基于GE Proficy/HMI SCADA-iFIX的综合监控系统人机界面开发与设计

孟庆波， 张惠敏

(1.郑州铁路职业技术学院电气工程系， 郑州 450052; 2.郑州铁路职业技术学院电子工程系，郑州 450052)

1 概述

当前，我国地铁建设和运营进入高速发展时期。综合监控系统作为一种大型分层分布式集散系统，可以提供一个信息互通和资源共享的平台，整合系统资源，优化体系结构，提高信息采集和控制处理的实效性，确保运营安全并提升管理水平。在系统构架设计中，综合监控系统通常包括网络、硬件和软件3种构架，且其软件架构一般包括接口通信层(包含通信协议)、应用数据处理层(包括数据库服务系统)、人机界面层(包括SCADA软件平台系统、用户定制应用功能模块)等[1]。目前，综合监控系统的软件开发平台主要有英国Invensys Wonderware公司的Wonderware ArchestrA、法国Thales IS公司的SCADA Soft、澳大利亚Invensys Rail公司的SystematICS、澳大利亚Foxbro公司的RailSCADA、新加坡科技电子公司的C3、北京和利时公司的MACS-SCADA、国电南瑞公司的RT21-ISCS、北京南凯监控系统工程有限公司的RAILSYS等[2]。本文基于美国通用电气公司(GE)的Proficy HMI/SCADA-iFIX软件平台，开发和设计地铁综合监控系统软件架构的人机交互界面。

2 GE Proficy HMI/SCADA-iFIX简介

Proficy HMI/SCADA-iFIX是美国通用电气公司(GE)最为重要的上位监控软件产品，专为在工厂级和商业系统之间提供易于集成和协同工作的设计环境和高性能的自动化监控解决方案。iFIX的HMI作为监视控制生产过程的窗口，可以提供设计、开发人机界面所需要的所有工具；而iFIX的SCADA则提供监视、报警、管理和控制功能，以实现数据的绝对集成和真正的分布式网络结构。

基于强大的SCADA引擎、丰富的通讯连接能力和开放的系统架构，GE Proficy HMI/SCADA-iFIX可以提供丰富的功能特性：基于Windows XP/2003/7/2008、SQL/ODBC容易与关系数据库集成、过程可视化(HMI)、监视控制(SCADA)、基于用户和基于节点的安全管理、实时历史趋势、数据采集及数据管理、报警和报警管理、智能图符生成向导、ActiveX控件数据库连接、基于时间和事件调度、内置VBA、支持OPC服务器和OPC客户端、基于对象的图形界面、工作台开发环境等。

GE Proficy HMI/SCADA-iFIX的技术优势主要体现在快速的系统开发配置和应用集成等2个方面。iFIX开放性的功能特性可以实现与第三方应用之间的无缝集成，减少项目的开发时间，缩短系统的升级维护过程，综合性能(易用性、安全性、稳定性等)非常显著。作为分布式结构的技术核心，iFIX在标准WINDOWS技术的基础上进行开发，利用PLUG&SLOVE结构及COM组件技术，ActiveX、OPC、VBA也可像COM一样，可在广泛局域网和互联网基础上提供第三方应用的简单集成。

3 系统功能概述

地铁综合监控系统的集成子系统一般包括电力监控系统PSCADA、环境与机电设备系统BAS、火灾报警系统FAS等；而对屏蔽门系统PSD、防淹门系统FG、自动售检票系统AFC、门禁系统ACS、乘客信息系统PIS、公众广播系统PA、闭路电视系统CCTV、信号系统SIG、自动列车监控系统ATS等子系统则进行界面集成或互联。这种系统间的集成、互联和信息交互构筑了一个信息共享平台。本文构建的地铁综合监控系统人机交互界面，集成、互联了综合监控系统的8大子系统，接收来自综合监控各子系统的数据信息，或采用系统的内部触发信号源，模拟地铁综合监控系统的基本功能，实现了一个模拟大型分层分布式集散控制系统。其基本功能包括：操作安全、稳定友好的人机交互；建立实时数据库；数据采集保存；历史数据查询；报警一览及历史报警查询；实时监控；日报表的生成、保存、打印等。本文主要针对用户安全策略与登陆界面、主菜单和主界面、电力监控PSCADA、环控BAS、火灾监控FAS、列车信号ATS、闭路电视CCTV、报警一栏等设计进行重点阐述。

