毕业设计（论文）-阀类性能检测的上位机组态设计.doc

阀类产品性能参数检测上位机组态设计（陕西理工学院机械工程学院测控技术与仪器专业082班级，陕西 汉中 723003）指导教师： 摘要 本课题主要是针对高标准的阀类产品性能测试要求而设计，主要研究力控组态软件在阀类产品性能参数检测中的应用。主要解决的问题是如何利用组态软件完成阀类产品性能参数包括前压、后压、压差、温度以及流量等等参数的测定，上位机实现对整个数据采集系统的监控、控制、调度和管理任务。使用力控组态软件进行系统监控系统的开发和脚本程序的编程，以及调试；具体包括对主画面、参数设定画面、实时分析画面以及历史分析画面的设计。并与下位机相互通信与联调，实现了一个完整的阀类产品性能参数测试系统。 关键词组态软件；上位机；画面；阀类产品；监控Design of host computer configuration for valve products performance parameter detection Li Bo（Grade08,Class2,Major Measuring and Control Technology and Instrumentations，School of Mechanical engineering，Shanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shanxi）Tutor:Wang Mingwu Abstract：This topic mainly aimed at desining for the high standard of valve products performance testing requirements, and studies application of the force control configuration software in valve products performance parameter detection. The main solving problem is how to use the configuration software to detect the valve product performance parameters including forward pressure, backward pressure, pressure differdence, temperature and flow rate. The host computer is used to monitor, control, schedule and manag tasks for the whole data acquisition system. The force control configuration software is adopted for mointoring system development and script program. The monitoring interface is included such as main chart, parameter setting chart, real-time graph, historical graph chart, and etc. Finally, the data communication and control was realized between host computer and lowest controller, and the valve products performance parameter testing system is designed completly.Keywords: configuration software; host computer; frame;valve products; monitoring目 录1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 阀类产品的简介21.3 计算机控制系统的简介51.3.1 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统61.3.2 基于PC总线的板卡简介71.3.3 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统71.3.4 基于PLC的计算机控制系统简介92 系统简介及原理142.1 系统的简介142.2 系统的原理153 上位机监控程序开发163.1三种常用组态软件的介绍163.1.1 组态王163.1.2 MCGS组态软件163.1.3 力控组态软件173.2 力控ForceControl6.1设计详解183.2.1 登陆界面183.2.2 用户管理213.2.3 主界面193.2.4 参数设定213.2.5实时分析243.2.6 数据报表284 上位机脚本程序开发304.1 脚本类型304.2 脚本程序开发315 上位机仿真与调试40致谢43参考文献441 绪论1.1 课题研究的目的和意义与本课题相关的领域为组态软件。组态软件是工业化新兴起的软件，最初的组态软件主要是解决人机界面问题，是面向SCADA(监控与数据采集)系统的软件平台工具,具有丰富的设置项目，灵活的使用方式、强大的功能。