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通常情況下，要實(shí)現(xiàn)HMI設(shè)備與V20變頻器的通訊，需要一個(gè)支持USS通訊或MODBUS通訊的PLC，比如S7-200系列PLC。其通訊電纜連接如圖1所示。PLC的一個(gè)通訊端口與觸摸屏連接，可以采用PPI協(xié)議通訊。PLC的另一個(gè)通訊端口與V20的RS485通訊端口連接，采用MODBUS協(xié)議通訊，PLC上編寫(xiě)MODBUS主站程序，V20為從站。
圖1 觸摸屏通過(guò)PLC與V20變頻器通訊
如果只需要對(duì)V2O變頻器做簡(jiǎn)單的運(yùn)行控制和變量監(jiān)視，那么上述配置中PLC的作用僅為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。這種情況下，觸摸屏直接和V20變頻器通訊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控功能，而且可以少用一個(gè)PLC，節(jié)省成本。采用西門(mén)子的SMART LINE系列觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)與V20變頻器直接通訊的功能。通訊電纜連接如圖2所示。SMART LINE觸摸屏作為MODBUS主站，V20為從站。
圖2 觸摸屏直接與V20變頻器通訊
2. 硬件設(shè)備及其安裝
下面用一個(gè)實(shí)例來(lái)介紹Smart Line觸摸屏與一臺(tái)V20變頻器通過(guò)MODBUS通訊的實(shí)現(xiàn)方法。該例子中用到的主要硬件設(shè)備如表1所示，觸摸屏組態(tài)軟件為WinCC Flexible 2008 SP4 China。
表1 示例主要硬件設(shè)備
| 名稱 | 訂貨號(hào) | 數(shù)量 | 說(shuō)明 |
| 觸摸屏 | 6AV6648-0BE11-3AX0 | 1 | Smart 1000 IE |
| 24V電源 | 6EP1332-1SH51 | 1 | DC24V/4A |
| 變頻器 | 6SL3210-5BE17-5UV0 | 1 | V20 變頻器 0.75kW |
| 電機(jī) | 1LA9060-4KA10-Z | 1 | 1LA9 電機(jī) 0.12kW |
硬件安裝步驟如下：
1）將變頻器、電機(jī)、觸摸屏固定在安裝工位上。
2）連接變頻器到電機(jī)的動(dòng)力電纜和接地電纜。
3）連接供電電源到變頻器的動(dòng)力電纜和接地電纜。
4）連接變頻器和觸摸屏的RS485通訊電纜。觸摸屏RS485的9針接口與 V20端子對(duì)應(yīng)關(guān)系：3對(duì)應(yīng)P+，8對(duì)應(yīng)N-。
5）連接24V直流電源的交流進(jìn)線電纜和到觸摸屏的直流供電電纜。
3. V20變頻器參數(shù)設(shè)置
V20變頻器要采用MODBUS通訊，可以做如下設(shè)置：
1）變頻器恢復(fù)出廠參數(shù)：
P0010=30
P0970=21
2）變頻器快速調(diào)試，選擇Cn011-MODBUS通訊連接宏：
a)設(shè)置電網(wǎng)頻率和功率單位
b)輸入電機(jī)銘牌參數(shù)
c)選擇連接宏Cn011-MODBUS通訊
d)選擇應(yīng)用宏AP000
Cn011連接宏對(duì)應(yīng)參數(shù)如表2所示。
表2 Cn011對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置
| 參數(shù) | 描述 | 工廠缺省值 | Cn011默認(rèn)值 | 備注 |
| P0700[0] | 選擇命令源 | 1 | 5 | RS485為命令源 |
| P1000[0] | 選擇速度給定 | 1 | 5 | RS485為速度設(shè)定值 |
| P2023[0] | RS485協(xié)議選擇 | 1 | 2 | MODBUS RTU協(xié)議 |
| P2010[0] | USS/MODBUS波特率 | 8 | 6 | 波特率為9600bps |
| P2021[0] | MODBUS地址 | 1 | 1 | 變頻器MODBUS地址為1 |
| P2022[0] | MODBUS應(yīng)答超時(shí)時(shí)間 | 1000 | 1000 | 向主站發(fā)回應(yīng)答的zui大時(shí)間 |
| P2014[0] | USS/MODBUS報(bào)文間斷時(shí)間 | 2000 | 100 | 監(jiān)控報(bào)文間斷時(shí)間 |
3）修改MODBUS通訊參數(shù)，其它參數(shù)為Cn011連接宏默認(rèn)參數(shù)：
P2014[0]=0 不監(jiān)控報(bào)文間隔時(shí)間，否則可能會(huì)報(bào)F72故障
