高位码垛机操作与监控一体化系统的人机界面设计

0 引言

随着工业4.0的到来，在自动化设备领域，人们都希望生产现场设备操作更智能化、人性化，而对过程的控制更可视化。若要想提高所有设备协同作业的生产效率，就必须要保证每个设备工作的连续性和高效性。而目前我国生产的大多数高位码垛机控制方式单一、交互性差、维修相对麻烦。所以本文将PLC与HMI技术相结合，设计出能运行在高位码垛机上的控制与监控一体化人机界面，使操作人员在人机界面上实现对现场的实时操作及动态监控，同时方便于维修人员对故障的排除，让系统尽可能工作在最佳状态。

1 系统硬件

高位码垛机操作与监控一体化系统主控制器采用了西门子新一代的S7-1500系列PLC，操作监控设备使用的是西门子TP1500精智面板。

图1 .1 操作监控一体化系统组态网络

如图1.1所示，系统组态网络是由1516F-3通过交换机与HMI连接组成的Pro fi net网络，并使用TCP/IP标准协议方式进行通讯。由于高位码垛机的机体较大、布局较为分散，所以采用了分布式I/O控制，同时在Pro fi net网络下，挂了3台西门子G120S通用变频器，用户可在HMI界面通过Pro fi net网络对变频器的工作状态及数据进行设置。

2 HMI设计

根据高位码垛机控制与监控一体化的设计要求，HMI界面必须具备运行可靠、操作稳定、界面友好、信息显示直观清晰等特点。整个HMI组态由登录界面、操作界面、监控界面、参数设置、报警信息等几部分组成。为了能方便软硬组态、通讯、编程及HMI界面的设计，本文使用了TIA博途V13 SP1作为工程平台。

图2.1 人机界面总体框架图

2.1 登录界面

如图2.2所示，不同的用户进入系统后权限也不相同，一般的访问者只能拥有监控权限，而操作与维修人员则拥有操作与监控的双重权限，在登陆后也可以根据访问者的权限设定自动注销时间。若按了界面上的“退出系统”，则回到登录界面重新登录。

图2.2 登陆界面

图2.3 流程监控界面

2.2 监控界面

如图2.3所示，在系统的监控界面中，用户可以选择流程监控方式观测当前高位码垛机组态运行的整个过程，也可以通过选择视频监控方式观测设备实际运行画面。在流程监控界面中，PLC将传感器采集或设备反馈回来的各类信号处理后传送给HMI，用户可以通过该界面对货物当前位置、各传输机运行速度、升降机高度、推包机气缸压力及码垛层数等数值进行实时监测。若发生故障或某些数值超过、低于所设限定值时，整个系统将停止工作，同时报警灯亮起并在界面中以故障器件闪烁的方式显示故障区域。

2.3 操作界面

传统高位码垛机运行的方式分为手动运行与自动运行，切换方式一般都是使用控制柜上的转换开关来实现的。而在本设计中，手动与自动的切换均可在触摸屏上来完成，达到远程控制的目的。但注意一点，当手自动运行模式互相切换时，所有的传动设备都必须处于停止状态，以防意外发生。图2.4为手动操作界面，在手动运行下，操作人员在触摸屏上便可控制各个电气执行相应工作。当一些位置信号被传感器检测出，经PLC处理后送入HMI，这时界面中对应指示灯也会同步闪烁，而界面右侧的一些基本数据也能实时的提供给操作人员作为参考。

图2.4 手动操作界面

图2.5 自动操作界面

2.4 参数设置界面

图2.6是参数设置界面，在此界面中，操作人员可以根据实际工况对高位码垛机的各部分传送机的速度进行设置，同时还能设置相关工艺初始参数及过程参数的上下限。当实际值超过或低于预设值，系统将自动报警，并在监控流程界面中提示维修人员检查设备。

2.5 报警信息界面

图2.6 参数设置界面

图2.7 报警信息界面

HMI组态的报警可分为：离散量报警、模拟量报警及控制器报警，同时也以把当前的报警的状态分为错误、警告及系统事件等。当产生报警后，PLC与HMI会对系统产生的反馈进行归类记录，并在报警信息界面显示出来，如图2.7所示。维修人员也可以调用历次报警的详细信息，便于处理系统故障。

3 结束语

高位码垛机操作与监控一体化系统人机界面设计结合了PLC与HMI技术，实现了对设备的远程手动/自动控制，并可对整个工作流程进行可视化监控与实时在线监测。通过人机界面可以对系统各参数随时修改及设定。此外，还能对生产过程中出现的报警信息进行有效地记录，为今后系统的升级提供数据基础。