基于PLC的太阳能水温控制装置软件设计

1、华南农业大学珠江学院毕业论文（设计） 基于plc的太阳能水温控制装置 （软件设计） 指导教师： 系： 信息工程系 年级专业： 提交日期： 答辩日期： 答辩委员会主席（签名）： 评阅人（签名）： 年 月 日0 摘 要太阳能是一种清洁能源，太阳能热水器在生活中越来越受欢迎，也是我国太阳能利用装置中应用最广泛、产业发展最迅速的太阳能产品。可编程控制器（plc），具有自动化程度高、实时性好、i/o口模块丰富、运行稳定、精度高、容易控制等特点，在工业自动化中经常用到。本设计是基于日本三菱公司plc(fx2n-32mr)的太阳能水温控制，设计中给出了设计方案和相对应的模块处理，有温度控制，液位控制等模块的

2、硬件设计分析方案、软件设计方案、组态联合设计方案等。采用gx developer进行软件设计，如温度液位pid算法的分析，运用组态王kingview6.55 与plc等硬件进行联合，通过组态的界面进行仿真和监控。 关键词：plc；温度控制；液位控制；pid；组态iv abstract solar energy is a clean energy,the water heater by the solar is become more and more popular in our life,it is also most widely used in our country that sola

3、r energy utilization,and the industryof develop the solar energy products is become more rapid.programmable logic contronller(plc),has the characteristics of high degree of automation,good real-time performance,i/o port module is rich,stable operation ,high precision,easy to control,often used in in

4、dustrial automation. this design is the mitsubishi co of japan basede on plc(fx2n-32mr) solar water temperature control.the design scheme is given and the corresponding processing module,temperature control,analysis scheme,sofeware design,configuration and design scheme of hardware design level cont

5、rol module.using gx developer to design sofeware,such as temperature level analysis of pid algorithm.using the kingview6.55 configuration sofeware and hareware such as plc joint,simulation and monitoring through the configuration interface.keywords: plc; temperature control; level control; pid; conf

6、iguration设计说明本毕业设计是基于plc的太阳能水温控制装置系统的设计。根据设计任务书的要求，设计对一台经济简便的小型的太阳能水温控制装置，编制可以用于本科生自动控制原理、检测技术和过程控制等课程的检测、建模或简单控制系统实验的plc梯形图测控、通信软件以及上位机的组态王显示软件。 本设计主要有两大部分，分别为硬件部分和软件部分。本人负责plc 梯形图测控和上位机的组态王软件显示。本设计的主要内容：基于plc的液位控制系统，能够控制水位容器的液位高度在某个允许的温度误差里波动并维持一开始设定的液位高度。具体内容： （1）熟悉gx developer 的操作与运用，进行梯形图的设计； （

7、2）熟悉组态王6.53 的基本要求，进行界面模型的建立； （3）组态王与plc之间的通信连接； （4）进行实验系统软件部分的调试； （5）配合硬件的整体联合调试。关键词：plc梯形图测控；组态王软件显示；gx developer；梯形图的设计目 录1 前言12 太阳能热水器介绍33 plc与组态43.1 可编程控制器（plc）简介43.1.1 plc的特点43.1.2 plc的结构43.1.3 plc的原理63.2 组态63.2.1组态简介63.2.2 组态的特点与功能73.2.3 组态的系统成员构成73.3 i/o口的分配图及其接线图74 温度控制和液位控制的软件设计104.1 gx dev

8、eloper编程软件104.1.1 gx developer的特点104.1.2 gx developer的安装114.2温度控制软件设计114.2.1温度控制的基本功能124.2.2温度控制的算法124.2.3 软件设计语言134.3 液位控制软件设计194.3.1 液位控制软件设计的基本功能194.3.2液位控制设计语言195 组态设计205.1 组态软件205.2组态王的概述205.3 组态王的特点215.4 立应用工程的步骤225.5 建立工程225.6 定义硬件设备235.7 构造数据库265.8 图形界面的设计275.9 创建动画链接295.10 运行组态306 系统调试316.1

