基于s7-300 plc和觸摸屏的吸液率測定裝置畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　基于S7-300 PLC和觸摸屏的吸液率測定裝置</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　可編程控制器是一種應用很廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合吸液率測定的要求。</p><p>　　

2、在工業(yè)領(lǐng)域，隨著自動化程度的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括過程監(jiān)測、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操作人性化、過程可視化，在自動控制領(lǐng)域的作用日益顯著。</p><p>　　本文介紹了一種浸膠過程的吸液率實時測定裝置，該裝置基于S7-300PLC和HMI設(shè)計。分析了吸液率的測量原理，對測定裝置系統(tǒng)的硬件結(jié)

3、構(gòu)、軟件設(shè)計和HMI畫面組態(tài)進行了較詳細的說明。本裝置設(shè)計先進、功能完善、可靠性高，和同類產(chǎn)品相比，在性能和可靠性方面均處于領(lǐng)先水平。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 浸膠過程 吸液率 平均吸液率 S7-300PLC 觸摸屏</p><p>　　Based on S7-300 PLC and touch screen for determination of the suction devi

4、ce</p><p>　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Programmable controller is a kind of application is extensive auto

5、matic control device, it will traditional relay control technology, computer technology and communication technology is an organic whole, have strong ability to control, convenient operation, high reliability, appropriat

6、e long-term continuous working characteristics, very suitable for sucks fluid rate mensuration requirements.</p><p>　　In industrial field, with the rapid increase of automation degree, the user to the contro

7、l system process monitoring demand is higher and higher, man-machine interface appeared just a satisfying user needs. The man-machine interface can of the control system is carried out comprehensive monitoring, including

8、 process monitoring, alarm prompt, data records, and other functions, thus make control system is becoming operating humanized, process visualization, in the role of automatic control field h</p><p>　　This p

9、aper introduces a kind of soak glue process real-time measurement device by absorb fluid rate based on this device S7 - mill and HMI design. Analyzed the principle of measurement of the absorb fluid rate to determine equ

10、ipment system, the hardware structure, software design and HMI screen configuration were detailed instructions. This device is advanced in designing, the perfect function, high reliability, and similar products compare i

11、n performance and reliability, are in a leading level.</p><p>　　Keywords: soak glue process to absorb fluid rate average sucks fluid rate S7 - mill touch screen</p><p><b>　　1 緒論</b>

12、</p><p>　　1.1項目背景和意義</p><p>　　在我國隨著社會的發(fā)展，很早就實行了自動控制。而在我國液位控制系統(tǒng)也利用得相當?shù)膹V泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。為了解決人工控制的控制準度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制。近年來，國內(nèi)外對溫度控

13、制器的研究進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如:職能化PID、模糊控制、自適應控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應用于溫度控制系統(tǒng)。</p><p>　　在工業(yè)自動化領(lǐng)域內(nèi),PLC（可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中。目前的工業(yè)

14、控制中,常常選用PLC 作為現(xiàn)場的控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機則是利用HMI 軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲等功能 。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了PLC 和計算機各自的特點,得到了廣泛的應用。在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于PLC 的下位機和完成HMI功能的上位機相結(jié)合,構(gòu)建成分布式控制系統(tǒng),實現(xiàn)了溫度自動控制

15、。</p><p>　　PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴展輸入輸出模塊，特別是可以擴展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制?，F(xiàn)代PLC 以集成度高、功能強、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用,尤其適合液位測定的要求。</p>&l

16、t;p>　　此外，隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測、信息處理、在線優(yōu)化、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機界面（HMI）在自動控制領(lǐng)域的作用日益顯著。HMI正在成為引導工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因為這些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程

17、變得更加準確、簡潔和快速。 </p><p>　　HMI其實廣義的解釋就是“使用者與機器間溝通、傳達及接收信息的一個接口”。舉個例子來說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機器的狀態(tài)等等的信息透過一臺主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時候能夠加以處理。這便是一個很典型的SCADA/HMI的運用，一般而言，HMI系統(tǒng)必須有幾項基本的能力：　　實時的資料

