基于工业组态软件的饮料灌装生产线设计.doc

基于工业组态软件的饮料灌装生产线设计1 引言1.1 课题背景近年来随着工业IT技术的成熟和不断的发展,它逐渐在工业自动化软件中占得一席之地，更深远的是给工业信息化、自动化和社会信息化带了很大的影响，为了满足人们对工业自动化的要求，多种多样的控制设备和监控装置越来越广地在工业领域应用。工业自动化组态软件的应用解决了传统工业控制软件的缺陷和不足，因为它能够很好地让用户任意组态自己要控制的对象和自动控制的目的。饮料灌装生产线设计的课题就是在这样的背景下提出来的。1.2 饮料灌装技术在食品饮料行业中广泛采用容积泵式和蠕动泵式计量方式的饮料灌装机，它们的缺点主要是:罐装精度不高、稳定性不好、更换灌装规格困难、生产效率不高等等。与国际相比，它们的技术水平和生产效能存在着很大的差距。当前，国际饮料灌装机技术的特点主要是: (1) 灌装功能形式多样；(2) 生产率高；(3) 技术特征高新。1.3 国内外饮料灌装生产线现状1.3.1 国外饮料灌装生产线现状目前国外很多灌装生产线已经可以在不同环境和要求下使用，比如：玻璃瓶与塑料容器、碳酸饮料与非碳酸饮料、热灌装与冷灌装等，因为国外灌装与封口设备正快速向高速、高精度、多用方向发展1。 灌装非碳酸饮料的灌装阀已达到50头100头，灌装的速度最高达到1500罐分，灌装机料槽转速快至20r/min25r/min，从而速度比原始的提高了1倍。并且可以进行饮料的热灌装，而且封口后不需要再次杀菌。 常温灌装碳酸饮料技术已酝酿了20多年，它的设计不但可以降低饮料成本，而且有利于环保。它采用加压的方式或液氮滴入的方式向铝罐或PET瓶中灌注碳酸饮料，不仅可以保护内容物，还可以减少营养素的损失。 目前已开发了PET树脂成型灌装的简便式无菌包装机，同时也要开发冰咖啡等低酸性饮料的无菌包装技术，来实现薄壁罐的无菌包装，因为它可以降低灌装的温度，提高茶的质量，并确保产品卫生安全。1.3.2 国内饮料灌装生产线现状国内灌装生产线全方面的发展是建立在引进了先进的设备和技术，从八十年代开始，引进了多种饮料灌装生产线，当中也包括了啤酒灌装线的500多条。它们主要分为以下几类： 玻璃瓶饮料灌装线八十年代引进了116条玻璃瓶饮料灌装线，着重应用在碳酸饮料。生产线上的设备主要有卸箱机、灌装机、洗瓶机、压盖机、喷码机、贴标机、气水混合机、装箱机等等。而且有在线检测的设备，如真空检测仪、液面检测仪。 易拉罐饮料灌装线德国SEN、美国迈耶公司的设备占多数，包括了卸罐机、洗罐机、灌装机、封罐机、码垛机及混合机、薄膜收缩机等。灌装能力为150、300、400、500罐分，最高575罐分。目前的广东轻机和南京轻机都具有自己的易拉罐灌装生产线线。 软包装饮料灌装线 现全国引进有瑞典利乐包无菌包装机，它在我国北京、广东佛山、江苏昆山都设复合纸板制造线；美国屋顶形纸盒无菌包装机；法国百利包；德国BOSCH、日本印刷、日本东洋等制造的立袋饮料灌装机；德国zupack纸盒成形-灌装-封口饮料的热灌装线；德国PKL的预成形纸盒。以上的前三种是无菌灌装，后三种采用的是热灌装，灌装封口后运用喷淋冷水冷却2。 1.4 本课题主要研究的内容和任务面向网络化制造环境，研究并建立车间生产监控系统的方案。利用实验室现有的MCGS组态软件平台、ADAM系列的数据采集模块、三菱PLC等硬软件资源，完成一个基于MCGS组态软件平台的饮料灌装生产线设计及部分开发工作，并进行实验的验证。具体设计任务如下：(1) 基于MCGS组态软件平台的饮料灌装生产线的总体方案设计；(2) 饮料灌装生产线硬件选型设计；(3) 饮料灌装生产线软件设计；(4) 饮料灌装生产线的部分开发与调试。1.5 论文的组织结构论文的内容安排及组织结构如下：第1章 绪论主要阐述了饮料灌装技术的概况，分析了国内外饮料灌装生产线的发展现状,介绍了论文的组织结构。第2章 主要通过对数据采集组态软件的基本组成及功能的分析，提出论文主要内容和任务的研究。第3章 主要分析和选择了饮料灌装生产设计中用到的软硬件的型号。第4章 提出了总体的设计方案并对硬件部分进行合理设计的流程。第5章 通过对饮料灌装传送带电动机和灌装的启动和停止调速监控系统软件部分的分析，设计出PLC的梯形图及其仿真。第6章 主要通过选用合适的组态软件为开发平台，分析瓶流速度、瓶内液位和瓶子数量数据的采集系统的功能需求和技术指标的基础之上按照预定的功能实现设计程序，实现相应的功能，整体地完成系统软件的设计。第7章 通过硬软件的分析，简单介绍智能模块ADAM下位机的开发。 2 相关技术软件简介2.1 工业组态软件在国内外发展现状2.1.1 国外的组态软件(1) 美国Intouch，被称作是组态软件的“鼻祖”，它领先推出的在16位Windows环境下的组态软件，曾在世界上有较高的市场占有率。但是Intouch在32位Windows环境下已经受到其它软件的影响。