CN110187949A - 一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，系统采用基于XML的模块化设计方法，可为用户快速配置定制个性化的人机交互界面。系统实现了用户权限管理、产品数据导入和管理、参数数据设置和管理、生产状态监控、工位状态监控、操作记录数据管理、报警记录数据管理、生产历史数据分析和管理、调试功能管理等功能。系统采用N‑tire多层架构设计，将可视化层、业务逻辑层以及通信接口层和数据库层明确分开，同时采用XML文件对PLC内存模型进行参数化描述，大大降低了系统的耦合度，提高了系统的可扩展性和维护性。

Description

一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统

技术领域

本发明涉及中大型变压器制造技术领域，特别是一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作 站人机交互系统。

背景技术

随着国内外对于电力基础设施的需求不断加大，变压器作为电力输送过程中的重要设备， 其需求量必然会日益增长。变压器的制造过程中，变压器铁芯的制作尤为关键，其工艺精度 和性能直接影响到变压器的整体性能。变压器铁芯是由0.3mm左右厚度的硅钢片叠积而成， 其存在多种结构形式(单相三柱、三相三柱、单相四柱、三相五柱等)，且不同产品规格大小 不一，属于典型的离散制造过程。

目前，各大变压器厂商都是采用人工叠片的方式完成硅钢片的叠积过程，该过程需要6-10 名操作工同时进行作业，要求操作工长时间保持机械性的操作动作且需时刻关注叠片精度， 劳动强度大且叠片一致性难以保证。所以设计一种自动叠片设备替代人工完成机械重复的操 作，实现不同类型不同规格铁芯的生产过程，保证产品精度，减少人员需求的同时提高生产 效率，成为行业亟需解决的重大装备需求。中大型变压器铁芯自动叠片设备在国内外都处于 研究阶段。人机交互系统是用户操作设备的接口，是设备控制系统的重要组成部分，快速开 发定制化的人机交互系统成为缩短项目开发周期的关键因素。

人机交互系统从逻辑上大致可以被分成用户界面和应用逻辑两个部分，很多时候，用户 界面与应用逻辑是难以完全分割开的。而用户界面和应用逻辑两者之间的藕合关系是影响软 件扩展性和维护代价的重要因素。传统自动化设备的人机交互系统大多是按照用户的需求， 采用一些特定的集成开发环境和编程语言，将用户界面和应用逻辑两部分程序“混合”在一 起编写。一旦设备系统的功能需变更或升级，上位机人机界面的开发人员和下位机运动控制 程序的开发人员都需进行软件版本变更，二者之间的耦合度相当之高。因此，设计可配置模 块化设计的人机交互系统很有必要，特别是变压器铁芯叠片机器人工作站这样尚处于研制阶 段的大型自动化设备，可配置易维护耦合度低的人机交互系统更显重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种实现用户权限管理、产品数据导入和管 理、参数数据设置和管理、生产状态监控、工位状态监控、操作记录数据管理、报警记录数 据管理、生产历史数据分析和管理、调试功能管理等人机交互功能的可配置变压器铁芯叠片 机器人工作站人机交互系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，采用基于XML的模块化设计方 法，所述的人机交互系统用于用户权限管理、产品数据导入和管理、参数数据设置和管理、 生产状态监控、工位状态监控、操作记录数据管理、报警记录数据管理、生产历史数据分析 和管理、调试功能管理，所述的人机交互系统包括HMI可视化层、业务逻辑层以及通信管理 层和数据存储层，所述的人机交互系统采用N-tire多层架构设计，将HMI可视化层、业务逻 辑层以及通信管理层和数据存储层明确分开，同时采用XML文件对PLC内存模型进行参数化 描述。

所述HMI可视化层实现HMI整体结构，包括顶部，底部和中部容器，所述HMI可视化层 用于实现各种HMI模块，所述HMI模块包括参数设置，饼状图，走势图，日志区域，状态显示区，产品选择，产品导入。

