（控制理论与控制工程专业论文）基于fameview的矿石码头监控系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着工业自动化水平的不断提高，利用计算机技术对生产进行管理以及对 生产过程实捷数据采集和监控，越来越受至人们的关注。 组态软件就是计算机技术向工业领域渗透的产物。它具有接口开放、功能 齐全、组态灵活、运行稳定、简单易学等特点，为用户提供了快速构建工业监 控系统的手段，使其有效降低了开发成本和有效缩短了开发周期。组态工业监 控软件。作为一种全新的高效的工业监控软件开发平台和开发模式，正在工业 控制领域蓬勃发展起来。 f a m e v i e w 是一款比较优秀的国产组态软件，在工业领域有许多成功使用的 先例。 本课题以国内某港务局矿石码头的实际项目为工程背景，详细地介绍了基于 组态软件f a m e 、，i e w 的矿石码头监控系统的设计和实现。 本论文共分七章。第一章简要介绍了工业监控系统的发展和矿石码头控制系 统整体结构。第二章是本论文的重点，对监控系统各个方面的设计都进行了介 绍，包括控制对象、控制原则、故障处理机制、界面功能的分配和界面风格以 及布局等。第三章先简要介绍了组态软件的发展，然后介绍了组态软件f a m e v i e w 的主要功能和特点。第四章先简要介绍了工业以太网的发展，然后详细讲述了 上位机和下位机之间的网络结构、通讯方式以及具体的实现。第五章详细介绍 了监控系统的主要监控界面的组态实现。第六章介绍了监控系统中其它功能的 组态实现。第七章作为一个总结，指出了论文所做的工作和存在的不足等。 本论文所研究的矿石码头监控系统经过调试已投入使用，运行稳定地，达到 了预期的效果。 关键词：工业自动化，组态软件，监控系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也c o n t i t l u a lp r o m o t i o no ff h 咖r ya u t o m a t i o n ，加o r ea 1 1 dm o r ea t 钯r n i o ni sp a i d t o 如i l l i s 仃 m o no ff 如t o r yi n f o h n a t i o n 强d 协c o u e c t i o na n dm o n i t o rd l l r i n g i n d u 鲥a lp r o d u c i i l gb ym e a n so fc o m p u t e rt e c t l n o l o 斟 t h ec o r 正毋l r a 士i o ns o f t w a r e ，m ev e r yp r o d u c t i o no fp r o c e s so fc o m 埘腑 t e c h n o l o g yp e n e 觚畸n g i n t oi n d l l s n y ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss l l c h 路o p e n 抽t e r f 如e s ，e n t i r e 矗m c t i o n s ，f l e ) 【i b i em e t h o d so fc o n 丘舒i r 蕊o i l ，s 诅b i l i z a t i o n 觚de 略y t o1 e 锄e t c ，d r o v i d eu s e r s 、v i mm e 也o d s 也a tm a k e 也唧d e v e l o pt h ei n c l u s t r i a l m o n i t o rs v s t e mr i d l yt od e c r e 舔et 1 1 ep r o d u c t i o no b v i o u s l ya n ds h o n e nm ep e r i o d e 伍t i v e l v h l d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sv i g o r o u s l yd e v e l o p i n gi nm d u s t r i a l 丘e l d sa s f i r e n e wa n d1 1 i g h l ye 丘b c t i v ef l a ta n dp a 抽兽mf o rd e v e l o p i n g 砌u 蚵a lm o 血t o r s o f t w a r e f 蛳e v i e wi so n e0 fe x c e l l e l l tc o n 6 9 u r a t i o ns o f h v a r em a d ei no u rc o u n 打y t h e r e a r em a l l yp r e c e d e to fs u c c e s s m u ya p p l y i i l gi ti ni n d u s t r i a lf i e l d s t h j s 也e s i si so nb a c k g r o u n do fap r 删c a lo r ep o r tp r o j e c t 矗d mc e r t 血i l l t e m 甜 h a r b o