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1、茶葉揉捻機自動化改造 網(wǎng)絡教育學院網(wǎng)絡教育學院專專 科科 生生 畢畢 業(yè)業(yè) 大大 作作 業(yè)業(yè) 題題 目目： 茶葉揉捻機自動化改造 學習中心：學習中心： 大連學習中心 層層 次：次： 高中起點?？?專專 業(yè)：業(yè)： 機械設計及其自動化 年年 級：級： 10 年 春季 學學 號：號： 學學 生：生： 指導教師：指導教師： 完成日期：完成日期： 2012 年 1 月 1 日 茶葉揉捻機自動化改造II內(nèi)容摘要內(nèi)容摘要本課題主要研究茶葉揉捻機的自動化改造，實現(xiàn) 6CR-55 型茶葉揉捻機的工作壓力、時間、轉(zhuǎn)速和上下葉的自動控制，包括傳感和采集系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制和界面系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設計和開發(fā)。首先分析了

2、茶葉揉捻原理，確定了適用于自動控制的揉捻工藝，并制定了自動控制總體設計方案。總體方案以 PLC 控制為主，分為調(diào)速、壓力控制和上下葉控制三個子系統(tǒng)。其次，通過計算分析，分別對其進行了硬件選擇和連接。最后，對該系統(tǒng)的上位機軟件進行了設計，主要是利用 WINCC Flexible 解決了人機界面的問題，在下位機 PLC 軟件的開發(fā)中，主要是對數(shù)據(jù)的采集與顯示模塊進行了編輯。本課題是一系列茶葉自動控制研究的開始，是開創(chuàng)性的工作，具有非常重要的意義。關鍵詞：茶葉揉捻機、自動控制、PLC、人機界面、WINCC Flexible茶葉揉捻機自動化改造III目 錄第一章 茶葉加工的工序及發(fā)展.11.1 茶葉加

3、工的主要工序 .11.2 國內(nèi)外茶葉加工技術的發(fā)展及現(xiàn)狀 .11.3 課題的來源.21.4 課題的主要研究內(nèi)容 .3第二章 揉捻加工分析及自動控制總體方案確定.32.1 茶葉揉捻加工基本原理 .32.2 茶葉揉捻設備 .32.3 揉捻機自動控制系統(tǒng)總體方案設計 .5第三章 茶葉揉捻機自動控制系統(tǒng)的硬件概況.6第四章 軟件設計與實現(xiàn).74.1 上位機軟件設計 .74.2 下位機軟件設計.264.3 WinCC flexible 與 STEP 7 的集成 .43參考文獻.44致謝.45茶葉揉捻機自動化改造引言引言中國是茶葉的原產(chǎn)國，中國人對茶葉的應用，至少可追溯到四千年以前,20世紀 50 年代以

4、來，尤其是進入 80 年代以來，我國的茶葉加工技術快速向著機械方向發(fā)展，各茶類的制茶機械相繼研制與開發(fā)成功，并逐步應用于生產(chǎn)。到目前為此，我國的大宗茶己有 90%實現(xiàn)了機械化加工，名優(yōu)茶也有 50%以上的加工實現(xiàn)了機械化。揉捻機自動化改造是要實現(xiàn) 6CR-55 型茶葉揉捻機的工作壓力、時間、轉(zhuǎn)速和上下葉的自動控制，包括傳感和采集系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制和界面系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設計和開發(fā)。整個茶葉揉捻系統(tǒng)的軟件設計分為上位機軟件的設計和下位機軟件的設計。在上位機軟件系統(tǒng)的設計和開發(fā)中，人機界面的設計占主要的部分。1994 年 8 月，中央決定，在“九五”期間，國家安排?？钣糜谝M國際先農(nóng)業(yè)科學技術，每

5、年實施一批項目。引進技術所需用于消化、吸收和推廣的經(jīng)，中央單位承擔的項目由中央財政解決，地方單位承擔的項目由地方財政配套。就是 948 項目。最近，國務院再次決定，在“十二五”期間，中央財政每年投資 2 億元，繼續(xù)執(zhí)行“948”計劃。由中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所承擔的農(nóng)業(yè)部948 滾動項目茶葉標準化生產(chǎn)鍵技術引進、消化與創(chuàng)新研究于 2006 年正式啟動。該項目稱:“我國的茶加工技術水平與裝備多年以來沒有重大改進，總體上還處于傳統(tǒng)農(nóng)副產(chǎn)品初級工，加工的機械化、自動化程度低，質(zhì)量管理與品質(zhì)控制僅憑人工經(jīng)驗和常規(guī)審評與理化檢驗來保證，與全程清潔化生產(chǎn)、機械化加工和自動化控制的世界進水平差距甚遠。針對我

6、國不同茶葉生產(chǎn)過程的特色和上述主要問題，引進一世界先進水平的種植和加工技術、理念、設備和裝置等，在消化吸收的基礎上，合必要的創(chuàng)新研究，整合過去幾十年來提出的成熟技術成果，力求改善加工設的自動化和智能化程度，提升加工的工藝水平，提出我國綠茶(名優(yōu)綠茶、大綠茶)、CTC 紅茶和烏龍茶的標準化加工工藝參數(shù)，研制出茶葉加工關鍵設備自動控制裝置和生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，研制出茶葉加工智能化專家咨詢系統(tǒng)。 ”本課題是該滾動項目的一部分，其技術目標是實現(xiàn)6CR 一 55 型茶葉揉捻機的作壓力、時間、轉(zhuǎn)速和上、下葉的自動控制。茶葉揉捻機自動化改造1第一章第一章 茶葉加工的工序及發(fā)展茶葉加工的工序及發(fā)展1.1 茶葉

7、加工的主要工序茶樹收獲所采下的是鮮葉，如不及時加工，就會因變質(zhì)而失去應用價值。鮮、葉也只有通過加工，才能使葉內(nèi)的水分逐步蒸發(fā)而形成干茶可貯藏和保存。品質(zhì)良好的鮮葉，通過先進的科學技術加工而使香氣成分逐步優(yōu)化，成為具有良好色、香、味、形的成品茶，既滿足了市場消費需求，也為茶業(yè)企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。隨著現(xiàn)代科學的不斷發(fā)展，近年來茶葉的加工技術日趨先進，特別是機電一體化、計算機與自動控制、酶膜工程和現(xiàn)代保鮮等高新技術在茶葉加工中的普遍應用，使各種新型茶產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，各類茶葉深加工產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)勢頭也日益迅猛，為茶葉加工升值創(chuàng)造了更為良好的條件。1.2 國內(nèi)外茶葉加工技術的發(fā)展及現(xiàn)狀茶葉原產(chǎn)于中國

8、，后逐步傳播于世界，當前世界上有 50 多個國家種茶和產(chǎn)茶，160 多個國家飲茶。它們的種茶和茶葉加工技術以及飲茶習俗，均系從我國直接或間接傳去。早在唐代的公元 815 年，茶樹種植技術就由我國傳到日本，綠茶蒸青加工技術也同時傳去，被日本人一致延用至今，并在此基礎上不斷改進完善，研制出一整套蒸青煎茶加工技術，還實現(xiàn)了現(xiàn)代化的生產(chǎn)線加工。19世紀上半葉，中國茶樹種植和條形紅茶加工技術先后傳到印度尼西亞、印度、斯里蘭卡和蘇聯(lián)(今獨聯(lián)體諸國)。這些國家在茶樹種植初期均應用從我國傳去的技術和方法，進行茶樹栽培管理和茶葉加工，甚至直接從中國聘請茶葉技師傳授茶葉種植和加工技術。在此基礎上，這些種茶國家經(jīng)過

