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基于可编程逻辑控制器的HMI实验设置和SCADA教育
Athar Hanif 1，Farhat Rashid，Aamer Iqbal Bhatti和Hammad Ali
摘 要
本文介绍了监控和数据采集（SCADA）的实际实现，通过人机界面（HMI）。一个石油工业存储部分的模型设计和存在的通过可编程逻辑控制器（PLC）实现自动化，使模型设计更加有效，冗余系统也是通过考虑到工厂的效率和可靠性来设计的。基于Web的应用程序也是通过这个远程监测和控制来自世界各地的模型通过互联网访问和计算机系统上安装的基于软件的应用程序使监控成为可能。本文旨在达到对学生和行业初学者的教育目的
关键词：教育，监控和数据采集（SCADA），人机界面（HMI），可编程逻辑控制器（PLC），冗余，基于Web的监控
1 引言
在像巴基斯坦这样的发展中国家，要求有大量新技术的发明使他们的行业技能能够在世界市场上竞争。所使用的HMI，SCADA和其他组件的价格在自动化行业非常高。因此，需要建立一个实验教学和培训对行业中的学生和初学者进行教育，使他们有能力解决自动化行业中的问题也能够避免连续被这些设备伤害。
在自动化行业中，控制器有许多可能的选择，如计数可编程逻辑控制器（PLC）和微控制器。在微控制器中，设备可以因为物理连接存在输入输出接口逻辑访问设备功能，可以方便地编程[2]。不同的是，通用PLC用于控制真实的过程或通过传感器和执行器进行配置。传感器将PLC的输入层叠起来，然后断开执行器使用定时器和继电器[3]。在这段时间里，自动化领域有两个有趣的领域，如监督控制理论和数据采集（SCADA）及人机交互（HMI）工具[4]。 SCADA系统提供实时数据采集（DAQ）和控制所有类型的可控装置。另外，基于SCADA的系统的设计可能突破与万维网（WWW），广域网（WAN），局域网（LAN）和个人计算机（PC）的互操作[5][6]。例如，由于其实用性的优点，如灵活性和可扩展性，LAN正在成为分布式工厂广泛使用的网络，几乎是工业标准[7]。
本文将让学生通过HMI实际的实施SCADA的理论概念，并且通过PLC实现自动存储。这个设计也会让学生了解红军的概念。本文中，在储存设备的设计部分，不同的传感器的选择，如液位传感器和流量传感器电磁阀使用情况也做了很好的解释。本文主要分为三个部分，第一部分描述存储部分物理模型的设计，而第二部分描述了可编程的编程逻辑控制器（PLC）及设计和编程人机界面（HMI）， 第三部分描述了覆盖互联网的控制和监控模型的设计。本文件阐述了SCADA，HMI，PLC的设计程序在实验室中的实际使用，并对偏远地区进行监控。
2 模型设计
该模型基本上是考虑到基于任何石油工业或任何其他行业的储存部分的设计，在这些领域液化材料在未来将引用在储存部分。设计的模型如图1所示。
图1 3D模型
在这种情况下，水被用作液体材料，使用的传感器本质上是数字的。
首先为了储存水，已经设计了四个蓄水池，第一个蓄水池命名为主水库高18英寸，其余的蓄水池高度在14英寸。第二个蓄水池被命名为储罐1，第三罐作为储罐2，第四罐被命名为排水槽。
现在蓄水池之间的连接是通过铁制管道。泵，电磁阀，流量开关安装安排如图3所示，每个泵的尺寸，电磁阀和流量开关是根据尺寸要求制成，直径为英寸。流量开关的选择也是根据管道中的水压力。
为了检测水箱内的水位，相应的设计黄铜电极用作液位传感器。泵的工作电压为DC 12伏，电磁阀工作在DC 24伏特。现在为了保护目的，阀门和泵通过继电器运行。
2.1 自动化系统
实施自动化系统自动控制炼油厂，电厂，造纸厂，化工厂等不同工业部门的过程[8]，考虑到行业定义的高效率和可靠性等因素[9]通常采用基于软件的应用程序和硬件设备来实现控制过程。
2.2 PLC
可编程逻辑控制器（PLC）是用于行业监测和控制建筑系统和生产过程的电子设备。不像电脑和智能手机，其设计用于扮演大量的角色，PLC被设计去执行一组任务，除了实时限制以外，还要求具有卓越的可靠性。
