60kV 7000A 換流閥功能試驗(yàn)回路的HMI 設(shè)計(jì)

李媛媛*

（西安西電電力系統(tǒng)有限公司，陜西西安，710065）

60kV 7000A 換流閥功能試驗(yàn)回路的HMI 設(shè)計(jì)

李媛媛*

（西安西電電力系統(tǒng)有限公司，陜西西安，710065）

本文對(duì)組態(tài)軟件界面設(shè)計(jì)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)和技巧做了說明，因?yàn)樵O(shè)計(jì)出友好的、安全的、操作性強(qiáng)的人機(jī)界面需要豐富的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合技巧才能實(shí)現(xiàn)。文中提到通過訪問外部數(shù)據(jù)庫通過查表法實(shí)現(xiàn)SER報(bào)警的新方法。并且根據(jù)組態(tài)軟件的特性詳細(xì)說明了通過模擬量替換開關(guān)量的方法來節(jié)約HMI組態(tài)軟件中應(yīng)用的I/O通信點(diǎn)的方法，并給出了具體實(shí)現(xiàn)代碼。還對(duì)HMI組態(tài)軟件的一些概念，及其基本原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了剖析。

HMI組態(tài)軟件；DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫；監(jiān)控

引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的巨大發(fā)展，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)字通訊的巨大前進(jìn)，各個(gè)行業(yè)自動(dòng)化的程度有了跳躍式前進(jìn)，軟件技術(shù)是其中關(guān)鍵的部分。而最近幾年組態(tài)軟件的興起帶動(dòng)了整個(gè)社會(huì)自動(dòng)化的發(fā)展，為各行業(yè)從設(shè)計(jì)到試驗(yàn)、運(yùn)行帶來極大的便捷，這歸功于組態(tài)軟件狹義上的開放性，通用性，可再應(yīng)用設(shè)計(jì)性。

目前對(duì)于基于工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的HMI具有剛性需求的行業(yè)有水處理、科研、特殊工業(yè)項(xiàng)目、能源、城市熱網(wǎng)、交通&運(yùn)輸、石油&天然氣、樓宇自動(dòng)化等。開發(fā)出一款功能更強(qiáng)大、使用更便捷、通用性更好的HMI組態(tài)軟件是市場發(fā)展的必然趨勢。

本文剖析了HMI組態(tài)軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本原理，對(duì)比介紹了各種HMI組態(tài)軟件應(yīng)用層面的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際工程的HMI應(yīng)用設(shè)計(jì)，對(duì)組態(tài)軟件應(yīng)用過程中遇到的一些問題進(jìn)行了探討

1 HMI組態(tài)軟件相關(guān)技術(shù)與原理軟件及其架構(gòu)

組態(tài)軟件應(yīng)該支持各種常見通信協(xié)議和工控設(shè)備，并且應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)功能。通過開發(fā)工具或委托第三方編寫應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的人機(jī)接口軟件，開發(fā)時(shí)間長，效率低，可靠性差，很難與外界數(shù)據(jù)交互，添加應(yīng)用功能受到限制。組態(tài)軟件具有靈活的組態(tài)方式，具有通用性，能夠快速構(gòu)建所需求的控制監(jiān)視系統(tǒng)。

組態(tài)軟件一般提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，支持OLE、VBA、ActiveX、COM/DCOM、OPC等技術(shù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是SCADA系統(tǒng)重要組成部分，也是組態(tài)軟件技術(shù)的核心。

組態(tài)軟件的核心是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它與其他塊之間處理數(shù)據(jù)的流程關(guān)系圖見圖1

圖1 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)處理流程Fig1 Data processing flow

