毕业设计（论文）-木材干燥箱PLC控制系统(人机界面部分).doc

西南林业大学本科毕业（设计）论文（2015届） 题 目：木材干燥箱plc控制系统(人机界面部分) 教学院系： 机械与交通学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导老师： 评 阅 人： 摘 要木材干燥箱人机界面设计 （西南林业大学 机械与交通学院 云南 昆明 650224） 摘要：人机界面技术是随着计算机技术的发展，为了满足非专业计算机用户操作计算机的需要而逐渐成熟与完善起来的，由用户通过显示屏输入信息以实现对计算机的控制。人机界面在工业控制系统占有非常重要的作用，特别是随着工控技术以及自动化的发展，人机界面技术一直受到世界各国的普遍重视并得到了飞速发展。了解人机界面的的结构以及组态是操作、改进、设计人机界面的前提。 本文是基于pid控制木材干燥箱工作原理及控制要求等，在查阅相关文献的基础上，通过现场调研分析木材干燥箱的工作原理机控制原理，完成了该设备的人机界面设计，并利用组态软件完成了人机界面的设计。通过该设计，将自己所学的知识和理论结合起来，对plc和人机界面的设计有了更深刻的认识。 关键词：木材干燥箱；人机界面；plc；i摘 要 wood drying boxinterfacepartchenjie(machinery and transportation institute,southwest forestry university,kunming,yunnan 650224 china) abstract: man-machine interface technology with the development of computer technology, in order to meet the needs of non professional computer users to operate computers and gradually mature and perfect them, by the user through the display input information to realize the control of the computer. man-machine interface plays a very important role in industrial control system, especially with the development of industrial control technology and automation, human-computer interface technology has been the subject of widespread attention all over the world and has been the rapid development. to understand the structure of man-machine interface and configuration is the premise of operation, improvement, design of man-machine interface. the purpose of this paper is the wood drying box working principle and control requirements for pid control based on, after consulting relevant literature based on, through field investigation of the working principle of the wood drying box machine control principle, completed the design of man-machine interface of the device, and use configuration software to complete the design of man machine interface. through the design, they will learn the knowledge and theory of combine of plc and hmi design have a more profound understanding.keywords: touch screen；man-machine interface；plc.ii目 录 目录第1章 绪论11.1 概述11.2 人机界面的现状及国内外研究情况11.2.1 基本简介11.2.2 发展简史11.2.3 设计过程21.2.4 基本常识31.2.5 发展趋势4第2章 样本选型62.1 plc选型62.1.1 i/o分配表62.1.2 中央处理单元选型7 2.1.3 模拟量输入选型72.2 触摸屏的选型92.3 plc、触摸屏、和电脑之间的通信102.3.1 plc和电脑的连接112.3.2 