HMI触摸屏TCP/IP技术在龙华港泵闸自动化中的应用

摘要本文阐述HMI和PLC的配合工作，在水利行业自动化控制中的应用，以及该技术带来的优异的调试效率性和数据检测的直观性。

关键词 HMI TCP/IP 自动化 PLC

1前言

目前，上海很多新建和改造泵闸站配都有自动化控制技术，在这些新建改造站点中，一定规模的中大型站点一般配有HMI触摸屏，其连接在主要设备上，如主泵，节制闸，配电柜。这些HMI安装分布在各自主设备边上，显示主设备的数据信息，达不到设备与设备之间的数据共享。TCP/IP接口的技术手段，使HMI以PLC为基础，连成环网，达成重要数据共享，改变了HMI “互不通气”的局面，解决了现场表头安装不合理，位置分布散杂等问题，优化了资源组合，提高了现场的设备调试速度和运行维护的工作效率。

2 技术概述

2.1HMI技术概述

HMI是Human Machine Interface 的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，软件一般分为两部分，即运行于 HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。基本功能：设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等 ,数据文字输入操作,打印输出,生产配方存储,设备生产数据记录,简单的逻辑和数值运算,可连接多种工业控制设备。技术指标:显示屏尺寸及色彩，分辨率 HMI的处理器速度性能 。输入方式：触摸屏或薄膜键盘 画面存贮容量， HMI的接口种类很多,有RS232,RS485,TCP/IP接口等。

2.2TCP/IP技术概述

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol)的简写，中文译名为传输控制协议/因特网互联协议，又叫网络通讯协议，这个协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础。

3 HMI TCP/IP接口技术在龙华港泵闸自动化中的应用

3.1龙华港泵闸系统介绍

龙华港泵闸位于上海市徐汇区，其主要功能为挡潮、排涝等。为提高淀北水利控制片防汛排涝能力，对龙华港泵闸进行外移和扩建。泵站为单向排涝泵站，主要功能为防洪、排涝和改善城市水环境。工程主要由设计流量90m3/s的泵站、1孔净宽12m的节制闸组成。泵站共装设4台斜30°轴伸泵组，单泵设计流量22.5m3/s，配套电机功率为1250kW，电压等级10kV。为满足水泵启动、事故断电停泵，出水流道设一道带小拍门的快速工作门和一道快速事故门。泵站分期实施，本期装设2台泵组。

3.2系统方案设定

龙华港泵闸自动化系统目标是实现泵闸的自动化运作，在设计时，采用分布操作集中管理的方式，实现数据共享，整个自动化分为5大主系统：1#主泵系统，2#主泵系统，3闸门液压系统，4变电站信号系统，5辅机系统，其中辅机系统旗下又分为6个子系统：a技术供水系统，b消防供水系统，c 1#集水井排水泵系统，d 2#集水井排水泵系统 e 1#清污机系统， f 2#清污机系统 。

龙华港泵闸自动化系统中，主系统PLC使用的是施耐德Premium系列的可编程控制器，挂在辅机子系统中的PLC为施耐德M340系列的可编程控制器，辅机主系统将控制旗下的子系统，负责采集转发存储子系统数据。在每个主系统中都配置了一块10.4英寸，65536色，TFT，带以太网口的施耐德XBT―GT系列的HMI终端。其放置点是在现场例如水泵等主设备边上的PLC柜的柜门上，第一时间显示控制设备的重要工况信息。

3.3系统网络架构

龙华港泵闸系统网络设计中，我们采用了5台MOXA主光电交换机，6台MOXA光电转换器，把光纤与网络电口协议收发互相转换，相应设备组成环网方式，所有PLC有独立的IP地址，都连接到交换机上，5块HMI触摸屏分配获得独立的IP地址，也连接到光电交换机上，保证了数据通信的在线率，和可靠性，为数据共享打下了网络环境的硬件基础。见图1网络架构拓扑图：

