基于PLC人机界面控制系统的标准化研究

2023-01-24张学彩

大众标准化 2022年23期

王晅，张学彩

（扬州高等职业技术学校，江苏扬州 225002）

1 PLC与人机界面概念

1.1 PLC

PLC也被称之为可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器主要应用的是可编辑的存储器。在实际运用过程当中，其内部存储程序能够执行各项逻辑运算功能，并实现顺序化的数据控制与定时管理，绝大程度上能够实现对于各项数据的技术和算术操作，但是都要基于用户的宏观指令，并通过相应的数字或者是模拟形式输出输入控制不同类型的机械设备，控制其进行生产运作。此外，PLC可编辑逻辑控制器在本质上属于一种专用于工业领域的控制计算机，整体的硬件结构与微型计算机相似，在其基本结构中以CPU、显示面板、电源、内存等组成。

此外，在整体的工作原理中，PLC可编程逻辑控制器在真正投入运行使用后，整体的工作环节一般可以划分为三个主要阶段。第一阶段为输入采样，第二阶段为用户程序执行，第三阶段则是输出刷新。当系统完成上述这三个阶段后，就可以称作为是一个扫描周期，而在综合运行过程中，PLC可编程逻辑控制器的CPU会在相同的速度调节下重复三个阶段的指令操作。

1.2 人机界面

人机界面简称HCI，也称之为用户界面或者是使用者界面。人机界面是人与计算机之间交换传递信息的主要媒介和对话接口端，是计算机系统当中的重要组成部分之一。在人机界面设计过程中，需要遵循相应的原则才能够实现人机界面的有效设计。

（1）以用户为中心展开基本设计，在系统设计环节中，设计人员需要紧抓用户的特性，注重用户各项需求，在系统的开发环节中需要征求用户个人意见，并向用户展开信息咨询，针对系统的设计决策需要有效结合用户的实际工作环境，需要理解用户对于系统的实际需求，而最为有效的方法就是让用户参与到实际的开发与研究中。

（2）要遵循顺序与功能原则，所谓的顺序原则就是要按照各项事件的处理顺序、访问原则、查看各项事务内容，在具体的工艺控制领域中，针对其设计监管和人机对话主界面进行相应的顺序设计。在面向功能原则方面，要按照目标所处的应用环境和具体的使用功能需求，对各类子系统的控制类型和管理对象是否处于相同界面进行多元化的处理，保障设计功能区域的完善性。

（3）一致性原则。在一致性原则设计当中，包含着色彩相同、操作相同、文字相同，尤其在工业控制领域，以电气自动化控制系统来说，在标准化的设计过程中，需要重点体现一致性原则，这样能够便于相关人员的使用和操作，避免操作失误的情况出现。

2 人机界面设计系统组成分析

2.1 人机界面设计组成

在PLC人机界面控制系统的标准化设计与研究过程中，人机界面设计组成包括画面设计、画面组成这两个部分。

一般而言，人机界面是控制系统当中十分重要的组成部分，也是用户与系统之间相互交流的重要交互接口，而画面的设计好坏也将会深度影响到PLC控制系统的整体运行性能，画面的设计一般会从可交互性数据、输入、信息、显示等不同方面进行考虑。而且，在工业控制领域中，尤其是机电控制系统的标准化设计时，必须要求人机界面相对简洁、清晰。另外在画面组成方面，会按照系统不同的控制任务将画面分为开机画面、换页画面、选择画面、送料画面、模拟画面、裁切画面、裁切速度画面、马达卷科画面以及脉冲对照画面等等。

2.2 系统组成

在综合系统组成当中，主要由PLC、触摸屏、伺服电机、气缸、电磁阀等组成。在整体要求上需要裁切出不同的料号端子，对同料号的端子裁切出不同的PIN数。而控制系统硬件中包含着控制单元、人机界面、交流伺服电机、继电器、自动开关、电磁阀等多项关键部分。只有对各个关键部分进行核对和操作，才能够实现整体系统的监控管理，通过人机界面设计组成结合各项参数，实现最终的控制功能。