是未来工业不可缺少的必备软件。20世纪80年代时，世界上第一个商品化监控组态软件是由美国Wonderware公司研制的Intouch,随后又出现了Intellution公司的FIX系统，通用电气的Cimplicity,以及德国西门子的WinCC等；在国内主要有亚控公司的Kingview组态王，昆仑公司的MCGS,三维公司的力控，太力公司的Svnall等组态软件。组态软件在嵌入式应用、开放性技术、软硬件整体方案的解决、瘦客户技术等方面会有进一步的发展，将走向自动化、国际化。组态软件能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，提供良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法。工控组态软件的功能包括数据库生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连续调节功能。随着计算机技术网络技术的飞速发展，组态软件业必将迎来新的发展。组态软件出现了分布式、网络化的趋势，比如组态软件直接支持Internet远程访问功能已成为一个基本要求；组态软件向小型化发展，主要是满足嵌入式计算机在控制系统中的应用，应该注意的是，组态软件的小型化并未意味着其功能的弱化，这对组态软件的开发提出了更高的要求；组态软件与管理信息系统或领导信息系统的集成必将更加紧密，并很可能以实现数据分析与决策功能的模块形式在组态软件中出现。本设计中使用力控Forcecontrol开发出整个系统的监控界面，其中操作界面以多种形式的多幅显示画面实现，来实现对阀门测试过程的数据采集、调节阀开度的调节、测试数据的查询、曲线分析及报表打印等功能。组态软件应用范围广泛，可用于开发石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交通、楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的工业自动化、过程控制、管理监测、工业现场监视、远程监视/远程诊断、企业管理/资源计划等系统。 1.2 阀类产品的简介1.阀门的定义阀门（valve），是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。2.阀门的构造一般来说，阀门主要由阀体、启闭构件和阀盖三部分组成。阀座在阀体上，阀杆带动阀门的启闭件（阀瓣）做升降运动，阀瓣与阀座的离合，使阀门启闭。 启闭机构由阀瓣（又叫阀盘、阀芯）、阀杆和驱动装置（手轮）组成。阀杆用梯形螺纹旋拧在阀盖上，手轮和阀瓣固定在阀杆的上下两端，转动手轮，阀杆可升起或降落，以带动阀瓣靠近或离开阀座来关闭和开启，阀瓣与阀座密切相配，靠阀杆的压力使阀瓣紧压在阀座上，这时阀门处在完全关闭状态，阀门严密不漏。阀门的结构如图1.1：图1.1 阀门的构造3.阀门的分类阀的分类方法较多，这里就简单介绍几种常见的分类方法。按作用和用途分类截断类：如闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、针型阀、隔膜阀等。截断类阀门又称闭路阀，截止阀，其作用是接通或截断管路中的介质。 止回类：如止回阀，止回阀又称单向阀或逆止阀，止回阀属于一种自动阀门，其作用是防止管路中的介质倒流、防止泵及驱动电机反转，以及容器介质的泄漏。水泵吸水关的底阀也属于止回阀类。 安全类：如安全阀、防爆阀、事故阀等。安全阀的作用是防止管路或装置中的介质压力超过规定数值，从而达到安全保护的目的。 调节类：如调节阀、节流阀和减压阀，其作用是调节介质的压力、流量等参数。 分流类：如分配阀、三通阀、疏水阀。其作用是分配、分离或混合管路中的介质。 特殊用途类：如清管阀、放空阀、排污阀、排气阀、过滤器等。按公称压力分类真空阀：指工作压力低于标准大气压的阀门。 低压阀：指公称压力PN 1.6Mpa 的阀门。 中压阀：指公称压力PN 为2.5Mpa、4.0Mpa、6.4Mpa的阀门。 高压阀：指工称压力PN 为10.0Mpa80.0Mpa的阀门。 超高压阀：指公称压力 PN100.0Mpa的阀门。 过滤器：指公称压力PN 为1.0Mpa、1.6Mpa的阀门 按工作温度分类超低温阀：用于介质工作温度 t；101的阀门。 低温阀：用于介质工作温度101t29的阀门。 常温阀：用于介质工作温度29t425的阀门。 按驱动方式分类按驱动方式分类分为自动阀类、动力驱动阀类和手动阀类： 自动阀是指不需要外力驱动，而是依靠介质自身的能量来使阀门动作的阀门。如安全阀、减压阀、疏水阀、止回阀、自动调节阀等。 动力驱动阀：动力驱动阀可以利用各种动力源进行驱动。分为电动阀、气动阀、液动阀等。电动阀：借助电力驱动的阀门。气动阀：借助压缩空气驱动的阀门。液动阀：借助油等液体压力驱动的阀门。 此外还有以上几种驱动方式的组合，如气-电动阀等。 手动阀：手动阀借助手轮、手柄、杠杆、链轮，由人力来操纵阀门动作。当阀门启闭力矩较大时，可在手轮和阀杆之间设置齿轮或蜗轮减速器。必要时，也可以利用万向接头及传动轴进行远距离操作。 按公称通径分类小通径阀门：公称通径DN40mm的阀门。 中通径阀门：公称通径DN为50300mm的阀门。 大通径阀门：公称阀门DN为3501200mm的阀门。 