毕业设计（论文）-智能防碰天车装置的实验研究.doc

学生姓名学号教学院系电气信息学院专业年级自动化2007级指导教师职称单位电气信息学院 本科毕业设计（论文）题目：智能防碰天车装置研究研究研究的实验研究完成日期2011年6月1日摘要在工业控制领域，计算机自动监控系统得到了越来越广泛的应用。针对天车装置给生产带来安全隐患（具体一点）的问题，目前的现状。设计了基于可编程逻辑控制器（PLC）的智能防碰天车装置的系统。具体方法、手段、实现的功能：方案，用了哪些硬件，软件。实现了什么功能。在分析了智能防碰天车装置的工作环境、原理及流程，本文采用 MCGS组态软件开发监控系统的人机界面，采用 PLC 实现MCGS与外界数据的通信，对外界系统的实时监控、报警等，避免了游动滑车碰撞天车等恶性事故的发生。此次设计运用了三菱PLC和MCGS组态软件。1.可编程逻辑控制器（PLC）软件编程设计：为了实现系统的自动跳转使用了步进梯形图来进行编程，步进梯形图的优点是让用户每次只考虑一个状态，而不必考虑其他的状态，从而是编程更容易，而且还可以减少指令的程序步数，因此步进梯形图特别适用于时间和位移等顺序的控制过程，也能形象、直观的表示顺序控制。采用标准三菱SC-09的RS232口的编程电缆与PLC编程口相连，将程序下载到PLC的CPU，即可进行相应的动作。完成智能防碰天车的自动运行和控制。2.MCGS组态软件的设计：MCGS采用简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，能够开发出复杂的流程控制系统。本系统采用MCGS组态软件设计监控画面，以确保可以对PLC的运行进行实时的监控。结论和意义，评价。本系统实现了智能防碰天车装置的自动控制和实时监测，满足了该装置的技术要求。关键字：石油井架、防碰装置的实验研究；监控系统；PLC；MCGS组态软件AbstractIn the industrial control area, computer automatic monitoring systems have been applied more and more. According to bring security to production PTM device hidden problems, was designed based on programmable logic controller (PLC) intelligence prevent touch the system, PTM device 。On the analysis of the intelligence prevent touch PTM device working environment, principle and process flow, this paper adopts MCGS software development human-machine interface of the monitor system, adopting PLC with external data communications MCGS of external system of real-time monitoring, alarm, avoid the pulley collision swam crane accident of such malignant.This design using mitsubishi PLC and MCGS software.1. The programmable logic controller (PLC) software programming design：In order to realize the system automatic jump used stepping ladder diagram forprogramming, step ladder diagram advantage is let users each only consider a state, without regard to other state, which is much easier to program in, but also reduce instruction program at-bats and therefore stepping ladder-diagram especially suitable for time and displacement to the control process of such order can image, intuitive says