rb l l r e a u ，a l l di n 打0 d u c e s 也e 龇d e s i g 皿a n dd 删o p m e n to fo r ep o r tm o n i t o r s y s t e mb a s e do nc o i l 丘皿础l t i o ns o 丘w a r ef 锄e v i e wa tl e n g m t h ef m lp a p e ri sd i v i d e di n t 0s e v c nc k 【口t e r s c h a p t e ro n ei m m d u c e st 量l e d e v e l o p 玎n to f 也ei i l d u g m a lm o 血t o rs y s 钯m 强d 也ew h 0 1 es m j c t u r eo ft h i so r e r t c o n 打o ls y s t e m a 妇p t e rt 、v oi sam a i nc h a 钟e r ，w m c hi sao v e f a l l 主i l t r d d 删o no fm e m o i l i t o rs y s t e m ，i n c l u d i n gc o n 打o lo b j e c t s ，c o n t m lp r i n c i p a l s ，p r o b l e mp r o c e s s i n g m e c h a n i s m ，矗m c t i o na r r a n g e m e n to fi m e r f a c e s ，l es t y l e 趾dl a y o u to fi n t e r 矗l c e s c h a p t e rm r e ei n t r o d u c e s 也ed e v e l o p m e mo fc o 曲g 删o nf i r s t l y t h e ne x p o u n d s m a i n 劬c d o n sa n dc h a r a c t e r s c h a d t e rf o u rm o i i u c e s也er e a l i z a t i o no f c o m m u n i c 砒i o nb e 铆e e nt h eu p p e rm a c h i n ea n d 协el o w e r1 1 1 a c h i n e c h a l 蛐e rf i v e g i v e sad e t a i li n 舡o m 姗o no fr e a l i z i n g 也ec o 碰i 毋l r a t i o no fm a i ni n t e r f k e so ft h i s m o n “o rs y s t e m c ha _ p t e rs i xb r i e f l yi l “t o d l 肥e s 也ec o i l 丘g i l r a t i o no fo m e r 血i l c t i o n so f 廿l i ss y s t e m c h a p t e rs e v e ns u m m a r i z e st h ew o r kt l l ep 印e rd i da t l dl i s t s 也e d e f i c i e n c y t h eo r ep o r tm o n i t o rs y s t e mt h ep 印e rr e s e a r c h e dw a sp u ti 1 1 t op r o d u c t i o na f t e r d e b u g g i n ga i l dm o d i 母i n ga g a i na i l da g a i na n dh a sb e e nm i l l l i n gs t a b l yu pt on o w ，s o i tm e e tn 】ed e m a n d k e yw o r d s ： i n d u m i a la l n o m a 虹o n ，c o n f i g u r a t i o n ，m o l l i t o rs y s t e m i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章系统概述 随着计算机技术的发展，结合了p c 技术的工业自动化控制系统，使得传统 的工业生产的模式发生根本的改变，基于p c 技术的工业监控系统越来越多的被 用于工业自动化生产。 1 1 工业监控系统概述 1 1 1 现代工业发展和工业监控系统 为了增强现代企业的市场竞争能力和保持长久的发展能力，如何提高产品质 量，如何将生产现场的信息及时反馈到管理层和技术层，如何提高整个企业的 运作效率，一直是现代企业关注的重要问题u j 。 随着工厂自动化水平的不断提高，利用计算机技术对工厂多渠道的信息进行 管理以及对生产过程实施数据采集和监控，越来越受到人们的关注。为此，研 制开发工业监控系统，对生产装置的关键回路及主要工艺参数进行实时采集和 动态跟踪监视，将生产过程系统与管理系统紧密结合起来，实现生产过程实时 信息与管理信息的集成，为管理决策层提供可靠的决策依据，具有很明显的经 济效益【6 j 。