1 引言

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，自動化、智能化程度的不斷提高，高壓大功率變頻調速裝置的應用已經非常普遍，同時由于高壓變頻器幾乎都是工礦企業(yè)的關鍵設備，在工廠自動化中占有舉足輕重的地位，因此對其控制功能、控制水平的要求也越來越高，尤其對于那些工藝過程較復雜，控制參數(shù)較多的工控系統(tǒng)來說，具備交互式操作界面、數(shù)據列表、報警記錄和打印等功能已成為整個控制系統(tǒng)中重要的內容。而新一代工業(yè)人機界面的出現(xiàn)，對于在構建高壓變頻器監(jiān)控系統(tǒng)時，實現(xiàn)上述功能，提供了一種簡便可行的途徑。

　　工業(yè)人機界面（human machineinterface），簡稱hmi，又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。工業(yè)人機界面由特殊設計的計算機系統(tǒng)32位risccpu芯片為核心，在stn、tft液晶顯示屏上罩蓋有透明的電阻網絡式觸摸屏，觸動屏幕時，電阻網絡上的電阻和電壓發(fā)生變化并由軟件計算出觸摸位置。新一代工業(yè)人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數(shù)據進行處理、數(shù)據登錄及配方等智能化控制功能。

　　下面就介紹了以工控組態(tài)軟件mcgs為開發(fā)平臺的hmi在高壓變頻器監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。

2 mcgs組態(tài)軟件介紹

　　mcgs（monitor and control generatedsystem）是一套基于windows95/98/nt操作系統(tǒng)（或更高版本），可用來快速構造和生成各種監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設備驅動、數(shù)據采集到數(shù)據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。mcgs組態(tài)軟件具有多任務、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用vc++語言編程，通過ole技術向用戶提供vb編程接口，提供豐富的設備驅動構件、動畫構件、策略構件，用戶可隨時方便地擴充系統(tǒng)的功能。

　　mcgs的主要特性如下：

　?。?）概念簡單，易于理解和使用

　　普通工程人員經過短時間的培訓就能正確掌握、快速完成大多數(shù)簡單的工程項目，使其能集中精力解決工程本身的問題，而不需了解太多的計算機系統(tǒng)復雜的軟硬件問題，就可組態(tài)出高性能、高可靠性、高度專業(yè)化的監(jiān)控系統(tǒng)。

　?。?）真正的32位多任務應用系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)支持windows的多任務技術，有效地優(yōu)化了計算機資源，打印任務作為一個獨立工作而運行于后臺，實現(xiàn)多任務的并行處理。

　　（3）提供豐富的設備驅動程序

　　提供足夠多的功能組件和豐富的常用圖形庫，真正做到只使用組態(tài)軟件就可快速組態(tài)完成工程項目的大多數(shù)工作，而對使用者沒有太苛刻的要求。通過activedll把設備驅動掛接在系統(tǒng)中，配置簡單、速度快、可靠性高。

　　（4）提供強大的網絡功能

　　mcgs強大的網絡功能可把tcp/ip網、485/422網、modem網結合在一起構成大型的監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。提供4級安全保密機制。

　?。?）提供開放的ole接口

　　mcgs是以ole自動化技術為基礎的開放式擴充接口，允許用戶使用vb來快速編制各種設備驅動構件、動畫構件和各種策略構件，通過ole接口，用戶可以方便地定制自己特定的系統(tǒng)。

　?。?）組態(tài)軟件與設備無關

　　在mcgs組態(tài)軟件中，設備被實現(xiàn)成獨立的構件形式，不同的設備對應于不同的構件。設備構件不僅僅包括設備驅動程序，還有不同的方法和屬性供系統(tǒng)調用，每個設備構件都由一個獨立的線程來管理。對不同的外部硬件設備，只需提供相應的設備構件，而系統(tǒng)的其它部分和設備無關，不需作任何改動。

　　（7）豐富和方便的動畫組態(tài)

