基于可编程序控制器plc和组态软件设计自动配料系统的控制系统和监控系统 毕业设计

摘要本文基于可编程序控制器PLC和组态软件设计自动配料系统的控制系统和监控系统。运用与之相配的STEP7编程，通过梯形图编程语言编制了下机位的控制程序，从而使该配料系统可以按要求完成自动配料，装配全过程。本文的主要内容包括对生产过程控制系统发展和现状的概述、配料系统工作原理和配料控制系统的总体设计，重点描述了包括S7200编程及MCGS嵌入式组态软件设计在内的西门子PLC在配料系统中应用的一些细节及其在上位机监控系统中一些基本设计，以及PLC与上位机之间的通讯。关键词PLC，配料控制，MCGS嵌入式组态设计，系统通讯ABSTRACTTHISPAPERBASEDONPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCANDCONFIGURATIONSOFTWAREDESIGNAUTOMATICBATCHINGSYSTEMCONTROLSYSTEMANDMONITORINGSYSTEMUSINGTHEMATCHINGSTEP7PROGRAMMING,THROUGHTHELADDERDIAGRAMPROGRAMMINGLANGUAGEUNDERTHESEATOFTHECONTROLPROCEDURESTOMAKETHISBURDENSYSTEMCOULDBEASKEDTOCOMPLETEAUTOMATICBATCHING,ASSEMBLYPROCESSTHEMAINCONTENTOFTHISARTICLEINCLUDINGPRODUCTIONPROCESSCONTROLSYSTEMDEVELOPMENTANDCURRENTSITUATIONOFTHEOVERVIEW,MIXINGSYSTEMWORKINGPRINCIPLEANDINGREDIENTSOFTHEOVERALLDESIGNCONTROLSYSTEM,THEAUTHORSDESCRIBETHEINCLUDINGS7200PROGRAMMINGANDMCGSCONFIGURATIONSOFTWAREDESIGN,EMBEDDEDINTHESIEMENSPLCINGREDIENTSOFTHEAPPLICATIONOFSOMEDETAILSOFTHESYSTEMANDTHEPCMONITORINGSYSTEMINSOMEBASICDESIGN,ANDPLCANDTHEUPPERMACHINEOFTHECOMMUNICATIONKEYWORDSPLC，INGREDIENTS，MCGSCONFIGURATIONDESIGNOFEMBEDDEDCONTROL，SYSTEMANDCOMMUNICATION目录第一章绪论311自动配料系统的背景3第2章可编程序控制器的基础知识421PLC的概述422PLC的基本组成6第3章PLC控制系统的软件设计831PLC控制系统软件设计原则832PLC控制系统的设计步骤8第4章自动配料系统和监控系统的设计1141自动配料系统1142监控系统13第5章通讯系统的实现1451S7200PLC与MCGS嵌入式组态之间通讯概述1452S7200PLC的通信方式与参数设置1553S7200与MCGS嵌入式组态通讯的实现16第六章总结18参考文献18附录PLC程序19致谢28第一章绪论可编程序控制器是用微电脑技术制造的通用自动控制设备，它具有指令存储和数字量或模拟量输入输出接口，能够进行位运算，并完成逻辑，顺序、定时、计数和算术运算功能，实现复杂的逻辑控制。一般分为主模板、扩展模板、编程器等，每个模板的体积都比较小，相互连接方便。有的还有模数和数模转换，数据处理和通讯网络等功能。它的最大特点是将控制过程以程序方式存放在存储器中，修改程序也就修改了控制过程，这就给控制过程的设计、调试、修改，扩展带来了极大的方便和灵活性；它的另一特点是能够适应工业环境，在电源波动大、温差大、冲击震动较大的恶劣条件下仍能长时间，不间断运行，抗干扰能力强、稳定性好、具有很好的可靠性。由于它的种种优点，它己经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，占据了电气控制系统中应用最为广泛的核心位置。