近年来，计算机，自动控制，测试技术，特别是网络技术的快速发展， 早期以磁带，记录( 仪) 纸为主体的只能被动记录，供事后分析处理的监控系统发 展为面向用户特定要求而开发的能够实时处理，记录和控制功能结合的专用监 控系统，在国防，电力，化工，石油，钢铁等行业发挥着越来越重要的作用。 作为监控系统核心部分的监控软件，功能要求更加全面和复杂，可扩展性和 扩展的费用效率比都是企业在监控系统的建立和更新时重点考虑的问题。过去 专门开发的只针对一家企业开发的监控软件，成本高，可复用性差，功能扩充 的成本高而且周期长，结果往往不能令企业满意。组态工业监控软件，作为一 种全新的高效的工业监控软件开发平台和开发模式，正在工业监控软件领域蓬 勃发展起来坤j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 几种监控系统的区别 随着科学技术的不断进步，现代工业的生产技术、工艺过程日趋复杂，生产 设备和装置的规模也不断扩大，企业生产自动化的要求越来越高，早期传统的、 封闭式的、专用的工业监控系统己显得力不从心。在这种形势下，分布式监督 控制和数据采集系统( s u p e i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q l j i s i t i o n ，s o m a ) 得到了 工业界用户的广泛好评和特殊青睐。 1 ) s c a d a 系统概况【l 刮 s c a d a 系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统 之一，它有两层含义：一是分布式的数据采集系统，即下位机；另一个是数据 处理显示监控系统，即上位机。下位机和上位机数据传输是由特定通信方式完 成即这些智能数据采集设备实时感知各种参数及设备状态，并将这些信息转换 成数字信号，通过有线或无线等通信方式传输到通信前置机，通信前置机将这 些信号翻译成p c 机能接收的信息，通过工业以太网传递到上位机h m lm u m 趴 m a c l 血ei n t e 嘞c e ) 系统。上位机h m i 系统接收这些信息后，以适当的形式如声 音、图形、图象等方式显示给用户以达到监视的目的，并根据系统要求，通过 h m i 系统向下位机发送调控指令，同时数据经处理后告知用户各种工艺参数值 及设备工作状态，并将数据保存到数据库中。s c a d a 系统拓扑如图( 1 1 ) 上位机 s i n e c h l 前置机下位机 图1 1s c a d a 系统拓扑结 注：其中的s l n e c h l 指某型专用的工业以太网 2 ) s c a d a ，p l c ，d c s 系统的比较 1 4 】 从系统组网的测控规模，组网通信和性价比这几方面着眼，p l c 系统：适 用于工业现场的测量控制，现场测控功能强，性能稳定，可靠性高，技术成熟， 使用广泛，价格合理。 d c s 系统：即集散式控制系统。适用于测控点数多，测控精度高，测控速 2 武汉理工大学硕士学位论文 度快的工业现场。其特点是分散控制和集中监视，具有组网通信能力，测控能 力强，运行可靠，易于扩展，组态方便，操作维护简便，但系统的价格较昂贵。 典型结构如图( 1 - 3 ) 所示，s c a d a 系统，即分布式数据采集和脓控系统， 是中小规模的测控系统，集中了p l c 系统现场测控能力强和d c s 系统组网通 信能力的两大优点，性能价格比高。 温度传感器智能变送器单网路控制器各类执行机构其他测控设备 图1 2d c s 典型结构 通道i o 通道 图1 3s c a d a 系统典型结构 注：f i u ( f a c i l 试e si n t e r & eu 1 l i t ) ，设备接口单元 r t u e m o t et e r n l i n a l 叫t ) ，远程终端设备 3 ) d c s ( s c a d a ) 与现场总线系统( f i e l d b 岫的区别1 4 】 从系统的控制机构上划分，以有无现场智能( 设备) 节点划分为现场总线型和 3 武汉理工大学硕士学位论文 非现场总线型( d c s ，s c a d a 系统均属后者) 。现场总线型控制结构如图1 4 所 示，主要的区别在于：现场总线系统将s c a d a ，d c s 中i o 控制站的控制功能 交由智能设各节点完成，控制系统中的所有信息均为数字化信息：智能设备与 主控计算机系统之间的通信协议采用现场总线协议。 图1 4 现场总线系统控制结构图 d c s ( s c a d a ) 和现场总线系统将在未来一段时间内并存或在同一系统的不 同控制层次内中综合采用，以提高监控系统对于复杂工业现场灵活的适应能力。 1 2 矿石码头控制系统 1 2 1 控制系统整体硬件结构 由于本工程设备布置比较分散，范围很大，为了减少电缆管线数量，降低成 本，本工程的自动化系统采用分散控制、集中监控和集中管理结构，由上位计 算机监控系统和可编程序控制器( p l c ) 控制系统组成。整个网络干线采用光纤 通过s i e m e n so l m 5 0 2 3 构成环形p r o f i b u s 现场总线，保证系统的可靠性。 