人機界面在變頻絞車的應用

陳先臻

（永安煤業有限公司仙亭煤礦，福建 大田 366102）

前言

隨著經濟和科學的發展，現代化的生產任務也變得越來越復雜，同時，對各種自動化生產的要求也越來越高。此環節下，各種自動化生產過程的可視化變得尤為重要。在整個自動化體系中，從下到上大體可分為四個層級：數據采集層及執行層，現場控制層，現場設備監控層，中心管理層。現場數據采集層：包括各種傳感器、執行機構等現場設備，負責工業現場的數據采集和執行各種控制命令。現場控制層：PLC邏輯控制設備，負責對采集的數據進行處理并輸出對執行機構的控制信號。現場設備監控層：主要是指各種現場設備的人機接口，包括各種操作面板和工業電腦，負責在現場控制底層各種設備，使各種控制過程可視化。由此可得知結論，人機界面在整個自動化體系中處于承上啟下的一個位置，通過連接PLC，完成現場設備的邏輯控制管理并實時監視狀態。

一、系統硬件的組成

以永安煤業有限公司仙亭煤礦201采區絞車為例，變頻器控制絞車電機轉速，當絞車某個保護開關觸發時，PLC立即輸出停機指令，絞車停機，與此同時人機界面上顯示報某個保護動作。

（一）變頻器選用英飛凌FF450R17ME4系列四象限變頻器，工作電壓660V，該變頻器具有高可靠性，低噪聲，高節能，保護功能完善，內建功能強大的RS-485串行通信接口，現場采用PLC輸出模擬量控制方式。

（二）PLC做為絞車控制單元，是整個系統的控制核心，選用西門子S7-200 226CPU CN，并采用擴展端口添加模擬量輸入輸出模塊。PLC接有以下功能：過卷過放保護、超速保護、過負荷和欠電壓保護、限速保護、提升容器位置指示保護、閘瓦間隙保護、松繩保護、減速功能保護，液壓制動系統、正轉選擇、反轉選擇、停止、復位、油泵啟動信號、停止信號、油泵切換、模擬量值給定、絞車正反轉輸出、變頻器的合閘輸出、故障輸出等。

（三）人機界面采用昆侖通泰TPC7062KS，彩色10.4寸，可用MCGS組態軟件進行編輯。

（四）PLC和人機界面通訊采用PPI數據線：PPI 按RS-485串行通信方式，兩根線完成通訊；而且平衡發送接收方式，具有傳輸距離長、抗干擾能力強等特點。

通過一臺裝有V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9軟件的筆記本編寫絞車電控程序，以安全保護PLC程序為例，把PLC的輸入點高低電平兩種信號顯示在人機界面上。圖1

二、人機界面組態畫面設計及通訊

（一）根據西門子S7-200 PLC輸入輸出點，用MCGS軟件組態設計的模擬運行畫面。

人機界面的設計具體可概括為4個步驟：

1.建立新工程項目

工程名稱：“XX煤礦采區絞車安全回路”。窗口名稱：“XX煤礦采區絞車安全回路”。窗口內容注釋：“煤礦絞車電控保護指示燈變換顏色”

2.實時數據庫定義對象

在實時數據庫窗口，單擊新增對象，添加以下5個開關對象：過卷過放保護、超速保護、限速保護、閘瓦間隙保護、松繩保護。

3.制作圖形畫面

添加1個指示燈元件：在工具箱中單擊“插入元件”按鈕，彈出“對象元件庫管理”窗口，選擇“指示燈”庫中的一個圖形對象，用復制粘貼完成剩下4個指示燈。

4.添加1個標簽元件：在工具箱中單擊“A”，在窗口拉伸標簽的大小，雙擊標簽在擴展屬性中輸入“過卷保護”，用復制粘貼完成剩下4個標簽注釋。

5.建立動畫連接

在工作臺用戶窗口雙擊“XX煤礦采區絞車安全回路”窗口，進入“XX煤礦采區絞車安全回路”畫面。

6.建立指示燈的動畫連接

單擊畫面中第一個指示燈，彈出“單元屬性設置”對話框，在“動畫連接”頁中，點開連接表達式，選擇已定義好的對象“過卷過放指示燈”，設置后單擊確認完成；其余四個指示燈的動畫連接以此類推。