所述业务逻辑层包括主界面管理、功能树管理、权限控制系统，动态逻辑脚本系统，历 史信息管理，产品数据管理，参数数据管理，人工调试系统。

所述通信管理层实现同PLC之间的通信和参数管理，包括PLC参数注册管理模块和ADS 对接模块。

所述数据存储层实现对产品、加工及机器参数的存储管理。

所述的采用N-tire多层架构设计中每一层的内部为多个子模块构建而成，子模块独立分 割，并单独复用。

采用XML文件对PLC内存模型进行参数化描述是为PLC内存模型提供参数信息的描述， 帮助PLC内存模型生成参数对象。

相比于现有技术，本发明的优点在于：采用基于XML的模块化设计方法，可为用户快 速配置定制个性化的人机交互界面。采用N-tire多层架构设计，将HMI可视化层、业务逻辑 层以及通信管理层和数据存储层明确分开，同时采用XML文件对PLC内存模型进行参数化 描述，实现用户权限管理、产品数据导入和管理、参数数据设置和管理、生产状态监控、工 位状态监控、操作记录数据管理、报警记录数据管理、生产历史数据分析和管理、调试功能 管理等人机交互功能，同时系统具备可配置易维护低耦合等特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统的多层系 统架构框图；

图2为本发明实施例提供的一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统中PLC内 存抽象化模型架构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统中基于观 察者模式的消息分发和PLC参数映射示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1至图3所示，本实施例提供一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系 统，采用基于XML的模块化设计方法，可为用户快速配置定制个性化的人机交互界面。采 用N-tire多层架构设计，将HMI可视化层、业务逻辑层以及通信管理层和数据存储层明确分 开，同时采用XML文件对PLC内存模型进行参数化描述，实现用户权限管理、产品数据导 入和管理、参数数据设置和管理、生产状态监控、工位状态监控、操作记录数据管理、报警 记录数据管理、生产历史数据分析和管理、调试功能管理等人机交互功能，同时系统具备可 配置易维护低耦合等特点。

如图1所示，本实施例提供一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统主要 由HMI可视化层、业务逻辑层以及通信管理层和数据存储层构成多层系统架构。

HMI可视化层主要由基本的可视化交互架构、各类业务功能块UI插件、可配置用户界 面管理等多个子模块组成。可视化交互架构子模块是基于DevExpress界面控件套件在Winform开发框架中实现人机交互系统的UI架构设计以及基本的显示控件。各类业务功能块 UI插件则是将基础的显示控件进行组合和封装实现针对用户业务需求的功能块UI插件。可 配置用户界面管理子模块则是对各类业务功能块UI插件的管理和配置，从而实现人机交互系 统的各项业务的可视化显示功能。如图2所示，主界面由设备运行状态管理、工位运行状态 管理包括5台机器人工位和两个二维桁架工位的运行状态、实时消息管理包括操作信息和报 警信息、产品加工状态图形化管理、PLC运行状态管理等多个业务功能UI插件构成，其每个 UI插件都对应一个XML描述文件。采用XML文件对该插件的位置、每一个状态栏对应的 名称属性以及对应的变量属性进行定义，用户可以通过对XML文件的重新编辑和定义来实 现插件的个性化显示。

业务逻辑层主要由主界面管理、功能树管理、权限控制系统，动态逻辑脚本系统，历史 信息管理，产品数据管理，参数数据管理，人工调试系统等业务功能子模块组成。

主界面管理主要实现设备运行状态管理、工位运行状态管理包括5台机器人工位和两个 二维桁架工位的运行状态、实时消息管理包括操作信息和报警信息、产品加工状态图形化管 理、PLC运行状态管理等。

功能树管理主要实现业务功能树的管理，可通过XML对功能树列表进行配置和扩展， 如图3所示，左侧权限列表是本示例给出的功能树。

权限控制系统主要实现用户功能权限的管理，主要分为超级管理员账户、管理员账户和 操作员账户。采用可编辑的多层权限架构动态实现角色权限的编辑，运行时将二维权限信息 读出，转换成多叉树状结构，方便业务逻辑使用。每种角色的权限树都可自由配置，本身配 置权限也是一个子功能，也可由超级管理员分配给其他成员，使得其他成员具有成员编辑和 成员权限配置的功能。

动态逻辑脚本系统是一个可编程模块，主要实现产品数据和参数数据同设备运行工艺参 数之间的逻辑转换。传统的方式是将工艺解析的逻辑耦合到系统内部，一旦工艺逻辑发生变 更，需对上位机系统和下位机系统都进行补丁升级。通过可编程模块，可以实现灵活的工艺 解析逻辑。在XML模块化的技术上提升了更多的逻辑可变性，降低了人机交互系统软件开 发人员同PLC运动控制研发人员之间的耦合。

历史信息管理主要实现历史操作信息、历史错误信息和历史生产数据的管理，可以实现 历史信息文件的删除和导入，可以按日期进行检索，同时具有对历史数据的统计和分析功能。

产品数据管理主要实现产品数据文件的导入、编辑、搜索和加载等功能，用户产品数据 文件以xls或xlsx格式存储及编辑，导入到系统后，系统以XML文件进行存储，用户可以直 接编辑XML文件对数据进行修改，也可以在产品数据界面进行可视化地编辑，且支持排序、 检索等功能。根据工艺过程需要，产品数据文件主要由产品设计数据、产品下料数据、产品 误差修正数据三部分组成，产品数据管理子模块支持对三组数据的分别管理。

