毕业设计（论文）茶叶揉捻机自动化改造

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1、茶叶揉捻机自动化改造 网络教育学院专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目： 茶叶揉捻机自动化改造 学习中心： 大连学习中心 层 次： 高中起点专科 专 业： 机械设计及其自动化 年 级： 10年 春季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 2012年 1月1日 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

2、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目 录第一章 茶叶加工的工序及发展11.1茶叶加工的主要工序11.2国内外茶叶加工技术的发展及现状11.3 课题的来源21.4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32.1茶叶揉捻加工基本原理32.2茶叶

3、揉捻设备32.3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74.1上位机软件设计74.2 下位机软件设计264.3 WinCC flexible 与STEP 7 的集成43参考文献44致谢4546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

4、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

5、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

6、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。第一章 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

7、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

8、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

9、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。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

10、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

11、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

12、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；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。第二章 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

13、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。2.2.1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

14、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(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2.2.2 6CR-55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揉桶外径X高度Mm540X385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电机功率Kw2.2电压V220外形（长X

15、宽X高）Mm1500X1500X14002.3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

16、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。2.3.1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

17、-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。控制对象步进电机PLC 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

18、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。2.3.3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

19、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。2.3.4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。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主要由上位机、下位机和调速控制、

20、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第四章 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

21、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4

22、.1.1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

23、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

24、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

25、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

26、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。4.1.2 人机界面产品基本常识4.1.2.1人机界面产品的定义：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

27、等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。HMI为英文Human-Machine Interface的缩写。4.1.2.2人机界面（HMI）产品的组成及工作原理：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

28、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。 4.1.2.3人机界面产品的基本功能及选型指标 （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（b

29、it）； （12）通讯口种类及数量，是否支持打印功能。 4.1.2.4人机界面产品分类 (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； (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。 4.1.2.5人机界面的使用方法 (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

30、“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。4.1.3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

31、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。4.1.4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

32、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(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

33、。(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

34、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。4.1.5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

35、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。4.1.6人机界面的总体设计:狭

36、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

37、，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

38、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，除此之外还有许多设计原则应当考虑，比如如何正确的使用颜色等。4.1.7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

39、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

40、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

41、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(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。4.1.8 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。

42、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。4.1.9 SI

43、MATIC HMI 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：4.1.9.1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。4.1.9.2操作员对过程的控制：操作员可以通过GUI (图形用户

44、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。4.1.9.3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。4.1.9.4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。4.1.9.5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。4.1.9.6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，

45、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。4.1.10SIMATIC WinCC flexible 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4.1.11 WinCC flexible 系统概述

46、：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

47、，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 “

48、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

49、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：(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

50、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。4.1.12 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：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4.1.13系

51、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4.13.1.1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

52、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：(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4.1.13.2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

53、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：8884.1.13.3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

54、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）如下图所示：界面中的按钮功能如下：按钮功能控制系统单击进入系统控制界面系统趋势单击进入系统趋势界面进而对数据进行监视工艺参数单击进入工艺参数的设置界面退出管理单击退出系统控制进入系统管理界面步进回路按下实现步进电机通电或断电压盖上升步进电路得电的情况下，按下实现步进电机驱动压盖上升，释放实现压盖停止上升压盖下降步进电路得电的情况下，

55、按下实现步进电机驱动压盖下降，释放实现压盖停止下降主电机回路按下实现主回路通电或断电启动主电机按下实现主电机运转停止主电机按下实现主电机停止运转减单击实现主电机的转速减小加单击实现主电机的专属增加确定单击确定当前主电机的转速4.1.13.4系统趋势界面：绘制实时曲线图对于分析数据来说是一种非常直观的方法，特别是当要进行多条曲线的比较时，通过绘制曲线图可以让人非常清楚的看出曲线之间的差异。本软件对采集的压盖压力数据以实时曲线方式显示，用户可以清楚的看到整个揉捻过程中压盖压力的变化趋势。该界面用图形的方式直接实时显示当前变量值，图中是揉捻过程中压力的变化趋势和转速变化趋势，用户可以清楚的看到整个揉