(2) Intellution公司的Fix，在外国组态软件中，它也是较早进入到中国市场的。(3) 澳大利亚CIT公司的Citech，是后来发展起来的组态软件，它操作简洁，但但它的操作多数是面向程序员，而不是面向工控用户。(4) 德国公司的WINCC，新版软件已经取得了很大的进步，虽然在体系结构上还是比较复杂和在网络结构和数据管理的方面要比Fix差，但是相比较而言是比较完备先进的组态软件。(5) T.A.Engineering公司的AIMAX，同时提供16位和32位Windows下的不同版本。曾在国内拥有一批用户。但是由于它比较直观的图形组态方式，功能提供的又少，总体让人觉得不是太高。2.1.2 国内的组态软件 从2000年开始，组态软件的应用已经不仅局限于传统的工业自动化领域，组态软件农也渐渐应用业、食品医药、交通、教育、环保、新能源、节能降耗等很多新兴领域。它的功能越来越满足当代的需求，例如，组态软件与PLC等控制系统的简便连接、简单操作；而且可以利用计算机的计算处理能力来进行分析与收集实际生产中的信号，使各部门和各生产线的情况能实时让工厂或企业的工作人员了解；以及监控大的规模系统的稳定性，减少系统故障；利用因特网实现快速采集远程数据。 国产化的组态软件如：组态王、SYNALL、MCGS、天工、ControlX、虎翼、力控等近年来已在市场上具有一定的影响力。国内，已有很多的组织和个人也积极地投入开发。 通过国内组态软件的比较，可以知道工业组态软件中MCGS不但操作简单，而且功能齐全强大，参照本设计的要求，所以选择了MCGS软件来完成一个对饮料灌装生产线的监控。2.1.3 组态软件的发展 从当今的市场来看，组态软件已经进入到快速增长的时期。在国内，还没有哪一家形成具体的垄断，和其它的许多的行业相比较，组态软件的市场竞争还是相对要小很多，而且发展的空间也非常广阔。我们可以预言，在中国，进一步推广组态软件的使用是很有前景的，与此同时它将促进我国工业自动控制技术部分的发展。 新一代组态软件具有的特点以下几个方面：(1) 以NET为技术基础，网络为中心； (2) Internet和远程自动化能力的增强； (3) 人机接口功能的增强； (4) 编程能力信息化能力增强。 图2.1 自动化软件发展的趋势图2.2 组态软件发展的三个阶段2.2 MCGS监控系统的原理及构成2.2.1 MCGS的概述 Monitor and Control Generated System是一套基于Win2dows98/NT/Me/2000 操作系统(或更高版本)的全中文工控组态软件，它可从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、报警处理、动画显示、报表输出等方面满足用户提出的要求并做出实际工程问题的完整解决方案和实施的开发平台，除此之外用户可以方便地扩充系统的功能通过OPC、ODBC、DDE、ActiveX 等机制3。2.2.2 MCGS通用监控系统的主要特点(1) 概念内容简单，使理解与运用很容易； (2) 具备实时性和并行处理的功能；(3) 功能具备很齐全，使方案的设计很方便； (4) 具有实时数据库，使用户分部组态很方便和能确定系统运行的安全可靠； (5) 具备多样的“动画组态”的功能，能够快速的构成多种丰富生动的画面。 2.2.3 MCGS监控系统的构成及功能组态软件的系统组成部分是“MCGS的组态环境”和“MCGS的运行环境”，它们虽互相独立着，但又紧密相关着。它的构成如图2.3所示4。 图2.3 MCGS结构图MCGS组态软件建立的工程是由主控窗口、用户窗口、设备窗口、实时数据库和运行策略五个部分来构成，它们有不同的性能，可以分别进行组态的操作，实现不同工作的要求。如下图2.4所示，能够由它完成对工业生产的仿真上位监控过程。图2.4 MCGS功能分析图 它们在运行时的内在关系如下图2.5所示。图2.5 MCGS 组态软件系统结构关系的示意图3 饮料灌装控制系统软硬件的选型3.1 饮料生产线的工作原理及基本结构生产线的运作是由电磁阀和电动机来控制的，电磁阀运用比例电磁阀，原理是利用比例电磁铁的输出电磁力，使得液流压力与流量连续地、按比例地跟踪控制的信号，并随着信号的变化而变化。 饮料灌装生产线的基本结构如图3.1所示。它的组成主要是主传送带、灌装装置、空瓶检测传感器等。PLC控制传送带电动机与灌装的启动和停止，它控制准确，自动化水平高。生产线是由传感器和组态软件实时监控的。图3.1 灌装生产线的基本结构图3.2 电器元件的选型 (1) 电动机的选择电动机M1型号选Y132M-4，它的额定电压是交流380V，额定电流是15A，频率是50HZ，功率是7.5KW，转速是1440 r/min。电动机M2型号选Y90S-4，额定电压是交流380V，额定电流是2.8A，频率是50HZ，功率是1.1KW，转速是1440 r/min。 (2) 断路器的选择低压断路器能用来接通和分断负载电路，也能用来不频繁启动电动机的控制，又称自动空气开关。 低压断路器具有如：多的保护功能（短路、过载、欠电压保护等）、动作值可调性、高的分断能力、方便和安全的操作等优点，因此目前它应用广泛。选用低压断路器应考虑到以下的条件： (a) 依据线路对保护的需求来决定断路器的型号和保护的形式，决定选用框架式、装置式或者限流式等。 (b) 被保护电路的额定电压的额定电压应小于或等于断路器。 (c) 被保护电路的额定电压应等于断路器欠压脱扣器。 (d) 被保护电路的计算电流的额定电流应小于或等于断路器的额定电流及过流脱扣器。 (e) 线路的最大保护电流的有效值应小于断路器的极限分断能力。 (f) 配电线路上、下级断路器的保护特性协调配合应是下级的保护特性应位于上级保护特性的下方并且不能相交，避免越级跳闸的现象。 (g)导线允许的持续电流应大于断路器的长延时脱扣电流。所以有了前面选择的电动机的额定电流，就可以选择断路器QF1、QF2的型号如表2.1所示。同样依据PLC和变压器选择QF3和QF4的型号。 (3) 热继电器的选择过载现象在电动机运行过程中会常遇到。假如过载不严重或过载时间短，那么电动机的绕组不会超过允许温升的，这样的情况是允许的；但万一过载情况严重或长时间过载，电动机绕组的温升就会不断升高，这种情况会加速绕组绝缘层的老化，严重的可能会烧毁坏电动机，所以必须要进行过载保护。电力拖动自动控制系统中电动机的过载保护常是用热继电器来实现。热继电器选用的原则： (a) 一般选择的热继电器的额定电流（发热元件的额定电流）为电动机额定电流的60%80%。 (b) 起动不频繁的场合中，一般，电动机的起动电流是它额定电流的6倍，这样起动时间就不会超过6S，如果很少连续起动，则可以依照电动机的额定电流选择热继电器。 (c) 在重复的短时工作的电动机中，要注意确保热继电器的在允许的操作频率内。由于热继电器的操作频率是有限的，假如用它来保护重复工作且频率较高的电动机，效果不明显，有时甚至不可以使用。因此，对于通断频繁且可逆运行的电动机，采用热继电器来保护是不妥的，但不过可以在电动机内部装置温度继电器来防止电动机绕组升温过高。由上面选用的三个电动机的额定电流，主电动机M1的额定电流是15A，则FR1可以选择JR16型号，热元件电流为20A，电流整定范围为1422A工作时将额定电流调整为15A。同理，FR2可以选择型号是JR10-10的热继电器，热元件电流为2A，电流整定范围是0.45A2A工作时额定电压可调整为1.1A5。电气元件的型号及数量如表3.1所示。表3.1 电气元件表符号名称型号数量M1主传送带电功机Y132M-41M2灌装装置电动机Y90S-41QF1断路器NS100N1QF2断路器NS80S1QF3断路器NS20S1QF4断路器NS10S1FR1热继电器JR161FR2热继电器JR10-101SB1SB2按钮LA10-K33.3 传送装置的选择饮料灌装生产线一般采取平项链来输送。输送的平项链外形如图3.2所示。平项链输送线的组成是：平项链链条、电机驱动系统、支撑导轨、链条张紧装置等等。它的基本特点如下： (1) 在输送线之间物料过渡平稳，能运送各类箱包、塑料瓶、玻璃瓶、易拉罐等物件； (2) 平项链输送线通常可直接用水冲洗，设备清洁方便，非常满足食品、饮料等行业对卫生的要求； (3) 设备布局比较灵活，在一条运输线上可以完成水平、倾斜和转弯等方式的输送；(4) 设备结构很简单，维护比较方便6。 图3.2 输送平项链3.4 传感器的选型 (1) 光电传感器 它的检测元件是光电元件，它会把被测量的变量的变化先转变为信号的变化，再应用光电元件把光信号转换成电信号的。它的主要组成是光源、光学通路和光电元件。光电检测精度很高、反应很快、还可非接触检测等等，并且可以检测的参数是较多的。 根据设计可选的光电传感器的种类如下： (a) 包装充填物的高度检测包装的成品用容积法来计量，不仅要求对重量有很高的误差范围外，而且对充填的高度也有很高的要求。如图3.3所示是借助于光电检测技术来控制充填高度的原理。运用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计和装配件是否到位及装配质量进行检测，譬如灌装时瓶盖是不是盖上、商标是不是贴上以及送料机构是否断料等。图3.3 运用光电检测的技术控制充填的高度 (b) 光电式带材跑偏的检测器 它是用来检测带型材料偏离正确位置的大小和方向，并提供纠偏信号给纠偏控制电路，在印染、送纸、胶片、磁带的生产中运用到。 根照生产线的设计，我们要设计的是一个对流水线上的饮料罐是否到位，罐内液面是否到达指定高度以及瓶盖是否压上、商标是否漏贴经行检测。故选择a，设计安装示意图如图3.4所示。图3.4 流水线瓶子灌装检测示意图 (2) 压力传感器 它是把压力信号转换成电信号输出的传感器。