第9章 HMI(人机操作界面)及组态软件的应用(赖指南)

第9章HMI及组态软件的应用9.1HMI(人及操作界面)传统的人机控制操作界面包括指示灯、主令按钮、开关和电位器等。操作人员通过这些设备把操作指令传输到自动控制器中，控制器也通过它们显示当前的控制数据和状态。这是一个综合的人机交互界面。随着技术的进步，新的模块化的、集成的人机操作界面产品被开发出来。这些HMI产品一般具有灵活的可由用户（开发人员）自定义的信号显示功能，用图形和文本的方式显示当前的控制状态；现代HMI产品还提供了固定或可定义的按键，或者触摸屏输入功能。9.1.1HMI设备1.HMI设备功能HMI设备的作用是提供自动化设备操作人员与自控系统（PLC系统）之间的交互界面接口。使用HMI设备，可以：（1）在HMI上显示当前的控制状态、过程变量，包括数字量（开关量）和数值等数据。（2）显示报警信息。（3）通过硬件或可视化图形按键输入数字量、数值等控制参数。（4）使用HMI的内置功能对PLC内部进行简单的监控、设置等。HMI设备作为一个网络通讯主站与S7-200CPU相连，因此也有通讯协议、站地址及通讯速率等属性。通过串行通讯在两者之间建立的数据对应关系，也就是CPU内部存储区与HMI输入/输出元素间的对应关系。比如HMI上的按键对应于CPU内部Mx.x的数字量“位”，按下按键时Mx.x置位（为“1”），释放按键时Mx.x复位（为“0”）；或者HMI上某个一个字（Word）长的数值输入（或者输出）域，对应于CPU内部V存储区VWx。如图9-1所示。只有建立了这种对应关系，操作人员才可以与PLC的内部用户程序建立交互关系。这种联系，以及HMI上究竟如何安排、定义各种元素，需要进行软件的设置，一般称为“组态”。各种不同的HMI各自有组态的软件和方法。2.Micro系列HMI西门子为S7-200专门开发了几款HMI产品，在保持低廉价格的同时，能够获得较高的性能。它们中有：（1）TD200/TD200C：两行文本显示器，支持最多8×8=64个用户菜单和80条报警消息。支持包括中文在内的多种语言，其中TD200C还能自由定义按键的种类、大小和位置，在线多语言切换，并且可以由用户自己设计面板的图案。（2）OP73micro：3英寸LCD显示操作面板，带8个系统按键和4个可定义按键。支持多行消息和简单图形显示，支持包括中文在内的多语言切换。（3）TP177micro：5.7英寸LCD单色触摸显示屏，带一个RS-485口，可通过MPI电缆和PROFIBUS电缆连接S7-200CPU或EM277模块通讯口。上述Micro系列HMI都是西门子为S7-200专门开发的产品，对S7-200的网络通信进行了优化。3.其他HMI产品除了S7-200专用产品外，西门子还提供了许多SIMATIC系列HMI设备，如TP170A/B、TP177A和TP/OP270系列等等，都可以与S7-200连接通信。4.HMI组态软件HMI设备上的操作、显示元素与PLC内存的对应关系需要配置才能建立；HMI设备上的显示画面等也需要布置及操作。HMI组态软件就是用来完成上述工作。不同的HMI产品使用的组态软件不同，但一个系列的产品往往使用同一个软件。对于S7-200适用的HMI产品来说，它们需要的组态软件有：（1）TD200/TD200C：TD200文本显示器使用TD200Wiard(向导)组态和编程。TP200Wizard是集成在S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN中的组件，安装了STEP-Micro/WIN就有。（2）TP170A/B、TP/OP270等：用ProToolPro组态。（3）OP73Micro、TP177Micro等：可以用WinCCFlexibleMicro以上的版本组态。TP170、TP/OP270等也可以用WinCCFlexible的更高版本组态。9.1.2HMI软件在以PC技术为基础的计算机上，也可以运行HMI软件，直接与控制器通讯并与人交互。