监控组态软件是伴随着计算机技术、网络技术的突飞猛进发展起来的，监控组态软件是面向生产过程的监视、控制与数据采集的软件平台工具，具有实时多任务操作，设置项目丰富，使用方便、灵活、功能强大，监控组态软件通用性强，解决了人机图形界面的问题，通过监控组态软件对控制系统进行组态，可以把生产工艺上的参数在流程图上显示出来、处理数据报警和系统报警、存储历史趋势曲线、各种报表的生成和打印输出，在PC机的屏幕上进行整个生产过程的操作，接口开放，方便数据共享，支持多种硬件设备。因此监控组态软件得到了广泛的应用。PLC与监控组态软件的完美结合，通过监控组态软件对PLC及其它智能设备的I/O数据进行监控，应用越来越广泛。11自动配料系统的背景自动配料系统在冶金、建材、化工及食品等行业应用非常广泛，近几年来随着计算机技术和PLC技术的飞速发展，国内外的组态软件不断完善，自动配料系统控制方案也在不断改进。由于PLC的迅猛发展，实现了工业控制领域的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC正在成为工业控制领域的主流控制设备，可以用于各种规模的工业控制场合，在各个领域发挥着越来越大的作用。除了逻辑处理功能以外，近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC从逻辑控制渗透到了生产过程控制、运动控制等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强，使用PLC组成各种控制系统变的非常容易。本毕业设计是西门子可编程序控制器和MCGS嵌入式组态软件在配料控制系统中的应用和研究，采用的是德国SIEMENS公司的S7200系列PLC，运用与之相配的STEP7编程软件，通过LAD编程语言编制了下位机的控制程序，从而使配料系统可以按要求自动完成配料和装料全过程，并且在发生故障时可以自动停机。采用了MCGS嵌入式组态软件对上位机监控软件组态，实现了现场的实时监控，实时模拟等具有WINDOWS风格的动态操作画面。通过PLC和组态软件的有效结合使配料系统大幅度提高其方便性、可靠性。第2章可编程序控制器的基础知识21PLC的概述211PLC的定义可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它是电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐步发展成为以微机处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。212PLC的主要功能1逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。PLC设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令。2定时控制功能PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。3数据处理功能大部分PLC都有数据处理功能，可实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。4过程控制功能有些PLC具有AD、DA转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。5通信联网功能有些PLC采用通信技术，可以多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。6监控功能PLC设置了较强的监控功能。操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监视。22PLC的基本组成221PLC的硬件组成1中央处理器（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。2存储器PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。3输入/输出接口输入/输出接口是PLC与现场I/O设备或其它外部设备之间的连接部件。4电源部分PLC内部配有一个专用开关型稳压电源，它将交流直流供电电源变换成系统内部各单元所需的电源，即为PLC各模块的集成电路提供工作电源。5编程器编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件。它是PLC的外部设备，是人机交互的窗口。