基于PLC与组态王自动售货机毕业设计.doc

毕业论文前言可编程序控制器PLC是以微机技术为核心的通用工业控制装置。它将传统的继电器接触器控制技术和计算机技术和通信技术融于一体，具有功能强大、环境适应性好、编程简单、使用方便等优点。因此，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面，PLC得到了广泛的应用。学习、掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率有十分重要的意义。采用PLC作为自动自动售货机的控制器，是充分考虑到PLC硬件柔性化、抗干扰能力强、控制能力强、构成控制系统简单、设计周期短以及可维护性好等特点，使得自动售货机功能强、可靠性高，和硬件结合即可应用于工业现场。自动售货机是取代人工售货的自动化生产设备。全机分为投币、选择物品、取货、找零等部分。在设计开发实时监控系统时，现场设备与上位机软件的通讯是关键技术。“组态王”是运行于Microsoft Windows 98/NT中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现和外部设备的通讯，组态王内置有大量的设备驱动作为外部设备的通讯接口。在开发过程中，只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”，完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王可以通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据或指令。组态王的驱动程序采用ActiveX技术，每一驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，从而保证运行系统的高效率。组态王与I/O设备之间的数据交换采用五种方式:串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。利用组态王开发简单，网络通信不需了解协议的具体细节的优点，结合S7-200良好的开放性和兼容性，可建立多种实时监控系统，提高工业自动化水平。1自动售货机控制系统的分析1.1 自动售货机的控制要求 表3.1 I/O 分配表输入输出I0.0开始Q0.0金额指示灯I0.1硬币1元Q0.1小袋瓜子营业灯I0.2纸币5元Q0.2大袋瓜子营业灯I0.3纸币10元Q0.3可乐营业灯I0.4纸币20元Q0.4橙汁营业灯I0.5小袋瓜子选择Q0.5雪花啤酒营业灯I0.6大袋瓜子选择Q0.6青岛纯生营业灯I0.7可乐选择Q0.7南京牌香烟营业灯I1.1雪花啤酒选择Q1.1找零退币口I1.0橙汁选择V4小袋瓜子袋数V8大袋瓜子袋数I1.2青岛纯生选择V12可乐售出瓶数I1.3南京牌香烟选择V20雪花啤酒售出瓶数I1.4退币V24青岛纯生售出瓶数I1.5取货V28南京牌香烟售出盒数V0当前剩余金额V120总营业额V16橙汁出售瓶数控制要求a)投币金额指示灯亮b)货币大于等于货品价格货品指示灯亮c)自主选择货品d)出货显示当前剩余金额e)退币f) 显示总营业额1.2自动售货机的梯形图自动售货机的图形图如1-1所示图1-1自动售货机梯形图1.3 利用组态王反应自动售货机销售情况 通过对控制过程的详细了解，设计顺序功能图，运用PLC对控制过程进行编程。为了能够进一步提升自动售货机的设计水平，以组态王作为人机界面使其直观的对时间段进行销售数量及销售金额统计。使得自动售货机在自动售货的基础上，有透明化的增加了自动财务功能，作为实际收入的对照参考。132 组态王与自动售货机PLC通信的实现2.1 组态王6.53的特点组态王6.53是运行在Windows98/NT/2000上的一种组态软件，使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“监控与数据采集系统”。它可用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。无论您的应用场合如何，您都可以使用组态王6.53构造有效的监控和数据采集系统。使用组态王6.53，可以：a) 使用清晰准确的画面描述工业控制现场；b) 使用图形化的控制按钮实现单任务和多任务；c) 设计复杂的动画显示现场的操作状态和数据；d) 显示生产过程的文字信息和图形信息；e) 为任何现场画面指定键盘命令；f) 监控和记录所有报警信息；g) 显示实时趋势曲线和历史趋势曲线；h) 使用多样而灵活的方式查询历史数据；i) 时间驱动和事件驱动的报表的打印；j) 设计多级安全控制和访问权限；组态王还具有以下一些特点：(1)工程管理对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。(2)画面制作系统组态王6.53画面制作系统中的调色板和绘图工具都支持无限色和过渡色，并提供大量控制元件的图库，降低了设计界面的难度，缩短了开发周期。组态王6.53还支持多种图形格式，如Gif 、Jpg、Bmp等，并通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转、缩放、闪烁等动画连接定义，这样用户可以充分利用已有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。(3)控件支持组态王6.53支持Windows标准的Active X控件（主要为可视控件），包括Microsoft提供的标准Active X控件和用户自制的Active X控件，用户通过控件的这些属性、事件、方法来完成工作。(4)通信系统组态王6.53支持与远程设备间通过拨号方式进行通讯。