7.標簽動畫組態設計連接

單擊畫面標簽的“過卷過放指示燈”，彈出“屬性設置”，動畫連接前面“填充顏色”打鉤，在填充顏色表達式選擇已定義好的對象“過卷過放指示燈”，設置后單擊確認完成；其余四個標簽動畫連接以此類推。

（二）通訊

PPI數據線是人機界面和PLC信息交換信息的橋梁，西門子的PLC通過集成的通信端口或通過通信集成器。PLC做為從站，人機界面做為主站，主站和從站的通訊格式必須一致才能通訊正常。

1.在MCGS設備窗口設置PLC和人機界面的設置通道。

在MCGS組態環境工作臺的“設備窗口”選項頁，在下側雙擊“設備窗口”，出現“設備組態：設備窗口”，單擊工具條上的“工具箱”按鈕，彈出“設備工具箱”窗口。

①單擊“設備管理”按鈕，彈出“設備管理”窗口。在“可選設備”列表中雙擊“通用串口父設備”，將其添加到右側的“選定設備”列表中。

②選擇所有設備→PLC設備→西門子→西門子S7-200PPI系列編程口，單擊“增加”按鈕，將選定設備添加到“設備工具箱”窗口中。

③在“設備工具箱”窗口下雙擊“通用串口父設備”，“設備組態：設備窗口”中出現“通用串口父設備0-{通用串口父設備}”。同理，在“設備工具箱”窗口雙擊“西門子S7-200PPI系列編程口”，添加設備完成。

2.設備屬性

①雙擊“通用串口父設備”，彈出設備屬性對話框。在“基本屬性”頁中設置：串口端號為“0-COM1”，通信波特率為 “6-9600”，數據位數為“0-7”，停止位位數為“0-1”，數據校驗方式為“2-偶校驗”，參數設置完畢，單擊“確認”按鈕。

②雙擊“西門子S7-200PPI系列編程口”，彈出“設備屬性設置”對話框，選擇基本屬性頁中的“設置設備內部屬性”，單擊圖標彈出西門子S7-200系列編程口通道屬性設置

③在“設備屬性設置”窗口選擇“通道連接”頁，選擇通道1對應的數據對象單元格，單擊右鍵彈出連接對象對話框，雙擊選擇要連接的“過卷過放指示燈”對象。同理連接通道2-通道8對應的對象。

④在“設備屬性設置”窗口選擇“設備調試”頁，用鼠標長按通道2對應數據對象通道單元格，通道值由“0”變為“1”，PLC對應通道指示燈亮。特殊有例外，PLC的輸入點，在組態軟件只能讀取狀態值，M寄存器、Q寄存器、V寄存器均可通道設置。通訊成功如圖所示。

三、人機界面的特點

人機界面是新一代高科技可編程終端，專為PLC而設計的的互動式工作站，具備與各品牌PLC連線監控能力，特別適于在惡劣的工業環境中使用。其主要特點有：（一）畫面容量大，最多可達255個畫面。（二）MCGS全中文操作軟件，指令豐富，編程簡單。（三）交互性好，抗干擾能力強，通信可靠性高。（四）自動化程度高，操作簡單方便，故障率低，壽命長，維修量少。

四、人機界面的功能

人機界面的主要功能有：（一）設計者可根據需要編輯出各種畫面，實時顯示設備狀態或系統的操作指示信息。（二）人機界面上的觸摸按鍵可產生相應的開關信號，或輸入值、字符給PLC進行數據交換，從而產生相應的動作控制設備的運行。（三）可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示文字、數字、圖形、字符串、警報信息、歷史記錄、趨勢圖。

五、結語

本系統自2019年3月開工投運以來，系統運行可靠平穩，數據準確及時，當要更改減速距離與速度設定值時，可直接在人機界面上設定；作為人機交互工具，簡單直觀，便于操作。在實際應用中已取得良好的效果，值得推廣到其他行業應用。