hmi和电脑的连接12第3章 画面组态163.1 组态软件介绍163.1.1 组态软件的特点163.2 组态过程173.2.1 开机画面173.2.2 主菜单173.2.3 显示面板183.2.4 控制中心19iii3.2.5 报警系统203.2.6 i/o表203.2.7 参数设置21第4章 总结与展望214.1 总结224.1.1 论文的主要内容224.1.2 论文设计总结22参考文献. .23导师简介.24致谢.25附录.26iv第一章 绪论 第1章 绪论1.1 概述 人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，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。用户和系统之间一般用面向问题的受限自然语言进行交互。目前有有系统开始利用多媒体技术开发新一代的用户界面。1.2 人机界面的现状及国内外研究情况1.2.1 基本简介 人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，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。 人机界面（human machine interaction，简称hmi），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。1.2.2 发展简史 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。1.2.3 设计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(the userinterface toolkit）或用户界面开发系统（user interface developmentsystem）提供的现成的模块或对象创建各种界面基本成分的工作。1.2.4 基本常识（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。（2）（3）人机界面产品的基本功能及选型指标 基本功能：设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等；数据、文字输入操作，打印输出；生产配方存储，设备生产数据记录；简单的逻辑和值运算；可连接多种工业控制设备组网。 选型指标：显示屏尺寸及色彩，分辨率；hmi的处理器速度性能；输入方式：触摸屏或薄膜键盘；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）；通讯口种类及数量，是否支持打印功能。（4）人机界面的使用方法。 明确监控任务要求，选择适合的hmi产品；在pc机上用画面组态软件编辑“工程文件”；测试并保存已编辑好的“工程文件” ；pc机连接hmi硬件，下载“工程文件”到hmi中；连接hmi和工业控制器（如plc、仪表等），实现人机交互。1.2.5 发展趋势想（1）目前中国人机界面市场的发展现状 有专家指出，中国是全球人机界面需求量最大的市场，但却不是全球人机界面产品销售额最高的市场，这说明，低端人机界面用户在中国占有很大的份额。近些年来民族品牌的迅速发展，采取低价格等策略，正在大举进攻低端市场，在国内已经占据了低端市场的优势地位，赢得了广大用户的认可。国际品牌也在逐渐研发其经济型产品，以抢占低端市场的份额。因此，由于在低端市场的稳扎稳打，国内的人机界面厂商整体业绩呈现出快速增长的状态。（2）人机界面不再是单纯的显示和控制 目前国内的自动化产业，一些原本不用人机界面的行业，现在也开始使用人机界面了，这说明人机界面已经成为客户体验的不可缺少的一部分，人机界面的用户界面能更好地反映出设备和流程的状态，并通过视觉和触摸的效果，带给客户更直观的感受。（3）人机界面未来的发展趋势 有些机械行业，比如说机床、纺织机械等行业，在国内已经发展有几十年的历史了，相对来说属于比较成熟的行业，从长远看，这些行业还存在着设备升级换代的需求。在这个升级换代的过程中，确实会有一些小的、一直使用比较低端产品的厂家被淘汰掉，但也有很多企业在设备更新过程中，将需求重新定位，去寻找那些能够符合他们发展计划，帮助他们提高自身生产力的设备供应商。鉴于这种需求，以后人机界面的改变，将在形状上、观念上、应用场合等方面都有所改变，从而带来工控机核心技术的一次次变革。总体来讲，人机界面的未来发展趋势是六个现代化：平台嵌入化、品牌民族化、设备智能化、界面时尚化、通讯网络化和节能环保化。具有wifi 和3g功能的hmi。29第二章 样本选型 第2章 样本选型2.1 plc选型 本设计方案设计的目标为木材干燥箱的plc控制系统。在不同的温度和湿度条件下，木材干燥后的性能指标也各不相同。为了得到木材稳定的性能，必须保证木材干燥的环境保持恒定的温度和湿度。我所设计的木材干燥箱plc控制系统有温度，湿度和液位变化三个变量。由plc系统进行自动控制。系统由温度传感器，湿度传感器，温度控制仪，湿度控制仪，plc系统，调温设备，增湿设备，照明设备，制冷设备组成。