1概論
人機接口(human machine interface，hmi)或稱為操作者接口(operator interface，oi)，泛指使用者可以經(jīng)由圖形監(jiān)控軟件在pc或通用型人機接口上，以文字、數(shù)字或圖形的方式來顯示系統(tǒng)的制程或機械的狀態(tài)、警報及其它相關(guān)訊息。
早期的人機接口是簡單的機械狀態(tài)指示燈，諸如：電源投入、馬達(dá)運轉(zhuǎn)、停止或過載等，只需要少數(shù)的按鈕、開關(guān)搭配各種顏色、大小和外形的指示燈，即可經(jīng)濟有效地顯示出機械的運作狀態(tài)。較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，除了簡易的機械狀態(tài)指示燈之外，有時尚需輔以一行或兩行的文字/數(shù)字型式之平面式顯示屏作為輔助說明。之后逐漸進(jìn)展到搭配各種商業(yè)化的單色/彩色屏幕，并使用條狀圖(bar chart)、趨勢圖(trend)等多元化的訊息及圖形顯示等方式來展現(xiàn)系統(tǒng)或機械的狀態(tài)。當(dāng)遭遇到相當(dāng)龐大而且復(fù)雜的制程控制時，工業(yè)級計算機終端機則可提供最具彈性且功能強大的窗口以及先進(jìn)的計算功能，因此可以在同一時間內(nèi)提供精確的輸入/輸出信息及系統(tǒng)制程或機械的狀態(tài)。
目前的工業(yè)級人機界面，大多數(shù)為一種智能型的圖形顯示屏，它是專為plc應(yīng)用而設(shè)計的小型工作站，能取代大部分的外部輸入及輸出組件，省卻了人工配線、材料及工時，此外亦能將plc接點變化、數(shù)值數(shù)據(jù)等，以多元化的文字、數(shù)字及圖形，實時顯示于lcd屏幕上，使系統(tǒng)制程或機械操控更加自動化、人性化，因此工業(yè)級人機界面已廣泛應(yīng)用于分布式(dcs)控制系統(tǒng)中之單機或整廠監(jiān)控。

2通用型人機接口圖形監(jiān)控
2.1 plc圖形監(jiān)控技術(shù)
廣義的圖形監(jiān)控，意指適當(dāng)?shù)脑O(shè)計或發(fā)展一親和性的人機接口，以操控或顯示系統(tǒng)的制程和機械狀態(tài)。plc圖形監(jiān)控技術(shù)，大致上可分為下列幾種：
2.1.1通用型的人機接口
主要在于選購一通用型的人機接口(硬件)，并配合其附屬的圖控軟件，在pc上進(jìn)行圖控畫面的編輯和設(shè)計，經(jīng)過編譯成執(zhí)行檔后下載至人機接口，之后由人機接口與plc進(jìn)行聯(lián)機監(jiān)控。
2.1.2pc/ipc圖形監(jiān)控
 pc/ipc之圖形監(jiān)控，可分為下列兩種模式：
 (1)套裝式人機接口圖控軟件
選購一合適的套裝式人機接口圖控軟件，在一般pc/ipc上進(jìn)行圖控畫面的編輯、編譯及除錯，之后經(jīng)由圖控軟件本身所提供之各plc驅(qū)動程序，由pc/ipc直接與plc作聯(lián)機監(jiān)控。
 (2)自行發(fā)展人機接口圖控軟件
利用現(xiàn)有的程序語言，諸如：visual basic(vb)、foxpro、delphi、turbo c、labview之類的程序語言，在pc上自行設(shè)計、發(fā)展所需的i/o接口及圖控畫面，進(jìn)行pc/ipc與plc之聯(lián)機監(jiān)控。
一般而言，通用型人機接口廠商隨機(產(chǎn)品)發(fā)行的使用說明書，大致上是針對硬體規(guī)格、特性及軟體各功能選項作條文式敘述，因此較不利于user的學(xué)習(xí)。有鑒于plc在產(chǎn)業(yè)自動化中占有舉足輕重的地位，且在plc的圖形監(jiān)控技術(shù)中，以使用通用型人機接口搭配其附屬的套裝式圖控軟件，在圖控設(shè)計上較為簡易。對于欠缺程序語言設(shè)計知識及經(jīng)驗的使用者而言，可以在很短的時間內(nèi)學(xué)會圖控軟件的操作，進(jìn)而規(guī)劃所需的監(jiān)控畫面，因此本專欄擬就人機接口圖形監(jiān)控等應(yīng)用實務(wù)作一簡介。
2.2 通用型人機接口_hitech
市售通用型人機接口為數(shù)很多，在此暫以hitech之觸控式工業(yè)級人機接口作一介紹，其硬件稱為pws，可聯(lián)機監(jiān)控各知名廠牌之plc，諸如：ab、ge、mitsubishi、omron、siematic、vigor等。至于搭配pws使用之操作軟件，則稱之為adp(application development program)。
2.2.1 adp模擬方式
adp支持2種模擬方式，一為離線模擬，另一為在線仿真，adp仿真示意圖分別如圖1及圖2所示。離線模擬時不接plc，在線模擬主要是利用pc的rs-232通訊接口，提供設(shè)計者將應(yīng)用程序仿真成實際的人機接口環(huán)境，并透過plc?pc的通訊線及監(jiān)控程序，使pc可以讀取或?qū)懭肱c畫面組件相關(guān)之plc信號接點或緩存器數(shù)值，進(jìn)而完整的表達(dá)出設(shè)計者欲在人機接口上所展現(xiàn)的圖形監(jiān)控結(jié)果。
2.2.2 聯(lián)機監(jiān)控
plc_pws聯(lián)機監(jiān)控示意圖如圖3所示，聯(lián)機監(jiān)控可分為2部份：
 (1)下載連接：adp經(jīng)過編譯及除錯后之執(zhí)行檔，由pc下載至人機接口硬件-pws。
 (2)通訊連接：pws可以讀取或?qū)懭肱c畫面組件相關(guān)之plc信號接點或緩存器數(shù)值，并實時以多元化的文字、數(shù)字及圖形顯示于智能型的lcd圖形顯示屏上，使操作者能經(jīng)由人機接口屏幕清楚的知道機械狀態(tài)，并經(jīng)由屏幕所提供之觸控鍵控制其動作，達(dá)成人機接口圖形監(jiān)控的最終目的。

