第一章　人机界面设备和博途自动化工程软件

第一节　人机界面设备（HMI）概述

一、西门子主要新型HMI设备及特点

HMI是Human Machine Interface（人机交互界面）的简称，泛指操作人员和机器设备交换信息的设备，即触摸显示屏、操作显示面板等。操作人员为使机器设备可靠正确地工作，需要把控制指令、工艺参数、信息图片文档数据等通过HMI设备输入到机器设备的控制和运算单元，主要是PLC（可编程控制器），PLC检测和获取机器设备的状态和控制流程信息，通过HMI设备反向传送和显示给操作人员。西门子把这类用于人机信息交流互动、双向沟通的人机界面设备统称为HMI设备。

早期的人机界面器件主要是按钮、开关、指示灯、机械记录仪和一些计量表计等。后来出现了拨码开关、电子数码管、半导体数码管、电子记录仪等用来输入、显示和记录一些简单的机器参数。工业计算机应用于生产现场以后，用CRT显示器和机械式键盘作为人机交互设备。西门子公司也先后推出了基于LCD液晶显示技术的各种操作员面板（OP177等，OP指Operator Panel），触摸面板（TP177等，TP指Touch Panel）和多功能面板（MP277等，MP指Multi Panel），这些型号的HMI设备在我国自动化领域获得非常广泛的应用。进入21世纪的第一个十年，液晶显示器（LCD）技术日趋成熟，性价比不断提高，各大自动化设备厂商不断研发生产了型号功能各异的控制显示面板和触摸屏等。西门子公司自2008年起陆续发布了4"、6"Basic面板KTP400、KTP600等产品。随着高画质显示器技术蓬勃发展，人们对人机界面设备技术的认识和要求不断提高，2012年6月西门子公司发布了面向高端应用的SIMATIC HMI精智系列面板的产品 ，如KP900、TP1200等，以替代之前的多功能屏等高端产品，这是一个具有里程碑意义的系列产品，之前的许多面板产品陆续停产。为应对中小规模控制系统的要求，在对之前众多型号的精简面板进行技术整合，提升性能之后，2014年6月第二代精简系列面板产品发布。

HMI人机界面设备在自动化控制系统中的主要作用：

①将机器生产系统控制过程中的数据信息(如转速、温度、工作时间、用电数等)集中动态地显示在画面或图表中，生产和服务系统的过程量可以通过HMI设备画面中的显示输出域、量表、棒图、曲线、表格、动画、文字等形式实时动态地显示出来。对于操作员来说，控制过程的状态和信息直观、醒目，容易识别、分析、判断和记忆。

②机器操作人员通过图形可视化的界面操作和监控机器的整个工作过程，通过画面上的按钮、开关、数据输入输出域、图形视图、报警视图控件等操控机器的启动停止，为机器配置和修改工艺参数，监视和查看整个工作控制过程，记录过程信息等。

③报警功能，机器设备运行必须满足必要的条件，条件不满足即报警，这包含故障隐患报警，并可以提供报警原因分析。例如冷却水温不得高于某值，当超温时，将触发自动报警系统。

④记录（归档）功能，无论是控制过程量的实时值，还是不定时可能发生的报警信息，都可以数据记录的形式记录下来，以某种文件的形式归纳成电子文档。当需要查看历史记录的时候，检索调阅即可。也可以通过网络打印机打印输出报表文件。

⑤工艺参数的配方化管理，可以将众多产品的工艺参数一次性全部存储在HMI设备中，根据当前生产计划订单，随时调出装载到PLC，进行生产。

⑥处理视频信号和视频文件，现场实时监控。

⑦可以方便地接入互联网，实现远程诊断、远程维护，或通过手机查看诊断等应用。

⑧配合PLC控制器的工作，与之构成生产服务控制系统的主要单元设备。

PLC控制器设备、HMI设备都是机器生产控制系统中的重要设备，它们通过高速网络连接通信，特别是突出应用了工业以太网技术—PROFINET网络以后，兼容应用互联网技术，发展潜力巨大，展望远景广阔，是现代电气自动化的主要技术支柱之一，也是工业4.0时代装备制造智能化的主要技术之一。

