毕业设计（论文）-基于MCGS嵌入式组态软件和S7-200的水压机试验监控系统.doc

长春工业大学学士学位论文 摘 要 装备制造业的进步和能源工业的快速发展,为钢管工业带来了繁荣。与此同时,钢管产品的质量和使用的安全可靠性也随之成为了人们关注的焦点。以往的耐压试验都是由操作人员直接观测被测管件来进行质量检测，因此，往往会使检测结果不够精确或产生偏差。所以，实现密封管件质量检测的高效化、精确化具有重要的意义。 水压试验机是制管生产线上的压力检测设备。其工作行程大，在全行程中都能对工件施加最大工作力，没有巨大的冲击和噪声，劳动条件较好，环境污染较小。 本文结合嵌入式组态软件MCGS和S7-200 PLC设计与实现了水压机试验监控系统，功能上实现了屏幕截图及存储。系统中，上位机采用组态软件MCGS建立人机界面，下位机采用西门子S7-200 PLC进行现场数据采集及转换。本系统监控界面友好，运行稳定可靠，检验效率得到提高。关键词：PLC 触摸屏 水压机 屏幕截图及存储Application of PLC and Touch-screen in hydraulic press test monitoring&controling systemAbstract The progress of the equipment manufacturing industry and the rapid development of energy industry,brought prosperity for steel pipe industry.At the same time,the quality of steel pipe products and use of safety and reliability has become the focus of attention.Pressure test are all in the past by the operating personnel direct observations of pipe being tested for quality testing.As a result,tend to make test results inaccurate or biased.So,to achieve efficient,high-precision seal fitting quality testing has important significance.Hydrostatic testing machine is pipe pressure test equipment in production line.Its large working stroke,in the whole trip can exert maximum working force on the workpiece,no great shock and noise,better working conditions and less environmental pollution. Based on configuration software MCGS and S7-200 PLC is designed and implemented,hydraulic press test monitoring system functions on the screen capture and storage.System,the PC configuration software MCGS is adopted to establish man-machine interface,the hypogyny machine adopts Siemens S7-200 PLC to field data acquisition and conversion.Monitor this system friendly interface,running stable and reliable,and the test efficiency was improved.Keywords :PLC Touch Screen Hydraulic Press Screen capture and storage 目 录第一章 绪论11.1 论文选题背景及研究意义11.2 国内外研究现状11.3 论文研究的主要内容3第二章 方案论证42.1 水压机水压试验工艺42.2 系统方案论证52.2.1 水压机试验控制系统的组成52.2.2 控制器的选型52.2.3 传感器的选择62.3 水压机的控制系统工作原理72.4 水压机控制系统的组成82.5 