60kV 7000A 換流閥功能試驗回路的HMI 設計

李媛媛*

（西安西電電力系統有限公司，陜西西安，710065）

60kV 7000A 換流閥功能試驗回路的HMI 設計

李媛媛*

（西安西電電力系統有限公司，陜西西安，710065）

本文對組態軟件界面設計時的經驗和技巧做了說明，因為設計出友好的、安全的、操作性強的人機界面需要豐富的經驗結合技巧才能實現。文中提到通過訪問外部數據庫通過查表法實現SER報警的新方法。并且根據組態軟件的特性詳細說明了通過模擬量替換開關量的方法來節約HMI組態軟件中應用的I/O通信點的方法，并給出了具體實現代碼。還對HMI組態軟件的一些概念，及其基本原理進行了闡述，并對軟件內部數據處理流程進行了剖析。

HMI組態軟件；DLL動態鏈接庫；監控

引言

隨著工業自動化領域的巨大發展，伴隨著網絡技術及數字通訊的巨大前進，各個行業自動化的程度有了跳躍式前進，軟件技術是其中關鍵的部分。而最近幾年組態軟件的興起帶動了整個社會自動化的發展，為各行業從設計到試驗、運行帶來極大的便捷，這歸功于組態軟件狹義上的開放性，通用性，可再應用設計性。

目前對于基于工業組態軟件設計的HMI具有剛性需求的行業有水處理、科研、特殊工業項目、能源、城市熱網、交通&運輸、石油&天然氣、樓宇自動化等。開發出一款功能更強大、使用更便捷、通用性更好的HMI組態軟件是市場發展的必然趨勢。

本文剖析了HMI組態軟件的內部結構和基本原理，對比介紹了各種HMI組態軟件應用層面的優缺點，并結合實際工程的HMI應用設計，對組態軟件應用過程中遇到的一些問題進行了探討

1 HMI組態軟件相關技術與原理軟件及其架構

組態軟件應該支持各種常見通信協議和工控設備，并且應提供分布式數據庫管理和網絡功能。通過開發工具或委托第三方編寫應用程序設計的人機接口軟件，開發時間長，效率低，可靠性差，很難與外界數據交互，添加應用功能受到限制。組態軟件具有靈活的組態方式，具有通用性，能夠快速構建所需求的控制監視系統。

組態軟件一般提供工業標準接口，支持OLE、VBA、ActiveX、COM/DCOM、OPC等技術。實時數據庫是SCADA系統重要組成部分，也是組態軟件技術的核心。

組態軟件的核心是實時數據庫系統，它與其他塊之間處理數據的流程關系圖見圖1

圖1 組態軟件數據處理流程Fig1 Data processing flow

從結構上說，組態軟件大致可以分為兩部分：組態設計系統和組態運行系統。組態軟件將相對獨立的具體功能抽象為一個個構件，結合系統宏觀的配置描述和構件對自身的描述，將這些構件放到軟件系統的構件集中，構件集與構件集管理組成了構件庫。組態軟件的組態設計系統和組態運行系統就是在構件庫基礎上實現的，從而使組態軟件構件化，形成一個靈活性、擴展性、復用性強的人機對話軟件。組態軟件構建庫包括：圖形界面組件塊，實時數據庫塊，通信驅動塊，歷史數據庫塊，數據報表塊。其核心為前面介紹的實時數據庫和圖形界面組件。其圖形界面組件又包含有：圖元組態、動畫鏈接、表達式和腳本處理、數據庫組態、設備組態、用戶管理與權限。實時數據庫與之交互的有報警與處理、歷史數據庫、計算與控制、I/O數據連接第三方程序接口。

