基于工业人机界面（HMI）触摸屏的应急电源监控器

摘要

合肥联信电源有限公司的研究人员刘晖、李多山，在2018年第9期《电气技术》杂志上撰文，主要介绍了工业人机界面（HMI）触摸屏及其实现应急电源监控的方法。详细叙述了通过Modbus协议，实现工业人机界面（HMI）触摸屏与应急电源数据传输，以及使用组态软件进行应急电源监控器界面的设计方法。

在许多重要场合都采用集中蓄电池式应急电源供电。集中蓄电池式应急电源采用逆变技术，将蓄电池的直流电能逆变成交流电能，提供给交流应急负荷（如应急照明灯、疏散指示灯具和消防泵等）使用。

集中蓄电池式应急电源由电源监控器、应急电源主机、配电系统、充电器电池组、消防联动装置等组成，其中电源监控器由显示器、控制板及通信等组成。早期的显示器通常采用LED数码管、LCD液晶显示屏，必须设计相应的控制电路才能使用，而且功能简单，显示内容少。

随着液晶彩屏和触摸屏的成本不断下降，液晶彩屏和触摸屏也逐步应用在工业领域的监控显示上。但彩屏和触摸屏的驱动程序较为复杂，在一定程度上限制了彩屏和触摸屏在应急电源行业的应用。

1  工业人机界面（HMI）触摸屏简介

工业人机界面（HMI）触摸屏主要应用在PLC工业控制领域，比如冶金、纺织、先进制造系统和装备控制等行业[2]。触摸屏集成了CPU单元、输入输出单元、显示屏、内存等模块单元，是开放性、高质量的人机界面产品，一般都提供标准的串行接口与其他设备相连。

工业人机界面（HMI）触摸屏采用通用的工业自动化组态编辑软件进行界面的编程设计，该类型软件是一种用于快速构造和生成嵌入式计算机监控系统的软件，以窗口为单位，构造图形界面。用户使用工业自动化组态画面编辑软件，只需要通过简单的操作就可构造自己的组态，从而把用户从繁琐的编程中解脱出来。

2  基于工业人机界面（HMI）触摸屏的应急电源监控器

实现工业人机界面（HMI）触摸屏在应急电源的应用，主要进行两方面的设计：①实现工业人机界面（HMI）触摸屏与应急电源的数据传输；②应用组态软件完成（HMI）触摸屏的人机界面设计。

2.1工业人机界面（HMI）触摸屏与应急电源的数据传输

只有实现工业人机界面（HMI）触摸屏与应急电源的数据传输，才能实现工业人机界面（HMI）触摸屏实时显示应急电源的信息。工业人机界面（HMI）触摸屏的通信方式主要是串行通信，支持与当今市面上主流PLC通信，如三菱Mitsubishi，西门子Siemens，欧姆龙OMRON，莫迪康Modicon，Modbus等。设计时，选用Modbus协议作为工业人机界面（HMI）触摸屏与应急电源通信的协议[5]。

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，其已经成为一种通用工业标准，协议定义了消息结构和内容的公共格式。协议内容包括控制器请求访问其他设备的过程，如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域[3]。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。Modbus协议的RTU模式多采用CRC校验，软件实现RTU的CRC校验有多种方法，一般常用的是查表法和计算法，但是都存在一定的运行速度，并占用程序时间。

应急电源控制系统采用TMS320LF2407芯片和SVPWM调制技术进行逆变控制，算法较为复杂，内容涉及非线性运算、求解阵矩方程等，所以实时y运算要求很高，由于Modbus协议中CRC校验算法较复杂，且芯片中不含内置的CRC算法模块[6]，如果在应急电源控制芯片的串口通信中加入复杂的CRC校验算法，将影响SVPWM调制控制技术的实时性，所以，在工业人机界面（HMI）触摸屏与应急电源的数据传输方式中，增加通信转换板作为通信中继。

设计中选用STC15W系列单片机，利用其2个USART接口，设计双RS485串口，RS485-1与TMS320LF2407芯片的RS485口进行普通和效验通信，RS485-2与触摸屏进行ModbusRTU协议的数据通信[4]。

在触摸屏与应急电源的通信转换板的通信方式中，Master端为监控触摸屏，Slave端为应急电源的通信板。Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端，以响应请求。

