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茶葉揉捻機(jī)自動化改造網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院專 科 生 畢 業(yè) 大 作 業(yè)題 目： 茶葉揉捻機(jī)自動化改造 學(xué)習(xí)中心： 大連學(xué)習(xí)中心 層 次： 高中起點(diǎn)?？? 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化 年 級： 10 年 春季 學(xué) 號： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2012 年 1 月 1 日 IIII內(nèi)容摘要本課題主要研究茶葉揉捻機(jī)的自動化改造，實(shí)現(xiàn) 6CR-55 型茶葉揉捻機(jī)的工作壓力、時(shí)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(shè)計(jì)和開發(fā)。首先分析了茶葉揉捻原理，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(shè)計(jì)方案?？傮w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(gè)子系統(tǒng)。其次，通過計(jì)算分析，分別對其進(jìn)行了硬件選擇和連接。最后，對該系統(tǒng)的上位機(jī)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要是利用 WINCC Flexible 解決了人機(jī)界面的問題，在下位機(jī) 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(jìn)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(guān)鍵詞：茶葉揉捻機(jī)、自動控制、PLC、人機(jī)界面、WINCC Flexible茶葉揉捻機(jī)自動化改造III目 錄第一章 茶葉加工的工序及發(fā)展 .11.1 茶葉加工的主要工序 11.2 國內(nèi)外茶葉加工技術(shù)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(shè)備 32.3 揉捻機(jī)自動控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 5第三章 茶葉揉捻機(jī)自動控制系統(tǒng)的硬件概況 .6第四章 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .74.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 74.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) .264.3 WinCC flexible 與 STEP 7 的集成 43參考文獻(xiàn) .44致謝 .45茶葉揉捻機(jī)自動化改造引言中國是茶葉的原產(chǎn)國，中國人對茶葉的應(yīng)用，至少可追溯到四千年以前,20世紀(jì) 50 年代以來，尤其是進(jìn)入 80 年代以來，我國的茶葉加工技術(shù)快速向著機(jī)械方向發(fā)展，各茶類的制茶機(jī)械相繼研制與開發(fā)成功，并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。到目前為此，我國的大宗茶己有 90%實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化加工，名優(yōu)茶也有 50%以上的加工實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。揉捻機(jī)自動化改造是要實(shí)現(xiàn) 6CR-55 型茶葉揉捻機(jī)的工作壓力、時(shí)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(shè)計(jì)和開發(fā)。整個(gè)茶葉揉捻系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。在上位機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)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(jìn)國際先農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)，每年實(shí)施一批項(xiàng)目。引進(jìn)技術(shù)所需用于消化、吸收和推廣的經(jīng)，中央單位承擔(dān)的項(xiàng)目由中央財(cái)政解決，地方單位承擔(dān)的項(xiàng)目由地方財(cái)政配套。就是 948 項(xiàng)目。最近，國務(wù)院再次決定，在“十二五”期間，中央財(cái)政每年投資 2 億元，繼續(xù)執(zhí)行“948”計(jì)劃。由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所承擔(dān)的農(nóng)業(yè)部948 滾動項(xiàng)目《茶葉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)鍵技術(shù)引進(jìn)、消化與創(chuàng)新研究》于 2006 年正式啟動。該項(xiàng)目稱:“我國的茶加工技術(shù)水平與裝備多年以來沒有重大改進(jìn)，總體上還處于傳統(tǒng)農(nóng)副產(chǎn)品初級工，加工的機(jī)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(yàn)和常規(guī)審評與理化檢驗(yàn)來保證，與全程清潔化生產(chǎn)、機(jī)械化加工和自動化控制的世界進(jìn)水平差距甚遠(yuǎn)。針對我國不同茶葉生產(chǎn)過程的特色和上述主要問題，引進(jìn)一世界先進(jìn)水平的種植和加工技術(shù)、理念、設(shè)備和裝置等，在消化吸收的基礎(chǔ)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(shù)成果，力求改善加工設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化加工工藝參數(shù)，研制出茶葉加工關(guān)鍵設(shè)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(xiàng)目的一部分，其技術(shù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)6CR 一 55 型茶葉揉捻機(jī)的作壓力、時(shí)間、轉(zhuǎn)速和上、下葉的自動控制。茶葉揉捻機(jī)自動化改造1第一章 茶葉加工的工序及發(fā)展1.1 茶葉加工的主要工序茶樹收獲所采下的是鮮葉，如不及時(shí)加工，就會因變質(zhì)而失去應(yīng)用價(jià)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(jìn)的科學(xué)技術(shù)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(fèi)需求，也為茶業(yè)企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)代科學(xué)的不斷發(fā)展，近年來茶葉的加工技術(shù)日趨先進(jìn)，特別是機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)與自動控制、酶膜工程和現(xiàn)代保鮮等高新技術(shù)在茶葉加工中的普遍應(yīng)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(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀茶葉原產(chǎn)于中國，后逐步傳播于世界，當(dāng)前世界上有 50 多個(gè)國家種茶和產(chǎn)茶，160 多個(gè)國家飲茶。