基于plc200的电磁阀耐久试验系统设计(我的毕业设计).doc

沈阳化工大学学士学位论文 摘要摘要本设计的目的是实现PLC对于电磁阀耐久性试验的全自动化控制，包括检测电磁阀开关动作次数和检测电磁阀漏气两个过程。为解决这一问题，本文从改进工艺流程出发，先后进行了硬件的选型，电气连接图的绘制，下位机（PLC）程序的设计编写和调试，上位机（MCGS）监控画面的编制。最后在实验室进行了上位机和下位机的联机统调，并完成了仿真试验。本设计对以往电磁阀耐久检测试验的工艺流程进行了改进。以往的试验流程分为两步，先是检测次数环节，然后是人工检测漏气（目测法）环节。本设计在硬件上增加了漏气检测部分，从而在工艺上把两个环节合为一起，自动实现了检测次数和检测漏气两个过程。同时也加入了PID算法控制的恒压供水环节，以保证试验水压的恒定。本设计的下位机程序设计采用的是顺序控制法，使得程序结构紧跟工艺流程，因此相比经验设计法设计出来的程序，程序可读性强，为以后系统的升级提供方便。上位机采用MCGS组态软件建立的组态画面，可以实现参数设定，工艺流程监视，检测次数实时查看，仿真调试和报警的功能。关键字：电磁阀耐久试验； PLC; 顺序控制；PID；MCGS沈阳化工大学学士学位论文 AbstractAbstract The purpose of this design is to realize the electromagnetic valve endurance test PLC control, including the calculation of electromagnetic valve movement times and electromagnetic valve leakage detection. In order to solve the problem, this paper has the hardware selection, electrical connections drawing and PLC program design to write and debugging, PC (MCGS) monitoring menu of government. Finally for the PC and lower place machine online unit adjustment, and finished the simulation test in the laboratory. This design is improved the used electromagnetic valve durability test process flow. Previous test process is divided into two steps, first testing number link, and then is the artificial leak detection (visual method) link. This design in hardware increased the leak detection part, thus in the process the two links on combined together, realize the automatic testing number and testing leak two process. At the same time also joined the PID control algorithm of constant pressure water supply link, to ensure the tests of constant water pressure. The design of the program design of the PLC control is in order, making the program structure follows process, the program readable. PC can realize the parameters set, process monitoring, testing number real-time view, the simulation test and alarm function. Keywords: electromagnetic