18、趨勢顯示——把擷取的資料立即顯示在屏幕上?！　∽詣佑涗涃Y料——自動將資料儲存至數(shù)據(jù)庫中，以便日后查看?！　v史資料趨勢顯示——把數(shù)據(jù)庫中的資料作可視化的呈現(xiàn)?！　蟊淼漠a(chǎn)生與打印——能把資料轉(zhuǎn)換成報表的格式，并能夠打印出來?！　D形接口控制——操作者能夠透過圖形接口直接控制機臺等裝置。 　 警報的產(chǎn)生與記錄——使用者可以定義一些警報產(chǎn)生的條件。1.2 吸液率的測定</p><p>　　1.2.1吸液率

19、測定技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國內(nèi)吸液率控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表,并在各行各業(yè)廣泛應用。它們主要具有如下特點:1)適應于大慣性、大滯后等復雜

20、液位控制系統(tǒng)的測定。2)能適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的液位控制系統(tǒng)的測定。3)能適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)時變的液位控制系統(tǒng)的控制。4)這些液位控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術(shù)，運用先進的算法，適應的范圍廣泛。5)液位控制器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術(shù)，液位控制器具有對控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學習功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相

21、關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。6)液位控制系統(tǒng)既有控制精度高、抗干擾能力強。目前,國外液位控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能話、小型化等方面快速發(fā)展。</p><p>　　1.2.2 吸液率測定技術(shù)發(fā)展方向</p><p>　　液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛,但從國內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器來講,總體發(fā)展水平仍然不高,同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前

22、,我國在這方面總體水平處于20世紀80年代中后期水平,它只能適應一般液位系統(tǒng)控制,難于控制滯后、復雜、時變液位系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國加入WTO，我國政府及企業(yè)對此非

23、常重視，對相關(guān)企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨資企業(yè)，使我國液位儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展。</p><p>　　隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求愈來愈高，因此，高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢。</p><p>　　1.3 本設(shè)計完成的主要工作</p><

24、p>　　可編程控制器(PLC)是集計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動化的三大支柱(PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM)之一。PLC的應用已成為一個世界潮流，在不久的將來PLC技術(shù)在我國將得到更全面的推廣和應用。</p><p>　　本論文研究的是PLC技術(shù)在吸液率測定系統(tǒng)上的應用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、

25、電路圖的設(shè)計、程序設(shè)計，參數(shù)的整定，人機界面的設(shè)計等。</p><p>　　本論文應用的是德國西門子公司的S7-300系列PLC控制器，液傳感器將檢測到的實際液位轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中，再通過一定的數(shù)學運算得出簾子布的吸液率和平均吸液率。同時設(shè)計一個人機界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)

26、計，軟件編程，參數(shù)整定等。</p><p>　　2 PLC 和HMI基礎(chǔ)</p><p>　　可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機，簡稱PLC（Programmable Logic Controller），它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機械或生產(chǎn)過程。</p><p>　　2

27、.1 可編程控制器（PLC）基礎(chǔ)</p><p>　　2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生與應用</p><p>　　20世紀60年代，計算機技術(shù)開始應用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應速度更快的新型工業(yè)控制器

28、，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。</p><p>　　1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術(shù)迅速發(fā)展起來。</p><p>　　隨著PLC功能的不斷完善，性價比的不斷提高，PLC的應用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣

29、泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。PLC的應用范圍通常可分為開關(guān)邏輯控制、運動控制、過程控制、機械加工中的數(shù)字控制、機器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。</p><p>　　2.1.2可編程控制器的組成和工作原理</p><p>　　PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看

30、，PLC都是由CPU、存儲器、I/O接口單元及擴展接口和擴展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 PLC基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1） CPU（中央處理器） </p><p&g

31、t;　　CPU是PLC的核心，由運算器、控制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個方面。</p><p>　?。?）接收從編程器或者計算機輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器存