從結(jié)構(gòu)上說，組態(tài)軟件大致可以分為兩部分：組態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和組態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)。組態(tài)軟件將相對(duì)獨(dú)立的具體功能抽象為一個(gè)個(gè)構(gòu)件，結(jié)合系統(tǒng)宏觀的配置描述和構(gòu)件對(duì)自身的描述，將這些構(gòu)件放到軟件系統(tǒng)的構(gòu)件集中，構(gòu)件集與構(gòu)件集管理組成了構(gòu)件庫。組態(tài)軟件的組態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和組態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)就是在構(gòu)件庫基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，從而使組態(tài)軟件構(gòu)件化，形成一個(gè)靈活性、擴(kuò)展性、復(fù)用性強(qiáng)的人機(jī)對(duì)話軟件。組態(tài)軟件構(gòu)建庫包括：圖形界面組件塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫塊，通信驅(qū)動(dòng)塊，歷史數(shù)據(jù)庫塊，數(shù)據(jù)報(bào)表塊。其核心為前面介紹的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和圖形界面組件。其圖形界面組件又包含有：圖元組態(tài)、動(dòng)畫鏈接、表達(dá)式和腳本處理、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、用戶管理與權(quán)限。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與之交互的有報(bào)警與處理、歷史數(shù)據(jù)庫、計(jì)算與控制、I/O數(shù)據(jù)連接第三方程序接口。

組態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)面向工程設(shè)計(jì)人員，支持根據(jù)工程具體要求，選擇相應(yīng)的控制模塊，設(shè)計(jì)各個(gè)模塊之間的邏輯關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)流向，從而建立一套完整的控制系統(tǒng)界面。如圖2所示。

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

各類組態(tài)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(kuò)充其功能。其程序段可以是事件驅(qū)動(dòng)或周期性的翻譯執(zhí)行，是與對(duì)象密切相關(guān)的。

HMI軟件跟下位機(jī)的通訊通常采用開啟進(jìn)程來調(diào)用特定的通訊協(xié)議程序段，其中之一就是采用調(diào)用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫這種方法，選擇所需要的通訊驅(qū)動(dòng)在軟件運(yùn)行時(shí)被系統(tǒng)加載到調(diào)用進(jìn)程的虛擬空間中。HMI組態(tài)軟件使用這種調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的編寫方法減少了應(yīng)用程序的尺寸，節(jié)約了程序的內(nèi)存空間，提高了軟件的可靠性和效率性能。

組態(tài)軟件的圖形組態(tài)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(tài)；包括實(shí)時(shí)和歷史、趨勢組態(tài)、報(bào)警組態(tài)；控制策略的組態(tài)；數(shù)據(jù)庫的組態(tài)；事件記錄與日志組態(tài)。所以應(yīng)用人員不用從底層通過編程來實(shí)現(xiàn)甚至一個(gè)點(diǎn)一條線。降低了難度，節(jié)省了開發(fā)的難度，能迅速使HMI界面投入產(chǎn)品的使用中。

但其未開放的源代碼使得牽扯到底層開發(fā)的工作得依賴于軟件售賣方。

2 60kV 7000A換流閥功能試驗(yàn)回路的HMI設(shè)計(jì)

本文是利用組態(tài)軟件WinCC OA進(jìn)行的HMI設(shè)計(jì)。

開機(jī)畫面分為不同的權(quán)限，使用不同的賬號(hào)和密碼進(jìn)入相應(yīng)的權(quán)限運(yùn)行界面中。分為：可看、可看可調(diào)式、可看可操作、部分可看可操作等權(quán)限模式。

密碼和用戶名正確后進(jìn)入主頁，界面顯示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)回路的主系統(tǒng)圖，顯示了部分重要的開關(guān)量和模擬量，以及報(bào)警信息提示。并且所有一級(jí)界面可以互相切換。見圖3

圖3 主系統(tǒng)圖Fig3 The primary system diagram

步驟流程化是HMI的特點(diǎn)，將相應(yīng)步驟或流程通過組態(tài)編輯和腳本邏輯編寫一鍵式導(dǎo)航運(yùn)行人員執(zhí)行，過程中對(duì)單向步驟的條件和互斥關(guān)系進(jìn)行邏輯編寫，防止誤操作。其中要用到大量的中間變量來實(shí)現(xiàn)。部分功能見圖4-5。

