基于plc的电镀生产线监控系统设计

基于PLC的电镀生产线监控系统设计摘要一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂外，如何保证电镀产品严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是决定电镀产品质量和品质的重要因素。在电镀生产线上采用自动化控制不但可以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证，有效的减少废品率，而且还可以提高生产效率和减轻工人的劳动强度，有着非常好的经济效益和社会效益。本文主要针对自动控制这点进行设计，在该生产线的控制系统中，采用了高可靠性，高稳定性，编程简单，易于使用，而且广泛应用于现代工业企业生产线过程控制中的控制器PLC。设计中实现了电镀生产线监控系统的单周期运行、连续运行和步进三种工作方式，在工业生产中有很重要的作用，它可以给操作工人更多的选择，同时有利于处理故障，有很强的实用性。最后用MCGS软件对设计思路进行了组态仿真，基本实现了电镀监控系统的全部功能。关键词电镀监控系统，自动化控制，PLC，MCGSELECTROPLATETOOLINGPLCCONTROLSYSTEMOFTRAVELINGCRANEDESIGNABSTRACTAPLATINGPRODUCTSHAVEGOODQUALITYINADDITIONTOTHEPLATINGPROCESSMATURITYANDQUALITYOFAGOODBATHADDITIVES,THEPLATINGHOWTOENSURETHATPRODUCTSINSTRICTACCORDANCEWITHTHEPLATINGPROCESSTOENSUREPRODUCTOPERATIONANDPLATINGTIMEISTODETERMINEPRODUCTQUALITYANDTHEQUALITYOFELECTROPLATINGANIMPORTANTFACTORSUSEDINELECTROPLATINGPRODUCTIONLINEAUTOMATIONANDCONTROLPRODUCTSWILLNOTONLYENABLETHEPLATINGQUALITYANDSTRICTQUALITYASSURANCEANDEFFECTIVETOREDUCETHEREJECTRATE,BUTALSOCANIMPROVEPRODUCTIVITYANDREDUCELABORINTENSITY,WITHVERYGOODECONOMICANDSOCIALBENEFITSINTHISPAPER,THISPOINTFORTHEDESIGNOFAUTOMATICCONTROLINTHEPRODUCTIONLINECONTROLSYSTEM,USINGAHIGHRELIABILITY,HIGHSTABILITY,PROGRAMMINGISSIMPLE,EASYTOUSE,ANDISWIDELYUSEDINMODERNINDUSTRIALENTERPRISESINTHEPRODUCTIONLINEPROCESSCONTROLOFTHECONTROLLERPLCDESIGNEDTOACHIEVEAPLATINGPRODUCTIONLINEMONITORINGSYSTEMOFTHESINGLECYCLEOPERATION,CONTINUOUSOPERATIONANDSTEPTHREEWAYSOFWORKINGININDUSTRIALPRODUCTIONINAVERYIMPORTANTROLE,ITCANGIVEWORKERSMORECHOICESTOOPERATEATTHESAMETIMEWILLHELPTODEALWITHFAILURE,THEREISHIGHLYPRACTICALFINALLY,MAKINGMCGSSOFTWARECONFIGURATIONTOCARRYOUTTHESIMULATION,ALLOFTHEFEATURESOFMONITORINGSYSTEMHAVEACHIEVEDKEYWORDSELECTROPLATINGMONITORINGSYSTEM,AUTOMATICCONTROL,PLC,MCGS目录第1章概述511PLC的国内外发展状况及未来展望512电镀生产控制技术的现状713PLC的基本组成814PLC的主要特点及功能9141PLC的主要特点9142PLC的功能1015MCGS组态软件简介11第2章系统硬件设计1521电镀生产线行车要求1522主电路的设计1623I/O分配表及其外部端子接线图17231I/O分配表17232外部端子接线图1924电镀生产线操作流程图20第3章系统的软件设计2231PLC程序设计常用的方法2232PLC的基本技术性能及编程语言23321PLC的基本技术性能23322PLC的编程语言2432PLC程序设计2533MCGS组态软件的设计25第4章软硬件的调试3641软件调试概述3642组态画面显示及功能的实现37第5章总结41谢辞42参考文献43附录45第1章概述可变程序逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）通常称为可编程控制器，英文缩写为PLC或PC，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便的特点，特别是它的高可靠性和较强的恶劣工作环境的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。目前已广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业，并已跃居现代工业控制三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）的首位。