9、 硬件调试316.2 软件调试326.3 软硬联合调试326.3.1 ad模块模拟量与数字量的转换336.3.2 pid调试347 结论36参考文献37致谢38附录39附录a 程序总体设计图39附录b 组态水温控制图42附录c 水温控制实物图431 前 言随着中国经济的快速发展，人们的生活质量在不断提升，对能源的需求越来越大。然而当前的常规能源日趋紧缺，并且价格不断攀升。太阳能作为无污染可再生能源，它的利用越来越受到重视，太阳集热工程以其独特的节能及环保优势越来越广泛地被人们所认可。太阳能热水器是我国太阳能利用装置中应用最广泛、产业发展最迅速的太阳能产品。可编逻辑程序控制器（programma

10、ble logic controller）,简称plc。在科技高度发展的工业控制上，是一种在集电路和计算机技术基础上的一种新型的控制设备。因具有可靠性高、实时性好、配置灵活、i/o 模块丰富、安装便利的特点，目前在我国已广泛地应用于自动化控制的各个领域1。可编程控制器的产生和继电器接触器控制系统有很大的关系。继电器接触器控制已经有上百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的优点。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常实用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，

11、改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。 1969年，第一台可编程控制器pdp14由美国数字设备公司（dec）制作成功，并在gm公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。plc问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，plc迅速发展。plc进入九十年代后，工业控制领域几乎全被plc占领。国外专家预言，plc技术将在工业自动化的三大支柱（plc、机器人和cac/cam）种跃居首位。我国在八十年代初才开始使用plc，目前从国外应进的plc使用较为普遍的由日本

12、omron公司c系列、三菱公司f系列、美国ge公司ge系列和德国西门子公司s系列等2。国内太阳能热水器配套的控制器一直处于研究和开发阶段，市场出现的一些太阳能热水器配套的控制的性能还不是很稳定，容易产生误操作，在温度、水位检测、控制误差大、显示器有时会出现乱码、电辅助加热装置还不能够很好的配合及太阳能利用率低等3。国外相对于国内太阳能热水器方面的研究和推广应用一直比较活跃，对热管材料、应用软件等做了比较多的技术研究，比较相对成熟的加热温度控制装备。在工业生产中经常需要高稳定度的恒温环境,传统的模拟式仪表温度控制,以简单的pid来实现,此类仪表对环境条件和控制参数较敏感,较难达到理想的波动度,即

13、使能达到要求的波动度时,也需要较长的过渡时间。常规的pid调节具有结构简单,稳定性好,可靠性高,易于工程实现等优点,其主要问题是参数整定问题,一旦整定计算好后,在整个控制过程中都是固定不变的,而在实际系统中,由于系统状态和参数等发生变化,控制过程具有大滞后、非线性、时变性,采用常规pid控制较难获得最佳的控制效果。plc为核心的温度控制系统,采用了专家智能pid控制方法,利用专家系统知识库输出修正pid参数以及改变pid控制方式。实践表明用plc实现的智能pid控制,方法简单易行、适应性好、鲁棒性强。本设计中采用三菱fx2n控制，组态王界面为控制界面；程序编写中主要的有针对plc的a/d模块所

14、采集的经过水箱温度进行判断，通过pid算法进行控制，采取太阳能加热；液位控制通过硬件不同水位的不同模拟信号进行，进行水位控制，再通过执行机器如水阀、电热棒辅助加热。组态王与plc链接，采用组态王的界面，形象的反应实际场景，通过数字字典定义，通过界面的动态数据形象的表示出来。2 太阳能热水器介绍太阳能热水器的工作原理:首先,太阳照射在真空集热管上,给集热器里边的水进行加热;接着集热器中的温度传感器t3与用户中的设定温度tn作比较,若存在偏差,就在热水箱控制,继续用电热棒加热,在通过热水箱的温度传感器t1来控制,最终达到用户的设定温度4。如图2.1系统控制原理所示。图2.1 系统控制原理注释:t1