它們的種茶和茶葉加工技術(shù)以及飲茶習(xí)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(shù)就由我國傳到日本，綠茶蒸青加工技術(shù)也同時(shí)傳去，被日本人一致延用至今，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)完善，研制出一整套蒸青煎茶加工技術(shù)，還實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化的生產(chǎn)線加工。19世紀(jì)上半葉，中國茶樹種植和條形紅茶加工技術(shù)先后傳到印度尼西亞、印度、斯里蘭卡和蘇聯(lián)(今獨(dú)聯(lián)體諸國)。這些國家在茶樹種植初期均應(yīng)用從我國傳去的技術(shù)和方法，進(jìn)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(shù)。在此基礎(chǔ)上，這些種茶國家經(jīng)過不斷的實(shí)踐和研究，尤其是通過對機(jī)制茶葉的開發(fā)(如揉捻機(jī)和烘干機(jī)等茶葉加工機(jī)械的發(fā)明)，至19 世紀(jì)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(shí)容易溶出，在茶湯中加入牛乳后風(fēng)味和湯色不會變淡，很適合西方人的飲用習(xí)慣，很快風(fēng)行世界。紅碎茶自出現(xiàn)以來，經(jīng)歷了盤式揉切機(jī)、轉(zhuǎn)子揉切機(jī)和 CTC 等階段的揉切技術(shù)改進(jìn)，品質(zhì)更為優(yōu)異。20 世紀(jì)中后期，茶樹種植和紅碎茶加工技術(shù)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(jìn)的 CTC 加工技術(shù)，茶廠及其生產(chǎn)線設(shè)計(jì)尤為先進(jìn)，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(yù)。22我國制茶機(jī)械化作業(yè)技術(shù)雖然取得了長足的發(fā)展，但制茶機(jī)械的自動化和連續(xù)化程度仍然較低， ，與食品工業(yè)的機(jī)械化相比卻存在著較大的差距。食品工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程大體要經(jīng)歷五個(gè)階段，即機(jī)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(shù)已處于第四階段，國外茶葉加工己進(jìn)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(shù)總體上仍處于第一階段，個(gè)別單機(jī)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(jìn)國際先農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)，每年實(shí)施一批項(xiàng)目。引進(jìn)技術(shù)所需用于消化、吸收和推廣的經(jīng)，中央單位承擔(dān)的項(xiàng)目由中央財(cái)政解決，地方單位承擔(dān)的項(xiàng)目由地方財(cái)政配套。就是 948 項(xiàng)目。最近，國務(wù)院再次決定，在“十二五”期間，中央財(cái)政每年投資 2 億元，繼續(xù)執(zhí)行“948”計(jì)劃。由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所承擔(dān)的農(nóng)業(yè)部948 滾動項(xiàng)目《茶葉標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)鍵技術(shù)引進(jìn)、消化與創(chuàng)新研究》于 2006 年正式啟動。該項(xiàng)目稱:“我國的茶加工技術(shù)水平與裝備多年以來沒有重大改進(jìn)，總體上還處于傳統(tǒng)農(nóng)副產(chǎn)品初級工，加工的機(jī)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(yàn)和常規(guī)審評與理化檢驗(yàn)來保證，與全程清潔化生產(chǎn)、機(jī)械化加工和自動化控制的世界進(jìn)水平差距甚遠(yuǎn)。針對我國不同茶葉生產(chǎn)過程的特色和上述主要問題，引進(jìn)一世界先進(jìn)水平的種植和加工技術(shù)、理念、設(shè)備和裝置等，在消化吸收的基礎(chǔ)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(shù)成果，力求改善加工設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化加工工藝參數(shù)，研制出茶葉加工關(guān)鍵設(shè)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(xiàng)目的一部分，其技術(shù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)6CR 一 55 型茶葉揉捻機(jī)的作壓力、時(shí)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(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定出相應(yīng)的茶葉揉捻機(jī)動控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案；茶葉揉捻機(jī)自動化改造32.上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要是人機(jī)界面的設(shè)計(jì)；3.下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),主要是數(shù)據(jù)的采集與顯示模塊。44第二章 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(yùn)用搓揉方法破壞茶葉的組織細(xì)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，如果用力不當(dāng)，也不能成條。2.2 茶葉揉捻設(shè)備茶葉揉捻機(jī)(tea twisting machine)是由揉桶與揉盤作相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動而將茶葉搓揉成條、擠出茶汁的機(jī)械。我國生產(chǎn)的茶葉揉捻機(jī)是茶機(jī)工業(yè)中較為成熟的機(jī)種之一，也是第一個(gè)頒布部標(biāo)準(zhǔn)的茶機(jī)機(jī)種。第六代茶葉揉捻機(jī)產(chǎn)品系列統(tǒng)一標(biāo)注為“6CR”字樣，“6”代表第六代，“C”是“茶”字拼音第一個(gè)字母大寫，“R”是“揉”字拼音第一個(gè)字母大寫。2.2.1 茶葉揉捻機(jī)的分類1.按運(yùn)動形式可分為:(1)單動式茶葉揉捻機(jī):揉桶作回轉(zhuǎn)運(yùn)動、揉盤不動。(2)雙動式茶葉揉捻機(jī):揉桶與揉盤均作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。2.按揉盤樣式可分為:(1)盤式(2)平板履帶式(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(jī)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2.2.2 6CR-55 型盤式茶葉揉捻機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表 2 一 1 CR-55 型揉捻機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目 單位 6CR_55外徑 X 高度 Mm φ540X385揉桶容葉量 Kg/桶 30~35加壓形式 絲桿式加壓轉(zhuǎn)速 R/min 50±1臺時(shí)產(chǎn)量 Kg/h 100~140功率 Kw 2.2電機(jī)電壓 V 220外形（長 X 寬 X 高） Mm 1500X1500X14002.3 揉捻機(jī)自動控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本著操作簡便，安全可靠，生產(chǎn)效率高的目標(biāo)，茶葉揉捻機(jī)控制部分應(yīng)達(dá)到以下工作要求。