3人機接口圖形監(jiān)控應(yīng)用實務(wù)
3.1 取代外部輸入/輸出組件及簡化程序設(shè)計
工業(yè)級人機接口，能取代大部分的外部輸入及輸出組件，省卻了人工配線、材料及工時，并可以簡化程序設(shè)計。在此以常用之組件為例，說明其等效之輸入/輸出組件及指令。

圖1pc離線模擬示意圖

圖3 plc_pws連線監(jiān)控示意圖

 ● 組件按鈕
(1)設(shè)on=set，(2)設(shè)off=rst，(3)保持型按鈕=pb，(4)交替型按鈕=sw，(5)設(shè)常數(shù)值= mov kn d20，(6)加值=add d20 kn d20，(7)減值=sub d20 kn d20。
 ● 組件指示燈
各種顏色、大小和外形之指示燈。
 ● 組件數(shù)值輸入
(1)10進(jìn)制按鍵=tky x0 d100 m0，(2)定時器/計數(shù)器之間接設(shè)定值=mov kn d20，(3)16進(jìn)制按鍵=hky x0 y0 d100 m0，(4)指撥開關(guān)=dsw x10 y10 d100 k1，(5)數(shù)據(jù)緩存器設(shè)定值=mov kn d20。
 ● 組件數(shù)值顯示
(1)七段顯示器=segl d101 y0 kn (0~3)，(2)定時器/計數(shù)器現(xiàn)在值，(3)數(shù)據(jù)緩存器內(nèi)容值。
3.2 人機接口圖形監(jiān)控應(yīng)用范例

圖4 計時控制電路

 【例1】基本指令之圖形監(jiān)控
 (1)某計時控制電路如圖4所示，t0、t2為一般型定時器，t250為停電保持型定時器。定時器設(shè)定值：t0、t250為直接設(shè)定，t2則透過d20作間接設(shè)定。
 (2)適當(dāng)選用adp組件，設(shè)計一般型與停電保持型定時器之圖形監(jiān)控畫面如圖5所示，組件設(shè)置及格式如表1所示。

圖5 計時控制電路之圖形監(jiān)控

表1 計時控制電路組件設(shè)置及格式

【例2】plc階梯圖或sfc之圖形監(jiān)控
 (1)plc一般階梯圖、機械狀態(tài)流程圖(msc)或順序功能流程圖(sfc)，均可執(zhí)行相關(guān)的人機接口圖形監(jiān)控。
 (2)某單向十字路口紅綠燈控制電路之sfc如圖6所示，其圖形監(jiān)控畫面如圖7所示，組件設(shè)置及格式如表2所示。

