1 引言

　　隨著現代電力電子技術和微電子技術的迅猛發展，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，控制參數較多的工控系統來說，具備交互式操作界面、數據列表、報警記錄和打印等功能已成為整個控制系統中重要的內容。而新一代工業人機界面的出現，對于在構建高壓變頻器監控系統時，實現上述功能，提供了一種簡便可行的途徑。

　　工業人機界面（human machineinterface），簡稱hmi，又稱觸摸屏監控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。工業人機界面由特殊設計的計算機系統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生變化并由軟件計算出觸摸位置。新一代工業人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數據進行處理、數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軟件mcgs為開發平臺的hmi在高壓變頻器監控系統中的應用。

2 mcgs組態軟件介紹

　　mcgs（monitor and control generatedsystem）是一套基于windows95/98/nt操作系統（或更高版本），可用來快速構造和生成各種監控系統的組態軟件系統，它為用戶提供了從設備驅動、數據采集到數據處理、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組態軟件具有多任務、多線程功能，其系統框架采用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復雜的軟硬件問題，就可組態出高性能、高可靠性、高度專業化的監控系統。

　?。?）真正的32位多任務應用系統

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

　?。?）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軟件就可快速組態完成工程項目的大多數工作，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中，配置簡單、速度快、可靠性高。

　?。?）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控系統和管理系統。提供4級安全保密機制。

　　（5）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。

　?。?）組態軟件與設備無關

　　在mcgs組態軟件中，設備被實現成獨立的構件形式，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，而系統的其它部分和設備無關，不需作任何改動。

　?。?）豐富和方便的動畫組態

　　能快速構造出各種復雜的動畫畫面。圖元圖符對象可實現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。

　　（8）運行策略

　　用運行策略來完成和實現對系統運行流程的自由控制，使系統能夠按照設定的順序和條件來操作實時數據庫、控制用戶窗口的顯示、關閉和設備構件的工作狀態，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更加快捷方便。

　?。?） 充分利用數據庫技術

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

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

3 變頻器監控系統的硬件組成

　　變頻器監控系統主要由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作為監控中心，將變頻器所有的運行數據和參數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據的記錄報表、統計報表等。

　　各部分說明如下。

　　（1）變頻控制柜，是整個系統的控制核心，具有高可靠性、低噪聲、高節能、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，可實現對plc設備的實時控制與指示。

　?。?） 人機界面采用北京昆侖通態的tpc1063e，彩色10.4in。

　?。?） rs-485串行通信方式，rs-485采用平衡發送接收方式，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連線監控能力，適于在惡劣的工業環境中應用，可代替普通工控計算機。其主要特點有：

　?。?）畫面容量大，畫面規劃簡單；

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

　?。?）交互性好，抗干擾能力強，通信可靠性高；

　?。?）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，實時顯示設備狀態或系統的操作指示信息；

　?。?） 人機界面上的觸摸按鍵可產生相應的開關信號，或輸入數值、字符給plc等設備進行數據交換，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、數字、圖形、字符串、警報信息、動作流程、統計資料、歷史記錄、趨勢圖、簡易報表等；

　?。?） 支持密碼和用戶程序保護功能。

　　4.3 人機界面的畫面設計

　　本系統人機界面所有畫面均由mcgs全中文組態軟件進行設計，有主畫面、參數設定、曲線畫面、歷史數據、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，從而實現了對變頻器的操作以及變頻器狀態的顯示。plc讀人機界面狀態顯示區中的數據，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 系統的組態

　　具體組態過程如下：

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

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

　?。?）實時數據庫組態：工程組態各數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的實時數據庫窗口中對創建數據對象的基本屬性、存盤屬性、報警屬性等進行定義和設置。

　　（4）設備構件組態：這是連接和驅動外部設備的工作環境。在本窗口內配置數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，輸入通道和實時數據庫中的數據對象連接起來；添加虛擬通道，用于連接可在線調整的系統參數；在數據處理窗口，設置數據處理方法，如濾波、工程轉換（即把采集進來的數據或輸出的數據轉換為具有實際意義的工程數據），即通過在設備窗口中對數據的預處理便可得到所需要的數據類型。

　　（5）運行策略組態：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。由于該系統側重于現場數據的時實監控和統計查詢功能，根據系統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、存盤數據提取構件等，以實現所需的功能。

　　4.3.2 變頻系統監控功能的實現及效果

　　圖2示出變頻器監控系統的組成框圖。

　　軟件組態部分完成監控系統與操作人員間的交互界面，是實現對整個系統的監視、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視、系統參數設置的主界面，另一部分是用于指示、管理非日常監視信息，如各種報表、曲線及趨勢圖、歷史記錄等的子界面。

　?。?） 主控窗口

　　組態軟件運行后，點擊公司信息圖片后，即進入變頻器系統監控主界面。在主界面的上方有一排指示燈，用于指示變頻器系統狀態，左下方有一個報警描述狀態欄，用于顯示變頻器當前所有報警信息，右側的數據顯示欄用于顯示頻率、定子電壓、定子電流、壓力等實時數據，并可實時監控設備工作狀態，實現全生產過程實時管理。高壓變頻器運行狀態十分重要，而監控系統的建立為管理部門提供的實時動態信息，能有效地幫助值班人員及時了解設備工作狀態。

　　在主畫面的最下方有四個按鈕可用來顯示本監控系統的其他功能：系統參數設置、實時曲線顯示、歷史數據列表、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。

　?。?） 參數設置功能

　　當按下參數設置按鈕后，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人員誤操作。該畫面主要用于設置變頻裝置的所有參數，操作人員可以按“參數表”按鈕，來查看相應參數的具體用途。

　　（3） 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。它能對指定的各監控量進行自動檢測，包括反映實時運行狀態的電流、電壓、頻率、功率因數等各種數據畫面，方便地提供了指定參數的實時監測曲線。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模型，可以及早報告故障隱患。

　?。?） 歷史數據列表功能

　　按下歷史數據按鈕后，進入歷史數據表格，其畫面如圖6所示。歷史數據列表功能可對指定的監控量進行自動檢測、自動存儲，并可將各個不同類型的數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據記錄。方便地解決了現場定時數據抄寫、維護及繁瑣的數據處理工作，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控系統的故障報警情況。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工控組態軟件為核心的監控系統，具有界面友好，易于操作，運行可靠，便于更改、擴充、升級等優點，同時，系統造價也遠低于進口同類設備，具有較高的性價比。采用組態軟件進行工業控制是現代化工業的一個發展方向。

　　本系統不僅實現了對高壓變頻器各參數的在線實時監測與控制，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測，規范了職工行為。對高壓變頻器實現了系統化管理，提高了變頻設備運轉的可靠性，保證了現場的安全運行。