打開電源后，首先進(jìn)行觸摸屏操作，輸入工作組、用戶名與密碼，驗(yàn)證無誤后，才能進(jìn)入茶葉揉捻機(jī)的控制系統(tǒng)，然后或更改生產(chǎn)參數(shù)，或進(jìn)入監(jiān)視界面。按下開始按鈕，茶葉揉捻機(jī)會進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)，隨后進(jìn)入初始化狀態(tài)，再進(jìn)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(jìn)行揉捻。揉捻結(jié)束后，出茶門自動打開，等待下茶。按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)會自動返回初始狀態(tài)。如果在揉捻過程當(dāng)中，系統(tǒng)檢測到異常現(xiàn)象，系統(tǒng)會報(bào)警。在揉捻過程當(dāng)中，允許隨時(shí)暫停操作，并在轉(zhuǎn)換到繼續(xù)時(shí)，恢復(fù)所有數(shù)據(jù)。運(yùn)行當(dāng)中的重要數(shù)據(jù)，在停電后能夠得到保持，恢復(fù)供電后，也能繼續(xù)工作。在遇到非常嚴(yán)66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(fù)位按鈕，系統(tǒng)就可以恢復(fù)到初始狀態(tài)。如果在運(yùn)行當(dāng)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(jìn)行手動操作。在遇到較大的故障后，系統(tǒng)仍然可以進(jìn)行手動揉捻、壓蓋手動升降、出茶門手動開關(guān)、手動復(fù)位等日常操作。2.3.1 揉桶轉(zhuǎn)速控制：原 6CR-55 型茶葉揉捻機(jī)有一齒輪減速機(jī)構(gòu)，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(xì)程度。轉(zhuǎn)速的控制由交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。變頻調(diào)速技術(shù)是目前世界上技術(shù)先進(jìn)、使用成熟、性能可靠的調(diào)速方式，它實(shí)現(xiàn)了電機(jī)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(jī)中輸入的參數(shù)。2.3.2 壓力控制：壓力控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)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(gè)開環(huán)控制。把加壓型式由 55 型的雙滑柱加壓改為 40-45 型的單滑柱絲桿浮動加壓?；且桓锌盏匿摴?，對著壓蓋的一側(cè)，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(gè)手輪，用來轉(zhuǎn)動絲桿?，F(xiàn)在，在手輪的位置上裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，改手輪轉(zhuǎn)動為步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)動。再在滑柱的頂部和根部分別裝上一個(gè)行程開關(guān)控制加壓臂的上下限和進(jìn)行加壓臂定位。2.3.3 揉捻過程控制：過程控制其實(shí)就是時(shí)間控制。可以把揉捻加工分為“輕一重一輕”三過程，也可以分為“輕一重一較重一輕”四過程，還可以制定別的工藝階段?？傊?，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(shí)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(shí)間參數(shù)輸入上位機(jī)中，再由上位機(jī)傳輸給 PLC, PLC 根據(jù)輸入的時(shí)間參數(shù)控制主電機(jī)和壓力系統(tǒng)的運(yùn)行。PLC 步進(jìn)電機(jī) 控制對象茶葉揉捻機(jī)自動化改造72.3.4 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(jī)揉盤的底部安裝著一根長銷，揉捻時(shí)用來鎖緊出茶門，以免跑茶。下茶時(shí)，拔開鎖緊銷，出茶門在重力作用下下垂，出茶門打開。關(guān)門時(shí)，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(jī)械結(jié)構(gòu)中就存在。88第三章 茶葉揉捻機(jī)自動控制系統(tǒng)的硬件概況茶葉揉捻機(jī)自動控制系統(tǒng)的硬件主要由上位機(jī)、下位機(jī)和調(diào)速控制、壓力控制、上下葉控制以及顯示四個(gè)子系統(tǒng)組成。整個(gè)硬件系統(tǒng)的框架下圖所示，上位機(jī)是一臺 PC，和觸摸屏組成一體機(jī);下位機(jī)是一個(gè)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(jī)是原有的;壓力控制系統(tǒng)由壓力傳感器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及兩個(gè)行程開關(guān)組成;上下葉控制由電磁閥、氣缸、接近開關(guān)以及限位開關(guān)組成，其中限位開關(guān)有四個(gè);顯示系統(tǒng)是一個(gè)西門子觸摸屏。PLC變頻器異步電機(jī)指示燈 HMI行程開關(guān) 驅(qū)動器 壓力傳感器步進(jìn)電機(jī)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(jī)自動化改造9第四章 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)整個(gè)茶葉揉捻系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件指的是計(jì)算機(jī)上應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，是利用 WINCC Flexible 開發(fā)的用戶應(yīng)用軟件，主要實(shí)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(shè)定和系統(tǒng)控制;下位機(jī)軟件指的是 S7-300 PLC 程序的開發(fā)，是利用 STEP7 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)揉捻過程的自動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算以及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)開發(fā)。4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)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(jié)構(gòu)技術(shù)。主要劃分成以下三個(gè)層次:用戶界面層、數(shù)據(jù)庫層和應(yīng)用服務(wù)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(jī)軟件程序的開發(fā),主要研究人機(jī)界面4.1.1 人機(jī)界面概述：人與機(jī)之間存在一個(gè)相互作用的“面” ，所有的人機(jī)信息交流都發(fā)生在這個(gè)作用面上，通常稱為人機(jī)界面。