可编程控制器应用技术07PLC的组态

可编程控制器应用技术全课导航

可编程控制器基础项目一

位逻辑指令的应用项目二

功能指令的应用项目四

数字量控制系统的设计项目五

定时器与计数器指令的应用项目三

PLC的网络通信项目六

PLC的组态项目七

单部四层电梯控制系统的设计项目八项目七PLC的组态组态是指用户通过“搭积木”的方式完成软件功能，而不需要编写计算机程序。组态也叫“二次开发”，组态软件也称为“二次开发平台”。在PLC控制系统中，使用组态软件可以方便地完成控制系统或自动化设备的监视、控制和管理，从而提高生产效率和管理水平。组态王作为第一个国产工业组态软件，可方便地实现与S7-1200PLC之间的连接和通信。本项目将介绍组态王的使用方法，并带领读者学习PLC处理模拟量的方法和变频器的使用方法。项目导读知识目标技能目标掌握组态王的使用方法。掌握恒压供水系统的设计方法。素质目标关注国产组态软件，增强学生的民族认同感和自信心。理解并敬重工匠精神，在学习中努力发扬工匠精神。了解组态王的特点。了解PLC处理模拟量的方法。项目导航用组态王模拟液体混合装置任务一设计恒压供水系统任务二任务一用组态王模拟液体混合装置任务描述液体混合和搅拌是炼油、化工、制药等行业生产过程中不可或缺的工序之一，其装置如图所示。请设计一个使两种液体混合的装置，并用组态王实现液位监控和过程仿真。液体混合装置液体混合和搅拌阀门控制液体的流入和流出传感器监测液体的流量、温度、浓度搅拌电机使液体混合均匀任务实施任务分析任务描述任务描述设SB1和SB2分别为启动按钮和停止按钮，SL1、SL2、SL3分别为高、中、低液位传感器，YV1、YV2、YV3分别为液体A、液体B、混合液体阀门，YKM为搅拌电机。液体混合装置的控制要求如下。（1）按下启动按钮SB1，液体混合装置开始工作，此时YV1、YV2关闭，YV3打开。（2）20s后，YV3关闭，YV1打开，液体A流入容器。（3）当液面到达SL2时，YV1关闭，YV2打开，液体B流入容器。（4）当液面到达SL1时，YV2关闭，搅拌电机YKM开始工作。（5）6s后，YKM停止工作，YV3打开，混合液体流出。（6）当液面到达SL3时，再过3s，YV3关闭。（7）重复步骤1～步骤6，直至按下停止按钮SB2。任务实施任务分析任务描述在液体混合装置中，液位通常由液位传感器来检测。当液位超过液位传感器所在高度时，液位传感器通电；当液位低于液位传感器所在高度时，液位传感器断电。若用常开开关QS1、QS2和QS3分别模拟SL1、SL2和SL3对应的液位传感器，则当液位低于液位传感器所在高度时，QS1～QS3的状态为“0”；当液位高于液位传感器所在高度时，QS1～QS3的状态为“1”。任务分析（1）分析液体混合装置的工作过程。任务实施任务分析任务描述任务分析液体混合装置的工作过程如下:①按下SB1，YV3接通，并启动定时器T0（定时时长为20s）。②T0定时结束后，YV3断开，YV1接通，液体A流入容器。③若检测到QS2的状态为由“0”变为“1”（上升沿），则YV1断开，YV2接通，液体B流入容器。④若检测到QS1的状态为由“0”变为“1”，则YV2断开，YKM接通，启动定时器T1（定时时长为6s），开始搅拌。⑤T1定时结束后，YKM断开，YV3接通，混合液体流出。⑥若检测到QS3的状态由“1”变为“0”（下降沿），则启动定时器T2（定时时长为3s）。⑦T2定时结束后，YV3关闭。⑧T2定时结束后，若检测到SB2的状态为“0”，则重复步骤①～⑦；若检测到SB2的状态为“1”，则液体混合装置停止工作。任务实施任务分析任务描述任务分析（2）根据液体混合装置的工作过程，填写I/O地址分配表。（3）根据I/O地址分配表，绘制PLC的硬件接线图，并完成接线。（4）根据工作过程和I/O地址分配表，设计梯形图程序。（5）将梯形图程序下载到PLC中，根据液体混合装置的工作过程，按照顺序改变QS1～QS3的状态，查看YV1、YV2、YV3和YKM的状态，并分析程序执行结果是否符合控制要求。（6）用组态王软件设计监控界面，并与PLC连接，观察监控界面结果与程序执行结果是否一致。任务实施任务分析任务描述预备知识一、组态软件介绍组态软件（又称组态监控系统软件）是一种位于自动控制系统监控层的软件平台和开发环境，可以实现对自动化过程和装备的监控。它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化或表格化等更易于理解的方式进行显示，同时将重要的信息以各种手段传送给相关人员，对信息进行必要的分析、处理和存储，并发出控制指令等。一、组态软件介绍组态软件通常具有以下性能：（1）强大的界面显示组态功能。组态软件通常具有丰富的图形控件和工况图库，可以为用户提供所需要的组件，又可以作为制作界面的向导。（2）良好的开放性。组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。组态软件向上能与管理层通信，向下能与低层的数据采集设备通信，实现上位机与下位机的双向通信。（3）丰富的功能模块。组态软件提供了丰富的控制功能库，可以满足用户的测控要求和现场要求，还可以利用各种功能模块，实现历史曲线和实时曲线的显示、报警提醒、实时监控和功能报表的生成等。（4）强大的数据库。组态软件具有实时数据库，可以存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。（5）先进的仿真功能。组态软件的仿真功能可以使系统进行并行设计，从而缩短开发周期。一、组态软件介绍S7-1200PLC常用的组态软件WinCCMCGS组态王组态王是我国自主开发的一款PLC组态软件，应用广泛。本任务将以组态王为例介绍组态软件的使用方法。二、组态王开发入门组态王是北京亚控科技公司在1995年开发的中国第一款商品化组态软件，填补了国内组态软件的空白。组态王具有功能齐全、简单、易学、易用等特点，广泛应用于电力、机械、市政、能源、环保、医药等行业，涉及如低压配电、起重机械、真空炉、换热站、风机发电、吹灰除尘、制药冻干机等上百种设备监控。通过组态王，用户可以方便地创建和修改控制系统的人机界面，实现对各种设备的实时监控和数据采集。同时，组态王还提供了丰富的工作界面和图形元素，使用户可以轻松地实现数据可视化、报警提示、历史数据查询等功能。