sequence control. Adopt standard mitsubishi SC - the RS232 mouth programming 01/09 connected with PLC programming mouth cable program download to PLC, the CPU, and then the corresponding action.Complete intelligence prevent touch the automatic operation and control crane.2. MCGS software design:The class by MCGS easy with abundant Basic scripting language The MCGS strategy components, could easily develop complex process control system.The system USES the MCGS software design monitoring menu, to ensure that can run of PLC real-time monitoring. This system realizes the intelligence prevent touch PTM device of automatic control and real-time monitoring, meet the technical requirements for the device.Key word: intelligence prevent touch PTM device;Monitoring systems;PLC;MCGS software;Step ladder diagraIIII目录1 绪论11.1 设计背景11.2 设计目的和意义11.3 设计内容22 智能防碰天车装置的总体设计32.1 智能防碰天车装置的结构32.2 系统总方案设计42.2.1 控制方案设计及选型42.2.2 研究思路63. 实验装置硬件设计及制作63.1 实验装置硬件系统设计63.2主要器件选型83.2.1 ST188光电传感器83.2.2 电动机103.2.3 集成运算放大器103.2.4 PLC型号的选择113.3 硬件电路图113.3.1 ST188电路图113.3.2 电机接线图123.3.3 集成运算放大器接线图123.4 实验装置制作134 软件设计134.1 控制系统的流程图144.2 控制系统的梯形图154.3 人机界面组态软件设计154.3.1 MCGS组态软件简介154.3.2 MCGS 的整体结构154.3.3 创建工程174.3.4 创建实时数据库174.3.5 制作监控画面184.3.6 MCGS设备窗口调试205 系统调试215.1 PLC软硬件调试215.2 MCGS监控界面调试245.3 模拟天车装置调试255.4 调试结果255.5 问题分析和解决方案266 总结30谢辞31参考文献32附录33附录一：控制系统PLC梯形图33附录二：控制系统PLC指令表35附录三 系统运行效果36智能防碰天车装置的实验研究391 绪论1.1 设计背景防碰天车装置是石油、天然气、盐业、地矿等钻探作业中预防天车顶撞事故安全 西南石油大学本科毕业设计（论文）的保障系统。石油钻井施工作业中,由于防碰天车失效造成的游车碰天车和大绳断绳事故时有发生,如何提高天车防碰系统的可靠性一直是油田和钻机制造厂关注的焦点。目前，各种防碰天车装置在石油钻井和修井作业中广泛使用,大大提高了施工作业的效率和安全性，减轻了工人的劳动强度，减少或避免了作业中的顶天车等事故的发生。但由于国家和石油行业目前并没有关于防碰天车装置方面的标准或规范，因此各个生产厂商的产品各不相同，在应用中存在的问题也各不一样；同时由于发展的不平衡，各种形式的防碰天车系统（装置）均有井队应用1。随着微电子技术、传感技术、自动化控制的迅猛发展，这些技术已经完全用于天车防碰系统中，出现了新一代的数显防碰装置，在钻井过程中，它能对钻机游动滑车的上升或下放过程实行直观的高度显示，并对顶撞天车事故实施随钻监测、报警、自动控制。近年来PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它们在控制性能、开发周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以比拟的。此课题的控制设计能有效减少设备的连接线路和故障率高带来的维修所造成的损失。采用PLC控制能够明显降低成本和企业管理成本，具有普遍的技术及经济意义。