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溢流 染色 可编程 控制系统 硬件 配置 画面 组态

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摘 要 设计的对象为溢流式染色机的制系统的硬件配置与上位机的画面组态。溢流式染色机采用间歇式工作制，由投布、加药、升温染色、降温固色和漂洗等多道工序组成,每种染色工艺分别配有不同的温控曲线（程式）。设计主要目的是要实现用一台 PLC（可编程控制器）对多台染机进行分时控制以及多染色程式的预置与选择， 由上位机（工业 PC 机）根据需要对程式进行预制与选择并实现对印染机染色过程的监控，并最终在组态画面中绘制出印染机染液温度的历史趋势曲线。设计主要介绍了由三菱 PLC 组成的溢流式染色机计算机控制系统的硬件配置方案和由三维力控组态软件 Force Control 实现的上位机的画面组态。 关键词: 可编程控制器（PLC），溢流式染色机，组态画面 II Abstract The aim of this design is the picture configuration and hardware configuration of spilled-dye vat Control System. It works in non-continuous mode. Its technological process is composed of putting in cloth, adding dyestuff, heating dye-liquor, cooling dye-liquor and rising, and each process stage has different temperature control curve. The purposes of the design are to realize time sharing control for multi-spilled-dye vats and to implement dyeing formula presetting and choosing by using the only one PLC, the monitor computer (industrial PC) chooses different formula according to the different technological process and then use it to control the spilled-dye vat system. The design introduces the hardware configuration of the multi-spilled-dye vat control system witch is composed by MISBISH-PLC and the picture configuration of the monitor computer. Key words: PLC, hardware configuration, the picture configuration, Spilled-dye vat 目 录 第一章 前言 1 第二章 控制系统概况 2 2.1 控制系统的设计介绍 2 2.2 系统控制的要求 2 2.3 控制系统的设计要求 4 2.4 控制系统的设计思路 4 第三章 控制系统的硬件设计 5 3.1 控制系统的硬件设计概况 5 3.2 控制系统的 I/O 点数的确定 5 3.3 三菱发 FX2N 系列 PLC 及铂热电阻的选型 7 3.4 控制系统中各个变量的控制要求 14 3.5 控制系统硬件设计的总体形式 16 第四章 控制系统的画面组态 18 4.1 组态软件的介绍 18 4.2 力控 Force Control 组态软件的介绍 19 4.3 印染机的画面组态 22 4.4 联机调试 35 第五章 总结 36 参考文献 37 致 谢 38 III 溢流式染色机控制系统的硬件配置与画面组态 第一章 前 言 控制系统发展到今天，过去的现场总线、集散系统、PLC 控制系统等单一的控制系统已经很难满足现代控制系统实时性、开放性的要求。现代复杂的控制系统， 往往要融入多种控制领域的概念，上层管理软件、控制软件和下层现场设备、智能控制仪表之间要实现良好的兼容性与通信的顺畅性，这就迫切需要形成统一的国际标准。然而就现在国际工业控制领域发展形势来看，不会由哪一家的产品一统天下， 必然是各种产品共同占有市场。这就要求控制领域各种软件、硬件产品存在更多更好的兼容性，能最大化的满足其它产品的技术标准。但就自动控制领域远景来看， 国际统一标准的推出是必然的结果。 以太网是近几年来发展最快的网络之一，特别是应用在控制领域。工业以太网可以进行远程控制，同时可实现计算机对多台设备的直接控制，其系统将高速性、准确性相结合，做到了效益和效率的最大化。工业以太网控制系统越来越广泛的被应用到生产领域，促进了生产的发展。由于工业以太网与计算机及可编程控制器等工业控制器组成的控制系统采了用高速 CPU 对数据进行实时处理,而且上位机采用人性化、窗口式的操作环境的设计，同时控制系统采用先进的管理控制软件，现场设备拥有比较完善的接口和数据的采集、传送装置等，这些控制技术的改进都使得控制系统在更开放的环境里能够更实时、更高效、更准确、更安全的处理数据，比传统的计算机直接控制系统提高了一个档次。 染色机控制系统的结构目前多采用常规仪表加继电器的控制结构，系统可靠性低，人为因素大，容易造成产品成品率低、产品质量差，染色工艺得不到准确完整的执行，系统的生产成本、运行成本和维护成本居高不下等诸多弊端。计算机加PLC 的控制结构用于染色机的控制,大大的减少人为造成的不确定因素,提高了产品质量和产量。