基于MCGS组态软件的人机界面在高压变频器监控系统中的应用

1 引言

　　随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，自动化、智能化程度的不断提高，高压大功率变频调速装置的应用已经非常普遍，同时由于高压变频器几乎都是工矿企业的关键设备，在工厂自动化中占有举足轻重的地位，因此对其控制功能、控制水平的要求也越来越高，尤其对于那些工艺过程较复杂，控制参数较多的工控系统来说，具备交互式操作界面、数据列表、报警记录和打印等功能已成为整个控制系统中重要的内容。而新一代工业人机界面的出现，对于在构建高压变频器监控系统时，实现上述功能，提供了一种简便可行的途径。

　　工业人机界面（human machineinterface），简称hmi，又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。工业人机界面由特殊设计的计算机系统32位risccpu芯片为核心，在stn、tft液晶显示屏上罩盖有透明的电阻网络式触摸屏，触动屏幕时，电阻网络上的电阻和电压发生变化并由软件计算出触摸位置。新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。

　　下面就介绍了以工控组态软件mcgs为开发平台的hmi在高压变频器监控系统中的应用。

2 mcgs组态软件介绍

　　mcgs（monitor and control generatedsystem）是一套基于windows95/98/nt操作系统（或更高版本），可用来快速构造和生成各种监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。mcgs组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用vc++语言编程，通过ole技术向用户提供vb编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。

　　mcgs的主要特性如下：

　　（1）概念简单，易于理解和使用

　　普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成大多数简单的工程项目，使其能集中精力解决工程本身的问题，而不需了解太多的计算机系统复杂的软硬件问题，就可组态出高性能、高可靠性、高度专业化的监控系统。

　　（2）真正的32位多任务应用系统

　　该系统支持windows的多任务技术，有效地优化了计算机资源，打印任务作为一个独立工作而运行于后台，实现多任务的并行处理。

　　（3）提供丰富的设备驱动程序

　　提供足够多的功能组件和丰富的常用图形库，真正做到只使用组态软件就可快速组态完成工程项目的大多数工作，而对使用者没有太苛刻的要求。通过activedll把设备驱动挂接在系统中，配置简单、速度快、可靠性高。

　　（4）提供强大的网络功能

　　mcgs强大的网络功能可把tcp/ip网、485/422网、modem网结合在一起构成大型的监控系统和管理系统。提供4级安全保密机制。

　　（5）提供开放的ole接口

　　mcgs是以ole自动化技术为基础的开放式扩充接口，允许用户使用vb来快速编制各种设备驱动构件、动画构件和各种策略构件，通过ole接口，用户可以方便地定制自己特定的系统。

　　（6）组态软件与设备无关

　　在mcgs组态软件中，设备被实现成独立的构件形式，不同的设备对应于不同的构件。设备构件不仅仅包括设备驱动程序，还有不同的方法和属性供系统调用，每个设备构件都由一个独立的线程来管理。对不同的外部硬件设备，只需提供相应的设备构件，而系统的其它部分和设备无关，不需作任何改动。

　　（7）丰富和方便的动画组态

　　能快速构造出各种复杂的动画画面。图元图符对象可实现自由构图和定义动画，包括颜色、位置、大小、可见度、闪烁、输入输出、按钮动作等多种动画效果。动画构件对象完成特定类型的动画功能，如：实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。

　　（8）运行策略

　　用运行策略来完成和实现对系统运行流程的自由控制，使系统能够按照设定的顺序和条件来操作实时数据库、控制用户窗口的显示、关闭和设备构件的工作状态，从而做到对对象工作过程的精确控制。图形化的构造方法和功能强大的策略构件使运行策略的组态更加快捷方便。

　　（9） 充分利用数据库技术

　　mcgs组态软件中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。

　　（10）出于保护企业数据的考虑，mcgs很好地解决了授权及安全性问题。依据系统的授权，用户被允许或禁止对系统进行操作，允许或禁止对数据进行访问。mcgs在确保安全的情况下可以对多个系统模块进行安全授权。mcgs工控组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有的组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”的文件。mcgs的运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。mcgs软件的组成如图1所示。

