基于WinCC的冷轧机HMI控制面板技术

李跃峰

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳471039)

1 冷轧机控制系统HMI的特点和功能需求

冷轧机控制系统是非常复杂的顺序控制系统，自动化程度高，操作维护人员少，因此对于控制系统的人机界面要求很高。

(1)要求控制系统实现多种控制手段，除了操作台上的按钮、开关控制，还要求在HMI上实现手动控制。由于冷轧机控制系统结构复杂，受控对象繁多，很难保证控制系统中的各个部件始终正常运行，按钮损坏的情况下，如果HMI上没有备用的操作手段，将影响整个系统的生产。而且控制系统中有大量的自动化流程，很难保证流程能够始终正常运行，如果流程中断，又没有有效的替代操作手段，也将影响生产的正常进行;

(2)要求控制系统HMI提供强大的信息显示和诊断功能。冷轧机控制系统不但受控对象繁多，还有大量的检测元件和保护元件。系统运行过程中，执行元件、检测元件和保护元件都会产生大量的信息，告知系统自身的运行情况。控制系统需要通过HMI以各种形式告知操作员系统各部件的运行状态。如通过报警警示操作员异常情况，通过联锁消息提示操作员正确的操作等。如果没有完善的信息显示和诊断功能，系统中的小故障可能会发展，严重时导致停机甚至事故;

(3)要求控制系统HMI运行稳定，安全可靠。可靠性是控制系统设计的最关键要求，对于控制系统的HMI也一样。按钮操作完成的动作，用HMI操作也要可靠地完成。信息显示和诊断信息也必须正确，不能出现信息显示不正确和误报警的情况。

2 冷轧机控制面板技术的特点

根据冷轧机控制系统的特点和对HMI的功能要求，我们在西门子WinCC过程监控系统基础上进行二次开发，实现了一系列HMI控制面板。这些面板能够适用于冷轧机中多数受控对象(如开关阀、调节阀、普通电机、变频器)，并为这些对象提供远程操作、信息显示、故障诊断等功能。除了实际对象面板，我们还实现了一些虚拟对象的面板，如PID控制面板、联锁监控面板，以满足一些通用功能的控制要求。

通过这些面板的使用，使冷轧机HMI的功能大大增强，能够满足用户对于轧机设备的操作、诊断等要求。由于这些面板应用了面向对象的编程思想，所有同类受控对象应用同一种控制面板，通过对几类面板的不断应用和优化，能够确保这些面板的稳定性和可靠性，从而使得HMI整体功能的完整性增强。

对于控制系统设计开发者来说，使用这些面板能够减轻以往繁重的画面组态工作，大量的阀门、电机面板能够实现批量配置，使设计者将主要精力用于HMI的完善和优化，不仅能够减少画面组态的时间，而且能够提高HMI的完成质量。

3 冷轧机HMI控制面板实现

3.1 HMI控制面板的结构

面板包括图标和面板画面两部分，图标组态在过程画面中，显示相应对象实例的简要信息和状态，如对象的名字、实时状态指示和所处模式等，并负责激活对象面板。

对象面板以弹出画面的形式显示，用于显示对象实例的详细信息，将信息分类后可分别放在不同的面板视图中显示，如基本视图、维护视图及其他试图(图1)。

图1 面板图标、面板画面以及对象关系图Fig.1 Relations diagram of panel icon，panel graphic and object

3.2 HMI控制面板的图标

典型的图标结构如图2所示。图标由四个组件构成，其中，对象名称组件用于标识对象实例和存储对象变量名;状态显示组件用于显示对象的实时状态;消息显示组件用于显示对象的报警消息，采用WinCC自带的Group Display组件，结合轧机标准画面框架，可将对象消息上传至总览窗口中显示，实现对象消息追溯功能;模式显示组件可显示对象所处的模式状态，如手动、自动模式等。

图2 图标结构图Fig.2 Layout of icons

3.3 HMI控制面板的主画面

每个对象的面板画面均由一组画面构成，以电机面板为例，该面板有以下六个画面和组件:

面板画面框架 @pg_motor.pdl(pdl为WinCC画面文件的文件格式名);

面板标准视图 @pg_motor_standard.pdl;

面板维护视图 @pg_motor_maintenance.pdl;

面板视图选择控件 @pg_motor_viewlist.pdl;