第3章PLC控制系统的软件设计31PLC控制系统软件设计原则软件就是编写满足生产控制要求的PLC用户程序，即绘制梯形图或编写语句表。软件设计的原则1）逻辑关系要简单明了，易于编程。如继电器的触点可使用无数次，只要在实现某个逻辑功能所需要的地方，可随时使用，使编制的程序具有可读性，但要避免使用不必要的触点。2）保证程序功能的前提下尽量减少指令和程序的运行时间。32PLC控制系统的设计步骤PLC系统设计的一般方法和步骤1分析生产过程、明确控制要2选择PLC机型3选择I/O设备，列出I/O地址分配表4绘制系统的流程图5程序设计与调试6PLC与组态软件进行联机321PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。选择是主考虑以下几点。机型的选择依据1控制对象的输入量、输出量2工作电压3输出功率4现场对系统的响应速度要求5控制室与现场的距离等系统可靠性要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用余系统或热备用系统。322选择I/O设备，列出I/O地址分配图输出设备控制按钮、行程开关、接近开关等输出设备接触器、电磁阀、信号灯等1）确定输入、输出设备的型号和数量2）列写输入/输出设备与PLC的I/O地址对照表3）绘制接线图及编程分配I/O地址时应注意以下几点1）把所有按钮、行程开关等集中配置，按顺序分配I/O地址2）每个I/O设备占用1个I/O地址3）同一类型的I/O点应尽量安排在同一个区4）彼此有关的输出器件，如电动机正反转，其输出地址应连续分配323流程图设计自动配料系统的控制是采用PLC实现的，本小节主要介绍的是PLC部分程序的实现过程。自动配料的流程图如图31所示。图31自动配料流程图开始料斗配料料斗是否装否否启动开关SQ1是同时启动M4启动A启动B启动C启动D是否有故障是否停机车是否装结束M1停M2停M3停M4停否否是是是否第4章自动配料系统和监控系统的设计41自动配料系统411控制要求系统启动后，配料装置能自动识别货车到位情况及对货车进行自动配料，当车装满时，配料系统自动关闭。本设计的突出点是故障检测部分的设计，首先，当某一节传送带发生故障时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。其次，当某节传送带上的物体过重时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，并且数码显示电路会显示发生故障的电机的号码，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。412自动配料系统控制图（一）自动配料系统图自动配料的模拟面板如图21所示，从图中可以看出四节传送带是本次设计的核心电路，PLC编程也是围绕此面板进行的。图41自动配料系统图自动配料系统的功能是利用四节传送带为小车自动配料，重物通过传送带进行传输，发生故障时系统自动停机。413I/O地址表（一）输入地址表编号地址说明功能1I00按钮SB1启动编号地址说明功能2I01按钮SB2停止3I02信号S1接入S1料斗满信号4I03信号SQ1接入SQ1车未到位信号5I04信号SQ2接入SQ2车装满信号（二）输出地址表编号地址说明功能编号地址说明功能1Q00指示灯D1车装满D1亮6Q05指示灯L2车到位L2亮2Q01指示灯D2料斗下口下料D2亮7Q06指示灯M1控制电动机M13Q02指示灯D3料斗满D3亮8Q07指示灯M2控制电动机M24Q03指示灯D4料斗上口下料D4亮9Q10指示灯M3控制电动机M35Q04指示灯L1车未到位L1亮10Q11指示灯M4控制电动机M4413配料过程分析（一）初始状态系统启动后，红灯L2（Q05）灭，绿灯L1（Q04）亮，车未到位，表明允许汽车开进装料。料斗出料口D2关闭，若料位传感器S1（I02）置为“0”（料斗中的物料不满），进料阀开启进料，D4（Q03）亮。当S1置为“1”（料斗中的物料已满），则停止进料（D4灭）。电动机M1、M2、M3和M4均为“0”。（二）装车过程装车过程中，当汽车开进装车位置时，限位开SQ1（I03）置为“1”，红灯信号灯L2（Q05）亮，绿灯L1（Q04）灭，车到位；同时启动电动机M4（Q11），经过3S后，再启动M3（Q10），再经3S后启动M2（Q07），再经过2S最后启动M1（Q06），再经过3S后才打开出料阀，D2（Q01）亮，物料经料斗出料。