1 引 言

　　在現(xiàn)代化的生產(chǎn)企業(yè)中，動(dòng)力能源系統(tǒng)(包括水、電、汽、暖通等環(huán)節(jié)1負(fù)責(zé)為生產(chǎn)部門提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的、滿足工藝要求的生產(chǎn)環(huán)境。正因?yàn)槿绱?，?dòng)力能源系統(tǒng)也占據(jù)了企業(yè)最重要的運(yùn)營(yíng)能耗成本，動(dòng)力能源系統(tǒng)的持久穩(wěn)定和效率高低直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.以往企業(yè)常常投入大量人力物力來(lái)保障其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為有效提高企業(yè)的綜合管理水平。

　　在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)基礎(chǔ)之上專門針對(duì)煙草企業(yè)的特點(diǎn)開發(fā)出能源管理系統(tǒng)。

　　利用觸摸屏可以對(duì)能源控制系統(tǒng)迸行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控且不用過(guò)多考慮與PLC的通信問(wèn)題。由于觸摸屏體積小，重量輕，故使用觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控，雖不能完全替代PC機(jī)，但可以彌補(bǔ)Pc機(jī)移動(dòng)性差的弱點(diǎn).這能為工程師在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控提供極大的便利，并且觸摸屏特殊的操作方式會(huì)使得監(jiān)控更加的直觀。

　　WinCC Flexible 2005軟件是WinCC組態(tài)軟件的一個(gè)組件，利用它，我們可以在觸摸屏上進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。無(wú)論是從PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，或是對(duì)PLC進(jìn)行控制，都能夠按照用戶的實(shí)際需要進(jìn)行“量身定做”。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)能源管理系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分：

　　上位機(jī)，即監(jiān)控子站由HMI及Pc機(jī)組成，負(fù)責(zé)顯示人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)過(guò)程的各種數(shù)據(jù).接受操作人員的控制命令;下位機(jī)，即控制主站由西門子PLC組成，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及控制硬件設(shè)備。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與兩臺(tái)冗余結(jié)構(gòu)的SCADA服務(wù)器相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC及HMI交換信息及指令。如圖1所示：

圖1 能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 PLC介紹

　　PLC(Programmable logic Controller)，即可編程邏輯控制器，是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。本系統(tǒng)中使用了西門子公司的S7-300系列PLC，它采用模塊結(jié)構(gòu)，其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。具有高速計(jì)算能力，適用于及其快速的過(guò)程處理及對(duì)數(shù)據(jù)處理能力有特別要求的中小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)。不過(guò)，西門子300系列PLC自帶的組態(tài)功能可視化效果較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到客戶的需求。因此，常使用與之匹配的組態(tài)軟件(本項(xiàng)工程中使用西門子公司W(wǎng)inCC Flexible系列軟件)來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

　　2.2 HMI介紹

　　HMI是Human Machine Interface的縮寫，即人機(jī)界面(人機(jī)接口)。人機(jī)界面產(chǎn)品則是一種包含硬件和軟件的人機(jī)交互設(shè)備。它已經(jīng)從用于監(jiān)視活動(dòng)的簡(jiǎn)單設(shè)備發(fā)展成用來(lái)監(jiān)控、分析過(guò)程與系統(tǒng)的復(fù)雜而成熟的工具?；谇度胧郊夹g(shù)的工業(yè)人機(jī)界面能夠理想、生動(dòng)地顯示PLC，單片機(jī)等工業(yè)設(shè)備上的數(shù)據(jù)信息，功能強(qiáng)大，使用方便。它作為PLC等控制設(shè)備的上端設(shè)備在用戶和機(jī)器之間架設(shè)了一條橋梁，其硬件為嵌入式智能人機(jī)界面：其軟件為嵌入式操作系統(tǒng)。另加自己開發(fā)的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)中采用西門子公司MP 370觸摸屏，嵌入式系統(tǒng)為WinCE，使用為某煙草企業(yè)所開發(fā)的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　　2.3 硬件配置

　　在S7-300機(jī)架上安裝電源模塊PS 307 5A、CPU 315-2 DP、數(shù)/模輸入輸出模塊、CP343—1 Lean;觸摸屏采用西門子公司的MP 370 Touch;以太網(wǎng)交換機(jī)。

　　2.4 軟件配置

　　軟件采用STEP V5.3，Wincc Flexible 2005。

　　3 HMI與PLC的通信

　　3.1 PLC的配置

　　首先搭建PLC平臺(tái)，然后通過(guò)CP 341-1 Lean，交換機(jī)以及工業(yè)以太網(wǎng)將PLC與上位機(jī)連接，并對(duì)其進(jìn)行配置。