2.1.1 i/o分配表表2-1 i/o分配表输入信号 输出信号干球传感器输入：aiw0电热丝通电（调温）：q0.0湿球传感器输入：aiw2 制冷电磁阀接通:q0.2上液位继电器：i0.1液位控制电磁阀接通：q0.4下液位继电器：i0.2电热管通电（增湿）：q0.1启动：i0.0除湿电磁阀接通：q0.3总停：i0.3报警指示灯亮：q0.5 设计所需器材表2-2 器材表温度传感器：1个湿度传感器:1个增湿设备：1组调温设备：1组指示灯：2个照明设备：1个制冷（除湿）设备：1组操控面板：1个 设计规格(1) 木材干燥箱工作室尺寸：700800900(深宽高) 单位（mm）(2) 外形尺寸：114512801900(深宽高)(3) 温度调节范围：室温1085(4) 相对湿度调节范围：70时，80-98r.h 40时，93r.h(5) 温度均匀度：不大于1(6) 温度波动度不超过0.5(7) 湿度误差：+2，-3r.h2.1.2 中央处理单元选型 由i/o分配表可知，该控制系统有4个输入，6个输出，参照s7200cn的样本手册，可选择中央处理单元cpu224xp ac/dc/继电器的cpu模块。如下图2-1所示。图2-1 plc中央处理单元选型2.1.3 模拟量输入选型 该系统主要实现温度和湿度的控制，而温度和湿度的控制主要是靠热电偶，热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。 作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-401800范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。 其优点是：测量精度高；测量范围广；构造简单，热电偶使用方便。热电偶测温基本原理 热电偶是一种感温元件,是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 再通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。 在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。 热电偶将两种不同材料的导体或半导体a和b焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-1所示。图2-2 热电偶工作原理当导体a和b的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。该系统主要有温度个湿度两个模拟量输入，em231热电偶模块支持4个模拟量输入，所以选em231热电偶模块作为中央处理单元的扩展模块。如下图所示图2-3 热电偶模块选型2.2 触摸屏的选型 市场上有很多系列的触摸屏，首先要考虑的是要能实现对恒定湿热试验箱的控制，另外价钱要便宜，还有组态的时候简单易学，造作界面要便于工人操作。我选择的是威伦通kt6070ip的触摸屏。组态软件是威伦通eb8000。下表2-3是kt6070ip的样本参数。 表2-3 触摸屏样本参数 7寸tft lcd触控式人机界面特点 7“800x480tft lcd 无风扇冷却系统 内建储存内存及万年历l ip65 面板防护等级l led 背光灯l com2 rs485 支持mpi 187.5k产品规格tk6070ip显示显示类型7“tft分辨率800*480对比度500:1 背光类型led触控面板类型4线模拟电阻式触控精度active area length(x)2%, width(y)2%内存flash 储存器(mb)128dram (mb)64处理器32bit risc cpu 400mhz通讯sd卡插槽无mini usb 下载口usb 2.0 x 1以太网络无com连接com1 rs-232, com2 rs-485 2w/4w万年历內建 电源输入电源2420%vdc电源功耗350ma24vdc隔离电源器无 耐压500vac (1 分钟)绝缘电阻超过50mw at 500vdc抗震10 to 25hz(x,y,z 方向2g 30 分钟)规格外壳材质工业塑料外型尺寸200.4 x 146.5 x 34mm开孔尺寸192 x 138 (7.5x5.4)重量约0.52 kg操作环境防护等级nema4 / ip65储存环境温度-2060c (-4 140f)使用环境温度0 50c (32 122f)使用环境湿度10% 90% 40c, 无冷凝欧盟认证en55022:2010, en55024: 2010, en61000-3-2:2006+a2:2009,en6100-3-3:2008, as/nzs cispr22:2009+a1:2010使用软件限于简体中文版eb8000 v4.65.06 或更新版本使用2.3 plc、触摸屏、和电脑之间的通信 连接示意图usb数据线编程电缆编程电缆pc电脑 9针头通信电缆hmiplcrs485接口图2-4 通讯示意图2.3.1 plc和电脑的连接（1） plc和电脑是用编程电缆连接，首次连接要安装编程电缆的驱动，安装完以后就可以在编程软件里进行配置了，如下图2-5所示，波特率是9.6kbps。