一種3D效果監控人機界面的設計

王 勝 程武山

(上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620)

人機界面(Human Machine Interface，HMI)是系統和用戶之間進行交互、信息交換的媒介，是人與機器交互的終端設備，是工業控制系統操控的必須功能單元[1]。傳統的監控人機界面仍然停留在點線面的簡單平面圖形上[2]，容易造成操作人員視覺疲勞、工作效率低甚至造成操作失誤。隨著工業自動化的飛速發展，用戶希望用更加形象、更加仿真的三維視角來展示整個系統生產線的工藝流程。未來人機界面將在觀念及應用場合等方面都有所改變[3]。

由于傳統的工業數據通信方式在設備驅動程序開發中存在大量的異構問題，每個應用軟件開發商必須按照不同的協議規范開發特定的通信程序[4]。因此隨著現場設備的種類和產品的不斷升級，給用戶和軟件開發商帶來了巨大的工作負擔。當前市場中基于OPC技術的數據采集軟件一般只解決I/O驅動程序的問題，往往忽視其與SCADA(數據采集與監視控制系統)、HMI之間的關系，例如數據的有效性判斷、數據監視效果及數據查看權限等功能。針對工業領域中通信協議復雜、系統集成度差和數據傳輸效率低的實際難題，基于OPC通用接口技術實現異構網絡接口層同構化，實現工業數據的統一化接口平臺和便捷數據存取。采用3D效果的監控人機界面設計，使仿真效果圖更加逼真，可在一定程度上提高數據監控內容的判別性。

1 總體設計①

本設計是關于多功能快速微孔穿絲機監控系統的人機界面，完成對生產線工藝流程的監控，根據各工位傳感器反饋的信號顯示各部件的工作狀態，通過界面對設備操作控制，實現對現場設備運行的實時監控。多功能快速微孔穿絲機監控系統人機界面的整體架構如圖1所示。

圖1 3D效果監控人機界面體系

2 人機界面

2.1 元件圖庫的建立

在色彩設計的基礎上，需要構建3D效果圖庫的框架并確定合適的界面整體比例。人的眼睛對不同的前景和背景顏色搭配有不同的視覺疲勞程度，在設計中充分考慮了這個問題，可以給用戶提供一個舒適的視覺環境，提高工作效率，降低由于視覺上的疲勞造成的操作失誤。

本設計按照國家標準和規范，元件分類及顏色配比等進行具體的參數化繪制圖庫，運用相關繪圖軟件(Solid Works)，繪出的圖像凸顯3D立體效果，要求在調用時更加方便快捷。

2.2 3D效果界面的設計

3D效果界面設計的流程如圖2所示，運用的技術包括3D立體繪圖技術、圖片處理技術、視覺效果處理技術和C#編程技術。其中，3D立體繪圖技術是用于圖片的生成和制作，基于Solid Works軟件的應用，解決三維效果圖的制作問題。圖片處理技術是運用Photoshop軟件，在主體3D圖片完成之后從局部到整體參考色彩工效學等方面的知識對其進行視覺感官效果的修改和美化工作。在視覺效果處理技術方面運用GIF Movie Gear軟件制作動畫，使3D效果界面的色彩更加豐富和人性化。整個人機交互界面的開發是以C#編程技術為依托的，運用Visual Studio 2008軟件編程，將3D圖庫轉化為類同C#軟件的附加安裝包，通過一鍵安裝的形式，添加入C#源程序中，即時調用，穩定可靠。

圖2 3D界面設計流程

3 實時監控系統

3.1 異構網絡同構化通信平臺

OPC(OLE for Processing Control)是用于過程控制的OLE技術，即過程控制用的對象鏈接與嵌入技術[5]。OPC技術按一套標準的COM對象、方法和屬性，提供方便的信息流通和交換，解決了數據傳輸滯后、效率低及系統集成度低等問題[6]。OPC技術規范統一的接口函數，實現了應用程序和工業控制設備之間高效、靈活的數據讀/寫[7]。

本設計基于OPC技術實現異構網絡接口層同構，為監控系統應用程序之間的通信建立一個接口標準，實現控制系統現場設備與過程監控的信息互連。在控制設備與控制軟件之間建立單一的數據存取規范，便捷數據采集系統的標準化，利用這個接口規范支持網絡上的分布應用程序的通信以及不同平臺上應用程序之間的通信[8]。通過建立各種設備的OPC接口服務器，使得不同現場硬件設備和應用軟件通過共同的標準化接口進行數據交換，并完善采集數據的診斷、監視和管理，實現過程監控等自動化工業領域的“即插即用”功能[9]。