15、:热水箱的温度传感器 t2:循环水管中的温度传感器 f1:冷水阀 f3:热水阀3 plc与组态3.1 可编程控制器（plc）简介可编程控制器（programmable logic controller,简称plc,是一种在工业环境中经常用到的数字运算操作的电子系统，是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。它具有可以编程的存储器，能在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、运动控制、计数、定时、步进控制、模/数和数/模转换和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能

16、的原则而设计。3.1.1 plc的特点plc的抗扰能力强、可靠性能高。plc主要模块都使用大规模或超大规模集成电路，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性。plc的控制能力强。plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。plc的配置灵活。plc在需要扩展中心单元的i/o口，可以随意的连接中心基本单元与扩展单元对系统进行扩展。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，如三菱公司的fx2n系列推出了不同点数的扩

17、展单元和扩展模块、不同功能的特殊模块及各种软元件5。体积小，重量轻，能耗低，以超小型plc为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.1.2 plc的结构plc由中央处理器（cpu）、存储器（memory）、输入输出（i/o）接口以及电源等组成的。这里以三菱公司ex2n系列的plc为例，如图3.1所示。 中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。它按照plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。存储器（

18、memory）有ram （random assess memory）、eprom（erasable programmable read only memory）、eeprom(electrical erasable programmable read only memory)等类型。具有存储读写的作用，存储器中的一位有两种状态：0和1，通常0代表继电器失电，1代表继电器得电。输入输出（i/o）接口是与外部控制电路联络的主要通道，采用了光电隔离、滤波等抗干扰措施，根据各种型号的输入输出接口模块，分为直流信号输入输出、交流信号输入输出；或者是数字量输入输出、模拟量输入输出6。运行开关锂电池编程电缆

19、电源指示灯/运行指示灯/电池指示灯/出错指示灯扩展端口输出灯输出端输入端输入灯 图3.1 plc的外形3.1.3 plc的原理常用的plc可以等效成三个相对独立的电路：输入部分电路、逻辑部分电路、输出部分电路7。plc采用了一种扫描技术的运行方式，plc除了正常的内部系统初始化及自诊断检查等工作外，完成一梯形图的过程可分为以下3个阶段：（1） 输入采样阶段；（2） 程序处理阶段；（3） 输出刷新结果阶段。如图3.2所示。图3.2 plc 扫描周期图3.2 组态3.2.1组态简介组态的英文叫做“configuration”,用于应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。组态最早的

20、概念出现在工业计算机控制中，如集散系统dsc组态，可编程控制器plc梯形图组态，而人机界面生成的软件就叫工控组态软件。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的hmi（人机接口软件，human machine interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的hmi的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第

21、三方编写hmi应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、scada、通讯及联网、开放数据接口、对i/o设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容8。3.2.2 组态的特点与功能组态软件是数据采集监控系统（supervisory control and data acquisition）的软件平台

22、工具，是工业应用软件的一个组成部分。它的主要特点有：延续性、可扩充性、封装性、通用性。它的主要功能有：（1） 对工控系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；（2） 处理数据报警和系统报警；（3） 提供各种数据驱动程序；（4） 各类报表的生成和打印输出；（5） 使用脚本语言提供二次开发的功能；（6） 存储历史数据并支持历史数据的查询等。3.2.3 组态的系统成员构成组态软件因为功能强大，每个功能具有一定的独立性，典型组件可以分为七大类：（1） 应用程序管理器；（2） 图形界面开发程序；（3） 图形界面运行程序；（4） 实时数据库系统组态程序；（5） 实时数据库系统运行程序；（6）

