西門子數控系統人機界面二次開發方法研究

邴 旭 化春雷 李 焱 劉春時

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧沈陽 110142）

人機界面（Human Machine Interface，HMI）是用戶與機床互相傳遞信息的媒介，用來實現信息的輸入與輸出。數控系統已經具備比較通用的人機界面功能，用來實現操作、監控、編程、設置和診斷功能。

隨著我國工業化進程的日益推進，機械零部件加工工藝的不斷翻新，對高性能、高精度機床的需求也越來越大。因此，國家撥出了專項資金，進行多款新型機床的研制。然而，隨著新型機床的不斷涌現，通用的HMI界面已經不能很好地滿足用戶的需要，為使人機界面向著更加人性化、更加高科技化的方向發展，機床企業非常有必要投入人力物力對人機界面的二次開發進行系統的研究。通過對通用HMI界面的二次開發，機床制造商可以針對不同機床和不同應用場合，開發出獨具特色的人機交互界面。

1 人機界面開發的需求

從機床的發展趨勢來看，人機界面的需求主要集中在以下幾個方面:

（1）專用機床上的應用

專用機床如專用磨床、激光切割機床等，需要有自己的專用界面，這樣才方便對設備進行操作和管理，也使專用機床的效益得到充分的發揮。因此隨著專用機床所占市場份額的增加，人機界面二次開發的需求量也相應增加。

（2）特殊結構上的應用

在機床的應用中，往往許多機床都有其自身特有的部分，用戶為了操作需要，經常會提出定制相關操作界面的需求。

（3）簡化操作的需要

如果能夠把機床的一些常用參數和常用的功能歸納到若干個畫面中，并且可以直接修改，用戶操作起來就會更加方便和靈活。以提高工作效率等為目的的人機界面開發需求無疑是所占界面開發需求比重最大的。其需求大致可以分為以下幾方面:

①參數設定 用來設置運行時間、系統參數以及改變測量系統等的界面;

②系統診斷 用來處理I/O信息及報警處理等的界面;

③功能擴展 對標準的系統功能進行深度擴展。

2 西門子系統HMI開發方法綜述

目前，國內外常用的西門子數控系統有802D sl、810D、840D pl。其中802D sl由于面向低端經濟型數控機床，其人機界面能夠滿足絕大多數用戶的需要，因此不需要進行界面的二次開發，而實際上西門子公司也沒有提供802D sl系統人機界面的開發方法。

810D和840D pl系統都是開放式的數控系統，其配套的人機界面HMI Embeded或HMI－Advanced建立在Windows System－embed之上。針對HMI的二次開發，西門子提供了3種開發方法，分別是系統預留的擴展用戶接口、HMI編程包（HMI programming package）以及西門子公司開發的專業組態軟件 WinCC Flexible。它們各自的特點如表1所示。

表1 3種界面開發方法的特點比較

最近，西門子公司新推出了兩款數控系統，分別是用于中檔機床的828D和用于高端機床的840D sl，它們相應的HMI軟件是基于Linux操作系統的operator。針對operator的二次開發，西門子提供了兩種開發方法，一種是擴展用戶接口，一種是針對operator的開發包。這兩種開發方法與針對HMI Embedded或HMIAdvanced的擴展用戶接口和HMI開發包非常相似，只是語法和軟件上稍有不同。

綜上所說，我們可以看出，針對西門子系統的HMI界面二次開發方法，可以分為擴展用戶接口、HMI編程包、西門子專業組態軟件WinCC Flexible三類。下面以開發常用的HMI－Advanced界面為例，說明一下3種開發方法的應用。

3 擴展用戶接口簡介

擴展用戶接口適用于 MMC、HMI Embedded和HMI Advanced，通過它配置的畫面可實現下列功能:

（1）定義畫面中的軟鍵、變量、表格、文本和圖片等。

（2）對打開畫面，輸入數值，按壓軟鍵以及退出畫面等動作做出響應;動態改變畫面，如改變畫面中軟鍵、文字和圖片等。

（3）定義操作等級，在不同的系統保護等級下顯示不同的內容。

（4）執行功能，讀寫NC/PLC變量，并可做算術和邏輯運算;可通過軟鍵或PLC的信號調用畫面，進行多個畫面間的數據交換。

它利用并定義標準界面上的空白軟鍵激活存放于標準循環（或制造商循環，或用戶循環）目錄下的畫面配置文件（com文件）。畫面配置文件是文本格式的按照一定語法規則編寫的文件，具體語法和格式可以參考Doc on CD中的SINUMERIK 840D/840Di/810D HMI Installation and Start－Up Guide文檔。

