基于无线通讯的手持HMI在自动化立体库中的应用

李晋玲 王戌萌 刘红亮

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

人机接口也叫人机界面（Human Machine Interface HMI）是控制系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它是将控制程序信息的内部形式用人类可接受的形式显示在界面上。HMI在自动化立体库中的主要作用是对设备(堆垛机、输送机、穿梭车、AGV等)进行手动、半自动操作，以及对应设备信息的显示及其他特殊功能的实现。

1 HMI的前期发展

HMI是自动化控制系统和操作人员之间进行交互信息的媒介，作为自动化立体仓库中的设备，除了用PLC程序控制设备自动运行外，HMI是必不可少的，它不仅能显示设备状态和信息，更是在调试初期手动及后期处理故障必不可少的设备。

自动化立体库初期的HMI是带有开关、按钮、显示灯和数码显示管的操作台，通过开关直接操作设备运行，电路板驱动数码显示管显示，这种HMI接线和控制比较复杂，受视线和操作面板大小的限制，一般在设备沿线需要布置多个HMI。随着工业通讯技术和触摸屏技术的发展，出现了带通讯接口（RS232、485、PROFIBUS-DP）触摸屏式的HMI，这种HMI的出现很大程度上提高了自动化立体仓库控制系统的智能水平，设备的所有手动操作可集成在触摸式的HMI中，可减少IO控制硬件和接线。因此，在设计上和实施调试时大大节省了时间和成本，并使之与人的信息交互更直观，更人性化。此时的HMI仍旧是通过通讯线连接的固定式HMI，仍以设备沿线布置，不过只受操作人员视野范围限制，不再受面板大小限制。下面以Prifibus-DP通讯接口的HMI为例说明图1所示HMI在自动化立体库控制网中网络拓扑图。

图1 自动化立体仓库HMI串行网络拓扑图

随着以太网进入工控领域，TCP/IP协议接口的HMI迅速发展起来，并取代了RS232、Modbus、Profibus-DP接口的HMI，将自动化立体仓库的控制设备通过网线、交换机连接在一个局域网中，提高了数据的传输速率，同时网络的拓扑结构也发生了变化，即由串行网络拓扑结构变成了树形或星形网络拓扑结构，增加了网络的稳定性和实用性，这种网络拓扑结构避免了中间某个环节断线而导致后面设备全部瘫痪的危险。图2为自动化立体仓库设备控制的TCP/IP协议的网络拓扑图。

图2 自动化立体仓库HMI以太网网络拓扑图

2 无线HMI的应用

当网络发展到一定规模，以射频技术使用电磁波取代双绞线的局域网络。随着无线通信技术的广泛应用，传统局域网络已越来越不能满足人们的需求，于是无线应运而生，且发展迅速。尽管目前无线局域网还不能完全独立于有线网络，但近年来无线局域网的产品逐渐走向成熟，正以其优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作用。几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持无线上网。因此，无线网络是当今使用最广的一种无线网络传输技术，也是工业可控制发展的必然趋势。

随着无线技术的成熟，无线通讯的触摸HMI也进入了工控领域，以其在无线基站信号范围内不受物理和空间限制的优点成为工控领域的新焦点。无论自动化立体仓库的设备数量多少，设备分散性如何，只要布置的局域网的无线基站能覆盖设备全区，无线HMI都可以访问该局域网内的任何设备，操作人员可走到设备附近直观地去操作。此时，操作屏的数量可根据系统配置，而无需考虑设备布置和控制视野范围。图3为自动化立体仓库无线HMI网络拓扑图。

图3 自动化立体仓库HMI无线以太网网络拓扑图

3 云端HMI的应用

随着网络技术的不断发展，云设计技术进入了物流设备的控制系统中，物流设备的云技术是通过网络实现资源共享和信息交流，从而提高物流装备设计的效率。云端HMI的设计方案是将本自动化立体仓库中的所有需要显示和操作的PLC控制器内容编辑在此云端HMI不同页面内。此云端HMI必须与所有PLC控制器属于同一个物理局域网内，然后通过无线基站的无线信号发布，配备无线工业PAD安装访问云端HMI的APP，通过无线访问云端HMI，通过此APP选择需要连接的PLC控制器IP地址，随即进入需要连接的PLC控制器的相应操作页面和显示页面。图4为自动化立体仓库云端HMI网络拓扑图。

图4 自动化立体仓库云端HMI网络拓扑图

4 无线HMI的优势

1）布线简单 由于自动化立体仓库现场的PLC控制器都与上位监控机进行通讯，故PLC控制器均集于一个局域网内。每个控制柜中都布置有交换机，更方便无线发射基站的布置。固定的HMI则需将每个现场HMI连接到PLC控制器的接口网上，因而无线HMI减少了通讯线缆的铺设，布线方式简单。

2）便于操作 无线HMI设备便于操作人员就近设备进行操作和查询，大大提高了操作的可靠性。固定接口的HMI是一个区域内设置一个HMI，且不可移动，操作起来必须视线可及，若在盲区，操作起来就具有一定的风险。

3）通用性强 无线HMI可将整个自动化立体仓库现场的PLC控制器的功能和信息显示都集于一个HMI上，下载在不同的无线HMI上只需更改对应HMI的IP地址即可，程序通用性较强，无需对应不同的屏编辑不同的程序。固定的HMI因控制设备范围不同而需进行不同的编辑，每个HMI对应的功能各不相同，故通用性不强。

4）降低成本 由于无线HMI的可移动性，对于一套大系统、一个无线HMI即可完成所有设备的操作；对于固定HMI，由于受视野范围的限制，一套大系统通常需要5、6个甚至更多的固定HMI完成所有设备的操作，虽然一个无线HMI的价格高于固定HMI，但综其成本无线HMI优势明显低于固定HMI。

5 HMI的未来发展

随着无线技术的发展与成熟，无线HMI的应用会越来越广，但因无线HMI的产品种类较少，且价格昂贵，故无线HMI的应用受到局限。随着云技术的发展和云端HMI的开发，与之配套使用的无线平板电脑也有很多适用于工业场合，可选择范围很大，且价格比无线HMI便宜，又有云端HMI资源共享优势，故云端HMI将会逐步占据工控领域的HMI主导位置。