图1网络架构拓扑图

3.4系统功能

龙华港泵闸自动化监控系统，主要分为2台主泵的单步，流程控制与数据检测，和1套制闸的单步，流程控制与检测，还有辅助设备，清污机，集水井等子设备的配套控制。

本文把主泵开泵操作过程中，HMI所起的作用作为重点来阐述，节制闸，清污机等其它设备就不重复介绍了。龙华港泵闸自动化系统中，2台主泵柜上各装有1套主泵HMI触摸屏，分别安放在现场河道的两边，1#，2#主泵边上，主要控制主泵断路器的分闸与合闸，主泵PLC的输出分闸合闸指令，通过网络与中控室2楼上的变电站PLC系统柜通讯，再由变电站系统柜发出指令，使中控室底楼的高低压房里10KV低压柜断路器合闸分闸动作来进行主泵的启停。我们知道，一台主泵的开泵停泵操作，离不开水泵流道里工作门和快速门的配合，以及冷却系统的配合，龙华港主泵流道的工作门和快速门，所选用的控制方式是属于液压控制方式，其DI,DO信号输入输出节点，被安排在了河道的南边液压房里的节制闸液压PLC系统柜中。而作为冷却系统中主力军的技术供水泵，被安放在河道的北侧，冷却房里，其所有的输入输出信号的接口都在辅机旗下的技术供水系统PLC中，由技术供水PLC采集和控制DI,DO输入输出信号。

所以，开泵停泵动作，遭遇到设备的集散分布，每个与主泵启停相关的设备都在不同的地点，由不同的系统采集控制，最后才由主泵系统集成控制。以前串口协议连接的HMI连接到PLC接口上，只能单一的显示主泵自身的信号，操作员无法站在主泵HMI前，掌握开泵停泵流程中各个环节的相关设备的运行工况，给启泵停泵操作带来了不便。

使用了HMI的TCP/IP接口协议后，主泵HMI连接到交换机， 有其独立的IP地址，与局域网上各个PLC相连，实时抓取环网上与主泵操作相关设备的工况，现场操作人员可以面对主泵HMI，直观监测到系统运行中，各个设备的运行工况。给现场的操作人员，设备维护人员，在日常操作养护设备时，带来了极大的方便。可谓“一屏在手，全场尽收”。HMI的TCP/IP技术在发散性数据检测和控制中发挥了极大的用武之地。

3.4开泵流程

一个开泵流程的动作剖析如图2

图2开泵流程图

4功能特点

在图2中可以看到，一个开泵的流程分了好几块动作，我们安放一块HMI，通过TCP/IP协议,可以实时的与其它主系统的PLC通讯，监测到开泵流程的动作做到了哪一节拍，若是开泵失败，问题出在什么环节，是技术供水的问题，还是液压站问题，或者是工作闸门的问题，故障容易排查。不用在每个设备面前配备工作人员，按以前用串口协议的HMI做法，只能局限的访问指定的PLC上的数据内容，做不到全局访问重要信息。

HMI的TCP/IP连接技术的特点：

大流量：极高的防冲突性，采用多种防冲突方案，单网段支持254个站点同时连接。

可靠性高：满足工业级环境要求应用。

开放的协议：标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

容易维护：B类网线的制作方法，容易替换。

数据访问量大：传统模式中HMI是一对一方式，用TCP/IP协议连接的HMI是一对多的关系，即一个HMI对应多个控制器。

连接方便：采用TCP/IP模式可直接联接HMI或HUB，不用配备专用的传输线，一根网线可以连接传输。

直观性强：站在主设备HMI前，操作画面，直观了解到辅助设备的工况，省却了人力物力。

5结论

HMI的TCP/IP技术，在自动化控制中是一个不可小觑的技术，在网络应用上具有很好的扩充性。HMI在现场作为一个终端，连入控制环网，与PLC搭配，共同组成发散控制集中管理的一个平台，把重要数据共享，使解决方案简化，充当着现场数据展示与控制平台，这样的技术应用将会越发的广泛。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看