人機界面在智能化可控硅整流裝置中的應用

1 系統組成與工作原理

1.1??系統組成

系統由5部分組成：變送器、PLC主機、模擬量輸入輸出模塊、觸摸屏、可控硅整流部分等組成，系統控制結構如圖1所示。在控制部分，選用SIEMENS 的S7-200 PLC 對采樣信號進行快速、可靠的處理，編程軟件為STEP 7-MicroWIN 32 V3.2；選用SIEMENS 的TP270B觸摸式人機界面（HMI）對實時溫度值和各種故障信息進行顯示、記錄，組態軟件為SIMATIC Pro-Tool V6.0。HMI 和PLC 之間采用MPI（ 多點）通訊方式，通過對HMI 畫面上所設元件屬性和與PLC 的數據交換地址的定義，實現HMI 上相關元件對應的暫存器對PLC 存儲單元的讀寫。


圖1 系統控制結構


1.2??工作原理

可控硅整流輸出直流電壓，0～45V連續可調；輸出直流電流，0～1600A連續可調。由傳感器對主路硅元件的溫度進行采樣，所測溫度信號經放大和A/ D 轉換后送PLC，利用軟件進行數據處理，處理后的數據送HMI進行實時顯示。在HMI 上設置超溫報警及超溫跳閘溫度限定值。當主路硅元件溫度過高，超過限定值時，PLC 將輸出超溫報警信號和超溫跳閘信號，并在HMI 上顯示出具體信息。同時對勵磁線圈的電流和電壓進行精確的PI控制，可在HMI上設定PI算法的參數值。該系統中的數據采集處理、風機運行和故障報警由PLC 和HMI 通過編制相應的軟件來完成。

2 系統的軟件設計

SIMATIC ProTool 是西門子公司推出的HMI組態軟件，該軟件由2 部分組成： ProToolCS（組態系統）和用于過程可視化的ProTool RT（運行系統）。該軟件具有報警記錄、報表打印、趨勢曲線等多種功能，并支持除Siemens之外的第三方制造商的通訊協議。本系統在其基礎上進行了畫面設計、通訊組態、報警設置、安全保護設計等一系列應用開發。

2.1 觸摸屏畫面設計

觸摸屏畫面設計不僅要求能實現所有的控制功能（輸入及顯示參數、存儲紀錄、報警等），而且要簡單明了，易于操作人員正確的執行操作。考慮系統所需監控的過程變量和實際功能，共組態了5 組畫面，下面介紹幾個基本畫面。

⑴主畫面

設計的監控主畫面的最上部是勵磁電流實時顯示曲線，其下是兩個實時顯示勵磁電流、電壓數值的顯示框。還有電流數值設定的輸入框，當手按在這個位置時，可彈出數字選項框，方便對電流設定值的輸入。該框的右邊有兩個微調健，每按動一下，可以進行加1或減1的操作。在主控界面的下部是設備運行狀態顯示框，該位置可實時顯示系統的狀態（系統的開、關、有無故障等信息）。監控主畫面的右下角是功能選擇彈出菜單，主要由工作狀態欄、參數設定欄、報警記錄欄等組成。如圖2 所示。

（2）溫度、電流、電壓實時顯示

顯示時，觸摸屏在每個時間單位（時鐘脈沖）內一次只從PLC 讀取一個數字值，并添加至操作單元上顯示所對應的物理量值。該程序中組態3 組實時數據，每組顯示硅主元件的溫度、勵磁電流及電壓3 個模擬量。

⑶參數設定

在本畫面中，操作員可以對風機的自動啟/ 停溫度，硅主元件超溫報警溫度和超溫跳閘溫度以及過流值、過壓值進行設定，調整。具有最高級權限的操作員還可對PID算法中的參數（）進行設定,這樣可以很方便的對系統進行在線的參數整定.

⑷故障記錄

每當有報警信號產生，都會在觸摸屏界面上彈出報警消息窗口，同時報警燈閃爍。將報警消息進行歸檔，再創建一畫面組態消息視圖，就可保存并顯示系統運行以來的所有報警消息。提示報警號，報警產生的日期、時間，報警產生的原因，以及是否確認等信息。

2.2 安全保護設計

ProTool 允許用戶使用口令來阻止其他未授權人員使用控件，從而增加系統的安全性。ProTool 提供的口令級別從0 到9。口令級0 不需輸入口令；口令級1至8，根據功能的重要性進行分配；口令級9 僅授權于系統管理員。針對安全管理和操作的需要，該系統中定義了系統管理員級即9 級和操作員1 級兩級口令。對PID參數設定需使用系統管理員級口令，其他操作，如溫度報警極限、開機軟啟動時間等，也要先輸入口令進行登陸。輸入口令，觸摸“ 登陸”按鈕，再觸摸其他功能按鈕，便可進入等于或低于該口令級別的子畫面。子畫面操作完畢返回主畫面后，觸摸“退出”按鈕，則口令失效，再次進入子畫面需重新輸入口令。若沒有觸摸“ 退出”按鈕，系統將在1min 后自動撤銷口令。


圖2: 監控主畫面


2.3 人機界面與PLC 之間的通訊

西門子人機界面與PLC之間的通訊方式有3 種： PPI（點到點）通訊方式，MPI（多點）通訊方式和PROFIBUS-DP 通訊方式。

該系統中采用MPI（多點）通訊方式。由于MPI 接口是RS485 結構，PLC 與人機界面之間通過RS485 線相連，其傳輸速率為187.5k 波特率。一個MPI 網可以有多個網絡節點，其地址是在S7-200 硬件組態中設置的。該系統中人機界面的MPI 地址為“1”；CPU 的MPI 地址為“2”。人機界面與過程之間通過PLC 利用變量進行通訊。通常在PLC 和操作單元之間交換的數據為過程數據。為此在組態中創建指向PLC 上某個地址的變量。觸摸屏從指定的地址中讀取該數值并顯示它。同樣的，操作員可以在觸摸屏上輸入將被寫入PLC 上某個地址的數據。

3??結束語

1600A／45V智能化可控硅整流裝置中將PLC 和觸摸顯示屏結合在一起，并采用PLC 和觸摸屏的相應軟件對各采樣值進行控制、處理，在溫度、電流、電壓的實時顯示、數據記錄、報警等方面具有很大的優越性。操作人員不僅能方便的觀察和掌握該裝置的實時運行溫度，還可根據報警消息，快速的排除故障；借助歷史記錄，管理人員還可對重要數據進行分析、查詢，可大大提高運行管理水平。目前該裝置已在贛州市金環磁選設備有限公司得到應用。