9、不斷的實踐和研究，尤其是通過對機制茶葉的開發(fā)(如揉捻機和烘干機等茶葉加工機械的發(fā)明)，至19 世紀后半葉紅茶加工方法開始從條形茶向著切碎紅茶方向發(fā)展。由于這種茶為碎顆粒形狀，內(nèi)含成分在沖泡時容易溶出，在茶湯中加入牛乳后風味和湯色不會變淡，很適合西方人的飲用習慣，很快風行世界。紅碎茶自出現(xiàn)以來，經(jīng)歷了盤式揉切機、轉(zhuǎn)子揉切機和 CTC 等階段的揉切技術改進，品質(zhì)更為優(yōu)異。20 世紀中后期，茶樹種植和紅碎茶加工技術傳入非洲等地(如肯尼亞等產(chǎn)茶國)，紅碎茶生產(chǎn)采用了最先進的 CTC 加工技術，茶廠及其生產(chǎn)線設計尤為先進，加工出的紅碎茶品質(zhì)良好，在世界茶葉市場上具有很高的信譽。茶葉揉捻機自動化改造2我國

10、制茶機械化作業(yè)技術雖然取得了長足的發(fā)展，但制茶機械的自動化和連續(xù)化程度仍然較低， ，與食品工業(yè)的機械化相比卻存在著較大的差距。食品工業(yè)生產(chǎn)技術的發(fā)展過程大體要經(jīng)歷五個階段，即機械化階段、初級自動化階段、自動控制階段、數(shù)據(jù)化階段、高級自動化階段(無人化階段)。目前國內(nèi)食品加工技術已處于第四階段，國外茶葉加工己進人第三、第四階段，如日本蒸青茶生產(chǎn)線和英國 CTC 生產(chǎn)線。而我國的制茶技術總體上仍處于第一階段，個別單機或生產(chǎn)線處于第二階段，與國外相比尚存在巨大的差距。1.3 課題的來源1994 年 8 月，中央決定，在“九五”期間，國家安排?？钣糜谝M國際先農(nóng)業(yè)科學技術，每年實施一批項目。引進技術所

11、需用于消化、吸收和推廣的經(jīng)，中央單位承擔的項目由中央財政解決，地方單位承擔的項目由地方財政配套。就是 948 項目。最近，國務院再次決定，在“十二五”期間，中央財政每年投資 2 億元，繼續(xù)執(zhí)行“948”計劃。由中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所承擔的農(nóng)業(yè)部948 滾動項目茶葉標準化生產(chǎn)鍵技術引進、消化與創(chuàng)新研究于 2006 年正式啟動。該項目稱:“我國的茶加工技術水平與裝備多年以來沒有重大改進，總體上還處于傳統(tǒng)農(nóng)副產(chǎn)品初級工，加工的機械化、自動化程度低，質(zhì)量管理與品質(zhì)控制僅憑人工經(jīng)驗和常規(guī)審評與理化檢驗來保證，與全程清潔化生產(chǎn)、機械化加工和自動化控制的世界進水平差距甚遠。針對我國不同茶葉生產(chǎn)過程的特色和

12、上述主要問題，引進一世界先進水平的種植和加工技術、理念、設備和裝置等，在消化吸收的基礎上，合必要的創(chuàng)新研究，整合過去幾十年來提出的成熟技術成果，力求改善加工設的自動化和智能化程度，提升加工的工藝水平，提出我國綠茶(名優(yōu)綠茶、大綠茶)、CTC 紅茶和烏龍茶的標準化加工工藝參數(shù)，研制出茶葉加工關鍵設備自動控制裝置和生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，研制出茶葉加工智能化專家咨詢系統(tǒng)。 ”本課題是該滾動項目的一部分，其技術目標是實現(xiàn)6CR 一 55 型茶葉揉捻機的作壓力、時間、轉(zhuǎn)速和上、下葉的自動控制。1.4 課題的主要研究內(nèi)容本課題的主要研究內(nèi)容包括:1.根據(jù)原 6CR 一 55 型茶葉揉捻機的結構特點，制定出相

13、應的茶葉揉捻機動控制系統(tǒng)總體設計方案；茶葉揉捻機自動化改造32.上位機軟件設計與實現(xiàn)，主要是人機界面的設計；3.下位機軟件的設計與實現(xiàn),主要是數(shù)據(jù)的采集與顯示模塊。茶葉揉捻機自動化改造4第二章第二章 揉捻加工分析及自動控制總體方案確定揉捻加工分析及自動控制總體方案確定2.1 茶葉揉捻加工基本原理所謂揉捻(twisting)，是運用搓揉方法破壞茶葉的組織細胞，擠出茶汁，使葉片成條的茶葉初制工序即用揉和捻的方法使茶葉面積縮小卷成條形，通稱條茶。揉捻是初步做形，除了白茶類和綠、黃茶中有些不要揉捻外，一般在制茶過程中都有揉捻工序。鮮葉直接揉捻是不能成條的。因其物理性能硬、脆。揉捻是力的作用，如果用力不

14、當，也不能成條。2.2 茶葉揉捻設備茶葉揉捻機(tea twisting machine)是由揉桶與揉盤作相對回轉(zhuǎn)運動而將茶葉搓揉成條、擠出茶汁的機械。我國生產(chǎn)的茶葉揉捻機是茶機工業(yè)中較為成熟的機種之一，也是第一個頒布部標準的茶機機種。第六代茶葉揉捻機產(chǎn)品系列統(tǒng)一標注為“6CR”字樣，6”代表第六代，C”是“茶”字拼音第一個字母大寫，R”是“揉”字拼音第一個字母大寫。2.2.12.2.1 茶葉揉捻機的分類茶葉揉捻機的分類1.按運動形式可分為: (1)單動式茶葉揉捻機:揉桶作回轉(zhuǎn)運動、揉盤不動。 (2)雙動式茶葉揉捻機:揉桶與揉盤均作回轉(zhuǎn)運動。2.按揉盤樣式可分為: (1)盤式 (2)平板履帶式

15、 (3)轉(zhuǎn)子式 (4)滾子式3.按揉桶數(shù)量可分為 (1)單桶式 (2)雙桶式 (3)四桶式4.按揉桶直徑可分為: (1) 6CR-15 型 (2) 6CR 一 20 型茶葉揉捻機自動化改造5(3) 6CR-30 型、 (4) 6CR 一 55 型 (5) 6CR-65 型5.按加工的連續(xù)化程度可分為: (1)非連續(xù) (2)連續(xù)式2.2.22.2.2 6CR-556CR-55 型盤式茶葉揉捻機的主要技術參數(shù)型盤式茶葉揉捻機的主要技術參數(shù)表 2 一 1 CR-55 型揉捻機的主要技術參數(shù)項目單位6CR_55外徑 X 高度Mm540X385揉桶容葉量Kg/桶3035加壓形式絲桿式加壓轉(zhuǎn)速R/min5

16、01臺時產(chǎn)量Kg/h100140功率Kw2.2電機電壓V220外形（長 X 寬 X 高）Mm1500X1500X14002.3 揉捻機自動控制系統(tǒng)總體方案設計本著操作簡便，安全可靠，生產(chǎn)效率高的目標，茶葉揉捻機控制部分應達到以下工作要求。打開電源后，首先進行觸摸屏操作，輸入工作組、用戶名與密碼，驗證無誤后，才能進入茶葉揉捻機的控制系統(tǒng)，然后或更改生產(chǎn)參數(shù)，或進入監(jiān)視界面。按下開始按鈕，茶葉揉捻機會進入自動運行狀態(tài)，隨后進入初始化狀態(tài)，再進行故障自檢，一切正常后，如果沒有新的數(shù)據(jù)輸入，系統(tǒng)會自動載入上次數(shù)據(jù)。如果有新的數(shù)據(jù)輸入，系統(tǒng)將采用新的數(shù)據(jù)進行揉捻。揉捻結束后，出茶門自動打開，等待下茶。按