valve durability test; PLC; sequence control; PID; MCGS沈阳化工大学学士学位论文 目录目 录引言1第一章 控制系统的工艺要求及其分析21.1电磁阀耐久性试验控制系统的工艺21.1.1 电磁阀耐久性试验基本原理21.1.2 电磁阀检测试验详细流程21.2电磁阀耐久性试验控制系统的工艺分析31.2.1 电磁阀耐久性试验控制系统设计主体思路31.2.2 电磁阀耐久性试验控制系统设计分部分析4第二章 控制系统硬件设计52.1硬件设计联接图52.2 PLC、变频器、其他硬件的选型62.3 I/O分配表72.4 硬件接线图82.4.1主接线图及其控制接线图82.4.2 PLC接口接线图9第三章 控制系统下位机程序设计103.1顺序功能图103.2 梯形图设计123.2.1符号表123.3.2主要程序详解123.3模拟量闭环控制153.3.1模拟量量化153.3.2 PID设计163.3.3 模拟量量化和PID程序设计16第四章 控制系统上位机程序设计174.1 上位机实时数据库的建立174.2设备的选择和通道的连接174.3主画面的绘制、连接184.4上位机和下位机联机调试20结束语21参考文献22致谢23附录24ii沈阳化工大学学士学位论文 引言引言电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。PLC的全称是可编程逻辑控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。由于微处理器芯片及有关元件的价格大幅下降，使得PLC的成本下降，另外伴随着PLC功能的不断完善，PLC的应用领域越来越广。MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，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，在自动化领域中有着更广泛的应用。电磁阀的耐久性是电磁阀的重要参数之一，基于PLC来设计电磁阀的耐久性试验系统，改进了以往采用继电器控制性能不可靠，使用不方便，功能单一，噪声大，耗能高的缺点。应用MCGS进行上位机的组态，使试验系统的操作更加简单、方便。38沈阳化工大学学士学位论文 第一章 控制系统的工艺要求及其分析第一章 控制系统的工艺要求及其分析1.1电磁阀耐久性试验控制系统的工艺流程1.1.1 电磁阀耐久性试验基本原理电磁阀耐久性是衡量电磁阀性能的一个重要参数，对于耐久性检测的主要方法是不断的给与开关信号，同时记录次数。当测试次数达到一定次数时，需要对电磁阀进行一次漏气检测，以判定电磁阀是否已经损坏。检测次数分为两种，一是最大耐久性，即电磁阀所能正常工作的最长寿命；另一种是合格次数，即电磁阀能否达到设计的要求次数。在现行的工艺中，当电磁阀测试达到一定次数时需要试验人员取下电磁阀，接到气源上进行加气压测试以观察电磁阀是否漏气。本设计对现行工艺进行改进，集成了两个环节，加入了漏气检测器。1.1.2 电磁阀检测试验详细流程电磁阀耐久性试验控制系统的工艺流程见图1。此工艺流程可分为四个部分分别为：准备工作，开始测试次数，开始检测漏气，结束报警。（1）准备工作首先启动电动机带动水泵把水从水箱里抽到连接着待测电磁阀的管道中，并调节水压使之达到预定的水压，然后打开待测电磁阀门的供水。（2）开始测试耐久性PLC不断的给电磁阀送入开启，关断的信号，使电磁阀不断的动作，同时记录相应的次数。（3）开始检测漏气电磁阀测试到一定的次数后，就应该有一次漏气的检测，以判断电磁阀是否合格，从而辨别是否要进行下一步的试验（4）结束报警当测试次数达到设定的次数，或是电磁阀已经漏气时，系统给出报警信号，同时给出测试的次数。图1 工艺流程图1.2电磁阀耐久性试验控制系统的工艺分析通过对工艺流程的分析研究来确定PLC要完成的控制任务，从而设计PLC程序和MCGS组态画面。1.2.1 电磁阀耐久性试验控制系统设计主体思路（1）下位机程序设计主体思路 下位机程序设计可以采用顺序设计法，从试验工艺出发，完成试验次数和检测漏气的过程。应用PID控制算法控制水压恒定。程序中还应该包括报警程序，以实现系统的安全稳定。（2）上位机监控画面设计思路上位机采用MCGS组态软件，对主要工艺流程进行组态。同时对应下位机程序应该包括以下几个画面：数据给定，警示信号，操作帮助，仿真实验等。