如ProToolProRT(运行版)、WinCCFlexible、组态王软件等。1.直接通讯HMI软件所谓直接通讯就是HMI软件能够支持PLC的通讯协议。能够直接连接的HMI软件都通过所谓专用的驱动接口与特定的PLC通讯。因此往往是同一厂家的产品之间具有更好的兼容性。对于世界性的通讯标准来说，由于各厂家都是提供符合标准的产品，其通用性也能得到保证。例如，S7-200可以通过EM277通讯模块与支持PROFIBUS-DP通讯标准的HMI计算机（包括软件和硬件接口）通讯。2.OPC通讯OPC是基于微软公司Windows操作系统的OLE技术，用于连接不同厂家的PLC硬件和HMI软件产品。西门子公司专为S7-200开发了OPCServer（服务器）软件，即PCAccess.的标准和协议，OPC作为一种工业标准，提供了工业环境中信息交换的统一标准软件接口，该接口位于应用程序的下方。因为OPC的统一性和开放性，使得用户程序可以访问不同供应商的硬件。OPC通讯接口的应用是基于客户端——服务器端的应用模式。各厂家只要为它们的产品提供一个标准的OPCServer，便解决了通讯连接问题，其他厂家可以使用不同的OPC客户端来访问标准的OPCServer，从而可以轻松地实现过程数据的监控。运行在计算机上的PCAccess软件与S7-200通讯，作为服务器；支持OPC标准的HMI软件，作为OPCClient(客户端)与PCAccess通讯，从而可以访问S7-200的数据。其典型应用如图9-2所示。9.2TD200文本显示器TD200（TextDisplay200）是专门用于S7-200系列的文本显示和操作员界面。TD200支持中文操作和文本显示。TD200是一个两行的文本显示器,每行20个字符。TD200V3.0及以上版本支持菜单组态方式,最多可配置8个菜单,每个菜单下最多可以组态8个文本显示屏,最多可以配置64个文本显示屏。用户可以使用面板上的箭头按键在各菜单及显示屏之间自由切换。TD200还可以显示多达80条报警消息，报警消息的显示与否由TD200的组态及CPU中的报警消息的使能位的状态决定。报警的配置与以前为TD200V2.1版本配置消息文本的方式相似，报警画面中也可以嵌入数据变量。无论是菜单屏还是报警消息，都可以嵌入S7-200数据变量，并且数据是作为地址单元间接访问的，因此数据地址是固定的，不会随消息文本的修改（甚至翻译）而改变。数据既可以显示，也可以由操作人员进行设置修改。使用TD200还可以设置CPU实时时钟，访问CPU内存变量，或对开关量输入/输出进行强制。在安全方面，TD200可以设置密码，以限制对设备的操作。西门子提供了两种TD200设备：TD200C和TD200。TD200增加了个性化的功能，可由用户定义自己的标识，按键布局，按键的多少（最多20个键）、大小、位置及颜色都可以改变。用户使用KeyPadDesigner软件为TD200创建面板键盘图，定义按键功能，并将生成的位图打印在西门子公司专门提供的TD200覆膜上，然后将其贴在TD200C上即可。在TD200向导组态时可以选择用户自定义键盘并选择在KeyPadDesigner中已经配置好的自定义键盘文件。组态完TD200C后，自定义按键的地址可以在向导生成的符号表中找到。如果不选择用户自定义面板，TD200C的面板键盘布局及功能与TD200相同。除此之外与TD200V3.0相比，TD200C除了拥有TD200所有的功能外，还增加了以下新功能：（1）可选的嵌入符号。（2）可视的按键反馈功能，即在设置此功能后，当按键有效按下后，TD200C屏幕上会有符号显示。（3）存储卡的操作功能（可将项目文件写入PLC存储卡中）。（4）直接对PLC存储单元的数值进行编辑（写入）。（5）改变PLC的操作模式（运行编程）。与TD200C相比，TD200面板的所有键的布局为固定的，不能随意更改。它提供了四个可预定义的功能键,使用Shift组合键，用户共可以定义8个置位（或瞬时通）功能。