可編程序控制器Programmable Logic Controller在工廠自動(dòng)化FA中占有舉足輕重的地位。技術(shù)的不斷發(fā)展極大地促進(jìn)了基于PLC為核心的控制系統(tǒng)在控制功能、控制水平等方面的提高。同時(shí)對(duì)其控制方式、運(yùn)行水平的要求也越來(lái)越高，因此交互式操作界面、報(bào)警記錄和打印等要求也成為整個(gè)控制系統(tǒng)中重要的內(nèi)容。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)，尤其顯得重要。新一代工業(yè)人機(jī)界面的出現(xiàn)，對(duì)于在構(gòu)建PLC工控系統(tǒng)時(shí)實(shí)現(xiàn)上述功能，提供了一種簡(jiǎn)便可行的途徑。
2、工業(yè)人機(jī)界面的特點(diǎn)和功能
工業(yè)人機(jī)界面Human Machine Interface，簡(jiǎn)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(jī)界面由特殊設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)32位RISC CPR芯片 為核心，在STN、TFT液晶顯示屏或EL電發(fā)光顯示器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。
HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息顯示；在HMI上設(shè)置觸摸控件可把HMI作為操作面板進(jìn)行控制操作；報(bào)警處理及打印；此外，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。
3、HMI在PLC工控系統(tǒng)上的應(yīng)用
下面以國(guó)內(nèi)某大型浮法玻璃生產(chǎn)線冷端切割區(qū)主控系統(tǒng)為例，介紹HMI在PLC工控系統(tǒng)上的應(yīng)用。
3.1 系統(tǒng)概述
切割區(qū)為浮法玻璃生產(chǎn)線中一個(gè)重要工段，其中包括測(cè)量發(fā)訊、縱切、橫切、掰斷加速、掰邊、縱掰縱分、輸送輥道等眾多生產(chǎn)控制設(shè)備。系統(tǒng)硬件上主要由主控制器PLC，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制裝置包括伺服控制器、變頻器、模擬量信號(hào)及脈沖信號(hào)處理器等 和HMI構(gòu)成。作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，切割區(qū)主控系統(tǒng)在正常生產(chǎn)時(shí)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求協(xié)調(diào)各個(gè)單機(jī)控制子系統(tǒng)的工作，制定切割計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程全自動(dòng)化。整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分由美國(guó)GE Fanuc 90-30 PLC完成，此部分內(nèi)容本文略，而系統(tǒng)的監(jiān)控和交互式操作界面等任務(wù)將由HMI承擔(dān)。主要有以下內(nèi)容：參數(shù)的設(shè)定；動(dòng)態(tài)畫(huà)面的顯示；故障報(bào)警與診斷以及報(bào)表打印。其中HMI選用日本Digital公司的GP-577。
3.2 HMI與PLC之間的通訊
當(dāng)HMI用于PLC控制系統(tǒng)時(shí)，HMI與PLC之間通過(guò)串口以Direct Link直接連接方式進(jìn)行通訊。在該方式下，HMI根據(jù)要求直接讀入PLC的數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)寫(xiě)入PLC相應(yīng)的地址中。由于內(nèi)裝通訊協(xié)議，因此無(wú)須編制通訊程序，只要指定所用PLC類型即通訊協(xié)議，運(yùn)行時(shí)便可實(shí)現(xiàn)通訊。因此大大減少了PLC用戶程序的負(fù)擔(dān)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，直接指定控制部件與其對(duì)應(yīng)PLC的輸入輸出％I/O、寄存器％R、中間寄存器％M的地址，運(yùn)行時(shí)HMI就能自動(dòng)和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。直接讀取或改寫(xiě)PLC相應(yīng)地址的內(nèi)容，并據(jù)此改變畫(huà)面上顯示內(nèi)容。同時(shí)通過(guò)對(duì)HMI的觸摸操作，可向PLC相應(yīng)的地址輸入數(shù)據(jù)。
3.3 HMI監(jiān)控主面