　　能快速構造出各種復雜的動畫畫面。圖元圖符對象可實現(xiàn)自由構圖和定義動畫，包括顏色、位置、大小、可見度、閃爍、輸入輸出、按鈕動作等多種動畫效果。動畫構件對象完成特定類型的動畫功能，如：實時曲線構件、歷史曲線構件、報警顯示構件、自由表格構件等。

　?。?）運行策略

　　用運行策略來完成和實現(xiàn)對系統(tǒng)運行流程的自由控制，使系統(tǒng)能夠按照設定的順序和條件來操作實時數(shù)據庫、控制用戶窗口的顯示、關閉和設備構件的工作狀態(tài)，從而做到對對象工作過程的精確控制。圖形化的構造方法和功能強大的策略構件使運行策略的組態(tài)更加快捷方便。

　　（9） 充分利用數(shù)據庫技術

　　mcgs組態(tài)軟件中數(shù)據的存儲不再使用普通的文件，而是用數(shù)據庫來管理一切。組態(tài)時，系統(tǒng)生成的組態(tài)結果是一個數(shù)據庫；運行時，數(shù)據對象、報警信息的存儲也是一個數(shù)據庫。利用數(shù)據庫來保存數(shù)據和處理數(shù)據，提高了系統(tǒng)的可靠性和運行效率，同時，也使其它應用軟件系統(tǒng)能直接處理數(shù)據庫中的存盤數(shù)據。

　?。?0）出于保護企業(yè)數(shù)據的考慮，mcgs很好地解決了授權及安全性問題。依據系統(tǒng)的授權，用戶被允許或禁止對系統(tǒng)進行操作，允許或禁止對數(shù)據進行訪問。mcgs在確保安全的情況下可以對多個系統(tǒng)模塊進行安全授權。mcgs工控組態(tài)軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分，用戶所有的組態(tài)配置過程都是在組態(tài)環(huán)境中進行的，用戶組態(tài)后可生成一個“組態(tài)結果數(shù)據庫”的文件。mcgs的運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它能按照“組態(tài)結果數(shù)據庫”中的組態(tài)方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。mcgs軟件的組成如圖1所示。

3 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

　　變頻器監(jiān)控系統(tǒng)主要由hmi、打印機、變頻控制柜（主要包括模擬量輸入輸出模塊、開關量輸入輸出模塊、光纖觸發(fā)模塊、ups電源和一些通訊電纜等）、plc組成，其畫面如圖2

　　所示。hmi作為監(jiān)控中心，將變頻器所有的運行數(shù)據和參數(shù)利用串行口通訊方式（rs-485），經屏蔽雙絞線送到hmi中，在人機界面上進行實時顯示；hmi也可下達指令來控制變頻器的啟動、停止、復位等。這樣就完成了對所有數(shù)據的采集傳輸及命令傳送，同時，也可完成管理級功能，如局域網的管理任務、形成管理部門所需數(shù)據的記錄報表、統(tǒng)計報表等。

　　各部分說明如下。

　?。?）變頻控制柜，是整個系統(tǒng)的控制核心，具有高可靠性、低噪聲、高節(jié)能、保護功能完善，內建rs-485串行通信接口，且rs-485串行通信協(xié)議對用戶公開等特點。

　　（2）plc作為輔助控制單元，也是比較重要的部分，選用西門子s7-200。利用其通信指令編寫程序，然后下載到plc，把它和hmi串行通信接口相連接，可實現(xiàn)對plc設備的實時控制與指示。

　　（3） 人機界面采用北京昆侖通態(tài)的tpc1063e，彩色10.4in。

　?。?） rs-485串行通信方式，rs-485采用平衡發(fā)送接收方式，它具有傳輸距離長、抗干擾能力強和多站能力的優(yōu)點。

4 人機界面的特點功能與畫面設計

　　4.1 人機界面的特點

　　人機界面是新一代高科技可編程終端，具備與各品牌plc連線監(jiān)控能力，適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應用，可代替普通工控計算機。其主要特點有：