11PLC的国内外发展状况及未来展望世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。12电镀生产控制技术的现状电镀生产作为一种传统产业自开始以来，几十年间有了极大的发展，从早期的纯手工作坊式生产发展到今天的半自动甚至全自动生产，电镀工业的进步是长足的巨大的，电镀产品的种类和电镀工艺的复杂程度也是发生了极大的变化，大到汽车，飞机，小到生活用品金银首饰，各式各样的工业产品都离不开电镀技术，电镀技术己发展形成一个重要的工程领域表面工程。随着工业现代化的发展，电镀工业生产控制技术的发展也是突飞猛进的，几十年前，电镀一个工件只要备一个镀槽，用两只电极阴、阳极装上工件通上电就完事，渐渐地人们觉得这样的镀覆不能适应复杂镀层要求，于是就开始产生了生产线，引入一两台行车挂上工件，用继电器控制技术控制行车运动，进而实现不同镀液镀覆过程的有序进行。按照工艺要求在不同镀槽内镀覆的时间是不同的，镀覆电流也有所区别，电流的大小事先调定，时间的长短人为控制，因此这种生产线还是典型的半自动生产线，随着时间的推移和新技术的发展与进步，人们渐渐地感到这种半自动的生产线难以提高生产率，因而在控制技术上开始考虑能否实现生产过程的全自动化，控制的手段开始引入计算机控制，也就是人们所熟知的工业控制计算机系统PIC，用计算机实现对控制过程的参数预设、参数检测、数学运算等，在电流控制方面，采用晶闸管变流技术、变频器、高频开关电源等新技术，使得电流的控制能按照生产工艺要求实现精确控制，随着生产工艺要求的进一步提高和生产过程的实际变化，人们觉得这种工控机PIC控制手段有着明显的弱势，一方面是要求生产工人具有一定的文化知识，要熟悉电脑操作，能实现电脑维护，另一方面工控机虽然是为工业生产而设计的，但其工作的可靠性以及抗干扰等措施还是显得有些不够，因而，随着市场上新的数字设备和数字技术的发展，新的工控装置PLC受到越来越多的青睐，PLC的应用场合从早期的逻辑控制到后来的模拟控制等设备的外部控制模块也有了很大的发展，出现了很多的特殊功能模块，这极大地丰富了PLC的功能，也极大地拓展了其应用空间，PLC技术引入电镀生产以后，电镀生产有了极大的发展，近年来随着生产的发展和不同产品工艺的特殊要求，电镀生产的生产过程在有些领域显得相当复杂，有许多条流水线构成一套完整的生产线，这就要求各流水线之间能实现互联，因而在有些地方就引入了网络技术，工业以太网是网络技术里比较活跃值得信赖的一种，在有些领域则提出采用DCS、FCS技术，然而截止今日，真正把DCS技术应用到生产中的情况尚难见到，FCS技术更是没有。13PLC的基本组成PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的组成与一般的微机类似，由硬件和软件组成。PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中CPU是核心，输入单元和输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。下面简单介绍下各部分情况。1中央处理单元（CPU）CPU是PLC的核心，PLC中所有配置的CPU随机型不同而不同。常见的CPU有三类通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器（如AMD29等）。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC多采用高速位片式微处理器。2存储器存储器主要有两种一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。3输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。4通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC的软件组成PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写或更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。14PLC的主要特点及功能141PLC的主要特点现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同，由于PLC具有诸多优点，一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。（1）可靠性高，抗干扰能力强由于采用了现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺，且内部电路采取了先进的抗干扰技术，所以PLC具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性。使用其构成控制系统，和同等规模的继电器接触器系统相比，电气接线及开关接点数可减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。PLC是专为工业控制而设计的，因此，在恶劣的工业环境下仍能保证很高的可靠性，一般平均无故障时间可达到45万小时，甚至远远超过计算机控制系统。（2）编程简单易学，开发周期短作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员所接受。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，使用者不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。