1.2 设计目的和意义目前,钻机的防碰装置通常有重锤式、过卷阀式和电子式3种方式。重锤式和过卷阀式属机械防碰装置,若安装得当,系统工作正常,能起到有效的安全防碰作用,但该系统为被动防碰装置,没有提前报警的功能,其紧急刹车是突发性的,对设备冲击很大。电子式防碰装置除了具备机械防碰装置的防碰功能外,还具有控制精度高、提前报警及安装容易的特点。但是常规电子式钻机天车防碰系统的提前报警高度是固定的,报警位置设置过高时司钻反应不及时、设置过低时又干扰司钻的正常操作,从而使得该系统同样成为被动防碰系统。另外,上述防碰装置还存在刹车系统性能测试不方便的缺陷2。智能防碰天车装置的实验研究1.3 设计内容主要设计内容有：1.智能防碰天车装置的工作过程分析；设计的研究对象是天车，所以首先对智能防碰天车装置的工作过程进行系统的分析，确定各个环节的检测和控制参数。2.确定天车系统的控制方案按智能防碰天车装置在石油、钻采行业中所处的地位以及自身特点，设计相应的控制方案，以确保天车系统安全、平稳运行。3.以PLC为核心的软件设计以PLC作为主控器，对现场天车上升的高度实施监控，对采集到的数据进行快传和数据共享，实现对高度的控制。4.采用MCGS软件进行监控界面编辑智能防碰天车装置监控程序采用MCGS设计，来完成数据报警、数据记录、 数据查询、信息提示、安全防护等功能。5.搭建天车模拟实验平台完成模拟实验智能防碰天车装置的模拟实验平台采用实验井架、传感器和直流电机来完成，对天车运行进行简单、及时的控制，完成模拟实验。2 智能防碰天车装置的总体设计2.1 智能防碰天车装置的结构防碰天车装置简单讲就是能够对上升过程中的游车（大钩）进行“高度限位”检测并且能够自动紧急停（刹）车，避免游车与井架上的天车相碰撞的一种安全保护装置。如图2.1所示3。图2.1 天车结构图由电机带动滚筒转动来完成游车大钩的提升和下放，当游车大钩上升到提醒司钻高度h时，会发出声光报警提醒司钻控制游车大钩的上升速度，表示快到位了应该减速，摘离合器，以限制其上（冲）提的速度（惯性）。当游车大钩继续上冲到达防碰高度 H时，电气动执行机构将快速动作，实现自动紧急（停）刹车。所以防碰天车系统的安全性是十分重要的，该装置具有自动监测、运算处理、智能化提醒司钻、自动刹车控制等功能，防止顶天车等事故的发生。天车中钻机的提醒司钻高度h和防碰高度H是可调的，根据现场需要，所要求的高度不同，目前石油行业中常用的钻机有大庆130，这是一款使用时间较长，安全性能较高的天车，它有三组高度可调，此外还有宏华钻机、钻20B等，本设计采用实验室提供的模拟井架。井架的具体数据如表2.1所示。表2.1 钻机H和h值钻机型号提醒司钻高度h（m）防碰高度H（m）大庆1307093四五95113五六110132六七宏华钻机90116钻20B105125实验天车1.321.68提出整个系统的设计要求。2.2 系统总方案设计2.2.1 控制方案设计方案一：基于单片机实现的防碰天车系统单片机主要应用于工业测控，其典型应用系统包括单片机系统，用于测控目的的前向传感器输入通道、后项伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。是自动地进行运算和控制，把实现计算和控制的步骤一步步地用命令的形式，即一条条指令预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行，得到所需信息。具体设计框图如下：当滚筒主轴转动时,传感器便感应出脉冲信号,再通过单片机的处理计算和转换即可显示钢丝绳升降的实际长度、滚筒的圈数和工作次数,以及实现声光报警,从而实现实时监控。图2.2 单片机的硬件设计控制框图方案二：基于DSP实现的防碰天车系统数字信号处理（DSP）是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 在防碰天车控制系统中，对滚筒上的传感器信号采集后经过模数转换并进行滤波、识别处理，输出符合要求的信号来控制外部设备。方案三：基于PLC实现的防碰天车系统 PLC采用了典型的计算机结构，我们可以把它看做一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成。PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本低。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的稳定性。