　　（1）畫面容量大，畫面規(guī)劃簡單；

　?。?）全中文操作軟件，適用于windows95/98/nt等環(huán)境，指令豐富，編程簡單；

　　（3）交互性好，抗干擾能力強，通信可靠性高；

　　（4）自動化程度高，操作簡單方便、故障率低、壽命長、維修量少。

　　4.2 人機界面的主要功能

　?。?） 設計者可根據需要編輯出各種畫面，實時顯示設備狀態(tài)或系統(tǒng)的操作指示信息；

　?。?） 人機界面上的觸摸按鍵可產生相應的開關信號，或輸入數(shù)值、字符給plc等設備進行數(shù)據交換，從而產生相應的動作，控制設備的運行；

　　（3） 可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示文字、數(shù)字、圖形、字符串、警報信息、動作流程、統(tǒng)計資料、歷史記錄、趨勢圖、簡易報表等；

　　（4） 支持密碼和用戶程序保護功能。

　　4.3 人機界面的畫面設計

　　本系統(tǒng)人機界面所有畫面均由mcgs全中文組態(tài)軟件進行設計，有主畫面、參數(shù)設定、曲線畫面、歷史數(shù)據、報警記錄和幫助等畫面，經mcgs軟件編譯無誤后，從個人電腦中下載到人機界面即可使用。人機界面與變頻控制柜之間通過rs-232方式進行連接，與plc之間通過rs-485方式進行連接。由控制柜對人機界面進行讀寫操作，從而實現(xiàn)了對變頻器的操作以及變頻器狀態(tài)的顯示。plc讀人機界面狀態(tài)顯示區(qū)中的數(shù)據，得到當前設備運行和報警的情況，從而做出相應的處理。

　　4.3.1 系統(tǒng)的組態(tài)

　　具體組態(tài)過程如下：

　?。?） 用戶窗口組態(tài)：設置工程的人機交互界面，如系統(tǒng)的主控界面、動畫、報表、趨勢曲線等。

　?。?）主控窗口組態(tài)：本窗口為工程主窗口。用戶窗口組態(tài)完成后，在主控窗口中，通過對系統(tǒng)菜單和參數(shù)的定義和設置來調度、管理用戶窗口的打開或關閉。

　?。?）實時數(shù)據庫組態(tài)：工程組態(tài)各數(shù)據交換處理的核心部分，將mcgs的各部分有機地連成一體。根據設計的要求，在mcgs的實時數(shù)據庫窗口中對創(chuàng)建數(shù)據對象的基本屬性、存盤屬性、報警屬性等進行定義和設置。

　?。?）設備構件組態(tài)：這是連接和驅動外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內配置數(shù)據采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數(shù)據變量。在基本屬性中設置plc的地址和通信方式等；在通道連接窗口中，輸入通道和實時數(shù)據庫中的數(shù)據對象連接起來；添加虛擬通道，用于連接可在線調整的系統(tǒng)參數(shù)；在數(shù)據處理窗口，設置數(shù)據處理方法，如濾波、工程轉換（即把采集進來的數(shù)據或輸出的數(shù)據轉換為具有實際意義的工程數(shù)據），即通過在設備窗口中對數(shù)據的預處理便可得到所需要的數(shù)據類型。

　?。?）運行策略組態(tài)：完成工程運行流程的控制。根據運行策略的不同作用和功能，mcgs把運行策略分為啟動策略、退出策略、循環(huán)策略、用戶策略、報警策略、事件策略、熱鍵策略共7種，每種策略都由一系列功能模塊組成。由于該系統(tǒng)側重于現(xiàn)場數(shù)據的時實監(jiān)控和統(tǒng)計查詢功能，根據系統(tǒng)的控制流程和操作處理，在mcgs的運行策略窗口中，對以上運行策略分別進行組態(tài)設置，如在用戶策略中，利用策略工具箱添加腳本構件、存盤數(shù)據提取構件等，以實現(xiàn)所需的功能。

　　4.3.2 變頻系統(tǒng)監(jiān)控功能的實現(xiàn)及效果

　　圖2示出變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖。

　　軟件組態(tài)部分完成監(jiān)控系統(tǒng)與操作人員間的交互界面，是實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、調度和管理的核心。人機界面分為兩部分，一部分是用于日常監(jiān)視、系統(tǒng)參數(shù)設置的主界面，另一部分是用于指示、管理非日常監(jiān)視信息，如各種報表、曲線及趨勢圖、歷史記錄等的子界面。