另一方面，PLC多以软件编程取代硬件接线实现控制功能，使得繁重的安装接线工作大大减轻，且编程简单，程序设计和调试修改也很方便安全，因此，控制系统的开发周期大幅缩短。（3）体积小、重量轻、能耗低，使用方便PLC采用半导体集成电路，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，是实现机电一体化的理想控制设备。以超小型PLC为例，底部尺寸可小于100MM，重量小于150G，功耗仅为数瓦。PLC编程简单，自诊断能力强，出现故障时可及时发出警报信息，使得维护方便容易。（4）功能强，通用性好PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力，可进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D、D/A转换、数据处理和通信联网等功能。同时，PLC品种多，档次高。同一台PLC可适用于不同的控制对象或同一对象的不同控制要求，同一档次、不同机型的功能也能方便地相互转换。142PLC的功能随着PLC技术的不断发展，它目前主要有以下控制功能（1）条件控制功能条件控制又称逻辑控制，用PLC的“与”、“或”、“非”等逻辑指令取代继电器触点的串联、并联及其他各种逻辑连接来实现开关控制，实现逻辑运算功能。（2）计数、定时功能PLC具有计数、定时功能，即使用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。计数、定时值可由用户在编程时设定，在运行中读出与修改，使用与操作都很灵活方便。（3）步进控制功能步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制，即顺序控制，可利用移位寄存器或步进指令直接编程。（4）数据处理功能数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。（5）A/D、D/A转换功能A/D、D/A转换功能是指通过A/D与D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换，从而实现对模拟量的控制与调节。并可通过PID实现对温度、压力、速度、流量的等物理参数的闭环控制，完成过程控制。（6）通信与联网功能通信与联网功能是指PLC采用通信技术，进行远程I/O控制与数据交换，实现多台PLC之间的同位链接，PLC与上位机之间的联网，从而组成分布式控制网络以完成较大规模的复杂控制。（7）监控功能PLC能监视系统各部分的运行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设定值或强制I/O状态。15MCGS组态软件简介过去工业控制计算机系统的软件功能都靠软件人员编程实现。工作量大，软件通用性差，且易产生错误。随着工业控制要求的不断提高，专门用于工业控制的组态软件应运而生，它是一套功能齐全的组态生成工具软件，通用性强，而且系统的执行程序代码部分一般固定不变，为适应不同的应用对象只需改变数据实体即可。目前国内外有很多公司开发出不少优秀产品，如INTELLUTION公司的FIX，CI公司的CITECT，清华紫光的组态王等。MCGS是众多监控软件中的一种，它具有许多优点，可用于任何监控系统。MCGSMONITORANDCONTROLGENERATEDSYSTEM是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的一套基于WINDOWS平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。MCGS组态软件是在MCGS62通用版的基础上增加了强大的网络功能，是企业从现场监控到企业网络监控、网络管理的一个重要的工具，是实现企业现代化管理的必备手段。MCGS能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境是生成应用系统的工作环境，用户在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。运行环境是用户应用系统的运行环境，进行各种处理，完成组态设计的目标和功能。也就是，您在组态环境中根据您要达到的控制要求去设计，运行环境运行您设计好的组态工程。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图11所示。图11组态环境与运行环境关系图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，如图12所示。主控窗口是工程的主要窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括定义工程名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。也就是，您要在设备窗口中选择您所有连接的控制器如PLC，变频器，仪表等的型号，并设定您从设备中读取哪些变量如PLC中的寄存器D0。用户窗口本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。也就是，您所要显示的控制界面。实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。也就是，您要在实时数据库里定义一些变量与您所要控制的设备中的变量一一对应，以备您建立的各个用户窗口调用。当然也可以根据您的需要建立一些中间变量来存放计算的过渡值或是临时状态。