3 控制系统的标准化硬件设计

PLC可编程逻辑控制器在如今的发展形势当中呈现出了高速发展趋势，不仅具备着供应自动化的客观需求，而且其本身能够适用于诸多的工业控制领域，在优质控制特点的加持下，PLC可编程逻辑控制器能够更为有效地解决工业控制领域当中的诸多问题，并有效提高整体设备的机电一体化产品模式，特别是在机电一体化运行中，可以通过标准化的控制能力覆盖到安全、灵活、便捷、经济、可靠等多方面的问题。

因此，基于PLC人机界面控制系统的标准化研究，在选择PLC和触摸屏结合的详细方案时，需要重视控制系统的标准化硬件设计过程，同时也需要深度考虑到控制系统标准化硬件设计所传递的优势功能。

①可靠性高、抗干扰能力强。PLC可编程逻辑控制器一般专用于工业控制，在硬件与软件这两个方面都选择了滤波、隔离、故障诊断、屏蔽以及自动恢复等标准化的措施，来实现覆盖性的控制管理。在具体应用过程当中，能够促使PLC可编程逻辑控制器实现较强的抗干扰能力，而且其平均故障的间隔时间较长，故障的恢复时间也较短，在标准化的研发过程中，这也是PLC控制功能优越于常规危机控制的重要特点之一。

②编程形式直观、应用便捷简单。在基于PLC人机界面控制系统的标准化研究过程中，针对其控制系统的标准化硬件设计，必须要深度考虑到最终所形成的产品具有机电一体化的功能，而绝大多数的电气技术人员必须要优先了解电气控制线路当中的一些特点。在这之中，绝大多数的PLC可编程逻辑控制器所采用的都是与继电器原理图相近似的一种梯形图编程方式，这种编程方式不仅在感官上更为直观，而且在应用中也较为简单、便利。

③体积较小、能耗较低。从原则上来说，PLC本身的体积相对较小，这也意味着在机械设备安装的过程当中，PLC很容易就会安装在设备内部结构中，这是安装上的优势，也促使机电一体化控制设备更为便利。而且，在采用PLC可编程逻辑控制器后，即便是面对一些较为复杂多变的控制系统，也能够大幅度降低大量中间继电器与时继电器的消耗情况，并且PLC可编程逻辑控制器的体积与几个继电器大小之总和相当，所以也可以将开关柜的体积缩小到原有的1/2到1/10之间。在整个过程中，因为不断降低了线圈用电量，所以整体的耗能情况也就会不断降低。与此同时，PLC的配线相比于继电器的控制系统配件相对较少。因此，能够节省大量的配线与附件，随着配线与附件在数量上的节省，也会相应的降低安装接线的用工时长，对于前期的投入费用也会有效降低。

④功能完善、扩充便利。随着PLC可控制编程器的应用，所形成的机电一体化系统就有着标准化的产品功能模块和扩展单元，能够便于适应不同状态下的工业控制标准，而且也能够与现场各项运行设备实现顺利连接，并形成更为标准化的应用系统。

⑤控制程序可变、具有良好柔性。在PLC可编程逻辑控制器的应用下，整体原理是根据程序实现的标准化的控制，如果生产工艺发生改变，或者是整体的生产线设备需要更新时，便不需要转变PLC所处的硬件设备，只要修改内部程序，即可满足变换需求。

4 控制系统的标准化软件设计

4.1 基础分析

PLC作为一种全新的工业控制计算机，整体的运算速度不仅高，而且功能性强大，在内部程序设计方面较为简便，能够有效改变程序，并实现灵活、便利、可靠的改变功能，最重要的是PLC具有着较强的抗干扰能力，能在极为恶劣的工业环境中进行长期稳定的工作，也正是这样的优势才促使PLC能够应用在工业自动化控制的不同领域中。PLC具有优点，也就具有一定的缺陷，PLC的主要缺陷就在于并不具备人机交互的功能。如果在控制环节中需要转控制参数时，就需要深度了解系统内部的实际控制状况，这种缺陷会在长时间应用下逐渐体现。伴随着如今计算机技术的高端发展，人机界面技术的出现，促使PLC拥有了更为重要的发展机遇。特别是在机电一体化自动控制过程中，基于PLC人机界面控制系统的标准化建设，能够延续PLC本身的工业控制计算能力，但同时也改变了其原有的缺陷问题。

