毕业设计（论文）-茶叶揉捻机自动化改造.doc

茶叶揉捻机自动化改造 网络教育学院网络教育学院 专专 科科 生生 毕毕 业业 大大 作作 业业 题题 目目： 茶叶揉捻机自动化改造 学习中心：学习中心： 大连学习中心 层层 次：次： 高中起点专科 专专 业：业： 机械设计及其自动化 年年 级：级： 10 年 春季 学学 号：号： 学学 生：生： 指导教师：指导教师： 完成日期：完成日期： 2012 年 1 月 1 日 茶叶揉捻机自动化改造 ii 内容摘要内容摘要 本课题主要研究茶叶揉捻机的自动化改造，实现 6cr-55 型茶叶揉捻机的工 作压力、时间、转速和上下叶的自动控制，包括传感和采集系统、电气系统、控 制和界面系统、软件系统的设计和开发。 首先分析了茶叶揉捻原理，确定了适用于自动控制的揉捻工艺，并制定了自 动控制总体设计方案。总体方案以 plc 控制为主，分为调速、压力控制和上下叶 控制三个子系统。其次，通过计算分析，分别对其进行了硬件选择和连接。最后， 对该系统的上位机软件进行了设计，主要是利用 wincc flexible 解决了人机界 面的问题，在下位机 plc 软件的开发中，主要是对数据的采集与显示模块进行了 编辑。 本课题是一系列茶叶自动控制研究的开始，是开创性的工作，具有非常重要 的意义。 关键词：茶叶揉捻机、自动控制、plc、人机界面、wincc flexible 茶叶揉捻机自动化改造 iii 目 录 第一章 茶叶加工的工序及发展.1 1.1 茶叶加工的主要工序 1 1.2 国内外茶叶加工技术的发展及现状 1 1.3 课题的来源2 1.4 课题的主要研究内容 3 第二章 揉捻加工分析及自动控制总体方案确定.3 2.1 茶叶揉捻加工基本原理 3 2.2 茶叶揉捻设备 3 2.3 揉捻机自动控制系统总体方案设计 5 第三章 茶叶揉捻机自动控制系统的硬件概况.6 第四章 软件设计与实现.7 4.1 上位机软件设计 7 4.2 下位机软件设计.26 4.3 wincc flexible 与 step 7 的集成 43 参考文献.44 致谢.45 茶叶揉捻机自动化改造 引言引言 中国是茶叶的原产国，中国人对茶叶的应用，至少可追溯到四千年以前,20 世纪 50 年代以来，尤其是进入 80 年代以来，我国的茶叶加工技术快速向着机 械方向发展，各茶类的制茶机械相继研制与开发成功，并逐步应用于生产。到 目前为此，我国的大宗茶己有 90%实现了机械化加工，名优茶也有 50%以上的加 工实现了机械化。 揉捻机自动化改造是要实现 6cr-55 型茶叶揉捻机的工作压力、时间、转速 和上下叶的自动控制，包括传感和采集系统、电气系统、控制和界面系统、软 件系统的设计和开发。整个茶叶揉捻系统的软件设计分为上位机软件的设计和 下位机软件的设计。在上位机软件系统的设计和开发中，人机界面的设计占主 要的部分。 1994 年 8 月，中央决定，在“九五”期间，国家安排专款用于引进国际先 农业科学技术，每年实施一批项目。引进技术所需用于消化、吸收和推广的经， 中央单位承担的项目由中央财政解决，地方单位承担的项目由地方财政配套。 就是 948 项目。最近，国务院再次决定，在“十二五”期间，中央财政每年投 资 2 亿元，继续执行“948”计划。由中国农业科学院茶叶研究所承担的农业部 948 滚动项目茶叶标准化生产键技术引进、消化与创新研究于 2006 年正式 启动。该项目称:“我国的茶加工技术水平与装备多年以来没有重大改进，总体 上还处于传统农副产品初级工，加工的机械化、自动化程度低，质量管理与品 质控制仅凭人工经验和常规审评与理化检验来保证，与全程清洁化生产、机械 化加工和自动化控制的世界进水平差距甚远。针对我国不同茶叶生产过程的特 色和上述主要问题，引进一世界先进水平的种植和加工技术、理念、设备和装 置等，在消化吸收的基础上，合必要的创新研究，整合过去几十年来提出的成 熟技术成果，力求改善加工设的自动化和智能化程度，提升加工的工艺水平， 提出我国绿茶(名优绿茶、大绿茶)、ctc 红茶和乌龙茶的标准化加工工艺参数， 研制出茶叶加工关键设备自动控制装置和生产线自动控制系统，研制出茶叶加 工智能化专家咨询系统。 ”本课题是该滚动项目的一部分，其技术目标是实现 6cr 一 55 型茶叶揉捻机的作压力、时间、转速和上、下叶的自动控制。 茶叶揉捻机自动化改造 1 第一章第一章 茶叶加工的工序及发展茶叶加工的工序及发展 1.1 茶叶加工的主要工序 茶树收获所采下的是鲜叶，如不及时加工，就会因变质而失去应用价值。 鲜、叶也只有通过加工，才能使叶内的水分逐步蒸发而形成干茶可贮藏和保存。 品质良好的鲜叶，通过先进的科学技术加工而使香气成分逐步优化，成为具有 良好色、香、味、形的成品茶，既满足了市场消费需求，也为茶业企业带来良 好的经济效益。 随着现代科学的不断发展，近年来茶叶的加工技术日趋先进，特别是机电 一体化、计算机与自动控制、酶膜工程和现代保鲜等高新技术在茶叶加工中的 普遍应用，使各种新型茶产品不断涌现，各类茶叶深加工产品的开发和生产势 头也日益迅猛，为茶叶加工升值创造了更为良好的条件。 1.2 国内外茶叶加工技术的发展及现状 茶叶原产于中国，后逐步传播于世界，当前世界上有 50 多个国家种茶和产 茶，160 多个国家饮茶。