3 变频器监控系统的硬件组成

　　变频器监控系统主要由hmi、打印机、变频控制柜（主要包括模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块、光纤触发模块、ups电源和一些通讯电缆等）、plc组成，其画面如图2

　　所示。hmi作为监控中心，将变频器所有的运行数据和参数利用串行口通讯方式（rs-485），经屏蔽双绞线送到hmi中，在人机界面上进行实时显示；hmi也可下达指令来控制变频器的启动、停止、复位等。这样就完成了对所有数据的采集传输及命令传送，同时，也可完成管理级功能，如局域网的管理任务、形成管理部门所需数据的记录报表、统计报表等。

　　各部分说明如下。

　　（1）变频控制柜，是整个系统的控制核心，具有高可靠性、低噪声、高节能、保护功能完善，内建rs-485串行通信接口，且rs-485串行通信协议对用户公开等特点。

　　（2）plc作为辅助控制单元，也是比较重要的部分，选用西门子s7-200。利用其通信指令编写程序，然后下载到plc，把它和hmi串行通信接口相连接，可实现对plc设备的实时控制与指示。

　　（3） 人机界面采用北京昆仑通态的tpc1063e，彩色10.4in。

　　（4） rs-485串行通信方式，rs-485采用平衡发送接收方式，它具有传输距离长、抗干扰能力强和多站能力的优点。

4 人机界面的特点功能与画面设计

　　4.1 人机界面的特点

　　人机界面是新一代高科技可编程终端，具备与各品牌plc连线监控能力，适于在恶劣的工业环境中应用，可代替普通工控计算机。其主要特点有：

　　（1）画面容量大，画面规划简单；

　　（2）全中文操作软件，适用于windows95/98/nt等环境，指令丰富，编程简单；

　　（3）交互性好，抗干扰能力强，通信可靠性高；

　　（4）自动化程度高，操作简单方便、故障率低、寿命长、维修量少。

　　4.2 人机界面的主要功能

　　（1） 设计者可根据需要编辑出各种画面，实时显示设备状态或系统的操作指示信息；

　　（2） 人机界面上的触摸按键可产生相应的开关信号，或输入数值、字符给plc等设备进行数据交换，从而产生相应的动作，控制设备的运行；

　　（3） 可多幅画面重叠或切换显示，显示文字、数字、图形、字符串、警报信息、动作流程、统计资料、历史记录、趋势图、简易报表等；

　　（4） 支持密码和用户程序保护功能。

　　4.3 人机界面的画面设计

　　本系统人机界面所有画面均由mcgs全中文组态软件进行设计，有主画面、参数设定、曲线画面、历史数据、报警记录和帮助等画面，经mcgs软件编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面即可使用。人机界面与变频控制柜之间通过rs-232方式进行连接，与plc之间通过rs-485方式进行连接。由控制柜对人机界面进行读写操作，从而实现了对变频器的操作以及变频器状态的显示。plc读人机界面状态显示区中的数据，得到当前设备运行和报警的情况，从而做出相应的处理。

　　4.3.1 系统的组态

　　具体组态过程如下：

　　（1） 用户窗口组态：设置工程的人机交互界面，如系统的主控界面、动画、报表、趋势曲线等。

　　（2）主控窗口组态：本窗口为工程主窗口。用户窗口组态完成后，在主控窗口中，通过对系统菜单和参数的定义和设置来调度、管理用户窗口的打开或关闭。

　　（3）实时数据库组态：工程组态各数据交换处理的核心部分，将mcgs的各部分有机地连成一体。根据设计的要求，在mcgs的实时数据库窗口中对创建数据对象的基本属性、存盘属性、报警属性等进行定义和设置。

　　（4）设备构件组态：这是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。在基本属性中设置plc的地址和通信方式等；在通道连接窗口中，输入通道和实时数据库中的数据对象连接起来；添加虚拟通道，用于连接可在线调整的系统参数；在数据处理窗口，设置数据处理方法，如滤波、工程转换（即把采集进来的数据或输出的数据转换为具有实际意义的工程数据），即通过在设备窗口中对数据的预处理便可得到所需要的数据类型。