被测物体的压力可直接作用在传感器的膜片上，膜片会产生与物体压力成正比的微位移，从而传感器的电阻值就会发生变化，并转换输出一个与这压力对应的标准测量信号。 依据本课题的控制要求，在设计中所以我选用了流量传感器用来检测有无饮料瓶通过；并选用了一个压力传感器来检测瓶子是否已经灌满。3.5 智能模块的选型 经过对相关硬件的了解与分析，可以基本确定选用光电、压力传感器和ADAM5017、ADAM5050模拟量输入模块连接完成对瓶内的液位和瓶子的数量数据的采集，符合设计的要求。下位机选择内置的ROM-DOS兼容MS-DOS操作系统的ADAM-5510M作为基站，它除BIOS之外还提供了基本MS-DOS功能的调用，运行时允许用C或C+等高级语言编译的应用程序，所以这样设计是可行的。3.6 PLC的选型在生产PLC的厂家中，我们比较熟悉的是生产FX2N系列机型的日本三菱，FX2N系列PLC具有数十种编程元件。但我们只要选择FX2N-16MR-001就能满足我们设计的控制系统的要求7。4 饮料灌装系统总体设计方案 4.1 系统流程图图4.1 系统流程图流程图的说明： SB1按钮控制启动主传送带电动机后，定位传感器检测到饮料瓶后，主传送带就停止运动，灌装装置开始灌装，定时时间到达以后，灌装装置自动停止，主传送带再次运行，按下SB2主传送带电动机停止运动。4.2 电器控制的电路设计图4.2中四个断路器不仅能引入三相电源，而且能够为电路提供短路保护。图中的两个热继电器FR1、FR2可以为电机提供过载保护。图4.2 电器原理图4.3 系统总体方案设计 该设计的重点在于系统软件的设计，因此经过对硬件模块的比较后选择ADAM-5017模块，运用该模块能实现对瓶内的液位和瓶子的数量信号的调整和数字化。当电机转动时，就会带动皮带转动，等到灌装的瓶子在皮带上运动经过光电传感器时，传感器会就会对瓶子的数量和瓶内的液面进行检测并会把数据送往ADAM模块完成对液位和瓶子数量的数据采集处理，联机工业组态软件MCGS在PC机上就可得到瓶流速度和实际液位，然后把得到的数据和原先储存的数据或者是标准的数据进行比较，如果灌装速度不变，瓶流速度就要与灌装速度保持一致，液位也要达到标准液位，根据这些判断是否要进行调整，从而就可完成对灌装生产线的监控。该结构则见图4.3。图4.3 系统结构图5 可编程控制器PLC 的设计5.1 PLC的概述PLC采用可编程序的存储器，在它的内部存储顺序控制、定时、逻辑运算、计数和算数等指令的运作，与通过模拟式和数字式的输入和输出，来控制生产各种类型机械的过程。PLC的主要功能有： (1) 较强的抗干扰能力，可靠性很高； (2) 简单的控制系统结构，通用性很强； (3) 便于编程，使用方便； (4) 强大的功能，成本低； (5) 较短的设计、施工、调试周期，便于维护。它的基本外形如图5.1所示。图5.1 FX2N系列 5.1.1 PLC的系统组成虽然PLC有很多的品种、不同的结构、多样的功能，但它的系统组成和工作原理是基本相同的。概括起来讲，系统都是由硬件和软件两大部分组成，全是采纳了周期性循环扫描的方式来集中采取、集中输出工作的。它的硬件的组成是存储器、微处理器、输入/输出接口电路、电源、扩展和外设接口及编程器等。它的结构框图如图5.2所示。图5.2 PLC结构框图 5.1.2 PLC的工作原理PLC工作原理是建立于计算机的工作原理基础上的，由用户程序的执行反映控制要求来完成的。每一个瞬间它的CPU仅能做一件事，也相当于说一个CPU每一时刻仅能执行一个操作而不能同时执行几个操作。图5.3所示的运行框图可以用来表示PLC工作的全过程。整个过程可以分为三个部分。(1) 上电处理。PLC会进行I/O模块配置检查，进行清零或复位处理，停电保持范围设定，系统通信参数配置以及其他一些初始化处理工作可消除元件状态的随机性。(2) 扫描过程。当PLC的上电处理部分完成后就进行扫描工作过程。先是进行输入处理，输入处理又称为输入采样，就是要把所有外部输入电路的通断状态读入输入映像寄存器，输入映像寄存器进行刷新。再把输入通道关闭，转到执行程序阶段。(3) 出错处理。PLC有很强的自诊断功能。如果一旦CPU、RAM、I/O总线等出现故障或者电源异常、程序有错等，PLC不但会提示信号灯亮，还会根据故障的严重程度作出反应措施：要么只报警不停机，等待处理；要么停止执行用户程序，使PLC强制变成STOP状态，切断所有输出信号等待修复。 图5.3 PLC运行框图PLC在正常运行的时候，CPU运行的速度、I/O情况、用户应用程序长短及编程情况等决定扫描周期的长短。不同的指令它的执行时间是不一样的，所以选择不同的指令用的扫描时间也是会不一样8。5.2 饮料灌装控制系统的设计与程序编写5.2.1 PLC的选型在生产PLC的厂家中，我们比较熟悉的是生产FX2N系列机型的日本三菱，FX2N系列PLC具有数十种编程元件。