人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行交互的操作方式，即用戶與機(jī)器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。茶葉揉捻自動控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均可以通過人機(jī)界面來進(jìn)行操作與實(shí)現(xiàn)。人機(jī)界面（Human-Computer Interface,簡寫 HCI，又稱用戶界面或使用者界面）：是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱界面所說人機(jī)結(jié)合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機(jī)器的硬接觸和軟觸，此結(jié)合面不僅包括點(diǎn)線面的直接接觸，還包括遠(yuǎn)距離的信息傳遞與控制的作用空間。 人機(jī)結(jié)合面是人機(jī)系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學(xué)的分支學(xué)科安全人機(jī)工程學(xué)去研究和提出解決的依據(jù)，并過安全工程設(shè)備工程學(xué)，安全管理工程學(xué)以及安全系統(tǒng)工程學(xué)去研究具體的解決方法手段措施安全人機(jī)學(xué)。它實(shí)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(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面?，F(xiàn)在大量運(yùn)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(jìn)行機(jī)械或設(shè)備的操作，如把手、開關(guān)、門、指令(命令)的下達(dá)或保養(yǎng)維護(hù)等，而輸出1010指的是由機(jī)械或設(shè)備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機(jī)接口會幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機(jī)械，也能使機(jī)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(jī)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(jī)界面可能有特定的定義和分類，比如工業(yè)人機(jī)界面(Industrial Human-machine Interface 或簡稱 Industrial HMI)，具體解釋可查看“工業(yè)人機(jī)界面”詞條。 人機(jī)交互（Human-Computer Interaction, 簡寫 HCI）：是研究關(guān)于設(shè)計(jì)、評價(jià)和實(shí)現(xiàn)供人們使用的交互計(jì)算系統(tǒng)以及有關(guān)這些現(xiàn)象進(jìn)行研究的科學(xué)。 人機(jī)交互與人機(jī)界面是兩個(gè)有著緊密聯(lián)系而又不盡相同的概念。人機(jī)交互與人機(jī)界面的關(guān)系如下：人機(jī)交互是指人與機(jī)器的交互，本質(zhì)上是人與計(jì)算機(jī)的交互?；蛘邚母鼜V泛的角度理解：人機(jī)交互是指人與含有計(jì)算機(jī)的機(jī)器的交互。具體來說，人機(jī)交互用戶與含有計(jì)算機(jī)機(jī)器之間的雙向通信，以一定的符號和液晶屏被用作人機(jī)界面顯示器動作來實(shí)現(xiàn)，如擊鍵，移動鼠標(biāo)，顯示屏幕上的符號/圖形等。這個(gè)過程包括幾個(gè)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(yīng)與反饋等；而人機(jī)界面是指用戶與含有計(jì)算機(jī)的機(jī)器系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，是人機(jī)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(guān)的支持軟件和硬件，如帶有鼠標(biāo)的圖形顯示終端等。 交 互 是 人 與 機(jī) -環(huán) 境 作 用 關(guān) 系 /狀 況 的 一 種 描 述 。 界 面 是 人 與 機(jī) -環(huán) 境發(fā) 生 交 互 關(guān) 系 的 具 體 表 達(dá) 形 式 。 交 互 是 實(shí) 現(xiàn) 信 息 傳 達(dá) 的 情 境 刻 畫 ， 而 界 面 是實(shí) 現(xiàn) 交 互 的 手 段 。 在 交互設(shè)計(jì)子 系 統(tǒng) 中 ， 交 互 是 內(nèi) 容 /靈 魂 ， 界 面 是 形 式 /肉 體 ； 然 而 在 大 的 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 中 ， 交 互 和 界 面 ， 都 只 是 解 決 人 機(jī) 關(guān) 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(shè) 計(jì) 是 從 屬 于 產(chǎn) 品 系 統(tǒng) 的 ， 是 對 成 功 的 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) 的 一 種 強(qiáng) 有 力 的 支持 與 完 善 。 如 果 利 用 系 統(tǒng) 論 的 觀 點(diǎn) ， 交 互 設(shè) 計(jì) 是 從 屬 于 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 的 子 系 統(tǒng) 。4.1.2 人機(jī)界面產(chǎn)品基本常識4.1.2.1 人 機(jī) 界 面 產(chǎn) 品 的 定 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(shè) 備 ， 利 用 顯 示 屏 顯 示 ， 通 過 輸 入 單 元 （ 如 觸 摸屏 、 鍵 盤 、 鼠 標(biāo) 等 ） 寫 入 工 作 參 數(shù) 或 輸 入 操 作 命 令 ， 實(shí) 現(xiàn) 人 與 機(jī) 器 信 息 交 互茶葉揉捻機(jī)自動化改造11的 數(shù) 字 設(shè) 備 ,由 硬 件 和 軟 件 兩 部 分 組 成 。 HMI 為 英 文 Human-Machine Interface 的 縮 寫 。4.1.2.2 人 機(jī) 界 面 （ HMI） 產(chǎn) 品 的 組 成 及 工 作 原 理 ： 人 機(jī) 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(yùn) 行 于 HMI 硬 件 中 的 系 統(tǒng) 軟件 和 運(yùn) 行 于 PC 機(jī) Windows 操 作 系 統(tǒng) 下 的 畫 面 組 態(tài) 軟 件 （ 如 JB－ HMI 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(jī) 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(yùn) 行 。 4.1.2.3 人 機(jī) 界 面 產(chǎn) 品 的 基 本 功 能 及 選 型 指 標(biāo) （ 1） 基 本 功 能 ： （ 2） 設(shè) 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(shè) 備 生 產(chǎn) 數(shù) 據(jù) 記 錄 ； （ 5） 簡 單 的 邏 輯 和 數(shù) 值 運(yùn) 算 ； （ 6） 可 連 接 多 種 工 業(yè) 控 制 設(shè) 備 組 網(wǎng) 。 （ 7） 選 型 指 標(biāo) ： （ 8） 顯 示 屏 尺 寸 及 色 彩 ， 分 辨 率 ； （ 9） HMI 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(biāo) 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 。 4.1.2.4 人 機(jī) 界 面 產(chǎn) 品 分 類 (1)薄 膜 鍵 輸 入 的 HMI， 顯 示 尺 寸 小 于 5.7ˊ ， 畫 面 組 態(tài) 軟 件 免 費(fèi) ， 屬 初級 產(chǎn) 品 。 如 POP－ HMI 小 型 人 機(jī) 界 面 ； (2)觸 摸 屏 輸 入 的 HMI， 顯 示 屏 尺 寸 為 5.7ˊ ～ 12.1ˊ ， 畫 面 組 態(tài) 軟 件免 費(fèi) ， 屬 中 級 產(chǎn) 品 ； 1212(3)基 于 平 板 PC 計(jì) 算 機(jī) 的 、 多 種 通 訊 口 的 、 高 性 能 HMI， 顯 示 尺 寸 大 于10.4ˊ ， 畫 面 組 態(tài) 軟 件 收 費(fèi) ， 屬 高 端 產(chǎn) 品 。 4.1.2.5 人 機(jī) 界 面 的 使 用 方 法 (1)明 確 監(jiān) 控 任 務(wù) 要 求 ， 選 擇 適 合 的 HMI 產(chǎn) 品 ； (2)在 PC 機(jī) 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(jī) 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(shí) 現(xiàn) 人 機(jī) 交 互 。4.1.3 人機(jī)界面品牌分類1、 EVIEW EVIEW 人 機(jī) 產(chǎn) 品 是 中 國 最 早 最 專 業(yè) 的 工 業(yè) 級 人 機(jī) 界 面 品 牌 之 一 ， 自2002 年 進(jìn) 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(jià) 格得 到 了 市 場 的 最 大 認(rèn) 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(quán) 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(jī) 界 面 品 牌 ”第 一 名 、 年 度“最 佳 人 機(jī) 界 面 產(chǎn) 品 ”獎 。 2、 臺 灣 威 綸 “WEINVIEW”品 牌 人 機(jī) 界 面 （ 觸 摸 屏 ） 。 WEINVIEW 人 機(jī) 產(chǎn) 品 在 行 業(yè) 內(nèi) 率 先 采 用 符 合 先 進(jìn) 環(huán) 保 標(biāo) 準(zhǔn) 的 無 鉛 零 件 和 制造 工 藝 ， 用 實(shí) 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(lǐng) 先 。4.1.4 人機(jī)界面發(fā)展概述:1.人機(jī)界面領(lǐng)域的形成：從計(jì)算機(jī)問世以來，早期用戶是以計(jì)算機(jī)專業(yè)人員為主，但隨著計(jì)算機(jī)廣泛進(jìn)入人們的工作生活領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)用戶發(fā)生了改變，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的普通用戶成了用戶的主體。這一重大轉(zhuǎn)變使計(jì)算機(jī)的可用性問題變得日益突出起來。人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)是什么樣的？如何去建造這樣的界面？人們開始關(guān)注和研究這些問題。這些問題既涉及人也涉及計(jì)算機(jī)及一些相關(guān)的學(xué)科，如：心理學(xué)、人的因素學(xué)（Human Factors） 、社會學(xué)、語言學(xué)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，從而帶來了不同的理論方法。八十年代以來，人機(jī)界面的研究有了前所未有的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的迅速普及對此起了重要的推動作用。2.研究人機(jī)界面的各種理論和方法茶葉揉捻機(jī)自動化改造13(1)分析與評價(jià)技術(shù):用于分析、評價(jià)用戶界面有效性的理論和經(jīng)驗(yàn)方法，如任務(wù)分析、話語分析、內(nèi)容分析及可用性評價(jià)等。(2)設(shè)計(jì)方法論:用來產(chǎn)生好的用戶界面設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，如：軟件心理學(xué)、環(huán)境因素設(shè)計(jì)法、多方參與設(shè)計(jì)法以及支持設(shè)計(jì)過程的工具和標(biāo)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(shè)計(jì)輔助工具等。(4)交互方式與設(shè)備:新的輸入／輸出設(shè)備和設(shè)備運(yùn)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(guān)鍵用戶界面成分：如用戶界面隱喻（metaphor） 、用戶界面風(fēng)格、智能界面技術(shù)、取消、超文本／超媒體以及聯(lián)機(jī)幫助。(6)用戶模型：包括用戶行為模型、關(guān)于系統(tǒng)的用戶內(nèi)心模型、用戶個(gè)體差異(7)特定應(yīng)用的用戶界面設(shè)計(jì)：滿足某類應(yīng)用問題對人機(jī)交互作用的特定限制條件和要求的用戶界面設(shè)計(jì)。如：虛擬現(xiàn)實(shí)、智能輔導(dǎo)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(jì)算機(jī)輔助協(xié)同工作（CSCW）：關(guān)于如何使用計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)等。 (9)法律與標(biāo)準(zhǔn)：關(guān)于用戶界面的專利和版權(quán)問題、用戶界面的標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(dāng)規(guī)模的相對對立的研究領(lǐng)域。4.1.5 人機(jī)界面的發(fā)展趨勢:隨著人機(jī)界面在計(jì)算機(jī)容量、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)以及新型輸入輸出設(shè)備方面的迅速發(fā)展，今后的人機(jī)界面將具有一些新的特點(diǎn)： (1）人與計(jì)算機(jī)的交互操作變得更接近于同現(xiàn)實(shí)世界的交互操作，為減輕人在交互作用上的認(rèn)識負(fù)擔(dān)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(jī)界面將越來越多地具有多模態(tài)高寬帶的特點(diǎn)。更多的人的感受表達(dá)模態(tài)將被用于和計(jì)算機(jī)的信息交流，甚至可以設(shè)想最重要把人的神經(jīng)細(xì)胞的直接觸發(fā)和測取作為交互的通道，為此同時(shí)輸入輸出設(shè)備之間的區(qū)別將變得越來越不明顯。(3)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尤其是 Internet 的普及使今后的計(jì)算機(jī)用戶具有更多的群體特點(diǎn)，從而對適應(yīng)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1414需求。人機(jī)界面設(shè)計(jì)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(dǎo)解釋交互和任務(wù)。總之，未來的人機(jī)界面設(shè)計(jì)對研究和設(shè)計(jì)者提出了多方面的挑戰(zhàn)。