特大通径阀门：公称通径DN1400mm的阀门。 按结构特征分类阀门的结构特征是根据关闭件相对于阀座移动的方向可分为： 截门形：关闭件沿着阀座中心移动； 如截止阀 旋塞和球形：关闭件是柱塞或球，围绕本身的中心线旋转；如旋塞阀、球阀 闸门形：关闭件沿着垂直阀座中心移动；如闸阀、闸门等 旋启形：关闭件围绕阀座外的轴旋转；如旋启式止回阀等 蝶形：关闭件的圆盘，围绕阀座内的轴旋转；如蝶阀、蝶形止回阀等 滑阀形：关闭件在垂直于通道的方向滑动。如滑阀 按连接方法分类螺纹连接阀门：阀体带有内螺纹或外螺纹，与管道螺纹连接。 法兰连接阀门：阀体带有法兰，与管道法兰连接。 焊接连接阀门：阀体带有焊接坡口，与管道焊接连接。 卡箍连接阀门：阀体带有夹口，与管道夹箍连接。 卡套连接阀门：与管道采用卡套连接。 对夹连接阀门：用螺栓直接将阀门及两头管道穿夹在一起的连接形式。 按阀体材料分类金属材料阀门：其阀体等零件由金属材料制成。如铸铁阀门、铸钢阀、合金钢阀、铜合金阀、铝合金阀、铅合金阀、钛合金阀、蒙乃尔合金阀等。 非金属材料阀门：其阀体等零件由非金属材料制成。如塑料阀、搪瓷阀、陶瓷阀、玻璃钢阀门等。 金属阀体衬里阀门：阀体外形为金属，内部凡与介质接触的主要表面均为衬里，如衬胶阀、 衬塑料阀、衬陶阀等。4.阀门的安装阀门安装之前，应仔细核对所用阀门的型号、规格是否与设计相符； 根据阀门的型号和出厂说明书检查对照该阀门可否在要求的条件下应用； 阀门吊装时，绳索应绑在阀体与阀盖的法兰连接处，且勿拴在手轮或阀杆上，以免损坏阀杆与手轮； 在水平管道上安装阀门时，阀杆应垂直向上，不允许阀杆向下安装； 安装阀门时，不得采用生拉硬拽的强行对口连接方式，以免因受力不均，引起损坏； 明杆闸阀不宜装在地下潮湿处，以免阀杆锈蚀。5.阀门的维护保养 阀门应存干燥通风的室内，通路两端须堵塞。 长期存放的阀门应定期检查，清除污物，并在加工面上涂防锈油。 安装后，应定期进行检查，主要检查项目： 密封面磨损情况。 阀杆和阀杆螺母的梯形螺纹磨损情况。 填料是否过时失效，如有损坏应及时更换。 阀门检修装配后，应进行密封性能试验。 运行中的阀门，各种阀件应齐全、完好。法兰和支架上的螺栓不可缺少，螺纹应完好无损，不允许有松动现象。手轮上的紧固螺母，如发现松动应及时拧紧，以免磨损连接处或丢失手轮和铭牌。手轮如有丢失，不允许用活扳手代替，应及时配齐。填料压盖不允许歪斜或无预紧间隙。对容易受到雨雪、灰尘、风沙等污物沾染的环境中的阀门，其阀杆要安装保护罩。阀门上的标尺应保持完整、准确、清晰。阀门的铅封、盖帽、气动附件等应齐全完好。保温夹套应无凹陷、裂纹。不允许在运行中的阀门上敲打、站人或支承重物；特别是非金属阀门和铸铁阀门，更要禁止。1.3 计算机控制系统的简介计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统。计算机自动控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。测量变送被控对象模拟量输入通道内部总线人机接口 执行机构模拟量输出通道主机板电器开关数字量输入通道磁盘系统 电气开关数字量输出通道 通讯接口; 外部总线图1.2 计算机控制系统的组成框图目前常用的比较典型的计算机控制系统，主要包括：基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统；基于数字调节器的计算机控制系统；基于PLC的计算机控制系统；基于嵌入式系统的计算机控制系统；分散控制系统；现场总线控制系统和计算机集成制造系统。1.3.1 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统是一种典型的DDC系统，工控机通过基于PC总线的板卡进行实时数据采集，并按照一定的控制规律实时决策，产生控制指令，并通过板卡输出，对生产过程直接进行控制。早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，从而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。(1)工业PC的结构工控机的典型结构主要由以下几部分组成。全钢机箱，IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-Bus兼容的无源底板。无源底板，无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置可以根据需要选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。CPU卡，IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII和PIV主板，用户可视自己的需要任意选配。其他配件，IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。(2)工业PC的特点专门为工业工程控制现场设计的工业PC机与普通微机相比，有以下特点：工业PC总线设计支持各种模块化CPU卡和所有的PC总线接口板。所有卡（CPU卡CRT卡磁盘控制卡和I/O接口卡等）采用高度集成芯片，以减少故障率，并均为模块化插板式，以便安装更换和升级换代。