面板总览控件 @pg_motor_overview.pdl;

组视图框架 @pl_motor.pdl。

其中@pg_motor.pdl为面板主画面，其布局如图3所示。

3.4 冷轧机控制面板的组视图

不同视图组合起来，即是面板组视图@pl_motor.pdl(图4)。

组视图的上方面板总览控件和@Faceplate组件，和面板主画面相同，下方显示3个不同的视图窗口，即标准视图、维护视图和消息列表窗口。消息列表窗口只显示当前对象实例的消息，将系统消息、过程消息和其他对象消息过滤。组视图可以全面显示执行对象的所有信息和进行所有操作，还能以文字方式显示对象的诊断信息，带给操作人员和工程师良好的操作体验。通过面板画面中右上角的小按钮，就可以调出面板组视图。

图3 面板主画面结构图Fig.3 Layout of home screen on the panel

图4 组视图示意图Fig.4 Schematic illustration of group view

3.5 面板库的开发

不同类型面板的体系结构和上述电机面板的体系结构相同，变量链接和面板切换的原理也相同，用于区分不同类型面板的是上述面板画面名称中的关键字，电机面板的关键字是motor，阀门面板用关键字valve替换motor，再对各视图画面进行相应的修改，就形成了阀门面板。因此，应用这种面板技术可以根据实际需求随时增加新的面板，经过一段时间的积累，就可以形成一个一定规模的面板库，满足项目组态的各种需求。

开发视图窗口画面时，首先要将需要的信息和操作归类，根据实际情况划分到不同的视图中，画面元素要尽量精简，用消耗资源最小、刷新画面最快的方式组态画面;另外画面大小与框架画面的大小应匹配，使面板结构最合理，显示效果最佳。

4 VBA批量配置面板技术

批量生成面板图标时，需要对WinCC画面进行设置动态化、添加脚本等操作，要求组态软件提供操作接口。WinCC在画面编辑器中提供了强大的VBA接口，通过VBA接口，第三方开发者可以访问WinCC画面系统的绝大部分区域，可以编辑画面、画面动态、事件响应，访问变量系统、文本库、图库、报警系统、报表系统。VBA甚至可以改变图形编辑器的界面，在图形编辑器中添加菜单和工具栏等(图5)。且VBA本身就是WINDOWS提供的开发工具，可以访问很多操作系统的资源，如数据库、Office文档等。

图5 VBA自定义菜单操作界面Fig.5 Operation interface of VBA custom menu

我们利用VBA工具主要做了以下工作:生成自定义操作菜单;读取对象配置文件，根据配置文件来决定添加哪些对象实例图标，以及为对象实例组态信息;将面板图标拷贝出来，粘贴到画面文件中;为面板图标设置动态，并添加事件响应脚本;为联锁对象生成一些内部变量，用于存储联锁文本;访问文本库，将对象实例名填入文本库中，并将报警文本填入文本库;访问报警系统，为对象实例添加报警消息。

为了实现这些功能，我们编写了一系列VBA脚本。VBA脚本在微软提供的Visual Basic编辑器中编辑和管理，所有的脚本以模块(Module)的形式存在Visual Basic编辑器中，根据脚本功能的不同生成多个不同的模块，将相关功能的VBA脚本代码放到相应的模块中，图6是VBA脚本的组织结构。

图6 VBA脚本组织结构Fig.6 VBA script structure

Visual Basic编辑器是一个开放的平台，WinCC提供的接口以库的方式集成到Visual Basic编辑器下，当WinCC正确安装完成，即可使用WinCC提供的库对WinCC画面进行组态(VBA具体的使用方法在WinCC用户手册中可查到)。

5 结束语

基于WinCC的控制面板技术为自动化项目的画面组态提供了一种新的选择，使得工程人员可以摆脱以往繁复的画面组态工作，将主要精力用于提高控制系统稳定性和提高项目水平上，经我院数十台冷轧、热轧机组的实践应用，取得了良好的效果。这种技术本质上是面向对象编程思想在控制系统HMI上的应用，随着面向对象思想在各种控制平台上的深入发展，这种面板技术未来可以跨越平台，应用于更广泛的领域。

［1］胡陆军，李一帆，罗春雨.面向对象的编程技术在自动化项目开发中的应用研究［J］.冶金自动化，2013，5:73 －75.