許多信息技術(shù)領(lǐng)域的公司企業(yè)，這些年紛紛對與用戶界面開發(fā)有關(guān)的專業(yè)人員提出要求，很多大學(xué)適應(yīng)這種要求，設(shè)立了相關(guān)的課題甚至專業(yè)。4.1.6 人機(jī)界面的總體設(shè)計(jì):狹義的人機(jī)界面指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)界面((Human-Computer Interface,HC1)，又稱人機(jī)接口、用戶界面(User Interface)，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最年輕的分支之一。人機(jī)界面是計(jì)算機(jī)科學(xué)與心理學(xué)、圖形藝術(shù)、認(rèn)知科學(xué)和人機(jī)工程學(xué)的交叉研究領(lǐng)域，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞和交換信息的媒介，是計(jì)算機(jī)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(xué)的迅速發(fā)展、新一代計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的推動，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人機(jī)界面設(shè)計(jì)和開發(fā)已成為國際計(jì)算機(jī)界最為活躍的研究方向。1、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則：人機(jī)界面設(shè)計(jì)的好壞與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有直接的關(guān)系，有些原則對幾乎所有良好的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)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、命令輸入、數(shù)據(jù)顯示和其他功能應(yīng)保持風(fēng)格的一致性。風(fēng)格一致的人機(jī)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(jiān)持要求用戶確認(rèn)，例如提問“你肯定……?”等，對大多數(shù)動作應(yīng)允許恢復(fù)(UNDO)，對用戶出錯(cuò)采取寬容的態(tài)度。原則 3:用戶界面應(yīng)能對用戶的決定做出及時(shí)的響應(yīng)，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(biāo)移動距離，避免使用戶產(chǎn)生無所適從的感覺。原則 4:人機(jī)界面應(yīng)該提供上下文敏感的求助系統(tǒng)，讓用戶及時(shí)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(guān)的信息，允許用戶對可視環(huán)境進(jìn)行維護(hù):如放大、縮小圖像;用窗口分隔不同種類的信息，只顯示有意義的出錯(cuò)信息，避免因數(shù)據(jù)過于費(fèi)解造成用)”煩惱。上述原則都是進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的最基本的原則，除此之外還有許茶葉揉捻機(jī)自動化改造15多設(shè)計(jì)原則應(yīng)當(dāng)考慮，比如如何正確的使用顏色等。4.1.7 人機(jī)界面設(shè)計(jì)的過程：人機(jī)界面的設(shè)計(jì)過程可分為以下幾個(gè)步驟： 1.創(chuàng) 建 系 統(tǒng) 功 能 的 外 部 模 型 設(shè) 計(jì) 模 型 主 要 是 考 慮 軟 件 的 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 、 總 體 結(jié) 構(gòu)和 過 程 性 描 述 ， 界 面 設(shè) 計(jì) 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(gè) 性 、 種 族 背 景 等 )有 所 了 解 ， 才 能 設(shè) 計(jì) 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(shè) 計(jì) 用 戶模 型 ， 最 終 使 之 與 系 統(tǒng) 實(shí) 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(shí) 要 充 分 考 慮 系統(tǒng) 假 想 給 出 的 信 息 ， 系 統(tǒng) 映 象 必 須 準(zhǔn) 確 地 反 映 系 統(tǒng) 的 語 法 和 語 義 信 息 。 總 之 ，只 有 了 解 用 戶 、 了 解 任 務(wù) 才 能 設(shè) 計(jì) 出 好 的 人 機(jī) 界 面 。 2.確 定 為 完 成 此 系 統(tǒng) 功 能 人 和 計(jì) 算 機(jī) 應(yīng) 分 別 完 成 的 任 務(wù) ： 任 務(wù) 分 析 有 兩 種途 徑 。 一 種 是 從 實(shí) 際 出 發(fā) ， 通 過 對 原 有 處 于 手 工 或 半 手 工 狀 態(tài) 下 的 應(yīng) 用 系 統(tǒng)的 剖 析 ， 將 其 映 射 為 在 人 機(jī) 界 面 上 執(zhí) 行 的 一 組 類 似 的 任 務(wù) ； 另 一 種 是 通 過 研究 系 統(tǒng) 的 需 求 規(guī) 格 說 明 ， 導(dǎo) 出 一 組 與 用 戶 模 型 和 系 統(tǒng) 假 想 相 協(xié) 調(diào) 的 用 戶 任 務(wù) 。逐 步 求 精 和 面 向 對 象 分 析 等 技 術(shù) 同 樣 適 用 于 任 務(wù) 分 析 。 逐 步 求 精 技 術(shù) 可 把任 務(wù) 不 斷 劃 分 為 子 任 務(wù) ， 直 至 對 每 個(gè) 任 務(wù) 的 要 求 都 十 分 清 楚 ； 而 采 用 面 向 對象 分 析 技 術(shù) 可 識 別 出 與 應(yīng) 用 有 關(guān) 的 所 有 客 觀 的 對 象 以 及 與 對 象 關(guān) 聯(lián) 的 動 作 。 3.考 慮 界 面 設(shè) 計(jì) 中 的 典 型 問 題 ： 設(shè) 計(jì) 任 何 一 個(gè) 機(jī) 界 面 ， 一 般 必 須 考 慮 系 統(tǒng) 響應(yīng) 時(shí) 間 、 用 戶 求 助 機(jī) 制 、 錯(cuò) 誤 信 息 處 理 和 命 令 方 式 四 個(gè) 方 面 。 系 統(tǒng) 響 應(yīng) 時(shí) 間過 長 是 交 互 式 系 統(tǒng) 中 用 戶 抱 怨 最 多 的 問 題 ， 除 了 響 應(yīng) 時(shí) 間 的 絕 對 長 短 外 ， 用戶 對 不 同 命 令 在 響 應(yīng) 時(shí) 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(jī) 制 宜 采 用 集 成 式 ， 避 免 疊 加 式 系 統(tǒng) 導(dǎo) 致 用 戶 求 助 某 項(xiàng) 指 南 而 不 得不 瀏 覽 大 量 無 關(guān) 信 息 ； 錯(cuò) 誤 和 警 告 信 息 必 須 選 用 用 戶 明 了 、 含 義 準(zhǔn) 確 的 術(shù) 語描 述 ， 同 時(shí) 還 應(yīng) 盡 可 能 提 供 一 些 有 關(guān) 錯(cuò) 誤 恢 復(fù) 的 建 議 。 此 外 ， 顯 示 出 錯(cuò) 信 息時(shí) ， 若 再 輔 以 聽 覺 (鈴 聲 )、 視 覺 (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(gòu) 造 界 面 原 型 ， 并 真 正 實(shí) 現(xiàn) 設(shè) 計(jì) 模 型 軟 件 模 型 一 旦 確 定 ，即 可 構(gòu) 造 一 個(gè) 軟 件 原 形 ， 此 時(shí) 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)1616(Userinterfacedevelopmentsystems)提 供 的 現(xiàn) 成 的 模 塊 或 對 象 創(chuàng) 建 各 種 界面 基 本 成 分 的 工 作 。