1.2.2 电磁阀耐久性试验控制系统设计分部分析根据系统的流程，可知整个系统分为四个部分，即：准备工作，测试次数，测试漏气，结束报警四个部分。（1）准备工作分析因其要求供应的水压为一稳定的数值，所以使用变频器控制电机，同时在上位机程序中使用PID算法控制（见图2），从而保证待测电磁阀的供水压力是恒定的。供水阀门则选用一般的开关电磁阀，使用开关量对其控制。图2 水压恒定PID调节结构图（2）测试工作分析待测阀门需要一组一定数量的开关信号，需要在下位机程序中采用循环程序，次给每个电磁阀以控制信号，同时设计累加器记录测试次数。（3）测试漏气分在程序中设计一个计数器，在开始测试前设定好漏气检测的周期，利用计数器关闭测试耐久性程序，同时触发漏气检测。如果漏气则结束检测，并报警。如果不漏气则返回重新测试周期。（4）结束报警分析当所有的待测电磁阀都漏气时，则关掉水泵电机，关闭所有的阀门，并报警提示测试完毕。沈阳化工大学学士学位论文 第二章 控制系统硬件设计第二章 控制系统硬件设计2.1硬件设计联接图硬件设计联接如图3. 图中所示的为单一工件的图示，实际硬件可以三个工件同时测试。气压外供，试验时把通气管道和空气压缩机连接起来，调好所需要的气压。图3 硬件连接示意图其中漏气检测器为本次设计新增的硬件其内部结构及其工作原理如图4. 原理：当测试漏气时，回水 管内全部充满液体，待测电 磁阀为关闭状态，所以回水 管内的水在大气压下不会流 出，给电磁阀门加气压，如 果电磁阀不漏气，激光灯的 图4 漏气检测器原理图 光线会因水的折射射到标号为1的位置。当电磁阀漏气时，由于气泡的比重小，气泡会聚集在导气管，从而激光器的光线会射在2的位置上，感光器检测到光线，给出信号。测试完毕气体由导气管导出。2.2 PLC、变频器、其他硬件的选型（1）PLC选型由工艺流程可以看出，电磁阀耐久性试验系统共有6个开关量输入接口，16个开关量输出接口，1个模拟量输入接口，1个模拟量输出接口。由此可知选用CPU226就能满足开关量的需要，但是CPU226没有模拟量输入输出接口，因此需要再扩展一个模拟量输入模块和一个模拟量输出模块。根据CPU226的参数要求可知，这样选型是符合设计要求的。PLC模块选择及其主要参数如表1。表1 PLC模块选型及其主要参数型号本机数字I本机数字O本机模拟I本机模拟O扩展模块数量CPU226 CN2416007EM231 CN00400EM232 CN00020总计2416427（2）变频器选型本设计还用到了变频器以实现对水泵电动机的变频控制，从而使供给待测电磁阀的水压恒定，本设计选用MICROMASTER 420通用型变频器，MICROMASTER420 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。此系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W 到三相电源电压，额定功率11KW 可供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。本设计选用此系列中的三相、交流200-240V、10%（带A级过滤器）型号为6SE6420- 2AC23-0CA0。具体见表2.表2 变频器型号及其参数型号电动机的额定输出功率输出功率最大输出电流输入电流6SE6420- 2AC23-0CA03.0KW6.0KVA13.6A15.6A（3）其他应用的硬件选择包括压力传感器，固态继电器，电动机，水泵，管道，电磁控制阀等。详见表3。压力传感器用于把物理量-水压转换成PLC能接受的电信号，从而PLC能实时的读到水压信号。固态继电器因其没有机械动作，从而寿命较长，并且是低噪音。表3 其他硬件选型编号硬件名称型号备注1电动机Y110L-2采用三相鼠笼型电机，可以用变频器控制。2水泵KQW(P)-3采用卧式管道增压泵。3压力传感器PT500-501/502/503用于水压的测量变送，输出电流信号4-2mA。4不锈钢管件r-20mm所有管件均为不锈钢材质，以保证设备寿命。5控制电磁阀PU220-08A分为控气电磁阀和控水电磁阀。6固态继电器JGX-3-48接受PLC信号，控制电机等设备。2.3 I/O分配表根据控制工艺流程及其分析得出的控制系统I/O分配表如表4。表一包括助记符，接口地址，变量名。助记符为编写PLC梯形图时用到的助记符。接口地址为PLC内部的寄存器地址。