1 引言
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化、智能化程度的不斷提高，高壓大功率變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，同時(shí)由于高壓變頻器幾乎都是工礦企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，在工廠自動(dòng)化中占有舉足輕重的地位，因此對(duì)其控制功能、控制水平的要求也越來(lái)越高，尤其對(duì)于那些工藝過(guò)程較復(fù)雜，控制參數(shù)較多的工控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具備交互式操作界面、數(shù)據(jù)列表、報(bào)警記錄和打印等功能已成為整個(gè)控制系統(tǒng)中重要的內(nèi)容。而新一代工業(yè)人機(jī)界面的出現(xiàn)，對(duì)于在構(gòu)建高壓變頻器監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述功能，提供了一種簡(jiǎn)便可行的途徑。
工業(yè)人機(jī)界面（human machineinterface），簡(jiǎn)稱(chēng)hmi，又稱(chēng)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(jī)界面由特殊設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)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(wǎng)絡(luò)式觸摸屏，觸動(dòng)屏幕時(shí)，電阻網(wǎng)絡(luò)上的電阻和電壓發(fā)生變化并由軟件計(jì)算出觸摸位置。新一代工業(yè)人機(jī)界面還具有簡(jiǎn)單的編程、對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)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(kāi)發(fā)平臺(tái)的hmi在高壓變頻器監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)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(lái)快速構(gòu)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(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)表輸出等解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和操作工具。mcgs組態(tài)軟件具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用vc++語(yǔ)言編程，通過(guò)ole技術(shù)向用戶提供vb編程接口，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、動(dòng)畫(huà)構(gòu)件、策略構(gòu)件，用戶可隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的功能。
mcgs的主要特性如下：
（1）概念簡(jiǎn)單，易于理解和使用
普通工程人員經(jīng)過(guò)短時(shí)間的培訓(xùn)就能正確掌握、快速完成大多數(shù)簡(jiǎn)單的工程項(xiàng)目，使其能集中精力解決工程本身的問(wèn)題，而不需了解太多的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜的軟硬件問(wèn)題，就可組態(tài)出高性能、高可靠性、高度專(zhuān)業(yè)化的監(jiān)控系統(tǒng)。
（2）真正的32位多任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)
該系統(tǒng)支持windows的多任務(wù)技術(shù)，有效地優(yōu)化了計(jì)算機(jī)資源，打印任務(wù)作為一個(gè)獨(dú)立工作而運(yùn)行于后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行處理。
（3）提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
提供足夠多的功能組件和豐富的常用圖形庫(kù)，真正做到只使用組態(tài)軟件就可快速組態(tài)完成工程項(xiàng)目的大多數(shù)工作，而對(duì)使用者沒(méi)有太苛刻的要求。通過(guò)activedll把設(shè)備驅(qū)動(dòng)掛接在系統(tǒng)中，配置簡(jiǎn)單、速度快、可靠性高。
（4）提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能
mcgs強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能可把tcp/ip網(wǎng)、485/422網(wǎng)、modem網(wǎng)結(jié)合在一起構(gòu)成大型的監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。提供4級(jí)安全保密機(jī)制。
（5）提供開(kāi)放的ole接口
mcgs是以ole自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)的開(kāi)放式擴(kuò)充接口，允許用戶使用vb來(lái)快速編制各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、動(dòng)畫(huà)構(gòu)件和各種策略構(gòu)件，通過(guò)ole接口，用戶可以方便地定制自己特定的系統(tǒng)。
（6）組態(tài)軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)
在mcgs組態(tài)軟件中，設(shè)備被實(shí)現(xiàn)成獨(dú)立的構(gòu)件形式，不同的設(shè)備對(duì)應(yīng)于不同的構(gòu)件。設(shè)備構(gòu)件不僅僅包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，還有不同的方法和屬性供系統(tǒng)調(diào)用，每個(gè)設(shè)備構(gòu)件都由一個(gè)獨(dú)立的線程來(lái)管理。對(duì)不同的外部硬件設(shè)備，只需提供相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件，而系統(tǒng)的其它部分和設(shè)備無(wú)關(guān)，不需作任何改動(dòng)。