它们的种茶和茶叶加工技术以及饮茶习俗，均系从我 国直接或间接传去。早在唐代的公元 815 年，茶树种植技术就由我国传到日本， 绿茶蒸青加工技术也同时传去，被日本人一致延用至今，并在此基础上不断改 进完善，研制出一整套蒸青煎茶加工技术，还实现了现代化的生产线加工。19 世纪上半叶，中国茶树种植和条形红茶加工技术先后传到印度尼西亚、印度、 斯里兰卡和苏联(今独联体诸国)。这些国家在茶树种植初期均应用从我国传去 的技术和方法，进行茶树栽培管理和茶叶加工，甚至直接从中国聘请茶叶技师 传授茶叶种植和加工技术。在此基础上，这些种茶国家经过不断的实践和研究， 尤其是通过对机制茶叶的开发(如揉捻机和烘干机等茶叶加工机械的发明)，至 19 世纪后半叶红茶加工方法开始从条形茶向着切碎红茶方向发展。由于这种茶 为碎颗粒形状，内含成分在冲泡时容易溶出，在茶汤中加入牛乳后风味和汤色 不会变淡，很适合西方人的饮用习惯，很快风行世界。红碎茶自出现以来，经 历了盘式揉切机、转子揉切机和 ctc 等阶段的揉切技术改进，品质更为优异。 20 世纪中后期，茶树种植和红碎茶加工技术传入非洲等地(如肯尼亚等产茶国)， 红碎茶生产采用了最先进的 ctc 加工技术，茶厂及其生产线设计尤为先进，加 工出的红碎茶品质良好，在世界茶叶市场上具有很高的信誉。 茶叶揉捻机自动化改造 2 我国制茶机械化作业技术虽然取得了长足的发展，但制茶机械的自动化和 连续化程度仍然较低， ，与食品工业的机械化相比却存在着较大的差距。食品工 业生产技术的发展过程大体要经历五个阶段，即机械化阶段、初级自动化阶段、 自动控制阶段、数据化阶段、高级自动化阶段(无人化阶段)。目前国内食品加 工技术已处于第四阶段，国外茶叶加工己进人第三、第四阶段，如日本蒸青茶 生产线和英国 ctc 生产线。而我国的制茶技术总体上仍处于第一阶段，个别单 机或生产线处于第二阶段，与国外相比尚存在巨大的差距。 1.3 课题的来源 1994 年 8 月，中央决定，在“九五”期间，国家安排专款用于引进国际先 农业科学技术，每年实施一批项目。引进技术所需用于消化、吸收和推广的经， 中央单位承担的项目由中央财政解决，地方单位承担的项目由地方财政配套。 就是 948 项目。最近，国务院再次决定，在“十二五”期间，中央财政每年投 资 2 亿元，继续执行“948”计划。由中国农业科学院茶叶研究所承担的农业部 948 滚动项目茶叶标准化生产键技术引进、消化与创新研究于 2006 年正式 启动。该项目称:“我国的茶加工技术水平与装备多年以来没有重大改进，总体 上还处于传统农副产品初级工，加工的机械化、自动化程度低，质量管理与品 质控制仅凭人工经验和常规审评与理化检验来保证，与全程清洁化生产、机械 化加工和自动化控制的世界进水平差距甚远。针对我国不同茶叶生产过程的特 色和上述主要问题，引进一世界先进水平的种植和加工技术、理念、设备和装 置等，在消化吸收的基础上，合必要的创新研究，整合过去几十年来提出的成 熟技术成果，力求改善加工设的自动化和智能化程度，提升加工的工艺水平， 提出我国绿茶(名优绿茶、大绿茶)、ctc 红茶和乌龙茶的标准化加工工艺参数， 研制出茶叶加工关键设备自动控制装置和生产线自动控制系统，研制出茶叶加 工智能化专家咨询系统。 ”本课题是该滚动项目的一部分，其技术目标是实现 6cr 一 55 型茶叶揉捻机的作压力、时间、转速和上、下叶的自动控制。 1.4 课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容包括: 1.根据原 6cr 一 55 型茶叶揉捻机的结构特点，制定出相应的茶叶揉捻机 动控制系统总体设计方案； 茶叶揉捻机自动化改造 3 2.上位机软件设计与实现，主要是人机界面的设计； 3.下位机软件的设计与实现,主要是数据的采集与显示模块。 茶叶揉捻机自动化改造 4 第二章第二章 揉捻加工分析及自动控制总体方案确定揉捻加工分析及自动控制总体方案确定 2.1 茶叶揉捻加工基本原理 所谓揉捻(twisting)，是运用搓揉方法破坏茶叶的组织细胞，挤出茶汁， 使叶片成条的茶叶初制工序即用揉和捻的方法使茶叶面积缩小卷成条形，通 称条茶。揉捻是初步做形，除了白茶类和绿、黄茶中有些不要揉捻外，一般在 制茶过程中都有揉捻工序。鲜叶直接揉捻是不能成条的。因其物理性能硬、脆。 揉捻是力的作用，如果用力不当，也不能成条。 2.2 茶叶揉捻设备 茶叶揉捻机(tea twisting machine)是由揉桶与揉盘作相对回转运动而将 茶叶搓揉成条、挤出茶汁的机械。我国生产的茶叶揉捻机是茶机工业中较为成 熟的机种之一，也是第一个颁布部标准的茶机机种。第六代茶叶揉捻机产品系 列统一标注为“6cr”字样，“6”代表第六代，“c”是“茶”字拼音第一个字母 大写，“r”是“揉”字拼音第一个字母大写。 .1 茶叶揉捻机的分类茶叶揉捻机的分类 1.按运动形式可分为: (1)单动式茶叶揉捻机:揉桶作回转运动、揉盘不动。 (2)双动式茶叶揉捻机:揉桶与揉盘均作回转运动。 2.按揉盘样式可分为: (1)盘式 (2)平板履带式 (3)转子式 (4)滚子式 3.