水压机控制系统关系图9第三章 下位机设计103.1 下位机103.2 程序编辑133.2.1 编程软件133.2.2 符号表建立153.2.2 程序流程图16第四章 上位机设计174.1 上位机174.2 MCGSE监控系统174.3 实时数据库的建立204.4 系统界面224.4.1 主控窗口224.4.2 设备窗口234.4.3 实时曲线264.5 屏幕截图功能与存储284.6 配方功能304.6.1 准备工作304.6.2 配方功能主要步骤304.6.3 配方组态304.6.4 报警32总 结35致 谢36参 考 文 献37附录1：程序清单39附录2：系统原理图42 IV第一章 绪论1.1 论文选题背景及研究意义 众所周知，在我们国家，无论航空、航海、石油、化工，还是机械、发电、冶金、矿山等，均离不开密封管件。凡是有机、泵、管、阀的地方，均依赖于钢管等密封管件。密封管件的应用非常广泛，由密封钢管的应用可看出一个国家工业化的程度。近些年来，我国密封管件的生产和质量逐渐进入到一个新的阶段、新的时期。但是，仅仅这些还远远不能满足其它行业发展对各类密封管件标准化、系列化产品的需要。密封管件是机械产品的重要基础元件，其制造精度要求较高，随着我国国民经济的快速增长，密封件产品无论在结构上还是材料上都需要高精的技术和装备支撑，这就从另一个侧面透视出检测密封管件的重要性，进而反映出对检测单元水压试验机的需求。 以前，我国油套管、输送管等主要密封管件主要生产企业使用的高压水压试验机主要依赖进口，直到1999年西安重型机械研究所设计研发出第一套高压钢管水压试验机才改变了这种局面。在不到10年的时间里，西安重型机械研究所根据用户需求，开发设计了十多套不同规格、不同试验压力的高压钢管水压试验机，从而带动了我国高压水压试验机的发展。 在以往的工业生产中，对钢管水压机试验的监控、检测都是由现场操作工人来进行。由于是人工操作，所以就会不可抗拒的产生某些操作误差或人为错误。例如，由于操作工人超时长，超负荷工作而引起的不准确检测；由于人直接介入控制系统，而引发的参数输入、输出不精确，所得结论与实际结论不符等。所以，需要引入一种自动化系统，来代替人工检测环境，从而对水压机进行有效的自动化控制。运用逻辑编程器对水压机进行自动化控制，运用组态软件实现对控制过程的动画模拟及仿真和实时数据的反馈。我们把这套系统称为水压机监控系统。 水压机监控系统主要用于对钢管水压试验机的运行状态、运行参数进行数据采集、逻辑控制、记录、显示、管理等，是将4C 技术（即Computer 计算机技术、Control 控制技术、Communication 通信技术及CRT 图形显示技术）综合应用于试验设备管理之中，来建立一个计算机综合管理系统，而使检测试验设备实现运行管理的智能化。 耐压试验分水压试验、气压试验。其主要区别在于试验压力不同。气压试验危险性比较大。气体压缩系数较大，如果做气压试验容易造成容器爆炸等事故。由于结构或者支承原因，压力容器内不能充满液体，以及运行条件不允许残留试验液体的压力容器，才会选择做气压试验的。进行水压试验时容器破裂只会漏水，对试验人员的伤害很小，所以耐压试验应该优先选择水压试验。1.2 国内外研究现状 目前国内外的水压机打压试验的钢管品种从制造工艺上主要包括无缝钢管和焊管，从用途上主要分为套管、油管、管线管、机械管等，目前所试压钢管总的主要技术规格如下:钢管外径:16mm2420mm钢管壁厚:3mm250mm钢管长度:3m18.5m最大钢管重量:30t试验压强:Max18850psi(130MPa) 当今，国内外钢管水压试验机有很多种，但原理基本相似。国内的水压试验机在部分规格和某些部分的工艺上不如国外的水压机。例如，目前我国无缝管轧制的规格仅到508mm，且较大规格(大于630mm)密封圈的制作工艺不过关。因此，我国还没有直径大于630mm，采用径向密封的无缝钢管水压试验机。国外水压机发展很快，技术先进，但系统复杂，制造和运行成本很高。为了适应产品高质量、高效率、降低能耗，减少公害，改善劳动条件，创建锻造文明生产的要求。在70年代末，水压机己经实现通过计算机与操作机进行联动控制。随后，由于高性能大流量油泵及其液压元器件、PLC、触摸屏、工控机和各种先进的测控元件等进入工业领域，水压机得到了长足进步。 从1795年，英国的J.布拉默应用帕斯卡原理发明了水压机,用于打包、榨植物油等。到19世纪中期,英国开始把水压机用于锻造，水压机遂逐渐取代了超大型蒸汽锻锤。到19世纪末，美国制成126000千牛自由锻造水压机。直至此后全世界先后制成180000千牛以上的模锻水压机18台。