现代机器设备控制系统的HMI设备主要有按键式面板、触摸式显示屏、按键式显示屏、既有按键又可触摸输入的显示屏、无线/有线传输移动面板、工业计算机（PC）等。随着大规模集成电路技术、LED显示器技术、软件工程和互联网技术的高速发展，日益成熟可靠，各自动化设备公司结合新技术、新工艺陆续推出新型控制面板（显示屏），处理信息的速度更快，存储数据信息的容量更大，紧密融合互联网技术，显示像素和色彩更加丰富逼真，信息交互功能越来越强，工作也更加稳定可靠。图1-1-1为西门子公司推出的一系列新款控制面板。

西门子公司新推出的SIMATIC HMI 控制显示面板在工厂、电力、矿山、医院、航空航海、服务等各行业深耕细作，精益求精，应用已日趋广泛，已逐步取代老型号显示面板。这些面板不仅具有创新的设计和卓越的性能，而且还可通过 TIA 博途中的 SIMATIC WinCC 工程软件进行组态。其无与伦比的工程组态效率，使应用者得心应手、受益匪浅。老型号控制显示面板中的项目组态方案可以很方便地移植到新型显示面板中。新型面板突出强调了PROFINET网络技术的应用。

由于通过SIMATIC WinCC 工程软件编辑组态的用户项目软件可以根据用户实际项目的发展变化需求进行灵活扩展改变，因而对于一个新的用户项目可以先采用一个能够满足当前用户需求的经济解决方案，日后再根据具体需求，通过增加过程变量等方式进行扩展。这些过程都非常简洁高效。与此同时，创新的图形化用户界面，操作与监控更为直观便捷。用户只需根据应用，选择相应的显示屏规格和操作方式（触屏式或/和按键式）即可。

1. SIMATIC HMI按键面板

图1-1-2为按键面板主要型号样图。

KP8 PN和KP32 PN是新型可编程8个和32个功能键的按键控制面板，5种LED颜色显示，前面板/背板为IP65/IP20防护等级，可靠性高，可以适应恶劣的工作环境，通过PROFINET以太网与S7-300/400，S7-1200/1500 PLC连接，通过STEP V5.5或Portal V1X工程软件编辑组态。

各种参数设置选项，大幅提高设备应用的灵活性，面板的后背板集成有数字量I/O，可连接按键开关和指示灯等，按键面板集成 PROFINET双端口交换机，支持总线型和环型拓扑结构，有效降低硬件成本并支持共享设备功能。故障安全型面板可直接连接急停设备和其它故障安全传感器，兼容所有标准 PROFINET主控CPU（含第三方产品），适用于所有应用的机器设备，在各种工厂或生产线的不同位置进行轻松操作。

2. SIMATIC HMI精简面板

图1-1-3为第二代精简系列面板型号样式图。

SIMATIC HMI 精简面板早期的型号、款式较多，有单色、256色LCD液晶显示等，很方便地连接PROFINET网络，适用于低成本的简单应用场合。

第二代精简系列面板在色彩、清晰度和内在功能上都有很大提升，包含了HMI所有重要的基本功能，可广泛应用于机械工程各领域的操作和监控；采用全新设计的USB接口可连接键盘、鼠标或条形码扫描仪，可快速实现U盘数据归档。通过PROFIBUS或PROFINET接口，新一代SIMATIC HMI精简面板可快速连接各种PLC。结合紧凑型模块化控制器 SIMATIC S7-1200，优势更为突出。

第二代精简系列面板通过WinCC Basic V13 或更高版本的软件组态。

3. SIMATIC HMI精智面板

能够完成各种苛刻控制任务，开放性和可扩展性最高，是功能齐备的高端控制面板。图1-1-4为精智系列面板TP（左侧）和KP（右侧）样式图。

SIMATIC HMI 精智面板是全新研发的触摸型面板和按键型面板产品。 该产品系列包括下列型号：

①显示屏尺寸分别为4"、7"、9"、12" 和15" 的五种KP按键型面板（通过键盘操作）；

②显示屏尺寸分别为7"、9"、12"、15"、19" 和22" 的六种TP触摸型面板（通过触摸屏操作）；

③显示屏尺寸为 4" 的按键型和触摸型面板（通过键盘和触摸屏操作）。

SIMATIC HMI 精智面板的主要特点如下。

（1）高分辨率显示屏

宽屏显示比之前的多功能屏增加高达 40% 的显示空间，可完美显示各种复杂操作画面，而且操作与监控更为清晰明了。16M色的高分辨率，可详尽显示所有操作过程，显著优化了面板显示清晰度。与此同时，170°的超宽视角，也极大确保了最优显示清晰度。

