組態(tài)控制課程設(shè)計(jì)---恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)

1、<p>　　組態(tài)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　學(xué)年學(xué)期 </p><p>　　?！　I(yè) 自動化 </p><p>　　學(xué)　　號　 </p><p>　　授課班號 </p>

2、<p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p><b>　　需求分析</b></p><p><b>　　系統(tǒng)功能</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)，要求通過上位機(jī)

3、和PLC進(jìn)行Modbus RTU通訊，水箱的水位傳感器和大樓供水管道的壓力傳感器將實(shí)時(shí)的水位數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)與下位機(jī)PLC進(jìn)行Modbus RTU方式通信，將控制信息發(fā)到PLC下位機(jī)，對PLC的繼電器進(jìn)行寫入，PLC通過控制電磁閥、逆止閥的開啟、關(guān)斷和離心泵的啟動、停止將水箱水位控制在1～9米。</p><p><b>　　系統(tǒng)組成</b></p>

4、<p><b>　　系統(tǒng)設(shè)備：</b></p><p>　?。?）PLC：具備Modbus RTU通信功能，能夠與基于MCGS組態(tài)軟件的上位機(jī)進(jìn)行Modbus通信；</p><p>　?。?）離心式水泵1#～3#，由PLC控制；</p><p>　?。?）逆止閥1#～3#，由PLC控制；</p><p>　　

5、（4）電磁閥，由PLC控制；</p><p>　　（5）壓力傳感器，4～20mA輸出，壓力范圍0～150；</p><p>　　（6）水位傳感器，4～20mA輸出，水位范圍0～10米。</p><p><b>　　三、控制要求</b></p><p>　　1、Po設(shè)定壓力，Px為實(shí)測壓力，控制策略如下</p>

6、<p>　　2、水池中水位控制在1～9米，如果超過9米則關(guān)閉電磁閥，否則打開電磁閥。</p><p>　　3、PLC與監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)Modbus互聯(lián)。</p><p><b>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　一、PLC、傳感器模擬</p><p>　　由于缺少PLC實(shí)體設(shè)備，因此PLC下位機(jī)

7、只能通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)，模擬軟件為具有Modbus通訊功能的軟件Modbus Slave，PLC的繼電器相當(dāng)于Modbus Slave軟件的COIL STATUS，是一個開關(guān)量，只有0和1兩種狀態(tài)，MCGS上位機(jī)可以對COIL STATUS進(jìn)行讀、寫操作。</p><p>　　圖1. COIL STATUS，相當(dāng)于PLC的繼電器</p><p>　　同樣傳感器也要用該軟件進(jìn)行模擬，傳感器向上

8、位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在Modbus Slave軟件的HOLDING REGISTER中，MCGS上位機(jī)對該寄存器進(jìn)行只讀操作，上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)以后根據(jù)控制要求對COIL STATUS進(jìn)行寫入操作，相當(dāng)于控制PLC繼電器的開啟和關(guān)斷，達(dá)到控制泵、閥的目的。</p><p>　　圖2. HOLDING REGISTER，存儲傳感器的讀取值，手動輸入</p><p>　　MCGS6.2通用版簡介&l

9、t;/p><p>　　MCGS是一套用于在計(jì)算機(jī)上快速構(gòu)造和生成一套監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。MCGS通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并處理，以一定的動畫，現(xiàn)場流程模擬和數(shù)據(jù)輸出等方式向用戶實(shí)時(shí)的反應(yīng)工程中的生產(chǎn)現(xiàn)象，由于節(jié)省了很多人力資源，所以MCGS在工業(yè)自動化領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　MCGS的主要特性和功能如下：</p><p>　　1.組態(tài)后的操作界面具有可

10、視化的特點(diǎn)。組態(tài)軟件運(yùn)用全中文，能夠看見并且是面向窗口的，這一點(diǎn)符合我們大多數(shù)人的使用習(xí)慣。組態(tài)過程中的最小單位是窗口，以這些窗口為單位搭建界面，所以說MCGS的組態(tài)過程很簡單，而且在組態(tài)過程中也很靈活。用戶可以使用軟件內(nèi)部的構(gòu)件，也可以自己創(chuàng)建需要的構(gòu)件，這樣就使得組態(tài)軟件的拓展性很強(qiáng)，不拘泥與系統(tǒng)本身提供的架構(gòu)。</p><p>　　2.組態(tài)完成后能實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并且具有并行處理的優(yōu)異性能。組態(tài)軟件基于