组态王的远程拨号与组态王原有驱动程序无缝连接，硬件设备端无需更改程序。利用远程拨号能实时显示现场设备运行状况，随时打印，报警和历史数据自动上传等功能。除此以外，组态王6.53还全面支持OPC标准，支持网络结构、分布式历史数据库和分布式报警系统，还提供完整的安全系统和冗余系统，使系统运行时将更加稳定、可靠。2.2 S7-200 PLC的网络通信协议S7-200 PLC支持多种通信协议,如点对点接口（PPI）、多点接口（MPI）和PROFIBUS。这些协议基于7层开放系统互联模型（OSI）3。PPI和MPI协议通过PROFIBUS令牌环网实现，令牌环网时遵循IEC61158和欧洲标准EN50170的过程现场总线。它们都是基于字符的异步通信协议，带有起始位、8位数据、偶校检和1个停止位。通信帧由起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性校验和组成。只要波特率相同，三个协议可以在网络中同时运行，不会相互影响2。点对点接口协议（PPI）PPI（Point-to-Point）是主从协议，网络上是S7-200 CPU均为从站，其它CPU、SIMATIC编程器或TD200为主站。如果用户程序中允许PPI主站模式，一些S7-200 CPU在RUN模式下可以作主站，它们可以用网络读（NETR）和网络写（NETW）指令读写其他CPU中的数据11。S7-200 CPU作PPI主站时，还可以作为从站响应来自其他主站的通信申请。PPI没有限制可以有多少个主站与一个从站通信，但是在网络中最多只能有32个主站10。在自动压蜡控制控制系统中，控制器S7-200 PLC将利用点对点PPI（Point-to-Point）协议与安装在上位计算机中的工业控制组态软件进行通信。网络上的S7-200 CPU224 PLC作为从站，组态软件组态王6.53作为主站。在PLC控制程序中，将自动压蜡控制系统运行现场的各项参数放入用户数据存储区的指定区域中，通过组态王6.53中的I/O变量采集或刷新这些存放在PLC用户数据存储区中的数据12。这样，PLC就可以与上位计算机利用通信进行数据的交换，为实现上位计算机对自动压蜡控制系统现场数据的监控创造了条件。2.3 数据交换存储区的定义在S7-200 系列PLC中，不同的CPU模块有不同长度的数据存储区。其中CPU224模块有长度为5120Byte的用户数据存储区。用户可以自由使用这一数据存储区，存放用户程序中涉及到的数据、参数等14。为实现PLC与组态软件之间的通信，完成对上位计算机对控制系统现场数据的监控功能，组态王6.53将定义一系列I/O变量来采集或刷新存放在PLC数据存储区中指定区域内的数据6。这一指定数据存储区，我们把它称为“数据交换存储区”9。存放在“数据交换存储区”中的数据输入映像寄存器IB0及中间寄存器MB10就和输出映像寄存器QB0。“数据交换存储区”中存放的数据和其存放的地址如表2-1所示。表2-1“数据交换存储区”中的数据和存放地址存储区地址VB100VB101VB102VB103VB104VB105VB106VB107数据QB0IB0存储区地址VB108VB109VB110VB111VB112VB113VB114VB115数据MB102.4 组态软件与PLC的通信设置a) 创建工程路径启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件/新建工程”或单击“新建”按钮，弹出“新建工程向导一”对话框，如图2.2所示。 图2-2建工程向导 图2-3新建工程向导二单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二”对话框，如图2.3所示。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三”对话框，如图2-4所示。 健雄职业技术学院毕业论文图2-4建工程向导三 图2-5建画面在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。单击“完成”完成工程的新建。b) 创建组态画面进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面。“组态王”采用面向对象的编辑技术，使用户可以方便地建立画面图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果16。第一步：定义新画面，如图2-6所示。点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统，如图2-7所示。 图2-6 组态王开发系统 图2-7设备配置向导一第二步：在组态王开发系统中制作画面。选择“文件/全部存”命令保存现有画面。c) 定义I/O设备组态王把那些需要与之交换数据的设备都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC，仪表，模块，板卡，变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上其他的计算机4。只有定义了外部设备后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”，引导用户一步步完成设备的连接。选择工程浏览器左侧大纲项“设备/COM”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双键“新建”图标，运行“设备配置向导”，如图4.6 所示。根据安装向导安装S7-200 CPU224 PLC，安装时设定的参数如表2.8所示。