毕业论文-基于PLC的灌装生产线流量闭环控制系统设计【终稿】.docx

北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）学号：夜自升1208026北京化工大学 继续教育学院毕业论文（设计）论 文 题 目：基于PLC的灌装生产线流量闭环控制系统设计专 业：自动化层 次：本科班 级：学 习 形 式： 学 生 姓 名： 导师姓名： 开题日期：2014年3月8日 2014年6月8日基于PLC的灌装生产线流量闭环控制系统设计摘 要随着可编程控制器（PLC）控制功能和通信功能的日益完善和加强，目前许多企业为了降低成本，节省开发时间，同时又能满足控制要求，在组建控制系统时，常常采用PLC实现下位控制，用上位监控软件WinCC实现上位监控管理。本文是在这样的背景下，完成基于PLC灌装生产线控制系统设计,其中重点研究流量的闭环控制，实现对进料的流量按一定配比混料。在灌装生产线中几种物料的合成、混合是很常见的工序，完善的自动控制装置是提高生产效率和经济效益的重要手段。灌装生产线流量闭环控制系统由流量检测传感器、电动调节阀、变频调速泵、变频器、PLC和监控装置等组成。由西门子S7-300PLC实现闭环控制，用WinCC软件在PC机上实现监控，利用PID运算控制电动调节阀的开度来实现对流量的闭环控制。关键字：PLC 流量控制 灌装生产线 WinCC PIDAbstractWith the programmable logical controller（PLC）increasingly improve and strengthen the control and communication functions, in order to reduce costs, save development time, while at the same time meet the control requirements, many enterprises often use PLC to achieve the subordinate control , with upper monitoring software WinCC to achieve the upper control management while establish the control system.In such a context , the article completed the design of the bottling production line control system based on PLC , which focus on the study of the flow closed-loop control , realized a certain proportion of mixture of the feed flow . In the bottling production line , the synthesis and mixture of several materials is a very common process, automatic control device for perfect is an important means to improve the production efficiency and economic benefits . The flow closed-loop control of filling production line system consists of a flow testing sensor , electric control valve , variable speed pump , frequency converter , PLC and monitoring devices and other components . Using the Siemens S7-300PLC to achieve closed-loop control , with the WinCC software to complete monitoring in the PC machine , and through PID operation control the opening degree of the electric control valve to achieve closed-loop control of the flow .Key Words: PLC Flow control Bottling production line