11、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，充分的利用了計(jì)算機(jī)的資源，使得本身在運(yùn)行和處理數(shù)據(jù)時(shí)不僅實(shí)時(shí)性好而且對一些系統(tǒng)不同的關(guān)鍵任務(wù)能進(jìn)行分時(shí)處理，提高了系統(tǒng)的精確度，由于其在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行良好，使得工業(yè)控制計(jì)算機(jī)也被大量的引進(jìn)到工業(yè)領(lǐng)域。另外組態(tài)軟件還能和計(jì)算機(jī)連接更多的外部設(shè)備，例如打印機(jī)等，這樣就可以對系統(tǒng)工作過程中的數(shù)據(jù)形成圖紙文件。</p><p>　　3.組態(tài)軟件擁有豐富的構(gòu)件，具有搭建生動動畫界面的特點(diǎn)。組態(tài)軟件再為工作人員

12、提供數(shù)據(jù)的時(shí)候是通過圖形、圖表、文檔、曲線的形式，所有這些都有助于工作人員對工程概況實(shí)時(shí)監(jiān)測。而且組態(tài)軟件還能通過一些動畫演示的手段來增強(qiáng)這種逼真的效果，使得更加接近現(xiàn)場控制。組態(tài)軟件還能夠制作多媒體，這樣就使得工程畫面更加逼真。</p><p>　　4.組態(tài)軟件擁有功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)。組態(tài)軟件支持現(xiàn)行的通信協(xié)議，組態(tài)軟件之間可以方便的通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，構(gòu)成分布式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。</p><p>

13、;　　MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個部分。用戶所有的配置過程都是在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行的，用戶環(huán)境提供了一套完整的工具軟件，用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)完成后生成的結(jié)果是一個數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。運(yùn)行環(huán)境自身沒有什么意義，簡單說只是一些構(gòu)件的組合，其運(yùn)行需要依賴組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，兩者相結(jié)合才能構(gòu)成用戶的應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　組態(tài)結(jié)果生成的數(shù)據(jù)庫完成了組態(tài)系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境

14、向運(yùn)行環(huán)境的過渡，兩者的關(guān)系如圖3所示。</p><p>　　圖3.組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的關(guān)系</p><p>　　MCGS生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五個部分構(gòu)成。窗口簡單的說相當(dāng)于一個容器，供用戶使用。在該窗口內(nèi)用戶可以根據(jù)自己的需要放置相應(yīng)的構(gòu)件或者創(chuàng)建自己需要的對象，并對這些對象或者構(gòu)件進(jìn)行不同的屬性編輯和參數(shù)設(shè)置完成需要的功能。&l

15、t;/p><p>　　三、RS-232近程通訊總線</p><p>　　串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)而形成的。RS-323C標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會)與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)

16、定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。</p><p>　　RS-232標(biāo)準(zhǔn)最初是遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(Data Terminal Equipment)與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（Data Communication Equipment)而制定的。因此這個標(biāo)準(zhǔn)的制定，并未考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計(jì)算機(jī)（更準(zhǔn)

17、確的說，是計(jì)算機(jī)接口）與終端或外設(shè)之間的近端連接標(biāo)準(zhǔn)。顯然，這個標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定及和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)不兼容的地方就不難理解了</p><p>　　RS-232標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場上，而不是站在DCE的立場來定義的。由于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收

18、。 </p><p><b>　　1.電氣特性：</b></p><p>　　在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V；邏輯0(SPACE)=+3～＋15V。</p><p>　　在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：</p><p>　　信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V

19、；</p><p>　　信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）=-3V～-15V； </p><p>　　對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平告語+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義

20、，低于-15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±(3～15)V之間。</p><p><b>　　2.DB-9連接器</b></p><p>　　在AT機(jī)及以后，不支持20mA電流環(huán)接口，使用DB-9連接器，作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。DB-25型連接器的引

21、腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備連接，必須使用專門的電纜線。</p><p>　　RS-232是異步通訊中最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，適用于數(shù)據(jù)中端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間的接口。在微機(jī)通訊中，通常使用 的RS-232接口信號是九根引腳。</p><p>　　如圖：各引腳功能如下：</p><p>　　1D

22、CD 輸入載波檢測</p><p>　　2RXD 輸入接收數(shù)據(jù)</p><p>　　3TXD 輸出發(fā)送數(shù)據(jù)</p><p>　　4DTR 輸出數(shù)據(jù)終端就緒</p><p>　　5GND 信號地</p><p>　　6DSR