（7）豐富和方便的動(dòng)畫(huà)組態(tài)
能快速構(gòu)造出各種復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)畫(huà)面。圖元圖符對(duì)象可實(shí)現(xiàn)自由構(gòu)圖和定義動(dòng)畫(huà)，包括顏色、位置、大小、可見(jiàn)度、閃爍、輸入輸出、按鈕動(dòng)作等多種動(dòng)畫(huà)效果。動(dòng)畫(huà)構(gòu)件對(duì)象完成特定類(lèi)型的動(dòng)畫(huà)功能，如：實(shí)時(shí)曲線構(gòu)件、歷史曲線構(gòu)件、報(bào)警顯示構(gòu)件、自由表格構(gòu)件等。
（8）運(yùn)行策略
用運(yùn)行策略來(lái)完成和實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程的自由控制，使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件來(lái)操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、控制用戶窗口的顯示、關(guān)閉和設(shè)備構(gòu)件的工作狀態(tài)，從而做到對(duì)對(duì)象工作過(guò)程的精確控制。圖形化的構(gòu)造方法和功能強(qiáng)大的策略構(gòu)件使運(yùn)行策略的組態(tài)更加快捷方便。
（9） 充分利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)
mcgs組態(tài)軟件中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)不再使用普通的文件，而是用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理一切。組態(tài)時(shí)，系統(tǒng)生成的組態(tài)結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)對(duì)象、報(bào)警信息的存儲(chǔ)也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率，同時(shí)，也使其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)能直接處理數(shù)據(jù)庫(kù)中的存盤(pán)數(shù)據(jù)。
（10）出于保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)的考慮，mcgs很好地解決了授權(quán)及安全性問(wèn)題。依據(jù)系統(tǒng)的授權(quán)，用戶被允許或禁止對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，允許或禁止對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。mcgs在確保安全的情況下可以對(duì)多個(gè)系統(tǒng)模塊進(jìn)行安全授權(quán)。mcgs工控組態(tài)軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩大部分，用戶所有的組態(tài)配置過(guò)程都是在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行的，用戶組態(tài)后可生成一個(gè)“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)”的文件。mcgs的運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它能按照“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)”中的組態(tài)方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(jī)、變頻控制柜（主要包括模擬量輸入輸出模塊、開(kāi)關(guān)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(huà)面如圖2
所示。hmi作為監(jiān)控中心，將變頻器所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)利用串行口通訊方式（rs-485），經(jīng)屏蔽雙絞線送到hmi中，在人機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；hmi也可下達(dá)指令來(lái)控制變頻器的啟動(dòng)、停止、復(fù)位等。這樣就完成了對(duì)所有數(shù)據(jù)的采集傳輸及命令傳送，同時(shí)，也可完成管理級(jí)功能，如局域網(wǎng)的管理任務(wù)、形成管理部門(mén)所需數(shù)據(jù)的記錄報(bào)表、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。
各部分說(shuō)明如下。
（1）變頻控制柜，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，具有高可靠性、低噪聲、高節(jié)能、保護(hù)功能完善，內(nèi)建rs-485串行通信接口，且rs-485串行通信協(xié)議對(duì)用戶公開(kāi)等特點(diǎn)。
（2）plc作為輔助控制單元，也是比較重要的部分，選用西門(mén)子s7-200。利用其通信指令編寫(xiě)程序，然后下載到plc，把它和hmi串行通信接口相連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)plc設(shè)備的實(shí)時(shí)控制與指示。
（3） 人機(jī)界面采用北京昆侖通態(tài)的tpc1063e，彩色10.4in。
（4） 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(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)和多站能力的優(yōu)點(diǎn)。
4 人機(jī)界面的特點(diǎn)功能與畫(huà)面設(shè)計(jì)
4.1 人機(jī)界面的特點(diǎn)