图12MCGS软件模块功能图运行策略本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序脚本程序，选用各种功能构件。比如，当您做的监控界面有一段说明文字是根据PLC的两个输入MCGS工控组态软件主控窗口设备窗口添加工程设备连接设备变量注册设备驱动菜单设计设置工程属性设定存盘结构用户窗口运行策略实时数据库创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件点闭合的情况分别显示不同的内容，您就要在运行策略窗口做一个IFTHEN判断。MCGS软件的分类嵌入版组态软件嵌入版处于整个监控系统最下层的组态软件，主要完成现场数据的采集、前端数据的处理与控制。与其他相关的硬件相结合，可以快速、方便地开发成各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。通用版组态软件通用版属于监控系统中层的组态软件，主要完成通用工作站的数据采集和加工、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等日常性监控事务，系统稳定可靠，能方便的代替大量的现场工作人员的劳动和完成对现场的自动监控和报警处理，随时或定时的打印各种报表。网络版组态软件网络版处于整个监控系统中最上层的组态软件，主要完成整个系统的信息收集和发布，即把位于其监控之下的所有监控站点的数据通过各种复杂的网络结构，最终集中在网络服务器中，并把所有的数据在服务器中统一管理和保存，通过WEB浏览的方式向各个采集站点发布，使位于办公室的部门直观地看到现场的工作情况。第2章系统硬件设计自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。PLC控制系统的硬件设计主要是指硬件选型，近十几年来，国内外众多厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品，已有几十个系列、几百种型号。PLC品种繁多，其结构形式、性能、I/O点数、用户程序内存容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格各有不同，使用场合也各有侧重。因此，PLC的合理选择，对提高PLC控制系统的技术、经济指针以及对于控制系统都有着重要作用。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。21电镀生产线行车要求本系统设计有现场手动、单周期运行、连续运行及主控室单周期运行、连续运行三种操作模式。现场手动、单周期运行、连续运行操作模式是在现场控制柜上完成，主控室单周期运行、连续运行时在主控室上位机画面上点击相应的按钮是想的。主控室监控采用MCGS组态软件设计的监控画面可以实时观察到电镀生产线的每一步实时动作，如钓钩的上升、下降，工件在生产线上的前进、后退等。整个工作流程是这样的，原为表示设备处于初始状态，钓钩在下限位置，行车在左限位置。自动工作过程启动钓钩上升上限行程开关闭合右行至1号槽XK1行程开关闭合钓钩下降进入1号槽内下限行程开关闭合电镀延时延时时间到钓钩上升上限行程开关闭合右行至2号槽XK2行程开关闭合。由3号槽内钓钩上升，左行至左限位，钓钩下降至下限位（即原位）。连续工作当钓钩回到原点后，延时一段时间（装卸工件），自动上升右行，按照工作流程要求不停的循环，当按下“停止”按钮时，设备始于原点，按下启动按钮，设备工作一个周期，然后停于原点。要重复第二个工作周期，必须在按下启动按钮，当按下“停止”按钮，设备立即停车，按下“启动”按钮后，设备继续运行电镀专用行车的工作过程如图21所示图21电镀生产线工作过程图（1）在电镀生产一侧，工人将待加工的零件装入吊篮，发出控制信号，行车自动上升，并逐段前进，根据工艺要求在需要停留的槽位停止。（2）行车停留在某个槽位上面后，自动下降，停留一定的时间（各槽停留的时间根据工艺要求预先设定），再自动上升并继续前行。（3）如此完成电镀工艺规定的各道工序，直至生产的末端。然后，自动返回原位，由工人卸下处理好的零件。至此，一次加工过程结束。可见，电镀专用加工行车过程就是采用顺序控制，有吊篮上升有、右行，下降、上升左行至原位等工序组成。22主电路的设计主电路的设计对于本次设计电镀生产线监控系统设计相当重要,只有在主电路设计正确且简便的基础上,系统控制电路及软件设计才能精简方便。根据系统的控制工艺要求，我所设计的电气控制系统主回路原理图如图22所示。图中，M1，M2为两台控制吊钩上升、下降和左、右行车的电动机，交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4通过控制两台电动机的运行来控制吊钩的行进，从而进行对工件的电镀和清洗等工作。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，对电路起到过载时主动断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。下限左限原位上限3号槽2号槽1号槽XK1XK3右限XK2图24电镀生产线工作过程图L1L2L3M133M2FU1KM1KM2KM3KM4FR1FR2QS图22电镀生产线主电路图23I/O分配表及其外部端子接线图231I/O分配表根据设计要求，本文中主要用到了一些行程开关和限位开关，如XK1、XK2、XK3均为行程开关，以及行车的左、右极限位置和上、下极限位置的限位开关。在这里我们就要区分下行程开关和限位开关的概念，因为自己在做这点时都没弄清楚时怎么回事，所以说有必要对此做下简单的介绍。