基于组态软件的人机监控系统开发过程

文│ 中国汽车工业工程公司自控工程院 张成礼 庞洛明 曾 鹏

基于组态软件的人机监控系统开发过程

文│ 中国汽车工业工程公司自控工程院 张成礼 庞洛明 曾 鹏

1 引言

组态软件是一种面向工业自动化领域的通用数据采集与过程控制的技术软件，具备对工业自动化系统的监视、控制、管理等功能，同时也提供丰富的、易于使用的手段和工具来实现这些功能。

使用组态软件作为二次开发平台，通过类似“搭积木”的简单方式可以快速构建人机监控系统，开发效率高、性能稳定可靠。本文提出如何利用软件工程思想开发基于组态软件的人机监控系统，来保证开发质量和开发进度。

2 需求分析阶段

需求分析就是提出监控系统需要实现的功能及技术要求，是系统开发的首要阶段。

（1）需求调查

这个阶段是根据监控系统每个被控环节对应的工艺流程图、自动控制原理图、设备布置图，进行需求分析、资料收集，以获得对系统的初步了解。需求调查可以参考以下内容：

◆ 要监视哪些现场设备的那些实时运行数据；

◆ 要控制哪些现场设备、设置哪些被控参数；

◆ 要建立哪些现场设备的哪些报警信息；

◆ 哪些数据需要采集保存，要保存的模拟数据采样频率是多少；

◆ 哪些关键数据变化需要用趋势图进行表示；

◆ 需要打印哪些报表，报表格式是什么；

◆ 用户权限如何设置；

◆ 是否需要把监控数据上传到管理部门或接收管理部门的管理数据？如果需要，哪些数据需要上传或接收，采用什么传输方式；

◆ 是否需要多种语言界面切换；

◆ 是否需要通过因特网实现远程监控。

（2） 需求分析

对需求调查获得的初始需求进行分析描述。

（3） 需求确认

针对需求分析的结果，经相关人员讨论、评审，形成需求分析文档。

3 总体设计阶段

总体设计的主要任务是将系统进行模块划分、建立模块的层次结构及调用关系，制定命名规范、界面设计原则，为详细设计提供基础。

（1）变量命名规范

业主有具体要求的，使用业主要求的变量命名规范；公司内部有具体规范或标准的，使用公司规范或标准命名规范；其他情况时，遵循以下原则制定适合项目的命名规范：

◆ 规范要统一、层次结构清晰明了；

◆ 参考项目设备命名规范；

◆ 参考PLC变量命名规范；

◆ 参考行业标准、国家标准、软件编程命名规范（如骆驼式命名法、匈牙利命名法）。

（2） 人机界面设计

人机界面是人与机器进行交互的操作方式，要求操作简单且具有引导功能，使用户感觉方便、增强用户兴趣，从而提高工作效率。

①总体布局设计

屏幕总体布局应力求简洁、平衡、一致。典型的屏幕总体布局界面从上到下分为三部分：标题区、图形显示区以及导航按钮区。

②结构体系设计

一个界面显示的信息是有限的，当需要显示的信息较多时，为了保证界面的简明性和友好性，通常采用分层布置方式把需要显示的信息在多个界面中进行显示，然后通过导航按钮在多个界面中进行切换。分层布置方式可按功能相似性分层、按所属子系统分层、按所属区域分层等方式。简单合理的结构体系能够使用户快速打开要查看的界面。

系统结构要按照分级浏览、逐级细化的原则进行设计。典型系统通常采用三层结构：第一层为总览界面，显示系统总体信息、重要信息、协同信息及各部分之间的相互关系等；第二层为过程界面，显示指定部分的详细信息，并显示设备状态信息、报警信息等；第三层为详细界面，显示指定设备的信息，如控制开关、控制阀、控制电机等，并显示消息、状态和过程值。

③ 一致性原则

人机界面一致性有助于用户学习操作、减少操作出错率，它通常表现在以下几个方面。

◆ 风格的一致性：如色彩搭配、系统术语、图标与符号等；

◆ 控件的一致性：将控件根据操作习惯和交互需要进行分类组合；

◆ 操作的一致性：对于常用或重要功能，要保持操作方式的一致性，同时还须注意要符合用户的使用习惯。

在总体设计阶段，制定出屏幕上所有对象的设计原则，如按钮对象要制定出按钮的颜色、大小、凹凸效果、字体、字号等。

④信息反馈

信息反馈是指系统对用户的操作所做出的反应，表明用户的操作是否为系统所接受、是否正确以及操作的效果如何。反馈可以是文本、图形和声音等形式。

⑤颜色搭配

人机界面上合理使用颜色可以更好地进行提示操作，还能缓解操作者的视觉疲劳。使用颜色时应注意以下几点：

◆ 所用颜色一般为3～5种；

◆ 人机界面中活动对象的颜色应鲜明，而非活动对象应暗淡；前景色宜鲜艳一些，背景则应暗淡。提示和警告等信息的标志宜采用红色、黄色；

◆ 避免不兼容的颜色放在一起（如黄与蓝、红与绿等），除非作对比时用。

⑥ 图形利用

图形具有直观、形象、信息量大等优点，在人机界面中使用图形可增强操作的可理解性及易学易用性。使用图形时应力求简单化、标准化，并优先选用已经创建并普遍被大众认可的标准化图形和图标。