上位监控计算机和p l c 主站( s i e m e n ss 7 - 4 0 0 ) 及相应的模块设在中 控室，即2 舞变电所，负责皮带机、闸门等设备的控制，并通过光缆及p r o 雠l u s 电缆与卸船机、堆取料机、装车楼、洒水除尘等系统的p l c 通信，采用p r o f i b u s 现场总线通信协议；远程站( s m m e n ss 7 3 0 0 ) 及相应的i ，o 模块设在l 拌和3 拌 变电所，负责采集现场信号，控制皮带机，远程站及i ，o 模块通过光缆与p l c 主站通信。 整体结构的如图1 5 所示。 4 作业管理计算机流程控制计算机 工程师站计算机 图卜5 控制系统硬件结构 1 2 2 监控系统的性能指标 本监控系统最终应该具有以下功能： 控制功能即通过计算机能远程控制现场的设备。具体要求如下 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 通过鼠标集中控制皮带机等流程设备的启动与停止； ( 2 ) 通过鼠标集中控制漏斗翻板、闸门的开闭； ( 3 ) 各单机工作指令的控制与连锁。 监视功能即计算机能够实时反映现场设备的工作状态。具体要求如下： ( 1 ) 实时彩色动态显示各流程和设备运行与停止状态； ( 2 ) 实时彩色动态显示流程设备故障点、故障性质和累计发生次数； ( 3 ) 实时彩色动态分品种显示堆场存量状态； ( 4 ) 实时彩色动态分品种显示缓冲仓料位状态； ( 5 ) 实时彩色动态显示各闸门开闭状态； ( 6 ) 实时彩色动态显示单机、皮带称、斗称的工作与故障状态。 ( 7 ) 对于故障报警，辅以声音提示。 管理功能即计算机能对操作、故障、生产等数据进行记录，并提供常用 的管理手段。具体要求如下： ( 1 ) 报警事件一览表，列表显示故障点、故障性质、故障发生时间、确认时 间、消除时间、累计次数： ( 2 ) 操作记录览表，列表显示各控制按钮的动作时间，供发生操作错误或 故障时分析发生原因。使操作具有可追溯性； ( 3 ) 堆场存量一览表，分品种、时间以列表形式显示各堆场的进场量、出场 量、存货量； ( 4 ) 装车量一览表，分品种、时间以列表形式显示装车作业线的装车量； ( 5 ) 卸船量一览表，分品种、时间以列表形式显示船名、货主、货源、卸船 量、起始港、目的港； ( 6 ) 生产调度和计划管理； ( 7 ) 矿石存量、品种的库存管理： ( 8 ) 作业统计和设备维修管理 ( 9 ) 班报、月报、季报、年报。 1 ，3 国内外发展现状 国内外工业自动化的进程中，为了提高工业控制网络的性能，工业以太网 6 武汉理工大学硕士学位论文 已经逐渐成为首选。 以太网曾被认为是一种非确定性的网络系统。对于响应时间要求严格的控 制过程会存在产生冲突的可能性，造成响应时间不确定，使信息不能够按要求 正常传递。 当以太网发展到今天的交换式以太网时，这些问题已得到解决。 与其它控制网络相比以太网的优势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网 络得以统一。 ( 2 ) 设备成本下降。 ( 3 ) 用户拥有成本下降。几乎每家企业都有具备以太网网维护能力的人员， 无需再专门学习一种控制网络。 ( 4 ) 以太网易于与i n t e r n e t 集成。 除此之外，组态软件的进入，也在不断提高工业控制网络的自动化水平。 组态软件的水平与计算机水平和工业控制水平密切相关，所阻国内外的组 态软件的技术水平也有很大差异。 国外的软件在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定优势，但 并非所有方面都尽善尽美。 因为国产组态软件的低价格和本土化，对低价位产品的国内或国外厂商均 有极大吸引力，但由于国产工控组态软件本身具有系统的特性，应用范围不如 与国际著名工控组态软件广泛，主要应用于一些小型的、非重要性的项目中， 加之尚有很多行业仍旧采用专用控制软件实施工业过程控制、工业自动化，观 念与设备的更新不可能在短时间里得以实现。 另外，国产工控组态软件发展较慢还与缺乏市场的投入有关。由于许多的 国际著名组态软件技术成熟、功能齐全、性能可靠，已经占据了主导市场，而 国内软件因为市场投入力度不够，而不易为用户熟知和接受。这使得许多优秀 的软件的不到实践的检验，缺乏用户的认可，因此也就缺少了改进的有效途径 和发展的动力，甚至可能被淘汰出局。 国产工控组态软件要想在尽量短的时间内在国内占据主要的市场份额乃至进入 国际市场，就必须在开发与设计上遵循以客户需求为中心、以国际化标准为准 则的原则，把握趋势化设计，注重个性化设计。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题研究目的和意义 湛江矿石码头运输系统是一个多设备、大规模的复杂的工业控制网络系统。 对它的控制的实时性，安全性和一致性都有较高的要求。 而传统的“仪表”式的人机接口，在操作的简易程度、直观性和实时性等 方面都不能达到较好的实时监控的要求。 为此，系统采用p r o f i b u s 现场总线标准连接p l c 各个站和所控制的现场设 备，以工业以态网方式将p l c 和上位机组成了整个控制网络，通过工作人员对 组态软件开发的监控界面的操作实现上位机和p l c 的通讯，从而实现对工艺流 程的操作和监控。 由此而建立的人机接口，因为监控画面生动直观，提高了系统的实时性和 维修的方便性；因为操作简单易学，降低了工作人员学习的难度，减少了参与 管理和维护的人员数量，从而有利于提高工作的效率；更因为对操作人员权限 的明确，提高了操作的权威性，从而有利于提高生产的安全性。 