2010年7月青县某钢管公司JCOE生产线配套用4000t水压机顺利投产,该水压机由西安重型技术有限责任公司设计，整机配套水平高，控制先进,采用了创新的密封形式,试验水压达到40MPa,满足生产高钢级、大厚壁海底管线的要求，整机处于国内领先水平。该水压机设计能力4000t，最高试验压力45MPa,管径范围5081422mm，最大钢管壁厚40mm(X80)，专门为生产高等级的JCOE 油气输送管而配套。该水压机采用了一系列先进的结构,包括多管步进台架、矩形变截面等强度焊接拉力梁、多主缸压力控制系统、高精度高压水控制系统、大流量自动控制的低压充水系统、创新的管端水压密封形式等。该水压机采用端面密封和内径密封两种形式,在试验水压小于25MPa时选用端面密封，当水压大于25MPa时采用内径密封形式。采用创新的内径密封头结构，配合精确的密封压力控制,可以实现可靠的高水压(最高45MPa)管端密封。上述针对大直径钢管高试验压力设计的内径密封形式属国内首创。该水压机的成功应用,满足了海底石油管线以及特殊钢管对高水压试验的要求,提升了国产水压试验机的装备水平。 如今国内外水压试验机的研究主要集中在原理与结构探讨、设备改造、组态系统设计、控制系统和对水压试验机的整体运行状态进行故障诊断以及预报潜在故障等方面，并且在这些方面都取得了丰硕的成果。1.3 论文研究的主要内容 静水压力试验机(以下简称水压机)是用来检验钢管的耐压性能是否达到所要求级别的设备它的基本工作原理是帕斯卡定律。帕斯卡定律是流体静力学的一条定律。它指出，不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点。利用水为工作介质，以静压力传递进行工作。通过向两端密封的钢管注满水(或乳化液)，而后加压到一定的压力值，观察钢管能否保持住压力，从而确定此钢管是否达到相应的钢级。特点是工作行程大，在全行程中可以对工件施加最大工作力，能有效地锻透大断面锻件，没有巨大的冲击和噪声，劳动条件较好，环境污染较小。本文主要研究以MCGS嵌入式组态软件和西门子S7-200 PLC系列PLC实现水压机试验监控系统。水压机的控制系统是一套简单的DCS控制系统，它由硬件系统、软件系统和人三部分组成。硬件系统主要由上位机、下位机、人机接口、现场压力传感器和可执行元件组成。软件系统主要由监控组态软件和PLC编程软件组成。人员可由工程师和操作员组成。 第二章 方案论证2.1 水压机水压试验工艺水压机是以水基液体为工质的液压机。它可分为自由锻造水压机、模锻水压机、冲压水压机和挤压水压机等。水压机的工作特点是工作行程大，在全行程中都能对工件施加最大工作力，能更有效地锻透大断面锻件，没有巨大的冲击和噪声，劳动条件较好，环境污染较小。如图2-1，水压机工艺过程示意图 图2-1 水压机工艺过程示意图 水压机水压工艺： 钢管置于被测平台，水路系统负责钢管进行静水压试验时向钢管里充水打压，两侧固定液压油缸负责静水压试验时固定被测管件，密封液压油缸负责钢管静水压试验时控制密封盖实现管端压力平衡。 控制系统水压机水压试验工艺：1、将需测试的管件放置于测试平台，由操作人员根据管件的需要在触摸屏设置的配方中选择管件，系统将自动生成所选管件的相关参数，操作人员将相关参数下载到PLC中进行耐压试验。2、PLC采集实时压力，并显示实时压力曲线。当实时压力达到设定压力时自动计时、时间到判断实时压力是否小于设定压力，如果小于则提示管件不合格，反之合格。3、对于大管件，打压设定时间长，当时间没有达到设定值而明显失压不合格时，操作人员通过按触摸屏上的不合格按钮自动记录当前测试结果。4、当实时压力超压、PLC和触摸屏通讯故障时，触摸屏报警并以动画闪烁的形式提示操作人员。 5、当PLC中合格与不合格信号上升沿到来时，触摸屏将自动保存测试结果并存入历史数据中。 6、当操作人员按触摸屏上的保存按钮时自动把当前实时数据和历史曲线屏幕拷成位图bmp格式以做为测试报表打印输出。2.2 系统方案论证2.2.1 水压机试验控制系统的组成 本系统由控制器、现场压力传感器等结构组成，为了使系统更加精确、稳定的运行，达到高效、实用的目的，我们先一步进行方案设计论证。水压机是一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压试验的机器。水压机主要由钢管传送装置、水路系统和电气控制系统组成。2.2.2 控制器的选型 PLC的可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件。因此接线减少，从而减少了因触点接触不良造成的故障。所以，控制器选择PLC。欧姆龙PLC： 日本OMRO（立石公司）电机株式会社是世界上生产PLC的著名厂商之一。SYSMAC C系列PLC产品以其良好的性能价格比被广泛的应用于化学工业、食品加工、材料处理和工业控制工程领域，产品销量很大，在我国的应用也很广泛。