行程开关就是一种由物体的位移来决定电路通断的开关，它的真正用武之地是在工业上，在那里它与其它设备配合，组成更复杂的自动化设备。机床上有很多这样的行程开关，用它控制工件运动或自动进刀的行程，避免发生碰撞事故。有时利用行程开关使被控物体在规定的两个位置之间自动换向，从而得到不断的往复运动。比如自动运料的小车到达终点碰着行程开关，接通了翻车机构，就把车里的物料翻倒出来，并且退回到起点。到达起点之后又碰着起点的行程开关，把装料机构的电路接通，开始自动装车。总是这样下去，就成了一套自动生产线，用不着人管，日以继夜地工作，节省了人的体力劳动。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。一般设在起点，终点位置。这种开关有接触式的和非接触式的。接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。限位开关主要就是限定位置，比如行车之类的，当到末端位置，限位开关就触动，停止继续运动，不至于出轨，假如光靠机械阻挡制动不仅不利于设备，也浪费电能。在本次设计里，限位开关就是起到了限制设备继续行走的作用。此次设计，系统共占用了20个PLC的I/O端口，分别是15个输入端口和5个输出端口，具体的I/O端口如表21所示表21I/O分配表输入输出I00启动按钮Q00上升I01XK1行程开关Q01右行I02XK2行程开关Q02下降I03XK3行程开关Q03左行I04右限位开关Q05原点I05左限位开关I06上限位开关I07下限位开关I10原点开关I11连续运行I12单周期运行I13步进运行I14常闭开关I15单启动I16停止按钮232外部端子接线图该控制系统核心部分是以德国西门子CPU226为主，CPU模块采用整体式结构，它的体积小、价格低，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内，前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。I/O模块中输入15个点，输出5个点，可实现高速输入输出响应，内部具有高速计数和中断处理功能。PLC的输入输出端子均接到相应的接线端子排，输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入，这些接线端子排的布置与PLC的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。I/O模块接口将输入输出信号引入到控制台上。PLC外部硬件接线图如图23所示PLC外部接线图。PC/PPI编程电缆上标有PC的RS一232端连接电脑的RS一232通信接口，标有PPI的RS一485端连接到CPU模块的通信口，并拧紧两边接口的螺丝。PC/PPI编程电缆通常在试验中下载梯形图程序时使用。步进上行XK2下限XK1连续常闭单周期原点220VFU下降右行左行原位I00I01I02I03I04I05I06I07I10I11I12I131MQ00Q01Q02Q03Q051LCPU226CN24V2M上限XK3KM1KM2KM3KM42LI14单启动停止I15启动I16右限左限图23I/O端子接线图24电镀生产线操作流程图根据设计的要求我们绘制出了系统工作的状态流程图，如图24所示。由状态流程图我们可以清楚的看出来电镀生产线的工作过程，当达到下一个条件时就会执行相应的动作，以此来完成整个电镀的工艺流程，完成每一个加工周期。对应的工作流程图如图25所示。S00S01S03S02S04上升右行下降左行原位初始步启动上限位右限位下限位左限位原点XK2XK1XK3延时图24工作状态流程图初始化连续工作单周期步进运行否1号槽电镀2号槽回收3号槽清洗YNYYYNNN返回图23流程图开始图25系统工作流程图第3章系统的软件设计31PLC程序设计常用的方法在工程中，对PLC应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大的差异。现将常用的几种应用程序的设计方法简要介绍如下。1经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。但是它没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。经验设计法的具体步骤如下（1）确定输入/输出电器；（2）确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；（3）做出系统动作工程流程图；（4）选择PLC指令并编写程序；（5）编写其它控制控制要求的程序；（6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。2逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适用于PLC应用程序的设计。3顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下（1）步与步之间必须用转移隔开；（2）转移与转移之间必须用步隔开；（3）转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。（4）一个顺序功能图中至少有一个出初始步。32PLC的基本技术性能及编程语言321PLC的基本技术性能1输入/输出点数这是PLC最重要的一项技术指针。所谓I/O点数即PLC外部的输入、输出端子数，这些端子可通过螺钉或电缆与外部设备相连。2程序容量一般以PLC所能存放用户程序的多少来衡量。在PLC中程序是按“步”存放的一指令少则1步、多则十几步，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元占两个字节。