圖4 試驗(yàn)流程第二步Fig4 Test process step 2

圖5 試驗(yàn)流程第五步Fig5 Test process step 5

模擬現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備的實(shí)際動(dòng)作，真實(shí)的還原裝置狀態(tài)，保護(hù)壓板是運(yùn)行人員肉眼可視斷開點(diǎn)的保護(hù)裝置。為了實(shí)現(xiàn)這一操作，繪制圖元后，對(duì)圖元編寫旋轉(zhuǎn)腳本，點(diǎn)擊“合”操作，使圖元逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°，點(diǎn)擊“分”，圖元由合狀態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°，HMI界面見圖6。

根據(jù)需要，項(xiàng)目的一部分 SER功能通過訪問外部數(shù)據(jù)庫采用查表法來找到相應(yīng)的事件來實(shí)現(xiàn)報(bào)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(gè)例子我們可以看出，組態(tài)軟件所提供的腳本解釋執(zhí)行功能，實(shí)際上為用戶在統(tǒng)一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)定制應(yīng)用提供了方便。但我們也應(yīng)該看到，這種解釋執(zhí)行的效率是比較低的，當(dāng)我們需要比較復(fù)雜的功能的時(shí)候，最好還是在組態(tài)軟件的代碼級(jí)有相應(yīng)的解決方案。這就是市場上有一些組態(tài)軟件表明面向電力，或者面向過程控制的原因。

在應(yīng)用中還可以通過一定的辦法節(jié)約點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)是決定組態(tài)軟件價(jià)格的關(guān)鍵因素之一，大部分組態(tài)軟件將I/O的開關(guān)量和模擬量進(jìn)行劃分，但是相同對(duì)待，可以利用這一特征節(jié)約組態(tài)軟件的通信點(diǎn)數(shù)。

如果下位機(jī)上送32個(gè)開關(guān)量，就要占用組態(tài)軟件32個(gè)信號(hào)量點(diǎn)I/O，如果將這32個(gè)開關(guān)量用一個(gè)32位的模擬量進(jìn)行上送，在HMI的腳本編輯里用位處理函數(shù)將接收到的模擬量按位處理，進(jìn)行邏輯解析。那么32位開關(guān)量只占用HMI軟件一個(gè)I/O模擬量點(diǎn)。

例如：下位機(jī)上送8位十進(jìn)制10000010的int型數(shù)值，每一位代表一個(gè)開關(guān)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(gè)開關(guān)量送給一個(gè)變量，邏輯框圖見圖9。腳本如下：

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

3 結(jié)束語

一般認(rèn)為，使用組態(tài)軟件不需要了解其原理，但實(shí)際上，了解HMI組態(tài)軟件的一些概念，及其基本原理才能更好的應(yīng)用HMI組態(tài)軟件，才能邁出進(jìn)行HMI組態(tài)軟件底層開發(fā)的第一步。本文舉例使用HMI腳本來完成事件報(bào)文處理，采用模擬量報(bào)文傳輸開關(guān)量來節(jié)約HMI組態(tài)軟件中應(yīng)用的I/O通信點(diǎn)，就是在掌握組態(tài)軟件原理基礎(chǔ)上，活用組態(tài)軟件的例子。當(dāng)然，對(duì)于上述的問題，可能還有其他的好方法。從根本上說，組態(tài)軟件工程應(yīng)用中，界面、邏輯設(shè)計(jì)的好壞影響到HMI最終的性能，好的HMI應(yīng)用界面需要開發(fā)人員一方面了解工程的細(xì)節(jié)，另外一方面掌握組態(tài)工具的基本原理。

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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(yàn)回路的HMI設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),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(hù)設(shè)備的HMI設(shè)計(jì)開發(fā)。

Email：liyuanyuan956@163.com