欧姆龙系列的PLC之所以受用户欢迎，是由于它具有以下几个特点：指令系统功能非常强大，对于复杂控制的处理功能强；编程语言对于梯形图和语句表并重，编程很简单，对于新学习的人容易掌握，特殊功能的模块和智能模块品种多，使用方便；PLC的网络配置简单、实用、造价低；具有明显的价格优势及良好的售后服务系统。 欧姆龙公司的PLC产品，大、中、小、微型俱全。微型机：SP系列是微型机的代表，超小型袖珍型,其体积不足拳头大，指令速度却极快,超过了大型PLC,用LINK单元可把4台连在一起,特别适合于机器人控制。小型机：P型机、H型机、普及型都属于小型机。普及型：普及型指型号尾部不加字母,如C20,其的特点是价格相较便宜,功能简单。P型机：P型机就是指型号尾部加字母P的型号,它是普及型的增强型。H型机：H型机就是指型号尾部加字母H的机型,它的处理器比P型机更好，速度更决。西门子PLC： 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200 PLC，S7-300 PLC，S7-400 PLC，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200 PLC），小规模性能要求的PLC（如S7-300 PLC）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。1、SIMATIC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。而且接线少，维修时只需要更换插入式模块，维护方便，修改程序和监视运行状态也容易，价格便宜。S7-200 PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。2、SIMATIC S7-300 PLC是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300 PLC操做系统内，人机对话的编程要求大大减少。市场价格要比S7-200 PLC贵，但是真用空间大于S7-200 PLC。3、SIMATIC S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。根据以上性能比较，考虑到水压机试验监控系统的需要，需要不断的工作，一旦出现故障要能及时发现和解决。而PLC正是为工业生产控制量身打造的，其可靠性、稳定性好，易于编程，调试方便。S7-200 PLC编程方便，质量可靠，能满足水压机小型控制系统的需要。同时S7-200 PLC可以与组态软件通讯，并且S7-200 PLC系列PLC市场应用广泛，价格方面较其它型号低廉，可选性，可更换性极佳，完全符合水压机试验监控系统的需要。所以，由于兼容性、自身性能、以及经济方面多种因素决定西门子S7-200 PLC为最佳选择。2.2.3 传感器的选择在水压机控制系统中，传感器选用压力传感器。负责将现场模拟量压力值以0-10v电压信号形式传送到下位机，下位机负责将传送来的0-10V标准信号做量程标定，转换为实时压力值。 1、压力传感器的介绍压力是工业生产过程中的重要工艺参数，主要分为应变式压力传感器和压电传感器，此外压力测量的意义还不局限于它自身，有些物理量，如温度、流量、液位等往往通过压力来间接测量。所以压力的测量在工业自动化中具有特殊的地位。由于结构不同，压力传感器可以分为测定绝对压力与大气的相对压力和差压。测定绝对压力时，传感器内自身带有真空参考压 ,所测压力与大气压力无关 ,是相对于真空的压力。对大气的相对压力是以大气压力为参考压 ,因此传感器弹性膜一侧始终与大气是连通的。由于大气压力与离地面的高度，四季大气中水汽含量的变化以及不同地点和组成大气的各种气体的含量的变化有关。因此，所测得的相对压力便与上述因素有关。此外，还可从传感器弹性膜两侧分别导入流体压力，这样能测定流体不同地点或流体间的差压。针对不同用途应选用不同结构的压力传感器。 2、压力量程范围选择压力传感器的压力适用范围是分级的。这是因为压力传感器的弹性膜承受流体压力有一个限度。这就是通常所说的耐压极限，超中过此极限弹性膜便破裂了。一般来说 ,每一传感器都有20-300%的过压能力。因此，产品说明书上的压力最大量程为耐压极限的30-80%。选用过高的压力量程是不必要的。对于精度与压力量程的关系。压力传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移系数及非线性误差是影响传感器精度的重要指标。