摘要

合肥聯信電源有限公司的研究人員劉暉、李多山，在2018年第9期《電氣技術》雜志上撰文，主要介紹了工業人機界面（HMI）觸摸屏及其實現應急電源監控的方法。詳細敘述了通過Modbus協議，實現工業人機界面（HMI）觸摸屏與應急電源數據傳輸，以及使用組態軟件進行應急電源監控器界面的設計方法。

在許多重要場合都采用集中蓄電池式應急電源供電。集中蓄電池式應急電源采用逆變技術，將蓄電池的直流電能逆變成交流電能，提供給交流應急負荷（如應急照明燈、疏散指示燈具和消防泵等）使用。

集中蓄電池式應急電源由電源監控器、應急電源主機、配電系統、充電器電池組、消防聯動裝置等組成，其中電源監控器由顯示器、控制板及通信等組成。早期的顯示器通常采用LED數碼管、LCD液晶顯示屏，必須設計相應的控制電路才能使用，而且功能簡單，顯示內容少。

隨著液晶彩屏和觸摸屏的成本不斷下降，液晶彩屏和觸摸屏也逐步應用在工業領域的監控顯示上。但彩屏和觸摸屏的驅動程序較為復雜，在一定程度上限制了彩屏和觸摸屏在應急電源行業的應用。

1  工業人機界面（HMI）觸摸屏簡介

工業人機界面（HMI）觸摸屏主要應用在PLC工業控制領域，比如冶金、紡織、先進制造系統和裝備控制等行業[2]。觸摸屏集成了CPU單元、輸入輸出單元、顯示屏、內存等模塊單元，是開放性、高質量的人機界面產品，一般都提供標準的串行接口與其他設備相連。

工業人機界面（HMI）觸摸屏采用通用的工業自動化組態編輯軟件進行界面的編程設計，該類型軟件是一種用于快速構造和生成嵌入式計算機監控系統的軟件，以窗口為單位，構造圖形界面。用戶使用工業自動化組態畫面編輯軟件，只需要通過簡單的操作就可構造自己的組態，從而把用戶從繁瑣的編程中解脫出來。

2  基于工業人機界面（HMI）觸摸屏的應急電源監控器

實現工業人機界面（HMI）觸摸屏在應急電源的應用，主要進行兩方面的設計：①實現工業人機界面（HMI）觸摸屏與應急電源的數據傳輸；②應用組態軟件完成（HMI）觸摸屏的人機界面設計。

2.1工業人機界面（HMI）觸摸屏與應急電源的數據傳輸

只有實現工業人機界面（HMI）觸摸屏與應急電源的數據傳輸，才能實現工業人機界面（HMI）觸摸屏實時顯示應急電源的信息。工業人機界面（HMI）觸摸屏的通信方式主要是串行通信，支持與當今市面上主流PLC通信，如三菱Mitsubishi，西門子Siemens，歐姆龍OMRON，莫迪康Modicon，Modbus等。設計時，選用Modbus協議作為工業人機界面（HMI）觸摸屏與應急電源通信的協議[5]。

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，其已經成為一種通用工業標準，協議定義了消息結構和內容的公共格式。協議內容包括控制器請求訪問其他設備的過程，如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。

Modbus協議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發送的數據、一錯誤檢測域[3]。從設備回應消息也由Modbus協議構成，包括確認要行動的域、任何要返回的數據、和一錯誤檢測域。Modbus協議的RTU模式多采用CRC校驗，軟件實現RTU的CRC校驗有多種方法，一般常用的是查表法和計算法，但是都存在一定的運行速度，并占用程序時間。

應急電源控制系統采用TMS320LF2407芯片和SVPWM調制技術進行逆變控制，算法較為復雜，內容涉及非線性運算、求解陣矩方程等，所以實時y運算要求很高，由于Modbus協議中CRC校驗算法較復雜，且芯片中不含內置的CRC算法模塊[6]，如果在應急電源控制芯片的串口通信中加入復雜的CRC校驗算法，將影響SVPWM調制控制技術的實時性，所以，在工業人機界面（HMI）觸摸屏與應急電源的數據傳輸方式中，增加通信轉換板作為通信中繼。

設計中選用STC15W系列單片機，利用其2個USART接口，設計雙RS485串口，RS485-1與TMS320LF2407芯片的RS485口進行普通和效驗通信，RS485-2與觸摸屏進行ModbusRTU協議的數據通信[4]。

