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新一代智能人机界面产品的分类：

一类产品：薄膜键盘输入的HMI产品，显示尺寸小于5.7寸，画面组态软件免费，仅支持一个串行接口设备，一般可称为小型人机界面或文本显示器，易使用、价格低、常用于小型机械设备的电气控制中，市场占有率巨大。
二类产品：触摸屏输入的HMI产品，显示屏尺寸为5.7ˊ～12.1寸，同时支持2个串行接口设备，无网络接口。画面组态软件免费，一般可称为“触摸屏”，使用较复杂、价格中等、用于中型机械设备，市场占有率较大。
三类产品： 基于工业平板PC计算机的、具有多种通讯接口（如网络接口）、多功能的HMI产品，界面显示屏的尺寸大于10.4寸，画面组态软件收费，一般称为计算机控制单元，使用复杂、价格高、大型工业设备中使用，市场占有率低。

随着**大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，未来的人机界面产品在功能上的高、中、低划分将越来越不明显，中低端的HMI产品的性能将越来越强，高端产品的价格也将越来越向中低端靠拢；5.7寸以上的HMI产品将全部是彩色显示屏，屏的寿命也将更长。由于核心微处理器单元的成本、大规模集成电路成本和液晶显示器硬件成本的进一步降低，HMI产品将向两个方向发展，其一：以工业平板PC计算机为HMI硬件的高端产品，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，是未来HMI产品的高端发展方向。其二：小尺寸的（显示尺寸小于5.7寸）HMI产品，由于其在体积和价格上的优势，随着其功能（如增加IO功能、网络链接功能、多串口功能等）和性能（如采用32位高性能微处理器、加大存储容量等）的进一步增强，将在低端的中、小型机械设备的人机交互应用中得到广泛应用。
虽然人机界面产品发展了很多年，但由于性能及价格等因素的限制，欧美日等发达国家在自动化领域大比例应用基于微处理器的人机界面产品始于上世纪90代，而我国在自动化机械设备产品中大比例使用智能人机界面产品则始于本世纪初。随着计算机技术、液晶显示设备、集成电路、网络通讯技术的发展，HMI产品已经逐渐成为了主流自动化机械设备上的标配产品，同时HMI产品的应用行业范围也已经从开始的传统工业延伸到了交通、物流、**、医疗设备、智能家居等需要人机交互的广阔领域中。

当前国、内外人机界面产品市场情况：

由于人机界面产品是从自动化领域中发展应用而来的，国际上各大工业自动化公司（西门子、施耐德、GE、三菱、OMRON等）都有自己的人机界面产品，且产品线主要集中在二、三类HMI产品。由于HMI产品在自动化领域里的应用比例大幅度提高，无论从深度还是广度方面都有了显著的成长，2006年以来这些**的自动化公司也开始涉足一类小型HMI产品的开发和销售。
2003年我国闽台自动化厂商的HMI产品开始进入大陆国内市场，闽台这些公司的产品主要集中在二类HMI产品的开发和销售；我们国内的自动化厂商由于自有研发能力和自动化水平的限制，直到2004年才开始HMI产品的和开发，到2008年为止，国内市场有不到十家公司真正开发了自主知识产权的人机界面产品，且产品主要集中在一、二类HMI产品。目前由于价格、易用性等原因，2006年以来，国产和闽台的HMI产品在中低端国内市场的占有率遥遥良好于国际上的**厂商。