对同一压力传感器来说 ,热零点漂移系数随工作压力增加而减小，而热灵敏度系数和非线性误差随工作压力增加而增加。因此,工作压力增加有利于减小热零点漂移，而不利于热灵敏度漂移和非线性误差，热零点漂移比较大时，提高工作压力量程有利于提高压力传感器的精度。热零点漂移比较小时，减小工作压力量程有利于提高精度。对不同压力量程的传感器来说，灵敏度是不同的。本设计中选用CR-YM系列压力变送器，其主要参数如下： 测量范围：-0.1MPA0120MPA精度等级：0.2%FS，0.5%FS长期稳定性：0.2%FS/年输出信号：0-10VDC供电电压：12-28VDC允许过载：额定压力的2倍2.3 水压机的控制系统工作原理1、工程师设置好控制参数； 2、根据工艺要求，操作员修改传送工艺参数； 3、操作员利用操作台通过PLC控制钢管传送装置完成钢管的传送； 4、当钢管到达试验位置后，操作员通过人机接口完成管端密封和管内预充水，开始钢管静水压试验； 5、水压传感器实时检测钢管里的水压值，传送到PLC进行信号分析处理，根据油水平衡原理，计算出油压控制信号，输出到电液比例阀的功率驱动单元，控制电液比例阀的动作，进而控制管端封头的油压值，实现油水平衡，完成钢管的静水压试验。油压传感器和水压传感器检测到的信号同时被实时送到工控机里，操作员通过监控画面实时监控试验过程。2.4 水压机控制系统的组成 1、水压机硬件系统的组成： 硬件系统主要由上位机、下位机、人机接口、现场压力传感器和可执行元件组成。 上位机包括工程师站和操作员站，他们共用一台电脑，上位机还作为数据服务器使用，存储试验数据。 下位机由一台西门子S7-200 PLC担任，它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理，同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作，从而实现系统整体自动协调动作，完成钢管的静水压试验。 人机接口包括键盘、鼠标和操作台。利用键盘、鼠标，通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作。操作台完成外围辅助设备的动作，包括钢管传送、油泵和水泵的起停、管端封头的移动等。 现场传感器为水压传感器，负责实时检测水路系统的压力，将它们转换为电信号传送到PLC，等待进一步处理。可执行元件包括电液比例阀、电磁换向阀、电机和信号指示灯，它们负责实现机械的各个具体动作和相关信号指示。 2、水压机软件系统组成： 软件系统包括：监控组态软件、历史数据管理软件、PLC运行开发软件（Step 7 Micro Win4.0）。 监控组态软件包括开发环境系统和运行环境系统。它们安装在工程师站和操作员站上，工程师有权限运行开发环境系统和运行环境系统，操作员只能运行运行环境系统。在运行环境系统里，实行分级密码保护，不同权限的操作员只能运行对应权限的操作，工程师具有最高权限，他可以进行所有操作。工程师利用开发环境系统开发出监控程序，运行环境系统负责现场实时数据的采集和保存。历史数据管理软件包括数据库系统（Access数据库）、数据报表查询软件（利用VB开发的可执行文件）、VB开发系统，它们负责历史数据的报表查询。工程师利用PLC开发软件开发出控制软件，通过PLC系统完成所需的动作。PLC运行软件下载到PLC存储器，通过自动运行控制现场可执行元件的动作。 3、人员组成： 人员组成有工程师和操作员。工程师负责控制系统的软件维护和硬件技术支持。 操作员负责具体操作，完成水压机的所有功能。 2.5 水压机控制系统关系图 水压机控制系统的关系图（图2-3）。 图2-3 水压机控制系统的关系示意图 第三章 下位机设计3.1 下位机根据总体方案设计下位机采用的是西门子S7-200 PLC，它的特点是价格低廉、扩展性良好、指令功能强大、结构紧凑，是当代小型控制工程的理想控制器。S7-200系列可编程控制器（简称PLC）是西门子公司生产的超小型的PLC（图3-1），它的特点是价格低廉、扩展性良好、指令功能强大、结构紧凑，是当代小型控制工程的理想控制器。除了其出色的硬件特点，在性能、体积、重量、指令系统、运行速度等方面，较过去的PLC有了全面的提高2。 图3-1 S7-200 PLC SIMATIC S7-200 PLC系列适用于各行各业，多种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 PLC系列的强大功能使其无论是在独立运行，还是相连成网络皆能实现复杂的控制功能。因此S7-200 PLC系列具有极高的性能/价格比。