WinCC PID目 录引 言1 第1章 灌装生产线流量闭环控制系统概述2 第1.1节 系统控制任务与设计要求2 第1.2节 系统控制分析2 1.2.1 控制工艺2 1.2.2 信号分析4 第2章 总体方案设计8 第2.1节 项目中各个组成部分的作用8 第2.2节 整体方案设计思路8 2.2.1 控制对象要求8 2.2.2 控制面板和电器布置设计9 2.2.3 方案设计10 第3章 灌装生产线流量闭环控制系统硬件设计13 第3.1节 硬件选型13 第3.2节 硬件组态14 第3.3节 I/O分配17 第3.4节 电气原理图20 第3.5节 PLC模块接线图21 第4章 灌装生产线流量闭环控制系统软件设计24 第4.1节 程序设计思路24 第4.2节 程序结构图和主程序流程图25 4.2.1 程序结构图25 4.2.2 主程序流程图25 第4.3节 软件调试遇到的问题与解决方法27 第5章 上位监控系统设计28 第5.1节 上位监控系统组态软件WinCC简介28 第5.2节 上位监控系统结构设计28 第5.3节 建立WinCC与PLC的通信连接29 5.3.1 添加驱动程序29 5.3.2 系统参数设置30 第5.4节 建立变量30 第5.5节 WinCC过程画面设计32 5.5.1 初始画面32 5.5.2 系统运行画面33 5.5.3 流量参数设置画面33 5.5.4 流量趋势图画面34 5.5.5 报警画面34 5.5.6 用户管理36 第5.6节 画面调试过程中遇到的问题与解决方法37 第6章 流量的PID控制与调试38 第6.1节 PID的概念及其特点38 第6.2节 SFB41的使用38 6.2.1 输入端设计39 6.2.2 输出端设计40 第6.3节 PID参数的整定40 6.3.1 PID调试方法40 6.3.2 PID调试过程40 第6.4节 PID调试数据及趋势图40 6.4.1 流量PID调试40 第6.5节 PID调试结论43结 论44致 谢45参考文献4659引 言随着PLC控制器技术的不断进步，由于它体积小,功能强大,应用灵活,操作方便,维修容易,而且稳定可靠而被广泛应用于自动化生产系统中。在化工业快速发展的今天，物料配比混合系统的发展已经越来越受到重视。传统的人工配料混合法，已经远远不能满足社会的需要，人们需要精确的物料配料系统来满足各种混合料的制作。在医药、食品、化工等行业中，几种物料的合成、混合及反应是很常见的工序，人们对物料配料混合控制的要求也越来越高，物料混合的精确性和均匀性不仅是产品质量的关键，也是产品品质一致性的保障。传统的物料混合装置完全由人工操作，无论在配料、混料等阶段都存在诸多不确定因素，产品质量无法保证，废品多、人工投入量大。随着计算机技术的普及和发展，自动控制被广泛应用，它可大大降低工人的劳动强度，减少操作误差，提高产品质量。本文介绍的以PLC为主控制器的灌装生产线流量闭环控制系统，实现对灌装生产线物料流量的闭环控制，从而达到灌装生产中物料混合所要求一定比例的物料流量的输入，方便快捷地完成对物料流量处理的闭环控制系统，实现物料灌装生产线的自动运行，使产品质量提高。应用本项设计，可以更简单、快捷地对大型设备实现上位操作和全面的控制，从而减少劳动力，保障生产安全，提高产品的质量。灌装生产线流量控制系统设计中，系统主要由流量检测传感器、电动调节阀、变频调速泵、变频器、PLC和监控装置等组成。混料罐进料管道上分别装有流量传感器，将检测到的信号通过模拟量输入模块传送给PLC，PLC根据给定的流量设定值与实际检测值进行PID运算，通过模拟量输出模块输出信号，进而控制电动调节阀的开度实现流量控制，使两个物料罐的流量按照设定比例向混料罐添加物料，实现物料混合的恒流控制。当混料罐混合搅拌一定时间后，传送带由电机驱动运行，输送瓶子依次通过空瓶检测位置、物料灌装位置和成品检测位置。在空瓶位置检测到空瓶时，传送带向右运行，到灌装位置时打开阀门开始灌装，检测到灌装完成时送到成品位置，实现灌装生产线控制系统。上位监控采用WinCC软件在PC机上监控，实现上位系统对灌装生产线的流量监控，实时监控流量参数趋势图，监控现场流量状态及整个灌装过程。将WinCC与S7-300的通信连接，建立WinCC的变量与PLC控制器变量之间的连接，设计WinCC图形画面，从而实现实时监控系统的运行。第1章 灌装生产线流量闭环控制系统概述第1.1节 系统控制任务与设计要求在化工业快速发展的现代，物料配料混合系统的发展已经越来越受到重视，传统的人工物料配料混合法，已经远远不能满足社会的需要。人们需要更好的物料配料系统来满足各种混合料的制作。