双击“COM1”图标，设定串行通信口COM1的通信参数，如表2.9所示表2-8组态王中PLC安装的参数 表2-9口设定的通信参数生产厂家西门子设备名称S7-200系列逻辑名称CPU224连接的串口COM1通信方式PPI设备地址2尝试恢复间隔30s最长恢复时间24h使用动态优化是波特率9600kps数据位8停止位1奇偶校检偶校检通信方式RS232通信超时3000ms使用Modem否d) 构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速到达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew运行时，它含有全部数据变量的当前值7。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库/数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“定义变量”对话框如图2.10内存变量。图2-10内存变量e) 建立动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来；或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。“组态王”提供了21种动画连接方式。 图2-11动画连接 图2-12画面属性单击“确定”，再单击“确定”返回组态王开发系统。为了让矩形动起来，需要使变量能够动态变化，选择“编辑/画面属性”菜单命令，弹出对话框如图2.11所示。单击“命令语言.”按钮，弹出画面命令语言对话框2.12所示。在编辑筐内输入命令语言。选择“文件/全部存”菜单命令f) 运行和调试组态王2工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件/切换到View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面/打开”命令，从“打开画面”窗口选择“Test”画面。显示出组态王运行系统画面，即可看到动态变化8。2.5 数据采集的实现为了实现在上位计算机上进行对轧钢机控制现场的监控，在PLC与组态软件的数据通信中，对PLC中的数据进行采集或刷新。在组态王6.53中，用户通过定义I/O变量，就可以非常方便的实现对数据采集。 为实现对PLC“数据交换存储区中”数据的采集，在组态王6.53中定义了2个I/O整型变量，它们分别是QB0和IB0，集的数据分别是来自从站PLC用户数据存储区中的VB100和VB105两个字节存储单元。2个I/O整型变量QB0和IB0定义时的各项主要参数如下所示：变量类型：I/O整型 初始值：0最大值：99999 连接设备：CPU224采集频率：250ms 数据类型：BYTE读写属性：读写 转换方式：线性在组态王6.53中，运用这些采集来的数据，通过一种类似C语言的“应用程序语言”编写程序，对采集的数据进行处理，并将程序语言和组态软件中的丰富“动画连接”功能相结合，就可以实现对自动售货机控制系统现场的监控，以生动、直观的图像和指示信号显示在监控界面。3 组态软件对自动售货机现场监控的实现3.1 变量和数据定义自动售货机要从下位机收集到位信号，这些数据是通过驱动程序采集到的，所以几个变量的类型都是I/O离散类型变量。详细见下图3-1数据库变量图3-1 数据库变量3.2 自动售货机现场界面设计为建立一个新的画面应执行以下操作：在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，在右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框，新画面属性设置如下：在对话框中单击“确定”，组态王软件将按照您指定的风格产生出一幅名为“自动售货机”的画面。见下图3.2画面属性。图3-2画面属性接下来在此画面中绘制各种图素。绘制图素的主要工具放置在图形编辑工具箱内。当画面打开时，工具箱自动显示。监控软件的现场运行界面如图3-3组态界面。图3-3组态界面健雄职业技术学院毕业论文现场运行界面以动画和图像的方式显示了自动售货现场的各种指示。通过组态王6.53中丰富的动画连接定义和通过I/O变量采集来的现场数据联接起来，编写各个模拟现场动作的动画程序，实现了对自动售货系统运行状况的监视。3.3 监控软件中的动画连接设计由于通过I/O变量采集来的是数据QB0、IB0和IB1是整型变量，如果想要判别PLC输出和输入映像寄存器的每一位，如QB0.0、IB0.5等，就需要对采集来的I/O整型数据数据进行特定方式的处理。在对采集来的数据进行处理后，将利用这些处理好的数据和组态王6.53中的动画连接相结合，做到现场运行界面中图象的动作和售货现场的动作同步。在画面上双击图形对象，弹出“动画连接”对话框。单击“水平移动”按钮，弹出“水平移动连接”对话框，单击选择变量名，对话框设置如图3-4动画连接。单击“确定”。单击“动画连接”对话框的“确定”。 图3-4 动画连接主画面命令语言如下：总营业额=小袋瓜子袋数*1.0+大袋瓜子袋数*2.0+可乐售出瓶数*2.5+橙汁售出瓶数*3.0+雪花鲜啤售出瓶数*3.5+青岛纯生售出瓶数*5.0+南京牌香烟售出盒数*15.0;17 4 结论经过了三个多月的学习和工作，在导师的悉心指导和严格要求下，我终于完成了自动售货机的论文。从课题选择、方案论证到具体设计，每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战，也成就了我在大学期间独立完成的最大的项目。记得在刚接到这个课题时，由于对自动售货机以及相关知识不是很了解，我都有些茫然不知所措。于是我给自己提出了第一个问题：设计好一个自动售货机控制系统需要什么具体的专业知识？带着这个疑问我开始了独立地学习和实验：