（2）创新的图形化用户界面

由于显示色彩和清晰度的提高，使得用户界面和画面对象得到创新重建，例如棒图、量表等画面元素对象和图表、配方等控件在画面中色彩鲜明、观感细腻，画面表现力更加丰富，可以更加清晰逼真地表现机器设备控制对象，极大提高了设备操作和监控直观性、易用性和宜人性。

（3）集成各种高端功能

SIMATIC HMI 精智面板属于功能齐备的高端控制面板，所有规格的面板均具有数据记录和归档、VB 脚本运行、可浏览各种工厂文档（如PDF或网页文件）等功能。其新增的阅读PDF控件可以使面板画面处理文档文件更加得心应手。而另一项创新之举则是实现了系统诊断与 SIMATIC 控制器的完美交互，可直接通过精智面板读取相应的诊断信息，而在此之前只能使用编程器进行读取。

（4）高效能源管理

通过PROFIenergy标准协议，可统一断开冗余能源负载并快速检测能源消耗值。因而，可在短暂的停机时段，关断精智面板显示屏，从而有效降低能源损耗。

（5）电源故障时，数据安全万无一失

该精智面板的断电保护功能，可确保重要数据万无一失，而无需额外连接不间断电源。这一功能适用于 SIMATIC HMI 存储卡中以RDB格式保存的配方和归档数据。

（6）适合于恶劣环境

坚固耐用的 SIMATIC HMI 精智面板在许多国家和地区的各种不同领域中的成功应用再次证明，这款面板可完美满足当前日益增加的所有需求。7"以上的精智面板均配备有坚固耐磨的铝制框架。

（7）集成各种接口

SIMATIC HMI精智面板可轻松集成到PROFINET和PROFIBUS网络中，还集成有 USB 接口。7"以上的精智面板还配备有一个双端口以太网交换机接口，15"以上的精智面板则配有一个PROFINET 千兆以太网接口。详见本节有关图表及说明。

（8）项目传输更为简单快捷

无需使用专用电缆，标准电缆即可实现通过 PROFINET以太网或USB 端口进行 HMI 项目下载。组态时，系统同步完成相应的设备设置，无需再额外设置面板参数，从而极大简化了调试过程。项目数据和面板设置均保存在面板中所集成的系统卡内，可自动进行更新。此外，通过这一系统卡，还可将项目传送到其它设备中。

（9）新功能—通过网络摄像头进行监控

SIMATIC WinCC V13 SP1新增的摄像机控件使精智面板可以处理视频文件。通过网络摄像头和摄像头控件，对工厂状况进行快速监控：

①通过精智面板，监控各种远程操作；

②对操作人员难以进入的区域进行视频监控；

③对机器状态进行归档和保存。

（10）打印和归档

①无纸化打印 PDF/HTML文件；

②归档过程值和报表。

（11）轻松驾驭户外的极端环境

对于极端的环境条件，例如冷藏间、船舶或石油天然气等应用场合，SIMATIC HMI精智系列户外面板都可以轻松驾驭，它们具备：

①足够坚固和防紫外线的前面板（IP65防护等级）；

②7"和15"宽屏非反射显示屏幕和背光亮度自动调节，可应用于不同亮度环境；

③精智系列户外面板可以应用于不同行业和不同场合，−30～60℃的温度范围和最大90%的环境湿度，以及全面的产品认证。

精智面板通过WinCC Comfort V11 或更高版本编辑组态，本书叙述的WinCC Advabced V13 SP1更新应用了许多新的功能。

4. SIMATIC HMI移动面板

便于携带，可以在不同的地点灵活使用，适用于总线连接的操作与监控。不管何种场合或应用，当机器和工厂的现场操作和监控需要移动时，可以选用有线版和无线版移动操作员面板。图1-1-5为新一代移动式控制面板样图。