针对上述情况，本文设计了一种基于PLC灌装生产线流量的闭环控制系统，实现对灌装生产线物料流量的闭环控制，从而达到灌装生产中物料混合所要求的一定比例的物料流量的输入，方便快捷地完成对物料流量处理的闭环控制系统，实现物料灌装生产线的自动运行，使产品质量提高。应用本项设计，可以更简单、快捷地对大型设备实现上位操作和全面的控制，从而减少劳动力，保障生产安全，提高产品的质量。本设计是基于PLC的灌装生产线流量闭环控制系统的设计，研究灌装生产线系统，在此基础上主要研究物料按一定比例配料混合控制，并将混合的物料进行灌装生产。本系统由西门子S7-300系列PLC实现控制，用WinCC软件在PC机上实现上位监控，实现对灌装生产线流量的闭环控制。第1.2节 系统控制分析1.2.1 控制工艺物料灌装生产线系统控制工艺如图1-1所示。图1-1 系统控制工艺图物料灌装生产线流量闭环控制系统由两个物料罐、一个混料罐、一个储存罐、电磁阀、电动调节阀、液位传感器、搅拌电机、控制面板、流量变送器、手动阀和物料管道、传送带、位置传感器、瓶子等组成,其中系统机械结构图如图1-1所示。整个系统包括现场硬件设备和远程控制面板两大部分。物料混合系统设计分为：模式选择、待机模式、自动运行、手动运行等，具体功能介绍如下：模式选择：在工程项目中，有手/自动模式的选择，有上/下位模式的选择，以便完成系统的一些细节的操作。待机模式：在系统处于停止状态时，按下控制面板上的系统启动按钮，系统启动指示灯点亮，系统进入待机状态，系统待机后就可以进行手动/自动模式的选择。自动运行：系统进入待机状态后，将手/自动模式选择开关置于自动模式，系统进入自动运行模式。运行步骤如下：1）当系统需要向两个物料罐内添加物料时，A罐供料泵M1和B罐供料泵M2启动分别向两个物料罐添加物料。管道压力传感器测量管道压力值，将检测值送到PLC进行处理，之后将PLC的处理值送到电动调节阀QN0和QN3，通过控制QN0和QN3的开度，将供料管道内的压力值控制在系统设定值范围之内（防止由于压力过大损坏设备），实现供料压力控制。2）两个物料罐内的液位传感器会分别检测相应罐内的物料液位值，如果物料不足（达不到系统设定的液位值），供料泵M1、M2会启动，同时QM1和QM2打开向物料罐添加物料，直至达到系统的设定液位值要求为止。当两个物料罐向混料罐添加物料时，其液位会下降。这时液位传感器将检测值送往PLC处理，之后将处理值送往物料罐的进料电磁阀QM1和QM2，控制阀的开关，使两个罐的液位值保持在系统设定的范围值之内，实现两个物料罐液位控制。3）当两个物料罐的液位都达到要求的设定值后，两个物料罐对应的电动调节阀QN1和QN2会打开，使物料向物料罐中添加物料，同时两个物料罐对应的流量传感器会检测流量，并将将测值送到PLC进行处理，同时检测值也会被送到流量仪表进行显示，之后将PLC的处理值送到电动调节阀QN1和QN2，通过控制阀的开度实现流量控制，使两个物料罐的流量按照设定比例向混料罐添加物料，实现物料混合的恒流控制。4）混料罐的物料液位达到系统设定值之后，关闭QN1和QN2。搅拌电机启动进行搅拌。5）当混料罐混合搅拌一定时间后，混料罐内的物料达到加工要求，混料罐对应电动调节阀QM3打开排出物料到储存罐里。6）当储存罐的液位达到要求时，传送带正向运行，当灌装位置的传感器检测到瓶子时，传送带停止运行，打开阀门QM4，开始向瓶子灌装物料，灌装一定时间后，传送带继续运行到达成品位置，计数。以上控制过程中，其中流量A和流量B的物理量通过PLC进行处理的过程采用了PID控制算法，PID算法可以使各物理量实现精准控制。经过以上步骤的循环处理，就实现了物料混合的定量输入/定量输出控制。形成物料混合的闭环控制系统。在系统运行过程中，各个系统设备都设有运行指示灯，显示设备的运行状况；各个模拟量都设有相应的报警功能，当实际值超出所设上下限的值时，相应的报警灯应亮起实现报警功能。手动运行:在系统待机后，将手/自动模式选择开关打到手动模式，就可以对系统中的供料泵/电磁阀及电动调节阀、传送带等设备进行单独控制，主要用于检测相关设备是否工作正常，进而可以保证系统中物料混合的精确性。另外，只有在处于下位模式的时候，手动模式才会有效，这样保证了系统操作员与检修员不会出现安全问题。上位监控:要求有上位监控功能。监控画面设计包括初始画面、运行画面、报警画面、趋势图画面、参数设置画面、用户管理功能、过程值归档、报警功能等。初始画面：各画面切换按钮、时钟、用户登录等；运行画面：运行指示灯、液位值棒图、按钮、罐、阀、电机、传送带、瓶子、输入/输出域等；报警画面：液罐液位值的报警、画面切换按钮、滚动条等；趋势图画面：按钮切换、液罐液位值的变化趋势等；参数设置画面：流量的设定值。