人机界面在智能化可控硅整流装置中的应用

1 系统组成与工作原理

1.1  系统组成

    系统由5部分组成：变送器、PLC主机、模拟量输入输出模块、触摸屏、可控硅整流部分等组成，系统控制结构如图1所示。在控制部分，选用SIEMENS 的S7-200 PLC 对采样信号进行快速、可靠的处理，编程软件为STEP 7-MicroWIN 32 V3.2；选用SIEMENS 的TP270B触摸式人机界面（HMI）对实时温度值和各种故障信息进行显示、记录，组态软件为SIMATIC Pro-Tool V6.0。HMI 和PLC 之间采用MPI（ 多点）通讯方式，通过对HMI 画面上所设元件属性和与PLC 的数据交换地址的定义，实现HMI 上相关元件对应的暂存器对PLC 存储单元的读写。

图1 系统控制结构

1.2  工作原理

    可控硅整流输出直流电压，0～45V连续可调；输出直流电流，0～1600A连续可调。由传感器对主路硅元件的温度进行采样，所测温度信号经放大和A/ D 转换后送PLC，利用软件进行数据处理，处理后的数据送HMI进行实时显示。在HMI 上设置超温报警及超温跳闸温度限定值。当主路硅元件温度过高，超过限定值时，PLC 将输出超温报警信号和超温跳闸信号，并在HMI 上显示出具体信息。同时对励磁线圈的电流和电压进行精确的PI控制，可在HMI上设定PI算法的参数值。该系统中的数据采集处理、风机运行和故障报警由PLC 和HMI 通过编制相应的软件来完成。

2 系统的软件设计

    SIMATIC ProTool 是西门子公司推出的HMI组态软件，该软件由2 部分组成： ProToolCS（组态系统）和用于过程可视化的ProTool RT（运行系统）。该软件具有报警记录、报表打印、趋势曲线等多种功能，并支持除Siemens之外的第三方制造商的通讯协议。本系统在其基础上进行了画面设计、通讯组态、报警设置、安全保护设计等一系列应用开发。

2.1 触摸屏画面设计

    触摸屏画面设计不仅要求能实现所有的控制功能（输入及显示参数、存储纪录、报警等），而且要简单明了，易于操作人员正确的执行操作。考虑系统所需监控的过程变量和实际功能，共组态了5 组画面，下面介绍几个基本画面。

    ⑴主画面

    设计的监控主画面的最上部是励磁电流实时显示曲线，其下是两个实时显示励磁电流、电压数值的显示框。还有电流数值设定的输入框，当手按在这个位置时，可弹出数字选项框，方便对电流设定值的输入。该框的右边有两个微调健，每按动一下，可以进行加1或减1的操作。在主控界面的下部是设备运行状态显示框，该位置可实时显示系统的状态（系统的开、关、有无故障等信息）。监控主画面的右下角是功能选择弹出菜单，主要由工作状态栏、参数设定栏、报警记录栏等组成。如图2 所示。

    （2）温度、电流、电压实时显示
 
    显示时，触摸屏在每个时间单位（时钟脉冲）内一次只从PLC 读取一个数字值，并添加至操作单元上显示所对应的物理量值。该程序中组态3 组实时数据，每组显示硅主元件的温度、励磁电流及电压3 个模拟量。

    ⑶参数设定

    在本画面中，操作员可以对风机的自动启/ 停温度，硅主元件超温报警温度和超温跳闸温度以及过流值、过压值进行设定，调整。具有最高级权限的操作员还可对PID算法中的参数（）进行设定,这样可以很方便的对系统进行在线的参数整定.

    ⑷故障记录

    每当有报警信号产生，都会在触摸屏界面上弹出报警消息窗口，同时报警灯闪烁。将报警消息进行归档，再创建一画面组态消息视图，就可保存并显示系统运行以来的所有报警消息。提示报警号，报警产生的日期、时间，报警产生的原因，以及是否确认等信息。

2.2 安全保护设计

    ProTool 允许用户使用口令来阻止其他未授权人员使用控件，从而增加系统的安全性。ProTool 提供的口令级别从0 到9。口令级0 不需输入口令；口令级1至8，根据功能的重要性进行分配；口令级9 仅授权于系统管理员。针对安全管理和操作的需要，该系统中定义了系统管理员级即9 级和操作员1 级两级口令。对PID参数设定需使用系统管理员级口令，其他操作，如温度报警极限、开机软启动时间等，也要先输入口令进行登陆。输入口令，触摸“ 登陆”按钮，再触摸其他功能按钮，便可进入等于或低于该口令级别的子画面。子画面操作完毕返回主画面后，触摸“退出”按钮，则口令失效，再次进入子画面需重新输入口令。若没有触摸“ 退出”按钮，系统将在1min 后自动撤销口令。

图2: 监控主画面

2.3 人机界面与PLC 之间的通讯

    西门子人机界面与PLC之间的通讯方式有3 种： PPI（点到点）通讯方式，MPI（多点）通讯方式和PROFIBUS-DP 通讯方式。

    该系统中采用MPI（多点）通讯方式。由于MPI 接口是RS485 结构，PLC 与人机界面之间通过RS485 线相连，其传输速率为187.5k 波特率。一个MPI 网可以有多个网络节点，其地址是在S7-200 硬件组态中设置的。该系统中人机界面的MPI 地址为“1”；CPU 的MPI 地址为“2”。人机界面与过程之间通过PLC 利用变量进行通讯。通常在PLC 和操作单元之间交换的数据为过程数据。为此在组态中创建指向PLC 上某个地址的变量。触摸屏从指定的地址中读取该数值并显示它。同样的，操作员可以在触摸屏上输入将被写入PLC 上某个地址的数据。

3  结束语

    1600A／45V智能化可控硅整流装置中将PLC 和触摸显示屏结合在一起，并采用PLC 和触摸屏的相应软件对各采样值进行控制、处理，在温度、电流、电压的实时显示、数据记录、报警等方面具有很大的优越性。操作人员不仅能方便的观察和掌握该装置的实时运行温度，还可根据报警消息，快速的排除故障；借助历史记录，管理人员还可对重要数据进行分析、查询，可大大提高运行管理水平。目前该装置已在赣州市金环磁选设备有限公司得到应用。