当车装满时，限位开关SQ2（I04）为“1”，D1（Q00）亮，料斗关闭（Q01复位），3S后M1停止，M2在M1停止3S后停止，M3在M2停止3S后停止，M4在M3停止3S后停止，同时红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。（三）故障控制当某一节传送带发生故障时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。例如，当M2发生故障时，M2、M1会立即停止，M3会在M2和M1停止后5S后停止，M4在M3停止5S后停止。其次，当某节传送带上的物体过重时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。例如，当M1上有重物时，M1会立即停止，同时数码显示电路会显示“1”，M2在M1停止5S后停止，M3在M2停止5S后停止，M4在M3停止5S后停止。（四）停机控制按下停止按钮SB2，自动配料装车的整个系统终止运行。42监控系统421监控系统的功能介绍运行方式手动操作。用户界面界面美观易于操作。实时监控界面动态跟随硬件的运行过程，每一步都可以完整的显示在MCGS嵌入式组态的界面上，并可以实现手动控制。报警功能系统有自动报警功能，当系统发生故障时，监控画面会跟随PLC自动实现停机操作。MCGS嵌入式组态可读取PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示整个配料装置的运行情况。一旦发现故障报警信息，系统即显示报警画面，PLC发出相应动作指令，实现自动停机操作。422监控系统界面的设计监控系统的界面如图42所示。上图即为自动配料系统的监控画面，该图是自动配料面板的模拟，图中的指示灯与自动配料面板上的灯一一对应，报警灯在动配料系统发生故障停机时会自动亮起。第5章通讯系统的实现51S7200PLC与MCGS嵌入式组态之间通讯概述随着工业自动化技术的发展，人们对自动化监控系统的要求越来越高。而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，下面介绍了工控软件“MCGS嵌入式组态”与西门子S7200的通信方式。1MCGS嵌入式组态与与S7200的通讯方式（1）MCGS嵌入式组态通讯机制MCGS嵌入式组态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，MCGS嵌入式组态内置有大量的设备驱动作为外部设备的通讯接口。（2）MCGS嵌入式组态与S7200的PPI通讯方式PPI（POINTTOPOINT）是西门子专为S7200系列开发的一个通讯协议，为主/从协议，PC机为主站，S7200为从站。该方式下有两种硬件连接方法，一种是使用PPI电缆将PC机串口和S7200的通讯口相连，采用串行通讯方式。（3）MCGS嵌入式组态与S7200的MPI通讯方式MPI（MULTIPOINT）为多主站的通信方式。在西门子公司的可编程控制器、操作员界面和编程器上的集成有MPI口，可与PC机、S7200建立小型的MPI网。由于S7200只能作为MPI从站，所以装有MCGS嵌入式组态的PC机与S7200仍为主/从协议。PC机通过MPI卡（如CP5611通讯卡）接入MPI网中作为主站。其通信设置和使用与前类同。用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快的多，这样可以提高程序的执行速度。（4）MCGS嵌入式组态与S7200的自由口通讯方式自由口通讯方式是S7200的一个很有特色的功能。它是一种通讯协议完全开放的工作方式，不受PPI协议的限制，是PPI方式的一个补充。在该方式下的通讯口的协议由外设决定，PLC通过程序来适应外设。从而使得S7200系列PLC可以与任何具有通讯能力的并且协议公开的设备相通讯，即S7200可以由用户自己定义通讯协议。52S7200PLC的通信方式与参数设置521通信方式1S7200的通信方式S7200的通信功能强，有多种通信方式可供用户选择。在运行WINDOWS或WINDOWSNT操作系统的个人计算机PC上安装了STET7MICRO/WIN32编程软后，PC可作为通信中的主站。（1）单主站方式单主站与一个或多个从站相连，STEP7MICRO/WIN32每次和一个S7200CPU通信,但是它可以访问网络上的所有CPU。