毕业设计--机车车辆现场监控人机界面.docx

毕业设计摘要机车车辆现场监控系统即就是司机室计算机测控系统，因此监控人机界面的功能主要是监控整个机车控制系统对车辆各单元的控制，包括故障检测、报警显示、报警记录、列车状态显示等。在整个人机界面的设计中首先掌握人机工程学的基本内容，分析用户及用户的工作环境，同时掌握在“以人为本”的观念下利用人机工程学对人机界面的设计的基本原则及其在设计时应该注意的基本事项。对于监控系统的设计中可采用两种方法：一是采用Visual Basic、Visual C+、Delphi等基于Windows平台的开发程序来编制；二是采用监控系统组态软件来编制。考虑到各方面的原因，在机车车辆监控系统的人机界面的设计中采用组态软件，组态软件有设置、配置的含义，就是模块的任意组合，更确切的称呼应该是人机界面（Human Machine Interface,HMI）/控制与数据采集（SCADA）软件。组态软件的功能包括：强大的界面显示组态功能、良好的开放性、丰富的功能模块、强大的数据库、可编程的命令语言、周密的系统安全防范、仿真功能。了解了组态软件的功能后它的使用时设计的关键，对于控制系统的组建过程主要包括：工程项目的系统分析，设计用户操作菜单，画面设计与编辑，编写程序进行调试，连接设备驱动程序，综合调试。掌握组态软件的同时设计出人机界面所控制的各模块，并对整个人机界面进行整体评估及稳定性测试。关键字：监控系统 人机界面 以人为本 系统分析 AbstractThe train on-site monitoring system is the cab computer measure and control system , so the main function of the on-site monitoring man-machine interface is to monitor the entire locomotive control system control unit of the vehicle, including fault detection, alarm display, alarm recording, the train status display. First we should master the basic content of the ergonomics of the man-machine interface design and analysis of the user and the users working environment, and grasp the basic principles of ergonomics design of the man-machine interface in the concept of people-oriented and the basic issues that we should pay attention to in design. For the design of the monitoring system There are two ways: First, the use of Visual Basic, Visual C + +, Delphi and other development program based on Windows platform to prepare; monitoring system configuration software. Taking into account various reasons, in the design of the locomotive vehicle man-machine interface monitoring use the configuration software, configuration software settings, the meaning of the configuration, that is, any combination of modules, more precisely call should be man-machine interface (Human Machine Interface, HMI) / control