选择FX2N-16MR-001就可以达到我们设计的控制系统的要求7。5.2.2 剖析评估控制任务将开关设置为自动操作模式，当开关启动，传送带驱动电机就会启动而且会保持到停止开关动作。当传感器检测到空瓶子时，传送带则停止运行；当瓶子装满饮料后，传送带驱动电机就会自动启动，等到传感器检测到下一个空瓶子时传送带就又停止运动，这样不断的循环；如果瓶子在传感器的检测下定位在灌装设备下后，先停1秒钟，然后再开始进行灌装，灌装时间设为5秒钟，灌装的过程同时有报警显示，来指示正在灌装；5秒后，灌装停止，同时报警也不再显示；报警方式是以红灯以0.5秒的间隔闪烁。同时记录灌装的瓶数和以每24瓶为一箱产品的箱数。在整个程序运行过程中一有8个小时就会先把记录满箱的计数器的当前值转存到其他的寄存器，再对它自动清零，让它再重新计数9。5.2.3 控制系统的I/O点及地址的分配PLC系统设计的基础是PLC接线端子上的输入/输出信号的地址的分配。要编程就要先分配I/O地址；当I/O地址确定后，才可绘制接线图5。XO：启动SB1；Xl：停止SB2；X2：传感器检测；X3：手动清零SB3；Y1：输出传送带驱动KM1；Y2：灌装设备KM2；Y3：报警显示。5.2.4 系统程序的设计分析和确定饮料灌装的控制路线和要求后，然后就可以在三菱SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件中编写程序。SWOPC-FXGP/WIN-C是一个可在Windows XP及Windows 7下运行，应用于FX系列可编程控制器的编程软件。 如图5.4、图5.5 所示。 图5.4 PLC的选型图5.5 新建工程三菱FX2NPLC的基本指令有逻辑、计数器、定时器、比较和程序控制等等。在位逻辑指令语句表中有“与”、“或”、“输出”指令。 通过内部的软延时继电器来实行定时指令操作。用“T”来进行表示定时器，它是对内部时钟计累计增量的。累计输入的次数就用计数器，主要由一个16位的预置寄存器、一个16位的当前值寄存器和一个状态位组成它的结构。根据灌装的控制要求，饮料灌装部分PLC控制程序如图5.6所示。图5.6 饮料灌装的PLC控制程序 饮料灌装部分指令表如图5.7所示。 图 5.7 指令表5.2.5 PLC的外围接线PLC的外围接线图10，如图5.8所示。 图5.8 PLC的外围接线图5.3.6 PLC系统程序的模拟调试利用GX SIMULATOR 6软件进行仿真运行调试过程如下： 系统的启动如图5.9所示。图5.9 仿真启动位置传感器检测设置到达预定灌装的位置如图5.10所示。图5.10 传感器设置定位饮料的灌装过程如图5.11所示。图5.11 灌装仿真检测到瓶子定位在灌装设备下时，TI开始记时，1秒钟后T1常开开关闭合，开始灌装。灌装时报警指示灯的闪烁如图5.12。图5.12 报警仿真TI工作的同时T3也开始记时，0.5秒后T3停止工作，T3的长开开关闭合，T4就开始工作，T4也是0.5秒这样就形成了闪烁。统计己灌装件数和箱数如图5.13。图5.13 灌装计数仿真6 MCGS组态系统的设计 系统可以分成上位机和下位机的软件的设计。在工作开始之前需要先对软件实现的功能做一定的分工。系统软件需要解决的问题主要有数据的采集、数据的传输、数据的处理、数据的显示、历史记录的查询、数据的保存等几个方面。经过对MCGS和C语言的功能的分析，作出如下分工：上位机软件主要运用MCGS组态软件建立良好的人机界面且完成对接收的数据的实时显示、曲线绘制和历史数据查询等功能11；下位机软件主要是由PLC、C语言控制下位机实现通道的选择和数据采集的实现，数据传输则由上与下位机经过对串口的操作共同实现，具有较高的可行性。所以方案基本符合设计要求。6.1 瓶流速度系统的设计设计思路：以电磁阀和电机作为被控对象。用MCGS对电磁阀和电机进行控制，运用安装在于传送带旁边的传感器对瓶子的数量进行实时测量。与此同时把传感器所采集的瓶子数目送回控制系统进行分析、显示出来。假如当在规定时间内显示的瓶子数目超过标准数目时，表示瓶流速度过高，需要调节电机速度，使其速度降低；如果在规定的时间内显示的瓶子数目低于标准数目时，说明瓶流速度过低，需要调节电机的速度，使其速度提高；如果在规定时间内瓶子数目低于最小值时，就会发出警报，表示瓶流的速度太低；相反，如果规定时间内瓶子数目高于最大值时，也会发出警报，表示瓶流的速度太高。整个装置用传感器进行瓶子数目的采集，MCGS组态软件进行控制和显示瓶子数量、启动和切断电源。6.1.1 用户窗口的建立系统的总体界面是监控组态软件启动后除封面最先进入的界面，主要设计了整个饮料灌装线设备的状态。如图6.1所示。 图6.1 饮料灌装生产线瓶流速度监控的主界面 在大数的工程中所说的数据报表即是依据实际的要求以一定的格式将统计分析后的数据记录进行显示和打印，它是数据显示、分析、查询、统计、打印的最终表现；也是整个的工控系统的最终输出的结果12。