TD200C与TD200除了以上提到的功能区别外，其它功能都相同，以下提到的TD200为两种型号的统称。TD200包装中提供了专用电缆（TD/CPU电缆）用以与S7-200CPU连接，电缆能从CPU通讯口上取得TD200所需的24V直流电源。TD200同时提供了24V直流电源输入接口，仅供通过PROFIBUS电缆连接到CPU或PPI网络上时使用。TD200作为主站在PPI网络上工作。网路上的TD200（包括其它设备）都有唯一的地址。1个S7-200CPU的通讯口最多可以连接3个TD200；1个TD200只能与1个S7-200CPU建立连接。当S7-200CPU连接的TD200的距离超过50米，或者TD200的连接数超过CPU通讯口的限制时，可以将其连接到EM277DP从站模块上。EM277与TD200最远通讯距离可以到1000m，最多可以挂5个TD200。连接到同一个S7-200CPU的多个TD200可以访问同一个参数块，也可设置不同的数据块偏移地址按不同的参数块工作。不同的参数块可以分多次调用TD200向导定义产生。STEP7-Micro/WIN提供了集成的TD200组态工具。TD200的组态信息全部保存在S7-200CPU中，可以方便地更换TD200而不必重新组态。TD200通过设定S7-200CPU的地址决定访问哪个CPU，使用数据块偏移地址访问自身的组态信息（即TD参数块）。这些参数，包括TD200自身的地址和通讯速率等在TD200的系统菜单中设置。9.2.1文本显示向导文本显示向导可以指导用户快速地完成TD200的组态。Micro/WINV4.0以上的版本已经更新了其TD200向导，要使用TD200V3.0以上的版本或TD200C的新功能必须使用Micro/WINV4.0以上版本的软件对其进行组态。它同时还兼容对TD200V2.1及以前版本的组态功能。在STEP7-Micro/WIN导航栏的“工具”中单击“TD200向导”图标或在命令菜单中选择“Tools”＞“TD200Wizard”，STEP7进入向导组态TD200。以下主要是以TD200V3.0为例的组态步骤。TD200C的编程如果不选择用户自定义面板，则与以下步骤相似。在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“Yes”，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者存在没有编完的指令，编译不能通过，则不能继续编程。使用TD200向导的主要步骤有配置TD200、定义用户菜单、定义报警消息。1.配置TD200第一步：选择TD200型号及版本，如图9-3所示。通常确定自己所用的TD200设备的型号有两种方法：一是给TD上电，在初始画面上会显示出TD的型号和版本号；另外一种方法是在TD的背面找到其型号和版本号。第二步：选择及定义TD的功能和数据更新速率，如图9-4所示。第三步：设定语言及字体。将系统菜单及用户文本显示语言定义为中文。第四步：定义按键功能。加上Shift组合键功能，TD200一共可提供8个功能键（F1～F4，Shift+F1～Shift+F4）直接控制PLC中的数据位。每一个键都可以分别设置为置位或瞬时接通功能。如图9-5所示。图9-3文本显示器配置向导图9-4功能定义图9-5设置按键工作方式这些功能键的地址由向导自动分配，在修改了向导或进行翻译后，有可能引起功能键地址的变化。功能键地址可以在向导自动生成的符号表中找到。2.定义用户菜单及信息显示画面第一步：进入用户菜单设置，如图9-6所示。第二步：设置菜单。TD200一共可以定义8个菜单，每个菜单下可定义8个显示画面。菜单和显示画面不需要用S7-200中的逻辑控制，只需用TD200上的上下键就可在个画面和菜单中切换。第三步：编辑信息显示画面。如图9-7所示。第四步：在显示画面中嵌入S7-200的数据，单击“插入PLC数据”进入数据定义画面。如图9-8所示。嵌入数据应是S7-200中V区的数据，可以是字节、字以及双字，支持的数据类型有：