在设计智能防碰天车系统中，在天车系统上采用两个相同光电传感器，传感器1放在天车上，把传感器2放在滚筒前的定滑轮上，采用两个传感器是为安全考虑，传感器1作为冗余，采用这种方法是由于滚筒有时候会出现咬绳，乱绳、骑绳等问题，影响测量精度，因为现在采用的这种方法是由于滑轮的转速是一致的，所以滑轮走过的长度是一定，这样所测数据精确。具体工作框图如下所示。图2.3 工作框图综上面三种方案分析，其中，单片机适合集成开发，而且跟PLC相比，单片机相对脆弱，不适合在噪声、污染大的环境中使用，会对单片机的使用性能和寿命有所损害。DSP比单片机还高级，主要使用与大规模的计算，而在钻井现场，只需根据传感器的信号判断游车大钩的高度，计算简单，没必要使用DSP来控制，浪费资源。由于防碰天车的工作环境恶劣，而且要求具有可靠性、安全性，对于司钻来说，要便于学习、操作，可以在最短的时间里防止危害的发生，所以使用PLC控制是最合理的，因此本设计选用方案三。2.2.2 研究思路本设计的主要内容为智能防碰天车装置的实验研究，因此必须考虑各个设备之间的配置问题,总的研究思路为：首先采用三菱SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件将已经编制的梯形图传送至PLC的CPU中，调试完成之后采用MCGS组态软件设计监控界面，对PLC进行实时监控，最后将模拟天车装置中传感器的信号通过处理输入PLC中，通过联机调试来完成整个模拟系统，图2.4为整个系统的配置图。驱动数据传输数据传输SWOPC-FXGP/WIN-CMCGS开发上位机界面三菱FX2NPLC模拟天车装置图 2.4 系统总配置图3. 实验装置硬件设计及制作3.1 实验装置硬件系统设计PLC的内部结构尽管与计算机、微机类似，但其接口电路不相同，编程语言也不一致。因此PLC控制系统与微机控制系统开发过程不完全相同，需要根据PLC本身的特点、性能进行系统设计。PLC控制系统的设计是根据基本原则、基本内容、步骤一步步进行的，目的是要设计一个经济、实用、可靠、先进的PLC控制系统。本次设计是以PLC为主控器搭建的模拟实验天车装置，由模拟井架、PLC、传感器及其外围电路组成，所涉及到的硬件有电机、滚筒、滑轮、传感器、集成运算放大器、开关和指示灯，如图3.1所示。电机滚筒天车大钩传感器传感器PLC指示灯开关集成运算放大器图3.1 PLC控制系统根据实验室所提供的模拟井架，模拟设计了智能防碰天车系统，并在天车系统上安装两个传感器，均为光电反射式传感器。但是安放位置不同，传感器1放天车上，把传感器2放在滚筒前的定滑轮上，采用两个传感器是为安全考虑，传感器1作为冗余，遇到紧急情况可以切换，不影响安全生产，传感器安放位置框图如图3.2所示。电机绞车定滑轮传感器天车（定滑轮）传感器（冗余）图3,2 传感器安放位置图根据对以上实验装置硬件系统设计的研究，开关和传感器信号作为输入，指示灯作为输出，此次设计需要输入点5个，输出点9个。给出监控数据点表。并进行说明。3.2主要器件选型3.2.1 ST188光电传感器本系统从安全、可靠性方面考虑，采用ST188反射式光电传感器来实现对游车大钩高度的控制，该传感器为黑白循迹传感器，在黑色和白色区域显示不同的电平，产生脉冲信号，滚筒前的滑轮每转过一圈传感器就经过一次白色区域，通过转过的圈数来记录高度。1ST188的特点：采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成；可调整距离范围大，413mm可用；采用非接触检测方式。2应用范围：IC卡电度表脉冲数据采样； 集中抄表系统数据采集； 传真机纸张检测。3ST188的各项参数图3.3 ST188的外形尺寸（单位：mm）表3.1 ST188的极限参数（Ta=25C）项目符号数值单位输入正向电流I50mA反向电压Vr6V耗散功率P75mW输出集-射电压Vceo25V射-集电压Veco6V集电极功耗Pc50mW工作温度Topr-20+650C存储温度Tstg-30+750C 表3.2 ST188的光电特性（Ta=25C）项目符号测试最小典型最大单位输入正向电压VFIF=20mA-1.251.5V反向电流IRVr=30V-10uA输出集电极暗电流IceoVce=20V-1uA集电极亮电流ILVce=5VIF=8mAL30.30-mAL40.40-mAL50.50-mA饱和压降VCEIF=8m IC=0.15mA-0.4V传输特性响应时间TrIF=20mA Vce=5VRC=100-5-usTf-5-us3.2.2 电动机在石油等工业现场中由于钻杆重量、地层压力等因素通常使用交流电机，但是由于本设计是实验研究，根据实验室所提供的模拟井架的高度，选用了小型直流电动机，来完成模拟滚筒装置的制作。