and data acquisition (SCADA) software. Configuration software features include: powerful interface configuration function, a good open, rich feature module, a powerful database, programmable command language, careful system security preparedness, simulation capabilities. Using configuration software design is the key for the control of the formation process of the system include: project systems analysis, design user operation menu, menu design and editing, programming debugging, connect the device driverintegrated debugging. Mastered configuration software at the same time ,wo should design the man-machine interface control module, and the entire man-machine interface overall assessment and stability testing.Key words : on-site monitoring system Human Machine Interface(HMI) people-oriented systems analysis 目录摘要IAbstractII1 前言12 人机界面与人机工程学32.1 人机工程学概述32.1.1 人机工程学定义32.1.2 人机工程学的研究范畴32.1.3 设计“以人为本”观念下的人机工程学42.2 人机界面设计42.2.1 人机界面定义42.2.2 人机界面的用户研究62.2.3 界面开发的设计原则62.2.4 界面的交互式设计82.2.5 界面的开发过程83 组态软件的引入及其简介103.1 组态软件的引入103.2 组态软件及其发展103.2.1 组态软件的初步认识103.2.2 组态软件的发展103.3 组态软件的功能及特点113.4 组态软件的使用124 机车车辆现场监控人机界面总体设计144.1 机车现场监控系统功能介绍144.2 系统方案设计144.3 登录界面的设计及其权限设置144.4 界面设计及其功能介绍154.5 运行界面设计及设计要求164.6 其他界面模块化设计及其功能17结论27致谢28参考文献29- 30 -1 前言在列车运行控制系统中, 车载人机界面是车载设备与驾驶员进行信息交互的平台, 是列车运行控制系统的一个重要组成部分。早期地HMI应用项目中包含有大量地按钮开关、指示灯、选择开关和其它简单地控制设备，功能仅限于启动、停止某个设备，并显示该设备的状况。从某种意义上来说，这也是一种控制系统。这样的控制系统非常简单，通常由许多继电器组合在一起来实现。可编程控制器（PLC）的问世给HMI监控系统带来了第一次飞跃。可以通过将所需的设备连接到PLC上来增加HMI系统的功能。当设备出现故障时，HMI系统不仅能够与停机的设备通信，还可知道设备为何停机。同时用户可以通过编程终端发现程序中出现错误的字节。当设备出现故障时，PLC甚至可以通过编程来实现自动拨号。后来可控显示设备的引入从简单的指示灯到七段数码管，再到字母显示管，通过这些显示设备，使得HMI监控系统能够更加准确地向操作员反映系统的状态，从而减少故障诊断时间。通过经常在老式计算器上看到的七段式LED显示屏，用户能够更加准确地获取设备地当前状态信息。早期地准断系统能在屏幕上显示一个故障地I/O编号或者某些数字，用户需要在手册上查找这些数字，从而得到到底发生了什么故障。字母显示管的到来使得HMI系统能够显示文本信息。用户还可以用不同的颜色显示文本，在文本信息中加入变量，如显示不同车间的产量等数据。这时的操作员可以方便地了解更大范围内设备的状态信息。