如图6.2我们可以在显示界面上明了地看到实时数据、实时曲线、历史数据、历史曲线的反映情况。图6.2 瓶流速度系统的数据显示界面6.1.2 实时数据库的建立实时数据库是各个功能性构件的公用数据，属于整个系统的核心部分，可用来定义所有的实时数据。也有公用数据交换区的作用。实时数据库存储的单元，不仅是变量的数值，还是变量的特征参数（属性）以及变量的操作方法，如：报警属性、报警处理等13。把数值、属性、方法封装到一起的数据我们称它为数据对象。图6.3是本系统中瓶流速度的实时数据库的设计图。图6.3 瓶流速度控制系统实时数据库6.1.3 实时数据和历史数据的建立实时数据报表，即对瞬时量的反映，在MCGS系统中用实时表格构件来显示。历史数据报表是显示历史数据库中提取的数据。可在MCGS系统中用历史表格构件来显示。 具体操作的设置如图6.4。图6.4 瓶流速度的数据库连接显示属性设置6.1.4 实时曲线和历史曲线的建立实时曲线构件是用单个或多个曲线来显现数据对象的数值的动画图形，实时记录数据对象值的变化的。历史曲线构件能可以按照需求画出对应的历史数据的趋势效果图它便于事后数据的查看和状态趋势的变化和规律的总结，并完成了历史数据曲线浏览的功能。曲线构件的设置如图6.5。图6.5 曲线标识设置窗口6.1.5 实时报警组态的建立MCGS软件中报警可由实时数据库来自动处理。如果数据对象的值或状态发生改变，实时数据库就会判断相应的数据对象是不是发生了报警或者是产生的报警是不是已经结束，且将产生的报警信息通知给系统中其它的部分，与此同时，将报警信息存入指定存盘数据库的文件中。实际运行的时候，如果发现瓶流速度过高或者过低，报警画面将自动弹出14。操作员就可直接查询当前系统的故障情况，报警时间、报警变量、报警类型、报警事件、当前值、界限值、报警描述。报警的画面如图6.6。图6.6 实时报警的界面6.1.6 脚本程序的设定通过对脚本程序的设定可以控制上位监控的仿真界面，从运行策略进入设定，如下图6.7。图6.7 脚本程序控制结构图6.1.7 设备窗口的建立 MCGS组态软件中供有很多的工控领域常用的设备驱动程序。在应用中，如果所用设备的特殊，而MCGS提供的设备驱动程序没有。这时运用它内部提供设备驱动程序接口，用户可以依据据自己的需求定制设备驱动的程序。由于本课题中下位机采用ADAM-5510模块对采集的数据进行处理和PLC对系统的控制，因此我们需要选择对应的研华驱动和三菱PLC编辑口设备，如图6.8所示。图6.8 上位机驱动选型窗口6.2 液位控制系统的设计水泵、出水阀为被控对象。运用MCGS对水泵、出水阀进行控制，通过安置在水罐及饮料瓶上方的传感器对水位进行实时的测量。与此同时把光电传感器所采集的水位数据送回控制系统进行分析和显示出来。当水罐内液位降低至指定液位后，水泵则开启；当达到最大值时就关闭水泵；当饮料瓶内的液位小于最小值时出水阀开启；当 饮料罐内的液位达到最大值时，就关闭出水阀。整个系统运用传感器进行液位的采集，MCGS软件进行测控和显示液面高度、启动和切断电源。6.2.1 用户窗口的建立从主界面中我们可以看到到水泵、出水阀的工作状况，显示和调节水罐与饮料瓶的水量以及液位组的报警情况。如图6.9。图6.9 液位控制系统演示主界面6.2.2 实时数据库的建立饮料灌装生产线液位监控系统的实时数据库的建立见图6.10。图6.10 液位控制系统实时数据库6.2.3 液位控制系统的数据显示饮料灌装生产线液位监控系统的报表输出和曲线显示见图6.11。图6.11 液位控制系统数据显示界面6.2.4 编写控制流程 脚本程序的编程语法简单直观。系统的主要编程是液位控制系统的控制流程当“水罐”的液位达到90时，则自动关闭“水泵”，没有达到90，则会自动启动“水泵”；当饮料罐的液位没到9时，就要自动开启“出水阀”；当饮料罐的液位达到超过9时，就要自动关闭“出水阀”。经过分析，最后的脚本程序如下：IF 液位190 THEN 水泵=1ELSE 水泵=0ENDIFIF 液位210 THEN 出水阀=1ELSE 出水阀=0ENDIF这只是脚本程序的一小部分，其他的程序详见于软件的运行策略。6.2.5 PLC与MCGS的连接打开“设备窗口”，双进入。右击进入“设备工具箱”，在其中选中“通用串口父设备”和“三菱FX系列编程口”，如图6.12所示。图6.12 连接图一 进入“串口通讯父设备”对其“基本属性”进行设置，结果如图6.13所示。图6.13 连接图二然后对“三菱FX系列编程口”进行设置，其设置包括“基本属性”，“通道连接”，“设备调试”如图6.14所示。图6.14 连接图三 6.3 小结MCGS软件对液位监控系统的设计与之前监控瓶流速度的设计在许多地方的原理都是一样的，所以对于液位控制我只是对系统的演示界面及它的控制流程做了单独的解释，而其他的例如：实时报警，实时曲线，历史曲线的建立都是在参照瓶流速度系统的相应方面上完成的，在驱动设备的选择上与监控瓶流速度系统的一样都选择了研华ADAM-5000的驱动模块。