点击此处播放微课组态王开发入门二、组态王开发入门本任务以常用的组态王6.6SP4版本为例介绍组态王的安装和使用方法（见教材）。任务实施一、I/O地址分配根据工作过程分析，液体混合装置的I/O地址分配表如表所示。输入输出元件I/O地址备注元件I/O地址备注SB1I0.0启动按钮YV1Q0.0液体A阀门QS1I0.1高液位传感器YV2Q0.1液体B阀门QS2I0.2中液位传感器YV3Q0.2混合液体阀门QS3I0.3低液位传感器YKMQ0.3搅拌电机SB2I0.4停止按钮

液体混合装置的I/O地址分配表任务实施任务分析任务描述二、硬件接线根据下表绘制PLC的硬件接线图（见下图），并根据接线图完成接线。PLC的硬件接线图任务实施任务分析任务描述输入输出元件I/O地址备注元件I/O地址备注SB1I0.0启动按钮YV1Q0.0液体A阀门QS1I0.1高液位传感器YV2Q0.1液体B阀门QS2I0.2中液位传感器YV3Q0.2混合液体阀门QS3I0.3低液位传感器YKMQ0.3搅拌电机SB2I0.4停止按钮

液体混合装置的I/O地址分配表三、程序设计与仿真根据工作过程和I/O地址分配表，绘制液体混合装置的顺序功能图（见下图）。液体混合装置的顺序功能图任务实施任务分析任务描述三、程序设计与仿真转换后的部分梯形图程序如图所示（M10.0为首次扫描）。液体混合装置的部分梯形图程序任务实施任务分析任务描述三、程序设计与仿真液体混合装置的程序设计与仿真步骤见教材。任务实施任务分析任务描述四、组态界面设计1．新建工程2．设置组态画面3．组态王与PLC之间建立通信4．在组态王中定义变量5．连接变量并调试以上具体步骤见教材。任务实施任务分析任务描述乘风破浪20世纪80年代开始，组态软件逐渐获得自动化工程师的青睐，成为他们开发生产监控系统的常用工具。然而，在当时，国内市场上几乎找不到自主知识产权的组态软件产品，几乎被国外产品所垄断。1995年，北京亚控科技自主研发的“组态王”横空出世，成功填补了国产组态软件的空白。到了2000年，组态王软件在中国的中低端市场已拥有了近60%的占有率，显示出国产组态软件在国内市场上的竞争力。2018年，美国ARC咨询报告数据显示，北京亚控科技的SCADA软件在国内的市场占有率首次超过国际品牌，排名第一。这表明北京亚控科技在组态软件领域的影响力日益增强，国产软件在技术实力和市场份额方面也在逐步赶超国际品牌。此外，常用的组态软件还有三维力控的forcecontrol系列。forcecontrol系列软件采用国际上最先进的数据库、界面、数据采集三者分离结构，可实现多进程处理。课堂小结用组态王模拟液体混合装置组态软件介绍组态王开发入门任务二设计恒压供水系统任务描述请设计恒压供水系统，并用PLC控制变频器的运行频率，从而使水压恒定，其逻辑框图如图所示。恒压供水系统的逻辑框图任务实施任务分析任务描述恒压供水系统的控制要求如下:任务描述（1）该系统中有两台水泵。当系统开始工作时，如果水压低于设定值，将启动一台水泵，并控制变频器的运行频率，使其逐渐上升，从而使水压上升。（2）当管网压力升至设定值时，水泵保持当前运行状态，保持水压恒定在设定值。（3）当该水泵运行频率上升到电网工频，水压还未达到设定值时，系统自动将该水泵切换至工频运行，同时解除变频器运行信号，然后另一台水泵变频启动。任务实施任务分析任务描述设启动按钮为SB1，停止按钮为SB2，一号水泵的变频和工频分别为KM1和KM2，二号水泵的变频和工频分别为KM3和KM4，则恒压供水系统的工作过程如下。①按下启动按钮SB1，一号水泵KM1接通，水泵的转速随变频器输出频率的上升而逐渐加快。②当变频器的频率达到50Hz（电网工频）且检测到压力传感器的值未达到设定值时，启动定时器T0（定时时长为30s）。