組態設計系統面向工程設計人員，支持根據工程具體要求，選擇相應的控制模塊，設計各個模塊之間的邏輯關聯和數據流向，從而建立一套完整的控制系統界面。如圖2所示。

圖2 典型控制系統界面框架Fig2 Typical control system interface framework

各類組態軟件一般還提供了類BASIC語言或類C語言的編程工具-腳本語言來擴充其功能。其程序段可以是事件驅動或周期性的翻譯執行，是與對象密切相關的。

HMI軟件跟下位機的通訊通常采用開啟進程來調用特定的通訊協議程序段，其中之一就是采用調用DLL動態鏈接庫這種方法，選擇所需要的通訊驅動在軟件運行時被系統加載到調用進程的虛擬空間中。HMI組態軟件使用這種調用動態鏈接庫的編寫方法減少了應用程序的尺寸，節約了程序的內存空間，提高了軟件的可靠性和效率性能。

組態軟件的圖形組態包括基本圖元（線、矩形、圓、橢圓、文本、圖片等）以及它們的屬性（顏色、線形、是否填充等）的組態；包括實時和歷史、趨勢組態、報警組態；控制策略的組態；數據庫的組態；事件記錄與日志組態。所以應用人員不用從底層通過編程來實現甚至一個點一條線。降低了難度，節省了開發的難度，能迅速使HMI界面投入產品的使用中。

但其未開放的源代碼使得牽扯到底層開發的工作得依賴于軟件售賣方。

2 60kV 7000A換流閥功能試驗回路的HMI設計

本文是利用組態軟件WinCC OA進行的HMI設計。

開機畫面分為不同的權限，使用不同的賬號和密碼進入相應的權限運行界面中。分為：可看、可看可調式、可看可操作、部分可看可操作等權限模式。

密碼和用戶名正確后進入主頁，界面顯示了整個實驗回路的主系統圖，顯示了部分重要的開關量和模擬量，以及報警信息提示。并且所有一級界面可以互相切換。見圖3

圖3 主系統圖Fig3 The primary system diagram

步驟流程化是HMI的特點，將相應步驟或流程通過組態編輯和腳本邏輯編寫一鍵式導航運行人員執行，過程中對單向步驟的條件和互斥關系進行邏輯編寫，防止誤操作。其中要用到大量的中間變量來實現。部分功能見圖4-5。

圖4 試驗流程第二步Fig4 Test process step 2

圖5 試驗流程第五步Fig5 Test process step 5

模擬現場實際設備的實際動作，真實的還原裝置狀態，保護壓板是運行人員肉眼可視斷開點的保護裝置。為了實現這一操作，繪制圖元后，對圖元編寫旋轉腳本，點擊“合”操作，使圖元逆時針旋轉20°，點擊“分”，圖元由合狀態順時針旋轉20°，HMI界面見圖6。

根據需要，項目的一部分 SER功能通過訪問外部數據庫采用查表法來找到相應的事件來實現報警功能。此部分腳本的功能框圖如圖7所示，HMI界面見圖8。腳本如下：

圖7 SER腳本功能邏輯圖Fig7 Script function logic diagram

圖8 SERFig8 SER

由上述兩個例子我們可以看出，組態軟件所提供的腳本解釋執行功能，實際上為用戶在統一平臺上實現定制應用提供了方便。但我們也應該看到，這種解釋執行的效率是比較低的，當我們需要比較復雜的功能的時候，最好還是在組態軟件的代碼級有相應的解決方案。這就是市場上有一些組態軟件表明面向電力，或者面向過程控制的原因。

在應用中還可以通過一定的辦法節約點數，數據采集系統I/O點數是決定組態軟件價格的關鍵因素之一，大部分組態軟件將I/O的開關量和模擬量進行劃分，但是相同對待，可以利用這一特征節約組態軟件的通信點數。

如果下位機上送32個開關量，就要占用組態軟件32個信號量點I/O，如果將這32個開關量用一個32位的模擬量進行上送，在HMI的腳本編輯里用位處理函數將接收到的模擬量按位處理，進行邏輯解析。那么32位開關量只占用HMI軟件一個I/O模擬量點。

例如：下位機上送8位十進制10000010的int型數值，每一位代表一個開關量，以下舉例我通過取余和取模僅僅獲取十位上的1，作為一個開關量送給一個變量，邏輯框圖見圖9。腳本如下：