按揉桶数量可分为 (1)单桶式 (2)双桶式 (3)四桶式 4.按揉桶直径可分为: (1) 6cr-15 型 (2) 6cr 一 20 型 茶叶揉捻机自动化改造 5 (3) 6cr-30 型、 (4) 6cr 一 55 型 (5) 6cr-65 型 5.按加工的连续化程度可分为: (1)非连续 (2)连续式 .2 6cr-556cr-55 型盘式茶叶揉捻机的主要技术参数型盘式茶叶揉捻机的主要技术参数 表 2 一 1 cr-55 型揉捻机的主要技术参数 项目单位 6cr_55 外径 x 高度 mm540x385 揉桶 容叶量kg/桶 3035 加压形式丝杆式加压 转速 r/min501 台时产量 kg/h100140 功率 kw2.2 电机 电压 v220 外形（长 x 宽 x 高） mm1500x1500x1400 2.3 揉捻机自动控制系统总体方案设计 本着操作简便，安全可靠，生产效率高的目标，茶叶揉捻机控制部分应达 到以下工作要求。打开电源后，首先进行触摸屏操作，输入工作组、用户名与 密码，验证无误后，才能进入茶叶揉捻机的控制系统，然后或更改生产参数， 或进入监视界面。按下开始按钮，茶叶揉捻机会进入自动运行状态，随后进入 初始化状态，再进行故障自检，一切正常后，如果没有新的数据输入，系统会 自动载入上次数据。如果有新的数据输入，系统将采用新的数据进行揉捻。揉 捻结束后，出茶门自动打开，等待下茶。按下复位按钮，系统会自动返回初始 状态。如果在揉捻过程当中，系统检测到异常现象，系统会报警。在揉捻过程 当中，允许随时暂停操作，并在转换到继续时，恢复所有数据。运行当中的重 要数据，在停电后能够得到保持，恢复供电后，也能继续工作。在遇到非常严 茶叶揉捻机自动化改造 6 重的故障，按下急停按钮，系统会自动禁止所有输出，等待人工处理后，按下 复位按钮，系统就可以恢复到初始状态。如果在运行当中遇到问题，但是可以 通过手动解决，那么，先可以按下暂停，然后再切换到手动状态，进行手动操 作。在遇到较大的故障后，系统仍然可以进行手动揉捻、压盖手动升降、出茶 门手动开关、手动复位等日常操作。 .1 揉桶转速控制：揉桶转速控制：原 6cr-55 型茶叶揉捻机有一齿轮减速机构，输出转速为 50 士 1r/min。这一转速是固定的，不能调整。但是不同的茶种、0-十质和杀青 质量，需用不同的转速揉捻，虽然只是些微的变化，也体现茶叶加工的精细程 度。转速的控制由交流电机变频调速技术来实现。变频调速技术是目前世界上 技术先进、使用成熟、性能可靠的调速方式，它实现了电机转速连续无级调速。 这里的变频调速是开环控制，控制指令直接来自于上位机中输入的参数。 2.3.2 压力控制：压力控制是整个控制系统的关键所在，利用压盖的升降 来控制桶内茶叶所受到的压力。其控制框图如下图所示，它是一个开环控制。 把加压型式由 55 型的双滑柱加压改为 40-45 型的单滑柱丝杆浮动加压。滑柱是 一根中空的钢管，对着压盖的一侧，开有一平行于钢管中心线的竖直长槽，竖 直长槽的顶部又连着一段与水平方向成 45。角沿管壁开凿的斜槽，钢管中心 是一根丝杆，可以带动加压臂上的螺母沿着竖直长槽上下移动，并沿着斜槽移 离揉桶上方，便于上叶。在滑柱的根部装有一个手轮，用来转动丝杆。现在， 在手轮的位置上装一个步进电机，改手轮转动为步进电机带动丝杆转动。再在 滑柱的顶部和根部分别装上一个行程开关控制加压臂的上下限和进行加压臂定 位。 .3 揉捻过程控制揉捻过程控制：过程控制其实就是时间控制。可以把揉捻加工分为 “轻一重一轻”三过程，也可以分为“轻一重一较重一轻”四过程，还可以制 定别的工艺阶段。总之，要根据各茶种的特征，叶质老嫩、匀度和杀青质量来 制定。每一过程的时间数值，按前面论述的揉捻加工工艺灵活掌握确定。加工 前，把每一过程的时间参数输入上位机中，再由上位机传输给 plc, plc 根据输 入的时间参数控制主电机和压力系统的运行。 plc步进电机控制对象 茶叶揉捻机自动化改造 7 .4 上、下叶控制上、下叶控制：出茶门在揉盘底部的正中心，原 6cr-55 型茶叶揉捻 机揉盘的底部安装着一根长销，揉捻时用来锁紧出茶门，以免跑茶。下茶时， 拔开锁紧销，出茶门在重力作用下下垂，出茶门打开。关门时，摇动连接在出 茶门上的手柄，把出茶门摇上来，再插上锁紧销。 为方便操作人员装上杀青叶，需要控制揉桶的所停位置以及压盖的上升和 旁移。压盖的上升由压力控制解决，压盖的旁移在原有机械结构中就存在。 茶叶揉捻机自动化改造 8 第三章第三章 茶叶揉捻机自动控制系统的硬件概况茶叶揉捻机自动控制系统的硬件概况 茶叶揉捻机自动控制系统的硬件主要由上位机、下位机和调速控制、压力 控制、上下叶控制以及显示四个子系统组成。整个硬件系统的框架下图所示， 上位机是一台 pc，和触摸屏组成一体机;下位机是一个西门子 s7-300 系列的 plc:调速控制系统主要是一台变频器，交流电机是原有的;压力控制系统由压力 传感器、步进电机、步进电机驱动器以及两个行程开关组成;上下叶控制由电磁 阀、气缸、接近开关以及限位开关组成，其中限位开关有四个;显示系统是一个 西门子触摸屏。 