开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机各种应用软件。采用和PC总线兼容的无源底板。无源底板带有4、6、8、12、14或20槽，可插入各种PC总线模板。可内装RAM、EPROM、EEROM和FLASH MEMORY等电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下的操作具有高速和高可靠性。1.3.2 基于PC总线的板卡简介基于PC总线的板卡是指计算机厂商为了满足用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功能模板。基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。各种类型板卡依据其所处理的数据不同，都有相应的评价指标，现在较为流行的板卡大都是基于PCI总线设计的，下面以研华PCI系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典型板卡的性能和特点。基于PC总线的A/D板卡是基于PC系列总线，如ISA、PCI等总线标准设计的，板卡通常有单端输入、差分输入以及两种方式组合输入三种。例如研华PCI-1710数据采集卡.1.3.3 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统基于PC总线的计算机控制系统是一个典型的DDC系统，因此它具有以下特点：对于多回路控制系统，计算机DDC系统具有价格优势，路数越多，这种优势越明显。制造厂把编好的程序固化在控制器的ROM中，用户只需要通过组态，不必编写程序，它适合于典型的对象和通用的生产过程。主机电路由微处理器（CPU）、只读存储器（ROM、EPROM）、随机存储器（RAM）、定时/计数器（CTC）以及输入、输出接口等组成。 通信接口通信接口主要完成数字调节器于其它设备的通讯，目前大多数的数字调节器采用RS485通信。用户程序的编程通常采用面向过程POL语言（Procedure-Oriented Language）。控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法。数字调节器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字调节器既可以实现简单的PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和Smith补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。数字调节器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成中小型DCS控制系统。数字调节器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，将控制器本身的手、自动工作状态、PID参数值、输入及输出值等一系列信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更、参数的设置等。因此，由数字调节器组成的控制回路往往被认为是一个典型的直接数字控制（DDC）回路。这样多台数字调节器与上位机一起就可以构成一个中小型的DCS控制系统，数字调节器实现回路控制，构成独立的DDC控制，多个数字调节器控制的许多回路都与上位机进行通讯。国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC的标准草案第一稿和第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：（1） 高可靠性高可靠性是PLC最突出的特点之一。为实现“专为适应恶劣的工业环境而设计”的要求，PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性： 所有输入输出接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部的电路在电气上实现隔离。 各模块均采取屏蔽措施，以防止辐射干扰。 采用优良的开关电源。 对采用的器件进行严格的筛选。 具有完整的监视和诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大。 大型PLC还采用由双CPU构成的冗余系统，使可靠性进一步提高。由于采用了以上措施使PLC的平均无故障时间高达几十万小时。虽然各厂家PLC型号不同，但各国均有相应的标准，产品都严格的按有关技术标准进行出厂检验，故均可适应恶劣的工业应用环境。（2） 功能齐全除了单元式小型PLC外，绝大多数PLC采用标准的积木硬件结构和模块化的软件设计，不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。操作人员经短期培训，就可以使用PLC。因此，操作人员、维修人员可以及时准确地了解机器故障点，利用替代模块或插件的办法迅速排除故障。1.3.4 基于PLC的计算机控制系统简介近几年，随着显示技术的迅速发展，大多数PLC都可以配套使用液晶显示和触摸屏，使人机界面大大改善。