　　（5）运行策略组态：完成工程运行流程的控制。根据运行策略的不同作用和功能，mcgs把运行策略分为启动策略、退出策略、循环策略、用户策略、报警策略、事件策略、热键策略共7种，每种策略都由一系列功能模块组成。由于该系统侧重于现场数据的时实监控和统计查询功能，根据系统的控制流程和操作处理，在mcgs的运行策略窗口中，对以上运行策略分别进行组态设置，如在用户策略中，利用策略工具箱添加脚本构件、存盘数据提取构件等，以实现所需的功能。

　　4.3.2 变频系统监控功能的实现及效果

　　图2示出变频器监控系统的组成框图。

　　软件组态部分完成监控系统与操作人员间的交互界面，是实现对整个系统的监视、控制、调度和管理的核心。人机界面分为两部分，一部分是用于日常监视、系统参数设置的主界面，另一部分是用于指示、管理非日常监视信息，如各种报表、曲线及趋势图、历史记录等的子界面。

　　（1） 主控窗口

　　组态软件运行后，点击公司信息图片后，即进入变频器系统监控主界面。在主界面的上方有一排指示灯，用于指示变频器系统状态，左下方有一个报警描述状态栏，用于显示变频器当前所有报警信息，右侧的数据显示栏用于显示频率、定子电压、定子电流、压力等实时数据，并可实时监控设备工作状态，实现全生产过程实时管理。高压变频器运行状态十分重要，而监控系统的建立为管理部门提供的实时动态信息，能有效地帮助值班人员及时了解设备工作状态。

　　在主画面的最下方有四个按钮可用来显示本监控系统的其他功能：系统参数设置、实时曲线显示、历史数据列表、报警记录查看，当按下相应的按钮后，即进入到其对应的画面中。

　　其画面如图3所示。

　　（2） 参数设置功能

　　当按下参数设置按钮后，会弹出用户登录对话框，其画面如图4所示。只有输入正确的密码才能进入该画面进行设置，可设八组密码，三种等级（level1，2，3），使用者等级1有最高操作权限，使用者等级3为最低操作权限，这样可有效防止非专业人员误操作。该画面主要用于设置变频装置的所有参数，操作人员可以按“参数表”按钮，来查看相应参数的具体用途。

　　（3） 曲线功能

　　当按下曲线按钮后，进入曲线画面，其画面如图5所示。它能对指定的各监控量进行自动检测，包括反映实时运行状态的电流、电压、频率、功率因数等各种数据画面，方便地提供了指定参数的实时监测曲线。通过比较当前和历史趋势曲线，特别是结合装备安全运行的多参数模型，可以及早报告故障隐患。

　　（4） 历史数据列表功能

　　按下历史数据按钮后，进入历史数据表格，其画面如图6所示。历史数据列表功能可对指定的监控量进行自动检测、自动存储，并可将各个不同类型的数据分别显示于多幅不同的表格上，利用选择键，方便地选择所需表格画面，并可通过输入具体时间来调出当时的数据记录。方便地解决了现场定时数据抄写、维护及繁琐的数据处理工作，记录员不必再每天花费大量的精力填写报表，提高了企业的办公自动化能力和管理水平，取得了显著的经济效益和社会效益。

　　（5） 报警记录查看列表功能

　　按下报警记录按钮后，可进入报警信息浏览表格，其画面如图7所示。该表格主要用于存储监控系统的故障报警情况。操作者还可通过输入具体时间来调出当时的系统故障记录，并可将该记录进行打印处理。

5 结束语

　　以mcgs工控组态软件为核心的监控系统，具有界面友好，易于操作，运行可靠，便于更改、扩充、升级等优点，同时，系统造价也远低于进口同类设备，具有较高的性价比。采用组态软件进行工业控制是现代化工业的一个发展方向。

　　本系统不仅实现了对高压变频器各参数的在线实时监测与控制，而且在实际使用过程中也取得了良好效果，加强了职能部门对高压变频器的监测，规范了职工行为。对高压变频器实现了系统化管理，提高了变频设备运转的可靠性，保证了现场的安全运行。