另外，就组态软件本身来说，由于在许多大型的工业控制系统中使用的组 态软件很大比例是从国外公司购买的，这次在湛江矿石码头中使用国产组态软 件f a i f i e v i e w 的成功，可以充分验证应用国产组态软件开发上位监控系统的可行 性，将有利推广此类国产软件的使用，从而为企业更加客观的选择适合自己工 况的组态软件提供较多的参考。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章监控系统总体设计 2 。1 监控系统设计原则 为了较好的配合p l c 完成对生产的控制，设计系统时应该注意以下几点： ( 1 ) 系统运行的安全性。监控系统必须对在系统平台上的每一个操作都提 供安全性的保障，这样才能保障现场的安全运作。 ( 2 ) 信息的综合全面。码头生产系统跨度大，设备多，监控系统必须为工 作人员提供全面综合的信息，这是达到总揽全局，合理控制生产的基本要求。 ( 3 ) 操作的方便快捷。监控系统应该尽量减少用户的操作数量和操作难度， 将更多的操作让系统在后台自动完成。 ( 4 ) 提供灵活的系统结构。要有面向对象的思想，注意系统各个功能模块 的一般性、可移植性和可扩展性。 ( 5 ) 通信的可靠性。在自动化系统工程内，许多信息需要快速交换。各个 功能模块、部件之间宣采用网络方式，便于接口功能的扩充。系统应支持标准 的通信协议。 ( 6 ) 提供故障的自动处理。现场发生故障时，系统应该先于工作人员做出 保护动作，并及时发出警告指示，迅速将自诊断信息送往控制中心。 ( 7 ) 具有友好的人机界面。不能忽略界面在协助完成系统功能中的有利作 用，力求从审美的角度和用户的心里出发，提供符合用户习惯的人机接口。 2 2 系统监控对象 要构建监控系统系统，首先要明确监控的具体对象是什么。对于本监控系 统来说，涉及到了生产现场的大多数设备，总的分为下几类： ( 1 ) 皮带机运输系统 皮带机系统是主要的生产单元，也是系统的主要监控对象，就单个皮带机 来讲，监控的内容仅包括各个电机的温度、速度、启动、停止，皮带在桥架上 运行的姿态等等。 但对于由它们组合起来的皮带流程来说控制的内容就复杂许多，在后面会 9 武汉理工大学硕士学位论文 详细介绍。 ( 2 ) 皮带系统辅助设备 皮带系统的顺利运行，离不开大量的辅助设备，包括各种保护开关，各种 传感器，料流转换装置，皮带的清洁和拉紧装置等等。 ( 3 ) 其它主要生产设备 这些设备也是非常重要的生产设备，包括的卸船机、斗轮机、装车楼等， 但由于它们都是自成系统的，相对独立于中央监控系统，并不受本系统控制， 只与中控系统进行一些通信，所以只采集了它们的部分状态信息用于显示参考。 2 3 控制方法设计 2 3 1 上位机的角色 要设计上位机的控制方法，首先要理解在一般的自动化控制系统中，在整 个监控过程的实现过程中，上位机和p l c 在此过程中的到底各自扮演了怎样的 角色。 誉园藿 图2 1 控制实现过程 陌稠 l 机构l 场l 网设l i 垫塑l 鱼l 如图2 - 1 所示，现场设备的控制是通过上位机和p l ci 一起完成的。但是， 上位机不直接控制设备，只和p l c 进行通信，将控制信息发送给p l c 或从p l c 读取设备状态数据【1 3 】。 不过，不能简单的理解成p l c 只是上位机的指令和现场信息的传达者。 因为p l c 不仅把上位机的抽象指令具体化了，也把现场的信号综合化了， 这就能使上位机的主要任务放在控制的逻辑实现上了。 p l c 起到了过滤和保护的作用，也完成了最复杂的工作，上位机只需要发 号施令并根据返回的信息积极配合p l c 就可以了。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 实现控制的一般方法 理解了上位机和p l c 在控制中的角色，并将它们扮演各自角色的动作加以 细化，就可以得到整个控制过程的一些环节，如图2 2 所示。 图2 2 控制实现过程 图中标出了三个控制环口6 j ： ( 1 ) 正常情况下，控制过程走的是最大的控制环( 如图中环1 ) ，用户先是 根据指示，通过监控系统进行操作，指令随即发往p l c ，p l c 将指令解析成一 系列的具体动作信号传给设备，设备产生相应动作。检测设备将状态返回给p l c ， 上位机读取并显示，当完成生产后，再由用户停止。可以看到。所有的指令都 是由用户通过上位机发出的，再通过p l c 将指令传给设备的，用户是整个过程 的主体。 ( 2 ) 在异常情况下，对于p l c 系统，比如当设备在运行中出现了严重故障， 为尽快停止设备，保障安全，p l c 将不等待上位机的停止命令，而是在第一时 间内发出停止指令( 如图中环3 ) 。 ( 3 ) 在异常情况下，p l c 系统终止了设备运行的时候，上位机从p l c 中读 取到故障信号时，也立即配合p l c 复位控制信号( 如图中环2 ) 。这时，监控系 统本身完成了自动的处理。 从上面的过程可以看出，正常控制中的情况比较简单，后面两种情况的处 理较为复杂，是方法设计中要着重考虑的地方。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 皮带系统控制方法设计 皮带机的流程控制是系统的重要组成部分，它的控制既和其它的单独设备 有一样的地方，但更多的地方不同于单个设备的控制。