23、 i/o驱动程序；（7） 扩展可选组件9。3.3 i/o口的分配图及其接线图 输入输出端各有十六个i/o口，水箱水位高低的七个水位的七个线接入plc的输入端，同时通过外面的灯显示器水位的情况；在用户界面中，通过人为的控制水泵和控制温度的参数输入plc的输入端；在plc的输出端中，根据用户的选定和设计的要求，通过plc的输出端进行接线，表3.1为plc的输入输出的i/o端口的分配图。表3.1 plc的i/o分配图 输入端 输出端x0 给定温度实时温度转换键y0 水泵启动x1 次高水位y1 加热控制x2 第三高水位y2 报警灯x3 中间水位y3 温度显示x4 第三低水位y4 温度显示x5 次低水位

24、y5 温度显示x6 最低水位y6 温度显示x7 手动启动水泵y7 温度显示x10 手动关闭水泵y10 温度显示x11 增1y11 温度显示x12 减1y12 温度显示x13 复位y13 出错信号灯x14 增10y14 给定温度指示灯x15 减10y15 实时温度指示灯x16 自适应控制y16 水位报警指示灯x17 pid控制图3.3为plc的外部接线图。图 3.3 plc的i/o接线图4 温度控制和液位控制的软件设计4.1 gx developer编程软件 gx developer是三菱plc的编程软件。适用于q、qnu、qs、qna、ans、ana、fx等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令

25、表、sfc、 st及fb、label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写plc程序功能。 4.1.1 gx developer的特点 (1)软件的共通化gx developer能够制作q系列，qna系列，a系列(包括运动控制(scpu),fx系列的数据,能够转换成gppq,gppa格式的文档。 此外，选择fx系列的情况下，还能变换成fxgp(dos),fxgp(win)格式的文档。 (2)利用windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将excel,word等作成的说明数据进行复制、粘贴，并有效利用。 (3)程序的标准化：a.标号编程 用标号编程制作可编程

26、控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。b.功能块（以下，略称作fb） fb是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。c.宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。 (4)能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的

27、设定。(5)能够用各种方法和可编程控制器cpu连接：a.经由串行通讯口；b.经由usb；c.经由melsecnet/10(h)计算机插板；d.经由melsecnet()计算机插板；e.经由cc-link计算机插板；f.经由ethernet计算机插板；g.经由cpu计算机插板；h.经由af计算机插板。(6)丰富的调试功能：a.由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。没有必要再和可编程控制器连接；没有必要制作条使用的顺序程序；b.在帮助中有cpu错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利；

28、c.数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短10。 4.1.2 gx developer的安装 要安装这个软件，先要打开gx编程软件melsoftenvmel里的setup这个程序。这个安装程序是共通部件。并且要注意一下几点：（1）去掉文件夹名称中的中文字符。（2）先安装gx developerenvmel里的环境包。（3）打开gx developer里的setup.exe这个安装文件，开始安装，中间会要你输入id序列号，最好安装时候关闭杀毒软件，完成后再打开。 注意安装时不要选择监控模式，如果有不清楚的，就用默认的，直接点击下一步就可以了。 三菱

29、的8.52的软件有的存在这个问题，和win系统有关，可以把缺少的文件从8.26的复制到8.52的里面，这个我试过，能行。注意只复制8.52没有的就行。或者先安装好8.26的，不用卸载，直接安装8.52的也可以的。我亲自安装过的。注意最好不要用ghost的系统，因为这样的系统精简掉了很多东西，特别是用在工控方面，在安装软件或应用的时候会出现很多莫名其妙的问题。4.2温度控制软件设计按偏差的比例、积分和微分进行控制的控制方案简称为pid控制。上世纪20 年代，minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的pm控制器的设计方法，到了上世纪40年代pid控制器已在过程控制中得到了广泛的

30、应用。pid控制是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种控制方法，在工程控制中90%以上的控制回路为pid及其改进形式。近年来，人们对pid控制器的再认识和再研究的兴趣日益高涨，2000年召开的一次ifac会议上，对pid发展历史和现状进行了分析并对未来的展望，进一步使国际工业控制界对pid有了更深的认识和更高的研究热情。pid控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，在长期应用中积累了丰富的实用操作经验。在工业过程控制中，由于建立控制对象的精确数学模型比较困难，系统参数又经常发生变化，运用现代控制理论的方法往往耗费很大的人力物力资源，并且往往得不到预期的效果，所以常采用pid控制器。计算机