1.2.2 信号分析表1-1 数字量输入信号序号符号名称1SB1系统启动按钮2SB2系统停止按钮3SB3手动/自动选择4SB4就地/远程选择5SB5故障复位按钮6SB6急停按钮7SQ1空瓶位置接近开关8SQ2灌装位置接近开关9SQ3成品位置接近开关10SB7电磁阀QM1按钮11SB8电磁阀QM2按钮12SB9电磁阀QM3按钮（续）13SB10搅拌机开关按钮14SB11传送带电机正向点动按钮15SB12传送带电机反向点动按钮16SB13计数值清零17SB14手动主泵启动按钮18SB15手动主泵停止按钮19SB16电磁阀QM4按钮表1-2 数字量输出信号序号符号名称1L1系统启动指示灯2L2系统停止指示灯3L3手动模式指示灯4L4自动模式指示灯5L5就地控制指示灯6L6远程控制指示灯7L7QM1阀指示灯8L8QM2阀指示灯9L9A罐液位上限灯10L10A罐液位下限灯11L11B罐液位上限灯12L12B罐液位下限灯13L13混料罐液位上限灯14L14混料罐液位下限灯15L15急停指示灯16M1A罐供料泵17M2B罐供料泵18M3搅拌电机19M4灌装生产线电机（续）20QM1A罐进料阀门QM121QM2B罐进料阀门QM222QM3混料灌出料阀门QM323L21传送带正向运行24L22传送带反向运行25L16A罐供料泵运行指示灯26L17B罐供料泵运行指示灯27L18搅拌电机运行指示灯28L19QM3阀指示灯29QM4储存罐出料阀门QM430L20QM4阀指示灯31L21终端指示灯32Nixie Tube数码管显示QW6表1-3 模拟量输入地址序号符号名称1S1A罐液位传感器2S2B罐液位传感器3S3A罐流量变送器4S4B罐流量变送器5S5混料罐液位传感器6S6A罐供料管道流量变送器7S7B罐供料管道流量变送器8S8储存罐液位传感器表1-4 模拟量输出序号符号名称1QN0A罐供料管道电动调节阀2QN1A罐出料电动调节阀3QN2B罐出料电动调节阀4QN3B罐供料管道电动调节阀第2章 总体方案设计第2.1节 项目中各个组成部分的作用1）HMI:人机界面，可远程控制系统运行和观察系统运行的状况。2）控制面板：就地操作，控制系统的运行。3）PC：电脑操作，进行项目的软件编程和硬件组态、上位监控组态和画面设计。4）CPU：采集系统的输入信号，经过分析处理，转变成输出信号，控制系统运行。5）传感器、变送器：本系统的传感器、变送器用于检测液位、流量、空瓶位置、灌装位置、成品位置等，采集系统的模拟量信号，输送给CPU处理。液位传感器、变送器：三个液位传感器分别用来对液体A罐、液体B罐和配料罐的液位进行检测，输出420mA电流信号。流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的管路流量进行检测，输出420mA电流信号。6)变频器：通过设置频率改变电机的转速。7)供料泵电机：接受变频器的控制信号，改变主泵的转速，向系统供料，控制管道的流量。8)指示灯：显示系统元件的工作状态。9)接触器、电磁阀：通过CPU处理的输出信号，调节系统的需求。电动截止阀：控制阀的开关，实现流量控制按照设定比例值向混料罐添加物料，实现物料混合恒定。电动调节阀：接受控制信号，改变其开度，调节管道中液体的流量。10）其他电机：主要由供料电机、搅拌电机和传送带电机，辅助系统元件的运行。供料电机：接收控制信号，启动供料泵，实现物料供应。搅拌电动机：接收控制信号，启动搅拌器，实现混料搅拌功能。传送带电动机：接收控制信号，控制传送带正向运行或反向运行。11）传送带灌装部分：是物料灌装自动生产线，主要将传送带上的瓶子灌装物料。第2.2节 整体方案设计思路2.2.1 控制对象要求本设计是一个灌装生产流量闭环控制系统，由物料混合生产和灌装生产两部分组成。要求物料混合时物料按设定的比例进行混合搅拌和灌装生产时的自动化运行控制。控制系统由供料泵、电机、传送带、液罐、电磁阀、电动调节阀、液位传感器、流量传感器、位置传感器等组成。当按下启动按钮后，系统启动。有手动/自动的选择，当手动运行时，可以分别对供料泵、各个电磁阀、搅拌电机等设备的控制，可以使传送带电机点动正转和点动反转。自动运行时，系统自动运行，供料泵像两个物料罐供料，物料按一定比例输送给混料罐，由混料罐混合搅拌一定时间，传送带电机正转，依次给传送带上的瓶子灌装物料。灌装生产线设置三个工位：检测、灌装、成品。在自动控制系统中，两个物料罐的流出的流量经流量传感器和流量送器的转换，变为相应的电流信号，经过模拟量输入模块（A/D）转换为数字量，送往PLC控制器，并由程序将给定的流量值与测量值比较，得出偏差，此偏差按PID算法进行修正，求得对应的控制量，对流量进行控制。在监控系统中，操作者可以清楚地监视生产线的运行，可以在上位设定流量值。有流量设定值和实际值的显示，上下限报警，灌装的个数显示，手动/自动的提示，方便观察灌装生产线流量闭环控制系统的运行情况。