17、下復位按鈕，系統(tǒng)會自動返回初始狀態(tài)。如果在揉捻過程當中，系統(tǒng)檢測到異常現(xiàn)象，系統(tǒng)會報警。在揉捻過程當中，允許隨時暫停操作，并在轉(zhuǎn)換到繼續(xù)時，恢復所有數(shù)據(jù)。運行當中的重要數(shù)據(jù)，在停電后能夠得到保持，恢復供電后，也能繼續(xù)工作。在遇到非常嚴茶葉揉捻機自動化改造6重的故障，按下急停按鈕，系統(tǒng)會自動禁止所有輸出，等待人工處理后，按下復位按鈕，系統(tǒng)就可以恢復到初始狀態(tài)。如果在運行當中遇到問題，但是可以通過手動解決，那么，先可以按下暫停，然后再切換到手動狀態(tài)，進行手動操作。在遇到較大的故障后，系統(tǒng)仍然可以進行手動揉捻、壓蓋手動升降、出茶門手動開關、手動復位等日常操作。2.3.12.3.1 揉桶轉(zhuǎn)速控制：揉桶

18、轉(zhuǎn)速控制：原 6CR-55 型茶葉揉捻機有一齒輪減速機構，輸出轉(zhuǎn)速為50 士 1r/min。這一轉(zhuǎn)速是固定的，不能調(diào)整。但是不同的茶種、0-十質(zhì)和殺青質(zhì)量，需用不同的轉(zhuǎn)速揉捻，雖然只是些微的變化，也體現(xiàn)茶葉加工的精細程度。轉(zhuǎn)速的控制由交流電機變頻調(diào)速技術來實現(xiàn)。變頻調(diào)速技術是目前世界上技術先進、使用成熟、性能可靠的調(diào)速方式，它實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速連續(xù)無級調(diào)速。這里的變頻調(diào)速是開環(huán)控制，控制指令直接來自于上位機中輸入的參數(shù)。2.3.2 壓力控制：壓力控制是整個控制系統(tǒng)的關鍵所在，利用壓蓋的升降來控制桶內(nèi)茶葉所受到的壓力。其控制框圖如下圖所示，它是一個開環(huán)控制。 把加壓型式由 55 型的雙滑柱加壓改為

19、40-45 型的單滑柱絲桿浮動加壓。滑柱是一根中空的鋼管，對著壓蓋的一側，開有一平行于鋼管中心線的豎直長槽，豎直長槽的頂部又連著一段與水平方向成 45。角沿管壁開鑿的斜槽，鋼管中心是一根絲桿，可以帶動加壓臂上的螺母沿著豎直長槽上下移動，并沿著斜槽移離揉桶上方，便于上葉。在滑柱的根部裝有一個手輪，用來轉(zhuǎn)動絲桿?，F(xiàn)在，在手輪的位置上裝一個步進電機，改手輪轉(zhuǎn)動為步進電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動。再在滑柱的頂部和根部分別裝上一個行程開關控制加壓臂的上下限和進行加壓臂定位。2.3.32.3.3 揉捻過程控制揉捻過程控制：過程控制其實就是時間控制?？梢园讶嗄砑庸し譃椤拜p一重一輕”三過程，也可以分為“輕一重一較重一輕”

20、四過程，還可以制定別的工藝階段。總之，要根據(jù)各茶種的特征，葉質(zhì)老嫩、勻度和殺青質(zhì)量來制定。每一過程的時間數(shù)值，按前面論述的揉捻加工工藝靈活掌握確定。加工前，把每一過程的時間參數(shù)輸入上位機中，再由上位機傳輸給 PLC, PLC 根據(jù)輸入的時間參數(shù)控制主電機和壓力系統(tǒng)的運行。PLC步進電機控制對象茶葉揉捻機自動化改造72.3.42.3.4 上、下葉控制上、下葉控制：出茶門在揉盤底部的正中心，原 6CR-55 型茶葉揉捻機揉盤的底部安裝著一根長銷，揉捻時用來鎖緊出茶門，以免跑茶。下茶時，拔開鎖緊銷，出茶門在重力作用下下垂，出茶門打開。關門時，搖動連接在出茶門上的手柄，把出茶門搖上來，再插上鎖緊銷。為

21、方便操作人員裝上殺青葉，需要控制揉桶的所停位置以及壓蓋的上升和旁移。壓蓋的上升由壓力控制解決，壓蓋的旁移在原有機械結構中就存在。茶葉揉捻機自動化改造8第三章第三章 茶葉揉捻機自動控制系統(tǒng)的硬件概況茶葉揉捻機自動控制系統(tǒng)的硬件概況茶葉揉捻機自動控制系統(tǒng)的硬件主要由上位機、下位機和調(diào)速控制、壓力控制、上下葉控制以及顯示四個子系統(tǒng)組成。整個硬件系統(tǒng)的框架下圖所示，上位機是一臺 PC，和觸摸屏組成一體機;下位機是一個西門子 S7-300 系列的PLC:調(diào)速控制系統(tǒng)主要是一臺變頻器，交流電機是原有的;壓力控制系統(tǒng)由壓力傳感器、步進電機、步進電機驅(qū)動器以及兩個行程開關組成;上下葉控制由電磁閥、氣缸、接近開

22、關以及限位開關組成，其中限位開關有四個;顯示系統(tǒng)是一個西門子觸摸屏。PLC變頻器異步電機指示燈HMI行程開關驅(qū)動器壓力傳感器步進電機顯示系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)茶葉揉捻機自動化改造9第四章第四章 軟件設計與實現(xiàn)軟件設計與實現(xiàn)整個茶葉揉捻系統(tǒng)的軟件設計分為上位機軟件的設計和下位機軟件的設計。上位機軟件指的是計算機上應用軟件設計，是利用 WINCC Flexible 開發(fā)的用戶應用軟件，主要實現(xiàn)揉捻流程及工藝參數(shù)的顯示、數(shù)據(jù)處理與保存、參數(shù)設定和系統(tǒng)控制;下位機軟件指的是 S7-300 PLC 程序的開發(fā)，是利用 STEP7 進行程序設計，主要實現(xiàn)揉捻過程的自動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、邏輯運算以

23、及人機界面的設計開發(fā)。4.1 上位機軟件設計上位機軟件是基于 Windows2000/al，操作系統(tǒng)，使用 Delphi7.0 開發(fā)的，采用面向?qū)ο蠖鄬芋w系結構技術。主要劃分成以下三個層次:用戶界面層、數(shù)據(jù)庫層和應用服務層。把原來比較理論、抽象的模型用相對形象的界面圖形在測控軟件主界面上表示出來。本論文在這里只討論上位機軟件程序的開發(fā),主要研究人機界面4.1.14.1.1 人機界面概述人機界面概述：人與機之間存在一個相互作用的“面” ，所有的人機信息交流都發(fā)生在這個作用面上，通常稱為人機界面。人機界面是人與機器進行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。茶葉揉

24、捻自動控制系統(tǒng)的各項功能均可以通過人機界面來進行操作與實現(xiàn)。人機界面（Human-Computer Interface,簡寫 HCI，又稱用戶界面或使用者界面）：是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領域或稱界面所說人機結合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機器的硬接觸和軟觸，此結合面不僅包括點線面的直接接觸，還包括遠距離的信息傳遞與控制的作用空間。 人機結合面是人機系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學的分支學科安全人機工程學去研究和提出解決的依據(jù)，并過安全工程設備工程學，安全管理工程學以及安全系統(tǒng)工程學