表4 I/O分配表助记符接口地址变量名助记符接口地址变量名1limiteI0.0水位限制信号13A_ctrlQ0.4A组控制信号2A_signI0.1A组光敏信号14B_ctrlQ0.5B组控制信号3B_signI0.2B组光敏信号15C_ctrlQ0.6C组控制信号4C_signI0.3C组光敏信号16all_ariQ0.7气源阀门5runI0.4测试开始按钮17FV_workQ1.0水泵变频工作6stopI0.5停止/复位按钮18A_ariQ1.1A组通气阀门750Hz_workQ0.0水泵工频工作19B_ariQ1.2B组通气阀门8A_waterQ0.1A组通水阀门20C_ariQ1.3C组通气阀门9B_waterQ0.2B组通水阀门21A_warnQ1.4A组警示信号10C_waterQ0.3C组通水阀门22B_warnQ1.5B组警示信号11lightQ1.7光源信号23C_warnQ1.6C组警示信号12PI0AIW0水压输入信号24PO0AQW0水压控制信号2.4 硬件接线图应用CAD软件实现了对硬件接线图的设计，分为主接线图及控制电路接线图，PLC接口电路。2.4.1主接线图及其控制接线图实现对供水水泵电动机的控制，分为电机的工频运行控制和变频控制，接线图如图5所示。其中FU1和FU2分别为熔断器，起到过流保护的作用。FR1为热继电器，起到保护电机的作用，KM20，KM19分别为电机工频控制，电机变频控制接触器。AQW0为控制变频信号。 图5 主接线图及其控制电路图2.4.2 PLC接口接线图包括PLC接口继电器的连接，和继电器的分配如图6。其中KM1与KM9，KM2与KM10，KM3与KM11,KM4与KM12，形成互锁以保护电机。图6 PLC接口电路图沈阳化工大学学士学位论文 第三章 控制系统下位机程序设计第三章 控制系统下位机程序设计电磁阀耐久试验系统的工艺流程顺序性强，故采用PLC梯形图的顺序设计法设计程序，共分为两步：（1）顺序功能图的设计；（2）梯形图的编写。3.1顺序功能图所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间顺序，在生产过程中各个执行机构自动的有序的进行操作。使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图设计出梯形图。本系统的顺序功能图如图7。顺序功能图说明：（1） 检测次数环节 开始测试程序先是程序的初始化，包括从上位机得到相应参数。当M0.1变为活动步时，电动机接受变频器控制，频率的信号由PID算法计算得出。当M0.3变为活动步时，气压电磁阀关闭，水压电磁阀打开。M0.3到M0.6为电磁阀A开始接受测试步，当Q1.4为1时，A组电磁阀的测试被屏蔽，说明A电磁阀已经测试完。同理M0.7至M1.1为B组测试步，M1.2至M1.4为C组测试步。（2）判断检测次数环节M1.1为判断激活C0或C1的程序，当C0被激活时，计算主测次数。当C1被激活时，计算辅测次数。M2.0为测试次数达到设定次数激活的步，然后进行检测漏气环节。当M0.3被激活时，进行下一步测试。（3）检测漏气环节检测漏气环节为三个待测电磁阀并行检测漏气的环节。M2.1,M2.4,M2.7分别为激活每个电磁阀测试的活动步。当条件I0.1为真时，测试漏气，否则不检测漏气。当三个工件都测试完毕后，退出测试，进行下一步。（4）判断返回 通过判断Q1.4 Q1.5 Q1.6的状态来决定停止测试，还是继续测试。1、检测次数环节2、判断测试次数环节3、检测漏气环节4、判断返回图7 顺序功能图3.2 梯形图设计3.2.1符号表根据各个变量的含义，建立符号表，便于记忆和阅读。具体如表5。表5 符号表3.2.2主要程序详解本设计的顺序功能图到梯形图的转化采用的是起保停的转换方法，对应顺序功能图的相应环节，分析部分程序。 （1）程序初始化 在本程序中存在置位和复位的操作，如果在还未执行到复位步时因某些原因系统停止则会对接下来再运行程序造成影响，所以在程序开始时需要用SM0.1触发一个初始化的程序。在每一次的试验中，只要PLC重新开始，便立即复位一次。程序块说明1、WXOR_DW为双字异或程序块，目的是使A、B、C次数存储区中的数据清零。2、对M标志位寄存器进行复位操作。3、对计数器C0、C1、C2进行复位操作。 （2）模式选择 本系统提供两种模式工作，需在开始时进行选择。模式一：在此模式下电磁阀将被测试出最大的耐久性次数，直到电磁阀漏气。模式二：在此模式下电磁阀只进行主测次数的测定，以检验理想次数是否达到。