PLC设计得非常坚固，能承受极端的温度，湿度，振动和电气噪声。它们具有广泛的输入/输出布置，因为它们需要监视和控制大量的传感器和执行器。
通常，PLC由包括处理器，存储器和各种硬件接口的微控制器单元组成。PLC的突出特点可以包括[10]。
1）标准输入和输出，2）平台独立编程，3）工业温度范围，4）电源故障管理5）非易失性存储器，6）实时能力
应用PLC的典型例子有：机械控制，生产过程，房间自动化，过程观察等。
每个系统都有一个控制器。根据其使用的技术，可分为气动，液压，电气和电子控制器。通常适应不同技术的组合。它可以用于不同的应用，并且通过安装在其存储器中的程序为用户提供了改变的方式，扩展和优化控制过程的简单方法[11]。
PLC的一些应用是恒定容器补充系统，液体混合系统形成一个批次，不同阶段的温度冷却系统，直流电机速度控制，自动感应加热变频控制过程[12]，使用PLC的自动流变仪处理[13]。
PLC通过其制造商提供的基于软件的应用程序进行编程。PLC仅提供两种状态作为输出，ON或OFF。它们提供快速的响应时间和数据处理。
2.3 选择PLC
首先，需要对输入和输出进行定义。在这个例子中，这里有12个输入和13个输出。选择的PLC是FATEK PLC型号FBS-40ma [9]，具有16个数字输入和24个数字输出，满足所需的最小I / O数量。所有输入和输出通过继电器连接到PLC，以保护PLC免受任何危险，即过电流，过电压等。有关PLC保护和接线的更多信息，请参见其手册[9]。用于PLC编程的软件是WinProladder。
2.4 梯形逻辑
用于编程PLC的语言是梯形图语言。考虑到工厂的序列要求，逻辑以梯形图语言定义。使用不同的检查和计时器来满足工厂的需求。下面给出了他们所描绘的梯形图截图的例子。在顺序上，首先建议检查主油箱（Tank-1）的低水位，然后在一段时间后允许电磁阀使水流开始，电磁阀打开后按顺序要求让泵在几秒钟后运行。通过以下程序的截图，可以很好地解释这些情况。
下图（图3）描述了梯形图Tank-1和Tank-2。 该图说明当低时检查Tank-1的等级达到，输入X0将变高（状态1）导致内部输出Y34状态改变从0到1，同时检查Tank-2，是否实现了低水平的Tank-2，定义如果Tank-2达到高水平的状态那么这个逻辑将会导致内部输出状态1，Y34状态为0，这将进一步导致蓄水池1和蓄水池2之间的系统关闭。
图2 Tank-1的梯形图
还通过实现对流量开关的检查来定义冗余。序列的定义方式是如果从Tank-1流向Tank-2，则流量开关的输入将变为高（状态-1），流量开关的状态0表示不存在流量，所以当泵正在工作时这种情况解释了水流动的路径可能被破坏或泵或电磁阀出错的情况，然后将流量转移到冗余路径，这将实现连续流动的目标以防止故障。这个概念在下面给出的梯形图中有很好的解释。这可以很好地描述，因为定义为X1安装在正常高状态的流量开关输入，仅当电磁阀1打开（Y2 = 1）时，该位X1将影响定时器，否则定时器T201将不运行。 因此，当主路径在使用中并且没有流量时，定时器将运行，因为电磁阀1位将为高，表示主路径正在使用。当T201定时器在这种情况下达到25秒的最大值时，程序中将使Y28位变为高电平，然后该位的更改将导致流量从主路径到冗余路径的移位。
图3 流量检查
当转移到冗余路径之后没有流量时，如下面给出的梯形图图4所示，报警将打开，将整个系统置成关闭状态。
图4 报警指示
2.5系统周期
图5所示的流程图说明了设计和实施的实验设置的系统周期。
图5 实验设置流程图
3 SCADA
SCADA代表监督控制和数据采集。一般来说，它是指从计算机系统监测和控制的工业过程。在不同级别的工厂之间自动化访问和交换大量的生产数据，作为示例，在存在充足的网络架构的情况下，设施的管理级别的操作者可以访问现场和/或控制数据。那么，他/她可以在某种在线处理程序中使用这些数据来生成实时趋势图，在面对确定生产周期预测所需的耗材量是有用的，显然，这些数据也可以存储在历史数据库中，准备用于连续的后处理分析程序。这些系统被称为监控和数据采集系统[22][23]。
3.1 SCADA与PLC之间的差异