plc变频器异步电机 指示灯hmi 行程开关驱动器压力传感器 步进电机 显示系统 调速控制系统 压力控制系统 茶叶揉捻机自动化改造 9 第四章第四章 软件设计与实现软件设计与实现 整个茶叶揉捻系统的软件设计分为上位机软件的设计和下位机软件的设计。 上位机软件指的是计算机上应用软件设计，是利用 wincc flexible 开发的用户 应用软件，主要实现揉捻流程及工艺参数的显示、数据处理与保存、参数设定 和系统控制;下位机软件指的是 s7-300 plc 程序的开发，是利用 step7 进行程 序设计，主要实现揉捻过程的自动控制、传感器数据采集、逻辑运算以及人机 界面的设计开发。 4.1 上位机软件设计 上位机软件是基于 windows2000/al，操作系统，使用 delphi7.0 开发的， 采用面向对象多层体系结构技术。主要划分成以下三个层次:用户界面层、数据 库层和应用服务层。把原来比较理论、抽象的模型用相对形象的界面图形在测 控软件主界面上表示出来。本论文在这里只讨论上位机软件程序的开发,主要研 究人机界面 .1 人机界面概述人机界面概述：人与机之间存在一个相互作用的“面” ，所有的人机信息 交流都发生在这个作用面上，通常称为人机界面。人机界面是人与机器进行交 互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输 出。茶叶揉捻自动控制系统的各项功能均可以通过人机界面来进行操作与实现。 人机界面（human-computer interface,简写 hci，又称用户界面或使用者 界面）：是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统 的重要组成部分。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或 称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接 触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与 控制的作用空间。 人机结合面是人机系统中的中心一环节，主要由安全工程学 的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程 学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全 人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机 信息交流的领域都存在着人机界面。现在大量运用在工业与商业上，简单的区 分为“输入” （input）与“输出” （ouput）两种，输入指的是由人来进行机械 或设备的操作，如把手、开关、门、指令(命令)的下达或保养维护等，而输出 茶叶揉捻机自动化改造 10 指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人 机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最 大的效能并延长使用寿命，而目前市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软 件人性化的操作接口上。 特定行业的人机界面可能有特定的定义和分类，比如工业人机界面 (industrial human-machine interface 或简称 industrial hmi)，具体解释可 查看“工业人机界面”词条。 人机交互（human-computer interaction, 简写 hci）：是研究关于设计、 评价和实现供人们使用的交互计算系统以及有关这些现象进行研究的科学。 人机交互与人机界面是两个有着紧密联系而又不尽相同的概念。人机交互 与人机界面的关系如下： 人机交互是指人与机器的交互，本质上是人与计算机的交互。或者从更广 泛的角度理解：人机交互是指人与含有计算机的机器的交互。具体来说，人机 交互用户与含有计算机机器之间的双向通信，以一定的符号和液晶屏被用作人 机界面显示器动作来实现，如击键，移动鼠标，显示屏幕上的符号/图形等。这 个过程包括几个子过程：识别交互对象-理解交互对象-把握对象情态-信息适应 与反馈等；而人机界面是指用户与含有计算机的机器系统之间的通信媒体或手 段，是人机双向信息交互的支持软件和硬件。这里界面定义为通信的媒体或手 段，它的物化体现是有关的支持软件和硬件，如带有鼠标的图形显示终端等。 交互是人与机 -环境作用关系 /状况的一种描述。界面是人与机 -环境 发生交互关系的具体表达形式。交互是实现信息传达的情境刻画，而界面是 实现交互的手段。在 交互设计子系统中，交互是内容 /灵魂，界面是形式 / 肉体；然而在大的产品设计系统中，交互和界面，都只是解决人机关系的一 种手段，不是最终目的，其最终目的是解决和满足人的需求。 交互设计是从属于产品系统的，是对成功的产品设计的一种强有力的支 持与完善。 如果利用系统论的观点，交互设计是从属于产品设计系统的子系统。 .2 人机界面产品基本常识人机界面产品基本常识 4 4. .1 1. .2 2. .1 1 人人机机界界面面产产品品的的定定义义 ：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 茶叶揉捻机自动化改造 11 的数字设备 ,由硬件和软件两部分组成。 hmi 为英文 human-machine interface 的缩写。 4 4. .1 1. .2 2. .2 2 人人机机界界面面（h hm mi i）产产品品的的组组成成及及工工作作原原理理 ：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。 4 4. .1 1. .2 2. .3 3 人人机机界界面面产产品品的的基基本本功功能能及及选选型型指指标标 （1）基本功能： （2）设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等； （3）数据、文字输入操作，打印输出； （4）生产配方存储，设备生产数据记录； （5）简单的逻辑和数值运算； （6）可连接多种工业控制设备组网。 （7）选型指标： （8）显示屏尺寸及色彩，分辨率； （9）hmi 的处理器速度性能； （10）输入方式：触摸屏或薄膜键盘； （11）画面存贮容量，注意厂商标注的容量单位是字节（ byte）、还 是位（bit）； （12）通讯口种类及数量，是否支持打印功能。 4 4. .1 1. .2 2. .4 4 人人机机界界面面产产品品分分类类 (1)薄膜键输入的 hmi，显示尺寸小于 5.7，画面组态软件免费，属初 级产品。如 pophmi 小型人机界面； (2)触摸屏输入的 hmi，显示屏尺寸为 5.712.1，画面组态软件 免费，属中级产品； 茶叶揉捻机自动化改造 12 (3)基于平板 pc 计算机的、多种通讯口的、高性能hmi，显示尺寸大于 10.4，画面组态软件收费，属高端产品。 4 4. .1 1. .2 2. .5 5 人人机机界界面面的的使使用用方方法法 (1)明确监控任务要求，选择适合的 hmi 产品； (2)在 pc 机上用画面组态软件编辑 “工程文件”； (3)测试并保存已编辑好的 “工程文件” ； (4)pc 机连接 hmi 硬件，下载“工程文件”到 hmi 中； (5)连接 hmi 和工业控制器（如 plc、仪表等），实现人机交互。 .3 人机界面品牌分类人机界面品牌分类 1、 eview eview 人机产品是中国最早最专业的工业级人机界面品牌之一，自 2002 年进入中国大陆市场以来，以其专业的品质、卓越的性能、合理的价格 得到了市场的最大认可，产品销量及市场占有率居同行业之首，eview 品 牌曾被业界权威媒体工控网评为 “工控 top10”第一名、美国 control engineering 杂志评选的 “中国最有影响的人机界面品牌 ”第一名、年度 “最佳人机界面产品 ”奖。 2、台湾威纶 “weinview”品牌人机界面（触摸屏 ）。 weinview 人机产品在行业内率先采用符合先进环保标准的无铅零件和制 造工艺，用实际行动为企业道德印上金牌品质保证，一路保持行业领先。 .4 人机界面发展概述人机界面发展概述: : 1.人机界面领域的形成：从计算机问世以来，早期用户是以计算机专业人 员为主，但随着计算机广泛进入人们的工作生活领域，计算机用户发生了改变， 非计算机专业的普通用户成了用户的主体。这一重大转变使计算机的可用性问 题变得日益突出起来。人机界面应当是什么样的？如何去建造这样的界面？人 们开始关注和研究这些问题。这些问题既涉及人也涉及计算机及一些相关的学 科，如：心理学、人的因素学（human factors） 、社会学、语言学等。随着计 算机技术的发展，应用领域的拓宽，从而带来了不同的理论方法。八十年代以 来，人机界面的研究有了前所未有的发展，微型计算机的迅速普及对此起了重 要的推动作用。 2.研究人机界面的各种理论和方法 茶叶揉捻机自动化改造 13 (1)分析与评价技术:用于分析、评价用户界面有效性的理论和经验方法，如任 务分析、话语分析、内容分析及可用性评价等。 (2)设计方法论:用来产生好的用户界面设计的方法与技术，如：软件心理学、 环境因素设计法、多方参与设计法以及支持设计过程的工具和标记法。 (3)开发工具和方法：支持用户界面开发的工具箱、用户界面管理系统（uims） 、 快速原型法和程序设计辅助工具等。 (4)交互方式与设备:新的输入输出设备和设备运用策略，包括视觉、声音、 触觉、姿态等通信模态及多种模态的集成。 (5)关键用户界面成分：如用户界面隐喻（metaphor） 、用户界面风格、智能界 面技术、取消、超文本超媒体以及联机帮助。 (6)用户模型：包括用户行为模型、关于系统的用户内心模型、用户个体差异 (7)特定应用的用户界面设计：满足某类应用问题对人机交互作用的特定限制条 件和要求的用户界面设计。如：虚拟现实、智能辅导系统、信息检索、 internet/www、cad/cam、专家系统过程控制、决策支持等。 (8)计算机辅助协同工作（cscw）：关于如何使用计算机系统帮助人的群体有效 协同工作的研究，包括现场观察研究、理论模型、群体用户界面开发设计等。 (9)法律与标准：关于用户界面的专利和版权问题、用户界面的标准化。