自DEC公司研制成功第一台PLC以来，PLC已发展成为一个巨大的产业，目前PLC产品的产量、销量及用量在所有工业控制装置中居首位，据不完全统计，现在世界上生产PLC及其网络产品的厂家有200多家，生产大约400多个品种的PLC产品。按地域范围PLC一般可分成三个流派：美国流派、欧洲流派和日本流派。一方面，美国PLC技术与欧洲PLC技术基本上是各自独立开发而成的，二者表现出明显的差异性，而日本的PLC技术是由美国引进的，因此它对美国的PLC技术既有继承，也有发展，而且日本产品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的产品面临的市场相同，用户的要求接近，相互借鉴就比较多，技术渗透得比较深，这都使得同一地域的PLC产品表现出较多的相似性，而不同地域的PLC产品表现出明显的差异性。按结构形式可以把PLC分为两类：一类是CPU、电源、I/O接口、通信接口等都集成在一个机壳内的一体化结构，如OMRON公司的C20P，C20H，三菱公司的FX系列产品，西门子公司的S7-200系列产品。 另一类是电源模块、CPU模块、I/O模块、通信模块等在结构上是相互独立的，用户可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装固定在机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统，如OMRON公司的C1000H，三菱公司的Q系列，SIEMENS公司的S7-300等。按I/O点数的多少又可将PLC划分为超小型PLC（I/O点数小于64点）、小型PLC（I/O点数在65128点）、中型PLC（I/O点数范围在129512点）和大型PLC（I/O点数范围在512点以上）等几种。小型及超小型PLC在结构上一般是一体化形式，主要用于单机自动化及简单的控制对象；大、中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增强了数据处理能力和网络通信能力，可构成大规模的综合控制系统，主要用于复杂程度较高的自动化控制，并在相当程度上替代DCS以实现更广泛的自动化功能。随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵的不断延伸，PLC的结构和功能也在进行不断地完善和扩充，实现控制功能和管理功能的结合，以不同生产厂家的产品构成开放型的控制系统是主要的发展理念之一。长期以来PLC走的是专有化的道路，目前绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。就PLC系统而言，现代PLC主要有以下两种发展趋势。由于现代工业自动化的内涵已不再局限于某些生产过程的自动化，而是实现信息管理和工业生产相结合的综合自动化，强化通信能力和网络化功能是PLC发展的一个重要方面，它主要表现在：向下将多个PLC、远程I/O站点相连；向上与工业控制计算机、管理计算机等相连构成整个工厂的自动化控制系统。例如：A-B、SIEMENS、MODICON等多数生产厂家的PLC产品都已具备类似的功能。以SIEMENS公司的S7系列PLC为例，它可以实现3级总线复合型的网络结构，如图8.9所示。中间层为PROFIBUS现场总线或MPI多点接口链路，PROFIBUS采用令牌方式与主从方式相结合的通信机制，MPI为主从式总线。二者可实现PLC与PLC之间、PLC与计算机、编程器或操作员面板之间、PLC（具备PROFIBUS-DP接口）与支持PROFIBUS协议的现场总线仪表或计算机之间的通信。随着应用范围的扩大，体积小、速度快、功能强、价格低的PLC广泛渗透到工业控制领域的各个层面。小型化发展具体表现为：结构上的更新、物理尺寸的缩小、运算速度的提高、网络功能的加强、价格的降低，当前小型化PLC在工业控制领域具有不可替代的地位。中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。在20世纪70年代中期到80年代末，大、中、小型PLC型的CPU所采用的微处理器芯片的档次差别很大，因此，不同类型的PLC的CPU所采用的微处理器芯片的档次相差很大，因此，不同类型的PLC其功能、扫描速度、用户程序的存储量、IO点数、软设备（例如：逻辑线圈、计数器、数据寄存器等）数量等都有较大差别。随着超大规模集成电路技术的进步和发展，微处理器价格的下跌，PLC也能使用功能强、速度快的高档微处理器作为其CPU。因此，在80年代末90年代初，PLC制造厂商纷纷推出新一代的产品，其特点是普遍采用高档的微处理器，外加专用逻辑处理芯片构成PLC的CPU，前者处理高速指令、中断等，使得PLC的处理速度加快，功能增强。例如：三菱公司新FX系列小型PLC，CPU就由一片16位微处理其和一片专用处理器构成。该机的某些性能甚至超出了80年代中期的大型PLC.近两年，有些制造厂商还根据PLC对CPU的要求，自行研制开发了专用的CPU芯片。这种芯片将PLC的功能集成在一个芯片中，其中还包括一些原来由软件实现的功能改由硬件完成，使其体积更小，可靠性更强。例如：三菱公司的A2A、A3A型PLC采用的就是该公司自行研制开发的专用芯片MSP（Mitsubishi Sequential Processor）。