当前国内、外人机界面产品中使用的技术情况：（以一、二类HMI产品为例）

硬件核心处理器及存储单元：

一类HMI产品 二类HMI产品

国外厂商： 32位微处理器、存储容量大 32位X86处理器、容量大

国内厂商： 8-16位微处理器、存储量小 32位RISC处理器、容量大

硬件接口（重要的性能指标）种类：

一类HMI产品 二类HMI产品

国外厂商： 双串口、以太网口 多串口、以太网口、打印口、音视频口等

国内厂商： 单一串口 双串口、打印口等

工具软件（画面组态软件）功能：

一类HMI产品 二类HMI产品

国外厂商： 功能较完善、支持双串口、 功能完善成熟、具有数学运算功
支持网络链接、收费使用 能和宏指令、收费使用

国内厂商： 容易使用、满足大多数要求、主 不够成熟、支持宏指令、动画、
要以文字和图片为主、随硬件提供 曲线功能丰富、随硬件提供

实时运行行软件（HMI产品的执行软件）性能：

一类HMI产品 二类HMI产品

国外厂商： 实时性好，处理速度快 实时性好，处理速度快

国内厂商： 处理速度慢 实时性好，处理速度快

从上面可以看出，国内小型人机界面产品（一类HMI产品）在性能上存在一些不足，主要表现在处理速度慢、功能简单，存储容量小，接口类型单一；虽然我们在产品的多样化方面已做出了努力，如开发了基于8位单片机处理器的双串口文本显示器、POP手持文本显示器等，但仍无法满足工业自动化设备对处理速度、大存储容量及组网链接的要求。
我们经过分析研究发现，这种不足，完全是由于国内的一类HMI产品采用的处理器大多是性能较低的8位单片机。虽然8位单片机价格低廉，功能灵活，容易开发，却越来越无法满足现代工业自动化设备对人机界面产品功能的要求。但这种的人机界面产品又是市场占有率较大的HMI产品，是其它高成本人机界面产品**的，有着巨大的市场前景，特别在小型、低价格机械设备的电气控制中。
鉴于此，并随着32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理器技术的发展和处理器芯片价格的下降，我们提出了一种基于32位ARM内核处理器的*二代小型人机界面产品设计方案，通过核心处理器的性能提供，大幅提高了HMI产品的处理速度和存储容量，满足工业自动化设备对HMI产品的高速、多功能、大容量存储需求。
ARM 是Advanced RISC Machines的缩写，是微处理器行业的一家*企业，改企业设计了大量看、廉价、高性能、低功耗的RISC处理器的相关技术和软件，适用于多种领域，如嵌入控制、DSP、多媒体、移动通讯等。ARM芯片从上世纪90年代问世以来，在32位RISC 微处理器开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来，一直以IP(Inbbbligence Property)提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上的32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、的嵌入式应用领域确立了市场**地位。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经**过50多家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买ARM公司的芯核用于通讯**芯片的设计。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统(RTOS：Real Time Operating System)供应商的支持，比较**的有：bbbbbbs CE、Linux、pSOS、VxWorks Mucleus、EPOC、u、BeOS等。
基于ARM内核处理器芯片价格的持续下降，我们决定采用ARM处理器芯片来实现小型人机界面的高速处理功能。目前，市场上低端ARM芯片的价格和高端8位单片机价格已基本持平，虽然在ARM处理器产品的开发阶段对开发人员的要求较高，人员费用也较高，但当产品开发完成后，32位ARM处理器产品的硬件生产成本并不比基于8位单片机处理器的HMI产品高；而性能上却远**基于单片机的HMI产品，由于性价比的大幅提高，市场的适用面也更加广阔，特别有利于开发产品的国际市场。另外，由于ARM内核芯片的强大加密功能使得产品的知识产权能得到有效的保护（POP文本显示器在市场份额不断加大的同时，也遭受了的侵扰），也有利于公司产品市场的开发、占有和保护。

二、本HMI产品的技术特点及创新点

1、**在小型人机界面中采用高性能32位ARM处理器单元
随着自动化技术和微处理器技术的发展，用户对人机界面产品的性能和功能要求也越来越高，原先基于8位单片机芯片的小型人机界面产品在数据处理速度、数据显示刷新速度、接口能力等方面都无法满足用户的要求。而近年来被广泛应用的32位ARM微处理器芯片，其强大的处理能力和丰富的扩展功能却能方便地实现上述要求。为此，为了满足用户市场新的需求，提高我们产品在市场同类产品中的竞争力，我们决定研发基于32位ARM微处理器的*二代小型人机界面产品。
2、 **在小型人机界面中同时支持双串口设备链接
**代小型人机界面产品中由于核心处理单元性能的限制，在处理速度和接口扩展能力方面都无法实现用户对HMI产品双串口实时通讯连接的要求，因此我们利用ARM微处理器的强大接口扩展功能，**实现了小型HMI产品实时双串口设备的通讯链接功能。
3、 预留以太网扩展接口以备增加工业设备网络链接功能
同样、基于ARM微处理器的强大功能和网络技术在自动化领域的普及发展，为了今后小型HMI产品联网功能的扩充，我们在产品设计中预留了以太网接口。
4、 **在小型人机界面中设置多达3Mb画面Flash存储容量
**代小型HMI产品一般只有1Mb画面存储容量，在实际使用中，常常无法满足部分用户对大数量画面容量的要求。同样，由于8位单片机性能和扩展成本的考虑，**代小型HMI产品无法简单有效解决容量问题，但ARM微处理器的强大扩展能力却可以方便的解决存储容量问题。
5、 功能更强大的画面组态软件（工具软件）
由于有了ARM微处理器强大处理能力的支持，我们可以进一步丰富小型HMI画面组态软件的功能，把一些大、中型人机界面画面组态软件中的功能移植到小型HMI画面组态软件里，如时钟记录功能，动画功能，配方功能，工业现场组网功能等。
6、 基于高性能实时操作系统（RTOS）的ARM处理器高速执行软件
由于采用高性能的RTOS操作系统，可以提高ARM微处理器程序的执行速度、可靠性和稳定性，满足用户对工业产品高实时处理能力和高可靠性的要求。与此同时，通过对RTOS操作系统功能的裁剪及底层执行软件的优化，使执行程序占用处理器内存的容量较小化，从而提供了用户较大容量的存储能力。