这些研 究方向目前大多处于十分活跃的发展阶段，并且有着较强的分化和相互渗透倾 向，有些方向甚至有可能发展为具有相当规模的相对对立的研究领域。 .5 人机界面的发展趋势人机界面的发展趋势: :随着人机界面在计算机容量、网络技术、图形技术、 多媒体技术以及新型输入输出设备方面的迅速发展，今后的人机界面将具有一 些新的特点： (1）人与计算机的交互操作变得更接近于同现实世界的交互操作，为减轻 人在交互作用上的认识负担和更多地利用人从演化和经历中获得的自然技能提 供了新的可能性。 (2）人机界面将越来越多地具有多模态高宽带的特点。更多的人的感受表 达模态将被用于和计算机的信息交流，甚至可以设想最重要把人的神经细胞的 直接触发和测取作为交互的通道，为此同时输入输出设备之间的区别将变得越 来越不明显。 (3)网络技术尤其是 internet 的普及使今后的计算机用户具有更多的群体 特点，从而对适应人的群体社会化组织和行为规律的群体用户界面将会有大的 茶叶揉捻机自动化改造 14 需求。人机界面设计下一代方法是交互的集成方法。它将大量地使用语音、自 然语言和高级图形，也可用其它交互媒体，如眼的动作和手势、姿态等，还可 用三维图像生动地引导解释交互和任务。 总之，未来的人机界面设计对研究和设计者提出了多方面的挑战。许多信息技 术领域的公司企业，这些年纷纷对与用户界面开发有关的专业人员提出要求， 很多大学适应这种要求，设立了相关的课题甚至专业。 .6 人机界面的总体设计人机界面的总体设计:狭义的人机界面指计算机系统中的人机界面 (human-computer interface,hc1)，又称人机接口、用户界面(user interface)，它是计算机科学中最年轻的分支之一。人机界面是计算机科学与 心理学、图形艺术、认知科学和人机工程学的交叉研究领域，是人与计算机之 间传递和交换信息的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。近年来， 随着软件工程学的迅速发展、新一代计算机技术研究的推动，以及网络技术的 突飞猛进，人机界面设计和开发已成为国际计算机界最为活跃的研究方向。 1、人机界面的设计原则：人机界面设计的好坏与设计者的经验有直接的关 系，有些原则对几乎所有良好的人机界面的设计都是适用的，一般可从可交互 性、信息、显示、数据输入等 方面考虑: 原则 1:在同一用户界面中，所有的菜单选抒、命令输入、数据显示和其他 功能应保持风格的一致性。风格一致的人机界面会给人一种简洁、和谐的美感。 原则 2:对所有可能造成损害的动作，坚持要求用户确认，例如提问“你肯 定?”等，对大多数动作应允许恢复(undo)，对用户出错采取宽容的态度。 原则 3:用户界面应能对用户的决定做出及时的响应，提高对话、移动和思 考的效率，最大可能的减少击键次数，缩短鼠标移动距离，避免使用户产生无 所适从的感觉。 原则 4:人机界面应该提供上下文敏感的求助系统，让用户及时获得帮助， 尽量用简短的动词和动词短语提示命令。 原则 5:合理划分并高效使用显示屏。仅显示与上下文有关的信息，允许用 户对可视环境进行维护:如放大、缩小图像;用窗口分隔不同种类的信息，只显 示有意义的出错信息，避免因数据过于费解造成用)”烦恼。 上述原则都是进行人机界面设计应遵循的最基本的原则，除此之外还有许 茶叶揉捻机自动化改造 15 多设计原则应当考虑，比如如何正确的使用颜色等。 .7 人机界面设计的过程人机界面设计的过程：人机界面的设计过程可分为以下几个步骤： 1.创建系统功能的外部模型设计模型主要是考虑软件的数据结构、总体结构 和过程性描述，界面设计一般只作为附属品，只有对用户的情况(包括年龄、 性别、心理情况、文化程度、个性、种族背景等 )有所了解，才能设计出有 效的用户界面；根据终端用户对未来系统的假想 (简称系统假想 )设计用户 模型，最终使之与系统实现后得到的系统映象 (系统的外部特征 )相吻合， 用户才能对系统感到满意并能有效的使用它；建立用户模型时要充分考虑系 统假想给出的信息，系统映象必须准确地反映系统的语法和语义信息。总之， 只有了解用户、了解任务才能设计出好的人机界面。 2.确定为完成此系统功能人和计算机应分别完成的任务：任务分析有两种 途径。一种是从实际出发，通过对原有处于手工或半手工状态下的应用系统 的剖析，将其映射为在人机界面上执行的一组类似的任务；另一种是通过研 究系统的需求规格说明，导出一组与用户模型和系统假想相协调的用户任务。 逐步求精和面向对象分析等技术同样适用于任务分析。逐步求精技术可把 任务不断划分为子任务，直至对每个任务的要求都十分清楚；而采用面向对 象分析技术可识别出与应用有关的所有客观的对象以及与对象关联的动作。 3.考虑界面设计中的典型问题 ：设计任何一个机界面，一般必须考虑系统响 应时间、用户求助机制、错误信息处理和命令方式四个方面。系统响应时间 过长是交互式系统中用户抱怨最多的问题，除了响应时间的绝对长短外，用 户对不同命令在响应时间上的差别亦很在意，若过于悬殊用户将难以接受； 用户求助机制宜采用集成式，避免叠加式系统导致用户求助某项指南而不得 不浏览大量无关信息；错误和警告信息必须选用用户明了、含义准确的术语 描述，同时还应尽可能提供一些有关错误恢复的建议。