32、儲。</p><p>　?。?）監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個單元電路的工作狀態(tài)。</p><p>　?。?）診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進行編譯。</p><p>　?。?）在PLC進入運行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。</p><p>　?。?）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。</

33、p><p>　?。?）按程序進行處理，根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。</p><p>　?。?）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。</p><p>　?。?）響應中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機等）的任務(wù)處理請求。</p><p>　　2） I/O接口

34、 </p><p>　　PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。</p><p>

35、　　PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。</p><p><b>　　3）存儲器</b></p><p>　　存儲器（內(nèi)存）主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組

36、成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計的控制程序，早期一般采用隨機讀寫存儲器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存(Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。</p><p>　

37、　4）電源模塊 </p><p>　　PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，，直流輸入通常是24V。</p><p><b>　　5）智能模塊</b></p>

38、;<p>　　除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠程I/O控制、打印機等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應性就越強。</p><p><b>　　6）編程設(shè)備</b></p&

39、gt;<p>　　常見的編程設(shè)備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在PLC的應用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試、監(jiān)控運行和檢查維護中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。</p><p>　　PLC本質(zhì)上就是一臺微型計算機，其工作原理與普通計算機類似，具有計算機的許多特點。但其工作方式卻與計

40、算機有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時逐條順序掃描用戶程序，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，需等掃描到該觸點時才會動作[6]。</p><p>　　2.1.3可編程控制器的分類及特點</p><p>　　根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。 還可

41、以按I/O點數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類:</p><p>　　I／O點數(shù)在256以下為小型PLC；</p><p>　　I／O點數(shù)在256～1024為中型PLC；</p><p>　　I／O點數(shù)大于1024為大型PLC；</p><p>　　I／O點數(shù)在4000以上為超大型PLC</

42、p><p>　　可編程控制器有可靠性高、編程簡單易學、功能強、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試周期短等特點。</p><p><b>　　2.2人機界面基礎(chǔ)</b></p><p>　　隨著社會的進步，工業(yè)自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機界

43、面（HMI Human Machine Interface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應用。</p><p>　　2.2.1人機界面的定義 </p><p>　　人機界面是指連接可編程控制器（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、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設(shè)備

44、,由硬件和軟件兩部分組成。</p><p>　　2.2.2人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理 </p><p>　　人機界面產(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軟件分為兩部分，即運行于HMI硬件中的

45、系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。</p><p>　　2.2.3人機界面產(chǎn)品的特點</p><p>　　(1) 系統(tǒng)運行過程清晰化</p><p>　　控制過程可以動態(tài)地顯示在HMI設(shè)備上。例如

46、：爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個控制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清晰。</p><p>　　(2) 系統(tǒng)操作簡單化</p><p>　　操作員可以通過監(jiān)控界面來控制過程?？蓮谋O(jiān)控界面上啟動和停止系統(tǒng)、設(shè)定液位上下限等參數(shù)等。</p><p><b>　　(3) 顯示報警</b></p>

47、<p>　　控制過程達到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運行錯誤時會自動觸發(fā)報警，例如，液位上限設(shè)定的參數(shù)小于液位下限。</p><p><b>　　(4) 數(shù)據(jù)歸檔</b></p><p>　　HMI系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。例如：通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時間的系統(tǒng)運行情況，過程變量等。</p><p><b>　　

48、(5) 報表系統(tǒng)</b></p><p>　　HMI系統(tǒng)可以輸出報警和過程值報表。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)。</p><p>　　3 簾子布吸液率控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　在掌握了PLC的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計角度，介

49、紹該項目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計以及PLC控制器的設(shè)計和參數(shù)的整定。</p><p>　　3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和步驟</p><p>　　弄懂PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后,就可以把PLC應用到實際的工程項目中。無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計都可以參考圖3-1所示的步驟。</p><

50、;p>　　3.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則</p><p>　　任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實際設(shè)計過程中，設(shè)計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計原則可以歸納為2點。</p><p><b>　　1. 設(shè)計原則</b></p><p>　　(1)完整

