缓存器写入/读取(38_sfwr/39_sfrd)、平均值(45_mean)及万年历的读取/写入(166_trd/167_twrs) 等指令的认识与了解。

  【例5】应用指令执行模式之图形监控

图9 应用指令执行模式

  (1)如图9所示之应用指令连续执行及脉波(p)执行[执行1次]模式,在解说时往往要费一番口舌,并需经由程序书写器监看lcd画面或外接之七段显示器,方才能了解其含义。

  (2)设计一人机接口图形监控画面如图10所示,透过数值显示组件监看数据缓存器内容之变化,进而了解或验证应用指令之连续执行及脉波执行的模式及其实际意义。组件设置及格式如表4所示。

图10 应用指令执行模式之图形监控

表4 指令执行模式之图形监控组件设置及格式

  【例6】控制系统或制程之图形监控_水冷式箱型冷气控制

  (1)某水冷式箱型冷气控制系统,有两种操控运转方式:手动及自动操作,动作时序如图11所示:

图11 动作时序图

  (2)手动操控有3个运转按钮,分别为:冷却系统[x3]、送风[x4]及压缩机[x5];自动操控祇有自动运转开始[x2]1个按钮。无论手动或自动方式操控运转,启动程序如下:①先行启动冷却系统,泵[y13]及冷却水塔[y14]之电动机运转,同时冷却系统指示灯[y3]亮;②之后启动送风系统,冷凝器电动机[y12]加入运转,送风指示灯[y2]亮;③最后压缩机[y11]加入运转,压缩机指示灯[y1]亮。

  (3)无论手动或自动方式操控运转,都以自动停机按钮[x1]来执行关机操作:①压缩机先停止运转;②5秒后冷凝器电动机停止运转;③10秒后,泵及冷却水塔电动机停止运转。

  (4)运转中按下紧急停止(ems)开关[x6],全部电动机应立即停止运转;待ems解除栓锁后,才能恢复正常操作。

  (5)plc程序设计因篇幅关系在此从略,您可尝试依先前『浅谈结构化程序设计』文中所述程序设计方法加以编辑程序。依照题意中之i/0组件编号,设计此一水冷式箱型冷气控制之人机监控画面如图12所示,组件设置及格式如表5所示。

图12 水冷式箱型冷气控制系统之图形监控


表5 冷气控制之人机监控组件设置及格式

4 结论

  今日的产业机械和制程控制日趋快速、精确,而更多的操作则趋向于详细的制程或状态之图形显示。专为plc应用而设计工业级人机界面,能取代外部输入/输出组件及简化程序设计,省却了人工配线、材料及工时,此外亦能将plc接点变化、数值数据等,以多元化的文字、数字及图形,实时显示于lcd屏幕上,使机械操作更加自动化、人性化,不但提升了产业机械本身的功能及附加价值,也产生了精致的机械和控制文化。

  作者在从事plc的教学及实习时,适当的设计了一些与基本指令及应用指令等相关的图形监控画面,发现不但可以提高学习的兴趣,另一方面也提升了学习的成效。本文针对hitech通用型工业级人机界面(pws)及其图形监控软件(adp)作一系统介绍,虽然人机接口及其图形监控软件随各厂牌、机种而异,但各厂牌人机接口在执行图形监控时,规划监控画面所需之基本组件(objects or parts),诸如:按钮、开关、指示灯、数值输入及数值显示...等组件则大同小异。因此文中所提及之实习范例,其它厂牌或机种之plc或人机接口亦可适用,因plc程序设计及人机接口图形监控等基本规划理念,一般而言并无多大差异。

(来源:未知)

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