如一个程序容量为1000步的PLC，可推知其程序容量为2K字节。3扫描速度如上所述，PLC工作时是按照扫描周期进行循环扫描的，所以扫描周期的长短决定PLC运行速度的快慢。因扫描周期的长短取决于多种因素，故一般用执行1000步指令所需时间作为衡量PLC速度快慢的一项指针，称为扫描速度，单位为“MS/K”。扫描速度有时也会用执行一步指令所需的时间来表示，单位应该为“S步”。4指令条数这是衡量PLC软件功能强弱的主要指针。PLC具有的指令种类越多，说明其软件功越强。PLC指令一般分为基本指令和高级指令两部分。5内部继电器和寄存器PLC内部有许多继电器和寄存器，用以存放变量状态、中间结果、资料等，还有许多具有特殊功能的辅助继电器和寄存器，如定时器、计数器、系统寄存器、索引寄存器等。6编程语言编程语言一般分为梯形图、助记符语句表、控制系统流程图等几类，不同厂家的PLC编程语言类型有所不同，语句也各异。编程手段主要是指用何种编程装置，编程装置一般分为手持编程器和带有相应编程软件的计算机两种。322PLC的编程语言PLC的编程语言目前主要有以下几种梯形图语言、助记符语句表语言和流程图SFC语言。也有一些PLC可用BASLC等高级语言进行编程，但很少使用。其中梯形图语言、助记符语句表语言用得最为广泛。由于PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，因而不同厂家生产的PLC所用语言和符导也不尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异的，所以了解其中一种就很容易学会其它语言。在此主要介绍梯形图语言和助记符语言。梯形图在形式上沿袭了传统的继电接触器控制图，作为一种图形语言，它将PLC内部的编程组件如继电器的触点、线圈、定时器、计数器等和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号定义，并按逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输入、输出之间控制关系的图形。由于它在继电接触器的基础上加进了许多功能强大、使用灵活的指令，并将计算机的特点结合进去，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电接触器控制电路，所以很受用户欢迎。它是目前用得最多的PLC编程语言。在梯形图中，分别用符号、表示PLC编程组件软继电器的常开触点和常闭触点，用符号（）表示其线圈。与传统的控制图一样，每个继电器和相应的触点都有自己的特定标号，以示区别，其中有些对应PLC外部的输入、输出，有些对应内部的继电器和寄存器。它们并非是物理实体，而是“软继电器”，每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态不变。32PLC程序设计根据设计的要求，用PLC进行编程，实现相应的控制过程，编好的程序如图31所示。33MCGS组态软件的设计（1）工程建立1鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D盘根目录下，则会在DMCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为“新建工程XMCG”X表示新建工程的顺序号，如0、1、2等。2选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。3在文件名一栏内输入“电镀生产线监控系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。（2）建立画面1在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。2选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。3将窗口名称改为电镀；窗口标题改为电镀；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。4在“用户窗口”中，选中“电镀”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口，如图32所示。（3）编辑画面选中“电镀”窗口鼠标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始INPTTONI00I14I06I16T41100MSI01SCRQ00（）Q01（S）1Q04（R）1S01（SCRT）Q00（R）1Q05（R）1Q00（R）1S00（SCRT）（SCRE）SCRI02I03I04Q02（S）1S02（SCRT）Q01（R）1Q03（S）1S03（SCRT）Q01（R）1（SCRE）I16Q01（R）1S02（SCRT）SCRI07Q02（R）1Q04（S）1Q0450T41S00（SCRT）I16Q02（R）1（SCRE）SCRS03I05Q02（S）1Q03（R）1I11I10Q02（R）1Q05（S）1INPTTONT42100MSI0550I12I10Q02（R）1T42I15I16（SCRE）S00（SCRT）S00（S）1Q02（R）2S02S01S00图INPTTONI00I14I06I16T41100MSI01SCRQ00（）Q01（S）1Q04（R）1S01（SCRT）Q00（R）1Q05（R）1Q00（R）1S00（SCRT）（SCRE）SCRI02I03I04Q02（S）1S02（SCRT）Q01（R）1Q03（S）1S03（SCRT）Q01（R）1（SCRE）I16Q01（R）1S02（SCRT）SCRI07Q02（R）1Q04（S）1Q0450T41S00（SCRT）I16Q02（R）1（SCRE）SCRS03I05Q02（S）1Q03（R）1I10Q02（R）1S00（SCRT）S00（S）1S02S01S00I13I13I13I13I13I13I13I13I13I13（SCRE）I16Q02（R）231电镀生产线梯形图图32设置电镀控制为启动窗口编辑画面。