程序如下：程序说明M10.3是模式选择的标志位，mode1为模式一选择的信号，由上位机给出，模式一为默认模式。 （3）开关测试 选定模式后，开始准备程序执行后，就开始电磁阀阀门的开关测试。测试前需要保证水压，所以加了一个水压比较的模块，水压控制程序在下一小节给出。当M0.4激活后测试次数加1 。另外的电磁阀测试程序与此类同。详细如图8。图8 测试程序 （4）计数判断 计数器为判断是否达到测试次数的标志，每测试一次计数器加一，当达到设定次数后，计数器给出信号，程序转入检测漏气部分，程序见图9。图9 计数器启动程序 （5）检测漏气 检测漏气部分，此部分给出一激光灯信号，当漏气时，光敏传感器就传出信号，执行相应的程序，表明电磁阀已经漏气。程序如图10。图10 检测漏气程序 （6）循环测试和报警此外还有循环服务程序和报警程序。在附件一中详细给出。3.3模拟量闭环控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量闭环控制。PLC通过其模拟量I/O模块，及数据处理和数据运算的功能，实现模拟量的闭环控制。3.3.1模拟量量化将模拟量输入模块的输出值转换成实际的物理量，转换时应考虑变送器的输入/输出量程和模拟量输入模块的量程，找出被测物理量与A/D转换后的数字值之间的比例关系。在本系统中，变送器检测的压力范围为0-1MP，输出信号为电流信号DC420mA,模拟量输入模块将020mA转换成032000的数字量，设转换后得到的数字量为N，压力值为P，压力计算公式为： （3.1.1）3.3.2 PID设计PLC内部的PID指令模块能对控制器的参数进行整定，过程直观简单，操作方便且效率高。PLC模拟量闭环控制系统如图11所示。虚线部分在PLC内，在模拟量闭环控制系统中被控量c(t)（压力）是连续变化的模拟量，变频器要求PLC输出模拟信号M（t）,而PLC的CPU只能处理数字量，因此需要A/D和D/A转换信号。图11 PID回路控制图3.3.3 模拟量量化和PID程序设计程序设计时将此功能和PID设计成子程序，在主程序中调用。在PLC梯形图的库中有量化的程序块故只需填好参数即可。详见图12。 图12 PID模块和模拟量输入量化模块沈阳化工大学学士学位论文 第四章 控制系统上位机程序设计第四章 控制系统上位机程序设计本系统的上位机采用MCGS组态软件进行系统的组态。MCGS为国产软件，具有操作简单，性能稳定可靠的特点。本章主要描述上位机设计的主要过程和上下位机联机调试的过程。4.1 上位机实时数据库的建立在上位机的组态中需要建立内部变量，以便于主画面里按钮等的连接操作，本系统的实时数据库如图13（部分）：数据对象类型有开关量，数值量。对于每一个开关量（输入与输出）都建立了开关量的数据对象。检测次数，主测次数，辅测次数，水压实时数据都建立成数值型数据对象。图13 实时数据库的建立4.2设备的选择和通道的连接设备的选择是指对于PLC的选择，及通信参数的选择。通道的连接是指把实时数据库里的变量和PLC内部的地址建立一一对应的关系，从而实现上位机对下位机的监视与控制。详细设置见图14 。设备选为西门子-S7200PPI，设置设备内部属性，根据所需要的变量，设定PLC内对应的存储区通道，然后进行和数据对象的连接。图14 设备属性设置和通道连接（1）图14 设备属性设置和通道连接（2）4.3主画面的绘制、连接1、运行画面共建立了四个画面分别为：电磁阀测试主控窗口、仿真测试和数据记录、关于和帮助、开始画面，详见图15。图15 窗口的建立2、电磁阀主控窗口如图16，这是测试时使用的主要窗口，集成了参数设定，结果显示，工艺流程。图16 上位机主画面设计画面的左边为工艺操作流程，提示操作。中部为工艺流程示意图用于显示每个流程的进行步骤。右半部分为参数设定部分，在此部分可以进行模式的选择，主测次数和辅测次数的设定，还可以显示测试结果，显示电测阀门测试的报警信息，同时开始按钮和复位按钮也安排在此部分。4.4上位机和下位机联机调试本设计在实验室进行了上下位机的联机调试，调试的内容包括下位机程序是否完善，上位机对下位机能否控制。在设计前期主要是采用PLC仿真软件进行程序的调试工作，但是效果并不理想程序的正常逻辑顺序测试不出来，特别是有些功能块仿真软件并不识别。于是再次检查程序后，就在实验室的PLC上进行测试，结果理想，经过完善相应部分后下位机程序调试完毕。下位机程序做好后就进行了上位机（MCGS）的组态。也是在实验室进行了连接调试，最后证