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，例如立石公司的C-2000H系列的冗余系统；或采用三CPU的表决式系统，例如三菱公司的A系列PLC中的三CPU表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件才能构成一台完整的PLC。不论是小型PLC还是中、大型PLC所采用的电源，其性能都一样，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，完成上述三个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样结束后，转入用户程序执行阶段；在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是按从上而下的顺序依次扫描用户程序，然后根据程序的运算结果，刷新RAM存储区中对应的状态，或者刷新输出I/O影像区中对应为的状态；或者确定执行特殊指令，如算术运算、数据处理和数据传送等，当扫描用户程序结束后，PLC进入输出刷新阶段，在输出刷新阶段，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设，这时，PLC才有真正的输出。顺序扫描工作方式简单直观，便于程序设计和PLC自身的检查。具体体现在：PLC扫描到的功能经计算后，其结果马上就可被后面将要扫描到的功能所利用；可以在PLC内设定一个监视定时器，用来监视每次扫描的时间是否超过规定值，避免由于PLC内部CPU故障使程序执行进入死循环。一般小型PLC采用固定的扫描顺序，大中型PLC采用可变的扫描顺序。由于PLC具有诸多优点，使得PLC应用十分广泛。现在，PLC已经广泛应用在钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车装卸等各行各业。由PLC组成的控制系统大致可以分为以下几种类型。这是PLC最基本的应用范围。总之，PLC可用于单机、多机群以及生产线的自动化控制。可用一台PLC实现36轴的机器人控制。现代大型PLC都配有PID子程序或PID模块，可实现单回路、多回路的调节控制。计算机-PLC-现场仪表是目前构成DCS的基本结构。现代的PLC均具有通信接口或专用网络通信模块，可组成多级控制系统，实现工厂自动化网络。（1）PLC系统的设计原则关于PLC系统的设计原则往往涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为四点： 最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 确保计算机控制系统的可靠性。（2）PLC系统设计包含的内容但是，所有设计方法要解决的基本问题是相同的，下面是PLC系统设计所要完成的一般性内容： 分析被控对象的工艺特点和要求，拟定PLC系统的控制功能和设计目标； 细化PLC系统的技术要求，如I/O接口数量、结构形式、安装位置等等； PLC系统的选型，包括CPU、I/O模块、接口模块等等； 编制I/O分配表和PLC系统及其与现场仪表的接线图； 根据系统要求编制软件规格说明书，开发PLC应用软件； 编写设计说明书和使用说明书；一个复杂的生产工艺过程，通常可以分解为若干个工序，而每个工序往往又可分解为若干个具体步骤，这样做可以把复杂的控制任务明确化、简单化、清晰化，有助于明确系统中各PLC及PLC中I/O的配置，合理分配系统的软硬件资源。设计任务书是进行设备选型、硬件配置、软件设计、系统调试的重要技术依据，若在PLC系统的开发过程中发现不合理的方面，需要及时进行修正。 数字量输入总点数及端口分配； 数字量输出总点数及端口分配； 模拟量输入通道总数及端口分配； 模拟量输出通道总数及端口分配； 特殊功能总数及类型； PLC功能的划分以及各PLC的分布与距离； 对通信能力的要求及通信距离。安全回路是能够独立于PLC系统运行的应急控制回路或后备手操系统。一般来说，安全回路在以下几种情况下将发挥安全保护作用：设备发生紧急异常状态时；PLC失控时；操作人员需要紧急干预时。设计安全回路的一般性任务主要包括：为PLC定义故障形式、紧急处理要求和重新启动特性；确定控制回路与安全回路之间逻辑和操作上的互锁关系；设计后备手操回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段；确定其他与安全和完善运行有关的要求。在软件设计过程中，前期工作内容往往会被设计人员所忽视，事实上这些工作对提高软件的开发效率、保证应用软件的可维护性、缩短调试周期都是非常必要的，特别是对较大规模的PLC系统更是如此。根据功能的不同，PLC应用软件可以分为基本控制程序、中断处理程序和通信服务程序三个部分。这个只有1KB ROM和64B RAM的简单芯片成为世界上第一个单片机，开创了将微处理机系统的各种CPU外的资源，如：ROM、RAM、定时器、I/O端口、串行通信接口及其他各种外围功能模块集成到单个芯片的时代。人们最熟悉的通用计算机就是PC。而对于另外一些应用中经常会提出的技术要求，PC反而是难以满足，如：低成本、低功耗、小体积、高可靠性等等。目前GPS设备己经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。