25、去研究具體的解決方法手段措施安全人機學。它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面?，F(xiàn)在大量運用在工業(yè)與商業(yè)上，簡單的區(qū)分為“輸入” （Input）與“輸出” （Ouput）兩種，輸入指的是由人來進行機械或設備的操作，如把手、開關、門、指令(命令)的下達或保養(yǎng)維護等，而輸出茶葉揉捻機自動化改造10指的是由機械或設備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機接口會幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機械，也能使機械發(fā)揮最大的效能并延長使用壽命，而目前市面上所指的人機接口則多界狹義的指在軟件人性化的操作接口上。 特定行業(yè)的人機界面可能有特

26、定的定義和分類，比如工業(yè)人機界面(Industrial Human-machine Interface 或簡稱 Industrial HMI)，具體解釋可查看“工業(yè)人機界面”詞條。 人機交互（Human-Computer Interaction, 簡寫 HCI）：是研究關于設計、評價和實現(xiàn)供人們使用的交互計算系統(tǒng)以及有關這些現(xiàn)象進行研究的科學。 人機交互與人機界面是兩個有著緊密聯(lián)系而又不盡相同的概念。人機交互與人機界面的關系如下：人機交互是指人與機器的交互，本質(zhì)上是人與計算機的交互?；蛘邚母鼜V泛的角度理解：人機交互是指人與含有計算機的機器的交互。具體來說，人機交互用戶與含有計算機機器之間的雙向

27、通信，以一定的符號和液晶屏被用作人機界面顯示器動作來實現(xiàn)，如擊鍵，移動鼠標，顯示屏幕上的符號/圖形等。這個過程包括幾個子過程：識別交互對象-理解交互對象-把握對象情態(tài)-信息適應與反饋等；而人機界面是指用戶與含有計算機的機器系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，是人機雙向信息交互的支持軟件和硬件。這里界面定義為通信的媒體或手段，它的物化體現(xiàn)是有關的支持軟件和硬件，如帶有鼠標的圖形顯示終端等。 交互是人與機 -環(huán)境作用關系 /狀況的一種描述。界面是人與機 -環(huán)境發(fā)生交互關系的具體表達形式。交互是實現(xiàn)信息傳達的情境刻畫，而界面是實現(xiàn)交互的手段。在 交互設計子系統(tǒng)中，交互是內(nèi)容 /靈魂，界面是形式 /肉體；然而在

28、大的產(chǎn)品設計系統(tǒng)中，交互和界面，都只是解決人機關系的一種手段，不是最終目的，其最終目的是解決和滿足人的需求。 交互設計是從屬于產(chǎn)品系統(tǒng)的，是對成功的產(chǎn)品設計的一種強有力的支持與完善。 如果利用系統(tǒng)論的觀點，交互設計是從屬于產(chǎn)品設計系統(tǒng)的子系統(tǒng)。4.1.24.1.2 人機界面產(chǎn)品基本常識人機界面產(chǎn)品基本常識4 4. .1 1. .2 2. .1 1 人人機機界界面面產(chǎn)產(chǎn)品品的的定定義義 ：連接可編程序控制器（ PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互茶葉揉捻機自動化改造11的數(shù)字設備

29、,由硬件和軟件兩部分組成。 HMI 為英文 Human-Machine Interface 的縮寫。4 4. .1 1. .2 2. .2 2 人人機機界界面面（H HM MI I）產(chǎn)產(chǎn)品品的的組組成成及及工工作作原原理理 ：人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI 產(chǎn)品的性能高低，是 HMI的核心單元。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8 位、16 位、32 位的處理器。 HMI 軟件一般分為兩部分，即運行于 HMI 硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于 PC 機 Windows 操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟

30、件（如 JBHMI 畫面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用 HMI 的畫面組態(tài)軟件制作 “工程文件”，再通過 PC 機和 HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的 “工程文件”下載到HMI 的處理器中運行。 4 4. .1 1. .2 2. .3 3 人人機機界界面面產(chǎn)產(chǎn)品品的的基基本本功功能能及及選選型型指指標標 （1）基本功能： （2）設備工作狀態(tài)顯示，如指示燈、按鈕、文字、圖形、曲線等； （3）數(shù)據(jù)、文字輸入操作，打印輸出； （4）生產(chǎn)配方存儲，設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄； （5）簡單的邏輯和數(shù)值運算； （6）可連接多種工業(yè)控制設備組網(wǎng)。 （7）選型指標： （8）顯示屏尺寸及色彩，分辨率； （9）HMI

31、的處理器速度性能； （10）輸入方式：觸摸屏或薄膜鍵盤； （11）畫面存貯容量，注意廠商標注的容量單位是字節(jié)（ byte）、還是位（bit）； （12）通訊口種類及數(shù)量，是否支持打印功能。 4 4. .1 1. .2 2. .4 4 人人機機界界面面產(chǎn)產(chǎn)品品分分類類 (1)薄膜鍵輸入的 HMI，顯示尺寸小于 5.7，畫面組態(tài)軟件免費，屬初級產(chǎn)品。如 POPHMI 小型人機界面； (2)觸摸屏輸入的 HMI，顯示屏尺寸為 5.712.1，畫面組態(tài)軟件免費，屬中級產(chǎn)品； 茶葉揉捻機自動化改造12(3)基于平板 PC 計算機的、多種通訊口的、高性能HMI，顯示尺寸大于10.4，畫面組態(tài)軟件收費，屬高

32、端產(chǎn)品。 4 4. .1 1. .2 2. .5 5 人人機機界界面面的的使使用用方方法法 (1)明確監(jiān)控任務要求，選擇適合的 HMI 產(chǎn)品； (2)在 PC 機上用畫面組態(tài)軟件編輯 “工程文件”； (3)測試并保存已編輯好的 “工程文件” ； (4)PC 機連接 HMI 硬件，下載“工程文件”到 HMI 中； (5)連接 HMI 和工業(yè)控制器（如 PLC、儀表等），實現(xiàn)人機交互。4.1.34.1.3 人機界面品牌分類人機界面品牌分類1、 EVIEW EVIEW 人機產(chǎn)品是中國最早最專業(yè)的工業(yè)級人機界面品牌之一，自2002 年進入中國大陸市場以來，以其專業(yè)的品質(zhì)、卓越的性能、合理的價格得到了市

33、場的最大認可，產(chǎn)品銷量及市場占有率居同行業(yè)之首，EVIEW 品牌曾被業(yè)界權威媒體工控網(wǎng)評為 “工控 TOP10”第一名、美國 Control Engineering 雜志評選的 “中國最有影響的人機界面品牌 ”第一名、年度“最佳人機界面產(chǎn)品 ”獎。 2、臺灣威綸 “WEINVIEW”品牌人機界面（觸摸屏 ）。 WEINVIEW 人機產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)率先采用符合先進環(huán)保標準的無鉛零件和制造工藝，用實際行動為企業(yè)道德印上金牌品質(zhì)保證，一路保持行業(yè)領先。4.1.44.1.4 人機界面發(fā)展概述人機界面發(fā)展概述: :1.人機界面領域的形成：從計算機問世以來，早期用戶是以計算機專業(yè)人員為主，但隨著計算機廣泛進