三、小结

高速、大容量、双串口POP文本显示器产品的技术方案是结合当前ARM内核处理器技术发展情况，综合分析比较国内外同类产品性能，并总结我们现有小型人机界面（基于8位处理器的POP文本显示器）产品开发和市场开发的基础上提出的，克服了上一代同类产品的不足，能进一步满足小型人机界面产品使用者对产品功能越来越多的要求。本产品在性能上达到了国际同类先进产品的水平，**过了国内目前现有同类产品性能水平。

可编程序控制器（PLC）；智能I/0 ；综合监控系统；SOE 点；自动发电控制AGC；自动电压控制AVC

我国具有得天*厚的水能资源，理论上全国蕴藏总量量为6.76 亿kW，技术可开发量为3.78 亿kW，年发电量19200亿kW.h，占世界总量的13.22%，居世界**。据统计，2000年我国水电装机容量为7500 万kW，开发率仅为19.8%。与其它发达国家相比，我国水能资源开发利用水平还很低，水电站自动化程度还很落后。如何逐渐加大开发力度，利用好丰富的水能资源，对于我国的现代化建设和可持续发展战略的实施，具有十分重大的意义。

（一）水电站自动化概述

1.水电站自动化的作用
水电站自动化就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视，能够在无人（或少人）直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。水电站自动化程度是水电站现代化水平的重要标志，同时，自动化技术又是水电站安全经济运行的技术手段。水电站自动化的作用主要表现在以下几个方面：
（1）提高工作的可靠性：水电站实现自动化后，一方面可通过各种自动装置快速、准确、及时地进行检测、记录和报警，既可防止不正常工作状态发展成事故,又可使发生事故的设备免遭更严重的损坏，从而提高了供电的可靠性。另一方面，通过各种自动装置来完成水电站的各项操作和控制（如开停机操作和并列），不仅可以大大减少运行人员误操作的可能，从而也减少了发生事故的机会；而且还可大大加快操作或控制的过程，尤其在发生事故的紧急情况下，保系统的安全运行和对用户的正常供电，具有非常重大的意义。
（2）提高运行的经济性：水电站实现自动化后，可根据系统分配给电站的负荷和电站的具体条件，合理地进行调度，保持高水头运行，同时合理选择开机台数，使机组在率区运行，以获得较好的经济效益。如何实现各电站合理较优调度，避免不必要的弃水，充分利用好水力资源，对于梯级电站来说尤为重要。此外，水电站通常是水力资源综合利用的一部分，要兼顾电力系统、航运、灌溉、防洪等多项要求，经济运行条件复杂，单凭人工控制很难实现，实现自动化以后，将有助于电站经济运行任务的实现。特别是对于具有调节能力的水电站，应用电子计算机不但可对水库来水进行预报计算，还可综合水位、流量、系统负荷和各机组参数等参量，按经济运行程序进行自动控制，大大提高运行的经济性。
（3）保证电能质量：我们知道，电压和频率作为衡量电能质量好坏两项基本指标。电压正常偏移不**过额定值的±5%，频率正常偏移不**过额定值的±0.2～0.5 HZ。电压或频率的的稳定主要取决于电力系统中无功功率和有功功率的平衡。因此要维持系统电压和频率在规定范围内，就必须迅速而又准确地调节有关发电机组发出的有功和无功功率。特别是在发生事故的情况下，快速的调节或控制对迅速恢复电能质量具有决定性的意义，而这个过程，单纯靠手动操作，无论在速度方面还是在精度方面都是难于实现的，只能借助于自动装置来完成。可见，提高水电站的自动化水平，是保证电力系统电能质量的重要措施之一。
（4）提高劳动生产率、改善劳动条件：水电站大多地处偏僻山区，远离城镇，职工长期生活在较差的环境之中。水电站实现自动化后，很多工作都是由各种自动装置按一定的程序自动完成，用计算机监控系统来代替人工操作及定时巡回检查、记录等繁杂劳动，大大改善运行人员的工作和生活环境，减轻了劳动强度，提高了运行管理水平。同时还可减少运行人员，实现无人值班（或少人值守），提高劳动生产率，降低运行费用和电能成本。