人機(jī)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(yīng)用，可代替普通工控計(jì)算機(jī)。其主要特點(diǎn)有：
（1）畫(huà)面容量大，畫(huà)面規(guī)劃簡(jiǎn)單；
（2）全中文操作軟件，適用于windows95/98/nt等環(huán)境，指令豐富，編程簡(jiǎn)單；
（3）交互性好，抗干擾能力強(qiáng)，通信可靠性高；
（4）自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單方便、故障率低、壽命長(zhǎng)、維修量少。
4.2 人機(jī)界面的主要功能
（1） 設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要編輯出各種畫(huà)面，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)或系統(tǒng)的操作指示信息；
（2） 人機(jī)界面上的觸摸按鍵可產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，或輸入數(shù)值、字符給plc等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，控制設(shè)備的運(yùn)行；
（3） 可多幅畫(huà)面重疊或切換顯示，顯示文字、數(shù)字、圖形、字符串、警報(bào)信息、動(dòng)作流程、統(tǒng)計(jì)資料、歷史記錄、趨勢(shì)圖、簡(jiǎn)易報(bào)表等；
（4） 支持密碼和用戶程序保護(hù)功能。
4.3 人機(jī)界面的畫(huà)面設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)人機(jī)界面所有畫(huà)面均由mcgs全中文組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，有主畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定、曲線畫(huà)面、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄和幫助等畫(huà)面，經(jīng)mcgs軟件編譯無(wú)誤后，從個(gè)人電腦中下載到人機(jī)界面即可使用。人機(jī)界面與變頻控制柜之間通過(guò)rs-232方式進(jìn)行連接，與plc之間通過(guò)rs-485方式進(jìn)行連接。由控制柜對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器的操作以及變頻器狀態(tài)的顯示。plc讀人機(jī)界面狀態(tài)顯示區(qū)中的數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行和報(bào)警的情況，從而做出相應(yīng)的處理。
4.3.1 系統(tǒng)的組態(tài)
具體組態(tài)過(guò)程如下：
（1） 用戶窗口組態(tài)：設(shè)置工程的人機(jī)交互界面，如系統(tǒng)的主控界面、動(dòng)畫(huà)、報(bào)表、趨勢(shì)曲線等。
（2）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(guò)對(duì)系統(tǒng)菜單和參數(shù)的定義和設(shè)置來(lái)調(diào)度、管理用戶窗口的打開(kāi)或關(guān)閉。
（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)：工程組態(tài)各數(shù)據(jù)交換處理的核心部分，將mcgs的各部分有機(jī)地連成一體。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在mcgs的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)窗口中對(duì)創(chuàng)建數(shù)據(jù)對(duì)象的基本屬性、存盤(pán)屬性、報(bào)警屬性等進(jìn)行定義和設(shè)置。
（4）設(shè)備構(gòu)件組態(tài)：這是連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備，注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，定義連接與驅(qū)動(dòng)設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。在基本屬性中設(shè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象連接起來(lái)；添加虛擬通道，用于連接可在線調(diào)整的系統(tǒng)參數(shù)；在數(shù)據(jù)處理窗口，設(shè)置數(shù)據(jù)處理方法，如濾波、工程轉(zhuǎn)換（即把采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)或輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有實(shí)際意義的工程數(shù)據(jù)），即通過(guò)在設(shè)備窗口中對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理便可得到所需要的數(shù)據(jù)類(lèi)型。
（5）運(yùn)行策略組態(tài)：完成工程運(yùn)行流程的控制。根據(jù)運(yùn)行策略的不同作用和功能，mcgs把運(yùn)行策略分為啟動(dòng)策略、退出策略、循環(huán)策略、用戶策略、報(bào)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(cè)重于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)實(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)查詢(xún)功能，根據(jù)系統(tǒng)的控制流程和操作處理，在mcgs的運(yùn)行策略窗口中，對(duì)以上運(yùn)行策略分別進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，如在用戶策略中，利用策略工具箱添加腳本構(gòu)件、存盤(pán)數(shù)據(jù)提取構(gòu)件等，以實(shí)現(xiàn)所需的功能。