但是，随着被监控设备复杂程度的增加需要花费大量的时间用于编写显示屏的程序。在人机界面HMI的发展历程中最为重要的突破在于完全可编程HMI设备的出现，自此它代替了传统的仅有按钮和指示灯人机界面。在CRT显示器上绘制出可编程的按钮和具有指示灯的虚拟对象，工程师可以对这些虚拟的按钮和指示灯进行编程，让它们按要求显示出来。但是CRT显示器的局限性很快显露出来了，在每次的显示过程中只能在一个画面中显示为数不多的按钮。因此工程师必须花大量的时间用于编程，将多个按钮和指示灯安放在不同的画面中。这样，显著增加了设计成本同时也不能满足用户的使用需求。现在，可视化的显示画面能够更为生动地反应被控设备的情况。操作员不仅可以通过文本信息得知哪个设备由于什么原因造成了停机，而且还能够在画面上观察到机器的情况，更可查看故障设备的位置。这一功能减少了修复故障所需的时间，但是为了开发每个设备的可视化画面需要花费不少的精力。设计的费用将随着设备大小和复杂程度的 增加而增加。 在现代列车微机控制系统中，随着的机车车辆中司机需要的信息日益增加, 传统司机室以模拟仪表和指示灯为主的显示方式已经不能适应现代高速列车车辆的需要, 由此应运而生了基于平板显示器和微机结合构成的智能终端。这种终端具有显示容量大、信息集成显示、信息可存储等特点, 使机车司机室的显示装置表现为信息化、数字化、智能化、简洁化和标准化。通过智能终端提供友好的车载人机界面使机器更好的服务于人，适用于人，使人的操作更加便捷。在系统整个开发过程中可采用采用Visual Basic、Visual C+、Delphi等基于Windows平台的开发程序来编制或用组态软件来编制。考虑系统的开发周期和经济性选用组态软件设计，所设计的人机界面可提供丰富的画面显示功能和强大的通讯功能让用户可以随时查看现场的实时数据以及系统工作的流程画面，实时监测现场各个单元的实时状态画面；人机界面系统也能自动记录并保存各种实时数据，方便日后查询、分析。人机界面还具有报警功能并允许用户及时处理各过程报警和系统报警。人机界面机技术完成了实时、高效、简洁的工业控制体现出了现代控制的真正意义。2 人机界面与人机工程学2.1 人机工程学概述2.1.1 人机工程学定义人机工程学是研究“人-机-环境”系统中人与机以及人与环境之间相互关系的学科。研究人机工程学的目的是根据人的生理、行为、认知、心理乃至情感等各方面的特性，运用系统工程的观点和方法分析人与产品、人与环境之间的相互作用，合理的设计和安排人的安全与健康，提高人的工作效率与质量，实现人的舒适与愉悦，使人、机、环境的配合达到最佳状态。2.1.2 人机工程学的研究范畴人机工程学的根本研究方向是通过揭示和运用人、机、环境之间的相互之间的规律，以达到确保人、机、环境系统总体性能的最优化。人、机、环境的整体属性不等于各部分的简单相加，而是取决于系统内部的协同作用程度。因此研究范围包括：（1）系统中人的因素：人体形态特征参数：静态尺度和动态尺度； 人体机械力学功能和机制：在各种姿态及运动状态下，力量、体力、耐力、惯性、重心、运动速度等的规律。 人的劳动生理特征：体力劳动、脑力劳动、静态劳动与疲劳机制等。 人的认知特性人对信息的感知、传递、存储、加工、决策、反应等规律。 人的心理特征：影响人心理活动的基础（生理与环境基础）、动力系统（需要、动机、价值观理论等）、个性系统（人格与能力）、心理过程（感知、记忆、学习、表象、思维、审美构成的认识，情绪与情感，意志或意动，习惯与定势）等。（2）人机系统的总体设计；首先是人机功能的合理分配，人与机，都有各自的能力、优势与限度，如机器具有功率大、速度快、精度高、可靠性强和不会疲劳的特点，而人具有适应能力、思维能力和创造能力。各自根据各自的特点取长补短、相互协调、相互配合的人机系统。（3）研究作业场所设计和改善；作业场所设计包括空间设计、作业器具设计、作业场所总体布置。人机工程研究如何根据人的因素，设计和改善符合人因的作业场所，是人的作业姿势正确、作业范围适宜、作业条件合理，达到作业时安全可靠、方便高效、不易疲劳、舒适愉悦的目的。（4）研究作业环境及其改善；研究在各种环境下人的生理、心理反应，对工作和生活的影响，作业环境包括物理环境、化学环境、生物环境、美学环境、社会环境。（5）研究作业及其改善；作业是人际关系的主要表现形式，主要研究有研究作业分析、动作经济原则、工作成效的测量与评定等。