51、性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機械設(shè)備的控制要求。</p><p>　　(2)可靠性原則。確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　(3)經(jīng)濟型原則。力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。</p><p>　　(4)發(fā)展性原則。適當考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。</p><p>　　圖3-1 PL

52、C控制系統(tǒng)設(shè)計步驟</p><p><b>　　2. 評估控制任務(wù)</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。</p><p><b>　　(1) 控制規(guī)模</b></p><p>　　一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓?/p>

53、統(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來衡量。當控制規(guī)模較大時,特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時，最適合采用PLC控制。</p><p>　　(2) 工藝復雜程度</p><p>　　當工藝要求較復雜時,采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性.</p><p><b>　　(3) 可靠性要求</b></p><p>　　目前,當I/O點數(shù)在20甚

54、至更少時，就趨向于選擇PLC控制了。</p><p>　　(4) 數(shù)據(jù)處理速度</p><p>　　若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用PLC控制將非常適宜。</p><p>　　3.1.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。所謂硬件設(shè)計，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計，而

55、軟件設(shè)計即PLC應用程序的設(shè)計。整個系統(tǒng)的設(shè)計分以下5步進行。</p><p><b>　　1. 熟悉被控對象</b></p><p>　　深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計人員必須深入現(xiàn)場，認真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、

56、動作條件、必要的互鎖與保護;電氣系統(tǒng)與機械系統(tǒng)間的關(guān)系;PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。</p><p><b>　　2. 硬件選擇</b></p><p><b>　　具體包括如下：</b></p><p>　　(1) 系統(tǒng)I/O設(shè)備的選擇。輸入設(shè)備

57、包括按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。</p><p>　　(2) 選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。</p><p>　　(3) PLC的I/O端口分配。在進行I/O通道分配時應給出I/O通道分配表，表中應包含I/O編號、設(shè)備代號、名稱及功能等。</p><p&

58、gt;　　(4) 繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。</p><p>　　(5)計數(shù)器、定時器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。</p><p>　　3. 編寫應用程序 </p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，

59、采用合適的設(shè)計方法來設(shè)計PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應包括以下內(nèi)容： </p><p>　　(1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)

60、進行顯示等等。 </p><p>　　(2)檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。 </p><p>　　(3)保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 </p><p><b>　　4. 程序調(diào)試</b></p&g

61、t;<p>　　程序調(diào)試分為2個階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場調(diào)試。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。</p><p>　　根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 </p><p>　　(1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號

62、以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。 </p><p>　　(2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。</p><p>　　現(xiàn)場調(diào)試。當控制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面

63、的問題。</p><p><b>　　5. 編寫技術(shù)文件</b></p><p>　　技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等。</p><p>　　3.2 的選型與硬件配置</p><p>　　3.2.1 PLC型號的選著</p><p>　　本

64、吸液率控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-300系列的PLC。S7-300 PLC屬于小型整體式的PLC, 本機自帶RS-485通信接口、外掛電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個單獨的S7-300 CPU構(gòu)成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構(gòu)成較復雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。完整的S7-300系列PLC實物如圖3-2所示。</p><p>　　3.

65、2.2 PLC CPU的選著</p><p>　　S7-300系列的PLC有標準型CPU（CPU313、314、315、315-2DP、316-2DP）、戶外型CPU（CPU312IFM、CPU314IFM）、緊湊型（CPU312C、313C、313C-PtP）等類型。此系統(tǒng)選用S7-300 CPU312C，CPU226集成了DI/DO（10/6）的數(shù)字I/O。還有16KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間空間，8個獨立的計數(shù)器

66、，配有2個RS485通訊口，具有MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為187.5kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。</p><p>　　系統(tǒng)的硬件主要有S7—300和觸摸屏組成。采用觸摸屏后整個系統(tǒng)的I/0點數(shù)減少了很多，因此使用小型PLC(如S7—200)即可完成任務(wù)，但考慮到該系統(tǒng)使用的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，說以采用了I/O均有隔離措施的S7—300PLC，和使用小型PLC相比，本設(shè)計選著使用的C