　?。?） 主控窗口

　　組態(tài)軟件運行后，點擊公司信息圖片后，即進入變頻器系統(tǒng)監(jiān)控主界面。在主界面的上方有一排指示燈，用于指示變頻器系統(tǒng)狀態(tài)，左下方有一個報警描述狀態(tài)欄，用于顯示變頻器當前所有報警信息，右側的數(shù)據顯示欄用于顯示頻率、定子電壓、定子電流、壓力等實時數(shù)據，并可實時監(jiān)控設備工作狀態(tài)，實現(xiàn)全生產過程實時管理。高壓變頻器運行狀態(tài)十分重要，而監(jiān)控系統(tǒng)的建立為管理部門提供的實時動態(tài)信息，能有效地幫助值班人員及時了解設備工作狀態(tài)。

　　在主畫面的最下方有四個按鈕可用來顯示本監(jiān)控系統(tǒng)的其他功能：系統(tǒng)參數(shù)設置、實時曲線顯示、歷史數(shù)據列表、報警記錄查看，當按下相應的按鈕后，即進入到其對應的畫面中。

　　其畫面如圖3所示。

　?。?） 參數(shù)設置功能

　　當按下參數(shù)設置按鈕后，會彈出用戶登錄對話框，其畫面如圖4所示。只有輸入正確的密碼才能進入該畫面進行設置，可設八組密碼，三種等級（level1，2，3），使用者等級1有最高操作權限，使用者等級3為最低操作權限，這樣可有效防止非專業(yè)人員誤操作。該畫面主要用于設置變頻裝置的所有參數(shù)，操作人員可以按“參數(shù)表”按鈕，來查看相應參數(shù)的具體用途。

　?。?） 曲線功能

　　當按下曲線按鈕后，進入曲線畫面，其畫面如圖5所示。它能對指定的各監(jiān)控量進行自動檢測，包括反映實時運行狀態(tài)的電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等各種數(shù)據畫面，方便地提供了指定參數(shù)的實時監(jiān)測曲線。通過比較當前和歷史趨勢曲線，特別是結合裝備安全運行的多參數(shù)模型，可以及早報告故障隱患。

　?。?） 歷史數(shù)據列表功能

　　按下歷史數(shù)據按鈕后，進入歷史數(shù)據表格，其畫面如圖6所示。歷史數(shù)據列表功能可對指定的監(jiān)控量進行自動檢測、自動存儲，并可將各個不同類型的數(shù)據分別顯示于多幅不同的表格上，利用選擇鍵，方便地選擇所需表格畫面，并可通過輸入具體時間來調出當時的數(shù)據記錄。方便地解決了現(xiàn)場定時數(shù)據抄寫、維護及繁瑣的數(shù)據處理工作，記錄員不必再每天花費大量的精力填寫報表，提高了企業(yè)的辦公自動化能力和管理水平，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

　?。?） 報警記錄查看列表功能

　　按下報警記錄按鈕后，可進入報警信息瀏覽表格，其畫面如圖7所示。該表格主要用于存儲監(jiān)控系統(tǒng)的故障報警情況。操作者還可通過輸入具體時間來調出當時的系統(tǒng)故障記錄，并可將該記錄進行打印處理。

5 結束語

　　以mcgs工控組態(tài)軟件為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，具有界面友好，易于操作，運行可靠，便于更改、擴充、升級等優(yōu)點，同時，系統(tǒng)造價也遠低于進口同類設備，具有較高的性價比。采用組態(tài)軟件進行工業(yè)控制是現(xiàn)代化工業(yè)的一個發(fā)展方向。

　　本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對高壓變頻器各參數(shù)的在線實時監(jiān)測與控制，而且在實際使用過程中也取得了良好效果，加強了職能部門對高壓變頻器的監(jiān)測，規(guī)范了職工行為。對高壓變頻器實現(xiàn)了系統(tǒng)化管理，提高了變頻設備運轉的可靠性，保證了現(xiàn)場的安全運行。