研究人从事体力作业、技能作业和脑力作业时的生理和心理反应、工作能力及信息处理特点，研究作业时合理的负荷及耗能、工作与休息制度、作业条件、作业程序和方法。作业适宜的人机界面除硬件机器外，还包括软件，如规则、标准、制度、技法、程序、说明书、图纸、网页等，都要与作业者的特性相适应。2.1.3 设计“以人为本”观念下的人机工程学以人为本，已成为现代设计的核心思想之一。在功能、性能、质量、经济等针对产品本身的评价因素之外，人们对产品的要求跟多的集中在安全、健康、方便、舒适，乃至审美、情感、价值等针对人而言的因素上。这就要求设计除了应当满足人的需求外，在设计的整个过程中也必须时时考虑到人的因素，使设计出来的产品能够保障人的安全和健康，提高人的工作效率与质量实现人的舒适与愉悦，乃至有利于人类长远发展的利益。而这一思想又必须通过工程手段才能得以落实，因此人机工程学可以说是现代设计的基础学科。人机工程学为产品与环境的设计提供可依据的人因数据。它为进行人、机、环境系统设计提供依据。人机工程学的特点是在研究人、机、环境3个要素本身特征的基础上，不单着眼于个别要素，而是将使用产品的人和所设计的产品，以及人与产品所共处的环境作为一个系统来研究。在这个系统设计理论中人、机、环境3个要素之间相互联系、相互作用的关系决定这系统总体的性能。2.2 人机界面设计2.2.1 人机界面定义在人与机器的交互（human-machine interaction）过程中，有一个界面充当信息传递的媒介，即人们所说的人机界面（human-machine interface）。人机界面是由连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JBHMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。图1图2设计人机界面进行分工时，要充分发挥人机的各自特点，可采用最大最小原则，即人承担的工作量应最大，最大限度利用机器的同时，充分发挥人的因素。人机结合并注意人的主导地位，将有效地保证系统的可靠性和寿命。2.2.2 人机界面的用户研究（1）用户分类 新手用户， 平均用户 专家用户 偶然用户（2）影响用户行为特征的因素在人机界面分析研究中，人作为人机交互系统的一方起着重要作用，因此界面的设计必须对人的认知行为特征有基本的认知和度量，才能保证人和机器能很好的协同工作。在人机交互界面设计中所要考虑的人的因素主要包括： 人机匹配性，用户是人，计算机系统作为人完成任务的工具，应该使计算机和人机系统很好的匹配工作。 人的固有技能，作为计算机用户的人具有许多固有的技能，例如身体和动作的技能、语言和通信的技能、思维能力、学习和求解问题的能力等。 人的固有弱点，人具有健忘、易出错、注意力不集中、情绪不稳定等固有弱点。 用户的经验和受教育程度，使用计算机的用户的受教育程度决定了他对计算机系统的知识经验及对计算机应用领域的知识水平。 用户系统的期望和态度，首先从用户使用系统的原因来看，计算机系统可作为用户完成其任务的不可缺少的组成部分，也可作为可选部分；其次从用户对系统的期望和态度来看，有3种情况，即中性的、积极地和消极的；最后，从用户使用计算机的目的来看，绝大多数用户使用计算机是为了帮助他们更好地解决应用领域的实际问题。（3）用户使用需求分析 作为用户对计算机系统的要求 用户技能方面的使用要求 用户习性方面的要求 对用户经验、知识方面的使用要求 用户对系统的期望方面的要求2.2.3 界面开发的设计原则（1）应用程序和人机界面分离的原则应用程序和人机界面分离的思想类似于数据库管理中数据和应用程序的分离，在那里数据的存储组织、查询、管理由专门部件即数据库管理系统完成。在人机界面设计中也同样把人机界面功能，包括界面的布局、显示、用户操作等专门由用户界面管理系统完成，应用程序不再管理人机交互功能，也不和人机界面编码混杂在一起。（2）简单原则交互界面应美观、精炼，不应该包括不相关或不常用的信息。合理的利用空间，利用颜色、显示效果来实现内容与形式的统一，界面设计中最基本的功能应该让人可以立刻看到，还要减少用户的记忆要求，简化用户的工作。（3）一致性原则在程序系统中，应该要求其概念模式、语义、命令语言语法及显示格式等的一致性。人机界面的一致性主要体现在输入、输出方面的一致性，具体是指应用程序的不同部分，甚至不同程序之间，具有相似的界面外观、布局和相似的人机交互方式以及相似的信息显示格式等。