（6）环境监测目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU , MPU等30多个系列。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64KB到16MB，处理速度最快可以达到2000MIPS，封装从几个引脚到几百个引脚不等。 2 系统简介及原理2.1 系统的简介阀类产品性能参数检测数据采集处理系统，主要是针对高标准的军用阀类产品而设计的。市场上阀类产品，大致有以下三方面问题：首先，种类繁多，给其性能参数的采集带来了相当大的困难，缺乏一种通用的测试处理平台，以降低成本并实现方便测试处理；其次，对于高压阀的数据采集，需要每隔数秒或数十秒就采集一次，这便需要数据的高速采集和较大的存储空间；最后，对于测试介质压力极高会给设备选型带来一定的困难，特别是适合高压的电控调节阀的选型非常困难，高压手动调节阀的操作具有很高的危险性，如何将其改为电动调节阀是比较重要的。本系统主要了解决以上了几个问题。本次毕设要求以S7-200 PLC为下位机的核心，另外辅助其他的电气原件，设计出完整的阀类产品的数据采集硬件系统的设计和PLC程序，上位机则以组态软件为核心，设计完成对整个数据采集系统的监控、控制、调度和管理任务。从而实现一个完整的阀类产品性能参数采集处理系统。本系统可用于对被测阀性能检测数据的自动采集，完成对阀门测试过程的数据采集、数据存储、数据查询、数据的曲线分析、调节阀开度的调节等功能。与下位机结合，本系统可以完成以下功能：（1）实时显示被测阀的入口压力P入（MPa）、出口压力P出（MPa）、入口/出口压差P（MPa）、温度T(C)、出口流量Q(Kg/s、L/min)；（2）显示被测阀的特性曲线；P入Q 实时及历史特性曲线P入P出 实时及历史特性曲线QP 实时及历史特性曲线（3）实时显示被测阀P入 、P出、P、Q、T等单变量曲线；（4）调节阀开度的自动调节；（5）动态显示测试介质流向；（6）快捷方便的下拉式参数框选择菜单；（7）自动垃圾数据过滤，以节约磁盘空间，提高查询速度；（8）输入阀门的编号及任务号，即可得到被测阀的历史数据及分析曲线；（9）完善的编码器保护措施；（10）曲线和报表的打印；（11）联机帮助文档。2.2 系统的原理阀类产品性能参数检测数据采集系统原理如图2.1所示：前压力变送器被测阀后压力变送器电控调节阀流量计电磁阀排空气源入口图2.1 阀类产品性能参数检测数据采集系统原理图本系统需要采集的阀类产品的性能参数主要有前压、后压、压差、温度和流量等。首先，测试气源由电磁阀来控制开断，电磁阀打开时，气体由气源入口进入管道并进入该系统，被测阀前后的压力（前压力和后压力）可由两个压力变送器测得，分别为P1和P2，两者之差即为被测阀的压差。其次，电动调节阀可以调节阀门的大小，可以控制气体通过的多少，用来调节测试介质流量的大小。另外，流量计主要有体积流量计和质量流量计，流量计输出有两路信号，一路测气体的流量，另一路测气体的温度。压力变送器和流量计可方便地根据需要选择量程。最后，将气体排空。由于本系统主要是针对高标准的军用阀类产品性能测试要求而设计的。数据采集部分主要由下位机完成，数据处理部分则由工控机(IPC)通过组态软件来实现，因此，组态软件的选取成为上位机数据处理的关键。3 上位机监控程序开发3.1三种常用组态软件的介绍组态软件：一般英文简称有三种分别为HMI/MMI/SCADA,对应全称为Human and Machine Interface/Man and Machine Interface /Supervisory Control and Data Acquisition，中文翻译为：人机界面/监视控制和数据采集 软件。目前组态软件的发展迅猛，已经扩展到企业信息管理系统，管理和控制一体化，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合。3.1.1 组态王组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司（更早的品牌多数已经湮灭）。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。组态王软件加密锁分为开发版、运行版、NetView、Internet版和演示版。我们使用的是演示版，它支持64点，内置编程语言，开发系统在线运行2小时，支持运行环境在线运行8小时，可选用通讯驱动程序。其组建工程的一般步骤如下：建立新工程、定义I/O设备、构造数据库、创建组态画面建立动画连接、实现控制（PID）、运行和调试3.1.2 MCGS组态软件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Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS组态软件的整体结构如图3.1所示组态环境：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库 图3.1 MCGS组态软件的整体结构图MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。