聶鳳軍，魏來

(大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引 言

HMI(Human Machine Interface)稱為“人機(jī)界面”，又叫“用戶界面”或“使用者界面”，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換和對(duì)話的媒介，也是用戶系統(tǒng)的重要組成部分[1]。力士樂是德國的著名商標(biāo)，它是一家致力于傳動(dòng)與控制技術(shù)的公司, 其在HMI領(lǐng)域有著多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，其中VEP系列操作面板是力士樂公司的知名產(chǎn)品。

在自動(dòng)化行業(yè)中，人機(jī)界面(HMI)最早的應(yīng)用是將現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)、按鈕、電磁閥等電氣元件的狀態(tài)傳遞至計(jì)算機(jī)顯示窗口，然后通過計(jì)算機(jī)向操作人員提供一個(gè)可以進(jìn)行生產(chǎn)過程監(jiān)控和操作的平臺(tái)[2]。隨著工業(yè)模式的不斷升級(jí)，如今，HMI已不僅僅限于之前簡(jiǎn)單的狀態(tài)顯示的功能，其逐漸具備通信、輸入、控制和提取等更多更強(qiáng)大的功能。

1 HMI的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

近十年來，人機(jī)界面(HMI)解決方案與不斷變化的用戶需求同步，更是取得了跨越式發(fā)展。隨著智能化工廠和數(shù)字化車間的發(fā)展，HMI的技術(shù)收到業(yè)界廣泛討論和研究[3]。為了能更好呈現(xiàn)設(shè)備和流程狀態(tài)，HMI不僅僅實(shí)現(xiàn)了控制和可視化，更與工控類產(chǎn)品進(jìn)行無縫對(duì)接，向用戶呈現(xiàn)一個(gè)栩栩如生的智能系統(tǒng)。因此，簡(jiǎn)易化、實(shí)時(shí)化和準(zhǔn)確化的畫面的應(yīng)用對(duì)HMI來說提出了更高要求：

(1)操作的簡(jiǎn)易性。傳統(tǒng)的HMI采用的是按鍵式操作，它的功能相對(duì)單一，按鍵式操作也過于復(fù)雜，而當(dāng)前廣泛應(yīng)用的觸摸技術(shù)為用戶提供了更好的解決方案。

(2)通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。在網(wǎng)絡(luò)突飛猛進(jìn)的今天，通信方式在不斷的引領(lǐng)者改革。傳統(tǒng)的HMI主要的通信接口為RS232和RS485。RS232就不必詳述了，其易損壞、通信距離短和通信速度慢等缺點(diǎn)早已廣為人知；而作為RS232升級(jí)版的RS485雖然解決了通信距離的問題，但其通信速度的問題依然沒有得到很好地解決，并且RS485還有著明顯的抗干擾能力差等缺點(diǎn)。而隨著互聯(lián)網(wǎng)在智能工廠中的應(yīng)用，HMI的通信接口已轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)，將“一網(wǎng)到底”發(fā)揮得淋漓盡致，其通信的穩(wěn)定性和速度都得到了大幅度的提升[4]。

HMI技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化的一種典型應(yīng)用，面對(duì)未來智能工廠的大趨勢(shì)，HMI技術(shù)將在智能工廠和數(shù)字化車間扮演著越來越重要的角色[5]。借助互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，未來的工廠里HMI將不再是單一的固定在設(shè)備上的使用界面，手機(jī)、平板電腦都可以作為工廠HMI的一部分，可輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，智能工廠將實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)、互聯(lián)、信息交互、流程管理等，滿足客戶對(duì)差異化、定制化的需求，提高生產(chǎn)的靈活性，以及向管理者提供更佳的決策支持[6]。從智能工廠的發(fā)展可以看到，HMI在其中起著重要的作用，同時(shí)對(duì)HMI提出了更高的要求[7]。

2 設(shè)備參數(shù)與連接方案

本次研究依托于連城數(shù)控機(jī)器有限公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品——光伏切片機(jī)。光伏切片機(jī)屬于連城數(shù)控機(jī)器有限公司三大類產(chǎn)品之一，是其研發(fā)的明星設(shè)備，連城的光伏設(shè)備分類如圖1所示。

圖1 光伏設(shè)備架構(gòu)

本次研究的金剛線切片機(jī)選取的是博士力士樂的工業(yè)嵌入式PC面板，產(chǎn)品型號(hào)為VEP 40.5 DB。它是力士樂公司開發(fā)的較為先進(jìn)的人機(jī)界面硬件，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 VEP 40.5 DB 基本參數(shù)