　　3.1.1 PLC硬件配置

　　打開SIMATIC Manager，新建一個(gè)項(xiàng)目，在新建的項(xiàng)目總插入一個(gè)SIMATIC 300的站點(diǎn)，然后將其重命名為STATION1。雙擊STATION1中的Hardware，進(jìn)入HW Config界面。在界面右側(cè)的目錄中選擇PLC的各種模塊，首先插入S7-300的支架RAIL，然后在1號(hào)插槽插入電源模塊。在2號(hào)插槽插入CPU314C-2DP模塊，在4號(hào)插槽插入CP341-1 Lean通信模塊。雙擊CP341-1 Lean通信模塊，CP341-1 Lean屬性窗體中新建網(wǎng)絡(luò)連接并設(shè)置IP地址，例如192.168.1.21，最后編譯并保存。

　　3.1.2 DB塊的建立

　　在SIMATIC Manager中選中STATION1中的Blocks，在里面插入一個(gè)Data Block，命名為DB1。雙擊DB1，設(shè)置一個(gè)一定大小的數(shù)據(jù)，作為以后通信的數(shù)據(jù)源。根據(jù)需要可以添加多個(gè)DB塊使用。

　　3.1.3 下載組態(tài)信息

　　為了下載相關(guān)的數(shù)據(jù)下載到PLC中，先要設(shè)置下載方式。在Set PG/PC Interface窗體中選擇PC Adapter(MPI)，并在其屬性窗口的本地連接中選擇USB方式。將西門子PC適配器分別與PLC的MPI接口和計(jì)算機(jī)的USB接口連接起來(lái)，SIMATIC Manager中選擇STATION1，然后點(diǎn)擊Download按鈕，完成下載。

　　3.2 WinCC Flexible 2005的配置

　　首先，選擇Project菜單下New選項(xiàng)，新建一個(gè)項(xiàng)目。在Device selection界面中選擇使用的觸摸屏型號(hào)，這個(gè)項(xiàng)目中所使用的觸摸屏型號(hào)為“MP 370 12”Touch”。在communication選項(xiàng)下connections界面中設(shè)置觸摸屏與PLC的連接方式為Ethernet”，觸摸屏IP地址為“192.168.1.137”;PLC IP地址為“192.168.1.21”，expansion slot設(shè)為“2”。在communication選項(xiàng)下Tags界面中添加在PLC中所劃分好的系統(tǒng)內(nèi)外標(biāo)簽，以備編輯人機(jī)界面時(shí)使用。在Device setting下Languages and Fonts界面中，設(shè)置好所需使用的中英文字體。使用管理員編輯器設(shè)定管理操作權(quán)限，系統(tǒng)共設(shè)有三種權(quán)限，管理員和操作員和一般用戶。管理員可進(jìn)行包括系統(tǒng)管理的任何餐桌。操作員是可進(jìn)行畫面監(jiān)視、操作參數(shù)的設(shè)定、退出系統(tǒng)等操作。操作員是可進(jìn)行畫面監(jiān)視、操作參數(shù)的設(shè)定、退出系統(tǒng)等操作，但不允許對(duì)工程參數(shù)，如冷卻水壓力等參數(shù)進(jìn)行更改。一般用戶只能進(jìn)行畫面的監(jiān)視等操作。

　　3.3 HMI的配置

　　MP 370采用Windows CE操作系統(tǒng)，為了使其與WinCC Flexible的版本匹配，首先應(yīng)進(jìn)入MP 370系統(tǒng)控制面板，設(shè)置其IP地址為“192.168.1.137”，連接方式為“Ethernet”。然后使用Prosave工具更新MP 370操作系統(tǒng)。打開Prosave工具，在“常規(guī)”選項(xiàng)下選擇設(shè)備類型為“MP 370 Touch”，連接方式“Ethernet”，IP地址為“192.168.1.137”，然后在“OS更新”選項(xiàng)下選擇讀取(MP370_V7_1_1_0.img)鏡像文件(此鏡像在Wincc Flexible 2005)的WinCC Flexible Images文件夾下)，連接成功后便可更新操作操作系統(tǒng)。

　　在操作系統(tǒng)更新后，進(jìn)入Windows CE控制面板，再次設(shè)置IP地址和連接方式為上述值，并更改區(qū)域設(shè)置為英國(guó)或美國(guó)，默認(rèn)為德國(guó)，否則小數(shù)點(diǎn)會(huì)以逗號(hào)表示，不符合常用習(xí)慣。

　　4 畫面組態(tài)

　　以某煙草企業(yè)所采用的空調(diào)能源管理系統(tǒng)負(fù)壓站部分為例。

　　系統(tǒng)的主菜單主要分為：狀態(tài)顯示、歷史曲線、操作參數(shù)、工程參數(shù)、系統(tǒng)幫助、系統(tǒng)注銷等幾部分，每個(gè)功能塊上都有相應(yīng)的圖形和文字，以便識(shí)別。此外，需要為操作參數(shù)和工程參數(shù)設(shè)置操作權(quán)限，以防止誤操作等。