34、入人們的工作生活領域，計算機用戶發(fā)生了改變，非計算機專業(yè)的普通用戶成了用戶的主體。這一重大轉(zhuǎn)變使計算機的可用性問題變得日益突出起來。人機界面應當是什么樣的？如何去建造這樣的界面？人們開始關注和研究這些問題。這些問題既涉及人也涉及計算機及一些相關的學科，如：心理學、人的因素學（Human Factors） 、社會學、語言學等。隨著計算機技術的發(fā)展，應用領域的拓寬，從而帶來了不同的理論方法。八十年代以來，人機界面的研究有了前所未有的發(fā)展，微型計算機的迅速普及對此起了重要的推動作用。 2.研究人機界面的各種理論和方法茶葉揉捻機自動化改造13(1)分析與評價技術:用于分析、評價用戶界面有效性的理論和經(jīng)

35、驗方法，如任務分析、話語分析、內(nèi)容分析及可用性評價等。(2)設計方法論:用來產(chǎn)生好的用戶界面設計的方法與技術，如：軟件心理學、環(huán)境因素設計法、多方參與設計法以及支持設計過程的工具和標記法。(3)開發(fā)工具和方法：支持用戶界面開發(fā)的工具箱、用戶界面管理系統(tǒng)（UIMS） 、快速原型法和程序設計輔助工具等。(4)交互方式與設備:新的輸入輸出設備和設備運用策略，包括視覺、聲音、觸覺、姿態(tài)等通信模態(tài)及多種模態(tài)的集成。(5)關鍵用戶界面成分：如用戶界面隱喻（metaphor） 、用戶界面風格、智能界面技術、取消、超文本超媒體以及聯(lián)機幫助。(6)用戶模型：包括用戶行為模型、關于系統(tǒng)的用戶內(nèi)心模型、用戶個體差異

36、(7)特定應用的用戶界面設計：滿足某類應用問題對人機交互作用的特定限制條件和要求的用戶界面設計。如：虛擬現(xiàn)實、智能輔導系統(tǒng)、信息檢索、Internet/WWW、CAD/CAM、專家系統(tǒng)過程控制、決策支持等。 (8)計算機輔助協(xié)同工作（CSCW）：關于如何使用計算機系統(tǒng)幫助人的群體有效協(xié)同工作的研究，包括現(xiàn)場觀察研究、理論模型、群體用戶界面開發(fā)設計等。 (9)法律與標準：關于用戶界面的專利和版權問題、用戶界面的標準化。這些研究方向目前大多處于十分活躍的發(fā)展階段，并且有著較強的分化和相互滲透傾向，有些方向甚至有可能發(fā)展為具有相當規(guī)模的相對對立的研究領域。4.1.54.1.5 人機界面的發(fā)展趨勢人機

37、界面的發(fā)展趨勢: :隨著人機界面在計算機容量、網(wǎng)絡技術、圖形技術、多媒體技術以及新型輸入輸出設備方面的迅速發(fā)展，今后的人機界面將具有一些新的特點： (1）人與計算機的交互操作變得更接近于同現(xiàn)實世界的交互操作，為減輕人在交互作用上的認識負擔和更多地利用人從演化和經(jīng)歷中獲得的自然技能提供了新的可能性。(2）人機界面將越來越多地具有多模態(tài)高寬帶的特點。更多的人的感受表達模態(tài)將被用于和計算機的信息交流，甚至可以設想最重要把人的神經(jīng)細胞的直接觸發(fā)和測取作為交互的通道，為此同時輸入輸出設備之間的區(qū)別將變得越來越不明顯。(3)網(wǎng)絡技術尤其是 Internet 的普及使今后的計算機用戶具有更多的群體特點，從而

38、對適應人的群體社會化組織和行為規(guī)律的群體用戶界面將會有大的茶葉揉捻機自動化改造14需求。人機界面設計下一代方法是交互的集成方法。它將大量地使用語音、自然語言和高級圖形，也可用其它交互媒體，如眼的動作和手勢、姿態(tài)等，還可用三維圖像生動地引導解釋交互和任務?？傊?，未來的人機界面設計對研究和設計者提出了多方面的挑戰(zhàn)。許多信息技術領域的公司企業(yè)，這些年紛紛對與用戶界面開發(fā)有關的專業(yè)人員提出要求，很多大學適應這種要求，設立了相關的課題甚至專業(yè)。4.1.64.1.6 人機界面的總體設計人機界面的總體設計:狹義的人機界面指計算機系統(tǒng)中的人機界面(Human-Computer Interface,HC1)，又

39、稱人機接口、用戶界面(User Interface)，它是計算機科學中最年輕的分支之一。人機界面是計算機科學與心理學、圖形藝術、認知科學和人機工程學的交叉研究領域，是人與計算機之間傳遞和交換信息的媒介，是計算機系統(tǒng)向用戶提供的綜合操作環(huán)境。近年來，隨著軟件工程學的迅速發(fā)展、新一代計算機技術研究的推動，以及網(wǎng)絡技術的突飛猛進，人機界面設計和開發(fā)已成為國際計算機界最為活躍的研究方向。1、人機界面的設計原則：人機界面設計的好壞與設計者的經(jīng)驗有直接的關系，有些原則對幾乎所有良好的人機界面的設計都是適用的，一般可從可交互性、信息、顯示、數(shù)據(jù)輸入等方面考慮:原則 1:在同一用戶界面中，所有的菜單選抒、命令

40、輸入、數(shù)據(jù)顯示和其他功能應保持風格的一致性。風格一致的人機界面會給人一種簡潔、和諧的美感。原則 2:對所有可能造成損害的動作，堅持要求用戶確認，例如提問“你肯定?”等，對大多數(shù)動作應允許恢復(UNDO)，對用戶出錯采取寬容的態(tài)度。原則 3:用戶界面應能對用戶的決定做出及時的響應，提高對話、移動和思考的效率，最大可能的減少擊鍵次數(shù)，縮短鼠標移動距離，避免使用戶產(chǎn)生無所適從的感覺。原則 4:人機界面應該提供上下文敏感的求助系統(tǒng)，讓用戶及時獲得幫助，盡量用簡短的動詞和動詞短語提示命令。原則 5:合理劃分并高效使用顯示屏。僅顯示與上下文有關的信息，允許用戶對可視環(huán)境進行維護:如放大、縮小圖像;用窗口分

41、隔不同種類的信息，只顯示有意義的出錯信息，避免因數(shù)據(jù)過于費解造成用)”煩惱。上述原則都是進行人機界面設計應遵循的最基本的原則，除此之外還有許茶葉揉捻機自動化改造15多設計原則應當考慮，比如如何正確的使用顏色等。4.1.74.1.7 人機界面設計的過程人機界面設計的過程：人機界面的設計過程可分為以下幾個步驟： 1.創(chuàng)建系統(tǒng)功能的外部模型設計模型主要是考慮軟件的數(shù)據(jù)結構、總體結構和過程性描述，界面設計一般只作為附屬品，只有對用戶的情況(包括年齡、性別、心理情況、文化程度、個性、種族背景等 )有所了解，才能設計出有效的用戶界面；根據(jù)終端用戶對未來系統(tǒng)的假想 (簡稱系統(tǒng)假想 )設計用戶模型，最終使之與

42、系統(tǒng)實現(xiàn)后得到的系統(tǒng)映象 (系統(tǒng)的外部特征 )相吻合，用戶才能對系統(tǒng)感到滿意并能有效的使用它；建立用戶模型時要充分考慮系統(tǒng)假想給出的信息，系統(tǒng)映象必須準確地反映系統(tǒng)的語法和語義信息?？傊挥辛私庥脩?、了解任務才能設計出好的人機界面。 2.確定為完成此系統(tǒng)功能人和計算機應分別完成的任務：任務分析有兩種途徑。一種是從實際出發(fā)，通過對原有處于手工或半手工狀態(tài)下的應用系統(tǒng)的剖析，將其映射為在人機界面上執(zhí)行的一組類似的任務；另一種是通過研究系統(tǒng)的需求規(guī)格說明，導出一組與用戶模型和系統(tǒng)假想相協(xié)調(diào)的用戶任務。 逐步求精和面向?qū)ο蠓治龅燃夹g同樣適用于任務分析。逐步求精技術可把任務不斷劃分為子任務，直至對每個