圖6 單向十字路口紅綠燈sfc

表2 監(jiān)控組件設(shè)置及格式

【例3】plc數(shù)值表示及其圖形監(jiān)控
 (1)plc內(nèi)部之?dāng)?shù)值運算或儲存全部采用二進(jìn)制數(shù)值，無論是16位或32位之?dāng)?shù)值，均以其最高位msb(b15 or b31)表示該數(shù)值之正負(fù)，剩下之位(b14~b0或b30~b0)才真正用以表示數(shù)值大小。當(dāng)msb為1，則此數(shù)為負(fù)數(shù)，plc之負(fù)數(shù)系以2的補碼(2`s complement)來表示。所謂2的補碼，系將等值正數(shù)之所有位(b15~b0或b31~b0)反相(1變0，0變1，亦即所謂1的補碼)，然后再加上1，即變成2的補碼。
 (2)初學(xué)習(xí)者對上述plc數(shù)值表示之文字解說，往往是“丈二金剛摸不著頭緒”，故在此設(shè)計一plc數(shù)值表示及圖形監(jiān)控畫面如圖8所示，其中之階梯圖程序可經(jīng)由繪圖菜單選項中之垂直線及水平線加以繪制，輔以靜態(tài)文字標(biāo)示出組件接點編號及應(yīng)用指令。經(jīng)由數(shù)值輸入及狀態(tài)指示燈等組件設(shè)計及配置，即可讓初學(xué)者對plc數(shù)值、應(yīng)用指令操作數(shù)中之位緩存器(kny0)及負(fù)數(shù)表示方式等有更進(jìn)一步的認(rèn)識和了解。組件設(shè)置及格式如表3所示。

 表3plc數(shù)值表示及圖形監(jiān)控組件設(shè)置及格式

【例4】功能或應(yīng)用指令之圖形監(jiān)控
plc的功能或應(yīng)用指令，是由應(yīng)用指令及操作數(shù)所構(gòu)成，其中之來源[s]或目的[s]操作數(shù)處理的對象大部分是位緩存器或16/32位的數(shù)據(jù)緩存器。但是一般的使用手冊對應(yīng)用指令的解說，都偏向于文字的敘述，對初學(xué)者而言，可能看完之后還是懵懵懂懂。作者在從事plc應(yīng)用指令的教學(xué)及實習(xí)時，適度的設(shè)計了一些相關(guān)的圖形監(jiān)控畫面，發(fā)現(xiàn)不但可以提高學(xué)習(xí)的興趣，另一方面也提升了學(xué)習(xí)的成效。

圖7 單向十字路口紅綠燈之圖形監(jiān)控

圖8plc數(shù)值表示及圖形監(jiān)控

 (1)針對【例2】圖8中之圖形監(jiān)控畫面，稍為增添或刪除一些組件，即可驗證其它應(yīng)用指令的含義，例如：數(shù)據(jù)傳送(12_mov)、數(shù)據(jù)反相傳送(14_cml)、加1(24_inc)、減1(25_dec)、補碼(29_neg)、右/左旋轉(zhuǎn)(30_ror/31_rol)、位右/左移位(34_sftr/35_sftl)、譯碼/編碼(41_deco/42_enco)、on位數(shù)總和(43_sum)及指定位狀態(tài)檢查(44_bon)…等指令。
 (2)此外也可就數(shù)據(jù)緩存器的相關(guān)指令，設(shè)置適當(dāng)?shù)臄?shù)值輸入及數(shù)值顯示組件，外加一些條件接點按鈕，即可增進(jìn)對四則運算：整數(shù)型加法(20_add)、減法(21_sub)、乘法(22_mul)、除法(23_div)、位緩存器寫入/讀取(38_sfwr/39_sfrd)、平均值(45_mean)及萬年歷的讀取/寫入(166_trd/167_twrs) …等指令的認(rèn)識與了解。
【例5】應(yīng)用指令執(zhí)行模式之圖形監(jiān)控

圖9應(yīng)用指令執(zhí)行模式

 (1)如圖9所示之應(yīng)用指令連續(xù)執(zhí)行及脈波(p)執(zhí)行[執(zhí)行1次]模式，在解說時往往要費一番口舌，并需經(jīng)由程序書寫器監(jiān)看lcd畫面或外接之七段顯示器，方才能了解其含義。
 (2)設(shè)計一人機接口圖形監(jiān)控畫面如圖10所示，透過數(shù)值顯示組件監(jiān)看數(shù)據(jù)緩存器內(nèi)容之變化，進(jìn)而了解或驗證應(yīng)用指令之連續(xù)執(zhí)行及脈波執(zhí)行的模式及其實際意義。組件設(shè)置及格式如表4所示。