（4）快速的系统响应和低的系统成本在使用较多硬件设备并与其他软件系统连接时，会带来较大的系统开销，人机界面在此情况下应具有较快的响应速度和较小的系统开销。（5）安全性原则系统应该让用户尽量避免发生错误，交互界面应该提供视觉指引、提示、选择列表和其他的辅助，无论是自动的还是被人要求的。例如被设计在很多系统的拼写检查功能。用户在工作的时候，可能拼写错误的单词会被标示出来，系统允许用户随时换一个单词，或者当他们工作结束后，可以再回头检查处理这些错误。（6）满足创造一个有进展和有成就感的良好感觉，让用户能不断的取得进展并有成就感。对用户的操作尽量做到立即响应，人和延迟可能会干扰用户的工作和使用效率，降低了用户对系统使用的信心。及时的响应可以让用户知道结果是否正确，并且能随时改变操作。（7）直观让对象和操作能够直观可见，要尽可能是交互界面表现的和真实世界一样。模拟真实世界和自然直接的交互方式会让交互界面更加直观。利用用户在计算机领域外的经验的能够直观地使用图标和系统窗口。另外对系统的控制应该清晰可见，此外各种功能也应该是明确的。对控制的可视化表现有帮助用户理解操作原则，记住任务的步骤并且明确计算机应该做什么。2.2.4 界面的交互式设计界面的交互方式通常称为人机交互方式，又称交互技术、接口技术、对话技术、界面类型等。由此可见，界面交互方式有很多种，每种都有不同的性能、特点和适用范围。软件界面设计时必须要充分了解各种界面的优缺点和使用限制，按照不同的用户、任务，设计适合的人机交互界面，传统的人机交互方式有问答式对话、菜单界面、填表界面、命令语言界面、查询语言界面等。随着计算机及多媒体技术的发展，出现了图形用户界面及直接操纵界面等，并可以用语言进行人机交互，使人和计算机之间的交流越来越简单、方便。2.2.5 界面的开发过程（1） 定义阶段 可行性分析，包括用调查用户的界面的要求和使用环境，尽可能广泛的向系统未来的各类直接或潜在用户进行调查，同时兼顾调查人机界面涉及的硬、软件环境。 需求分析，包括用户特性分析、任务分析等。用户特性分析是调查用户类型，定性或定量的测量用户特性，了解用户的技能和经验，预测用户对不同界面设计的反响；任务分析是从人和计算机两方面共同入手，进行系统的任务分析。（2） 构造阶段 建立界面模型，描述人机界面的结构层次和动态行为过程，确定描述模型的规格、说明语言的形式，并对该语言进行定义。 任务设计，根据用户特性和任务分析的界面规格需要说明，详细分解任务动作，并分配给用户或计算机或二者共同承担，确定适合于用户的系统工作方式。 环境设计，确定系统的硬、软件支持环境带来的限制，甚至了解工作场所，向用户提供各类文档要求等。 界面类型设计，制定最为合适的界面类型，包括确定人机交互的任务类型，估计能为交互提供的支持级别和复杂程度。 交互设计，根据界面规格需求说明进行界面结构模型的具体设计，考虑存储机制，划分界面结构模块。 屏幕显示和布局设计，制定屏幕显示信息的内容和次序，进行屏幕总体布局和显示结构设计。 艺术设计，包括为吸引用户的注意所进行的增强显示的设计。 帮助和出错信息设计，设计帮助信息和出错信息的内容，设置查询方法，并进行出错信息和帮助信息的显示格式设计。 原型设计，对系统进行初步设计后开发人员用较短的时间和较低的代价开发出一个满足系统基本要求、简单可行的运行系统。 界面测试和评估，完成设计的系统界面必须经过严格的测试和评估。（3） 维护阶段，它的关键任务是通过各类必要的维护行为，使系统持久的满足用户的需求，主要包括： 改正性维护 适应性维护 完善性维护 预防性维护3 组态软件的引入及其简介3.1 组态软件的引入计算机测控系统软件编制可采用以下两种方法：一是采用Visual Basic、Visual C+、Delphi等基于Windows平台的开发程序来编制；二是采用组态软件来编制。前者程序设计灵活，可以设计出不同风格的人机界面系统，但设计工作量大，开发调试周期长，软件通用性差，对于不同的应用对象都要重新设计或修改程序，软件可靠性低。监控组态软件是标准化、模块组合化、商品化的通用开发软件，只需进行标准模块的软件组态和简单的编程，就可设计出标准化、专业化、通用化强、可靠性高的人机界面监控程序，且工作量小，开发调试周期短。