OPC服務器通過PLC控制器收集現場設備數據信息，通過標準的OPC接口傳送給OPC客戶端應用，OPC客戶端軟件通過一致的OPC接口訪問OPC服務器，獲取數據信息。

OPC客戶端均利用Visual Studio 2008軟件進行組態，將3D圖庫添加入C#源程序中，即時調用，模擬現場設備。界面中各個圖形和現場的工況相連接，實時顯示現場工況，實現數據間的交換并執行對現場設備監測、報警、診斷維護及設定或配置控制命令等。

3.2 基于OPC技術的監控系統

本設計基于OPC技術構建實時監控系統，其總體架構如圖3所示。

3.2.1各數據層功能

過程數據產生層，產生工藝現場的各類數據信號，將PLC與現場設備相連，則現場設備的數據被采集到各個PLC；過程數據采集層，架設不同設備的OPC接口服務器，通過OPC服務器將上傳的數據解包并讀入OPC服務器；過程數據表示層，架設不同子系統的人機交互程序，完成過程數據的診斷、建模處理及監控等功能；管理數據采集層，架設不同設備的OPC接口服務器，建立過程數據標準化接口；管理數據表示層，架設離線數據管理軟件和在線數據采集監控軟件。

圖3 基于OPC技術的監控系統

3.2.2監控系統結構

監控系統包括現場設備、PLC和HMI，現場設備通過工業線纜連接PLC，PLC通過通信總線連接至OPC服務器，HMI與OPC服務器連接。上位機HMI包括多個用于監控過程控制的分站上位機HMI和用于整體數據管理和控制的一個總站上位機HMI，OPC服務器包括與分站上位機HMI數量一致的分站OPC服務器和一個總站OPC服務器，PLC通過Profibus DP連接至分站OPC服務器，分站上位機HMI與分站OPC服務器連接，并通過以太網連接至總站OPC服務器，總站上位機與總站OPC服務器連接。總站上位機設有運行管理模塊和離線數據管理模塊。

3.2.3數據采集

數據采集主要是運用OPC技術建立OPC服務器，實現從現場設備讀取數據，同時還要把不同控制系統的數據轉換成具有統一接口的OPC數據格式。在OPC客戶端安裝組態軟件，架設不同的人機交互程序，負責讀取OPC服務器中的數據量,完成數據的診斷、處理及監控等功能。利用OPC接口柔軟性極高的特點提高數據傳輸的效率和穩定性。該系統數據更新快、動作延遲短且控制精度高，改善了以往的生產工藝流程監控效率。通過實驗測試，監控系統界面顯示與實際工位間的時間延時縮短至極短時間內，界面的畫面動態顯示僅滯后于工位實際動作時間約200ms。

4 人機交互界面

4.1 監控人機界面

設計實例為多功能快速微孔穿絲機監控系統，利用觸摸屏實現操作控制、各種狀態信息和動態監控圖的顯示,其人機界面整體采用模塊化設計，分為三大功能模塊：監測信息顯示模塊、工藝流程動作模塊和監控界面控制模塊。整個監控系統的人機界面如圖4所示。

圖4 監控系統人機界面

4.1.1監測信息顯示模塊

此模塊包括報警信息、參數顯示、生產統計、設備狀態和檢測結果5個模塊。報警信息模塊對系統中的各類故障或錯誤進行報警顯示；參數顯示主要是產品的型號和生產信息的顯示；生產統計模塊包括了經過檢測的產品總數統計以及合格品、不合格品的數量統計顯示；設備狀態模塊包含系統狀態和各機構運行狀態的顯示；檢測結果模塊完成數據處理。

4.1.2工藝流程動作模塊

該模塊主要指界面上的流程監控模塊，此模塊的設計采用3D立體化動態效果顯示工藝流程的理念，突破傳統二維監控界面單調、缺乏活力的特點，凸顯3D動態仿真效果的優勢，用戶能夠獲得感覺愉悅和興趣增強的操作體驗。