 圖10 應(yīng)用指令執(zhí)行模式之圖形監(jiān)控

表4 指令執(zhí)行模式之圖形監(jiān)控組件設(shè)置及格式

【例6】控制系統(tǒng)或制程之圖形監(jiān)控_水冷式箱型冷氣控制
(1)某水冷式箱型冷氣控制系統(tǒng)，有兩種操控運轉(zhuǎn)方式：手動及自動操作，動作時序如圖11所示：

圖11 動作時序圖

(2)手動操控有3個運轉(zhuǎn)按鈕，分別為：冷卻系統(tǒng)[x3]、送風(fēng)[x4]及壓縮機[x5]；自動操控祇有自動運轉(zhuǎn)開始[x2]1個按鈕。無論手動或自動方式操控運轉(zhuǎn)，啟動程序如下：①先行啟動冷卻系統(tǒng)，泵[y13]及冷卻水塔[y14]之電動機運轉(zhuǎn)，同時冷卻系統(tǒng)指示燈[y3]亮；②之后啟動送風(fēng)系統(tǒng)，冷凝器電動機[y12]加入運轉(zhuǎn)，送風(fēng)指示燈[y2]亮；③最后壓縮機[y11]加入運轉(zhuǎn)，壓縮機指示燈[y1]亮。
(3)無論手動或自動方式操控運轉(zhuǎn)，都以自動停機按鈕[x1]來執(zhí)行關(guān)機操作：①壓縮機先停止運轉(zhuǎn)；②5秒后冷凝器電動機停止運轉(zhuǎn)；③10秒后，泵及冷卻水塔電動機停止運轉(zhuǎn)。
(4)運轉(zhuǎn)中按下緊急停止(ems)開關(guān)[x6]，全部電動機應(yīng)立即停止運轉(zhuǎn)；待ems解除栓鎖后，才能恢復(fù)正常操作。
(5)plc程序設(shè)計因篇幅關(guān)系在此從略，您可嘗試依先前『淺談結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計』文中所述程序設(shè)計方法加以編輯程序。依照題意中之i/0組件編號，設(shè)計此一水冷式箱型冷氣控制之人機監(jiān)控畫面如圖12所示，組件設(shè)置及格式如表5所示。

圖12水冷式箱型冷氣控制系統(tǒng)之圖形監(jiān)控

表5冷氣控制之人機監(jiān)控組件設(shè)置及格式

4結(jié)論
今日的產(chǎn)業(yè)機械和制程控制日趨快速、精確，而更多的操作則趨向于詳細(xì)的制程或狀態(tài)之圖形顯示。專為plc應(yīng)用而設(shè)計工業(yè)級人機界面，能取代外部輸入/輸出組件及簡化程序設(shè)計，省卻了人工配線、材料及工時，此外亦能將plc接點變化、數(shù)值數(shù)據(jù)等，以多元化的文字、數(shù)字及圖形，實時顯示于lcd屏幕上，使機械操作更加自動化、人性化，不但提升了產(chǎn)業(yè)機械本身的功能及附加價值，也產(chǎn)生了精致的機械和控制文化。
作者在從事plc的教學(xué)及實習(xí)時，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計了一些與基本指令及應(yīng)用指令等相關(guān)的圖形監(jiān)控畫面，發(fā)現(xiàn)不但可以提高學(xué)習(xí)的興趣，另一方面也提升了學(xué)習(xí)的成效。本文針對hitech通用型工業(yè)級人機界面(pws)及其圖形監(jiān)控軟件(adp)作一系統(tǒng)介紹，雖然人機接口及其圖形監(jiān)控軟件隨各廠牌、機種而異，但各廠牌人機接口在執(zhí)行圖形監(jiān)控時，規(guī)劃監(jiān)控畫面所需之基本組件(objects or parts)，諸如：按鈕、開關(guān)、指示燈、數(shù)值輸入及數(shù)值顯示...等組件則大同小異。因此文中所提及之實習(xí)范例，其它廠牌或機種之plc或人機接口亦可適用，因plc程序設(shè)計及人機接口圖形監(jiān)控等基本規(guī)劃理念，一般而言并無多大差異。

作者簡介
宓哲民男碩士，副教授，主要研究方向為plc、人機接口及圖形監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)
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