3.2 组态软件及其发展3.2.1 组态软件的初步认识组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。“组态（Configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。“监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。3.2.2 组态软件的发展组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如：DCS（集散控制系统）组态、PLC（可编程控制器）梯形图组态；人机界面生成软件就叫工控组态软件。在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。3.3 组态软件的功能及特点组态软件通常有以下几方面的功能：（1） 强大的界面显示组态功能；目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控仵和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。（2）良好的开放性；社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬仵不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬仵设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。（3） 丰富的功能模块；提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场荽求。利用各种功能模块，完成实时监控 产生功能报表 业示历史曲线、实时曲线、提侠报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统。（4）强大的数据库；配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散童、字符型等，实现与外部设备的数据交换。（5）可编程的命令语言；有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编鸾程序，蹭强图形界面（6）周密的系统安全防范；对不同的操作者，赋予不同的操作权眼，保证整个系统的安全可靠运行。（7）仿真功能；捉供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。组态软件的特点：（1）封装性：通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多编程语言技术，就能很好地完成一个复杂工程所需要的所有功能。（2）开放性：组态软件大多采用“标准化技术”，如OPC、DDE、ActiveX控件等，实际应用中，用户可以根据自己的需求进行二次开发。例如可以很方便的使用Visual Basic或C+等编程工具自行编制所需的设备构件，装入设备工具箱。（3）通用性：每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模板、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和界面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。（4）方便性：组态软件的大多数使用者是自动化工程人员。组态软件的目的是确保使用者在生成适合自己所需要的应用系统时不需要或者尽可能少的编程软件的源代码。（5）组态性：组态控制技术是计算机控制技术发展的结果。采用组态软件技术的计算机控制系统最大的特点是从硬件到软件开发都具有组态性。设计者的主要任务是分析控制对象，在平台基础上按照使用说明进行系统级第二次开发即可构成针对不同控制对象的控制系统，免去了程序代码、图形图表、通信协议、数字统计等诸多具体内容细节的设计和调试。因此，系统的可靠性和开发速率提高了，开发难度下降了。3.4 组态软件的使用组态软件通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。