二、控制系统中的HMI设备—精简系列和精智系列面板

1. 案例一

对于中小规模的控制系统，采用S7-1200 PLC+精简系列面板组成的基本控制系统就能较好地完成控制任务，S7-1200 PLC继承了S7-200 PLC的优点，同时借鉴了S7-300 PLC的程序编制控制流程和组态方法，运算速度更快，存储容量更大；采用第二代精简系列面板，对于中小规模的项目已经没有了之前画面对象不够用、色彩单调、组态方法和画面表现方法捉襟见肘的情况。S7-1200 PLC+精简系列面板显著突出了PROFINET工业以太网技术的应用，同时保留了PROFIBUS网络总线技术。图1-1-6是一个采用S7-1200PLC+精简系列HMI设备+PN网络的典型控制系统图。

在图1-1-6的控制系统中，采用KTP700 Basic PN精简系列面板作为系统的HMI设备，PN网络结构为直线式。

2. 案例二

对于中大规模的控制系统，当程序量较大，过程控制实时性要求较高，或者工艺过程控制的数据运算处理量较大，较为复杂，或者运算处理的速度要求更快，运算精度更高等情况，为了满足用户项目的这种要求，就必须考虑采用S7-300/400 PLC、S7-1500 PLC，为使机器设备控制系统的人机交互更加高效宜人，HMI设备就要采用SIMATIC HMI精智系列面板。例如在有些用户控制系统项目中，采用32位或64位的数据类型变量可能更加方便高效编辑组态用户项目程序，提高控制精度。这时通常采用S7-1500 PLC+精智系列面板+变频器+PN网络组成控制系统。图1-1-7是该方案的控制系统示意图。

图1-1-7控制系统示意图中，PLC的型号为S7-1500系列中的CPU1515-2PN，HMI的型号为精智系列面板中的TP1200触摸屏，变频器型号为G120，由PROFINET工业以太网连接构成。图中采用了PROFINET网络的分布式I/O控制设备ET200M（或ET200SP、CPU1512SP等），以提高工业现场分布式控制的可靠性。图中因生产线方便操作的需要，将西门子按键式面板的HMI设备也接入PROFINET网络中。

TP1200是西门子公司新推出的用于完成要求苛刻的人机界面任务的精智系列控制面板中的一款，是指屏宽12英寸的触摸屏，TP指Touch Panel，即触摸屏或触摸式控制面板。在精智系列控制面板中，还有按键操作的显示面板，如KP1200，Key Panel，即按键操作显示屏。

一般来说，精智系列面板配合S7-1500 PLC出品应用，同样适用于S7-300/400 PLC。

精简系列面板和精智系列面板都是西门子公司新推出的升级换代产品，在性能参数等各方面都有很大改善，采用创新设计，不同于以往的产品，已逐步获得推广应用，并为S7-1200/1500 PLC产品配套，逐步替代之前出品的OP177B、TP177、MP277等老型号的面板。同时组态软件也由之前的WinCC flexible进步到博途组态软件中的WinCC Basic/Comfort/Advanced/Professional V1X等。

三、精简系列和精智系列面板的主要功能参数

表1-1-1和表1-1-2给出了精简系列和精智系列面板的一些性能参数。由于精智系列面板性能更加强大，且包含精简系列面板的所有功能，本书HMI设备主要介绍这两款控制显示面板，并重点介绍精智系列面板的组态应用技术。

表1-1-3给出了精智面板替代老式面板的型号对照。第二代精简面板比之前的第一代精简面板也有很大进步。例如对于显示面板的色彩数和像素数来说，第二代精简面板已经超过了过去应用相当广泛的多功能面板MP277。表1-1-3仅是个推荐替换参数表，掌握了新款HMI设备的应用原理后，具体使用根据现场实际情况和客户要求灵活采用。

表1-1-4给出了SIMATIC HMI精简和精智面板能够连接的控制器型号，含其他著名自动化设备厂商的一些设备。

图1-1-8、图1-1-9给出精简和精智系列面板的电源、PROFINET、USB等接口实物示意图。

图1-1-10和表1-1-5给出了这两款面板的正面尺寸和安装尺寸示意图和参数表。

对于立式面板，上述尺寸要前后互换位置。