4 系统设计与实现

4.1 系统架构设计

该系统包含3个站点，集成或互联8个子系统。8个子系统可分别归入实时子监控系统和事务管理系统，如图1所示。

图1 子系统的划分

4.2 系统具体实现

4.2.1 用户安全策略与登陆界面

综合监控系统人机界面采用用户安全策略：只有相应权限的工作人员才能登录指定的子系统；成功登入后显示相关专业信息，进行相关操作；有些关键操作需要进行授权，并给出相关提示。用户安全策略(分配)如表1所示。用户登录界面时，必须判断该用户的权限，是否允许其进入相应的子系统。实现界面登录的功能可由VBA脚本来实现。

表1 用户安全策略(分配)

4.2.2 主菜单和主界面

图2显示了综合监控系统的架构。根据此架构，搭建的主菜单如图3所示。主菜单分为3层，包含3个站点(第一层)、8个子系统(第二层)和13个界面(第三层)。为完成主菜单的调用，需设置3个全局变量，每一层对应1个全局变量。通过3个全局变量的值，来判断主屏幕应该显示哪个车站的子系统。设计该人机界面需要4张图片：主菜单2张图片、主界面和报警一览各1张图片。主菜单中，一、二级菜单在一张图片里，三级菜单在另一张图片里。一、二级菜单基本不变，通过一、二级菜单的选择，来判断第三级菜单的显示内容，通过打开或关闭图片的方法来实现。调用13个界面时，通过添加timer控件，实时扫描全局变量的值，判断屏幕中该载入哪个标签组。主界面主要显示地铁总体线路图，可以查询线路走向、车站名称和具体位置等整体信息；也可以根据具体需要，自由调看图片信息(放大、缩小、左移、右移、上移、下移等)。在地铁总体线路图中，通过编辑VBA脚本，可实现上下左右移动和放大缩小图片的功能。

图2 综合监控系统架构

图3 主菜单和主界面设计

4.2.3 电力监控PSCADA

电力监控PSCADA主要监控车站一次主接线图。图4为电力监控的车站一次主接线界面，它可以实时监控所选车站一次电力设备的电压和电流等数据；拥有操作权限的电力调度人员也可以进行关键隔离开关的分合闸等操作，以完成远程电力调度[3]。在车站一次主接线界面中，建立模拟信号数据源，通过数据戳添加该数据源可模拟电压和电流的实时数据；单击阀即可对数字量数据源取反，改变阀的状态，实现隔离开关的分合闸动作；阀的数据戳通过可视动画设置成隔离开关合闸时可视和分闸时不可视；且该阀具有电子签名功能，只有一定权限的人才可对其操作。

图4 电力监控PSCADA设计

4.2.4 环控BAS

环控BAS主要监控大系统和小系统，其设计如图5所示。(1)大系统主要负责车站公共区域(站台层、站厅层)的环境状态调节。可以监控送风通道中空调机组BLQ-A的启停(冬夏季节常开/春夏季节停用)。可以控制进出风通道中自动送风机ZSF、自动排风机ZPF的开闭(运行状态常开/严重火灾不可控时关闭)。自动控制空调通风管道的通断。ZSF/ZPF设备可以实现界面操作，以查看电机实时转速数据和曲线图等信息。(2)小系统主要负责车站办公区和设备区(站台层、站厅层)的环境状态调节。可以监控相关区域的设备启停、开闭和空调通风管道的通断状况。空调机组的运行状态可根据季节进行设定。当春秋季节时，空气比较适宜，为了节省电能空调关闭，打开DM-A4。当冬夏季节时，空调打开，关闭DM-A4。由于2个状态相反，可用同一个数据源，使它们的状态为一开一关。选择春秋模式，对数据源写1操作。选择冬夏模式，对数据源写0操作。在空调的数据源中，设置电子签名校验，即需要有电子签名校验权限的人才可对此数据源进行操作。

图5 环控BAS设计

4.2.5 火灾监控FAS

火灾监控FAS主要监控车站公共区、办公区和设备区(站台层、站厅层)的火灾紧急状况信息，其设计如图6所示。每个区域设置感温探测器和烟雾浓度探测器；当检测到某区域温度或烟雾高于设定值时，该区域会出现火灾声光综合报警信息。在界面中添加温度和烟雾浓度检测，并设置成滑动输入和梯度输入。火灾报警的判断条件设定为温度超过70 ℃或烟雾浓度达到80%自动报警。报警现象为火灾区出现闪烁区域框并伴随报警声音。iFIX通过PG块判断是否报警。当温度或浓度达到报警限值时，调用报警声音文件，产生声音报警。未达到报警限值时，则关闭报警声音文件。报警区域框通过动画设置成闪烁。