组态软件的工业控制系统组建过程有：（1）工程项目系统分析；首先要了解控制系统的构成及其工艺流程，弄清被控对象的特征，明确技术要求。然后在此基础上进行工程流程的整体规划，包括系统应该实现哪些功能，控制流程如何，需要什么样的窗口界面，要实现怎样的动画效果以及如何在实时数据库中定义数据变量。（2）设计用户操作菜单；在系统的运行过程中，为了方便的界面之间的切换和变量的提取，通常应由用户根据实际需要建立自己的菜单来方便用户的操作。如：可以制定按钮来执行某些命令或通过其输入数据给某些变量等。（3）画面设计与编辑；画面设计分为画面建立、画面编辑和动画编辑与连接几个步骤。画面由用户根据自己的实际需要编辑制作，然后将画面与已定义的变量联系起来，一边运行时使画面上的内容随变量变化。用户可以利用组态软件提供的绘图工具进行画面的编辑制作，也可以程序命令即脚本程序自己设计画面。（4）编写程序进行调试；用户程序编好后，要进行在线调试。在实际调试前，先借助于一些模拟手段进行初调，通过对现场数据进行模拟，检查动画效果和控制流程是否正确。（5）连接设备驱动程序；利用组态软件编写好的程序最后要实现和外部设备的联接，在进行连接前要装入正确的设备驱动程序和定义彼此间的通信协议。（6）综合测试；对系统进行整体调试，验收后方可进行投入试运行。在运行过程中如发现问题及时完善系统设计和设备连接。4 机车车辆现场监控人机界面总体设计4.1 机车现场监控系统功能介绍对机车现场监控系统而言，数据测量/传输的快速性、准确性、可靠性、通讯的灵活性都是至关重要的。以前的机车数据监控仅仅提供现场数据的显示和报警，在各设备上加智能仪表，比较分散，不便于观察机车运行情况和进行及时检修，机车运行数据也无法保存，而这些数据是查清机车故障原因和检修的重要依据；智能仪表的各种操作，如调零、限值、精度都因环境和人为因素，影响了简单仪表的显示、报警功能，加之工作现场环境恶劣（高温、震动、电磁波辐射等），导致其实时性、准确性都较差。随着国内现场监控技术的发展，有必要及时更新原来的检测系统。机车监控系统本身有几十个数据采集节点（采用单片微机AT89C51），一个上位工控机负责数据存储和记录，由于采集点多、采集频率较高（20Hz），采用数据总线技术，总线上的数据通常比较拥挤，而系统对数据传输的准确性、报警数据的实时性要求特别高，鉴于此，我们选择CAN现场总线搭建数据平台，它兼具了灵活性、实时性、准确性、可靠性各方面的优势。CAN是控制器局域网络（Controller Area Net）的简称，现在，它已广泛应用于各种工业现场，特别适用于做优化、分析及维护的系统。整个监控系统是由下位机和上位机通过CANH、CANL双绞线进行双向通信。4.2 系统方案设计掌握司机人机界面的组成部分及人机界面控制的对象是设计的关键环节。机车控制系统是由中央控制单元（CCU）、司机显示单元（HMI）、牵引控制单元（PCU）、辅助控制单元（ACU）、充电机（BC）、门控单元（DOOR）等组成，所有这些单元的实时状态、故障信息都由司机室人机界面控制或显示在人机界面上。因此在设计中必须要将所有被控对象由人机界面联接并对其实施控制，与此同时系统是由司机和维修人员使用，因此要设置登录权限；确定系统的主要作用是监控，同时也要在人机界面上设置报警显示，故障信息，控制状态信息等。4.3 登录界面的设计及其权限设置登录界面设计用户在打开主机时首先显示登录界面，点击“登录”按钮可进行登录，用户在登录时可分为司机和维护人员，只有分别输入各自的密码才能登陆，在列车运行时只有点击主界面的“设置”菜单可进入登录界面，可进行重新登陆进行用户切换或退出，点击“退出”按钮可退出运行系统。图3图44.4 界面设计及其功能介绍主界面设计用户可在运行界面下方点击主菜单按钮进入主界面，主界面主要包括历史事件系统，报警记录系统，列车状态系统，互锁系统，牵引检测系统，制动检测系统，设置系统，主控复位系统。点击相应按钮可进入对应系统界面。 图54.5 运行界面设计及设计要求运行界面设计运行界面可对门控系统，空调系统，供电系统，供风系统，牵引系统，制动系统，和主界面进行查看与操作，当列车进入其他界面时界面始终显示日期，时间，起始站，终点站，接触网电压，列车运行速度。ATC为连接列车的自动控制系统按钮，ATO为列车的自动运行系统，Slip为列车的滑行系统。平均温度显示列车上的平均温度，限速显示列车在某一区段的限制速度，紧急刹车显示列车是否处于紧急刹车状态，如果显示绿色表示列车无紧急刹车，如果显示红色则表示列车施加了紧急刹车。