67、PU312C有更高的性能價格比。系統(tǒng)硬件組成如圖3-3所示。</p><p>　　3.2.3 SM331模擬量輸入模塊</p><p>　　本液位控制系統(tǒng)中，通過差壓傳感器實時測量膠槽液位，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號，SM331用于將現(xiàn)場模擬量測量傳感器輸出的直流電流信號轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部處理用的數(shù)字信號。該模塊主要有A/D轉(zhuǎn)化器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、恒流源、補償電路、光隔離器及邏輯電路等組

68、成。SM331內(nèi)部只有一個A/D轉(zhuǎn)換器各路模擬信號可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換，按順序依次完成。其主要功能包括如下幾項：</p><p>　?、俜直媛士烧{(diào)，可以從9-15位加符號位。</p><p>　　②A/D轉(zhuǎn)化器采用積分法，4擋積分時間為2.5ms,16.7ms,20ms和100ms。</p><p>　?、蹨y量范圍廣，電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻和電阻式溫度計均可

69、作為傳感器與之相連。</p><p>　　④具有極限值診斷和中斷診斷。</p><p>　　SM331目前有8中規(guī)格的模塊，所有模塊內(nèi)部均設(shè)有光隔離電路，輸入一般采用屏蔽電纜，最長100米或200米。</p><p>　　3.2.4 電源模塊 2A PS307</p><p>　　本設(shè)計使用的是2A的PS307，通過總線給CPU模塊及A/D模

70、塊供電，并為觸摸屏提供24V直流電源。同時，PS307電源模塊還具有以下顯著特性：</p><p><b>　?、佥敵鲋绷麟娏?A</b></p><p>　?、谳敵鲭妷?4VDC；防短路和開路保護</p><p>　?、圻B接單相交流系統(tǒng)（輸入電壓120/230VAC,50/60HZ）</p><p><b>

71、　?、芸煽康母綦x特性</b></p><p><b>　?、菘捎米髫撦d電源</b></p><p>　　3.2.5 顯示模塊圖片TP170B</p><p>　　該觸摸屏的分辨率為240×320，藍色，顯示面積為116×87（W×H）mm,背光管無故障工作時間（25℃）500000小時（6年連續(xù)工作），

72、處理器32-Bit RISC/66MHZ,接口RS232、RS422、RS485，工作環(huán)境-20℃至60℃，可支持大約100頁信息、50幅圖畫、400條信息、按鈕開關(guān)、固定/動態(tài)文本及250個左右的變量，支持配方及趨勢圖，有400條事件/報警。</p><p>　　3.3 CPU312C I/O 信號說明</p><p>　　該液位測量系統(tǒng)I/O口分配如表3-1</p>&l

73、t;p>　　表3-1 系統(tǒng)I/O口分配</p><p>　　3-4 PLC控制器的設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)選用PLC CPU312C為控制器， 差壓傳感器將檢測到的實際膠槽液位轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)過SM331模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中，通過繼電器控制電磁閥的通斷來實現(xiàn)對膠槽注液。PLC和HMI相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。</p><p&g

74、t;　　圖3-4系統(tǒng)硬件構(gòu)成 </p><p>　　4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，上一章已經(jīng)詳細介紹了本項目硬件連接。本

75、章在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，將詳細介紹本項目軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的基本步驟、方法，編程軟件STEP7--Micro/WIN的介紹以及本項目程序設(shè)計。</p><p>　　4.1 PLC程序設(shè)計方法</p><p>　　編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。</p><p><b>　　1. 圖解法編程</b></p&g

76、t;<p>　　圖解法是靠畫圖進行PLC程序設(shè)計。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。</p><p><b>　?。?）梯形圖法</b></p><p>　　梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都與繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯

77、形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。</p><p><b>　　（2）邏輯流程圖法</b></p><p>　　邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關(guān)系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調(diào)試和維修程序。</p><p><b>　?。?）時序流程

