高位碼垛機操作與監控一體化系統的人機界面設計

鄭 昊,牟智剛

（上海工程技術大學高等職業技術學院 (上海市高級技工學校),上海 200437）

0 引言

隨著工業4.0的到來，在自動化設備領域，人們都希望生產現場設備操作更智能化、人性化，而對過程的控制更可視化。若要想提高所有設備協同作業的生產效率，就必須要保證每個設備工作的連續性和高效性。而目前我國生產的大多數高位碼垛機控制方式單一、交互性差、維修相對麻煩。所以本文將PLC與HMI技術相結合，設計出能運行在高位碼垛機上的控制與監控一體化人機界面，使操作人員在人機界面上實現對現場的實時操作及動態監控，同時方便于維修人員對故障的排除，讓系統盡可能工作在最佳狀態。

1 系統硬件

高位碼垛機操作與監控一體化系統主控制器采用了西門子新一代的S7-1500系列PLC，操作監控設備使用的是西門子TP1500精智面板。

如圖1.1所示，系統組態網絡是由1516F-3通過交換機與HMI連接組成的Pro fi net網絡，并使用TCP/IP標準協議方式進行通訊。由于高位碼垛機的機體較大、布局較為分散，所以采用了分布式I/O控制，同時在Pro fi net網絡下，掛了3臺西門子G120S通用變頻器，用戶可在HMI界面通過Pro fi net網絡對變頻器的工作狀態及數據進行設置。

2 HMI設計

根據高位碼垛機控制與監控一體化的設計要求，HMI界面必須具備運行可靠、操作穩定、界面友好、信息顯示直觀清晰等特點。整個HMI組態由登錄界面、操作界面、監控界面、參數設置、報警信息等幾部分組成。為了能方便軟硬組態、通訊、編程及HMI界面的設計，本文使用了TIA博途V13 SP1作為工程平臺。

2.1 登錄界面

如圖2.2所示，不同的用戶進入系統后權限也不相同，一般的訪問者只能擁有監控權限，而操作與維修人員則擁有操作與監控的雙重權限，在登陸后也可以根據訪問者的權限設定自動注銷時間。若按了界面上的“退出系統”，則回到登錄界面重新登錄。

2.2 監控界面

如圖2.3所示，在系統的監控界面中，用戶可以選擇流程監控方式觀測當前高位碼垛機組態運行的整個過程，也可以通過選擇視頻監控方式觀測設備實際運行畫面。在流程監控界面中，PLC將傳感器采集或設備反饋回來的各類信號處理后傳送給HMI，用戶可以通過該界面對貨物當前位置、各傳輸機運行速度、升降機高度、推包機氣缸壓力及碼垛層數等數值進行實時監測。若發生故障或某些數值超過、低于所設限定值時，整個系統將停止工作，同時報警燈亮起并在界面中以故障器件閃爍的方式顯示故障區域。

2.3 操作界面

傳統高位碼垛機運行的方式分為手動運行與自動運行，切換方式一般都是使用控制柜上的轉換開關來實現的。而在本設計中，手動與自動的切換均可在觸摸屏上來完成，達到遠程控制的目的。但注意一點，當手自動運行模式互相切換時，所有的傳動設備都必須處于停止狀態，以防意外發生。圖2.4為手動操作界面，在手動運行下，操作人員在觸摸屏上便可控制各個電氣執行相應工作。當一些位置信號被傳感器檢測出，經PLC處理后送入HMI，這時界面中對應指示燈也會同步閃爍，而界面右側的一些基本數據也能實時的提供給操作人員作為參考。

2.4 參數設置界面

圖2.6是參數設置界面，在此界面中，操作人員可以根據實際工況對高位碼垛機的各部分傳送機的速度進行設置，同時還能設置相關工藝初始參數及過程參數的上下限。當實際值超過或低于預設值，系統將自動報警，并在監控流程界面中提示維修人員檢查設備。

2.5 報警信息界面

HMI組態的報警可分為：離散量報警、模擬量報警及控制器報警，同時也以把當前的報警的狀態分為錯誤、警告及系統事件等。當產生報警后，PLC與HMI會對系統產生的反饋進行歸類記錄，并在報警信息界面顯示出來，如圖2.7所示。維修人員也可以調用歷次報警的詳細信息，便于處理系統故障。

3 結束語

高位碼垛機操作與監控一體化系統人機界面設計結合了PLC與HMI技術，實現了對設備的遠程手動/自動控制，并可對整個工作流程進行可視化監控與實時在線監測。通過人機界面可以對系統各參數隨時修改及設定。此外，還能對生產過程中出現的報警信息進行有效地記錄，為今后系統的升級提供數據基礎。

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