③定时结束后，KM2和KM3接通，KM1断开，一号水泵的转速不变，二号水泵的转速随变频器输出频率的上升而逐渐升高，直至压力传感器检测到的值达到设定值。任务分析（1）在恒压供水系统中，通过比较实际水压与设定水压的值，控制两台水泵的工作状态，实际水压通常用压力传感器检测，该检测量通常为模拟量。任务实施任务分析任务描述任务分析（2）根据恒压供水系统的工作过程，填写I/O地址分配表。（3）根据I/O地址分配表，绘制PLC的硬件接线图，并完成接线。（4）根据工作过程和I/O地址分配表，设计梯形图程序。（5）按下启动按钮后，比较压力传感器的输入值和设定值，观察变频器的工作状态和电机的转速。本任务中，主要依据压力传感器给定的模拟量输入值与设定值进行比较，确定水泵是由变频向工频切换还是由工频向变频切换。任务实施任务分析任务描述预备知识一、PLC处理模拟量在自动化生产过程中，存在着大量的模拟量信号，如压力、温度、速度和液位等。为了实现自动控制，这些模拟量信号都需要用PLC进行处理。S7-1200PLC处理模拟量时，需要先将模拟量输入值规范化为由0.0到1.0的实数（浮点）值，再按比例放到测量范围中，转为具有工程单位的量。S7-1200PLC提供了NORM_X指令和SCALE_X指令，用于完成模拟量的转换。一、PLC处理模拟量1．NORM_X指令NORM_X指令的指令符号NORM_X指令（标准化指令）的功能是将模拟量输入值转换为[0.0，1.0]的实数值，指令符号如图所示。在NORM_X指令中，使用参数MIN和MAX定义VALUE的范围，将VALUE中的值通过计算按一定的比例缩放，使得输出OUT中的值为[0.0，1.0]。NORM_X指令的计算公式为一、PLC处理模拟量2．SCALE_X指令SCALE_X指令（缩放指令）通过将输入VALUE的值从[0.0，1.0]范围映射到指定的值范围进行缩放，它是NORM_X指令的逆操作，其指令符号如图所示。当执行SCALE_X指令时，输入VALUE的浮点值会根据参数MIN和MAX定义的值范围进行缩放。缩放结果是整数，并存储在输出OUT中。SCALE_X指令的指令符号二、PID控制指令S7-1200PLC的PID控制功能PID指令块定义了控制系统的控制算法循环中断块按一定周期执行控制算法工艺对象定义输入/输出、调试和监控等参数二、PID控制指令CompactPID指令集PID_Compact集成了调节功能的通用PID控制器用于控制工艺过程，通常通过模拟信号的输入和输出来实现控制功能PID_3Step集成了阀门调节功能的PID控制器用于控制电机驱动的设备，如需要通过离散信号实现打开和关闭动作的阀门PID_Temp温度PID控制器是专为温度控制而设计的，它提供了具有集成调节功能的连续PID控制二、PID控制指令CompactPID指令集中最常用的是PID_Compact指令，其指令符号如图所示。PID_Compact指令的指令符号二、PID控制指令PID_Compact指令不仅能抗积分饱和，还能对比例环节和积分环节进行加权运算。PID_Compact指令的输入/输出引脚功能如表所示。引脚数据类型功能SetpointReal自动模式下的设定值InputRealPID控制器的反馈值（工程量）Input_PERIntPID控制器的反馈值（模拟量）DisturbanceReal扰动变量或预控制值ManualEnableBool上升沿时，激活“手动模式”下降沿时，激活由Mode指定的工作模式ManualValueReal手动模式下的输出值ErrorAckBool上升沿时将复位ErrorBits和WarningResetBool重新启动控制器PID_Compact指令的输入/输出引脚功能二、PID控制指令引脚数据类型功能ModeActivateBool上升沿时将切换到保存在Mode参数中的工作模式ModeInt指定PID_Compact将转换的工作模式，具体如下