在Modbus通信协议中，有许多功能码[1]，设计时采用03功能码实现Master端取得Slave端的模拟量。采用01功能码实现Master端取得Slave端的开关量，Master端接收到Slave端数据，触摸屏将应急电源的参数按照数据定义，通过监控触摸屏，将参数显示出来。

参数传输定义如下。

1）监控触摸屏发送命令：[通信板地址][命令号03][起始寄存器地址高8位][低8位][读取的寄存器数高8位][低8位][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]

例如：[01][03][00][00][00][04][CRC低][CRC高]

2）应急电源的通信板参数返回：[通信板地址][命令号03][返回的字节个数][数据1][数据2]…[数据n][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]

例如：

[01][03][08][02][2B][00][00][00][64][02][2B][CRC低][CRC高]

意义如下。

（1）返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1,2,…,n中的n的值。例子中返回了4个模拟量的数据，因为一个模拟量需要2个字节所以共8个字节。

（2）数据1,…,n：其中[数据1][数据2]分别是第1个模拟量的高8位和低8位，[数据3][数据4]是第2个模拟量的高8位和低8位，以此类推。

例中定义为[数据1][数据2]：直流电压。[数据3][数据4]：市电电压。[数据5][数据6]：应急电压。[数据7][数据8]：输出电流。

3）监控触摸屏发送命令：[通信板地址][命令号01][起始寄存器地址高8位][低8位][读取的寄存器数高8位][低8位][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]。

例如：[01][01][00][00][00][08][CRC低][CRC高]

4）应急电源的通信板参数返回：[通信板地址][命令号01][返回的字节个数][数据1][数据2]…[数据n][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]

例如：[01][01][01][08][CRC低][CRC高]

意义如下：

（1）[01]返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1,2,…,n中的n的值。

（2）[08]：数据

第1位过流；第2位电池欠压；第3位电池过压；第4位模块故障；第5位强制状态第6位充电器故障；第7位输出状态；第8位应急状态。

2.2触摸屏的人机界面设计

1）组态软件的功能

触摸屏的画面开发系统采用组态软件，组态软件的功能一般包括：标题栏、菜单条、工具按钮、工程管理器、状态栏等，如图1所示。在可视触摸屏显示画面中，文字属于组态软件文本功能，功能键属于组态软件按键功能，数据显示属于组态软件数据显示功能，背景属于组态软件静态图片功能。

图1组态软件的功能块

2）数据显示与报警

在触摸屏中显示应急电源的参数是组态软件数据显示功能实现的，如图2所示。监视地址指向通信协议中的通信板地址、命令号03、数据位置，数据类别、显示类别、外形、颜色等通过可视、模块化简单操作即可完成数据显示功能的设定。

图2数据显示功能图

在触摸屏中应急电源的报警信息是通过组态软件报警显示器功能实现的。报警显示器功能图如图3所示，地址输入指向通信协议的通信板地址、命令号01、数据位置，不同受控位对应不同报警信号。

图3报警显示器功能图

通信参数在开发系统的组态软件中通信口设定对话框进行设置，包括通信口的名称、通信方式、连接口、通信协议等。在通信参数设置中通信波特率、数据长度、停止位、校验均可设置，并可以设置可视触摸屏和主机通信板的地址、通信时间等。通信口参数设置分别如图4、图5所示。

图4通信口属性设置图

图5通信口参数设置图

3）界面参数设计

组态软件采用面向对象的编程技术，在编辑触摸屏监控界面，可以方便地建立画面的图形接口，构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝生成，可重复使用以前的开发结果。编辑的应急电源监控界面如图6所示。

图6应急电源监控界面

结论

基于工业人机界面（HMI）触摸屏的应急电源监控器，已经实现产品应用，与以往的应急电源监控器相比，性能有很大的提升。按照通用串口通信协议设计应急电源通信软件，实现数据工业人机界面（HMI）触摸屏和应急电源通信的方法，可以应用到含通用串口通信协议的不同品牌工业人机界面（HMI）触摸屏。

直接应用高度集成化的工业人机界面（HMI）触摸屏作为应急电源监控显示，减少了应急电源产品软、硬件的设计难度，降低了设计成本，提高了监控自动化程