在觸摸屏與應急電源的通信轉換板的通信方式中，Master端為監控觸摸屏，Slave端為應急電源的通信板。Master端發出數據請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發送數據到Master端，以響應請求。

在Modbus通信協議中，有許多功能碼[1]，設計時采用03功能碼實現Master端取得Slave端的模擬量。采用01功能碼實現Master端取得Slave端的開關量，Master端接收到Slave端數據，觸摸屏將應急電源的參數按照數據定義，通過監控觸摸屏，將參數顯示出來。

參數傳輸定義如下。

1）監控觸摸屏發送命令：[通信板地址][命令號03][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]

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

2）應急電源的通信板參數返回：[通信板地址][命令號03][返回的字節個數][數據1][數據2]…[數據n][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]

例如：

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

意義如下。

（1）返回的字節個數：表示數據的字節個數，也就是數據1,2,…,n中的n的值。例子中返回了4個模擬量的數據，因為一個模擬量需要2個字節所以共8個字節。

（2）數據1,…,n：其中[數據1][數據2]分別是第1個模擬量的高8位和低8位，[數據3][數據4]是第2個模擬量的高8位和低8位，以此類推。

例中定義為[數據1][數據2]：直流電壓。[數據3][數據4]：市電電壓。[數據5][數據6]：應急電壓。[數據7][數據8]：輸出電流。

3）監控觸摸屏發送命令：[通信板地址][命令號01][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]。

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

4）應急電源的通信板參數返回：[通信板地址][命令號01][返回的字節個數][數據1][數據2]…[數據n][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]

例如：[01][01][01][08][CRC低][CRC高]

意義如下：

（1）[01]返回的字節個數：表示數據的字節個數，也就是數據1,2,…,n中的n的值。

（2）[08]：數據

第1位過流；第2位電池欠壓；第3位電池過壓；第4位模塊故障；第5位強制狀態第6位充電器故障；第7位輸出狀態；第8位應急狀態。

2.2觸摸屏的人機界面設計

1）組態軟件的功能

觸摸屏的畫面開發系統采用組態軟件，組態軟件的功能一般包括：標題欄、菜單條、工具按鈕、工程管理器、狀態欄等，如圖1所示。在可視觸摸屏顯示畫面中，文字屬于組態軟件文本功能，功能鍵屬于組態軟件按鍵功能，數據顯示屬于組態軟件數據顯示功能，背景屬于組態軟件靜態圖片功能。

圖1組態軟件的功能塊

2）數據顯示與報警

在觸摸屏中顯示應急電源的參數是組態軟件數據顯示功能實現的，如圖2所示。監視地址指向通信協議中的通信板地址、命令號03、數據位置，數據類別、顯示類別、外形、顏色等通過可視、模塊化簡單操作即可完成數據顯示功能的設定。

圖2數據顯示功能圖

在觸摸屏中應急電源的報警信息是通過組態軟件報警顯示器功能實現的。報警顯示器功能圖如圖3所示，地址輸入指向通信協議的通信板地址、命令號01、數據位置，不同受控位對應不同報警信號。

圖3報警顯示器功能圖

通信參數在開發系統的組態軟件中通信口設定對話框進行設置，包括通信口的名稱、通信方式、連接口、通信協議等。在通信參數設置中通信波特率、數據長度、停止位、校驗均可設置，并可以設置可視觸摸屏和主機通信板的地址、通信時間等。通信口參數設置分別如圖4、圖5所示。

圖4通信口屬性設置圖

圖5通信口參數設置圖

3）界面參數設計

組態軟件采用面向對象的編程技術，在編輯觸摸屏監控界面，可以方便地建立畫面的圖形接口，構圖時可以像搭積木那樣利用系統提供的圖形對象完成畫面的生成。同時支持畫面之間的圖形對象拷貝生成，可重復使用以前的開發結果。編輯的應急電源監控界面如圖6所示。

圖6應急電源監控界面

結論

基于工業人機界面（HMI）觸摸屏的應急電源監控器，已經實現產品應用，與以往的應急電源監控器相比，性能有很大的提升。按照通用串口通信協議設計應急電源通信軟件，實現數據工業人機界面（HMI）觸摸屏和應急電源通信的方法，可以應用到含通用串口通信協議的不同品牌工業人機界面（HMI）觸摸屏。

直接應用高度集成化的工業人機界面（HMI）觸摸屏作為應急電源監控顯示，減少了應急電源產品軟、硬件的設計難度，降低了設計成本，提高了監控自動化程