所以，它的控制是最有 难度的，也是最具有代表性的。 2 4 1 皮带系统的控制方式 皮带系统的控制方式有两种： 点动方式即以皮带机为单位，单独地控制每条皮带，包括启动、停止和 故障处理。 联动方式即以流程为单位，对多条皮带机按照一定顺序进行“顺起顺停” 操作和故障处理。 其中所说的流程有三种： ( 1 ) 卸船流程：指卸船机将矿石从货船上卸下，经由皮带系统由斗轮机放 入堆场的过程，如图2 3 ； 畔竺畔型世州竺圯当代竺埋砷雁 篓lih 荔 船佃i 网i 网网网网1 网网fl = 图2 3 卸船流程图 ( 2 ) 装车流程：指斗轮机将矿石从堆场取出经由皮带机系统送入装车楼， 再放入火车卡的过程，如图2 4 ； 图2 4 装车流程图 ( 3 ) 转水流程：指卸船机将矿石从货船上卸下经由皮带系统放入另外的货 船的过程，如图2 5 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 噶嚣一 图2 4 转水流程图 当以点动方式控制皮带机时，情况单一，控制简单，不再赘述。 当处于联动控制方式时，控制逻辑就比较复杂。 总的来说，是因为各个皮带机以及卸船机和斗轮机等设备都不再是单独的 个体了，它们的每一个动作都要考虑到相关联的设备的状态，。 具体的说，是因为【l 9 j ： ( 1 ) 流程的组合存在多样性。比如，单是卸船流程，就可以由不同的皮带 机组成八种不同路径以供使用。 ( 2 ) 流程中的设备具有了不同的动作优先级别。比如，b c 0 5 必须在b c 0 7 启动之后启动，b c 0 7 必须在b c 0 5 停止后才能停止。 ( 3 ) 皮带机有不同的流程属性。比如，b c i i 即可以参与卸船流程，也可 以参与装车流程。 所以，皮带系统的控制重点在于联动方式的控制上。后面将详细的介绍皮 带系统的联动方式的实现方法上。 2 4 2 皮带系统的联动方式实现 在联动方式下，一个完整的操作过程如下 用户进入流 程选择 系统生成多条 可选路径 系统顺停k _ 一用户停止k 一系统顺起k 一用户启动 l 流程il 运行i 流程 图2 - 6 联动操作流程 用户选择可 用路径 整个过程是由用户和系统共同完成的。其中，用户的任务只是选择流程和 发启动、停止信号，其它的都由系统完成。系统则需要按顺序启动皮带系统， 按反顺序停止皮带系统，以及故障处理。 鬻 武汉理工大学硕士学位论文 为了实现以上方法，设计了具体的联动模式控制逻辑如下： ( 1 ) 流程联动启停控制逻辑： 联动模式下，皮带机的启动和停止虽然复杂，但是上位机只需要把要使用 的路径中的每一条皮带的启动停止信号发给p l c 就行了，实际的动作都是由 p l c 进行控制的【1 7 】。 监控系统的控制流程如下： 国 发启动指令给p l c l 皮带机顺序启动 回 i 图2 7 联动方式启停操作流程图 ( 2 ) 皮带机故障处理逻辑： 相对于正常的启动，停止操作，故障处理显得更复杂，也更重要。 当故障出现时，上位机要做的不是去停止皮带机一因为p l c 已经将有故障 的皮带机和其上游的皮带一起停止了，而是如何根据故障信号将原先的启动信 号复位，便于剩下的皮带顺利停止。 因为系统存在两条流程同时运行的情况，所以出现故障后，要准确的复位 包含有故障的皮带的那条流程，确保不影响正常的流程继续运行。要达到以上 效果，故障产生时，要对以下方面进行判断： 故障皮带的工作状态：即是否在运行，不运行的话当然不用立即处理； 故障皮带所处的流程：因为大部分的皮带可以参与两种流程，必须判断 当前参与的流程； 1 4 蓄 盒苗 一 武汉理工大学硕士学位论文 故障皮带指令的状态：一旦出现故障，要确保皮带的工作指令被复位了。 根据以上思路得到了以下故障处理流程图： 图2 - 8 联动运行中的故障处理程 2 5 人机界面的总体设计 人机界面是整个监控系统的主要组成部分，是工作人员进行日常工作的主 要平台，是操作人员和计算机进行信息传递的主要接口【9 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 1 人机界面概述 25 1 1 界面的发展历程 应用软件系统( 简称为“应用软件”) 的人机界面( 简称为“界面”) 。是应 用软件与用户进行信息交流的直接层面，是用户为完成任务而引发系列人机交 互行为的操作平台。优秀界面不仅便于用户轻松自如她完成任务，而且还能给 用户带来亲切感、舒适感和成功感；反之，无论应用软件拥有多么强大的功能， 也会因用户的不适而付诸东流。当前，无论是出于对国外软件强劲竞争力的反 思还是出于对我们自主开发系统所受挫折的经验总结，基于人机工程的界面设 计方法已引起国内软件开发组织和相关人员的重视，但就其重视程度以国外同 行相比还是远远不够的p j 。 界面作为人机工程学的一个重要研究分支，是指用户与应用软件之间相互 作用和相互施加影响的区域，在此区域中，两者之间发生各种信息交流和控制 活动。界面是计算机科学和认知心理学相结合的产物，同时也涉及到语言学、 人工智能和社会学等多种科学【9 】。 界面的发展历程，是由片面要求人去适应计算机转而按照“以人为本”的 设计理念使计算机服务于人的历程【10 】。界面已经历了两个时代，第一代界面是 以文本为基础的技术，第二代界面则是由2 0 世纪7 0 年代以来逐渐形成的w i m p 界面，它是以窗口、图标、菜单和指点装置为基础的技术。