整個(gè)HMI監(jiān)控系統(tǒng)采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控主畫(huà)面及相應(yīng)功能子畫(huà)面組成。在監(jiān)控主畫(huà)面下端設(shè)有控制功能鍵，按動(dòng)功能鍵可以依次進(jìn)入相應(yīng)子畫(huà)面，執(zhí)行所需的功能。在每一個(gè)子畫(huà)面中可通過(guò) 上一頁(yè) 、 下一頁(yè) 功能鍵在同一功能組中進(jìn)行畫(huà)面切換，在任一子畫(huà)面都可以通過(guò) 主畫(huà)面 功能鍵退回到監(jiān)控主畫(huà)面。系統(tǒng)自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，將切割計(jì)劃、測(cè)量脈沖、輥道速度等一些重要生產(chǎn)工藝參數(shù)顯示在主畫(huà)面上，便于操作人員的觀察。監(jiān)控主畫(huà)面上還有生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示，在動(dòng)態(tài)畫(huà)面上以各種形式模擬出主要控制設(shè)備的運(yùn)行情況，例如光電開(kāi)關(guān)的動(dòng)作、電磁閥的吸合、電機(jī)的運(yùn)行停止等，直觀、生動(dòng)的反映出現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程，方便操作人員對(duì)生產(chǎn)情況、設(shè)備工況的了解。DIGITAL公司的HMI編程軟件ProPB3Win提供了豐富的控制部件，例如按鈕部件、畫(huà)面切換部件、指示燈部件、數(shù)據(jù)文本顯示部件等等，實(shí)現(xiàn)上述功能只要根據(jù)需要選擇相應(yīng)的控制部件，定義好其屬性即可。ProPB3Win采用監(jiān)控軟件通用模式，所有控制部件的屬性通過(guò)組態(tài)形式完成，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。使用ProPB3Win內(nèi)附的圖庫(kù)及作圖工具來(lái)構(gòu)造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的模擬畫(huà)面，簡(jiǎn)便易行。內(nèi)容豐富的作圖工具庫(kù)，使得畫(huà)面生動(dòng)、豐富多彩。
此外，充分利用HMI的優(yōu)勢(shì)將原先布置在控制柜上的開(kāi)關(guān)、指示燈盡可能地用HMI中的控制部件替代，這樣做減少硬件設(shè)備，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的接線，更重要的是給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)諸多方便。
3.4 HMI參數(shù)設(shè)置功能
主控系統(tǒng)中有多達(dá)近百個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，根據(jù)控制功能將其分為聯(lián)鎖、橫切、橫掰、速度、掰邊、縱掰及設(shè)備參數(shù)組，使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加合理。同時(shí)利用HMI觸摸操作的特性使參數(shù)設(shè)置變得極為直觀和簡(jiǎn)便。在參數(shù)設(shè)定時(shí)，利用其內(nèi)帶的數(shù)字鍵盤(pán)，將此數(shù)字鍵盤(pán)設(shè)計(jì)為彈出式，在操作人員要設(shè)定參數(shù)時(shí)，按動(dòng) 設(shè)定 鍵，彈出數(shù)字鍵盤(pán)進(jìn)行操作。每個(gè)參數(shù)在部件屬性中定義并分配了相應(yīng)的PLC地址，當(dāng)確認(rèn)后輸入的數(shù)據(jù)將存入PLC指定的地址中。操作完成后，按動(dòng) 一 鍵，可消去數(shù)字鍵盤(pán)。此種設(shè)計(jì)模式可地利用畫(huà)面的有效面積。同時(shí)每個(gè)參數(shù)都設(shè)有上下限限制，當(dāng)輸入數(shù)值超限時(shí)，系統(tǒng)拒絕接受并向操作者發(fā)出超限音響報(bào)警。此外對(duì)重要的系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)組，為安全起見(jiàn)，通過(guò)工具庫(kù)中D-Script腳本語(yǔ)句編寫(xiě)簡(jiǎn)單程序設(shè)置畫(huà)面進(jìn)入操作密碼，賦予操作人員不同的操作權(quán)限，增加系統(tǒng)的安全性。
3.5 HMI報(bào)警及打印功能
在系統(tǒng)報(bào)警設(shè)計(jì)時(shí)，將故障信息在報(bào)警編輯器中編輯好，并在報(bào)警記錄子畫(huà)面中設(shè)置報(bào)警記錄顯示部件用于故障信息顯示。系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，HMI根據(jù)PLC傳送的故障信號(hào)，將報(bào)警編輯器中對(duì)應(yīng)的故障信息在報(bào)警記錄子畫(huà)面顯示出來(lái)。同時(shí)監(jiān)控主畫(huà)面上?quot;故障"信號(hào)燈將閃爍，音響報(bào)警。此時(shí)操作人員可進(jìn)入報(bào)警記錄子畫(huà)面，根據(jù)故障信息查找原因，及時(shí)處理。