（2）多主站方式通信网络中有多个主站，一个或多个从站。带CP通信卡的计算机和文本显示器TD200、操作面板OP15是主站，S7200CPU可以是从站或主站。2网络部件（1）通信口S7200CPU上的通信口是与RS485兼容的9针D型连接器，符合欧洲标准EN50170。（2）网络连接器利用西门子提供的两种网络连接器可以把多个设备很容易的连到网络中。两种连接器都有两组螺钉端子，可以连接网络的输入和输出。一种连接器仅提供连接到CPU的接口，而另一种连接器增加了一个编程接口。两种网络连接器还有网络偏置和终端偏置的选择开关，该开关在ON位置时的内部接线图，在OFF位置时未接终端电阻。接在网络端部的连接器上的开关应放在ON位置。522计算机使用的通信接口参数的设置打开“设置PG/PC接口”对话框，“MICRO/WIN”应出现在“ACCESSPOINTOFTHEAPPLICATION应用的访问接点”列表框中。PC/PPI电缆只能选用PPI协议选择好通信协议后，单击“设置PG/PC接口”对话框中的“属性PROPERTIES”按钮，然后在弹出的窗口中设置通信参数。PC/PPI电缆的PPI参数设置如果使用PC/PPI电缆，在“设置PG/PC接口”对话框中单击“属性”按钮，就会出现PC/PPI电缆PPI的属性窗口。进行通信时，STEP7MICRO/WIN32的默认设置为多主站PPI协议。此协议允许STEP7MICRO/WIN32与其他主站TD200与操作员面板在网络中共为主站。选中PG/PC接口中PC/PPI电缆属性对话框中的“多主站网络”，即可以启动该模块，未选择时为单主站协议。S7200的网络通信协议S7200支持多种通信协议，如点对点接口PPI、多点接口MPI和PROFIBUS。它们都是基于字符的异步通信协议，带有起始位、8位数据、偶校验和1个停止位。通信帧是由起始和结束字符、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。（1）点对点接口协议PPIPPIPOINTTOPOINT是主/从协议，网络上的S7200CPU均为从站，其他CPU、SIMATIC编程器或TD200为主站。（2）多点接口协议MPIMPI是集成在西门子公司的可编程序控制器、操作员界面和编程器上的集成通信接口，用于建立小型的通信网络。最多可接32个节点，典型数据长度为64字节，最大距离100M。53S7200与MCGS嵌入式组态通讯的实现完成实时监控系统与控制系统的设计之后，就可以开始进行PLC与MCGS嵌入式组态的通讯设置，实现对自动配料系统的控制和实时监控。实现通讯的具体步骤如下1串口设置单击工程浏览器中设备，出现下拉菜单，双击COM1，弹出如图51所示画面，设置波特率为9600，数据位为8，停止位为1，通信方式为RS232。2组态PLC设置（1）单击工程浏览器中设备，选择COM1。（2）首先选择“西门子S7200系列”下的“PPI”通信方式；然后设置PLC的逻辑名称为“PLC1”或别的名称；选择串口号“COM1”，与前面的串口选择相同；最后设置PLC的地址为“2”或别的地址，但不能设置为“0”，因为主机地址为“0”。3变量设置双击左边数据词典，再双击右边的新建变量，如图52所示界面，输入变量名“开关”，输入变量类型“I/O离散”，单击“确定”开关，完成变量“开关”的设置。变量“灯”的设置与变量“开关”的设置相同。寄存器变量的设置。双击左边数据词典，再双击右边的新建变量，如图53所示界面，为记忆方便输入变量名“M1”，输入变量类型“I/O整数”，连接设备“PLC1”，寄存器选“M1”，数据类型“BYTE”，单击“确定”按钮，完成变量“M1”的设置。其他寄存器变量的设置与此类似。第六章总结本文设计的自动配料系统是将PLC与组态软件相结合的监控系统。通过PLC的控制系统可以完成料斗给料、装料的全过程。并且当系统发生故障或传送带上有重物时，系统都会自动停机；利用MCGS嵌入式组态组态软件可以实现对自动配料系统的实时监控。整个课题的设计过程主要包括了软件程序设计、监控界面的设计以及实现MCGS嵌入式组态与PLC之间的通讯。主要任务是实现自动配料系统的正常配料、监控画面的实时监控。通过整机联调验证了系统的可行性，能满足设计要求，达到了设计的指标。整个自动配料系统实现的关键是PLC与MCGS嵌入式组态的通讯，如果通讯过程不成功，则监控画面将不能实现系统的实时监控。当某一节传送带发生故障时，系统可以实现自动停机，