31、的出现使控制得到了进一步的发展，用计算机实现的pid控制，成为计算机控制中应用最为广泛的算法，它是将pid控制与计算机的逻辑判断功能结合起来，使pid控制更加灵活，从而能满足工业生产复杂的生产过程所提出的各种需求11。4.2.1温度控制的基本功能根据用户设定的温度，检测实时温度，比较两个温度，是否接近，倘若用户设定的温度高于实时温度，则plc将启动电热丝进行加热，在此加热期间，进行多次检测，直到水温与用户给定的温度相接近，就停止加热，控制水温在用户给定的范围里。4.2.2温度控制的算法模拟pid控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、参数物理意义明确、理论分析体系完整、鲁棒性好和可靠

32、性高等优点，因此在工业过程控制，尤其在可建立精确数学模型的确定性控制系统中，常规pid控制系统主要由被控对象和控制器所组成，其系统构成图如下图。图4.1 pid 控制系统结构图程序对设定值、pid控制参数、定值中断时间等进行初始化设定，并启动周期定时中断，中断（采样）时间到，则进入中断程序，进行采样滤波（求采样平均值）、量程转换，实现控制要的的控制算法12。pid控制算法利用gx-developer软件的pid指令实现。pid控制器是一种线性控制器，它是将给定值:(t)与输出值y(t)构成的偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。模拟量pid控制器的数学表达式为: 式

33、中，e(t)为控制器输入偏差信号。(t)为控制器输出信号，kp为比例常数，ti 为积分时间，td为微分时间。从pid控制器的数学模型，可以看出pid控制器由三个环节构成，分别为比例环节、积分环节和微分环节。4.2.3 软件设计语言 通过硬件中的温度采集模块，读入程序让plc有ad模块联调，通过不同环境下记录了不同数据，如图4.2所示，可知ad模块中收集的信号与数字量成线性关系，即温度与数字量成线性关系，通过计算可得出公式： 图4.2 ad 模块温度调试 (1）用户给定温度输入:用户通过五个键（复位、增1、减1、增10、减10）进行“大调小调”的方式控制，由两个数码管显示其给定的温度。由于采用的

34、是继电器型plc，不能直接采用方向开关指令（arws），该指令适应于晶体管型plc。程序如下： (2）实时采集温度:通过特殊模块fx2n-2ad对热电偶不同温度状态下不同阻值的模拟量，转化为数字量13，并存储在寄存器d501上，采集实时温度的程序如下： (3）pid调节及自动调节：pid的三个参数比例增益kp,积分时间ti和微分td的最佳值，工程上常用阶跃响应法使控制系统产生0-100%（或70%或50%）的阶跃输出,即图4.2，测量输入值变化对输出的动作特性参数无用时间即图4.3中的l和最大斜率y()即图4.3中的r来换算出pid的三个常数14。如图4.2、图4.3、表4.4所示。输出值o1

35、00%输出值（mv）时间（s）图4.2 输入特性输入变化量无用时间（l）1s时间（s）最大斜率（r）图4.3 输出特性表4.4 动作特性和3个特性比例增益（kp）%积分时间（t1）(0.1s)微分时间（td）(0.1s)仅有比例控制（p动作）（1/rl）输出值（mv）pi控制（pi动作）（0.9/rl）输出值（mv）33lpid控制（pid动作）（12/rl）输出值（mv）20l50l自动调节可以得到最佳的pid控制，用阶跃响应法自动设定重要常数（比例增益kp,积分时间ti和微分时间tn等），自动调节的方法：a.传送自动调节用的（采样时间）输出值到d中。这个自动调节用的输出值应根据输出设备在输