该直流电动机在调节转速方面比较简单，只须控制电压大小即可控制其转速，本设计中采用的直流电机转速在200r/min 以下，最高电压不能超过12V，当直流电压较小时，电机转动比较缓慢来带动滚筒缠线以此来提升和下放游车大钩，电机实物图如图3.4所示。图3.4 电机实物图3.2.3 集成运算放大器uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，是一种常用的运算放大器，这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护。 在本系统中将传感器产生的信号通过该集成运算放大器放大后再输入PLC中。图3.5 UA741引脚图uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源， 8空脚。3.2.4 PLC型号的选择根据对智能防碰天车实验装置的硬件进行系统的分析，要考虑到I/O地址分配要有一定的裕量，所以I/O地址分配如表3.4所示。表3.4 I/O地址一览表启动按钮X0外部脉冲输入X1安全与非安全转换开关X4下降启动X2电机反转Y0电机正转Y1电源指示灯Y2电机反转Y0上升过程灯闪烁计数Y3刹车Y6减速报警灯闪烁Y5延时后下降过程灯闪烁Y7下降过程灯闪烁计数Y14减速上升过程灯闪烁Y15由表3.4可以确定输入点数 有4个；输出点数有 9 个。 所以选择三菱公司的 FX2N-48MR 型PLC，此型号 PLC 输入点数为 24个，输出点数为24个，完全能够满足此次设计中点数的需要，三菱FX2N-48MR型PLC具有集成型高性能、高速运算、丰富的软元件范围等优点。其I/O 功能和指令系统都能满足对该智能防碰天车实验装置的控制要求。3.3 硬件电路图3.3.1 ST188电路图ST188有四个引脚，接线中将A、C引脚接在一起作为电源端口，输入电压为5V,E、K两个引脚分别接510和20K，E端口为输出端，将传感器输出的信号经过放大器放大之后输入PLC中，两个电阻的另一端连接在一起作为接地端。具体电路图如下图所示。图3.6 ST188电路图3.3.2 电机接线图如图所示，在电机的一侧连接了一个模拟滚筒，电机转动带动滚筒转动来完成提升和下放过程，由于要控制电机的正反转，为了方便起见，采用插线手动来完成，此外，电机外加电压为4V，此时转速刚好符合模拟天车实验装置。多少下放速度 图3.7 电机接线图 图3.8 电机接线实物图3.3.3 集成运算放大器接线图 如图所示，该运放的电源电压分别为+12V和-12V,UA741的各个引脚已经接好，只需连接外部电路，由于PLC输入电压为负值，所以采用反向放大器，输入端将R1、R2和R3三个电阻串接，Rf接100K，放大倍数为-3倍左右，左端接入传感器输入信号，右端输出外接PLC即可。图3.9 运放接线图 图3.10 运放实物图3.4 实验装置制作根据对实验装置硬件系统的设计和对主要器件的选型，即可以完成智能防碰天车装置的模拟硬件的搭建，以PLC作为主控器是本设计的核心部分，外接电机、传感器、集成运放电路等硬件来完善该装置，所有的外部信号输入至PLC中，经过内部处理和运算来驱动外部指示灯，完成硬件搭建，具体实物图如下图所示。图3.11 实验装置4 软件设计本系统的软件设计主要以三菱FX2N系列PLC为主控制器，采用SWOPC-FXGP/WIN-C软件进行程序设计，使用MCGS编制人机界面，以实现智能防碰天车装置的的自动监控。数据传输 数据采集与传输 MCGS开发上位机界面PLCSWOPC-FXGP/WIN-C图4.1 软件结构框图4.1 控制系统的流程图NNNNYYYYY开始运行指示灯亮？下降启动？Hight=0&上升？Hight50？减速报警？Hight60&刹车？结束图4.2 程序流程图4.2 控制系统的梯形图控制系统梯形图见附录1；控制系统的指令表见附录2。4.3 人机界面组态软件设计4.3.1 MCGS组态软件简介计算机技术和网络技术的飞速发展, 为工业自动化开辟了广阔的发展空间, 用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统, 使系统更加安全可靠。随着工业控制要求的不断提高,专门用于工业控制的组态软件应运而生, 它是系统硬件与软件进行沟通、建立现场与监控层沟通的人机界面的软件平台, 通用性强, 且系统的执行程序代码部分一般固定不变, 为适应不同的应用对象只需改变数据实体即可。自从美国Wonderware公司推出世界上第一个工控组态软件Intouch以来, 国内外有很多公司开发出不少优秀产品, MCGS 是众多组态软件中的一种, 它具有许多优点, 可用于任何监控系统。