人機界面(HMI)是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與操作員可以接受形式之間的轉換。HMI作為人機交互的窗口普遍應用于棉紡、塑料機械、化工、包裝等行業的機械設備中。近年來，隨著計算機控制裝置在控制儀表基礎上發展起來以后，自動化控制手段也越來越豐富。

    可編程邏輯控制器(PLC)是專門為工業自動控制而設計的裝置，它具有功能強、編程簡單、可靠性高、使用方便等優點，在現代工業自動控制中得到廣泛應用。但單純的PLC控制系統，難以實現現場監控和工藝參數的現場設置和修改。對于小型的工業自動控制系統，可用HMI與PLC組成結構緊湊的現場監控型自動控制系統，可提高系統的實時管理和操作效率。

    液位是工業生產中最常見的控制參數之一，液位控制是過程控制中的典型案例，液位控制的好壞直接影響產品的質量，甚至是產品制造成敗的關鍵，所以液位控制具有廣泛的實際應用價值和應用前景。在液位控制系統中，將HMI與PLC結合起來，操作人員可在人機界面上實現對現場的過程控制，操作簡便易學、方便直觀，大大提高了系統的可靠性，而且能隨時動態顯示現場的重要信息，方便操作人員正確掌握現場的運行狀況，及時調整相關參數，使系統盡可能地工作于最佳狀態。

    基于此，燕山大學機電實驗室自主設計了1套液位監控實驗系統，為學生開設一門綜合型的實驗項目，以進一步增強學生的實踐動手能力。

1 系統硬件組成及功能特點

    實驗系統是基于HMI與PLC的液位控制系統，以PLC作為控制核心，配以液位傳感器、電磁閥及微機、觸摸屏、水泵、儲水箱、上下水箱等。通過PLC控制水泵的開關，進而保證液位可以按照控制要求達到設定水位，利用人機界面對水槽液位系統進行實時監控。系統的PLC選用實驗室現有的日本三菱公司的FXIN一40MR，其配置點為24點輸入、16點輸出。人機界面選用昆侖通態的TPC7062KS觸摸屏，運用MCGS軟件完成系統的組態。液位檢測采用防水設計的電容式NPN常開型接近開關。輸出選用發光二極管及蜂鳴器報警。系統控制方框圖見圖1。

圖1液位控制系統方框圖

    控制系統具有手動／自動兩種控制方式，可以根據生產的需要將液位分為3段來設定，并分段顯示。在自動控制時，當液位為最低極限時，系統會自動啟動水泵對水箱加水，操作人員可以設定液位值，液位到達設定值時發出聲光報警，并發出停泵信號，同時操作人員可以通過觸摸屏上的“確認”按鈕解除報警聲光。在手動控制時，在最高位時不能啟泵，最低位時不能停泵，其余任何時刻操作人員都可以對水泵進行手動開啟和停止動作。

2 HMI畫面組態過程

    人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數據存儲單元等。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統軟件和運行于PC機Windows操作系統下的畫面組態軟件。使用者都必須先使用HMI的畫面組態軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產品的串行通信口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。本實驗系統用的是MCGS畫面組態軟件，用戶在MCGS組態環境中完成菜單設計、設備連接、動畫設計、編寫控制流程等全部組態工作，在運行環境中完成對工程的控制工作。

    在選擇好相應硬件設備后，用MCGS組態軟件對該系統進行組態，具體組態過程如下：

(1)建立新工程。打開MCGS組態環境，定義工程項目名稱，指定存盤數據庫文件的名稱及存盤數據庫，設定動畫刷新的周期。

(2)制作工程畫面。工程畫面的制作在用戶窗口內完成，根據液位系統中所用到的硬件設備，在MCGS的設備工具箱中選取，然后放到合適的位置，讓系統中的物料流動，構成一個閉合回路，以實現與操作人員之間的交互式界面。圖2為液位控制組態畫面圖。

圖2液位控制組態畫面圖

(3)定義數據對象。實時數據庫是MCGS工程的數據交換和數據處理中心。數據對象是構成實時數據庫的基本單元，建立實時數據庫的過程也就是定義數據對象的過程。定義數據對象的內容主要包括：指定數據變量的名稱、類型、初始值和數值范圍，確定與數據變量存盤相關的參數。表1是液位控制系統的所有數據對象。

表1液位控制系統數據對象

(4)動畫連接。由圖形對象繪制而成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設計，才能真實地描述外界對象的狀態變化，達到過程實時監控的目的。MCGS實現圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立相關性鏈接，并設置相應的動畫屬性。

項目名稱，指定存盤數據庫文件的名稱及存盤數據庫，設定動畫刷新的周期。

(4)動畫連接。由圖形對象繪制而成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設計，才能真實地描述外界對象的狀態變化，達到過程實時監控的目的。MCGS實現圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立相關性鏈接，并設置相應的動畫屬性。

    在系統運行過程中，圖形對象的外觀和狀態特征，由數據對象的實時采集值驅動，從而實現圖形的動畫效果。

(5)編寫控制流程。在運行策略窗口內，從策略構建箱中選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊，由這些模塊實現各種人機交互操作。對于復雜的系統，正確的編寫腳本程序，可以簡化組態過程，大大提高工作效率，優化控制過程哺。引。液位控制系統部分的腳本程序如下：

IF選擇開關=1 AND低液位傳感器=0 AND正常液位傳感器=0 AND高液位傳感器=0 THEN水泵1開關=1水泵開關2=1水泵開關3=1ENDIF

(6)運行調試。系統組態完成后首先進行組態檢查，在確認沒有錯誤的情況下進入運行環境。

3控制程序設計

3．1控制程序流程圖

控制程序流程見圖3。

圖3控制程序流程圖

3．2 PLC編程說明

由于在組態過程中使用了腳本程序，使得PLC控制程序得到了很大的簡化。

(1)系統具有自動、手動2種控制方法。可分3段設定和顯示，在最低液位時自動啟泵，當液位到達設定值時自動停泵。

(2)采用電容式接近開關檢測液位時，當液位到達檢測點時其觸點閉合，指示燈點亮；液位離開檢測點時其觸點打開。為保證相應測量段的指示燈不立即熄滅，同時不受液位波動的影響，每段指示燈的控制均采用自鎖形式，只有當液位上升或下降到相鄰段時指示燈才熄滅。

(3)當液位到達檢測點時，液位指示燈閃爍，由于燈光采用定時器，故計數器以1 S為周期閃爍；若液位到達設定值時，自動停泵，并設置蜂鳴器報警，報警聲設計為響3 S、停1 S，循環20 S后自停，或在20 S內按確認按鈕關閉蜂鳴器，指示燈傳平光。

(4)手動控制時，在最高位時不能啟泵，最低位時不能停泵。

4結束語

    本實驗系統采用PLC作為系統控制核心，并融人組態技術，組成了結構緊湊的現場監控型自動控制系統，提高了系統的實時管理和操作效率。學生在實驗過程中可以完成硬件系統的設計、連接和軟件程序的編制。實踐證明，該系統具有穩定性好、重組性好、便于升級擴充等優點，非常適合學生自主動手實驗，并可以以此為基礎進行更深入的研究。