3.1.3 力控组态软件ForceControl（力控）：三维公司的ForceControl（力控）从时间概念上来说，力控也是国内较早就已经出现的组态软件之一。只是因为早期力控一直没有作为正式商品广泛推广，所以并不为大多数人所知。大约在93年左右，力控就已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于DOS和VMS的版本。后来随着Windows3.1的流行，又开发出了16位Windows版的力控。但直至Windows95版本的力控诞生之前，他主要用于公司内部的一些项目。32位下的1.0版的力控，在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且其实时数据库结构可为可组态的活结构。在19992000年期间，力控得到了长足的发展，最新推出的2.0版在功能的丰富特性、易用性、开放性和I/O驱动数量，都得到了很大的提高。在很多环节的设计上，力控都能从国内用户的角度出发，即注重实用性，又不失大软件的规范。另外，公司在产品的培训、用户技术支持等方面投入了较大人力，相信在较短时间内，力控软件产品将在工控软件界形成巨大的冲击。力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易的实现监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短自动化系统集成的时间，提高了集成效率。力控监控组态软件能同时和国内外各同种工业控制厂家的设备进行网络通信，它既可以与可靠性高的工控计算机及网络系统结合，以达到集中管理和监控的目的，又可以方便地向控制层与管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统进行整体的集成。力控6.0监控组态软件是北京三维力控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，是三维力控全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。力控6.0在秉承力控5.0成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6.0面向. NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：“测试驱动开发”，产品品质将得到充分保证。与力控早期产品相比，力控6.0产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃。主要特点：1.方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、大大降低了组态开发的工作量；2.高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达到20000次/秒；3.强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；4.支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；5.强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；6.全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板。3.2 力控ForceControl6.1设计详解本次设计的主要工作就是各个界面的设计，具体的界面包括：（1）登陆界面；（2）用户管理界面；（3）主界面；（4）参数设定界面；（5）实时分析界面；（6）数据报表界面；（7）历史查询界面。3.2.1 登陆界面在桌面上，如图3.2所示，双击“运行系统”快捷方式，进入“登陆”窗口。图3.2 运行系统登陆窗口如图3.3所示。在“登陆窗口”中，只有输入正确的用户名和口令，并具备一定得权限才被允许运行本系统。图3.3 登陆窗口3.2.2主界面主界面如图3.4所示图3.5 主界面图3.4 操作按钮1. 参数显示在主界面上显示的参数有：当前被测阀的名称、任务编号和测试员，被测阀的前向压力P入，后向压力P出，前后压差P，介质瞬时流量Q，出口温度T，实时日历和时钟，调节阀的目标开度及当前开度等。如图3.5所示，在一排按钮中按下某个按钮，即可进入相应的窗口。图3.5操作按钮例如，移动鼠标至“参数设定”按钮，当“”变为“”时，单击左键，即可进入“参数设定”窗口，同时按钮凹下去。按下“实时分析”按钮，进入实时分析曲线窗口，操作同上。按下“数据报表”按钮，进入数据报表窗口，操作同上。按下“历史查询”按钮，进入历史数据查询及曲线处理窗口，操作同上。按下“退出系统”按钮，退出系统，操作同上。按下“帮助”按钮，获得系统的联机帮助文档，操作同上。另外，在主界面上还包括绘制曲线、停止绘制和急停按钮三个按钮。按下“绘制曲线”按钮，系统在XY曲线坐标内开始绘制曲线，同时数据开始存储。按下“绘制停止”按钮，系统曲线绘制停止，同时数据停止存储。按下系统急停按钮，电磁阀关闭，曲线停止绘制，直流电机停转，系统处于安全模式下。2.调节阀开度的自动调节图3.6阀门开度设定如图3.6，框为阀门的目标开度值，下框为阀门的当前开度值。如果目标开度值大于当前开度值，电机正转，开度调大，