Mode

=

0：未激活；Mode

=

1：预调节；Mode

=

2：精确调节；Mode

=

3：自动模式；Mode

=

4：手动模式ScaledInputReal标定的过程值OutputRealReal形式的输出值Output_PERInt模拟量输出值PID_Compact指令的输入/输出引脚功能(续表)PID_Compact指令不仅能抗积分饱和，还能对比例环节和积分环节进行加权运算。PID_Compact指令的输入/输出引脚功能如表所示。二、PID控制指令PID_Compact指令的输入/输出引脚功能引脚数据类型功能Output_PWMBool脉宽调制输出值SetpointLimit_HBool当其值为1时，说明已达到设定值的绝对上限SetpointLimit_LBool当其值为1时，说明已达到设定值的绝对下限InputWarning_HBool当其值为1时，说明过程值达到或超出警告上限InputWarning_LBool当其值为1时，说明过程值达到或低于警告下限StateInt显示了PID控制器的当前工作模式，具体如下State

=

0：未激活；State

=

1：预调节；State

=

2：精确调节；State

=

3：自动模式；State

=

4：手动模式；State

=

5：带错误监视的替代输出值ErrorBool当其值为1时，表示周期内错误消息未解决ErrorBitsDWord错误消息代码(续表)PID_Compact指令不仅能抗积分饱和，还能对比例环节和积分环节进行加权运算。PID_Compact指令的输入/输出引脚功能如表所示。三、变频器变频器控制原理的示例框图变频器（VFD），也称为变频驱动器或驱动控制器，是一种可调速驱动系统中的主要器件。变频器应用变频驱动技术来改变交流电机工作电压的频率和幅度，用于控制交流电机的速度及转矩。在工业控制中，常采用PLC与变频器对异步电机进行控制，变频器控制原理的示例框图如图所示。三、变频器常见的西门子变频器MicroMasterMM4系列SINAMICSG120系列SINAMICSG120系列变频器因其简洁的操作面板、良好的控制性能、优化的集成保护和强大的通信功能而得到了广泛的应用。任务实施一、I/O地址分配根据工作过程分析，恒压供水系统的I/O地址分配表如表所示。输入输出元件I/O地址备注元件I/O地址备注SB1I0.0启动按钮KM1Q0.0一号水泵变频SB2I0.1停止按钮KM2Q0.1一号水泵工频压力传感器IW96模拟量输入KM3Q0.2二号水泵变频

KM4Q0.3二号水泵工频

PID输出QW96模拟量输出恒压供水系统的I/O地址分配表

点击此处播放微课设计恒压供水系统任务实施任务分析任务描述二、硬件接线根据下表绘制PLC的硬件接线图（见下图），并根据接线图完成接线。PLC的硬件接线图输入输出元件I/O地址备注元件I/O地址备注SB1I0.0启动按钮KM1Q0.0一号水泵变频SB2I0.1停止按钮KM2Q0.1一号水泵工频压力传感器IW96模拟量输入KM3Q0.2二号水泵变频

KM4Q0.3二号水泵工频

PID输出QW96模拟量输出恒压供水系统的I/O地址分配表任务实施任务分析任务描述提示

模拟量输入、输出信号与模拟量输入、输出模块相连，变频器通过PROFINET与PLC相连。三、程序设计与仿真本任务中需要将模拟信号输入到PLC中，故需要添加模拟信号模块。1．添加模拟信号模块创建新项目并添加控制器后，在设备视图右侧的“硬件目录”中，选择“AI/AQ”→“AI4×13BIT/AQ2×14BIT”→“6ES7234-4HE32-0XB0”选项，并拖拽至CPU右侧位置，添加模拟信号模块，如图所示。添加模拟信号模块任务实施任务分析任务描述三、程序设计与仿真2．连接PLC与变频器PLC通过PROFINET控制G120变频器，再由