2.2.2 控制面板和电器布置设计1） 灌装生产线流量闭环控制系统控制面板的设计如图2-1所示。控制面板由启动按钮、停止按钮、传送带正向启动按钮、传送带反向按钮、电磁阀QM1按钮、电磁阀QM2按钮、电磁阀QM3按钮、手动/自动选择开关、手动/自动模式指示灯、上位/下位选择开关、上位/下位模式指示灯、故障应答、急停按钮、计数值清零按钮和4位成品数显示数码管等组成。图2-1 控制面板布局图2）电器布置图的设计如图2-2所示。电器布置图由数字显示仪表、PLC模块、变频器、端子排接线模块、系统电源面板和系统控制面板组成。图2-2 电器布置图2.2.3 方案设计系统通过采集控制面板、PC机、传感器、变送器和HMI的输入信号，经过CPU单元分析处理，转变为输出信号，输送给HMI和仪器仪表显示系统的工作状态，控制变频器、电机、指示灯、接触器和电磁阀、物料灌装生产线自动控制，总体方案设计的系统原理如图2-3所示。图2-3 总体方案的系统原理图1）方案一本方案为上位HMI（WinCC）控制，WinCC可以控制和实时监视系统的运行情况。通过采用西门子PLC S7-300来控制设备运行，如图2-4所示，SIEMENS公司的PLC S7-300：数据采集和处理系统性能可靠，功能强大，组态灵活，扩展方便。模块化的设计在大中型控制系统中极大的方便了系统的维护、设计乃至安装各个环节。S7-300在西门子的PLC产品类里属于大中型PLC系统，适合的控制对象一般都在256点以上，1024点以下的。并且根据给定的流量值与实际检测值进行PID运算，控制输出流量的闭环控制系统。PID控制的应用，主要优点在于：PID控制对于大多数过程都具有良好的控制效果；PID控制算法原理简明，参数的物理意义明确，理论分析体系完整且应用经验丰富。图2-4 方案一系统原理图2）方案二本方案采用西门子PLC S7-200进行控制上位界面、电机运转、接触器、电磁阀的开关、指示灯的显示、加热器与液压泵的工作，上位监控系统采用SIMATIC Flexible触摸屏,西门子PLC S7-200使用顺序控制系统，逐步完成相应的功能。SIEMENS公司PLC S7200：产品定位在PLC家族的S7系列的低端，但比智能继电器LOGO的定位要高。通常S7-200用于200点开关量以内，35点模拟量以内，程序量在16K以内的应用场合。PLC S7-200数据块保存在RAM里，所以一旦超级电容没有电（断电100小时）数据就丢失。图2-5 方案二系统原理图通过两种方案的比较，本系统选择方案一，利用PID运算控制流量输出比例，上位采用WinCC监控系统运行状况，使用S7-300控制系统运行。第3章 灌装生产线流量闭环控制系统硬件设计第3.1节 硬件选型本设计所用的控制中心是模块式PLC S7-300，主要由电源模块、CPU模块、输入信号模块和输出信号模块等组成。根据灌装生产线流量闭环控制系统的输入/输出信号的点数，其中数字量输入19个，数字量输出48个，模拟量输入8个，模拟量输出4个，选择的PLC模块配置表如表3-1所示。表3-1 PLC模块配置表序号数量材料/器件型号/规格/订货号11电源PS 307 2A6ES7 307-1FA00-0AA021CPUCPU 314C-2DP6ES7 314-6CG03-0AB031数字量输入模块SM321 DI32DC24V6ES7312-1BL00-0AA041数字量输出模块SM322 DO32DC24V/0.5A6ES7 322-1BL00-0AA051模拟量输入模块SM331 AI812Bit6ES7 331-7KF01-0AB061模拟量输出模块SM332 AO412Bit6ES7 332-5HD01-0AB0整个系统的设备需要供料罐、物料罐、混料罐、传送带电机、供料泵、搅拌电机、电动调节阀、电动截止阀、流量传感器、手动阀、流量计、变频器、智能仪表、管道等，主控电路上需要空气开关、按钮、指示灯、电磁继电器（含底座）、热继电器、液位传感器、位置传感器等，各组成设备的硬件选型，如表3-2所示。