对于下位机引用ADAM模块在下一章在做详细的介绍。7 下位机程序的开发 7.1 智能模块ADAM说明ADAM-5510M/HC是基于PC的的可编程控制器,可以独立实现数据采集和控制。 它具有通用编程的功能，能设定信号的程控放大、数字I/O、模拟I/O和通讯的参数。ADAM5510具有以下特点：(1) 模拟开放式的PC环境 它就像一台紧凑式的计算机，它包括80188CPU、FLASH ROM、SRAM、COM1、COM2及一个编程端口，它的功能除了在智能模块介绍的，除了那些，它还提供了ROM及RAM空间，来进行程序下载和程序运行15。所有的程序在下载之前，要下载使用程序内附通信的软件，将程序化成80186或80188兼容性代码。(2) 内置RS232/485通信口 为了和其它的设备进行通信的方便，ADAM-5510M/HC设置了COM1和COM2两个串行通信口。COM1固定于RS232方式，COM2固定在RS485方式。特别的设计方式可以把它适用于很多场合。 (3) 内置三路隔离的保护功能 它提供了输入/输出（3000VDC）、通信（2500VDC）、电源（3000VDC）隔离的功能，用来减少电气的躁声对系统的影响，阻绝地线的电流，保护系统不让它受高压和放电所引起的浪涌电流冲击的影响16。 (4) 内置实时钟和看门狗定时器 它的功能还有实时钟和看门狗定时器。实时钟可以实时的记录事件发生的时刻；看门狗定时器可在系统死机时重置处理器，既可减少系统的维护工作又能使它用于系统要求稳定性较高的场合。 (5) 完整的I/O模块及库函数的支持 具备全套的I/O模块且都支持1030VDC的电压输出和继电器输出；全部的模拟量模块都提供16位分辨率的模入和模出，同时还可以编程和设定输入范围。为了节约用户开发的成本，它还提供了完整的C语言库的函数。C语言调用那些子程序可便利地操作ADAM-5510M/HC的全部I/O功能。大概用到的模块函数如下：Get_BoardID 语法：unsigned char Get_BoardID(int Board)描述：获取控制器中所插模块的类型。ADAMdelay 语法：void ADAMdelay(unsigned short msec)描述：让程序延迟设定的毫秒数。 Ai Update 语法：int Ai Update(int Board， int *channel)描述：检查低速模拟量的输入模块，比如ADAM-5017，ADAM-5018和ADAM-5013，是不是准备好。Get501718 语法：void Get501718(int Board， int Channel， void *pValue)描述：读取I/O模块的数据。Init501718 语法：void Init501718(int Slot)描述：ADAM-5017或ADAM-5018初始化。Get5050 语法：void Get5050(int Board， int Bit， int Size， void *pValue)描述：读取I/O模块数据的值。Set5050 语法：void Set5050(void *pValue， int Board， int Bit， int Size)描述：ADAM-5050模块的输出值的设置。Init5024 语法：void Init5024(int Slot， int ch0_val， int ch1_val， int ch2_val， int ch3_val)描述：ADAM-5024模块初始化。Set5024 语法：void Set5024(void *pValue， int Board， int Channel) 描述：ADAM-5024输出的值的设置17。为了检验采集系统，本设计实行了验证实验，实验中会应用以下几种模块，介绍如下：7.1.1 ADAM-5017 8 通道模拟输入模块它是16位8通道模拟量的差动输入模块，在全部的通道里提供可编程的输入的范围它接受的毫伏输入是150Mv,500Mv、电压输入是1v，5v或10v和电流输入是20MA，要求用250的电阻。把数据提供给主机此模块用工程单位为MV，V 或mA，在工业的测量和监测中是一个成本耗资非常低的解决办法。为了保护它由于输入高线性电压对模块和外围设备的损坏光隔离输入在模拟输入和模块之间提供了3000V的隔离电压。除此之外，模块使用模拟多路转换器来进行有效的超电压保护，保证即便在损伤状态下（此状态会损伤其它的多路转换器）信号的准确度。7.1.2 ADAM-5024 4 通道模拟输出模块它是4通道模拟量的输出模块，它是把数字量的信号转换成模拟量的信号。配置软件的应用可以定制斜率与启动的电流，输出可配置是电流或电压。