图6 火灾监控FAS设计图

4.2.6 列车信号ATS

列车信号ATS主要监控上下行线路的行车状态信息，可以实现自动、手动2种模式下的行车调度；可以根据列车位置，通过广播系统PA向乘客实时报站；当出现中途故障停车时，发出高级别警报，封闭故障区间，并通知行车调度和信号专业及时快速排除故障。其设计如图7所示。

图7 列车信号ATS设计图

行车调度可设定为自动调度或手动调度模式。当为自动模式时，手动行车调度按钮均不可操作。自动模式应用iFIX中的时间调度项，每日触发，7：00：00开车，23：00：00停车，如图8所示。若有特殊情况，需人工实现行车调度时，可切换成手动模式。当ATS出现故障导致意外停车时，列车位置图显示停止，弹出报警对话框并伴随声音报警。行车调度员确认报警后，报警取消，列车才可以继续行驶(此操作为关键操作!需通知信号专业处理隧道区间或站台区间ATS设备故障，解除区间闭塞锁定，才能恢复正常行车)。上、下行列车离开或到达车站时，可利用PG块，发出报站语音广播提示。

图8 基于时间项的自动调度模式

4.2.7 闭路电视CCTV

闭路电视CCTV主要利用摄像头以实时监控或视频形式来显示车站、行车、客流等信息[4]。为了实现实时监控，在VB6.0中需预先编写脚本程序实现摄像头的调用，在界面中设置按钮，通过编辑VBA脚本，调用VB6.0已生成的camera.exe文件，即可完成在iFIX中对摄像头的调用，其设计如图9所示。在界面中，利用视频控件可实现车载视频监视和车站视频监视功能，如图10所示。

图9 闭路电视CCTV设计图

图10 车载视频监视和车站视频监视

4.2.8 报警一栏

报警一栏可以显示系统所有的报警信息，也可通过过滤功能进行数据筛选，显示当前系统的监控、报警信息，其设计如图11所示。在报警一栏中添加定时器，通过在定时器中键入VBA脚本，可实现操作员级别判断的功能。iFIX还可以通过已编写的VBA脚本程序，能判断出当前操作者打开的是哪个子系统，并可以对报警信息显示进行有选择性的过滤。

图11 报警一栏设计

另外，乘客信息主要监控视频控制机柜和液晶显示屏LCD，可向上行站台和下行站台的LCD输出乘车、广告和紧急等信息，供乘客观看。屏蔽门主要监控上行站台和下行站台屏蔽门，可监控屏蔽门的电源故障、总线故障和信号故障灯信息[5]。日报表采集和记录系统各项实时数据(每天零点开始、间隔1 h、整点采集)，并可实现在监控界面内查看、手动保存和打印功能。报警历史、历史数据曲线主要向用户显示重要数据源的历史数据曲线和所有的历史报警(操作用户、时间、操作内容等)，便于事故调查。限于篇幅，在此不再赘述。

5 结语

在综合监控应用模式中，软件平台已经成为技术方案的核心内容和技术精华。在软件平台基础上可以进行数据采集、处理、监视和控制，实现监控系统的各

项功能。基于软件平台可开发各种城市轨道交通和铁道实时应用系统，并保证系统实时性和可靠性。由于地铁综合监控系统软件综合性强、技术复杂、价格极其昂贵，掌握该技术的多为国外公司[5-6]。在地铁建设过程中，在成本允许的情况下，由国内有较强实力的软件系统提供商采用国外成熟软件平台实施，不失为一种稳妥的做法[7]。国内公司可针对综合监控系统软件平台中的实时数据库管理、历史数据库管理、网络通信管理、人机界面管理、报警管理和权限管理等模块中的一项或几项进行重点研究，有所突破。

本文基于GE Proficy/HMI SCADA-iFIX，对地铁综合监控系统的人机界面进行开发和设计，在以下几个方面进行了技术尝试和方法创新：(1)大型分层分布式集散控制系统(集成/互联)人机交互界面HMI设计策略；(2)用户安全策略(权限分配登录、关键操作授权)；(3)环控模式控制；(4)火灾监控声光综合报警；(5)列车信号(基于时间项的调度、实时报站、ATS故障报警)；(6)实时视频监控；(7)报警一览、数据筛选过滤等。本文完成的项目具有鲜明的地铁特色和强大的系统集成优势，是GE智能平台iFIX组态软件技术在地铁综合监控系统领域的一种探索和尝试，希望对相关应用具有一定的借鉴价值，而产品化的解决方案还需要完成超大规模试验系统的压力测试，才能完全满足SCADA系统的高可靠性要求[8]。另外，目前国内公司(如北京和利时)正在研发或实施在统一的系统软件平台上深度集成ATS子系统，以提供行车指挥为核心的综合监控系统解决方案，是今后综合监控系统的发展方向[9-11]。

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