基于工业以太网的人机接口触摸屏（HMI）的原理及案例应用分析_开题报告

A.文献综述

引言    

近年来随着中国制造业的发展，我国现已成为世界第一制造大国。目前，在500多种主要的工业产品中，我国有200多种产量位居世界第一。而汽车制造在整个制造业中占有很大的比例，尤其是随着经济的发展和人们生活的提高，人们对于出行的需求越来越多，近些年我国的汽车业发展十分迅猛，而在汽车制造业中离不开自动化设备。在整车制造环节汽车生产分为冲压、焊装、总装和涂装(喷漆)四大工序。以总装车间为例装配线主要包括：车身储存线、内饰线、车门分装线、动力总成线、前桥线、后桥线、仪表线、发动机线、底盘线、最终完成线。汽车装配柔性生产线的特征为:便于车间内线体间的结构布局，使得各线体相对独立，相邻线体之间积放车体，这样在各条线体转接处由升降机来完成传递。典型的电气结构由 :PLC、HMI、变频器、编码器、电机驱动单元等组成形成闭环控制系统。

通常人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调整器、仪表等现场控制设备。利用显示屏显示，通过输入（如触摸屏、键盘、鼠标等）单元写入工作参数或输入操作命令，来实现人与机器信息交互的数字设备。(1)如图1 所示：

                        图1 人机界面

人机界面（HMI）在汽车自动化生产线应用得非常广泛，HMI用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用，应用于汽车整车装配柔性化生产线系统中。

HMI在控制系统中有以下特点(2)：

（1）过程可视化：在人机界面上动态显示过程数据（PLC采集的现场数据），例如：电机的电流，温度可以用图表来实时的显示，看起来更加清晰。

（2）操作员对过程的控制：操作员通过图形界面来控制过程。例如，操作员可以用HMI画面中的输入域来修改系统的参数，或用画面中的按钮来启动机。

（3）显示报警：控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如当变量超过设定值时，会自动触发报警。

（4）记录（归档）功能：系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据，可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。 

（5）配方管理：将过程和设备的参数存储在配方中，可以一次性将参数从的HMI界面下载到PLC。

（6）报表功能：HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据。

（一）国内研究现状

随着现代信息技术和计算机技术的不断发展，工业自动化和过程自动化在制造领域中的应用迅速增长，基于工业以太网协议的HMI面板在制造业生产设备上作为现场级应用层集成控制设备受到越来越多用户的使用。目前我国自主品牌的工业HMI主要有：威视，信捷，昆仑通态，海泰克等，相对于国外品牌国产品牌的HMI发展要相对较晚。中国人机界面自主研发始于2000年以后，通过十多年的发展，主要生产企业在产品性能、功能、稳定性等方面均取得较大进步，中国人机界面生产企业整体呈现良好的发展势头，在国内人机界面市场已经占据了一定的市场份额在工业现场。随着嵌入式软、硬件的快速发展，人机界面将朝着通用性强、跨平台、简单易用等方向发展。人机界面的开发不再局限于具体的功能实现，而是提供一种框架和开发工具，用户可以利用开发工具在框架内进行具体的开发。现阶段HMI技术发展趋势有如下特点(3)：

软件组态更加具有用户体验性，大大的降低了使用难度。

支持更多的通讯连接方式，包括串行、总线、以太网、USB、无线。

针对不同行业的应用特点，对HMI软硬件技术进行组合并推出行业专机。

用户界面提供更多的三维拟物化代替二维平面化设计，提供更加立体化的用户界面。

提供有效的数据挖掘、分析能力。HMI会成会一个智能终端，可以便利获取现场数据信息，经过分析处理之后能够直观的呈现给用户。

完善的网络功能支撑现场数据分享，成为设备进入互联网的接口，让用户随时随地都能便利的与设备交互信息，包括诊断信息。

（二）国外研究现状

    HMI在工业领域主要由：西门子，三菱，施耐徳等品牌在行业内一直处于领导地位，目前触摸屏类产品主要是和PLC配套为主，随着工业以太网、现场总线等技术的应用日趋成熟，HMI产品将以平板PC计算机为HMI硬件的高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，其将会是未来HMI产品的发展方向。

近些年，国外品牌HMI厂家，特别像西门子公司在为了适应网络技术的发展，特别是在internet, web技术的发展而推出的基于网络技术的DCS系统，该系列DCS系统融合了现场总线技术，嵌入式软件技术，先进控制技术与网络技术，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成。各种国外DCS，国内DCS，PLC及现场智能设备都可以接入到同一系统中，实现企业内过程控制设备信息的共享（4）。

目前最具代表性的Gigante理论，该理论支持虚拟人机界面技术在人的头部产生3D图形，以广角，立体化的视觉呈现。这一切可以让使用者在人造环镜中产生参与的幻觉，也就是说虚拟现实(5)。随着5G通信技术的到来基于无线通信的虚拟人机界面可以让使用者感受虚拟环境并与之互动是虚拟现实媒介具备的独特能力，它创造了“身临其境”的感官体验。

B.^范文提纲

一、选题的背景及意义。

（一）西门子HMI在福特汽车厂生产线中升降机作车身转运用途的背景和原理。

（二）HMI和PLC控制系统中对车身抱具转运的运动控制精确定位案例应用。

（三）生产线车身抱具的转运流程。

（四）西门子工业以太网的网络通信原理及结构。

（五）HMI控制系统原理。

（六）运动定位装置原理。

二、实施方案。

（一）控制系统电气及机械结构。

（二）控制系统软件程序结构。

三、总结。

三、参考文献

[1]李方园.人机界面设计与应用[M].北京：化学工业出版社， 2008/2

[2]廖常初.西门子人机界面 [M].北京：机械工业出版社，2018/5

[3]高小红.裴忠诚.人机界面的发展历程[期刊^范文]-水利电力机械社，2006/3

[4]李俊. 吴福明. 一种基于Web技术的新型DCS结构与实现[J]. 自动化博览, 2000(4)

[5]陈建伟.蔡启明.人机界面设计最新进展[J].人类工效学，2003/3

[6]孙平.可编程控制器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2008/4

[7]西门子.TIA Portal(TIA博途)系列课程. 上海：西门子培训中心

[8]西门子.工业通迅网络课程. 上海：西门子培训中心

[9]西门子.人机界面系列课程. 上海：西门子培训中心

[10]金卫国.机电类专业^文档设计指导书.2008/11月