4.1.8 人機(jī)界面設(shè)計(jì)的評價(jià)：怎樣評價(jià)一個(gè)人機(jī)界面設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一般地，評價(jià)可以從以下幾個(gè)主要方面進(jìn)行考慮：(1)用戶對人機(jī)界面的滿意程度；(2)人機(jī)界面的標(biāo)準(zhǔn)化程度；(3)人機(jī)界面的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性；(4)人機(jī)界面的應(yīng)用條件；(5)人機(jī)界面的性能價(jià)格比。目前人們習(xí)慣于用“界面友好性”這一抽象概念來評價(jià)一個(gè)人機(jī)界面的好壞，但“但面友好”與“界面不友好”恐怕無人能定一個(gè)確切的界線，一般認(rèn)為一個(gè)友好的人機(jī)界應(yīng)該至少具備以下特征：(1)操作簡單，易學(xué)，易掌握；(2)界面美觀，操作舒適；(3)快速反應(yīng)，響應(yīng)合理；(4)用語通俗，語義一致。需指出，一個(gè)用戶界面設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣，最終還得由用戶來判定，因?yàn)檐浖枪┯脩羰褂玫?，軟件的使用者才是最有發(fā)言權(quán)的人。4.1.9 SIMATIC HMI 介紹：在工藝過程日趨復(fù)雜、對機(jī)器和設(shè)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(guān)重要。 人機(jī)界面(HMI)提供了這種透明性。HMI 是人(操作員)與過程(機(jī)器/設(shè)備)之間的接口。PLC 是控制過程的實(shí)際單元。 因此，在操作員和 WinCC flexible（位于 HMI 設(shè)備端）之間以及 WinCC flexible 和 PLC 之間均存在一個(gè)接口。 HMI 系統(tǒng)承擔(dān)下列任務(wù)：4.1.9.1過程可視化：過程顯示在HMI 設(shè)備上。 HMI 設(shè)備上的畫面可根據(jù)過程變化動態(tài)更新。 這基于過程的變化。4.1.9.2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(yù)置控件的參考數(shù)值或者啟動電機(jī)。4.1.9.3顯示報(bào)警：過程的臨界狀態(tài)會自動觸發(fā)報(bào)警，例如，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)。4.1.9.4歸檔過程值和報(bào)警：HMI 系統(tǒng)可以記錄報(bào)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)。4.1.9.5過程值和報(bào)警記錄：HMI 系統(tǒng)可以輸出報(bào)警和過程值報(bào)表。 例如，您可以在某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)。4.1.9.6過程和設(shè)備的參數(shù)管理：HMI 系統(tǒng)可以將過程和設(shè)備的參數(shù)存儲在配方茶葉揉捻機(jī)自動化改造17中。 例如，可以一次性將這些參數(shù)從HMI 設(shè)備下載到PLC，以便改變產(chǎn)品版本進(jìn)行生產(chǎn)。SIMATIC HMI 提供了一個(gè)全集成的單源系統(tǒng)，用于各種形式的操作員監(jiān)控任務(wù)。 使用SIMATIC HMI，您可以始終控制過程并使機(jī)器和設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。用于設(shè)備級的小型觸摸面板是簡單SIMATIC HMI 系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)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(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)。4.1.10SIMATIC WinCC flexible 的集成：WinCC flexible 是一種前瞻性的面向機(jī)器的自動化概念的 HMI 軟件，它具有舒適而高效的設(shè)計(jì)。 WinCC flexible 綜合了下列優(yōu)點(diǎn)：(1)直接的處理方式(2)透明性(3)靈活性4.1.11 WinCC flexible 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(dāng)鼠標(biāo)指針移動到一個(gè)功能上時(shí)，將出現(xiàn)工具提示。 （2）工作區(qū) 在工作區(qū)域中編輯項(xiàng)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1818滿足個(gè)人需要。 （3）項(xiàng)目視圖 項(xiàng)目中所有可用的組成部分和編輯器在項(xiàng)目視圖中以樹型結(jié)構(gòu)顯示。 作為每個(gè)編輯器的子元素，可以使用文件夾以結(jié)構(gòu)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(biāo)。 在項(xiàng)目窗口中，您可以訪問 HMI 設(shè)備的設(shè)置、語言設(shè)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項(xiàng)，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(fù)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(xiàng)目測試運(yùn)行中所生成的系統(tǒng)報(bào)警。 （7）對象視圖 “對象視圖”顯示“項(xiàng)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(wù)的軟件。WinCC flexible 運(yùn)行系統(tǒng)是用于過程可視化的軟件。 在運(yùn)行系統(tǒng)中，您可以在過程模式下執(zhí)行項(xiàng)目。WinCC flexible 選件可以擴(kuò)展WinCC flexible 的標(biāo)準(zhǔn)功能。每個(gè)選件需要一個(gè)單獨(dú)的許可證，WinCC flexible 是用于所有組態(tài)任務(wù)的工程系統(tǒng)。 WinCC flexible 采用模塊化的設(shè)計(jì)。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(gòu)建通訊鏈接。使用模塊的鏈接信息和 HMI 部分，可自動生成 WinCC flexible 的可視化基礎(chǔ)。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(jī)自動化改造19(1) 依賴于目標(biāo)系統(tǒng)的組態(tài)在組態(tài)期間，只顯示所選目標(biāo)系統(tǒng)支持的功能。(2)獨(dú)立于所用PLC 的工程如果您要在多個(gè)或不同的目標(biāo)系統(tǒng)中使用一個(gè)項(xiàng)目，只需在項(xiàng)目中切換HMI 設(shè)備。 對于所選HMI 設(shè)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(yīng)用于整個(gè)項(xiàng)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(gè)動作，使其包含多個(gè)具有相同值或按時(shí)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(gè)畫面體系。 自動創(chuàng)建畫面瀏覽所需對象。 。