使用此種方法，可編寫出與 SINUMERIK810D/840D/840Di加工循環幫助畫面相似的畫面，并且在SINUMERIK 840D/810D使用的工具盒（Toolbox）中提供了若干實例，幫助初學的用戶理解和掌握此方法。該方法是系統標準功能，畫面配置語句多，能夠完成一些常用畫面的編制，但是鑒于語法中的參數過于復雜，只適合開發一些非常簡單的界面，不建議應用該方法開發較復雜的界面。

4 HMI編程包應用

HMI編程包（HMI Programming Package）不是系統標配的，需要額外訂購。應用HMI編程包，允許用戶將使用VB或VC++編寫的應用程序加入HMI Advanced，并可通過提供的接口實現諸多功能。例如，訪問NC/PLC變量、多畫面的調用、NC數據管理、復雜的計算、輸出加工數據等功能。

由于PCU上預裝的都是英文的XP系統，因此建議最好在英文Windows系統下安裝HMI編程包并進行界面二次開發，以防止英文開發軟件和中文操作系統兼容性不好而造成若干問題。

開發時需要將HMI開發包提供的模塊、窗體加入到創建的工程中。由于相關的模塊和窗體較多，建議用戶可在HMI編程包自帶的Sample的基礎上開發自己的oem程序。

我們開發的界面程序以及相關配置文件，需放置在oem，hmi_adv，mmc2中才可正常運行，如果這幾個目錄中的同名文件的配置不同，則oem中的文件配置生效，因此，我們要將界面相關的文件放置在oem或其子文件夾中。下面以應用VB為例說明界面程序的開發和嵌入過程:

（1）打開例子HMI編程包自帶的程序oembsp1．vbp，根據需要設計自己的界面，最后生成可執行文件oembsp1．exe。這與開發普通VB程序的過程幾乎沒什么區別，只是HMI提供的控件與VB或VC標準控件的外觀和屬性會稍有不同。

（2）修改配置文件:

①修改oem目錄中的RE_UK．ini，配置軟鍵6（可以根據需要設定調用開發界面的入口軟鍵）的文本，將6號軟鍵的標簽修改為“test”:

②修改oem目錄中的Regie．ini，為6號軟鍵配置我們開發的界面程序oembsp1．exe:

（3）根據需要修改在oemoembsp1目錄中的2個文件:

①修改．mdi 定義了所有程序內部子窗口及其類型。

②修改．zus 定義了oem程序的狀態及動作。例如如下文件中的矩陣定義了State 0時，水平與垂直軟鍵擴展數為0，包含有OEM1與OEM2兩個子窗口，按下軟鍵0將觸發狀態1。

［0］ 0 0 “OEM1””OEM2” ”0”1

（4）根據需要修改在oem目錄下的oembsp1．ini文件中的CONTROL字段，指定上面2個文件的位置。例如:

（5）在 oemlanguageo1_UK．dll中，定義了界面程序中軟鍵的文本，可用VC++以“資源”方式查看并修改。

最后可以把所需的文件統一制作成一個安裝包。這樣可以實現一鍵式安裝界面，操作十分簡便，只要懂一點基礎的電腦知識，即使不是專業設計人員也可以安裝該界面。此外，當不需要該界面時，可以在PCU今后windows后，很方便地卸載。

筆者應用HMI開發包開發了幾個界面，如為某型號臥式加工中心開發了一套方便電氣設計員調試的調試界面（圖1）;為某型號機床開發了一套托盤交換操作界面（圖2），應用此界面能夠省掉一套按鈕操作面板，而且也方便了設計人員。

5 WinCC Flexible應用

WinCC Flexible是西門子公司開發的專業組態軟件，若要應用于數控機床人機界面的開發，還要安裝一個SINUMERIK配置包。WinCC Flexible適用于西門子的各種操作面板，可組態基于Windows CE的SIMATIC HMI設備、西門子的 C7、乃至 PC機。支持TIA，可以與西門子的STEP7、iMap和Scout等軟件集成在一起。WinCC Flexible易于上手，功能強大，圖庫和操作對象豐富，提供智能化的向導工具，支持VB腳本和C腳本功能。