此外，显示出错信息 时，若再辅以听觉 (铃声)、视觉(专用颜色)刺激，则效果更佳；命令方式 最好是菜单与键盘命令并存，供用户选用。 4.借助 case 工具构造界面原型，并真正实现设计模型软件模型一旦确定， 即可构造一个软件原形，此时仅有用户界面部分，此原形交用户评审，根据 反馈意见修改后再交给用户评审，直至与用户模型和系统假想一致为止。一 般可借助于用户界面工具箱 (userinterfacetoolkits)或用户界面开发系统 茶叶揉捻机自动化改造 16 (userinterfacedevelopmentsystems)提供的现成的模块或对象创建各种界 面基本成分的工作。 .8 人机界面设计的评价人机界面设计的评价：怎样评价一个人机界面设计质量的优劣，目前还 没有一个统一的标准。一般地，评价可以从以下几个主要方面进行考虑： (1)用户对人机界面的满意程度； (2)人机界面的标准化程度； (3)人机界面的适应性和协调性； (4)人机界面的应用条件； (5)人机界面的性能价格比。 目前人们习惯于用“界面友好性”这一抽象概念来评价一个人机界面的好 坏，但“但面友好”与“界面不友好”恐怕无人能定一个确切的界线，一般认 为一个友好的人机界应该至少具备以下特征：(1)操作简单，易学，易掌握；(2)界 面美观，操作舒适；(3)快速反应，响应合理；(4)用语通俗，语义一致。需指 出，一个用户界面设计质量的优劣，最终还得由用户来判定，因为软件是供用 户使用的，软件的使用者才是最有发言权的人。 .9 simaticsimatic hmihmi 介绍：介绍：在工艺过程日趋复杂、对机器和设备功能的要求不 断增加的环境中，获得最大的透明性对操作员来说至关重要。 人机界面(hmi) 提供了这种透明性。hmi 是人(操作员)与过程(机器/设备)之间的接口。plc 是 控制过程的实际单元。 因此，在操作员和 wincc flexible（位于 hmi 设备端） 之间以及 wincc flexible 和 plc 之间均存在一个接口。 hmi 系统承担下列 任务： 过程可视化：过程可视化：过程显示在hmi 设备上。 hmi 设备上的画面可根据过程 变化动态更新。 这基于过程的变化。 操作员对过程的控制操作员对过程的控制：操作员可以通过gui (图形用户界面)来控制过程。 例如，操作员可以预置控件的参考数值或者启动电机。 显示报警显示报警：过程的临界状态会自动触发报警，例如，当超出设定值时。 归档过程值和报警归档过程值和报警：hmi 系统可以记录报警和过程值。 该功能使您可 以记录过程值序列，并检索以前的生产数据。 过程值和报警记录：过程值和报警记录：hmi 系统可以输出报警和过程值报表。 例如，您 可以在某一轮班结束时打印输出生产数据。 过程和设备的参数管理：过程和设备的参数管理：hmi 系统可以将过程和设备的参数存储在配方 茶叶揉捻机自动化改造 17 中。 例如，可以一次性将这些参数从hmi 设备下载到plc，以便改变产品版本 进行生产。 simatic hmi 提供了一个全集成的单源系统，用于各种形式的操作员监控 任务。 使用simatic hmi，您可以始终控制过程并使机器和设备持续运行。 用于设备级的小型触摸面板是简单simatic hmi 系统的应用实例。用于监 控生产工厂的simatic hmi 系统代表了拥有高端性能范围的产品。 它们包括高 性能的客户机/服务器系统。 4.1.10simatic4.1.10simatic winccwincc flexibleflexible 的集成的集成：wincc flexible 是一种前瞻性的面 向机器的自动化概念的 hmi 软件，它具有舒适而高效的设计。 wincc flexible 综合了下列优点： (1)直接的处理方式 (2)透明性 (3)灵活性 .11 winccwincc flexibleflexible 系统概述系统概述：wincc flexible 编辑界面如下图所示： （1）菜单和工具栏 可以通过 wincc flexible 的菜单和工具栏访问它所提供的全部功能。 当鼠标 指针移动到一个功能上时，将出现工具提示。 （2）工作区 在工作区域中编辑项目对象。 所有 wincc flexible 元素都排列在工作区域的 边框上。 除了工作区域之外，可以组织、组态(例如，移动或隐藏)任一元素来 茶叶揉捻机自动化改造 18 满足个人需要。 （3）项目视图 项目中所有可用的组成部分和编辑器在项目视图中以树型结构显示。 作为每个 编辑器的子元素，可以使用文件夹以结构化的方式保存对象。 此外，屏幕、配 方、脚本、协议和用户词典都可直接访问组态目标。 在项目窗口中，您可以访 问 hmi 设备的设置、语言设置和版本管理。 （4）属性视图 属性视图用于编辑对象属性，例如画面对象的颜色。 属性视图仅在特定编辑器 中可用。 （5）工具箱 工具箱包含有选择对象的选项，可将这些对象添加给画面，例如图形对象或操 作员控制元素。此外，工具箱也提供了许多库，这些库包含有许多对象模板和 各种不同的面板。 （6）库 “库”是工具箱视图的元素。 使用“库”可以访问画面对象模板。 始终可以 通过多次使用或重复使用对象模板来添加画面对象，从而提高编程效率。 