尽管目前第二代 正凭着信息表达方式的日益多样化而得以拓展，仍统治着主流界面( 包括网页) ， 但眼下人们对多通道、多媒体智能界面的研究，已标志着我们步入了第三代发 展历程的开端。第三代界面是利用虚拟现实技术来实现应用软件的拟人化，通 过人的多种感觉和动作通道( 如语音、书写、表情、姿势、视线等) ，以并行和 非精确方式与应用软件进行交互，以便提高人机交互的自然性和高效性。 2 5 1 2 界面的构成要素 界面的构成要素是应用软件向用户提供信息交流与控制活动的落脚点，是 构造界面的基础部件。 一个完整的界面应由如下三种要素构成砸j 【9 】【1o 】： ( 1 ) 视听元素 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 视听元素是由文本、按钮、图像、颜色、导航条、链接、动画、视频、三 维物景、音响、音乐、解说等元素组成。视觉元素按其抽象度由低到高排列是 视频一动画一图像一文字，听觉元素则是音响一音乐一解说；视听元素具有语 言特性，都可用来传达信息，是信息的载体，但不同的视听元素传达信息的特 点却不同，抽象度越高者信息量就越小和传达信息的精度越高，反之亦然；视 听元素之间可互换，但可能丢失部分原始信息或增加一些“伪信息”；视听元素 之间的关系具有丰富信息，两者的互动可拓展它们共同表达的意义空间：视听 元素将随软件、网络、通信等技术的发展而更加丰富。 ( 2 ) 交互方式 交互方式是指应用软件为完成任务，在其界面上借助各种视听元素，为与 用户交换必要信息而采用的信息组织形式。人机之间可通过不同的交互方式完 成信息的输入、输出工作，但不同的交互方式会带来不同的界面设计要求。常 用交互方式有问答式对话、菜单、填表、命令语言、查询语言、自然语言、图 形方式等。交互方式将随软件技术和交互介质的发展与创新利用而不断增加。 ( 3 ) 布局与风格 界面布局( 网页设计中称为版式) 是指设计者在有限屏幕空间内以某种风 格向用户展示交互方式的方法与途径。界面风格是指设计者根据个人审美观、 对用户情感和应用软件功能的理解、对工作环境的洞察与感受等，运用独特的 艺术手段对特定交互方式所涉及的各种视听元素进行加工而建立起来的自有艺 术形式。布局与风格是应用软件同用户进行情感沟通的桥梁，它将随社会进步 或设计者素质的提高而不断变化，不同的布局与风格也会对界面设计提出不同 的要求。 2 5 1 3 界面设计的层面组成 无论是第二代还是第三代界面设计，都是指在一定技术条件下人们对界面 中一切必要且合理的信息交互设计。它反映了人、机、环境三要素间的相互关 系和这些关系的合理性，雨焦点仍是如何显示与控制。 界面设计应包括如下三个层面的设计“m 3 ： ( 1 ) 功能性层面 考虑应用软件发出的信息如何以最有效的方式和途径传达到用户的感觉器 官、对用户借以响应信息的操纵器( 即交互介质) 进行合理选择或设计、对控 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 制器( 如手、脚等) 进行合理选择和行为设计等。它反映了设计与应用软件功 能的协调关系。 ( 2 ) 情感性层面 考虑应用软件向用户传递各种交互信息时，怎样传递各种感受给用户，取 得与用户的感情共鸣。它反映了设计与人的关系。 ( 3 ) 环境性层面 分析工作环境因素( 如温度、照明等) 、社会环境因素( 如政治、经济、文 化、民族、组织文化等) 和应用软件本身对用户工作效率与行为产生的影响， 考虑如何切实改善环境产生的负面影响。它反映了设计与环境的关系。基于人 机工程的界面设计应是一项以环境性层面设计为前提、以功能性层面设计为基 础和以情感性层面设计为重心的综合性设计。 2 5 1 4 界面设计应遵循的基本原则 要设计出合理友好的人机界面，大致应该遵循以下的原则f 1 0 】； 1 、层次化和结构化的交互信息组织原则 认知研究表明，大脑处理信息时会潜意识地按照层次化和结构化的方式来 组织信息，即把认知单元组织成组，组又组成其它的组。因此，为了便于用户 认知或整合应用软件提供的交互信息，设计者可预先将面向总任务的交互信息 ( 分类为功能提示、操作提示、操作反馈、帮助和出错信息等) 按完成该任务 的逻辑顺序，至顶向下地层层分解成面向系列子任务的交互信息，然后又按完 成子任务的操作序列将面向予任务的交互信息分解成若干面向操作的交互信 息，最后从各面向操作的交信息出发，至底向上地对所有层次的交互信息进行 分类组织，这样就预先完成了应用软件层次化和结构化的交互信息组织工作， 同时也为进一步选择或创建特定交互方式奠定了基础。 2 、格式塔原则 界面设计可直接运用如下格式塔原则： ( 1 ) 接近性：人们倾向于将那些相互靠得很近且离其他相似物体较远的东 西组合在一起： ( 2 ) 相似性：人们将那些明显具有共同特征( 如颜色、运动、方向等) 的 事物组合在一起； ( 3 ) 连续性：人们倾向于把中断的线段看成是被某个物体遮挡一部分的连 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 续直线； ( 4 ) 封闭性：若一条线形成了封闭或几乎封闭的图形，那么人们倾向于把 它看成是被一条线包围起来的图形表面，而不是一条线； ( 5 ) 简洁性：人脑需要一个合理的解释而不是奇特的解释： ( 6 ) 图形背景分离性( 要识别的物体称为“图形”，其周围环境称为“背 景”) ：人们只有准确判断出“图形”和“背景”，才能发现有用的知识。 