速度表盘显示列车的当前速度，采用表盘形式既可以显示当前速度，也可显示列车的整体速度，方便司机操作和整体查看。牵引力刻度计显示当前列车所施加的牵引力，音量刻度计表示列车上的噪音情况，司机可通过音量刻度计查看当前列车上的噪音以便确定乘客的舒适度，风量显示当前列车供风机风量的大小。公告表示在该区段司机应该注意哪些问题，按下公告按钮可进行查看。跳站表示列车是否要跳过下一站，点击“跳站”会弹出跳站确认及取消。图64.6 其他界面模块化设计及其功能门控界面设计门控界面主要包含列车车门的关闭情况及故障显示，当列车速度低于3km/h时并且至少一侧外门释放或乘客紧急通话/制动被激活时，该界面自动弹出。也可以通过点击“门控”菜单查看车门处于打开或关闭状态，若开关显示绿色则为关，若显示红色则为打开状态，可通过点击相应车辆实现车门的关闭。点击“故障信息”按钮可显示门控系统的故障信息。图7空调界面设计空调界面与门控界面类似，点击在“空调”按钮可以查看每节车辆内空调的所处打开或关闭的状态，及故障显示，若界面车辆显示为绿色则为开，若显示为红色则为关，可通过点击相应车辆实现对空调的关闭。图8供电界面设计点击菜单“供电”可进入供电界面。供电界面显示当前高压系统受电弓和主断路器的工作状态。在主控端IDU的的高压界面可以对受电弓和主断路器进行切入/切除操作以及“切除自动过风相”的操作。受电弓的状态：全绿表示已升弓；全黄表示降弓；全蓝表示切除并已升弓，全紫表示切除并以降弓；全红表示有故障；全黑表示有故障并已降弓；主断路器的状态：全绿表示闭合；全黄表示断开；全蓝表示切除并闭合；全紫表示切除并断开；全红表示有故障并闭合；全黑表示有故障并断开。图9供风界面设计点击“供风”菜单可进入供风界面。供风界面有辅助压缩机状态显示，主压缩机状态显示，压力传感器状态显示，系统风压状态显示，主压缩机及压力传感器可进行切入/切除操作。图10牵引界面设计点击“牵引”菜单可进入牵引界面。牵引界面显示当前牵引系统LCM，MCM，ACM的工作状态，可以对各模块进行切入/切除操作，模块状态：全绿表示模块正常工作；黄色表示模块准备就绪；全红表示有故障；全蓝表示模块被切除；全灰表示状态不明。图11制动界面设计点击“制动”菜单可进入制动界面。制动界面中间部分显示当前每辆车的制动状态及所获得制动力，红色表示该车制动有故障，或被切除，灰色表示状态不明；车辆上部分表示施加紧急制动，绿色表示紧急制动缓解，灰色表示状态不明；车辆下方红色表示施加停放制动，绿色表示停放制动缓解，灰色表示状态不明。图12历史事件界面设计点击主界面的“历史事件”菜单进入历史事件界面。该界面显示列车的所有故障记录，可以通过输入要查看的起始时间和终止时间查看该阶段的历史事件。可以选择整车或单车进行查询。图13报警记录界面设计点击主界面的“报警记录”菜单可进入报警记录界面。该界面显示列车内所有已检测到的警报列表，列表中显示报警的日期，时间等。图14列车状态界面设计点击主界面的“列车状态”菜单可进入列车状态界面。该界面显示当前列车各单元或元件的状态，方便在列车运行前对其进行操作。图15互锁界面设计点击主界面的“互锁”菜单可进入互锁界面。该界面提供牵引封锁，限速及紧急制动的当前状态，全红表示互锁有限制条件激活，可以点击相应按钮进行查看具体条件；全绿表示互锁未被激活。图16牵引互锁界面设计点击互锁界面的“牵引互锁”菜单可进入牵引互锁界面。该界面提供牵引封锁的原因，红色表示该条件被激活导致牵引封锁；绿色表示条件未被激活。只要有一个条件变红，即会导致牵引封锁。产生牵引互锁的原因有：由于原边电流超过允许值回流电流与原边电流差值超过定值引起；由于机车总风缸低于650Kpa或监控系统，惩罚制动等引起；由于主逆内部环温超限、油流、油温或无效的温度值引起；由于网压过高或过低引起；由于司控指令出现混乱引起；由于主逆内部温度传感器，过流、过压传感器，接地保护继电器无动作引起；由于主逆温度过高引起；由于水压过低引起；由于布赫继电器动作引起；由于牵引电机过热引起。只要有一个条件被激活牵引互锁按钮就会变成红色。图17限速界面设计点击互锁界面的“限速”菜单可进入限速界面。该界面提供限速的原因，红色表示该条件被激活导致限速；绿色表示该条件未被激活。限速原因包括：线路原因；维修人员添乘。只要有一个条件被激活限速按钮就会变成