S7-200 PLC系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 S7-200 PLC属于整体式PLC，它将CPU、存储器、I/O单元、电源、通信等部件集成在同一机体内，由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口以及与编程器相连的接口。扩展单元内只有I/O接口和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。它还配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 S7-200 PLC可靠性极高，抗干扰能力强，是一款专为工业控制而设计的控制器，其PLC自诊断能力强、能判断和显示自身故障，使操作人员检查判断故障方便迅速，并且接线少，维修时只需要更换插入式模块。除此之外，其维护方便，修改程序和监视运行状态也容易。 S7-200 PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能和一定的算术运算、数据传送、比较、通信和模拟量处理功能。主要用于逻辑控制、顺序控制和少量模拟量控制的单击控制系统。并且，编程简单，具有极丰富的指令集，易于掌握。设计者充分考虑的到现场技术人员的技能和习惯，设计了包括梯形图、STL、FBD等多种编程语言，特别是梯形图，它与继电器原理图相似，具有直观、清晰、修改方便、容易掌握等特点，即使未掌握专门计算机技术的人也能很快熟悉。 以下为下位机CPU单元的选择： S7-200 PLC集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出，CPU 224，CPU 226分别输出280，400mA。CPU224，CPU224XP CN，CPU226 CN输出280，400mA。可用作负载电源。CPU221和CPU222 CN 具有4个高速计数器（30kHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90的A/B相增量编码器CPU224 CN/224XP CN/226 CN6个高速计数器，具有CPU221/CPU222 CN相同的功能。CPU221/CPU 222 CN具有1个模拟电位器，而CPU224 CN/224XP CN/226 CN具有2个模拟电位器。CPU的电池模块用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 S7-200 PLC系列PLC系统由主机(基本单元)，I/O扩展单元，功能单元(模块)和外部设备等组成。S7-200 PLC系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU222，CPU224，CPU226等基本型号。S7-200 PLC CPU存储器系统由RAM和EEPROM两种存储器构成，用于存储用户程序，CPU组态，程序数据等。模拟电位器用来改变特殊寄存器中的数值，以改变程序运行时的参数，如定时，计数器的预置值，过程量的控制参数等。存储卡可选择安装扩展卡，扩展卡有EEPROM存储卡，电池和时钟卡等模块。EEPROM存储模块用于用户程序的拷贝复制。电池模块用于长时间保存数据，使用CPU224内部存储电容数据存储时间打190小时，而使用电池模块数据存储时间可达200天。如表3-1 CPU技术规范所示，CPU 221具有6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 222 CN可以连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。是具有扩展能力的、适应性较CPU 221更广泛的全功能控制器。CPU 224 CN可以连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID 控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通表3-1 CPU技术规范CPU 221CPU 222 CN CPU 224 CN CPU 224XP CNCPU 226 CN本机数字量I/O6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出14输入/10输出24输入/16输出本机模拟量I/O 无无无2输入/1输出无PPI，DP/T波特率9.6、19.2、187.5Kps讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 CPU 224XP CN可以连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。 