圖9 模擬量解析為開關量腳本邏輯圖Fig9 Analog of the script logic diagram

3 結束語

一般認為，使用組態軟件不需要了解其原理，但實際上，了解HMI組態軟件的一些概念，及其基本原理才能更好的應用HMI組態軟件，才能邁出進行HMI組態軟件底層開發的第一步。本文舉例使用HMI腳本來完成事件報文處理，采用模擬量報文傳輸開關量來節約HMI組態軟件中應用的I/O通信點，就是在掌握組態軟件原理基礎上，活用組態軟件的例子。當然，對于上述的問題，可能還有其他的好方法。從根本上說，組態軟件工程應用中，界面、邏輯設計的好壞影響到HMI最終的性能，好的HMI應用界面需要開發人員一方面了解工程的細節，另外一方面掌握組態工具的基本原理。

[1]馬國華. 監控組態軟件及其應用[M]. 清華大學出版社,2001.

[2]孫鑫,余安萍. VC++ 深入詳解[M]. 北京： 電子工業出版社,2006：529-538.

[3]文欣秀,米西峰,赫楓齡. 基于動態鏈接庫實現軟件界面組件化方法研究[J]. 計算機應用與軟件,2007,24(7)： 18-20.

[4]西門子工業自動化與驅動技術集團[EB/OL].HTTP：//www.ad.siem ens.com.cn/products/as/s7_200/Relative,2007.

[5]黃凱漩. 基于 B-S模式遠程監控系統的研究與實現[D]. 南京大學,2011.

[6]李建偉,郭宏. 監控組態軟件的設計與開發[M]. 北京： 冶金工業出版社,2007： 50-150.

[7]Microsoft公司. c/c++7.0運行庫參考手冊. 清華大學出版社.

[8]Jeffrey Richter,Christophe Nasarre Windous 核心編程[M]. 北京： 清華大學出版社,2008： 463-476.

[9]張明光. RSView32工控組態軟件功能分析和應用舉例[J]. 自動化儀表,2002,23(6)： 53-55.

[10]唐東平. 網絡時代的人機交互發展研究[J]. 礦山機械,2006,(06)：116-118.

[11]韋燕. 人機交互設計在手機終端上的應用[J]. 信息與電腦(理論版),2015(20)： 81-83.

[12]周莉莉,呂琴琴. 基于智能技術發展的人機交互和和諧設計方法研究[J]. 美術教育研究,2013,(06)： 60-61.

[13]景國勛,張迪. 基于人機工程學的工業設備人機界面安全分析[J].中原工學院學報,2012,23(1)： 53-56.

[14]劉偉. 人機界面設計[M]. 北京： 北京郵電大學出版社,2011.

[15]沈勇,鄭妙. 淺談HMI畫面的設計思考和描繪技法[A]. 硅谷,2009.

60kV 7000A The HMI Design of the Functional Test Circuit of the Converter Valve

LI Yuanyuan*
(Xi’An XD Power System Company Limited,Shanxi Xi’an,710065,China)

This chapter based on the actual work,illustrates the experience and techniques of configuration software interface design. Because designing a friendly,safe,and user-friendly HMI requires a wealth of experience combined with skill. Mentioned in the article through the visit to the external database through the look-up method to achieve a new method of SER alarm,and the specific implementation code is given.According to the characteristics of the configuration software on the market,one way that replace analog data points by switch data points to saving the I/O data points is described in detail . Also introduces some concepts of HMI configuration software,The basic principle of common HMI configuration software is discussed and the data processing flow of software is analyzed.

HMI configuration software; DLL dynamic link library; monitoring

TP 277

A

1672-9129(2017)06-0024-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.008

李媛媛. 60kV 7000A換流閥功能試驗回路的HMI設計[J]. 數碼設計,2017,6(6)： 24-27.

Cite：LI Yuanyuan. 60kV 7000A The HMI Design of the Functional Test Circuit of the Converter Valve[J]. Peak Data Science,2017,6(6)：24-27.

2017-02-13；

2017-03-16。

李媛媛（1987-），女，本科，陜西，主要從事高壓直流輸電控制保護設備的HMI設計開發。

Email：liyuanyuan956@163.com