43、任務的要求都十分清楚；而采用面向?qū)ο蠓治黾夹g可識別出與應用有關的所有客觀的對象以及與對象關聯(lián)的動作。 3.考慮界面設計中的典型問題 ：設計任何一個機界面，一般必須考慮系統(tǒng)響應時間、用戶求助機制、錯誤信息處理和命令方式四個方面。系統(tǒng)響應時間過長是交互式系統(tǒng)中用戶抱怨最多的問題，除了響應時間的絕對長短外，用戶對不同命令在響應時間上的差別亦很在意，若過于懸殊用戶將難以接受；用戶求助機制宜采用集成式，避免疊加式系統(tǒng)導致用戶求助某項指南而不得不瀏覽大量無關信息；錯誤和警告信息必須選用用戶明了、含義準確的術語描述，同時還應盡可能提供一些有關錯誤恢復的建議。此外，顯示出錯信息時，若再輔以聽覺 (鈴聲)、視覺

44、(專用顏色)刺激，則效果更佳；命令方式最好是菜單與鍵盤命令并存，供用戶選用。 4.借助 CASE 工具構造界面原型，并真正實現(xiàn)設計模型軟件模型一旦確定，即可構造一個軟件原形，此時僅有用戶界面部分，此原形交用戶評審，根據(jù)反饋意見修改后再交給用戶評審，直至與用戶模型和系統(tǒng)假想一致為止。一般可借助于用戶界面工具箱 (Userinterfacetoolkits)或用戶界面開發(fā)系統(tǒng)茶葉揉捻機自動化改造16(Userinterfacedevelopmentsystems)提供的現(xiàn)成的模塊或?qū)ο髣?chuàng)建各種界面基本成分的工作。4.1.84.1.8 人機界面設計的評價人機界面設計的評價：怎樣評價一個人機界面設計質(zhì)

45、量的優(yōu)劣，目前還沒有一個統(tǒng)一的標準。一般地，評價可以從以下幾個主要方面進行考慮：(1)用戶對人機界面的滿意程度；(2)人機界面的標準化程度；(3)人機界面的適應性和協(xié)調(diào)性；(4)人機界面的應用條件；(5)人機界面的性能價格比。目前人們習慣于用“界面友好性”這一抽象概念來評價一個人機界面的好壞，但“但面友好”與“界面不友好”恐怕無人能定一個確切的界線，一般認為一個友好的人機界應該至少具備以下特征：(1)操作簡單，易學，易掌握；(2)界面美觀，操作舒適；(3)快速反應，響應合理；(4)用語通俗，語義一致。需指出，一個用戶界面設計質(zhì)量的優(yōu)劣，最終還得由用戶來判定，因為軟件是供用戶使用的，軟件的使用者

46、才是最有發(fā)言權的人。4.1.94.1.9 SIMATICSIMATIC HMIHMI 介紹：介紹：在工藝過程日趨復雜、對機器和設備功能的要求不斷增加的環(huán)境中，獲得最大的透明性對操作員來說至關重要。 人機界面(HMI)提供了這種透明性。HMI 是人(操作員)與過程(機器/設備)之間的接口。PLC 是控制過程的實際單元。 因此，在操作員和 WinCC flexible（位于 HMI 設備端）之間以及 WinCC flexible 和 PLC 之間均存在一個接口。 HMI 系統(tǒng)承擔下列任務：4.1.9.14.1.9.1過程可視化：過程可視化：過程顯示在HMI 設備上。 HMI 設備上的畫面可根據(jù)過程

47、變化動態(tài)更新。 這基于過程的變化。4.1.9.24.1.9.2操作員對過程的控制操作員對過程的控制：操作員可以通過GUI (圖形用戶界面)來控制過程。 例如，操作員可以預置控件的參考數(shù)值或者啟動電機。4.1.9.34.1.9.3顯示報警顯示報警：過程的臨界狀態(tài)會自動觸發(fā)報警，例如，當超出設定值時。4.1.9.44.1.9.4歸檔過程值和報警歸檔過程值和報警：HMI 系統(tǒng)可以記錄報警和過程值。 該功能使您可以記錄過程值序列，并檢索以前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。4.1.9.54.1.9.5過程值和報警記錄：過程值和報警記錄：HMI 系統(tǒng)可以輸出報警和過程值報表。 例如，您可以在某一輪班結束時打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)。4

48、.1.9.64.1.9.6過程和設備的參數(shù)管理：過程和設備的參數(shù)管理：HMI 系統(tǒng)可以將過程和設備的參數(shù)存儲在配方茶葉揉捻機自動化改造17中。 例如，可以一次性將這些參數(shù)從HMI 設備下載到PLC，以便改變產(chǎn)品版本進行生產(chǎn)。SIMATIC HMI 提供了一個全集成的單源系統(tǒng)，用于各種形式的操作員監(jiān)控任務。 使用SIMATIC HMI，您可以始終控制過程并使機器和設備持續(xù)運行。用于設備級的小型觸摸面板是簡單SIMATIC HMI 系統(tǒng)的應用實例。用于監(jiān)控生產(chǎn)工廠的SIMATIC HMI 系統(tǒng)代表了擁有高端性能范圍的產(chǎn)品。 它們包括高性能的客戶機/服務器系統(tǒng)。4.1.10SIMATIC4.1.10

49、SIMATIC WinCCWinCC flexibleflexible 的集成的集成：WinCC flexible 是一種前瞻性的面向機器的自動化概念的 HMI 軟件，它具有舒適而高效的設計。 WinCC flexible 綜合了下列優(yōu)點：(1)直接的處理方式(2)透明性(3)靈活性4.1.114.1.11 WinCCWinCC flexibleflexible 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述：WinCC flexible 編輯界面如下圖所示：（1）菜單和工具欄 可以通過 WinCC flexible 的菜單和工具欄訪問它所提供的全部功能。 當鼠標指針移動到一個功能上時，將出現(xiàn)工具提示。 （2）工作區(qū) 在工

50、作區(qū)域中編輯項目對象。 所有 WinCC flexible 元素都排列在工作區(qū)域的邊框上。 除了工作區(qū)域之外，可以組織、組態(tài)(例如，移動或隱藏)任一元素來茶葉揉捻機自動化改造18滿足個人需要。 （3）項目視圖 項目中所有可用的組成部分和編輯器在項目視圖中以樹型結構顯示。 作為每個編輯器的子元素，可以使用文件夾以結構化的方式保存對象。 此外，屏幕、配方、腳本、協(xié)議和用戶詞典都可直接訪問組態(tài)目標。 在項目窗口中，您可以訪問 HMI 設備的設置、語言設置和版本管理。 （4）屬性視圖 屬性視圖用于編輯對象屬性，例如畫面對象的顏色。 屬性視圖僅在特定編輯器中可用。 （5）工具箱 工具箱包含有選擇對象的選