23、 輸入數(shù)據(jù)裝置就緒</p><p>　　7RTS 輸出請求發(fā)送</p><p>　　8CTS 輸入清除發(fā)送</p><p>　　9RI 輸入振鈴指示</p><p>　　用RS-232總線連接系統(tǒng)是，有近程通訊方式和遠(yuǎn)程通訊方式兩種，近程通訊是指傳輸距離小于15米的通訊，可以用R

24、S-232 電纜直接連接。15米以上的長距離通訊，需要采用調(diào)制調(diào)解器。</p><p>　　當(dāng)計(jì)算機(jī)與終端之間利用RS-232作近程連接時(shí)，有幾根線實(shí)現(xiàn)交換連接。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)上位機(jī)和下位機(jī)均由軟件模擬，所以需要兩個USB接口進(jìn)行互聯(lián)，而Modbus設(shè)備支持RS232接口，所以USB接口和USB接口用RS-232連接的交叉圖如下，圖中“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”是交叉相

25、連的，是得上位機(jī)和下位機(jī)都能正常的發(fā)送和接收。</p><p>　　發(fā)送數(shù)據(jù)(Transmitted data-TxD)——通過TxD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM，(DTE→DCE)。 </p><p>　　接收數(shù)據(jù)(Received data-RxD)——通過RxD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數(shù)據(jù)，(DCE→DTE)。</p><p>　　四、MCGS

26、對MODBUS的支持</p><p>　　MCGS已經(jīng)支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus ASCII、Modbus RTU、ModBus TCP協(xié)議。凡使用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的設(shè)備，包括PLC、變頻器、發(fā)電機(jī)等登，MCGS均可與之建立通訊并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　使用Modbus驅(qū)動之前，應(yīng)該仔細(xì)查閱Modbus設(shè)備的相關(guān)技術(shù)手冊，并且確保設(shè)備可以和上位機(jī)建立連接并正常通訊；可以使用Mod

27、bus Poll來模擬Modbus Master和設(shè)備通訊，檢查通訊是否正常。</p><p>　　Modbus驅(qū)動把Modbus設(shè)備的通道分為只讀，只寫，讀寫三種情況，只讀用于把設(shè)備中的數(shù)據(jù)讀入到MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，只寫通道用于把MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)寫入到設(shè)備中，讀寫通道則可以從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)，也可以向設(shè)備中寫數(shù)據(jù)。</p><p>　　用戶根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行工程組態(tài)時(shí)，可以將所

28、需要的Modbus設(shè)備的寄存器添加為通道，在組態(tài)之中進(jìn)行操作。</p><p>　　注意：驅(qū)動中的地址和實(shí)際下發(fā)的地址相差1，即選擇地址1，則下發(fā)的命令是0。</p><p>　　Modbus驅(qū)動支持的數(shù)據(jù)類型</p><p><b>　　通訊狀態(tài)：</b></p><p><b>　　第三章 詳細(xì)設(shè)計(jì)<

29、/b></p><p>　　一、MCGS上位機(jī)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1、主控窗口</b></p><p>　　工業(yè)控制中工程工作的總體構(gòu)架，以及菜單命令、運(yùn)行的流程顯示、系統(tǒng)的特征參數(shù)和啟動停止等控制命令存放于主控窗口中，所以說主控窗口是存放工業(yè)控制過程參數(shù)的窗口。本次課程設(shè)計(jì)的主控窗口包括：系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)瀏覽、用戶管理、關(guān)于

30、系統(tǒng)四項(xiàng)。如圖4所示。</p><p><b>　　圖4.主控窗口菜單</b></p><p><b>　　2、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫</b></p><p>　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫最主要的特征就在于它的實(shí)時(shí)性，用戶在對數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的設(shè)置后經(jīng)過組態(tài)軟件內(nèi)部管理到數(shù)據(jù)庫里。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫采集來自外部設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)其它部分操作的數(shù)據(jù)也來自于實(shí)時(shí)

31、數(shù)據(jù)庫。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫自發(fā)的完成對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理，包括相應(yīng)的報(bào)警處理和存盤處理等。因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫這時(shí)所存儲的單元，不僅僅包括變量的數(shù)值，還包括變量的特征參數(shù)以及變量的操作屬性。我們將這種把數(shù)值、方法、屬性等封裝在一起的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫采用類似C++的面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，為其它部分提供相應(yīng)的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部各個功能構(gòu)件數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫如圖5所示。</p><p><b>　　圖5.實(shí)時(shí)