参数数据管理主要实现机器参数和加工参数的管理。参数文件在系统内部也都是以XML 文件形式存储，系统启动后会自动加载出厂设置的机器参数和最近一次加载运行的加工参数。 当设备状态发生变化，超级管理员账户可以对出厂设置的机器参数文件进行编辑。管理员账 户和操作员账户都可以根据产品加工对象的实际情况，在运行前对加工参数进行设置和编辑。

人工调试系统主要实现设备各项功能的调试和各项状态的监控。，此功能只对超级管理员 账户开放，此功能主要是方便设备交付前的系统联调。这些业务功能的实现都是采用XML 文件对PLC内存模型进行参数化描述。图2给出了本发明实施例提供的一种可配置变压器铁 芯叠片机器人工作站人机交互系统中PLC内存抽象化模型架构示意图。

通讯管理层主要由参数注册管理子模块和ADS对接子模块组成。参数注册管理子模块采 用XML配合数据库的方式管理PLC内的所有参数。为了对PLC进行更好的抽象化，在内存 中模拟出PLC的参数池，实时地更新和一致性管理。利用多态对各种不同的参数类型如整型、 无符号整型、布尔型、实型、长实型等进行统一的抽象化管理。参数注册管理子模块建立了 一段内存区PLC中的参数形成了对应的映射关系，内存区状态实时同PLC中对应参数的状 态保持一致。如图2所示，PLC内存模型将XML描述的参数定义同实体PLC中的参数变量 形成内存映射关系，通过基于观察者模式的参数事件管理器实现参数的实时更新，利用多态 对各种不同的参数类型进行统一的抽象化管理。

ADS对接子模块是基于Beckhoff的ADS通讯驱动包实现人机交互系统同PLC之间的通 讯。当PLC更换为其它的品牌，只需将ADS对接模块修改为对应的通讯插件模块，上层的业务通讯逻辑不需要做任何修改。如图3所示，基于观察者模式的消息分发架构，可实现对生产状态、工位状态、日志与警报、历史数据持久化、桁架测试、机器人测试、IO测试、功 能测试等业务功能插件的参数状态更新和信息交互。

数据存储层主要通过数据库管理系统实现对系统运行过程中涉及到的文件数据进行管 理，包括产品数据、加工参数数据、机器参数数据、历史操作数据、历史报警信息数据、历 史产品测量数据等。

Claims (7)

1.一种可配置变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，其特征在于采用基于XML的模块化设计方法，所述的人机交互系统用于用户权限管理、产品数据导入和管理、参数数据设置和管理、生产状态监控、工位状态监控、操作记录数据管理、报警记录数据管理、生产历史数据分析和管理、调试功能管理，所述的人机交互系统包括HMI可视化层、业务逻辑层以及通信管理层和数据存储层，所述的人机交互系统采用N-tire多层架构设计，将HMI可视化层、业务逻辑层以及通信管理层和数据存储层明确分开，同时采用XML文件对PLC内存模型进行参数化描述。

2.根据权利要求1所述的一种变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，其特征在于所述HMI可视化层实现HMI整体结构，包括顶部，底部和中部容器，所述HMI可视化层用于实现各种HMI模块，所述HMI模块包括参数设置，饼状图，走势图，日志区域，状态显示区，产品选择，产品导入。

3.根据权利要求1所述的一种变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，其特征在于所述业务逻辑层包括主界面管理、功能树管理、权限控制系统，动态逻辑脚本系统，历史信息管理，产品数据管理，参数数据管理，人工调试系统。

4.根据权利要求1所述的一种变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，其特征在于所述通信管理层实现同PLC之间的通信和参数管理，包括PLC参数注册管理模块和ADS对接模块。

5.根据权利要求1所述的一种变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，其特征在于所述数据存储层实现对产品、加工及机器参数的存储管理。

6.根据权利要求1所述的一种变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，其特征在于所述的采用N-tire多层架构设计中每一层的内部为多个子模块构建而成，子模块独立分割，并单独复用。

7.根据权利要求1所述的一种变压器铁芯叠片机器人工作站人机交互系统，其特征在于采用XML文件对PLC内存模型进行参数化描述是为PLC内存模型提供参数信息的描述，帮助PLC内存模型生成参数对象。