基于WinCC的冷軋機HMI控制面板技術

李躍峰

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南洛陽471039)

1 冷軋機控制系統(tǒng)HMI的特點和功能需求

冷軋機控制系統(tǒng)是非常復雜的順序控制系統(tǒng)，自動化程度高，操作維護人員少，因此對于控制系統(tǒng)的人機界面要求很高。

(1)要求控制系統(tǒng)實現(xiàn)多種控制手段，除了操作臺上的按鈕、開關控制，還要求在HMI上實現(xiàn)手動控制。由于冷軋機控制系統(tǒng)結構復雜，受控對象繁多，很難保證控制系統(tǒng)中的各個部件始終正常運行，按鈕損壞的情況下，如果HMI上沒有備用的操作手段，將影響整個系統(tǒng)的生產(chǎn)。而且控制系統(tǒng)中有大量的自動化流程，很難保證流程能夠始終正常運行，如果流程中斷，又沒有有效的替代操作手段，也將影響生產(chǎn)的正常進行;

(2)要求控制系統(tǒng)HMI提供強大的信息顯示和診斷功能。冷軋機控制系統(tǒng)不但受控對象繁多，還有大量的檢測元件和保護元件。系統(tǒng)運行過程中，執(zhí)行元件、檢測元件和保護元件都會產(chǎn)生大量的信息，告知系統(tǒng)自身的運行情況。控制系統(tǒng)需要通過HMI以各種形式告知操作員系統(tǒng)各部件的運行狀態(tài)。如通過報警警示操作員異常情況，通過聯(lián)鎖消息提示操作員正確的操作等。如果沒有完善的信息顯示和診斷功能，系統(tǒng)中的小故障可能會發(fā)展，嚴重時導致停機甚至事故;

(3)要求控制系統(tǒng)HMI運行穩(wěn)定，安全可靠。可靠性是控制系統(tǒng)設計的最關鍵要求，對于控制系統(tǒng)的HMI也一樣。按鈕操作完成的動作，用HMI操作也要可靠地完成。信息顯示和診斷信息也必須正確，不能出現(xiàn)信息顯示不正確和誤報警的情況。

2 冷軋機控制面板技術的特點

根據(jù)冷軋機控制系統(tǒng)的特點和對HMI的功能要求，我們在西門子WinCC過程監(jiān)控系統(tǒng)基礎上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了一系列HMI控制面板。這些面板能夠適用于冷軋機中多數(shù)受控對象(如開關閥、調節(jié)閥、普通電機、變頻器)，并為這些對象提供遠程操作、信息顯示、故障診斷等功能。除了實際對象面板，我們還實現(xiàn)了一些虛擬對象的面板，如PID控制面板、聯(lián)鎖監(jiān)控面板，以滿足一些通用功能的控制要求。

通過這些面板的使用，使冷軋機HMI的功能大大增強，能夠滿足用戶對于軋機設備的操作、診斷等要求。由于這些面板應用了面向對象的編程思想，所有同類受控對象應用同一種控制面板，通過對幾類面板的不斷應用和優(yōu)化，能夠確保這些面板的穩(wěn)定性和可靠性，從而使得HMI整體功能的完整性增強。

對于控制系統(tǒng)設計開發(fā)者來說，使用這些面板能夠減輕以往繁重的畫面組態(tài)工作，大量的閥門、電機面板能夠實現(xiàn)批量配置，使設計者將主要精力用于HMI的完善和優(yōu)化，不僅能夠減少畫面組態(tài)的時間，而且能夠提高HMI的完成質量。

3 冷軋機HMI控制面板實現(xiàn)

3.1 HMI控制面板的結構

面板包括圖標和面板畫面兩部分，圖標組態(tài)在過程畫面中，顯示相應對象實例的簡要信息和狀態(tài)，如對象的名字、實時狀態(tài)指示和所處模式等，并負責激活對象面板。

對象面板以彈出畫面的形式顯示，用于顯示對象實例的詳細信息，將信息分類后可分別放在不同的面板視圖中顯示，如基本視圖、維護視圖及其他試圖(圖1)。

圖1 面板圖標、面板畫面以及對象關系圖Fig.1 Relations diagram of panel icon，panel graphic and object

3.2 HMI控制面板的圖標

典型的圖標結構如圖2所示。圖標由四個組件構成，其中，對象名稱組件用于標識對象實例和存儲對象變量名;狀態(tài)顯示組件用于顯示對象的實時狀態(tài);消息顯示組件用于顯示對象的報警消息，采用WinCC自帶的Group Display組件，結合軋機標準畫面框架，可將對象消息上傳至總覽窗口中顯示，實現(xiàn)對象消息追溯功能;模式顯示組件可顯示對象所處的模式狀態(tài)，如手動、自動模式等。

圖2 圖標結構圖Fig.2 Layout of icons

3.3 HMI控制面板的主畫面

每個對象的面板畫面均由一組畫面構成，以電機面板為例，該面板有以下六個畫面和組件:

面板畫面框架 @pg_motor.pdl(pdl為WinCC畫面文件的文件格式名);

面板標準視圖 @pg_motor_standard.pdl;