32、數(shù)據(jù)庫</b></p><p>　　3、設(shè)備窗口（MCGS組態(tài)軟件與PLC通信連接）</p><p>　　上位機(jī)與下位機(jī)密切配合，并保持控制對象一致。上位機(jī)和下位機(jī)的連接主要通過MCGS下設(shè)備窗口的設(shè)置，本設(shè)計(jì)選用通用串口父設(shè)備。如圖6所示。</p><p>　　圖6. 通訊連接設(shè)備選擇</p><p>　　在“通用串口通訊設(shè)備”

33、中如下設(shè)置：設(shè)備設(shè)置為“串口通訊父設(shè)備”“標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU設(shè)備”，注意在“串口通訊父設(shè)備”中設(shè)置好串口號（以與PLC的實(shí)際連接口來設(shè)置），通訊波特率為6-9600，數(shù)據(jù)位位數(shù)為1-8位，停止位位數(shù)為0-1位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式為2-偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集方式為1-異步采集。如圖7所示。</p><p>　　圖7.通用串口父設(shè)備屬性</p><p>　　在“標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU設(shè)備”下可設(shè)置

34、基本屬性。如圖8所示。</p><p>　　圖8. 標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU設(shè)備基本設(shè)置</p><p>　　“標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU設(shè)備”通道連接設(shè)置。如圖9所示。</p><p>　　圖9.標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU設(shè)備通道連接設(shè)置</p><p>　　上位機(jī)與下位機(jī)連接測試，當(dāng)“通道值”第一行為0時(shí)表示連接正常。如圖10所示。</

35、p><p><b>　　圖10.設(shè)備調(diào)試</b></p><p><b>　　4、用戶窗口</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)共有四個用戶窗口分別為：恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、關(guān)于系統(tǒng)。如圖11所示。</p><p><b>　　圖11.用戶窗口</b><

36、;/p><p>　　圖11.恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)</p><p><b>　　圖12.報(bào)警數(shù)據(jù)</b></p><p>　　圖12.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示</p><p><b>　　二、下位機(jī)設(shè)置</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)采用Modbus Slave作為下位機(jī)，下位機(jī)具體

37、設(shè)置如下圖所示。</p><p>　　圖13.Modbus Slave連接設(shè)置</p><p>　　圖13.Modbus Slave的COIL STATUS與HOLDING REGISTER窗口</p><p><b>　　第四章 運(yùn)行調(diào)試</b></p><p><b>　　一、調(diào)試結(jié)果</b>&

38、lt;/p><p>　　實(shí)現(xiàn)了從下位機(jī)輸入數(shù)據(jù)然后由上位機(jī)讀取，并按照控制要求對寄存器進(jìn)行寫入。主控畫面的動畫顯示全部正常。閥、水泵的開啟與關(guān)閉均符合要求。</p><p>　　圖14.數(shù)據(jù)輸入窗口</p><p>　　圖15.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示窗口</p><p>　　圖16.繼電器的寫入數(shù)據(jù)</p><p><b>

39、;　　二、心得體會</b></p><p>　　1、設(shè)備連接花了很長時(shí)間，始終出現(xiàn)這樣或那樣的錯誤，上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行讀寫時(shí)始終都是無返回值。最后才發(fā)現(xiàn)是串口父設(shè)備的采集時(shí)間和PLC設(shè)備的采集時(shí)間不同導(dǎo)致的。另外，在設(shè)備調(diào)試時(shí)上位機(jī)對下位機(jī)的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行讀取，主要是由于上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)需要讀寄存器和線圈，所以只建一個窗口無法滿足要求，只得再多建立一個窗口，一個設(shè)置為線圈窗口，另一個設(shè)置為寄存器窗口，這

40、樣就能避免沖突。</p><p>　　2、先要理解系統(tǒng)的真實(shí)意圖，要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是從下位機(jī)往上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后上位機(jī)根據(jù)策略對線圈進(jìn)行讀寫，這些發(fā)上去的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，并不是上位機(jī)模擬水位和壓力的變化來對下位機(jī)進(jìn)行控制。開始的時(shí)候考慮錯了，用上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，寫下位機(jī)，結(jié)果走了一大圈彎路。</p><p>　　3、組態(tài)軟件構(gòu)建系統(tǒng)的確比普通的軟件快，大大提高了系統(tǒng)大開發(fā)