通过提供D/A 输出的光隔离和对地隔离电压为500V 的转换器的隔离来预防设备对地形成回路和电压涌流 。 7.1.3 ADAM-5050 16通道通用数字量输出/输入模块 它有16通道数字量的输入/输出模块，所有通道可以用DIP开关分别配置成输入或输出。数字量的输入可以监测限制、安全开关等的信号；数字量的输出是集电极开路的输出，它可控制固态继电器(SSR)，从而控制变频器及电机。 7.2 下位机程序的开发过程图7.1 下位机程序开发过程7.3 下位机程序的开发环境 C语言从八十年代开始运用到操作系统中，很快地成为当代最优秀的程序设计语言之一18。图7.2为下位机开发环境Turbo C的界面。图7.2 Turbo C开发界面7.4 下位机程序的实现 MCGS和ADAM5510的通信，是MCGS和ADAM5510的COM1(RS232)或COM2(RS485)通信口通过Modbus RTU的协议通信，用户在编程时，可调用库中指定的ADAM5510所提供的系列库函数，从而方便地完成采集数据和控制输出的功能。与ADAM5510的通信连接线有以下的两种方式： (1) ADAM5510的编程口与计算机的串口之间利用RS232直连接：2-2、3-3、5-5； (2) ADAM5510的COM1(RS232)或COM2(RS485)和计算机的RS232串口连接，包含COM1(RS232)口和计算机RS232串口之间使用RS232对调线：2-3、3-2、5-5；COM2(RS485)通过RS485/232信号转换的模块与计算机的RS232串口连接。当在成功编写下位机程序和编译成功后会生成可执行的EXE文件，通过使用专用下载工具ADAM-5510M Utility把所生成的EXE文件从计算机的COM口下载到下位机的编程口，双击就可以运行。图7.3为ADAM-5510M Utility的下载界面。图7.3 ADAM-5510M Utility界面图7.4 下位机程序调试流程图下位机程序的设计：首先把作为下位机的研华5017模块通过While循环指令不断调用com_rx()函数查询COM端口是不是接收到来自上位机的指令，测到研华实验箱内部的函数Get501718()函数来获得相应通道号的传感器的电压值并把它转换成指令后判断指令中要求的通道号，和判断命令的含义，如果是采集命令则调用当前的液位数据，再把它的值赋予变量。为了确保通信的正确性，我们将液位数据的各个位数据以及通道号进行ASCII码求和运算，把所有得到校验与随同温度的数据和通道号一起封装成字符串，经过利用函数com_tx_string()函数将字符串发送给串口，从而完成液位和瓶数的采集。它的流程图如图7.5。图7.5 下位机程序流程图本设计中需要采集液位与瓶数两个物理量，为了让上位机能区分接受数据的类型（是液位还是瓶数），因此下位机封装后的数据格式也略有区别。下位机中采集瓶数的关键程序具体如下：Sprintf(sptr,%4d,liq)；/把瓶数按四位封装给sptr数组buf0=0X24； /把瓶数和通道号进行检验和封装buf1=td+0X30； /通道号buf2=sptr0；buf3=sptr1；buf4=sptr2；buf5=sptr3；buf6=0；上面的程序实现的数据格式用一个例子来体现，比如，瓶数采集到的数据是在通道1上，采集到的数值是30，则瓶数数据封装后它的格式是“#103000”。采集液位的下位机关键程序如下：Sprintf(sptr,%4d,temp)； /把液位按四位封装给sptr数组buf0=0X23； /把液位和通道号进行校验和封装buf1=td+0X30； /通道号buf2=sptr0；buf3=sptr1；buf4=sptr2；buf5=sptr3；buf6=0；上面的程序实现的数据格式也用一个例子来实现，比如，液位采集到的数据是在通道3上，采集到的数值为7M，则温度数据的封装后它的格式是“$307000”。 以上就是下位机开发环境的介绍。 结束语毕业设计是对我们对所学知识的全面考核，是对我们独立地进行科学研究的考察，也是对我们综合运用所学知识独立分析问题和解决问题能力的培养。 本设计以MCGS组态软件、PLC软件和研华公司的ADAM-5510系列模块等为研究对象，分析了饮料灌装生产线实现自动控制要求的功能，再根据要实现的功能，选择适当的PLC控制器，规划绘制大概的流程图，查阅了许多的相关的资料，确定合适数量的输入输出口，绘制比较系统的工作流程图、I/O口接线图和梯形图，然后进行软件的编译、调试、发现错误、分析并解决，完成要实现的控制功能。又采用传感器对瓶数和液位进行检测的理论，设计开发出了一套瓶流速度与液位数据实时采集系统，完成对硬件模块各通道监测对象的瓶流速度和液位数据进行实时采集的功能。依据制定的功能编写下位机程序实现运用硬件模块完成瓶流速度和液位的实时采集和传输；最后运用MCGS组态软件作为上位机程序完成瓶流速度和液位的实时显示、曲线绘制