⑦字体及大小选用

一个人机界面中，最好不要有太多的字体，更不宜选用字型太复杂字体，宜选用简洁、清晰、易辨识的字体。

人机界面设计中常用字体有中文宋体、中文楷体、英文“Times New Roman”等，这些字体容易辨认、可读性好。文字的大小常选用2～3种字号，使显示信息清晰并保证风格统一。

（3） 操作权限设计

组态软件都提供完善的安全机制，让用户能够自由组态来控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员才能对某些功能进行操作。

组态软件采用与Windows NT类似的操作权限机制，即采用用户组和用户的概念进行操作权限的控制。操作权限的分配是对用户组进行的，某个用户具有什么样的权限由该用户所隶属的用户组来确定。典型的用户组划分包括操作员组、技术员组、维修员组、负责人组、管理员组。

某些比较重要的操作（如可能危及生产安全或可靠性的操作），在人机界面设计中要注意连锁控制和保护诊断。对于不符合正常运行操作或逻辑顺序的控制信息输入要给出提示或警告信息，按分类和级别拒绝执行或等待进一步确认后才执行。

（4） 报表方案

组态软件本身通常都具有报表生成及处理的能力，但是存在国外组态软件的报表格式不符合国内用户要求、组态软件处理复杂报表比较困难的情况。这时，可以采用以下两种方法实现报表功能：一是使用高级编程语言开发报表打印程序（如VB、VC、PB、Delphi等），编译成可执行程序后在组态软件中调用；二是使用组态软件的脚本语言，与Excel相结合，利用Excel强大的制表功能，实现报表打印功能。

4 详细设计、编程及单元测试阶段

根据总体设计，严格执行制定的规范或原则，在组态软件中进行完整、严密的详细设计及编程，并及时进行单元测试，完成需求分析所要实现的功能。

（1） 变量定义

①使用接口数据块

建议在PLC中建立用于接口功能的数据块，作为组态软件获取变量的中介。这样，可以保证监控系统和PLC编程人员同步工作。当PLC程序完成后，只需在PLC中将PLC变量赋值到DB变量或将DB变量赋值到PLC变量。不仅保证了工程进度，而且也起到隔离作用。

②恰当使用结构变量

在实际的工业现场及应用中，经常会遇到多个设备需要显示相同参数（组）的情况，如现场有多个电机，每个电机需要显示和控制的参数（组）都相同，只是不同电机的参数（组）数值不同。这时，可以使用结构变量，不仅提高了工作效率，还减少了错误的可能性。

③充分使用导入导出功能

通常，PLC编程软件和组态软件都具有导入导出功能或工具，要熟练和灵活运用这些功能，快速定义PLC中的接口数据块和组态软件中的变量。

（2） 画面设计

◆ 操作权限用户组定义；

◆ 根据工艺过程，绘制、设计人机界面的结构和框架；

◆ 人机界面设计及调试；

◆ 实时及历史报警界面设计及调试；

◆ 实时及历史趋势界面设计及调试；

◆ 报表系统设计。

对于多个设备的相同界面，要使用画面模板功能。画面模板和结构变量配合使用，能够避免重复组态相同的画面，减少组态人员的工作量，还能减少项目维护的工作量，提高系统的可维护性。

为了加快开发进度，建议在界面设计过程中，图形对象的变量连接、权限分配、界面调试同时进行；如要求多语言界面，也要同步进行。避免出现所有界面设计完成后再进行变量连接，变量连接全部完成后再进行权限分配的情况。

（3） 单元测试

每个界面的测试都要与设计同步进行，界面测试方法如下：

◆ 把与PLC连接的驱动程序设置为仿真状态；

◆ 建立一个专门用于测试的界面，根据被测试界面上的变量，在测试界面上相应地设置开关控件或数据控件；

◆ 在测试界面上改变变量的数值，观察被测试界面的显示是否符合设计要求。

（4）脚本语言编程

大部分组态软件都提供了脚本语言，其中以VBScript最为广泛。当某些复杂的动作或不同的功能通过简单的组态实现时，就需要使用脚本语言编程实现。正确地编写脚本程序，可简化组态过程，大大提高工作效率，优化控制过程，提高系统的灵活性。

5 综合测试及试运行阶段

（1） 总体调试

主要对监控系统的整体结构及其调用关系进行测试。

（2） 通信调试

把与PLC连接的驱动程序设置为硬件状态，正确设置IP地址及相应的参数。测试监控系统和PLC中的接口数据块是否通信正常。

（3） 运行调试

建立PLC变量与接口数据块中的对应关系：在PLC中将PLC变量赋值到DB变量或将DB变量赋值到PLC变量。对应关系建立后即可进行运行测试。

（4） 试运行

监控系统经过测试和完善可以投入试运行。

根据试运行的结果，诊断和改正在使用过程中发现的软件错误；根据用户的要求改进或扩充系统。

6 结束语

人机监控系统不仅要保证功能性，对界面质量也提出了更高的要求。开发人员不但要熟悉组态软件的使用，还要熟悉生产工艺及控制原理、PLC编程、软件设计、美术等方面的知识。

人机监控系统的过程中，只有在需求分析、设计、开发等各个环节实施质量保证措施，才能保证监控系统的质量。监控系统开发全程要做到“有法可依，有法必依”，并要高度重视各个环节辅助工具的使用，这样才能较好地保证最终产品的质量。