根據(jù)VEP的基本參數(shù)，該款觸摸屏需配置24 V電源輸入，通過以太網(wǎng)口與運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行連接通信，根據(jù)其特性原理與本項(xiàng)目光伏切片機(jī)的特性，設(shè)計(jì)其硬件連接結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 VEP硬件連接

本次研究中硬件組態(tài)以一臺(tái)工業(yè)路由器(4口HUB)為交換組件，并作為通信的中轉(zhuǎn)站負(fù)責(zé)連接3個(gè)部分：

(1)12.1寸觸摸屏。此部分也就是本次研究的人機(jī)界面設(shè)備，它通過以太網(wǎng)口和路由進(jìn)行連接，通過路由內(nèi)部的交互通信，達(dá)到和PLC主站、PLC從站的信息交互通信任務(wù)。

(2)PLC主站。此部分為運(yùn)動(dòng)控制器，下屬環(huán)路連接7臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器，以控制各軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)。

(3)PLC從站。此部分為普通PLC，其下屬連接供液泵變頻器，控制冷卻和潤滑等裝置。

以上，便將觸摸屏通過硬件接線和整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)通了起來。

3 HMI的通信模式

力士樂所生產(chǎn)的VEP系列人機(jī)界面通過以太網(wǎng)連接PLC等設(shè)備，其內(nèi)部支持的通信協(xié)議是OPC和BR_WS。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)兩種協(xié)議皆有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 通信方式比較

(1)OPC通信協(xié)議。OPC全稱是OLE for Process Control，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過程控制應(yīng)用建立了橋梁。OPC的通信速度較快，但由于它并非全閉環(huán)協(xié)議，其應(yīng)用時(shí)偶爾會(huì)有丟失反饋的情況發(fā)生，存在安全隱患。

(2)BR_WS通信協(xié)議。BR即Bosch Rexroth的縮寫，BR_WS是博士力士樂公司自主研發(fā)的一種通信協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)在于本身反饋機(jī)制。采用此協(xié)議，當(dāng)操作者從HMI中觸發(fā)命令時(shí)，PLC接收到命令后會(huì)進(jìn)行反饋，HMI捕捉到來自PLC的反饋信號(hào)時(shí)，該命令才生效。由此可見，對(duì)于命令的準(zhǔn)確性，BR_WS是要優(yōu)于OPC的，當(dāng)然它的通信速度略慢。

例如，編制一個(gè)按鈕觸發(fā)點(diǎn)動(dòng)命令，OPC若丟失信號(hào)，則會(huì)發(fā)生松開按鈕后動(dòng)作依然沒有停止的情況發(fā)生，為保證動(dòng)作執(zhí)行的安全性，本次研發(fā)采用了BR_WS的通信方式。

4 HMI的編制內(nèi)容

本次研究的設(shè)備為光伏切片機(jī)，它擁有1組收放線輪，1組收放排線，1個(gè)主輥，1個(gè)從輥，2個(gè)擺輪和數(shù)個(gè)過輪，其工作原理為：主從輥和收放線輪同步運(yùn)轉(zhuǎn)，通過擺輪對(duì)金剛線的張力的PID調(diào)節(jié)，使金剛線往復(fù)切割硅棒，最后達(dá)到切片的效果，如圖4所示。

圖4 切片原理示意圖

根據(jù)其特點(diǎn)特性，其HMI界面必須包含已下幾個(gè)部分：

(1)啟動(dòng)模式。本次項(xiàng)目的啟動(dòng)模式根據(jù)工藝和程序要求分成“維護(hù)模式”和“操作模式” ，其中操作模式下游又包含“點(diǎn)動(dòng)”、“傳線”和“切割”三種子模式，維護(hù)模式執(zhí)行非常規(guī)使用操作。

(2)參數(shù)的輸入。例如，在執(zhí)行切片前必須設(shè)定好切割的起點(diǎn)位置、終點(diǎn)位置、切割速度、進(jìn)給速度等常規(guī)參數(shù)。

(3)按鈕操作。按鈕操作是任何人機(jī)界面必須包含的內(nèi)容，其各類啟動(dòng)模式的選擇就需要通過按鈕來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)程序功能編寫的方式，給入上升沿信號(hào)、持續(xù)信號(hào)或交替信號(hào)等。

(4)PID調(diào)節(jié)窗口。本次研究的設(shè)備在冷卻和張力控制方面均需要通過PID來進(jìn)行控制，因此需要預(yù)留PID參數(shù)的輸入調(diào)節(jié)窗口。