表3-2 硬件设备型号序号材料/器件数量型号/规格/订货号1供料罐2DR-CG2物料罐2DR-CG（续）3混料罐1DR-CG4传送带电机1Y112M-4-4Kw5供料泵2CT616搅拌器电机1YN60-107电动截止阀32W-200-208电动调节阀4MXG461.20-5.09流量传感器4KZLWGY10手动阀6DF-650-311流量计4LDG-20S-MZE10012变频器MM44026SE6440-2AB17-5AA113智能仪表4WL系列14管道若干PVC系列15空气开关4DZ10-25016按钮10PBS-17A17指示灯若干AD1118电线若干YJV/VV19PLC模块导轨16ES7 390-1AE80-0AA020液位传感器3MIK-P260（MEACON）21位置传感器3PES-D18DO10(30)D22传送带1L型号-PU（MYBELT）23PROFIBUS-DP总线16XV1 830 6XV1830-0EH1024热继电器（西门子）43UA5240-1D 2A-3.2A25电磁继电器(OMRON)4MY2N-J26继电器底座(OMRON)4PYF08A-E第3.2节 硬件组态本系统中的硬件组态，建立新项目，选择300站点如图3-1所示；选择机架；选择电源模块PS 307 2A；选择CPU 314C-2DP及设置主站网络，CPU自带数字量输入/输出模块DI24/DO16输入地址为79、输出地址67；模拟量输入/输出模块AI5/AO2输入地址752761、输出地址为752755。扩展数字量输入模块DI32输入地址为03；数字量输出模块DO32输出地址为25；模拟量输入模块AI8，输入地址为200215，模拟量输出模块AO4，输出地址为300307。PLC与MM440变频器的硬件组态中，设置网络传输速度；设置新建PROFIBUS网络如图3-2所示；把两个MM440拖到主站下如图3-3所示；选择输入输出模块如图3-4所示；选择变频器参数以及地址如图3-5和3-6所示。图3-1 选择站点图3-2 新建PROFIBUS网络图3-3 把MM440拖到主站下图3-4 选择输入/输出模块图3-5 PLC与MM440变频器1的参数以及地址图3-6 PLC与MM440变频器2的参数及地址第3.3节 I/O分配本系统设计中，如表3-3输入地址分配表和表3-4输出地址分配表所示，共用到：开关量输入19个，地址为I0.0-I2.2；开关量输出48个，地址为Q2.0-Q2.7，Q3.0-Q3.7，Q4.0-Q4.7，Q5.0-Q5.6，QW6；模拟量输入8个，地址为PIW200-PIW204，PIW208-PIW214，PIW752；模拟量输出4个，地址为PQW300-PQW306；程序块：FC10，FC20，FC30，FC40，FC50，FC60，FC70，FC90，FC80，FC105，FC106，DB10，DB20，SFB41。表3-3 输入地址分配表序号符号名称地址类型1SB1 系统启动按钮I0.0DI2SB2系统停止按钮I0.1DI3SB14手动主泵启动按钮I0.2DI4SB15手动主泵停止按钮I0.3DI5SB3手/自动运行选择开关I0.4DI6SB4上/下位控制选择开关I0.5DI7SB13计数值清零I0.7DI8SB10搅拌机开关按钮I2.0DI9SB7电磁阀QM1开关按钮I1.1DI10SB8电磁阀QM2开关按钮I1.2DI11SB9电磁阀QM3开关按钮I1.3DI12SB5故障复位按钮I1.4DI13SB11传送带电机正向点动按钮I1.5DI14SB12传送带电机反向点动按钮I1.6DI15SB6急停按钮I1.7DI16SQ1空瓶位置I2.0DI17SQ2灌装位置I2.1DI18SQ3成品位置I2.2DI19SB16电磁阀QM4开关按钮I2.3DI20S1A罐液位变送器PIW200AI21S2B罐液位变送器PIW202AI22S3H罐液位变送器PIW204AI23S4A罐流量变送器PIW208AI24S5B罐流量变送器PIW210AI25S6A供料管道流量变送器PIW212AI26S7B供料管道流量变送器PIW214AI27S8储存罐液位变送器PIW752AI表3-4 输出地址分配表序号符号名称地址类型1L1B泵指示灯Q2.0DO2L2A泵指示灯Q2.1DO3L3QM1运行指示灯Q2.2DO4L4QM2运行指示灯Q2.3DO5L5QM3运行指示灯Q2.4DO6KM5传送带电机反转Q2.5DO7L6QM4运行指示灯Q2.6DO8KM4传送带电机正转Q2.7DO9L7A罐下限灯Q3.0DO10L8A罐上限灯Q3.1DO11L9B罐下限灯Q3.2DO12L10B罐上限灯Q3.3DO13L11H罐下限灯Q3.4DO14L12H罐上限灯Q3.5DO15L13搅拌器运行指示灯Q3.6DO16KM3搅拌电机Q3.7DO17QM1 A罐进料电磁阀（QM1）Q4.0DO18QM2B罐进料电磁阀（QM2）Q4.1DO19QM3H罐出料电磁阀（QM3）Q4.2DO20L14上位运行指示灯Q4.3DO21L15下位运行指示灯Q4.4DO22L16故障灯Q4.5DO23L17手动模式Q4.6DO24L18自动模式Q4.7DO25L19程序运行指示灯Q5.0DO26L20系统停止指示灯Q5.1DO（续）27L21终端指示灯Q5.2DO28L22传送带正向运行Q5.3DO29L23传送带反向运行Q5.4DO30M1A罐供料泵Q5.5DO31M2B罐供料泵Q5.6DO32QM4QM4电磁阀Q5.7DO33QN0B供料管道电动调节阀QN0PQW300AO34QN1A罐出料电动调节阀QN1PQW302AO35QN2B罐出料电动调节阀QN2PQW304AO36QN3A供料管道电动调节阀QN3PQW306AO37Nixie Tube数码管显示QW6DO第3.4节 电气原理图本系统的电气原理图如图3-7所示。