另外，设计者还可利用格式塔理论从四个方面对界面设计进行化： ( 1 ) 视觉整体：用户初看界面时，会首先在视觉上对界面有一个“整体感”， 故设计者应对内容主次和色彩的安排、点线面和布局的处理等进行统筹规划， 使局部服从整体，同时也对风格进行统一设计，以强化视觉上的整体感； ( 2 ) 视觉焦点：格式塔理论认为，焦点越突出，越有利于实现整体的传播 效果。其原因在于人的视线瞬间只能产生一个焦点。故设计者应突出界面的视 觉焦点和合理安排视觉焦点的移动路径； ( 3 ) 对称与平衡：对称与平衡会产生不同的视觉效果，对称给人以稳定和 统一感，但过分均等又会显得呆板；而平衡则给人以活泼和运动感，但变化过 强则会导致失衡； ( 4 ) 色彩和谐：格式塔理论反对“僵化的”色彩和谐，提倡色彩运用要有 取舍和重点。故设计者在色彩构图时应注意所有临近的颜色的配合使用和避免 相互干扰，确保既可通过色相对比来区分界面层次，又能增加界面的活力。 3 、用户控制原则 在人的信息处理方面，r a s m u s s e n 于1 9 8 3 年提出了一个多层次的认知控制 模型： ( 1 ) 人用三个层次的认知控制来处理信息，即基于技巧的行为层次( 简称 s b b ) 、基于规则的行为层次( 简称r b b ) 和基于知识的行为层次( 简称k b b ) ； ( 2 ) 这三个层次可以分为两类：s b b 和r b b 处理感觉和行动，属认知控 制的较低层次行为；而k b b 处理基于符号表征的问题解决，属认知控制的较高 层次行为； ( 3 ) 任务的要求、用户的经验和信息的显示方式共同决定哪个认知控制 层次行为被激活。 此模型告之设计者如何置界面于用户控制之下的具体办法，即界面设计的 目标是，被设计的界面不应该强迫比任务所要求的更高的认知控制层次被激活， 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 同时还应提供对所有三个认知控层次行为的信息支持：若按用户在任务领域和 计算机领域的背景知识将用户群细化为初、中、高三类，界面应同时适合这三 类用户并且支持初级用户向中级转变和中级用户向高级转变。具体而言，界面 应提供界面结构的信息支持、用户任务领域使用的语言以及对各种术语和图符 的解释来支持k 盼，初、中级用户都可通过它来学习和掌握界面的基本结构， 否则会增加用户记忆负担和解决问题的难度；界面应提供面向常用任务操作序 列的信息支持和及时的信息反馈来支持r b b ，以便用户好判断他的操作是否被 计算机接受、是否正确、操作效果如何或用于学习操作；应提供能够产生连续 时空信号的输入设备( 如鼠标器等) 和多提供图形或音乐化的视听元素来尽可 能激活人的s 明，以提高操作效率和舒适程度。 4 、主题与艺术风格的统一原则 视听设计是用来表达一定主题的，它是按照视听心理规律与形式主动将主 题传达给用户，使主题在环境里容易被用户即时理解和接受。故视听设计的主 要任务就是要充分利用各种计算机技术和艺术手段，通过对屏幕空间层次、主 从关系以及彼此间的逻辑性等的把握与运用来精确突现各个层次的主题，形成 独特风格的视听冲击力，达到主题的最佳诉求效果和实现主题与艺术风格的高 度统一。 5 、一致性原则 应用软件各个层次的界面都应在其结构、布局、风格、交互方式、概念术 语等各方面保持高度一致。这样，用户既可通过较少的学习来掌握其共性，从 而构成应用软件易学易用的特征和效果。 2 5 1 5 界面设计方法与步骤 基于人机工程的界面设计方法就是在明确系统总体要求前提下，分析人、 机、环境三要素对系统总体性能的影响，从三者的有机联系中寻求系统的最佳 参数和通过界面设计来尽可能使每个要素为实现系统目标而协调一致地发挥出 各自的作用，以确保系统的最高综合效能 1 l 】。界面设计作为应用软件系统设计 的一个有机组成部份，它是与系统设计的其它组成部份并行交叉推进的，它须 经历需求分析、定义、设计、验证和实现五个阶段。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 9 基于人机工程的软件界面设计步骤 我们可把界面的设计过程分为如下几个步骤( 参见图2 9 ) ： ( 1 ) 用户与市场调研：定性定量地调研用户特性( 包括了解用户人体、技 能、经验、认知和情感等特性) 和环境特性，调研i t 市场可选择的系统支持与 开发平台； ( 2 ) 任务分析：分析任务的复杂性和难易程度，制定出任务列表； ( 3 ) 系统定义：根据任务分析，确定系统应具备的功能； ( 4 ) 任务设计：根据任务分析、用户和环境特性，确定系统支持与开发平 台，详细分解任务和分配到用户或计算机，在此基础上进行用户操作流程与系 统软硬件性能互补的优化设计，建立描述人机交互的结构层次和用户行为需求 的设计文档，明确定义界面和对用户行为提出初步要求； 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 交互方式设计：根据任务设计、交互介质和存取机制，按照“层次化 和结构化的交互信息组织原则”对所有交互信息进行预先组织，选择或定制合 适的交互方式： ( 6 ) 交互设计：根据交互方式、交互信息的内容与格式要求，在尽可能不 改变用户工作流程的前提下建立交互模型，建立详细的界面流程图和用户操作 指南。另外，由于人在