應用WinCC Flexible組態了HMI界面后，要把生成的運行文件復制到MMC或PCU上。這種方法生成的畫面可以嵌入HMI Advanced，也可單獨運行（多用于生產線或機床的輔助面板等）。下面以設計一個如圖3所示的界面為例，來說明應用WinCC Flexible開發界面的過程。

（1）設計界面外觀

在WinCC Flexible的設計窗口中繪制界面的外觀。根據需要在設計窗口中添加控件，常用的控件有如各種形狀、IO域、按鈕、文本框等。界面空間的布局應簡潔明了，設計人員應根據對現實操作物的理解設計出能給用戶帶來方便的界面。

（2）配置與NCU的通訊連接

首先在WinCC Flexible的連接配置窗口中添加連接，如果是訪問PLC變量需要添加SINUMERIK PLC連接，如果還要訪問NC變量，則還需要添加SINUMERIK NC連接。添加了連接之后，還要在變量配置窗口中添加所需要訪問的PLC變量、NC變量以及WinCC Flexible界面程序的內部變量。

（3）為控件關聯變量、定義事件

為了讓界面中的控件能夠實時顯示機床的狀態并控制機床的動作，我們需要為控件配置PLC變量和NC變量、定義事件。例如，在IO域的general選項中，設置tag屬性為所要顯示的變量，即可在界面運行時實時顯示該變量。又如在按鈕控件的事件選項中，可為各種鼠標和鍵盤等事件配置所要觸發的系統函數，如果想要觸發一系列動作，可以先編寫動作腳本，然后再調用。腳本語言可以根據設計人員的實際情況采用VB腳本語言或者是C腳本語言。

（4）設置報警

在WinCC Flexible的報警管理器中可以設置模擬量和數字量的報警。設置了觸發報警的條件后，界面運行時，一旦滿足報警條件就能夠即時發出報警。例如，設置當主軸溫度傳感器的測量值超過某一設置值時發出主軸溫度高報警。這樣調試人員就可以根據報警立刻知道問題所在，及時解決故障。

（5）生成界面運行文件

界面編制好之后，通過編譯或者運行都會生成一個．fwx文件，這個文件就是界面程序的運行文件。把該文件復制到要運行的電腦上（如PCU或筆記本電腦），并在該電腦上裝好WinCC Flexible安裝程序的Runtime部分后，即可運行界面程序的運行文件。

6 第三方應用程序的嵌入

EPS、ARTIS等軟件是獨立于SIEMENS系統的具有遠程診斷功能和刀具監測功能的專業軟件。我們需要將其嵌入在系統HMI內部，通過軟鍵來調用，實現某些專業的功能。例如圖4為通過按頁面下的“ARTIS”軟鍵，調出圖5所示的ARTIS軟件操作界面。

按照如下的方法修改配置文件后，即可在HMI Advanced中調出ARTIS程序。

（1）修改RE_UK．ini，配置入口軟鍵文本:

（2）修改Regie．ini，為6號軟鍵配置應用程序ARTIS．exe:

下面例舉2個實用的第三方程序嵌入HMI Advanced的例子。

例1:在HMI Advanced嵌入WinCC Flexible運行文件。

修改RE_UK．ini，配置接口軟鍵7（可根據需要設置軟鍵）文本HSK 7=“WinCC"，并按如下格式修改Regie．ini。

例2:在HMI中嵌入Step7軟件，這樣在PCU上就可以修改NCU中的PLC程序而不用其他調試用的設備。

修改RE_UK．ini，配置接口軟鍵7（可根據需要設置軟鍵）文本HSK 7=“Step7"，并按如下格式修改Regie．ini。

7 結語

今后，隨著我們對數控系統結構和硬件的深入研究，自適應控制、模糊控制、神經網絡控制和前饋控制等先進控制技術在數控機床領域的應用，無疑將進一步提高我國數控機床的性能與質量。在這種情況下，機床制造企業需要通過對HMI界面的二次開發來實現為數控機床添加可靠性更高、專業性更強的功能，開發出操作更加靈活方便、功能更加全面的人機界面，進而增加產品的附加值，提升產品的競爭力。

［1］高峰．西門子OEM軟鍵在數控凸輪軸磨床上的開發與應用［J］．制造技術與機床，2006（10）:122－125．