（4）定义数据对象实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。在开始定义之前，我们先对所有数据对象进行分析。在本工程中需要用到以下数据对象。下面以数据对象“物1”为例，介绍一下定义数据对象的步骤1单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。2单击“新增对象”按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象，系统缺省定义的名称为“DATA1”、“DATA2”、“DATA3”等（多次点击该按钮，则可增加多个数据对象）。3选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置”窗口。4将对象名称改为物1；对象类型选择开关型；在对象内容注释可以不用填写。（5）动画连接由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。本设计中需要制作动画效果的部分包括传送带的运动、箱的运动、钩的显示吊钩的运动、物2的运动、行车的运动指示灯的显示1箱的动画设计具体设置步骤如下1）在用户窗口中，双击“零件”，弹出单元属性设置窗口。2）设置属性，显示如图33，34所示窗口图33属性设置图2吊钩的动画设计具体设置步骤如下1）在用户窗口中，双击“绳”，弹出单元属性设置窗口。2）设置属性，显示如图35，36所示窗口图34属性设置图3指示灯的动画设计具体设置步骤如下1）在用户窗口中，双击“灯”，弹出单元属性设置窗口。2）设置属性，显示如图37所示窗口按照分类，将本次设计中所需的动画连接，参照以上三种方式将其进行动画连接，完成以后，画面中的事物就与实时数据库中的数据联系起来。（6）设备连接具体步骤装载设备1在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。2点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱”。3单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮。4在可选设备列表中，双击“PLC设备”。5双击“西门子”，在下方出现模拟设备图标。6选中“西门子S7200PPI”图标，即可将设备添加到右测选定设备列表中。图35属性设置图图36属性设置图7选中选定设备列表中的“西门子S7200PPI”，单击“确认”，“西门子S7200PPI”即被添加到“设备工具箱”中。模拟设备的添加及属性设置1双击“设备工具箱”中的“通用串口父设备”，然后再双击“西门子S7200PPI”，所需设备被添加到设备组态窗口中，设备窗口如图38所示。图37属性设置图图38设备窗口2双击“通用串口父设备”，进入设备属性设置窗口，如图39所示。3双击“设备0西门子S7200PPI”，进入设备属性设置窗口，如图310所示。4点击基本属性页中的“内部属性”选项，该项右侧会出现图标，单击此按钮进入“内部属性”设置。点击增加通道，然后按照前面I/O地址表设置20个通道，其中输入通道15个，输出通道5个，读写类型全部设置为只读型。单击“确认”，完成“内部属性”设置。5点击通道连接标签，进入通道连接设置。选中通道中对应数据对象输入框，依次将实时数据库中的数据对象添加到通道中。6进入“设备调试”属性页，即可看到通道值中数据在变化。7按“确认”按钮，完成设备属性设置。（7）编写控制流程具体操作如下1在“运行策略”中，双击“循环策略”进入策略组态窗口。2双击图标进入“策略属性设置”，将循环时间设为200MS，按“确认”。图39通用串口父设备窗口3在策略组态窗口中，单击工具条中的“新增策略行”图标，增加一策略行。如果策略组态窗口中，没有策略工具箱，请单击工具条中的“工具箱”图标，弹出“策略工具箱”。4单击“策略工具箱”中的“脚本程序”，将鼠标指针移到策略块图标上，单击鼠标左键，添加脚本程序构件，如图311所示。图310设备0属性设置窗口图311添加脚本程序5双击进入脚本程序编辑环境，输入程序，如图312所示。IFDATA20THEN物11钩1箱11送11物310送送1箱箱5DATA1DATA11ENDIFIF送4THEN送0ENDIFIFDATA125THENDATA10DATA21钩0箱10箱0物311ENDIFIF上升1THEN物2物21物3物32ENDIFIF右行1THEN物11物115物22物225物33物335ENDIFIF下降1THEN物2物21物3物32ENDIFIF左行1THEN物11物1110物22物2210物33物3310ENDIF图312脚本程序6单击“确认”，脚本程序编写完毕。在这里需要提出的是，我们在编写以上脚本程序时，设备的“停止”并不是真正意义的停止，而是在一个极小的范围内做摆动，但是从视觉上看基本是静止的，符合画面设计的要求。第4章软硬件的调试41软件调试概述调试是软件开发过程中最艰巨的脑力劳动，调试开始时，软件开发者仅仅面对着错误的征兆，然而在问题的外部现象和内在原因之间往往并没有明显的联系，在组成程序的密密麻麻的元素中，每一个都可能是错误的根源。如何能在浩如烟海的程序元素中找到有错误的那个（或几