CPU 226 CN可以连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。本试验控制系统需要采集一个模拟量信号，从经济实用性角度综合来看选用CPU 224XP CN型号为最佳。如图3-2 CPU 224XP CN。3.2 程序编辑3.2.1 编程软件 STEP7 Microwin V4.0编程软件是专为西门子公司S7-200 PLC系列小型机而设计的编程工具软件，同时支持STL、LAD、FBD三种编程语言，用户可以根据自己的喜好随时在三者之间切换；软件包提供无微不至的帮助功能，即使初学者也能容易地入 图 3-2 CPU 224XP CN门；使用该软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控。 一、STEP 7-Micro/WIN的窗口组件，如图3-3 STEP 7-Micro/WIN的窗口组件。 图3-3 STEP 7-Micro/WIN的窗口组件 1、操作栏显示编程特性的按钮控制群组： 视图：选择该类别，为程序块、符号表，状态图，数据块，系统块，交叉参考及通讯显示按钮控制。 工具：选择该类别，显示指令向导、文本显示向导、位置控制向导、EM253控制面板和调制解调器扩展向导的按钮控制。注释：当操作栏包含的对象因为当前窗口大小无法显示时，操作栏显示滚动按钮，使您能向上或向下移动至其他对象。 2、指令树提供所有项目对象和为当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）提供的所有指令的树型视图。用户可以用鼠标右键点击树中“项目”部分的文件夹，插入附加程序组织单元（POU）；也可以用鼠标右键点击单个POU，打开、删除、编辑其属性表，用密码保护或重命名子程序及中断例行程序。可以用鼠标右键点击树中“指令”部分的一个文件夹或单个指令，以便隐藏整个树。一旦打开指令文件夹，就可以拖放单个指令或双击，按照需要自动将所选指令插入程序编辑器窗口中的光标位置。可以将指令拖放在自己“偏好”的文件夹中，排列经常使用的指令。 3、交叉参考允许用户检视程序的交叉参考和组件使用信息。 4、数据块允许用户显示和编辑数据块内容。 5、状态图窗口允许用户将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。您可以建立多个状态图，以便从程序的不同部分检视组件。每个状态图在状态图窗口中有自己的标签。 6、符号表全局变量表窗口允许用户分配和编辑全局符号（即可在任何POU中使用的符号值，不只是建立符号的POU）。您可以建立多个符号表。可在项目中增加一个S7-200 PLC系统符号预定义表。 7、输出窗口在用户编译程序时提供信息。当输出窗口列出程序错误时，可双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。当您编译程序或指令库时，提供信息。当输出窗口列出程序错误时，您可以双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。 8、状态条提供用户在STEP 7-Micro/WIN中操作时的操作状态信息。 9、程序编辑器窗口 包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和程序视图。如果需要，用户可以拖动分割条，扩展程序视图，并覆盖局部变量表。当您在主程序一节（MAIN）之外，建立子程序或中断例行程序时，标记出现在程序编辑器窗口的底部。可点击该标记，在子程序、中断和OB1之间移动。 10、局部变量表 包含用户对局部变量所作的赋值（即子程序和中断例行程序使用的变量）。在局部变量表中建立的变量使用暂时内存；地址赋值由系统处理；变量的使用仅限于建立此变量的POU。 11、菜单条 允许用户使用鼠标或键击执行操作。您可以定制“工具”菜单，在该菜单中增加自己的工具。 12、工具条为最常用的STEP 7-Micro/WIN操作提供便利的鼠标访问。用户可以定制每个工具条的内容和外观。 二、建立PC及PLC的通信连接线路1、联接PC联接时应将PC/PPI电缆的一端与计算机的COM端相接，另一端与S7-200 PLC的PORT0或PORT1端口相连，如图 3-4 PC与PLC通信连接。 图 3-4 PC与PLC通信连接3.2.2 符号表建立在符号表符号一栏中注释着名称，在地址一栏中注释对应的地址。如表3-2 符号表所示。 