MCGS(Monitor and Control Generated System ) 是一套基于Windows平台的, 用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统, 可运行于Micro soft Windows 95 /98 /M e /NT /2000等操作系统。它为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台, 能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能4。4.3.2 MCGS 的整体结构MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件, 帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程, 以用户指定的方式运行, 并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。组态环境和运行环境之间的联系纽带是实时数据库, 三者之间的关系如图4.2所示。组态环境：组态生成应用系统组态结果数据库运行环境：解释执行组态结果图4.3 组态环境、运行环境和实时数据库三者之间的关系组态环境和运行环境互相独立, 又密切相关, 如图4.4所示。组态环境构建动画流程控制报警组态设计报表设备连接实时数据库组态软件核心动画显示现场检测报警输出设备输出实时数据库报表打印运行环境图4.4 组态环境和运行环境的关系MCGS工控组态软件组成如图4.5所示：设备窗口MCGS工控组态软件主控菜单用户窗口实时数据库运行策略菜单设计设置工程属性添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人及交互界面定义实时变量编写控制流程使用功能构件 图4.5 MCGS工控组态软件组成4.3.3 创建工程打开MCGS软件，在用户窗口中新建MCGS窗口，取名为“防碰天车装置”。选择存储路径，进行属性设置。4.3.4 创建实时数据库根据已经设计的梯形图创建实时数据库，在实时数据库界面中设定变量。具体设定变量如表4.1所示。表4.1 实时数据库各变量名称类型注释BJ开关型减速报警指示CHACHE开关型紧急刹车Hight数值型天车的高度M开关型电机运行指示M1开关型安全与非安全转换开关，演示M3开关型上升闪烁中间继电器M4开关型下降闪烁中间继电器M5开关型减速闪烁灯计数Q开关型启动Q2开关型下降启动Y14开关型下降指示灯闪烁Y15开关型减速上升Y3开关型上升灯闪烁计数运行指示开关型运行指示灯M7开关型刹车后下降归位Y7开关型刹车后下降指示灯闪烁4.3.5 制作监控画面监控画面能够动态地、真实地反映出工业实际现场的工艺流程，并且各个环节都有相应的传感器对其进行监视控制，让操作人员能够实时地了解各个环节的工作状态，达到安全生产和管理的目的。根据实时数据库中的变量来设计监控画面，进入动画制作窗口，如下图所示。监控画面右侧为操作盘和显示盘，可以实时显示工作状态，并对现场设备进行操作。报警指示区内设置了减速报警灯，停止指示灯和运行状态指示灯，在高度为50米处设置了减速报警灯闪烁，并且上升过程减速。监控画面下方是报警显示栏，并能动态显示报警信息。监控画面左侧是整个系统的动态显示图，可以显示系统的整体运行情况。游标可以上下浮动，使其从直观上显示天车的高度变化。图4.6 智能防碰天车装置的监控界面此外，在运行界面中显示报警数据浏览窗口，在“运行策略”中新建“用户策略”定义为报警信息浏览，添加相应的数据对象，如图4.6所示。图4.7 报警数据浏览4.3.6 MCGS设备组态设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，是系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态实现对工业过程的实时监控。设备构件是MCGS系统对外部设备实施设备驱动的中间媒介，通过建立的数据通道，在实时数据库与测控对象之间实现数据交换，达到对外部设备的工作状态进行实时检测与控制的目的。1.添加“通用串口父设备”与“三菱FX编程口”在设备管理窗口界面中添加“通用串口父设备”与“三菱FX编程口”设备，添加完成后对设备进行属性设置，如下表所示。表4.2 设备窗口属性设置通用串口设备属性设置编程口属性设置设备属性名设备属性值设备属性名设备属性值设备名称通用串口父设备0内部属性设置内部属性设备注释通用串口父设备采集优化0-不优化初始工作状态1-启动设备名称设备0最小采集周期（ms）1设备注释三菱FX编程口串口端口号0-COM1初始工作状态1-启动通讯波特率6-9600最小采集周期（ms）1数据位位数0-7位设备地址0停止位位数2-2位通讯等待时间200数据校验方式2-偶校验快速采集次数0数据采集方式0-同步采集CPU类型2-FX2NCPU2.