面板維護視圖 @pg_motor_maintenance.pdl;

面板視圖選擇控件 @pg_motor_viewlist.pdl;

面板總覽控件 @pg_motor_overview.pdl;

組視圖框架 @pl_motor.pdl。

其中@pg_motor.pdl為面板主畫面，其布局如圖3所示。

3.4 冷軋機控制面板的組視圖

不同視圖組合起來，即是面板組視圖@pl_motor.pdl(圖4)。

組視圖的上方面板總覽控件和@Faceplate組件，和面板主畫面相同，下方顯示3個不同的視圖窗口，即標準視圖、維護視圖和消息列表窗口。消息列表窗口只顯示當前對象實例的消息，將系統(tǒng)消息、過程消息和其他對象消息過濾。組視圖可以全面顯示執(zhí)行對象的所有信息和進行所有操作，還能以文字方式顯示對象的診斷信息，帶給操作人員和工程師良好的操作體驗。通過面板畫面中右上角的小按鈕，就可以調出面板組視圖。

圖3 面板主畫面結構圖Fig.3 Layout of home screen on the panel

圖4 組視圖示意圖Fig.4 Schematic illustration of group view

3.5 面板庫的開發(fā)

不同類型面板的體系結構和上述電機面板的體系結構相同，變量鏈接和面板切換的原理也相同，用于區(qū)分不同類型面板的是上述面板畫面名稱中的關鍵字，電機面板的關鍵字是motor，閥門面板用關鍵字valve替換motor，再對各視圖畫面進行相應的修改，就形成了閥門面板。因此，應用這種面板技術可以根據(jù)實際需求隨時增加新的面板，經(jīng)過一段時間的積累，就可以形成一個一定規(guī)模的面板庫，滿足項目組態(tài)的各種需求。

開發(fā)視圖窗口畫面時，首先要將需要的信息和操作歸類，根據(jù)實際情況劃分到不同的視圖中，畫面元素要盡量精簡，用消耗資源最小、刷新畫面最快的方式組態(tài)畫面;另外畫面大小與框架畫面的大小應匹配，使面板結構最合理，顯示效果最佳。

4 VBA批量配置面板技術

批量生成面板圖標時，需要對WinCC畫面進行設置動態(tài)化、添加腳本等操作，要求組態(tài)軟件提供操作接口。WinCC在畫面編輯器中提供了強大的VBA接口，通過VBA接口，第三方開發(fā)者可以訪問WinCC畫面系統(tǒng)的絕大部分區(qū)域，可以編輯畫面、畫面動態(tài)、事件響應，訪問變量系統(tǒng)、文本庫、圖庫、報警系統(tǒng)、報表系統(tǒng)。VBA甚至可以改變圖形編輯器的界面，在圖形編輯器中添加菜單和工具欄等(圖5)。且VBA本身就是WINDOWS提供的開發(fā)工具，可以訪問很多操作系統(tǒng)的資源，如數(shù)據(jù)庫、Office文檔等。

圖5 VBA自定義菜單操作界面Fig.5 Operation interface of VBA custom menu

我們利用VBA工具主要做了以下工作:生成自定義操作菜單;讀取對象配置文件，根據(jù)配置文件來決定添加哪些對象實例圖標，以及為對象實例組態(tài)信息;將面板圖標拷貝出來，粘貼到畫面文件中;為面板圖標設置動態(tài)，并添加事件響應腳本;為聯(lián)鎖對象生成一些內部變量，用于存儲聯(lián)鎖文本;訪問文本庫，將對象實例名填入文本庫中，并將報警文本填入文本庫;訪問報警系統(tǒng)，為對象實例添加報警消息。

為了實現(xiàn)這些功能，我們編寫了一系列VBA腳本。VBA腳本在微軟提供的Visual Basic編輯器中編輯和管理，所有的腳本以模塊(Module)的形式存在Visual Basic編輯器中，根據(jù)腳本功能的不同生成多個不同的模塊，將相關功能的VBA腳本代碼放到相應的模塊中，圖6是VBA腳本的組織結構。

圖6 VBA腳本組織結構Fig.6 VBA script structure

Visual Basic編輯器是一個開放的平臺，WinCC提供的接口以庫的方式集成到Visual Basic編輯器下，當WinCC正確安裝完成，即可使用WinCC提供的庫對WinCC畫面進行組態(tài)(VBA具體的使用方法在WinCC用戶手冊中可查到)。

5 結束語

基于WinCC的控制面板技術為自動化項目的畫面組態(tài)提供了一種新的選擇，使得工程人員可以擺脫以往繁復的畫面組態(tài)工作，將主要精力用于提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高項目水平上，經(jīng)我院數(shù)十臺冷軋、熱軋機組的實踐應用，取得了良好的效果。這種技術本質上是面向對象編程思想在控制系統(tǒng)HMI上的應用，隨著面向對象思想在各種控制平臺上的深入發(fā)展，這種面板技術未來可以跨越平臺，應用于更廣泛的領域。

［1］胡陸軍，李一帆，羅春雨.面向對象的編程技術在自動化項目開發(fā)中的應用研究［J］.冶金自動化，2013，5:73 －75.