? 在使用 HMI 設(shè)備的所有條件下，均具有可靠性能 – 經(jīng)過(guò)認(rèn)證，適用于所有領(lǐng)域。
? 通過(guò)明亮且亮度可調(diào)寬屏、大可視角度顯示屏，提供持續(xù)的過(guò)程概覽
安全性與信息安全 – 容易滿足要求并為系統(tǒng)提供保護(hù)，不會(huì)帶來(lái)有害影響：
? 通過(guò) Safety Integrated 功能，輕松保障人員、機(jī)器和環(huán)境的安全。
? 通過(guò)集成化信息安全解決方案 Security Integrated，為解決方案提供全面保護(hù)。
? 通信與組態(tài)可順利實(shí)現(xiàn)代次變更且具有開(kāi)放性，更大限度提供了投資保護(hù)
集成診斷功能 – 不會(huì)在維護(hù)方面浪費(fèi)時(shí)間，并且可顯著縮短停機(jī)時(shí)間：
? 進(jìn)行可靠故障檢測(cè)，并通過(guò)面向操作員的綜合報(bào)警系統(tǒng)獲取信息
? 借助于集成的系統(tǒng)診斷功能，快速分析和定位錯(cuò)誤（本地或遠(yuǎn)程）
? 性自動(dòng)備份所有數(shù)據(jù)，設(shè)備更換簡(jiǎn)單，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)
TIA 博途中的 SIMATIC WinCC 軟件
TIA 博途中的 SIMATIC WinCC 是集成工程組態(tài)平臺(tái)的一部分，該平臺(tái)提供了一個(gè)用于對(duì)控制、可視化和驅(qū)動(dòng)解決方案進(jìn)行編程與組態(tài)的統(tǒng)一組態(tài)環(huán)境。 SIMATIC WinCC（TIA 博途）是繼 SIMATIC WinCC flexible 之后適用于所有 HMI 應(yīng)用的軟件。
使用該軟件，可以組態(tài)幾乎全面 SIMATIC HMI 設(shè)備系列。功能涵蓋機(jī)器層的可視化任務(wù)以及基于 PC 的多用戶系統(tǒng)上的 SCADA 應(yīng)用。
SIMATIC SCADA 系統(tǒng) – 樹(shù)立效率新標(biāo)竿
西門(mén)子 SCADA 系統(tǒng)樹(shù)立了工廠自動(dòng)化以及基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的效率新標(biāo)竿
用于運(yùn)行管理的 SIMATIC WinCC V7 以及用于高度定制應(yīng)用的 SIMATIC WinCC Open Architecture 均支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與平臺(tái)。 這樣就能方便地集成現(xiàn)有硬件，并無(wú)縫集成到 IT 環(huán)境中。
移動(dòng)式解決方案和創(chuàng)新的操作方式，確保方便、快速獲取工廠信息，符合廣泛的安全標(biāo)準(zhǔn)，可防止操作錯(cuò)誤。西門(mén)子 SCADA 系統(tǒng)可在整個(gè)生命周期內(nèi)擴(kuò)展，因此可以隨時(shí)擴(kuò)展現(xiàn)有工廠。這樣就確保了投資安全。無(wú)論您采用的是單用戶系統(tǒng)、多用戶系統(tǒng)，還是廣泛分布的系統(tǒng)：西門(mén)子 SCADA 系統(tǒng)都可讓您實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)線和整個(gè)工廠的可視化，從而確保更高的透明度。從而挖掘優(yōu)化潛力，更大限度縮短停產(chǎn)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市。
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通過(guò) SIMATIC SCADA 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高效工程組態(tài)，以及高性能歸檔和更高數(shù)據(jù)安全性，從而顯著提高生產(chǎn)率。這些功能特性是高效運(yùn)行管理和智能生產(chǎn)分析的基礎(chǔ)。
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西門(mén)子提供了可滿足日益增長(zhǎng)的需求并能保證數(shù)據(jù)安全的固定式和移動(dòng)式解決方案。融入了西門(mén)子 15 年的工業(yè)領(lǐng)域 SCADA 專門(mén)知識(shí)。無(wú)論用戶的需求大小，我們都可提供正確的解決方案。
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通過(guò)移動(dòng)式 SCADA 解決方案，可隨時(shí)隨地掌握新信息– 包括采用現(xiàn)今的平板電腦和智能手機(jī)硬件。工業(yè)環(huán)境下的多點(diǎn)觸控手勢(shì)操作開(kāi)辟了全新的先進(jìn)操作方式。開(kāi)放性：支持各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)內(nèi)部腳本和編程接口，可方便地滿足各種特殊要求。