通道连接对于将MCGS做为监控画面来说，将通道设置正确是十分重要的，只有正确的设置了通道才能对PLC进行实时监控。单在“设备属性设置”窗口中的“内部属性”添加相应的通道，具体如表4.3所示。表4.3 设置通道对应数据对象通道类型对应数据对象通道类型M读写Y0运行指示读写Y1Y3读写Y3BJ读写Y5CHACHE读写Y6Y14读写Y14Y15读写Y15Q读写M0M1读写M1Q2读写M2M3读写M3M4读写M4M5读写M55 系统调试5.1 PLC软硬件调试PLC包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。选定PLC的机型和分配I/O点后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统的原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。电气控制系统的原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括PLC的I/O接线和自动、手动部分的详细连接等。电器元件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯、电磁阀等。PLC的外部接线图如下。输入设备（传感器、按钮）PLC输出设备（指示灯）电源（DC）电源（DC）220V图5.1 PLC外部接线图在PLC的编程软件上设计步进梯形图，在转换正确的情况下完成PLC实验装置上的接线。具体接线图如图5.2所示。图5.2 PLC接线图鉴于仿真的需要，简化了线路，所有输出用灯泡代替，执行相应的动作后，相应的灯泡亮表示工作正常：从Y0Y15分别与“基本指令编程练习”面板的灯泡依次连接。把X0、X2、X4分别接到X14、X15、X16上进行模拟仿真。实物接线图见图5.3所示。图5.3 实物接线图软件设计好后先作模拟调试。模拟调试可以通过仿真软件来代替PLC硬件在计算机上调试程序。用编程软件将输出点强制ON/OFF，观察对应实验装置上的PLC负载的动作是否正常。若实验装置的PLC负载运行正常，通过RS232将电脑中的程序下载至CPU中，拨动按钮观察负载的动作是否正常。若正常，PLC的软硬件调试成功。5.2 MCGS监控界面调试对MCGS监控界面进行调试，在没有PLC信号输入的前提下，将监控界面中的各个按钮和构件与实时数据库中的变量进行关联，并且从系统内部定义一个模拟量，编写相应的脚本程序，让监控界面动起来，脚本程序见下面。IF Q=0 then hight =50/初始位置定义为50米处endifif Q=1 THEN/按下按钮，运行指示灯亮运行指示=1 endifif Q=0 then 运行指示=0 endif IF Q=1 then/按动按钮，天车下降 IF Q2=1 then hight = hight-1 m=0 endif endifIF Q=1 then/按动按钮，天车上升 IF Q2=0 then hight = hight+1 m=1endif endifif hight50 then /若高度大于50，自动下降Q=1 Q2=1endifif hight=1 then/高度小于0，自动上升Q=1 Q2=0 endif5.3 模拟天车装置调试在将各个硬件部分组合在一起之前，把传感器和电动机进行调试，传感器外接5V电源，用示波器测试是否有脉冲产生，测试完成后与电动机连接在一起，电动机带动滚桶转动使传感器产生信号，调节电动机电压来控制转速，经过调试电动机电压为4V时产生的脉冲稳定，具体调试图见图4.1。图5.4 电机与传感器调试图5.4 调试结果经过综合调试，MCGS监控界面可以对PLC的运行进行实时监控，传感器所输入的信号稳定，经过集成运算放大器之后可以实时的进行数据传输，效果良好。在调试PLC与MCGS中，设定钻机的防碰高度为60m，提醒司钻高度为50m，当PLC计数到50处时自动下降，在非安全工作下继续减速上升进行报警，报警灯闪烁，上升至60处刹车，延时后下降指50米处。在调试PLC与实验井架中，经过测量滑轮的直径是4cm，上升至安全位置是传感器转过11圈，防碰高度是14圈。通过手动控制电机模拟实现自动控制模拟井架。 