　　4.1 狀態(tài)顯示

　　狀態(tài)顯示圖以圖形化的方式向用戶展示了整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程和系統(tǒng)各個(gè)位置的工藝參數(shù)。一方面，用戶 可以很直觀地觀測(cè)到系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);另一方面也為用戶提供了一個(gè)方便的直接操作和設(shè)定的圖形化人機(jī)操作界面。從流程畫面中，用戶可以了解各個(gè)測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前溫度、壓力值，極大地方便了值班記錄人員的抄錄工作。操作人員可以通過(guò)這些參數(shù)了解真空泵的工作情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，出現(xiàn)故障的設(shè)備將閃動(dòng)紅色故障標(biāo)志，閥門的開關(guān)狀態(tài)直觀的通過(guò)閥門顏色(紅色關(guān)閉、綠色開啟)表現(xiàn)。左下角的“系統(tǒng)停止(開啟)”、“測(cè)試(運(yùn)行)模式”、“設(shè)備運(yùn)行時(shí)間復(fù)位”等三個(gè)按鈕可以方便操作人員的控制，但設(shè)置了密碼，只供擁有相關(guān)權(quán)限人員使用，從而避免誤操作，以防帶來(lái)不必要的損失。

　　4.2 歷史曲線

　　曲線顯示功能主要用于記錄、顯示系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)溫度、濕度、壓力的歷史數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)圖，并以多種顏色將它們加以區(qū)分。通過(guò)此圖，用戶可以了解到系統(tǒng)在過(guò)去一段時(shí)間中的運(yùn)行情況。曲線的采樣間隔為3分鐘，在曲線下面的數(shù)據(jù)框中，可以翻查它們?nèi)我鈺r(shí)刻的數(shù)值。

　　4.3 工程參數(shù)

　　工程參數(shù)是專為工程技術(shù)人員調(diào)整寫完危機(jī)工作狀態(tài)而設(shè)計(jì)的，用戶可以在工程參數(shù)中對(duì)一些參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。例如儲(chǔ)氣罐出口壓力設(shè)定、冷卻水壓力設(shè)定、冷卻水泵變頻P參數(shù)設(shè)定等。

　　工程參數(shù)的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)有著非常重要的意義，為防止造成系統(tǒng)不能正常工作或顯示有誤等問(wèn)題，我們專門設(shè)計(jì)了密碼保護(hù)，非管理員級(jí)的密碼不能進(jìn)入功能參數(shù)頁(yè)面進(jìn)行設(shè)置和修改。

　　4.4 操作參數(shù)

　　在操作參數(shù)中，用戶可以控制真空泵、閥門等的開關(guān)，還可以調(diào)節(jié)變頻器參數(shù)。

　　在設(shè)計(jì)時(shí)采用了密碼保護(hù)，只允許操作員級(jí)別以上權(quán)限者修改，以防非工作人員誤操作，造成控制失誤。密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，將不能進(jìn)入該頁(yè)面進(jìn)行各操作參數(shù)的設(shè)定或修改。

　　4.5 系統(tǒng)幫助

　　用戶可以從系統(tǒng)幫助中查詢參數(shù)定義、權(quán)限分類等有用的信息，以幫助用戶快速上手。

　　4.6 系統(tǒng)注銷

　　當(dāng)用戶登陸管理系統(tǒng)后，若3分鐘以內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行操作，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)注銷當(dāng)前用戶。但為了防止在此期間發(fā)生誤操作，特別設(shè)置系統(tǒng)注銷按鈕，用以手動(dòng)注銷。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　能源管理系統(tǒng)在煙草行業(yè)中的作用越來(lái)越重要，HMI設(shè)備以其簡(jiǎn)單方便的控制方式以及直觀明了的監(jiān)控畫面使得能源控制管理系統(tǒng)更加具有效率，從而使得煙草行業(yè)的質(zhì)量和產(chǎn)量得到提高。本文根據(jù)HMI設(shè)備在某煙草企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況，主要介紹了軟硬件的配置及監(jiān)控畫面組態(tài)，根據(jù)用戶使用需要，還可以增加報(bào)表打印，報(bào)警歷史等部分，做到按需設(shè)計(jì)，方便用戶使用，滿足用戶要求。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，目前運(yùn)行良好。

　　本文創(chuàng)新點(diǎn)在于將HMI監(jiān)控及工業(yè)組態(tài)技術(shù)引入煙草行業(yè)能源管理系統(tǒng)中，取代了傳統(tǒng)的DCS控制，能夠較大的提升生產(chǎn)效率，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。