(7)組態(tài)運(yùn)動路徑組態(tài)對象在過程畫面中的運(yùn)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。4.1.12 人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)：根據(jù)本軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能，再考慮到界面設(shè)計(jì)原則，可以列出界面框圖如圖：2020用戶登錄揉捻參數(shù)設(shè)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4.1.13 系統(tǒng)軟件的安全性設(shè)計(jì)：對于一個(gè)工業(yè)上應(yīng)用的系統(tǒng)軟件來保障安全，它的安全性和可靠性尤為重要。為了保證系統(tǒng)的安全，就要采取系統(tǒng)安全策略?？梢圆捎萌缦乱恍┌踩夹g(shù)確保工控軟件系統(tǒng)的安全:(1)有身份認(rèn)證功能(2)訪問控制功能(3)審計(jì)功能(4)與防病毒技術(shù)兼容(5)與其它安全技術(shù)兼容4.13.1.1 在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中主要考慮了用戶權(quán)限的設(shè)定以及使用者信息的登記。將權(quán)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(shè)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(quán)限，而操作員只有在管理員授權(quán)了以后才具有普通操作的權(quán)限，可以對本身的信息進(jìn)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(jìn)行管理。為了安全，本軟件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(jìn)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(gè)界面：茶葉揉捻機(jī)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4.1.13.2 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(fù)責(zé)完成操作用戶管理，用戶權(quán)限設(shè)定。用戶權(quán)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(quán)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，完成整個(gè)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(diǎn)擊進(jìn)入用戶登陸框，從而進(jìn)入系統(tǒng)控制畫面注銷 點(diǎn)擊退出當(dāng)前用戶2222退出系統(tǒng) 點(diǎn)擊關(guān)閉茶葉揉捻機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)點(diǎn)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：8884.1.13.3 控制系統(tǒng)界面（主界面）：系統(tǒng)控制主要實(shí)現(xiàn)對茶葉揉捻機(jī)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(jī)的每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，如壓蓋上升、壓蓋下降、主體電機(jī)啟動與停止以及系統(tǒng)復(fù)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(jī)”和“停止主電機(jī)”來完成茶葉揉捻的自動過程。系統(tǒng)控制不是計(jì)算機(jī)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的，而是與 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，PLC才是系統(tǒng)控制的實(shí)際控制者。通過系統(tǒng)控制界面可以說實(shí)現(xiàn)主電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)得電，也可以實(shí)現(xiàn)壓蓋上升或者是壓蓋下降，啟動主電機(jī)或者是停止電機(jī)等 ?？刂葡到y(tǒng)界面（主界面）如下圖所示：茶葉揉捻機(jī)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(jìn)入系統(tǒng)控制界面系統(tǒng)趨勢 單擊進(jìn)入系統(tǒng)趨勢界面進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視工藝參數(shù) 單擊進(jìn)入工藝參數(shù)的設(shè)置界面退出管理 單擊退出系統(tǒng)控制進(jìn)入系統(tǒng)管理界面步進(jìn)回路 按下實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)通電或斷電壓蓋上升 步進(jìn)電路得電的情況下，按下實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動壓蓋上升，釋放實(shí)現(xiàn)壓蓋停止上升壓蓋下降 步進(jìn)電路得電的情況下，按下實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動壓蓋下降，釋放實(shí)現(xiàn)壓蓋停止下降主電機(jī)回路 按下實(shí)現(xiàn)主回路通電或斷電啟動主電機(jī) 按下實(shí)現(xiàn)主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)停止主電機(jī) 按下實(shí)現(xiàn)主電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)減 單擊實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小加 單擊實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的專屬增加確定 單擊確定當(dāng)前主電機(jī)的轉(zhuǎn)速4.1.13.4 系統(tǒng)趨勢界面：繪制實(shí)時(shí)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(dāng)要進(jìn)行多條曲線的比較時(shí)，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(shí)時(shí)曲線方式顯示，用戶可以清楚的看到整個(gè)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(shí)時(shí)顯示當(dāng)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(gè)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：24244.1.13.5 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(jìn)行不同的設(shè)置，比如揉捻壓力、壓蓋高度、揉捻時(shí)間以及電機(jī)轉(zhuǎn)速。茶葉揉捻過程大致分為四個(gè)過程，可以根據(jù)不同的階段設(shè)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(jìn)行設(shè)計(jì)。工藝參數(shù)界面如下圖所示：茶葉揉捻機(jī)自動化改造25該界面中的配方視圖組態(tài)信息如下：2626該系統(tǒng)只有一個(gè)連接，其信息如下圖所示：該系統(tǒng)的變量編輯如下圖所示：