主电路有A罐供料泵M1、B罐供料泵M2、搅拌电机M3、传送带电机M4，控制电路由PLC来控制，包括电源PS、CPU、SM321、SM322、SM331、SM332。图3-7 电气原理图第3.5节 PLC模块接线图PLC模块接线图有CPU自带的输入输出模块接线图如图3-8所示，数字量输入模块接线图如图3-9所示，数字量输出模块接线图如图3-10所示，模拟量输入模块接线图如图3-11所示，模拟量输出模块接线图如图3-12所示。图3-8 CPU自带的输入输出模块接线图图3-9 数字量输入模块接线图图3-10 数字量输出模块接线图图3-11 模拟量输入模块接线图图3-12 模拟量输出模块接线图第4章 灌装生产线流量闭环控制系统软件设计第4.1节 程序设计思路本系统设计采用的是随机逻辑编程方法，首先列出各个控制要求，编出程序，然后写出各控制要求的前提条件，把同样条件的控制程序放在同一个子程序里，这样程序清晰明了，易于理解，程序编写有误时也能快速有效地进行修改和调试。通过分析控制任务要求，本系统需要有手动运行、自动运行、急停处理、故障复位等，在自动运行功能程序中，又要对各个罐的液位、输出的流量及灌装生产线的物料灌装等进行处理，可以使用模块化的程序设计。本系统共设计了1个主程序5个子程序，子程序分别为急停处理，手动调试，自动运行，模拟量处理，故障报警。主程序OB1调用FC10急停处理，FC20手动调试，FC30自动运行功能，FC90故障诊断；FC40 A罐处理，FC50 B罐处理，FC60混料罐处理，FC70供料处理，FC80灌装生产线处理。下面对本系统各个程序块作简要介绍。主程序OB1：在本系统中主要完成系统自动/手动工作模式的选择，上位/下位控制模式的选择，调用急停、故障应答等。手动调试：在系统待机后，将自动/手动模式选择开关打到手动模式，可以对系统中的供料泵、传送带点动正转、点动反转，电磁阀及电动调节阀等设备进行单独控制。自动运行：在系统待机后，将自动/手动模式选择开关打到自动模式，系统进入自动运行模式，调用FC40 A罐处理，FC50 B罐处理，FC60混料罐处理，FC70供料罐处理。在物料混合搅拌中要求两个物料罐的液位达到设定值时物料按设定比例输出到混料罐中进行混合搅拌，为了达到恒流量输出，需要对所设定的流量和实际流量进行PID运算，使得物料能按照需要的比例输送到混合罐中进行混合搅拌，输出的流量在WinCC上显示趋势图；FC80灌装生产线处理在自动模式下，电机正转一直保持接通，直到接近开关（I2.0、I2.1、I2.2）检测到传送带无瓶子或按下停止按钮时，传送带停止运动；当传感器检测到瓶子时传送带停下来，检测有无工件，当灌装位置传感器检测到有工件时，传送带停下来，开始对瓶子进行灌装，灌装5秒后传送带继续工作，当成品位置传感器检测到工件时，传送带停下来，开始对工件进行成品处理及计数，同时用累加器实现灌装计数，将灌装个数在数码显示管和WinCC上显示。故障处理FC90:故障诊断功能是本系统为了方便工作人员在系统出现故障时能快速找出故障所在并且排除故障和故障原因而设置。急停处理FC10：急停功能的设置是为了本系统的安全运行而设计的。当有本系统运行时如有意外事故发生，操作人员在此紧急情况下按下急停按钮，系统自动执行急停处理功能。第4.2节 程序结构图和主程序流程图4.2.1 程序结构图本系统的程序主要有主程序OB1调用急停处理FC10、手动模式FC20、自动模式FC30和故障处理FC90，在自动模式中又调用A罐处理、B罐处理、混料罐处理以及灌装生产线处理等；另一程序OB35循环采集模拟量信号，调用FC105及PID处理程序的SFB41，灌装生产线流量闭环控制系统的程序结构图如图4-1所示。图4-1 程序结构图4.2.2 主程序流程图根据灌装生产线流量闭环控制系统的控制要求，设计了该系统的自动模式程序的顺控图，如图4-2所示。程序在自动运行模式下，按下启动按钮，A、B罐的液位传感器对液位检测处理，小于80时泵启动，阀门打开；小于或等于20时，下限灯打开；大于或等于80时，上限灯打开，泵停止，阀门关闭。当A、B罐的液位同时达到50时，通过PID运算将A、B罐的输出流量按一定比例向混料罐供料，当混料罐的液位小于或等于20时，其下限灯打开；当液位大于或等于80时，混料罐的上限灯打开，A、B罐向混料罐供料的电磁阀关闭，同时搅拌电机打开，搅拌两分钟。