4.3.2 變頻系統(tǒng)監(jiān)控功能的實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理的核心。人機(jī)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(shè)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(bào)表、曲線及趨勢(shì)圖、歷史記錄等的子界面。
（1） 主控窗口
組態(tài)軟件運(yùn)行后，點(diǎn)擊公司信息圖片后，即進(jìn)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(gè)報(bào)警描述狀態(tài)欄，用于顯示變頻器當(dāng)前所有報(bào)警信息，右側(cè)的數(shù)據(jù)顯示欄用于顯示頻率、定子電壓、定子電流、壓力等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)管理。高壓變頻器運(yùn)行狀態(tài)十分重要，而監(jiān)控系統(tǒng)的建立為管理部門(mén)提供的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，能有效地幫助值班人員及時(shí)了解設(shè)備工作狀態(tài)。
在主畫(huà)面的最下方有四個(gè)按鈕可用來(lái)顯示本監(jiān)控系統(tǒng)的其他功能：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)列表、報(bào)警記錄查看，當(dāng)按下相應(yīng)的按鈕后，即進(jìn)入到其對(duì)應(yīng)的畫(huà)面中。
其畫(huà)面如圖3所示。
（2） 參數(shù)設(shè)置功能
當(dāng)按下參數(shù)設(shè)置按鈕后，會(huì)彈出用戶登錄對(duì)話框，其畫(huà)面如圖4所示。只有輸入正確的密碼才能進(jìn)入該畫(huà)面進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)八組密碼，三種等級(jí)（level1，2，3），使用者等級(jí)1有最高操作權(quán)限，使用者等級(jí)3為最低操作權(quán)限，這樣可有效防止非專(zhuān)業(yè)人員誤操作。該畫(huà)面主要用于設(shè)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(lái)查看相應(yīng)參數(shù)的具體用途。
（3） 曲線功能
當(dāng)按下曲線按鈕后，進(jìn)入曲線畫(huà)面，其畫(huà)面如圖5所示。它能對(duì)指定的各監(jiān)控量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，包括反映實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等各種數(shù)據(jù)畫(huà)面，方便地提供了指定參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線。通過(guò)比較當(dāng)前和歷史趨勢(shì)曲線，特別是結(jié)合裝備安全運(yùn)行的多參數(shù)模型，可以及早報(bào)告故障隱患。
（4） 歷史數(shù)據(jù)列表功能
按下歷史數(shù)據(jù)按鈕后，進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)表格，其畫(huà)面如圖6所示。歷史數(shù)據(jù)列表功能可對(duì)指定的監(jiān)控量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)，并可將各個(gè)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)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(huà)面，并可通過(guò)輸入具體時(shí)間來(lái)調(diào)出當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄。方便地解決了現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)數(shù)據(jù)抄寫(xiě)、維護(hù)及繁瑣的數(shù)據(jù)處理工作，記錄員不必再每天花費(fèi)大量的精力填寫(xiě)報(bào)表，提高了企業(yè)的辦公自動(dòng)化能力和管理水平，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
（5） 報(bào)警記錄查看列表功能
按下報(bào)警記錄按鈕后，可進(jìn)入報(bào)警信息瀏覽表格，其畫(huà)面如圖7所示。該表格主要用于存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的故障報(bào)警情況。操作者還可通過(guò)輸入具體時(shí)間來(lái)調(diào)出當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)故障記錄，并可將該記錄進(jìn)行打印處理。
5 結(jié)束語(yǔ)
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(yùn)行可靠，便于更改、擴(kuò)充、升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，系統(tǒng)造價(jià)也遠(yuǎn)低于進(jìn)口同類(lèi)設(shè)備，具有較高的性?xún)r(jià)比。采用組態(tài)軟件進(jìn)行工業(yè)控制是現(xiàn)代化工業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。
本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓變頻器各參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，而且在實(shí)際使用過(guò)程中也取得了良好效果，加強(qiáng)了職能部門(mén)對(duì)高壓變頻器的監(jiān)測(cè)，規(guī)范了職工行為。對(duì)高壓變頻器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化管理，提高了變頻設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，保證了現(xiàn)場(chǎng)的安全運(yùn)行。