56、捻过程中压盖压力的变化趋势，和转速变化趋势。系统趋势界面如下图所示：4.1.13.5工艺参数界面：根据各种茶叶不同的大小和含水量，需要对茶叶揉捻过程工艺参数进行不同的设置，比如揉捻压力、压盖高度、揉捻时间以及电机转速。茶叶揉捻过程大致分为四个过程，可以根据不同的阶段设置不同的工艺参数，大致按照“轻一重一较重一轻”的过程进行设计。工艺参数界面如下图所示：该界面中的配方视图组态信息如下：该系统只有一个连接，其信息如下图所示：该系统的变量编辑如下图所示：4.2 下位机软件设计下位机软件指的是S7-200 PLC程序的开发，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。茶

57、叶揉捻控制系统能否按照预期设计的目标运行，一方面要看硬件设计是否具有合理性和可靠性，另一方面要看软件能否可靠的运行，能否满足用户的需要。4.2.1 软件开发的环境：STEP 7是用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。操作环境下图所示。它是SIMATIC工业软件的组成部分。可提供下列STEP 7标准软件包：(1)用于SIMATIC S7-200上应用的STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/WIN。(2)用于使用带有各种功能的SIMATIC S7-300/S7-400、SIMATIC M7-300/M7-400和SIMATIC C 7的STEP 7：

58、(1)可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展(2)为功能模板和通讯处理器赋值参数(3)强制和多处理器模式(4)全局数据通讯(5)使用通讯功能块的事件驱动数据传送组态连接 软件编译环境编程语言用于S7-300和S7-400的编程语言梯形逻辑图（Ladder Logic）、语句表（Statement List）和功能块图（Function Block Diagram）都集成在一个标准软件包中。 梯形逻辑图（或LAD）是STEP 7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器的梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，使用梯形图，可以追踪电信号在电源示意线之间的

59、流动。 语句表（或STL）是STEP 7编程语言的文本表达方式，与机器码相似。如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。为使编程更容易，语句表已进行扩展，还包括一些高层语言结构（例如，结构数据的访问和块参数）。 功能块图（FBD）是STEP 7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。复合功能（如数学功能）可用逻辑框相连直接表达。其它编程语言作为可选软件包使用。本系统PLC程序的编写是采用梯形图(LAD)语言，整个程序直观、可读性强。安装要求 操作系统：Windows 2000或Windows XP，Windows Server 2003

60、。 基本硬件：编程器或PC：- 奔腾处理器（600 MHz）- RAM：至少256 MB- Microsoft Windows 支持的彩色显示器、键盘和鼠标编程器（PG）是专门为在工业环境中使用而设计的紧凑型个人计算机。它安装了用于SIMATIC可编程序逻辑控制器编程时所需的一切。 MPI接口（可选）：如果用户需要使用STEP 7与PLC进行通讯，则在PG或PC与PLC之间可使用多点接口（MPI）。因此，用户需要： 一个PC USB 适配器连接到设备的通讯口 在计算机中安装MPI模块(例如CP 5611)PG中已经装有MPI接口。 外部编程设备（可选）：如果用户希望在PC上向EPROM中存储程

61、序，则还需要一个外部编程设备。4.2.2 PLC程序的设计：茶叶揉捻控制系统对2路压力信号进行实时监控，并对步进电机、变频电机进行控制，以及各种限位信号的输入。茶叶揉捻控制PLC系统是整个控制系统的核心，其应用程序由主程序、中断服务程序和一些功能模块子程序组成。整个揉捻过程程序结构原理下图所示:主程序手动控制自动控制电机控制时间设置步进电机手动块主电机手动块电机自动块步进电机控制变频器控制数据采集与显示变频器速度信号采集传感器信号采集揉捻机运行阶段信号显示4.2.3 寄存器地址的分配：S7-300 PLC的用于存放工作数据的数据空间称为数据存储器，它包括变量存储器(V)、输入映像寄存器(I)、输出映像寄存器(Q)、内部标志位存储器(M)、特殊标志位存储器(SM