36、出可能最大值的50%-100%范围内选用；b.设定自动调节的采用时间、输出滤波、微分增益以及目标值等。为了正确执行自动调节，目标值的设定应保证自动调节开始时的测定位与目标值之差要大于150以上。若不能满足，则可以先设定自动调节目标值，带自动调节完成后，再次设定目标值。自动调节时的采样时间必须大于1s以上，并且要远大于输出变化的周期时间15（注意：自动调节应在系统处于稳态时进行，否则不能正确进行自动调节）。程序如下：4.3 液位控制软件设计4.3.1 液位控制软件设计的基本功能 液位分为七个位置显示，水位控制分为两种控制：自动控制和手动控制；自动控制的效果如下：当水箱内水所在的每个水位，通过外面

37、的二极管的亮暗程度来表示，同时，当水位在最低水位时，水泵会自动启动工作，直到水泵把水加到最高水位时，才能自动停止加水，即水泵处于关闭状态。手动控制效果如下：当用户根据自己的需要可以设计自己想要的水位，通过手动按钮，按水泵启动键盘，水泵就会自己启动加水，无论水位处于那个位置（最高水位限位除外），用户通过水位外部的二极管的亮暗选择自己想要的水位，再按下停止按钮，即水泵停止工作；当水位到达最高水位的时候，水泵停止加水，即水泵处于关闭状态。4.3.2液位控制设计语言 (1)水位手动控制程序: (2)水位自动控制程序: (3）液位的动态显示程序:5 组态设计5.1 组态软件组态软件在国内外已经有很多，选

38、择适合的组态软件有利于人机界面更好的适应生产的需要，下面介绍国内外的代表组态软件： （1）intouch：wonderware（万维公司)是invensys plc“生产管理”部的一个运营单位，是全球工业自动化软件的领先供应商。wonderware的intouch软件是最早进入中国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于windows3.1的intouch软件曾让我们耳目一新，并且intouch提供了丰富的图库。但是，早期的intouch软件采用dde方式与驱动程序通信，性能较差，最新的intouch7.0版已经完全基于32位的windows平台，并且提供了opc支持。 （2）citech：

39、悉雅特集团（citect）是世界领先的提供工业自动化系统、设施自动化系统、实时智能信息和新一代 mes的独立供应商。citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。citech提供了类似c语言的脚本语言进行二次开发，但与ifix不同的是，citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于c语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。 （3）wincc：西门子自动化与驱动集团(a&d）是西门子股份公司中最大的集团之一，是西门子工业领域的重要组成部分。 （4）genesis 64：美国著名独立组态软件供应商，创立于1986年。在hmi/scada产品和管理可视化开发领

40、域一直处于世界领先水平，iconics同时也是微软的金牌合作伙伴，其产品是建立在开放的工业标准之上的。2007年推出了业内首款集传统scada、3d、gis于一体的组态软件genesis 64。（5）组态王kingview：由北京亚控科技发展有限公司开发，该公司成立于1997年。1991年开始创业，1995年推出组态王1.0版本，目前在市场上广泛推广kingview6.53、kingview6.55版本，每年销量在10,000套以上，在国产软件市场中市场占有率第一。本次设计采用的就是组态王作为界面16。5.2组态王的概述组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源

41、管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于microsoft windows xp/nt/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它是用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。 组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成： (1)工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实

42、现数据词典的导入和导出等功能。 (2)工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变脸、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。 (3)运行系统是，工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。 组态王与i/o设备组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的plc、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等(如三菱plc)通过常规通讯接口(如串口方式、usb接口方式、以太网、总线、gprs等)进行数据通讯。 组态王软件与i/o设备进行通讯一般是通过调用*.dll动态库来实现的

43、，不同的设备、协议对应不同的动态库。工程开发人员无须关心复杂的动态库代码及设备通讯协议，只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的i/o设备，并通过变量的定义实现与i/o设备的关联，对用户来说既简单又方便16。5.3 组态王的特点它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态

44、软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。5.4 立应用工程的步骤 第一步，创建新工程，为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。 第二步，定义硬件设备并添加工程变量，添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和i/o变量。 第三步，制作图形画面并定义动画链接，按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。 第四步，编写命令语