51、項，可將這些對象添加給畫面，例如圖形對象或操作員控制元素。此外，工具箱也提供了許多庫，這些庫包含有許多對象模板和各種不同的面板。 （6）庫 “庫”是工具箱視圖的元素。 使用“庫”可以訪問畫面對象模板。 始終可以通過多次使用或重復使用對象模板來添加畫面對象，從而提高編程效率。 庫是用于存儲諸如畫面對象和變量等常用對象的中央數(shù)據(jù)庫。 輸出視圖輸出窗口顯示例如在項目測試運行中所生成的系統(tǒng)報警。 （7）對象視圖 “對象視圖”顯示“項目視圖”中選定區(qū)域的所有元素。WinCC flexible 工程系統(tǒng)是用于處理所有基本組態(tài)任務的軟件。WinCC flexible 運行系統(tǒng)是用于過程可視化的軟件。 在運行

52、系統(tǒng)中，您可以在過程模式下執(zhí)行項目。WinCC flexible 選件可以擴展WinCC flexible 的標準功能。 每個選件需要一個單獨的許可證，WinCC flexible 是用于所有組態(tài)任務的工程系統(tǒng)。 WinCC flexible 采用模塊化的設計。WinCC flexible 包括了性能從Micro Panel 到簡單使用 WinCC flexible，可以創(chuàng)建模塊的 HMI 視圖，并將其與控制單元組合以形成完整的模塊。SIMATIC iMap 鏈接編輯器允許啟用模塊接口之間的相互圖形鏈接。無需構建通訊鏈接。使用模塊的鏈接信息和 HMI 部分，可自動生成 WinCC flexib

53、le 的可視化基礎。的PC 可視化的一系列產(chǎn)品。WinCC flexible 支持下列組態(tài)：茶葉揉捻機自動化改造19(1) 依賴于目標系統(tǒng)的組態(tài)在組態(tài)期間，只顯示所選目標系統(tǒng)支持的功能。(2)獨立于所用PLC 的工程如果您要在多個或不同的目標系統(tǒng)中使用一個項目，只需在項目中切換HMI 設備。 對于所選HMI 設備不支持的功能，將不顯示。(3)所引用對象的集中修改在中心工作站所作的修改應用于整個項目。(4)使用重新使用組態(tài)對象可簡化組態(tài)并降低總成本。(5)批量數(shù)據(jù)處理例如，創(chuàng)建一個動作，使其包含多個具有相同值或按時間升序排列的地址的變量。(6)畫面瀏覽的圖形組態(tài)由已組態(tài)畫面的圖形總覽創(chuàng)建一個畫面

54、體系。 自動創(chuàng)建畫面瀏覽所需對象。 。(7)組態(tài)運動路徑組態(tài)對象在過程畫面中的運動。(8)全集成自動化得益于WinCC flexible 在SIMATIC STEP 7 和SIMOTION SCOUT 組態(tài)用戶界面中的無縫集成。4.1.124.1.12 人機界面實現(xiàn)人機界面實現(xiàn)：根據(jù)本軟件所要實現(xiàn)的功能，再考慮到界面設計原則，可以列出界面框圖如圖：茶葉揉捻機自動化改造20用戶登錄揉捻參數(shù)設定揉捻狀態(tài)顯示用戶信息管理退出管理主界面揉捻控制過程揉捻系統(tǒng)趨勢揉捻數(shù)據(jù)采集4 4.1.13.1.13 系統(tǒng)軟件的安全性設計：系統(tǒng)軟件的安全性設計：對于一個工業(yè)上應用的系統(tǒng)軟件來保障安全，它的安全性和可靠性尤

55、為重要。為了保證系統(tǒng)的安全，就要采取系統(tǒng)安全策略。可以采用如下一些安全技術確保工控軟件系統(tǒng)的安全:(1)有身份認證功能(2)訪問控制功能(3)審計功能(4)與防病毒技術兼容(5)與其它安全技術兼容4.13.1.14.13.1.1 在本系統(tǒng)的軟件設計在本系統(tǒng)的軟件設計中主要考慮了用戶權限的設定以及使用者信息的登記。將權限分為系統(tǒng)管理員與普通操作員兩種，系統(tǒng)管理員可以對系統(tǒng)的所有設置包括對操作員的管理、數(shù)據(jù)庫管理等均具有修改、刪除的權限，而操作員只有在管理員授權了以后才具有普通操作的權限，可以對本身的信息進行修改，但無法增加、刪除其它操作員信息和管理員信息，也無法對數(shù)據(jù)庫進行管理。為了安全，本軟件

56、在使用之前增加了登錄對話框，只有在正確輸入用戶名和密碼后才能進入軟件系統(tǒng)，防止非操作員對系統(tǒng)的使用及破壞。該系統(tǒng)主要有四個界面：茶葉揉捻機自動化改造21(1)系統(tǒng)管理界面（用戶登錄界面）(2)控制系統(tǒng)界面（主界面）(3)系統(tǒng)趨勢界面(4)工藝參數(shù)界面4.1.13.24.1.13.2 系統(tǒng)管理界面（用戶登錄界面）系統(tǒng)管理界面（用戶登錄界面）：系統(tǒng)管理主要完成系統(tǒng)的管理和操作，包括操作員管理和用戶密碼修改。操作管理負責完成操作用戶管理，用戶權限設定。用戶權限分為系統(tǒng)管理員和普通操作員。系統(tǒng)管理員具有最高權限，能使用軟件的所有功能，包括操作用戶管理、數(shù)據(jù)刪除等功能;普通操作員只能使用軟件的部分功能，

57、完成整個茶葉揉捻過程，不能使用操作用戶管理、數(shù)據(jù)刪除等高級功能。用戶登錄界面如下圖所示：界面中的按鈕功能如下：按鈕功能用戶登陸點擊進入用戶登陸框，從而進入系統(tǒng)控制畫面注銷點擊退出當前用戶茶葉揉捻機自動化改造22退出系統(tǒng)點擊關閉茶葉揉捻機人機界面系統(tǒng)點擊按鈕“用戶登錄”就會彈出登錄對話框，如下圖所示：該系統(tǒng)的用戶名是：F密碼是：8884.1.13.34.1.13.3 控制系統(tǒng)界面（主界面）控制系統(tǒng)界面（主界面）：系統(tǒng)控制主要實現(xiàn)對茶葉揉捻機的操作和控制，包括自動控制和手動控制兩部分。手動控制主要通過“系統(tǒng)控制”面板上的按鈕對揉捻機的每個執(zhí)行機構進行控制，如壓蓋上升、壓蓋下降、主體電機啟動與停止以

58、及系統(tǒng)復位;自動控制主要通過“系統(tǒng)控制”而板上的按鈕“啟動主電機”和“停止主電機”來完成茶葉揉捻的自動過程。系統(tǒng)控制不是計算機直接控制執(zhí)行機構的，而是與 PLC 進行數(shù)據(jù)的交互來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，PLC才是系統(tǒng)控制的實際控制者。通過系統(tǒng)控制界面可以說實現(xiàn)主電機和步進電機得電，也可以實現(xiàn)壓蓋上升或者是壓蓋下降，啟動主電機或者是停止電機等 ?？刂葡到y(tǒng)界面（主界面）如下圖所示：茶葉揉捻機自動化改造23界面中的按鈕功能如下：按鈕功能控制系統(tǒng)單擊進入系統(tǒng)控制界面系統(tǒng)趨勢單擊進入系統(tǒng)趨勢界面進而對數(shù)據(jù)進行監(jiān)視工藝參數(shù)單擊進入工藝參數(shù)的設置界面退出管理單擊退出系統(tǒng)控制進入系統(tǒng)管理界面步進回路按下實現(xiàn)步進電機通