此时，灌装生产线运行，传送带正向运行，位置传感器检测传送带上瓶子的位置，如在空瓶位置上检测到有瓶子，则传送带继续正向运行，向灌装位置传送瓶子；在灌装位置上，混料罐向灌装生产线供料的电磁阀打开，传送带停止运转，灌装5秒后，电磁阀关闭，传送带继续正向运转；在成品位置上，则统计成品数的显示器上加1显示当前的灌装成品工作量。在运行过程中，设备运转的通过相应的指示灯来指示。图4-2 自动模式流程图第4.3节 软件调试遇到的问题与解决方法在软件编程过程中，遇到了比硬件部分更多的问题。由于设计开始是以程序的编写为开端，各个工作状态下的程序基本是独立编写的，在调试过程中，发现不能正确地循环程序以达到系统预期的效果。例如在程序运行过程中，传感器采集到的液位、流量等数据在程序中无法与采集到的数据保持一致；在程序中应控制电磁阀开，但实际电磁阀却未开启，或者控制电磁阀瞬时未关闭；某个开关量的控制不到位或者数据不统一。经过分析检查，发现原因在于程序中用到的数据存储器和中间寄存器重复使用导致数据混乱。这些问题的解决办法是重新将存储器和中间寄存器的地址整理并避免重复使用，防止地址写错而导致无法显示数据或者是有置位而没有按要求复位，使问题得以解决。在调试程序运行时，发现有几个液位的下/上限灯不能按照程序对应亮灭，检查发现所给的地址不对，经过修改后则能正常运行。第5章 上位监控系统设计第5.1节 上位监控系统组态软件WinCC简介WinCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WinCC是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准环境中，WinCC具有控制自动化过程的强大功能 ，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WinCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确地满足控制系统的要求。第5.2节 上位监控系统结构设计根据对灌装生产线流量闭环控制系统的研究，设计该系统的上位监控系统调用关系如图5-1所示。WinCC调用初始画面、运行画面、参数设置画面、流量趋势图和报警画面等。初始画面是开机可以直接看到的画面；运行画面可以显示现场工作状态、对现场设备进行控制；参数设置画面是根据控制工艺不同需要修改变化的数据，比如流量。趋势图用于监视现场过程值的变化曲线，例如该系统中，从WinCC的流量趋势图上能实时地观察到流量按照设定比例输送到混料罐混合搅拌的趋势图，方便监控整个系统运行情况。为了方便监视和控制生产现场的操作，通常将画面的布局分为3个区域：总览区、现场区和按钮区。该系统所使用的画面布局如图5-2所示。总览区通常包括在所有画面中都显示的信息；现场画面区通常是组态的过程画面，显示过程事件；按钮区通常是显示可以操作的按钮。图5-1 WinCC调用关系图图5-2 画面布局图第5.3节 建立WinCC与PLC的通信连接添加新的驱动程序，建立新驱动程序的连接，设置连接的系统参数，检查通信连接状态。自动化控制系统与人机界面HMI（Human Machine Interface）设备之间的数据交换是通过变量实现通信的。使用WinCC的变量编辑器生成监控系统所需的变量，设置变量的属性。5.3.1 添加驱动程序在“变量管理”浏览窗口中，选择WinCC项目与所连接的PLC之间的通信协议(MPI通信方式)，并在鼠标右键快捷菜单中选择“新驱动程序的选择”命令，打开“连接属性”对话框，如图5-3所示，为逻辑连接命名，如以连接的CPU命名“CPU314C-2DP”。图5-3 添加新驱动程序的连接5.3.2 系统参数设置在“变量管理”浏览窗口中，选择WinCC项目与所连接的PLC之间的通信协议MPI，并在鼠标右键快捷菜单中选择“系统参数”命令，在“系统菜单”中选择“单元”添加逻辑设备名称。如图5-4所示。图5-4 系统参数设置对话框第5.4节 建立变量WinCC与PLC连接时建立的变量，单击变量管理器中的变量组名，并在鼠标右键快捷菜单中选择“新建变量”命令，打开“变量属性”对话框，在“常规”选项卡中定义变量名称，选择变量的数据类型，若创建的是过程变量，还要设置变量的“地址属性”，如图5-5所示。5-5 建立变量依次完成变量数据的建立，变量数据窗口如图5-6所示。命名变量时，变量名在整个项目中必须唯一，WinCC不区分变量名中的大小写字符，变量名不得超过128字符。图5-6 变量数据窗口第5.5节 WinCC过程画面设计本系统中所设计的WinCC