45、言，通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。 第五步，进行运行系统的配置。5.5 建立工程 启动组态王6.53软件，进入工程管理器中建立一个“温度液位控制画面”的新工程，如图5.1所示。图5.1 温度液位控制画面5.6 定义硬件设备 (1)进入工程浏览器中，在左侧设备中设置硬件设备，点击com1，设备驱动下选择需要的plc类型，如图5.2所示，进行下一步操作。图5.2 编程口 (2)然后指定设备的逻辑名称为plc，如图5.3所示。 图5.3 逻辑名称 (3)选择与设备连接的串口为com1，如图5.4所示。图5.4 选择串口号 (4)设置设备地址为2，如图5.5所示。图5.5 设备地址设置

46、指南 (5)设置通讯参数，如图5.6所示。 图5.6 通讯参数 (6)设置完成，如图5.7所示。图5.7 信息总结 (7)进入工程浏览器中，在左侧设备中设置上位机组态王软件和下位机plc间的通信参数，如图5.8所示。 图5.8 通信设置5.7 构造数据库在工程浏览器数据库的数据词典里建立洗车机监控画面所需的变量，新建变量名，确定变量类型是内存离散或是i/o离散，链接设备为plc，选择对应的寄存器。需要与plc链接的变量，其类型皆为i/o离散，所选的寄存器与之前所确定的输入输出点相对应。如图5.9所示。图5.9 定义变量 各个变量建立后，可以在工程浏览器里的数据库中找到数据词典，查看所有已建立的

47、变量，如图5.10所示。图5.10 已建变量5.8 图形界面的设计 在工程浏览器文件下，选择画面，新建立一个“主界面”画面，如图5.11所示。图5.11 主界面 根据设计任务的要求，在画面中选择工具箱中的画图工具，建立水温控制监控画面。 所有指示灯的布置，整体处于画面的上方，容易观察指示灯的现实状况。打开“图库”，点击选择“”。选取用户界面所需要的按钮、图库中的指示灯、方框画图等；至于画面中上方，与硬件布置相仿。在工具箱中选“按钮”，如图5.12所示。图5.12 画图工具 点击“按钮”后在画面中画出相应的图标，输入文本标注该按钮的功能，如图5.13所示。图5.13 按钮 各个按钮均设置于画面下

48、方或边缘，与硬件整体布置相符，方便实际中的操作，如图5.14所示。图5.14 用户界面5.9 创建动画链接 在“用户界面”中的“#”显示用户的希望温度值，如图5.15所示。图5.15 给定温度动画连接 为了更好的生动表示水温控制的组态画面，水泵一启动，水流也流动，同时水位也跟着变化，如图5.16所示。图5.16 水箱水位动画连接5.10 运行组态 全部保存工程，运行并调试组态王上位机监控界面。如图5.17所示。 图5.17 运行监控画面6 系统调试6.1 硬件调试 在硬件调试中，首先，我们先检查硬件的基础元件上的问题，与仿真图相比较，检查是否出现漏线或元件，是否出现有方向接法的元件接错，硬件上

49、的标签是否贴错等问题；其次，检查是否出现短接现象，用万能表进行各个模块的检测；接着，针对各个模块进行调试，其中，我们在调试液位七个位置显示时，出现的问题是二极管全部亮后一个个暗，现象与我们预期的相反，针对电路图进行改装后，效果达到咯，但是二极管的灯比较暗，通过计算，水也是有电阻的，我们把串接在二极管的保护电阻改小，最终完成效果。最后把各个模块连接一起调试，在调试中发现排版中出现问题，与plc相连比较麻烦，进行简单的改装，最终效果。其中在液位控制中，由于plc的输入端的电流必须在5ma以上，由于通过水位来做开关，电流流失的相对比较多，导致无输入信号输入，我们把纯净水改为盐水，增加其导电性，最后调