2.水电站自动化的内容
水电站自动化的内容，与水电站的规模及其在电力系统中的地位和重要性、水电站的型式和运行方式、电气主接线和主要机电设备的型式和布置方式等有关。总的来说，水电站自动化包括以下几个方面：
（1）完成对水轮发电机组运行方式的自动控制：一方面，实现开停机和并列、发电转调相和调相转发电等的自动化，使得上述各项操作按设定的程序自动完成；另一方面，自动维持水轮发电机组的经济运行，根据系统要求和电站的具体条件自动选择较佳运行机组数，在机组间实现负荷的经济分配，根据系统负荷变化自动调节机组的有功和无功功率等。此外，在工作机组发生事故或电力系统频率降低时，可自动起动并投入备用机组；系统频率过高时，则可自动切除部分机组。
（2）完成对水轮发电机组及其辅助设备运行工况的监视：如对发电机定子和转子回路各电量的监视，对发动机定子绕组和铁芯以及各部轴承温度的监视，对机组润滑和冷却系统工作的监视，对机组调速系统工作的监视等。出现不正常工作状态或发生事故时，迅速而自动地采取相应的保护措施，如发出信号或紧急停机。
（3）完成对辅助设备的自动控制：包括对各种油泵、水泵和空压机等的控制，并发生事故时自动地投入备用的辅助设备。
（4）完成对主要电气设备（如变压器、母线及输电线路等）的控制、监视和保护。
（5）完成对水工建筑物运行工况的控制和监视：如闸门工作状态的控制和监视，拦污栅是否堵塞的监视，上下游水位的测量监视，引水压力管的保护（指引水式电站）等。

（二）水电站自动化技术的发展
随着科学技术的高速发展，电子计算机在各个领域得到广泛应用，一种模块化的基于现场总线的水电站计算机监控系统出现，逐步取代了传统的以常规控制、人工操作为主的控制模式，大大提高水电站的自动化程度，实现水电站“无人值班，少人值守”。
1.系统构成：采用了计算机、可编程序控制器（PLC）或智能I/0、微机继电保护装置和**智能测控装置，通过标准以太网、现场总线将主控机与各个现地控制站、智能装置等**连接在一起，构成了按功能分工协作的分层分布式综合监控系统。
2.系统的主要特点：（1）开放式体系结构，层次分明，具有良好的扩展性。（2）分层分布式系统，可以根据监控对象、功能进行配置，具有很好的分散性、开放性和灵活性。（3）采用冗余配置，具有很高的可靠性。（4）用中文bbbbbbs 操作系统和智能通信等先进技术，便于系统升级。（5）灵活的组态界面，人机接口能力强，界面友善，易于掌握，方便设计、调试和现场运行。
3.系统主要功能：（1）对电站设备实现自动监视与记录：计算机监控系统自动完成电站设备数据的采集、处理以及设备运行状况的自动监视与记录，包括开关量信息监视，模拟量信息监视，故障/事故报警、记录与显示，SOE 点记录与显示。（2）对电站实现自动控制：根据上级调度要求和电站自身的具体情况，对电站设备进行操作或调节，包括机组的自动开停和并列以及运行工况的自动转换、机组有功和无功负荷的自动调节、自动发电控制AGC、自动电压控制AVC、断路器操作等。（3）对发电机、主变、线路等主要设备及辅助设备进行保护与监控。（4）实现电站运行管理的自动化：实现运行报表的自动生成，运行操作的自动记录，电站设备参数或整定值的记录与保存，所有报表均可自动或召唤打印以及运行人员培训等。（5）系统通讯：实现与上级调度、水情测报系统、办公自动化网络等计算机系统之间通信，达到信息资源共享，充分发挥整个系统的综合效益。

（三）水电站自动化技术的应用
福建省漳州市诏安龙潭水利枢纽工程是福建省“十五”规划重点建设项目，总投资1.16 亿元，由我院进行勘测设计,电站总装机容量1.26 万kw，由两台6300kw 机组组成,水电站计算机监控系统采用长沙华能自控集团有限公司生产的MTC-3S 型微机综合自动化系统。

1.系统构成：由1 号工作站、2 号工作站、1＃机组LCU、2＃机组LCU、公用LCU 同期屏、机组保护期屏、主变线路保护屏、故障滤波系统屏和GPS（卫星时钟）等，通过标准以太网构成