图5.5 调试结果图5.5 问题分析和解决方案1.PLC软件编程的实现：在设计之初选择三菱PLC的普通梯形图来进行编程，用LED的闪烁来表示传感器所测的圈数，每闪烁一次代表一圈来显示天车上升和下降的高度，由于没有实际的外部脉冲信号的输入，就假设PLC内部特殊辅助继电器M8013来完成智能防碰天车的基本功能，M8013是1S时钟，但是在实际的编制过程中，发现了很多问题，由于在闪烁灯前面缺少一个计数器的常闭按钮，导致灯一直在闪烁，刚开始设计的程序，由于所涉及的灯太多，在进行程序演示时，看的眼花缭乱，因为普通梯形要采用CJ条状指令，容易出错，所以在后面的设计中改进为步进梯形图，同样还是出现了许多问题，首先无法完成自动跳转，后面经过自己的仔细研究，发现所编的步进梯形图的指令出现了问题，将写为，所以导致程序无法跳转，其次，计数器无法复位，经过上网查阅资料和向老师请教，发现增量通用计数器复位需要用一个开关来实现，当开关闭合，计数器复位即计数值为0，复位信号ON后必须再变为OFF，计数器才能进行计数。前后经过将近一个月的时间修改和调试，最后实现的梯形图的自动跳转和计数器的复位。2.MCGS组态软件监控界面的实现：使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。监控画面是整个系统中非常重要的一部分，因此设计者对监控画面的制作也格外认真。如图所示，制作的画面简单粗糙，只能实现内部编程模拟，无法对外部的PLC进行监控。 图5.6 第一版监控界面经过修改，图为第二版的监控界面，相对上图该图画面相对仔细，但是布局不合理，通过内部编程可以实现报警，停止，启动按钮和启动按钮是X继电器，因为X继电器是只读的，无法控制PLC，通过研究发现在PLC的梯形图中要在X继电器处并联一个M中间继电器，就可以完成简单的对PLC的监控，但是还有一些不足之处，在天车装置中不存在复位按钮，这将存在巨大的安全隐患，而且缺少下降按钮，设计了下图的画面。图5.7 第二版监控界面在此监控画面中，为实现了智能防碰天车装置的功能，画面布局比上两个画面美观，还有报警显示框和报警数据报表以及安全机制，各个指示灯运行正常，可以对PLC进行实时监控，二者通讯正常。图5.8 第三版监控界面此外，在PLC编程中只有开关型，而在MCGS软件中天车的高度定义的变量是数值型，无法进行表示，在无数次的尝试和前后的思考，MCGS软件可以实现对软元件M中间继电器的控制，在梯形图中将各个闪烁灯的下边并联一个中间继电器，通过编写脚本程序建立中间继电器与高度的关系即可实现标尺的动作。由于设备的信号传输问题，有时PLC中的数据不能及时的传送至MCGS中，监控界面不能动作，所以要先打开PLC装置，再运行MCGS组软态件，每次运行完成之后要重新启动装置。3.外接硬件电路的实现：当PLC与MCGS完成通信后，制作外部硬件电路，产生脉冲输入PLC来完成计数，这样就不需要PLC的内部脉冲信号了。1）传感器调试：本次设计采用的传感器为ST188反射式光电传感器，也就是黑白循迹传感器，在扫描黑白两色的时候其输出电平不一样，由于之前购买的滑轮是黑色的，所以在滑轮的一侧粘贴白色胶布，经过查阅资料，该传感器的电源电压在5V左右，根据电路图连接好之后，经过测试，有脉冲输出，输出电平大概在0.16V左右，直接接入PLC的X1输入端之后，不能触发LED，此外由于没有充分了解实验室的PLC装置的内部接线图，直接将24V端口与传感器电路的接地相连，导致脉冲不起作用，LED指示灯一直亮，经过调试发现传感器的最大电压是6V，而在PLC内部是24V，电平无法达到平衡，通过在PLC的输入端用直流电压源输入电压并用万用表测量得出触发LED闪烁的电压为11V，小于11V，灯不亮，在11V24V之间灯一直亮。因此要在传感器的输出端外接运放电路。2）运放电路调试：实验室的运放电路采用的放大器是UA741，内部电路图已经接好，由于运放电路板的外接电压源是12V，电压经过放大后的值不能超过所接电压源的值，传感器的输出电压经过调试为5V，经运放放大-3倍后，是-15V，超过了电源电压，用万用表测量Vo端口实际输出电压为-9.5V，这个电压达不到PLC内部的触发电压，为了方便起见，外加两节1.5V的电池最终电压达到了-12V，经过反复测试，传感器的输出值经放大外加电压可以触发PLC的LED灯。3）电机调试：电机采用的是玩具小车上的小型直流电机，其由电压控制电机的转速，控制方便，根据实验室所提供的井架的高度，将安全工作时电机的电压设置为4V，减速过程中的电压减半，为2V，设计之初本打算采用电机驱动电路来控制电机正反转，但是这样控制不方便，此外，希望通过PLC的相应的指示灯来控制电机的正反转，但是经过测量发现PLC输出的是负电压，还要经过降压反向，这样操作起来比较繁琐，而且电路复杂，看起来凌乱，所以最后决定采用插线，操作简单、便于实验。6 总结本文在实验室环境下设计了基于PLC的智能防碰天车装置，综合应用了可编程逻辑控制器、传感器知识、电机换向和