78、圖法</b></p><p>　　時序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應該進行哪項控制的控制時序圖），再根據(jù)時序關(guān)系畫出對應的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時間為基準的控制系統(tǒng)的編程方法。</p><p><b>　?。?）步進順控法</b></p><p>　　步進順控法是在順控指

79、令的配合下設(shè)計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過程的一步。</p><p><b>　　2. 經(jīng)驗法編程</b></p><p>　　經(jīng)驗法是運用自己的或者別人的經(jīng)驗進行設(shè)計。多數(shù)是設(shè)計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結(jié)合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使

80、之適合自己的工程要求。</p><p>　　3.計算機輔助設(shè)計編程</p><p>　　計算機輔助設(shè)計是通過PLC編程軟件（比如STEP7--Micro/WIN）在計算機上進行程序設(shè)計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計算機上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計算機上進行程序的存取、加密以及形成EXE文件。</p><p>　　4.2 編程

81、軟件STEP7--Micro/WIN概述</p><p>　　STEP7--Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設(shè)計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子S7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進行操作，用戶使用起來更加方便。操作主界面如圖4-1所示。<

82、/p><p>　　4.2.1 STEP7-Micro/WIN簡單介紹</p><p>　　以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP 7--Micro/WIN，可雙擊STEP 7--Micro/WIN圖標，或選擇開始（Start）> SIMATIC >STEP 7 Micro/WIN 4.0菜單命令。如圖4-1所示，STEP 7--Micro/WIN項目窗口將提供用于

83、創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經(jīng)常使用的菜單命令，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。瀏覽條給出了多組圖標，用于訪問STEP 7--Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項目對象和指令?？蓪蝹€的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個指令，以便將其插入到程序編輯器中光標的當前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均

84、按標簽顯示。單擊標簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換。</p><p>　　STEP 7--Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下面詳細介紹梯形圖的特點。</p><p>　　圖4-1

85、 編程軟件STEP7--Micro/WIN主界面</p><p>　　4.2.2梯形圖語言特點</p><p>　　梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計稱為編程。</p><p>　　梯形圖程序設(shè)

86、計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個梯級是一個因果關(guān)系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述?！　≡诠I(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖

87、受到了歡迎，并得到了廣泛的應用。梯形圖程序設(shè)計語言的特點是：</p><p>　　與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；（2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學習；</p><p>　?。?）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點是特性圖中的能流（Power Flow）不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應用時，需與原有繼電器邏輯

88、控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待；</p><p>　　與布爾助記符程序設(shè)計語言一一對應，便于相互的轉(zhuǎn)化和程序的檢查。</p><p>　　4.2.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通信設(shè)置）</p><p>　　本項目中PLC要與電腦正確通信，安裝完STEP7-Micro/WIN編程軟件且設(shè)置好硬件后，可以按下列步驟進行通訊設(shè)置。</p><

89、;p>　?。?）在STEP7-Micro/WIN運行時單擊通訊圖標，或從“視圖”菜單中選擇選項“通信”，則會出現(xiàn)一個通信對話框（如圖4-2所示）。</p><p>　　圖4-2 通信參數(shù)設(shè)置</p><p>　?。?）在對話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標，將出現(xiàn)PG/PC接口對話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設(shè)置PG/PC接口”也行。如圖4-3所示。</p><

90、p>　　圖4-3 PG/PC接口對話框</p><p>　　單擊Properties按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認值為9.6kbps（如圖4-4所示）。</p><p>　　圖4-4 通信參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　4.3 程序設(shè)計</b></p><p><

91、;b>　　4.3.1設(shè)計思路</b></p><p>　　PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.1在上電時產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，將演算周期、布匹比重、漿液比重、液位上下限等參數(shù)存入相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，按下啟動按鈕，在無故障的前提下，演算開始，系統(tǒng)開始液位采集，采樣周期為10秒，差壓傳感器把所測量的液位信號轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號，模擬量輸入通道AIW0讀入4-20mA電流信號送入PLC，經(jīng)過