(5)工藝配方的寫入和讀取功能。光伏行業(yè)是個(gè)特殊行業(yè)，切片機(jī)生產(chǎn)的硅片通常應(yīng)用于太陽能發(fā)電行業(yè)，其切片的薄厚和線痕等都有很嚴(yán)格的要求，一旦產(chǎn)生瑕疵很有可能會(huì)影響其根本特性，導(dǎo)致其報(bào)廢，因此必須通過工藝配方功能進(jìn)行精細(xì)化的分步控制。

(6)用戶分級(jí)管理。此次共分為4個(gè)操作級(jí)別：操作者、工藝員、技術(shù)員和開發(fā)者。

(7)圖形化顯示、報(bào)警及監(jiān)控。為使用戶更好地體驗(yàn)，此次HMI界面出基本的數(shù)字化監(jiān)控還加入了棒圖、曲線圖等可視化內(nèi)容，擁有了更良好的監(jiān)視效果。報(bào)警功能更是根據(jù)安全和制動(dòng)等方式輸出了3個(gè)級(jí)別，更加精細(xì)化。

圖5展示本次HMI的主界面。

圖5 HMI主界面

5 腳本程序的編寫

博士力士樂的HMI產(chǎn)品使用的編輯軟件為WinStudio，WinStudio 是用于通用工程和方便用戶操作的強(qiáng)大軟件框架 IndraWorks 的創(chuàng)新型可視化模塊。用 WinStudio 可以快速、簡(jiǎn)便和高效地編寫個(gè)性化的應(yīng)用程序。該軟件因其接口的開放性而獲得了極大的編程空間，本次HMI的設(shè)計(jì)工作中也應(yīng)用了許多腳本編程來實(shí)現(xiàn)固態(tài)控件難以實(shí)現(xiàn)的功能，以下將舉例說明。

1)關(guān)于棒圖功能的腳本設(shè)計(jì)。

由于切片機(jī)的工作特性是金剛線往復(fù)切割，因此電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是正反向運(yùn)轉(zhuǎn)。HMI控件本身的顯示方向是一定的，因此無法實(shí)現(xiàn)該顯示功能，如圖6所示，可以通過使用2個(gè)變量，控制2個(gè)棒圖使用切換的方式，使用VB腳本來編輯此功能。

圖6VB腳本編程實(shí)例1

由圖6可見，HMI接收到的PLC發(fā)送的變量為wire_speed，將其和0進(jìn)行比較，分別給不同的變量賦值，再通過不同變量的數(shù)值分別控制各自的棒圖，以實(shí)現(xiàn)雙向現(xiàn)實(shí)的功能，如圖4中的金剛線速度棒圖。

2) 關(guān)于時(shí)間計(jì)算的腳本設(shè)計(jì)。

本次開發(fā)的切片機(jī)在正常工作的同時(shí)，要提供切割時(shí)間的估算，以方便客戶估算工作時(shí)間。根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，PLC內(nèi)的內(nèi)部計(jì)時(shí)和HMI的內(nèi)部計(jì)時(shí)在長時(shí)間工作后會(huì)發(fā)生時(shí)間差，累積后會(huì)出現(xiàn)較大的時(shí)間差。因此，本次時(shí)間的估算將通過HMI來進(jìn)行計(jì)算，PLC僅通過變量給出加工時(shí)間，如圖7所示，通過VB腳本來編寫此功能。

圖7VB腳本編程實(shí)例2

由圖7可見，在開始切割時(shí)，通過變量條件給切割開始時(shí)間變量賦值，HMI接收到的PLC發(fā)送的變量為TOTALTime(分鐘)，將其通過四則運(yùn)算、取整和取余等計(jì)算方法，給切割結(jié)束時(shí)間的變量賦值，并給定分鐘和小時(shí)的進(jìn)位計(jì)算；計(jì)算出的結(jié)果再次利用，通過比較和計(jì)算等方法，得出剩余時(shí)間，如圖4里的時(shí)間一欄的內(nèi)容。

6 結(jié)束語

截止到本文發(fā)表前， HMI設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)腳本程序已在大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司試切調(diào)試完成，并已發(fā)往客戶現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)入新機(jī)型樣機(jī)試用階段。新開發(fā)的HMI界面具有大方、美觀、簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，并擁有強(qiáng)大的腳本開發(fā)功能。它完善了HMI人機(jī)界面原有功能的不足，增加了更多人性化的體驗(yàn)及功能。