库是 用于存储诸如画面对象和变量等常用对象的中央数据库。 输出视图 输出窗口显示例如在项目测试运行中所生成的系统报警。 （7）对象视图 “对象视图”显示“项目视图”中选定区域的所有元素。 wincc flexible 工程系统是用于处理所有基本组态任务的软件。wincc flexible 运行系统是用于过程可视化的软件。 在运行系统中，您可以在过程 模式下执行项目。wincc flexible 选件可以扩展wincc flexible 的标准功能。 每个选件需要一个单独的许可证，wincc flexible 是用于所有组态任务的工 程系统。 wincc flexible 采用模块化的设计。wincc flexible 包括了性能从 micro panel 到简单使用 wincc flexible，可以创建模块的 hmi 视图，并将 其与控制单元组合以形成完整的模块。simatic imap 链接编辑器允许启用模块 接口之间的相互图形链接。无需构建通讯链接。使用模块的链接信息和 hmi 部 分，可自动生成 wincc flexible 的可视化基础。的pc 可视化的一系列产品。 wincc flexible 支持下列组态： 茶叶揉捻机自动化改造 19 (1) 依赖于目标系统的组态 在组态期间，只显示所选目标系统支持的功能。 (2)独立于所用plc 的工程 如果您要在多个或不同的目标系统中使用一个项目，只需在项目中切换hmi 设 备。 对于所选hmi 设备不支持的功能，将不显示。 (3)所引用对象的集中修改 在中心工作站所作的修改应用于整个项目。 (4)使用 重新使用组态对象可简化组态并降低总成本。 (5)批量数据处理 例如，创建一个动作，使其包含多个具有相同值或按时间升序排列的地址的变 量。 (6)画面浏览的图形组态 由已组态画面的图形总览创建一个画面体系。 自动创建画面浏览所需对象。 。 (7)组态运动路径 组态对象在过程画面中的运动。 (8)全集成自动化 得益于wincc flexible 在simatic step 7 和simotion scout 组态用户界面中 的无缝集成。 .12 人机界面实现人机界面实现：根据本软件所要实现的功能，再考虑到界面设计原则， 可以列出界面框图如图： 茶叶揉捻机自动化改造 20 用户登录 揉 捻 参 数 设 定 揉 捻 状 态 显 示 用 户 信 息 管 理 退出管理 主界面 揉 捻 控 制 过 程 揉 捻 系 统 趋 势 揉 捻 数 据 采 集 4 .13 系统软件的安全性设计：系统软件的安全性设计：对于一个工业上应用的系统软件来保障安全， 它的安全性和可靠性尤为重要。为了保证系统的安全，就要采取系统安全策略。 可以采用如下一些安全技术确保工控软件系统的安全: (1)有身份认证功能 (2)访问控制功能 (3)审计功能 (4)与防病毒技术兼容 (5)与其它安全技术兼容 在本系统的软件设计在本系统的软件设计中主要考虑了用户权限的设定以及使用者信息的 登记。将权限分为系统管理员与普通操作员两种，系统管理员可以对系统的所 有设置包括对操作员的管理、数据库管理等均具有修改、删除的权限，而操作 员只有在管理员授权了以后才具有普通操作的权限，可以对本身的信息进行修 改，但无法增加、删除其它操作员信息和管理员信息，也无法对数据库进行管 理。为了安全，本软件在使用之前增加了登录对话框，只有在正确输入用户名 和密码后才能进入软件系统，防止非操作员对系统的使用及破坏。该系统主要 有四个界面： 茶叶揉捻机自动化改造 21 (1)系统管理界面（用户登录界面） (2)控制系统界面（主界面） (3)系统趋势界面 (4)工艺参数界面 系统管理界面（用户登录界面）系统管理界面（用户登录界面）：系统管理主要完成系统的管理和操 作，包括操作员管理和用户密码修改。操作管理负责完成操作用户管理，用户 权限设定。用户权限分为系统管理员和普通操作员。系统管理员具有最高权限， 能使用软件的所有功能，包括操作用户管理、数据删除等功能;普通操作员只能 使用软件的部分功能，完成整个茶叶揉捻过程，不能使用操作用户管理、数据 删除等高级功能。用户登录界面如下图所示： 界面中的按钮功能如下： 按钮功能 用户登陆点击进入用户登陆框，从而进入系统控制画面 注销点击退出当前用户 茶叶揉捻机自动化改造 22 退出系统点击关闭茶叶揉捻机人机界面系统 点击按钮“用户登录”就会弹出登录对话框，如下图所示： 该系统的用户名是：f 密码是：888 控制系统界面（主界面）控制系统界面（主界面）：系统控制主要实现对茶叶揉捻机的操作和 控制，包括自动控制和手动控制两部分。手动控制主要通过“系统控制”面板 上的按钮对揉捻机的每个执行机构进行控制，如压盖上升、压盖下降、主体电 机启动与停止以及系统复位;自动控制主要通过“系统控制”而板上的按钮“启 动主电机”和“停止主电机”来完成茶叶揉捻的自动过程。系统控制不是计算 机直接控制执行机构的，而是与 plc 进行数据的交互来实现系统的控制，plc 才是系统控制的实际控制者。通过系统控制界面可以说实现主电机和步进电机 得电，也可以实现压盖上升或者是压盖下降，启动主电机或者是停止电机等 。 控制系统界面（主界面