表3-2 符号表符号地址屏上显示的分VW54屏上显示的秒VW58对应屏上的下一个按钮M0.0报警压力VD40超压报警指示Q0.0超压报警V0.2修正后的比较压力VD30不合格V0.1合格V0.0打压时间分钟VD20设定压力VD10打压时间百毫秒VW14模拟量的值AIW0实时压力MD26保压压力设定系数VD2报警压力设定系数VD63.2.2 程序流程图 PLC程序设计的流程图，如图3-5所示。 图3-5 程序流程图第四章 上位机设计4.1 上位机 上位机系统采用 MCGS 组态软件，来进行上位机的监控界面设计。MCGS即监视与控制通用系统，英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。并支持国内外众多数据采集与输出设备，其由组态环境和运行环境两部分组成。在 MCGS组态环境中，完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作；在运行环境中，完成对工程的控制工作。两部分相互独立，又紧密相关。它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。 4.2 MCGSE监控系统 MCGSE监控系统硬件采用昆仑通态nTouch嵌入式一体化工控机TPC1262H触摸屏，TPC1262H是一套基于ARM体系以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能嵌入式一体化工控机。该产品设计采用了12.1英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800600），四线电阻式触摸屏（分辨率10241024），以及具有良好的电磁屏蔽性，美观坚固的铝合金结构。同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统Win CE.NET（中文版）和MCGS嵌入式组态软件（运行版）。TPC1262H视图效果及背面接口。如图4-1 TPC1262H，表4-1触摸屏主要技术参数所示。 图4-1 TPC1262H表 4-1 触摸屏主要技术参数项目型号TPC1262H应用环境工作湿度5%90%工作温度050储存温度-1060储存湿度8%90%产品特性CPU 主板ARM嵌入式CPU，主频400MHz内 存64M SDRAM存储设备64M NAND FLASH触 摸 屏电阻式接 口2RS232,1RS232/RS485，1RS232/RS485（可选），2USB,1LAN产品规格电源电压24V DC允许范围19.2V28.8V面板尺寸323mm246mm机柜开孔 303mm226mm净 重3.9kg显示规格显示尺寸12.1英寸显示材料TFT彩色LCD显示颜色65535色分 辨 率800600背光寿命50,000小时 MCGSE监控系统的组态软件选择北京昆仑通态公司推出的MCGS 6.8组态编程软件，此软件容量小，整个系统最低配置16M存储空间；速度快，系统的时间控制精度高，满足实时控制系统要求；成本低，使用嵌入式计算机，大大降低设备硬件成本；稳定性高，无硬盘，内置看门狗，上电重启时间短，可在各种恶劣环境下稳定长时间运行；功能强大，提供中断处理，定时扫描精度可达到毫秒级，提供对计算机串口、内存、端口的访问；通讯方便，内置串行通讯功能、以太网通讯功能、Web浏览功能和Modem远程诊断功能；操作简便，组态操作简单直观、灵活多变；设备众多，提供了所有常用700多种设备驱动程序；开放接口，用户在组态环境就可以直接编写驱动程序；数据存贮，高压缩比的数据压缩方式，保证数据完好无缺。 MCGS具有简单灵活的可视化操作界面。MCGS采用全中文，可视化，面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。还有多样化的报警功能。MCGS嵌入版提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型，方便用户进行报警设置，并且系统能够实时显示报警信息，对报警数据进行应答，为工业现场安全可靠地生产运行提供有力的保障。实时数据库为用户分步组态提供极大方便。 MCGS嵌入版由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干。 实时数据库是MCGS嵌入版系统的核心，时数据库相当于一个数据处理中心，同时也起到公用数据交换区的作用。MCGS嵌入版使用自建文件系统中的实时数据库来管理所有实时数据。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。实时数据库自动完成对实时数据的报警处理和存盘处理，同时它还根据需要把有关信息以事件的方式发送给系统的其它部