59、電或斷電壓蓋上升步進電路得電的情況下，按下實現(xiàn)步進電機驅(qū)動壓蓋上升，釋放實現(xiàn)壓蓋停止上升壓蓋下降步進電路得電的情況下，按下實現(xiàn)步進電機驅(qū)動壓蓋下降，釋放實現(xiàn)壓蓋停止下降主電機回路按下實現(xiàn)主回路通電或斷電啟動主電機按下實現(xiàn)主電機運轉(zhuǎn)停止主電機按下實現(xiàn)主電機停止運轉(zhuǎn)減單擊實現(xiàn)主電機的轉(zhuǎn)速減小加單擊實現(xiàn)主電機的專屬增加確定單擊確定當前主電機的轉(zhuǎn)速4.1.13.44.1.13.4 系統(tǒng)趨勢界面：系統(tǒng)趨勢界面：繪制實時曲線圖對于分析數(shù)據(jù)來說是一種非常直觀的方法，特別是當要進行多條曲線的比較時，通過繪制曲線圖可以讓人非常清楚的看出曲線之間的差異。本軟件對采集的壓蓋壓力數(shù)據(jù)以實時曲線方式顯示，用戶可以清楚的

60、看到整個揉捻過程中壓蓋壓力的變化趨勢。該界面用圖形的方式直接實時顯示當前變量值，圖中是揉捻過程中壓力的變化趨勢和轉(zhuǎn)速變化趨勢，用戶可以清楚的看到整個揉捻過程中壓蓋壓力的變化趨勢，和轉(zhuǎn)速變化趨勢。系統(tǒng)趨勢界面如下圖所示：茶葉揉捻機自動化改造244.1.13.54.1.13.5 工藝參數(shù)界面：工藝參數(shù)界面：根據(jù)各種茶葉不同的大小和含水量，需要對茶葉揉捻過程工藝參數(shù)進行不同的設置，比如揉捻壓力、壓蓋高度、揉捻時間以及電機轉(zhuǎn)速。茶葉揉捻過程大致分為四個過程，可以根據(jù)不同的階段設置不同的工藝參數(shù)，大致按照“輕一重一較重一輕”的過程進行設計。工藝參數(shù)界面如下圖所示：茶葉揉捻機自動化改造25該界面中的配方視

61、圖組態(tài)信息如下：茶葉揉捻機自動化改造26該系統(tǒng)只有一個連接，其信息如下圖所示：該系統(tǒng)的變量編輯如下圖所示：茶葉揉捻機自動化改造274.24.2 下位機軟件設計下位機軟件設計下位機軟件指的是 S7-200 PLC 程序的開發(fā)，主要實現(xiàn)揉捻過程的自動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、邏輯運算以及人機界面的設計開發(fā)。茶葉揉捻控制系統(tǒng)能否按照預期設計的目標運行，一方面要看硬件設計是否具有合理性和可靠性，另一方面要看軟件能否可靠的運行，能否滿足用戶的需要。4.2.1 軟件開發(fā)的環(huán)境：STEP 7 是用于對 SIMATIC 可編程邏輯控制器進行組態(tài)和編程的標準軟件包。操作環(huán)境下圖所示。它是 SIMATIC 工業(yè)軟件的

62、組成部分?？商峁┫铝?STEP 7 標準軟件包：(1)用于SIMATIC S7-200上應用的STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/WIN。(2)用于使用帶有各種功能的SIMATIC S7-300/S7-400、SIMATIC M7-300/M7-400和SIMATIC C 7的STEP 7：(1)可通過選擇SIMATIC工業(yè)軟件中的軟件產(chǎn)品進行擴展(2)為功能模板和通訊處理器賦值參數(shù)(3)強制和多處理器模式(4)全局數(shù)據(jù)通訊(5)使用通訊功能塊的事件驅(qū)動數(shù)據(jù)傳送組態(tài)連接茶葉揉捻機自動化改造28 軟件編譯環(huán)境編程語言用于S7-300和S7-400的編程語言梯形邏輯圖（La

63、dder Logic）、語句表（Statement List）和功能塊圖（Function Block Diagram）都集成在一個標準軟件包中。 梯形邏輯圖（或LAD）是STEP 7編程語言的圖形表達方式。它的指令語法與一個繼電器的梯形邏輯圖相似：當電信號通過各個觸點、復合元件以及輸出線圈時，使用梯形圖，可以追蹤電信號在電源示意線之間的流動。 語句表（或STL）是STEP 7編程語言的文本表達方式，與機器碼相似。如果一個程序是用語句表編寫的，CPU執(zhí)行程序時則按每一條指令一步一步地執(zhí)行。為使編程更容易，語句表已進行擴展，還包括一些高層語言結構（例如，結構數(shù)據(jù)的訪問和塊參數(shù)）。 功能塊圖（FB

64、D）是STEP 7編程語言的圖形表達方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達邏輯。復合功能（如數(shù)學功能）可用邏輯框相連直接表達。其它編程語言作為可選軟件包使用。本系統(tǒng) PLC 程序的編寫是采用梯形圖(LAD)語言，整個程序直觀、可讀性強。安裝要求 操作系統(tǒng)：Windows 2000或Windows XP，Windows Server 2003。茶葉揉捻機自動化改造29 基本硬件：編程器或PC：- 奔騰處理器（600 MHz）- RAM：至少256 MB- Microsoft Windows 支持的彩色顯示器、鍵盤和鼠標編程器（PG）是專門為在工業(yè)環(huán)境中使用而設計的緊湊型個人計算機。它安裝了用于

65、SIMATIC可編程序邏輯控制器編程時所需的一切。 MPI接口（可選）：如果用戶需要使用STEP 7與PLC進行通訊，則在PG或PC與PLC之間可使用多點接口（MPI）。因此，用戶需要： 一個PC USB 適配器連接到設備的通訊口 在計算機中安裝MPI模塊(例如CP 5611)PG中已經(jīng)裝有MPI接口。 外部編程設備（可選）：如果用戶希望在PC上向EPROM中存儲程序，則還需要一個外部編程設備。4.2.2 PLC 程序的設計：茶葉揉捻控制系統(tǒng)對 2 路壓力信號進行實時監(jiān)控，并對步進電機、變頻電機進行控制，以及各種限位信號的輸入。茶葉揉捻控制PLC 系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，其應用程序由主程序、

66、中斷服務程序和一些功能模塊子程序組成。整個揉捻過程程序結構原理下圖所示:主程序手動控制自動控制電機控制時間設置步進電機手動塊主電機手動塊電機自動塊步進電機控制變頻器控制數(shù)據(jù)采集與顯示變頻器速度信號采集傳感器信號采集揉捻機運行階段信號顯示茶葉揉捻機自動化改造304.2.34.2.3 寄存器地址的分配：寄存器地址的分配：S7-300 PLC 的用于存放工作數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)空間稱為數(shù)據(jù)存儲器，它包括變量存儲器(V)、輸入映像寄存器(I)、輸出映像寄存器(Q)、內(nèi)部標志位存儲器(M)、特殊標志位存儲器(SM)。所有數(shù)據(jù)存儲器均能以位、字節(jié)(B)、字(W),雙字(DW)存取。PLC 中變量存儲器分為兩個部分，分別為 HMI參數(shù)存儲區(qū)、程序變量存儲區(qū)。4.2.3.14.2.3.1 揉捻工藝設定參數(shù)揉捻工藝設定參數(shù)：揉捻工藝設定參數(shù)主要包括三個揉捻過程的工藝設定參數(shù)，包括揉捻壓力、揉捻時間以及電機轉(zhuǎn)速。該部分的變量由上位機傳輸給 PLC 或由 HMI 設定。具體參數(shù)下表所示：茶葉揉捻機自動化改造31 HMI 中工藝參數(shù)變量表4.2.44.2.4 PLCPLC 程序設計程序設計：茶葉揉捻控制系統(tǒng)對 2 路壓