PLC用于控制实时制造过程安装在那些必须实施和控制的地方。另一方面，SCADA实际上提供了该过程中最后存在的数据，并且它不像PLC那样直接连接到输入设备。SCADA创建一个单独的当前值的数据库，并显示在操作过程中所产生的最后一个值。这些可以通过SCADA过程进行控制和监控。
3.2 人机界面
HMI代表人机交互界面。自动化系统和SCADA系统最重要的因素之一就是现场数据的可视化。另一端的操作员可以通过它监视进程，并可以启动所需的相应操作。此功能由称为HMI的设备来实现。该设备通过其制造商提供的基于软件的应用程序进行编程。SCADA可以根据需要通过安装在控制室或现场的HMI实现。 程序员通过设计在HMI上图形显示了现场发生的不同过程。
图5 HMI窗口
图形界面包含颜色编码，要求轻松识别（例如：红色为故障）。图片和图标要求快速识别，缓解文盲问题。HMI可以降低产品制造成本，并可能增加利润率，降低生产成本。相比以前，HMI设备现在非常具有创新性，能够提供更高的容量和更好的交互性及更精细的功能。HMI提供的一些技术优势是：将硬件转换为软件，无需鼠标和键盘，并允许有趣的计算机/人机交互[14]。
在这种情况下，正在使用Weintek HMI模型。对于HMI的图形设计和编程，使用的软件是由制造商提供的EB8000。
图形界面是根据图2所示的模型设计的。为了在图形界面上显示高水平，低水位，流量开关，泵，电磁阀数据，闪烁灯的定义如图，如果传感器，泵和阀门工作正常，则视觉指示由模型中每个部件上显示的灯泡的闪烁状态给出，否则显示空白灯泡。模型中还设计了趋势和报警。趋势基本上显示了工厂的工作历史，而工厂的最后一个值也分别显示在框中。另一方面，如果系统的任何部分（即泵和阀）发生故障，报警窗口中会显示报警，然后操作员就会得知有关故障的信息。报警历史也被存档，供将来检查。
图6 HMI主屏幕
现在为了安全起见，设计了不同的登录名，每个登录名已经被设置好了访问权限，只能访问工厂的特定部分，控制室中的操作者只能访问指定的部分。例如，如果操作员被分配一个仅监视趋势的任务，那么将为该操作者设计并提供特定的登录名，而主登录则是对可以整个工厂进行监测和控制的。
3.3 PLC、HMI和计算机的通讯
实时数据必须从PLC传输到HMI，以便在操作员端可视化。 为此，PLC和HMI之间应有介质，通过它们可以进行通信和传输数据。为此定义了不同的协议，如Modbus，Profibus，TCP / IP，RS-232，LAN（局域网）电缆等。PLC和HMI需要与计算机进行通信，用于编程和可视化目的，这里有上面定义的标准，但是大多数使用USB协议，因为这是最常见的计算机支持的通信协议。在这个实验设置中，RS-232通讯模式被讨论和实际实现，PLC支持RS-232，PLC与计算机通讯，使用RS-232至USB转换器。HMI连接到计算机以及PLC通过LAN（局域网）电缆。
4 基于WEB的用户界面TECH-NOLOGY
现在远程监控工厂已经成SCADA最需要的特征。该功能可帮助用户监控和控制来自世界各地的工厂。在这种情况下，使用DSL调制解调器。术语DSL代表数字用户线路，并且是用于将计算机连接到电话线的设备，其提供数字用户线路服务以连接到互联网，通常称为DSL宽带。每个DSL宽带设备在通常称为ISP的因特网服务提供商提供的IP地址[15]上工作。每次连接到互联网云时，分配给宽带设备的IP地址不同，但为了连接目的，网络协议地址必须是静态的。由于HMI支持LAN [16]，并且在HMI的设置中也定义了静态IP地址，所以使用LAN电缆连接到路由器。
为了访问数据，使用端口转发[17]技术。端口转发允许远程计算机连接到专用局域网（LAN）中的特定计算机或设备。要从远程计算机访问数据，基于软件的应用程序称为VNC Viewer。路由器的IP地址和HMI的密码提供给VNC查看器，然后整个HMI将在计算机屏幕上。同一时间，只有一个人可以通过互联网云访问HMI [18]。
5 实验设置
图7显示了HMI和SCADA的物理设置教育。
图7 完整的物理结构
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