50、试成功，图6.1为水位控制。图6.1 水位控制模块6.2 软件调试在软件调试中，首先，采取根据程序框图来检查程序各个内容，检查是否出现漏写等问题；并在gx developer中进行内在的模拟，是否与预期的达成效果；接着，把程序读入plc中，要点触的方法进行模拟，看看各个输出端口是否与之相对应；其次，在组态王中根据硬件的实际画面画好相对应的人机界面，根据界面中定义各个按钮、数字、动态效果等；最后，用plc与组态进行联调，通过组态画面来反应，是否达到预期效果，其中发现动态显示中出现问题，定义中出现错误，在程序中补了一条指令给组态王用，最终达到效果。其中，在温度采集模块中，我们采用温度探头在不同温度

51、下不同阻值的特征，我们用电桥的接线，把温度信号转化为电压信号，经过放大器，把电压信号放大与plc的ad模块相连接，图6.4为温度采集模块。在软件调试中，把当前的实时温度定为0值，通过可调电阻的调节是使得当前温度温度对应的数字量为0。图6.4 温度采集模块6.3 软硬联合调试 在软硬联合调试中，我们采取的是局部到整体的思维，首先，我们在硬件中选择一个小整体的模块接到plc,接着我们把相对应的这个小模块的程序调出来，烧下到plc中去，在与组态相连接，用组态界面和硬件按钮来控制，看看联调是否一致，是否能达到预期的按钮；其次，再并入一个模块，与上一步一直的做法，最终达到效果；最后，把整个程序烧入plc

52、，全部硬件接入plc中，调试成功。6.3.1 ad模块模拟量与数字量的转换 在硬件基础的上，通过热敏电阻在水温的不同阻值的特性，不同通过电桥转换为电压的变化量，相当于ad模块就是把电压转换为数字量。首先，先写一段程序，把ad模块与plc链接起来，并在电脑是实现实时监控，通过探头不同温度环境下，给出的多少电压与实时监控中的数字量进行对比。在调试中大概在70左右的情况下，数字量处于最大值，即出现温度最高限，通过电桥的可调电阻进行调节，增加温度的可读宽度。信号电压与plc的数字量多次的测量，即表6.1 ad模块温度调试表，可与得出信号电压与plc的数字量是成线性关系，如图6.1 ad模块温度调试图。

53、表6.1 ad模块温度调试表ad模块温度调试表次数信号电压plc的数字量次数信号电压plc的数字量100104.8897721.93386115.32106132.1420125.86117542.66530135.91118353600146.66133463.67731156.7134374.2838167.37147684.26850177.5150094.49900187.71540图6.1 ad模块温度调试图6.3.2 pid调试 硬件中，在plc中的加上了加热模块，plc中并读入程序，给定一个数字量，即给定一个电压，也相当于给定一个水温进行调试。在调试中，我们首先把探头放到一个水杯

54、中，我们先给冷水，大概是水杯的五分之一，其次，把一壶热水立刻倒入水杯中，记录此时的类阶跃响应曲线，立刻记录监控界面的数字量，大概记录几十个个数字，如图图6.2阶跃响应飞升曲线。可见硬件上能再进行进一步的联调。 图6.2阶跃响应飞升曲线由于不同环境下，不同位置等因素下，所求出来的情况不一样，即pid的三个参数比例增益kp,积分时间ti和微分td不同值，我们把温度探头固定在水中，考虑锅的平均温度，把探头与锅炉放在锅中间，程序上给定一个数字量，即先采用p调节，并记录其数据，在调试中发现，我们的加热装置过于大，达到效果的时间相对比较长，响应时间比较久，滞后性过大。其次我们采用小水量的，把探头尽量放低，通过多次的调试，记录了几百个数据，得到了下面的p调节下的飞升曲线，图6.3 p调节飞升曲线，又飞升曲线可以求出pid的三个参数比例增益kp,积分时间ti和微分td，即程序可以带入数据，采用pid来控制，通过再次的读入plc中，通过记录数据，控制的曲线如图图6.4 pid调节飞升曲线所示，虽然相比图6.3 p调节的飞升曲线，效果不是特别明显，由于