4.2 系统分析

首先，基于不同的标准和需求，控制系统标准化软件设计中对于系统的设计标准要具备手动、自动灵活控制功能，所以选择了极为稳定而可靠的HITECH触摸屏人机界面，此人机界面不仅能够有效保存大量的自动化生产运行工作数据，而且还可以采用cf卡的形式，帮助使用者保存各项工艺数据。其次，通过此种形式也可以将数据在电脑上进行修改，并通过cf卡传回到触摸屏内，这样对于各项数据的控制管理就变得极为便利。而且因为HI下的ECH人机提供了较为强大的宏观指令，整体的宏观指令在逻辑编辑方面并不复杂，有着简单易学的特点。因此，通过宏观指令，能够促使人机与晶体膜厚监控仪实现通讯功能。最后，触摸屏在接收到监控仪器上的各项数据信息之后，会通过宏观指令形式进行内部的算术运算，随后再进行相应的逻辑判断分析，紧接着将分析计算好的信号输送到PLC中，这样就会实现对于设备的自动化运行控制。

4.3 触摸屏技术

触摸屏作为一种全新的电脑输入设备，不管在任何领域都有着极强的应用优势，而且其操作简单、便捷、自然的功能也适用于当前的工业自动化控制系统中。其次，触摸屏与PLC的互结合也在不断完善，其标准化的控制功能也促使着操作界面拥有着更为丰富的控制能力。可以说，触摸屏的有效应用也为PLC可编程逻辑控制器提供了更为广泛的应用空间。最后，由于触摸屏技术本身所具备的各项优势功能，促使着机电自动化控制拥有了更多的科学依据，尤其在结合PLC可编程逻辑控制器下，机电自动化控制系统能够通过触摸屏来控制内部装置，实现生产、运行、加工中的各项命令，从本质上满足了工业生产加工的实际需求。

4.4 控制系统人机界面设计

基于PLC人机界面控制系统的标准化研究中，对于控制系统的标准化软件设计部分最为关键的就是要针对控制系统人机界面展开设计，在控制系统的人机界面设计中，主要分为三个部分。

（1）HITECH触摸屏。通过对于触摸屏技术的深入了解和分析，参考控制系统标准化的各项要求与特点，更为科学化的选择PLC的型号，并同时选用HITECH触摸屏作为当前控制系统主要人机界面。在整个环节中，该触摸屏的规格型号规定为PWS3760，而触摸屏的整体控制界面所运用的是触摸屏的专用工具HITECH-ADP3软件展开的综合设计。另外，PWS3760的触摸屏在显示尺寸上是10.4，而颜色显示则为256色，这也是当前HITECH触摸屏系列中较为全新的一款产品，而后在整体结构设计过程中，不仅具有较为美观的造型设计，而且面板设计与用户配合，应用度极高，在标准化的设计当中，会针对应用需求对操作版进行自由设计，设计内容包含着面板按钮面板颜色面板图案等等，这些都能够由设计者进行自由的搭配，从而形成更为优质的人机界面效果。

（2）控制界面的设计。随着HITECH-ADP3.0软件打开之后，需要优先构建一个全新的屏幕文件，并对所需要设置的文件进行相应设置，在设置内容上涵盖着文件的名称以及人机界面种类与PLC可编程逻辑控制器的种类，当文件设置完成之后，随后就会进入到画面进行下一步的创建工作。

（3）PLC和触摸屏的通讯结构设置。HITECH触摸屏在实际工作运行环节中要经过串行通讯接口RS232C和PLC之间进行相互连接。不过，需要注意的是，数据终端设备以及数据通信设备之间的连接所采用的是二进制数据交换接口技术的标准，所以在对接过程中需要反复核对接口标准。

此外，HITECH触摸屏和PLC之间具有着直接性的存储通讯形式，两者之间的相互对接以及数据存储控制区域相连。在实际的运行环节中，触摸屏的画面所呈现的数据都经由触摸屏自动向PLC内部发送相关数据请求，并最终实现对于数据信号的接收，而触摸键的操作从输入口令到触摸屏自动输送到PLC之间，形成了一个系统性的循环通信功能，在整个环节中并不需要单独对程序进行编写，就可以做到数据之间的发送与接收，不但有效简化了程序设计的复杂性，而且也提高了数据传输的通讯效果。与此同时，随着各项通讯参数的科学设置，传送速率与数据长度要调整到标准化的范围中，这样就会促使触摸屏与PLC形成融合的人机界面控制系统。