4.1.3監控界面控制模塊

本著界面操作簡潔化的原則，在滿足生產需要的前提下，對軟件界面的人工操作部分進行了簡化設計，包括模塊導航、控制生產過程和退出系統3個部分，方便操作使用。此模塊在系統界面的運行中具有較高的優先級。

整個界面監控流程為工件經傳送帶輸送到此工序后，界面中會實時顯示工件的移動過程。當工件到達生產位置后，界面中將顯示出由機械手放置到轉盤的位置。當轉盤周圍傳感器檢測到穿絲工位上的熔斷器時，將顯示綠燈，定長校直給絲單元開始運行，對熔斷絲進行校直并取定長的熔斷絲輸送至定位穿絲單元進行精確定位，然后穿入熔斷器上的熔斷絲微孔，完成整個送絲、穿絲的流程。

4.2 軟件設計

4.2.1OPC客戶端開發

OPC技術的開發是建立在Windows系統之上的，OPC基金會提供了規范文檔和接口定義文件。開發OPC客戶端需要的環境配置包括Windows操作系統和Visual Studio 2008軟件。

OPC客戶端和服務器的交互過程為：創建并連接服務器對象；添加組、項；進行數據的讀/寫操作；與OPC服務器斷開連接[10]。OPC服務器安裝在操作系統中，Client通過注冊表查詢服務器并列表，然后客戶端選取列表中服務器名稱，為服務器創建一個COM對象。一旦COM對象創建，客戶就會得到一個OPC服務器的主接口，負責創建OPC Group，并返回其他接口指針，以保證客戶端可以調用服務器的接口函數?？蛻舳双@取通信信息時，瀏覽服務器的Item，選取需要的Item，添加到Group對象中。進行數據通信時，服務器實時監控組中的項，當項屬性發生變化則立即通知客戶端，項信息的數據結構中含有項值及時間標簽等，客戶端解析數據流結構并使用它們來刷新客戶端視圖。開發OPC客戶端就是實現客戶端應用程序對OPC服務器中信息數據的獲取與處理，完成客戶端和服務器的數據交互。本設計利用Visual Studio 2008軟件開發客戶端程序，基于OPC的客戶端程序設計流程如圖5所示。

4.2.2軟件模塊化設計

該人機界面監控系統中，通過應用軟件的編制來完善生產工藝監測，其系統軟件設計主要分為系統監控模塊、通信模塊、診斷模塊和數據管理模塊。

監控模塊，采用標準化三維立體設計，用更加形象、仿真的三維視角來展示系統生產線的工藝流程，模擬現場設備運行情況、實際生產運作狀態并及時根據現場工況做出遠程調整控制。

通信模塊，系統的現場控制層與過程控制層的數據通信是使用總線Profibus DP連接，而數據管理層是通過以太網連接至過程控制層，其通信都是基于OPC技術實現接口同構而完成數據傳輸。

圖5 基于OPC的客戶程序設計流程

診斷模塊，具有生產流水線故障智能診斷功能，針對系統平臺的報警模塊，建立了一套以響應模式為基準的報警模型。報警模型將平臺數據信息分為報警級、錯誤級和消息級三級處理模式。

數據管理，包括運行數據管理模塊和離線數據管理模塊，運行數據管理模塊用于對監控過程進行實時管理；離線數據管理模塊用于生產過程數據管理，可對數據進行增、刪、改?？纱鎯ιa流水線的工作過程數據、查看歷史數據并生成打印報表輸出。

5 結論

5.13D效果的監控人機界面的設計。改善了傳統的監控界面采用2D的界面仿真設計，3D的仿真效果圖更加逼真、耐看，在一定程度上提高了數據監控內容的判別性。同時，3D效果監控零件圖庫使得系統平臺的應用開發更加便捷、高效。

5.2異構網絡同構化通信平臺的建立?；贠PC技術實現接口同構，針對不同通信方式建立OPC服務器，實現工業數據的統一化接口平臺，便捷數據存取，利用OPC接口柔軟性極高的特點提高了數據傳輸效率與穩定性。

5.33D立體繪圖技術、圖片處理技術、視覺效果處理技術和C#編程技術4項基本技術的結合。將3D圖庫轉化為類同C#軟件的附加安裝包，通過一鍵安裝的形式，添加入C#源程序中，實現了即時調用，并且穩定可靠。