图2-5 plc和电脑通信（2） 设置pg/pc接口，选择pc adapt（ppi），如图2-6所示图2-6 设置pg/pc接口2.3.2 hmi和电脑的连接（1） hmi和电脑是用usb接口数据线连接，只要连接上就可以进行数据的上传和下载了，如图2-7所示图2-7hmi和电脑的连接（2）plc和hmi的连接是用9针头485接口的通信电缆连接的，一端是公头（接hmi），一端是母头（接plc）。这样就可以实现plc和hmi之间的数据交换，可以一边组态，一边写程序，一边调试了。注意两边的属性设置要一致要一致。如下图2-8、2-9所示。图2-8 系统参数设置图2-9 系统参数设置第三章 画面组态第3章 画面组态3.1 组态软件介绍 组态软件用的是威伦通公司的easybuilder8000（简称eb8000），是台湾威纶科技公司开发的新一代人机界面软件，适用于本公司mt8000和mt6000系列所有型号的产品。3.1.1 组态软件的特点（1）支持65536色显示 （2）支持windows平台所有矢量字体（3）支持bmp，jpg，gif等格式的图片 （4）兼容eb500的画面程序，无需重新编程，轻松实现产品升级 （5）支持usb设备，譬如u盘、usb鼠标、usb键盘、usb打印机等 （6) 支持历史数据、故障报警等，可以保存到u盘或者sd卡里面，并且可转换为excel可以打开的文件 (7) 支持u盘、usb线和以太网等不同方式对hmi画面程序进行上下载 (8) 支持配方功能，并且可以使用u盘等来保存和更新配方，容量更大 (9) 支持三组串口同时连接不同协议的设备，应用更加灵活方便 (10) 支持自定义启动logo的功能，且支持“垂直”安装的模式 (11) 支持市场上绝大多数的plc和控制器、伺服、变频器、温控表等，我们也可以为您特殊的控制器开发驱动程序 (12) 支持离线模拟和在线模拟功能，极大的方便了程序的调试 (13) 强大的宏指令功能，除了常用的四则运算、逻辑判断等功能外，还可以进行三角函数、反三角函数、开平方、开三次方等运行，同时，还可以编写通讯程序，与非标准协议的设备实现通讯连接 (14) 强大的以太网通讯功能，除了可以与带以太网口的plc等控制器通讯外，还可以实现hmi之间的联网，通过internet或者局域网对hmi和与hmi连接的plc等上下载程序，维护更加便利 3.2 组态过程3.2.1 开机画面 系统开机后会自动进入开机画面，如图3-1所示。图3-1 开机画面3.2.2 主菜单 开机画面以后触摸屏会自动跳转到主菜单，主菜单上有这个系统的所有功，可以控制整个系统，如图3-2所示。图3-2 主菜单3.2.3 显示面板 显示面板是人机界面的显示部分，上面可以显示温度和湿度，以及温度湿度的曲线图，还有所有控制的指示灯，最上面是一个报警指示灯，最下面是两个切换开关，如图3-3所示。图3-3 显示面板3.2.4 控制中心 控制中心有所有的开关量，可以控制整个系统的变量，比如 升温 降温，增湿 除湿，照明开关等等,所有的开关没有占i/o点，都是切换型开关，如下图所示。图3-4 控制开关图3-5 控制开关3.2.5 报警系统 当系统故障时，报警指示灯会一直闪烁，比如说温度过高、湿度过高、水位过低等等系统就会报警，直道按下总停，如图3-6所示。图3-6 报警画面3.2.6 i/o表plc的所有输入和输出点，如图3-7所示图3-7 plc i/o表3.2.7 参数设置 可以设置温度和湿度的参数，如下图3-8所示。图3-8 参数设置第四章 总结与展望第4章 总结与展望4.1 总结4.1.1 论文的主要内容 本论文的主要内容为：第一，本论文对人机界面的现状、常识以及发展趋势进行了概述；第二：对木材干燥箱的plc和hmi选型过程进行了概述；第三，对组态软件的特点及人机界面画面的组态过程进行了描述。4.1.2 论文设计总结 通过这次木材干燥箱的人机界面设计，让我对控制系统的设计有了一条明确的思路。无论要一个做什么样的人机界面系统，首先要进行根据设备的电器原理图和工作原理进行选型，选型的过程虽然看似简单但很重要，如果不仔细考虑的画话，有可能就达不到控制要求，例如：要选择一个plc，要先根据电器原理图和设备的控制要求罗列出i/o点数，然后在根据plc的选型样本，确定plc的型号。触摸屏的选型也是一样。其次，是要根据设备的控制要求来写plc程序，定义数据类型。最后就是人机界面的组态设计了，之前我是从来没有接触过组态和人机界面的，一开始的时候感觉无从下手，经过了一个多星期的学习，慢慢才学会了组态，使我充分体会到在学习过程中的艰难和成功是的喜悦，在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 随着工业自动化的发展，人机界面设备将会越来越多，云南的工业化发展水平还比较的低。因此，开发和普及型人机界面既是市场的需求，也符合国家发展自动化产业的政策，具有广阔的市场空间和现实意义，所以，人机界面的组态开发有着重要的意义和价值，需要我们不断的学习。4.2 展望人机界面在市场上将会月来越普及，随着plc和电脑设施的不断更新人机界面市场的需求也不断夸大，这是工业发展的必然趋势。目前市场上有各种各样的人机界面，在未来人机界面的