而工业通信网络的使用，不但大大提高了控制系统的通信能力和系统的运行可靠性，而且大大节省了系统安装时的布线和硬件费用，并且更容易对系统进行管理和维护。 本次设计，我们力求实现将 PLC 技术引入到染色机生产过程中以实现对生产进行自动化控制。为此，我们采用由三维力控公司开发的 Force Control 2.0 组态软件以及由菱电自动化公司生产的三菱FX2N 系列PLC 可编编程器及高速稳定的上位机来构成染色机计算机控制系统，成功地实现了染色机多程式的预置与选择的控制。 １ 第二章 控制系统概况 2.1 控制系统的设计介绍 传统的溢流式染色机的工作原理是：先将白布放到染色机中，之后根据相对应的颜色控制程式的控制要求，手工去控制冷水阀和蒸汽阀的开闭，以调节染液温度， 从而达到对布匹的染色的目的，如图所示。 图 2-1 溢流式染色机示意图 采用这种控制方法的弊端是劳动强度大，控制精度低，而且很难保证控制的要求和产品质量，会出现类似染液升温时间、降温时间不符合程式要求、不能够按照程式曲线对染液进行控制、是否与现场实际情况相匹配等问题。从工程的成本的角度进行分析，人工控制的生产成本相对于采用自动化设备的成本来说要高的多，但是效率却要低的多。本次设计主要是将可编程控制器引入到染色机生产过程控制中，工控人员只需要将布匹放入到染色机的染缸中，然后通过安装在上位机里的工控组态软件来实现对现场设备的监视与控制。 本次设计从技术角度出发，通过安装在工程现场的三菱 PLC 与安装在上位机中的工控软件来实现对染色机的模拟量输入输出、数字量输入输出的控制。从工程的经济性看，自动化系统的生产投运比手工控制节省了大量的生产成本和运营成本， 所以本次设计在染色机生产过程控制领域具有很好的应用价值。 2.2 系统控制的控制要求 ２ 2.2.1 控制系统的工作原理 流染色机是特殊形式的绳状染色机。染色时织物处于松弛状态，受张力小， 染后织物手感柔软，着色均匀，故用于高温高压条件下合成纤维织物、经编织物、弹力织物等的染色。 采用溢流式染色机对布匹染色时，染液从染槽前端多孔板底下由离心泵抽出，送到热交换器加热，再从顶端进入溢流槽。溢流槽内平行地装有两个溢流管进口，当染液充满溢流槽后，由于和染槽之间的上下液位差，染液溢入溢流管时带动织物一同进入染槽。如此往复循环，最终达到染色目的。 在生产过程中，PLC 依据斜率控制算法通过控制工程现场的蒸汽阀和冷水阀的开闭来调节染液的温度。根据实际情况，染不同颜色的布匹需要不同的程式，这就需要将多种程式预先置入 PLC 中，然后通过上位机根据需要进行程式选择，即实现了多程式预置及选择。 2.2.2 斜率控制程式的实现 斜率程式控制是一种较为简单的工业控制算法，其原理是：在特定的时间范围内，系统控制参数的变化量与时间的变化量对应成线性关系。如图所示 T 图 2-2 斜率控制算法示意图 ３ T3 K1 K2 T2 T1 K0  其中 K=δT/δt。 0 t1 t2 t3 t4 t5 t 设计要求在任意短的一段时间内，染液的温度 T 理等于染液起始温度 T 始加上当前染机已经运行时间长度 t 与当前斜率 K 之积（T 理=T 始+t*K），称此为染色机斜率程式控制。不同的控制程式应该采取不同的斜率控制算法。 本次设计过程要求温升曲线斜率大于或等于 0 时，即处于温度上升或保持段时，冷水阀一直处于关闭的状态，仅通过控制蒸汽阀的开闭来控制染液的温度。当染液实际温度比理论计算温度高时，关闭蒸汽阀和冷水阀；当染液实际温度比理论计算温度低，打开蒸汽阀，关闭冷水阀；在温控曲线斜率小于 0 时，即下降段，蒸汽阀一直处于关闭的状态，仅通过控制冷水阀的开闭来控制染液的温度。系统过程的控制参数为染液温度，通过对蒸汽阀和冷水阀的开关量的控制来达到控制要求。该控制系统采用铂电阻测量印染机染液的温度。 2.3 控制系统的设计要求 控制系统的设计要求是：用一台三菱 PLC 控制一个车间，车间内有 20 台染色机同时生产作业，由安装在上位中 的力控组态软件进行监视与控制。从单台染色机控制系统分析，控制一台染色机，应包括有 1 个模拟量输入（染液温度）、4 个数字量输出（蒸汽阀的开闭、冷水阀的开闭、染机循环泵的启停的控制、染机循环泵启停的状态）。如果同时控制 20 台染色机，就有 20 个模拟量输入、80 个数字量输出。 控制对象 （溢流式印染机） 输入模块 2.4 控制系统的设计思路 三菱 FX2N 系列PLC 的各种应用模块 上位机界面 （力控组态画面） 数据传递 输出模块 程式选择 图 2-3 控制系统方框图 本次设计的指导思想是由三菱 PLC 组成控制端，通过其通信模块与上位机进 ４ 行实时数据通讯，在上位机中安装力控 Force Control 组态软件，以此来构成由上位机集中监视控制管理、由 PLC 分散控制的控制系统，该系统由监控级和控制级组成。PLC 接受来自上位机控制指令，利用自身的输入输出模块来实现对印染机的控制。 设计中受条件所影响，我们力求实现用一台 PLC 控制 20 台染色机，因此就要求我们开发一种程序指令，使得 PLC 可以对系统进行循环扫描控制，而不是一对一的控制。我们可以应用 PLC 所专用的编程软件，编制一个命令或者程序，使得一台 PLC 在一个较小的时间段内只对一台染色机进行控制，之后跳转到下一台染色机进行控制，周而复始，依次循环进行扫描控制。考虑到印染机系统是一个滞后响应较大的系统，我们可以令每台印染机所占用的扫描周期时间为 300ms 甚至更长，这样作不会影响我们要实现的控制精度。 第三章 控制系统的硬件设计 3.1 控制系统的硬件设计概况 从本次设计的设备状况来分析，控制系统中包括以下 6 种设备：染布机、循环 泵、蒸汽阀、冷水阀、PLC 和上位机。其中染布机共 20 台，即相应的有 20 套循环泵、蒸汽阀和冷水阀，但 PLC 和上位机都分别只有 1 台。根据该设备状况，可推算出整个系统为小型的控制规模；所有的生产设备均在一个生产车间，因此采用小型集中式的控制系统，不需要采用远程 I/O。 控制过程为：铂热电阻将每台印染机染液温度测出，通过 PLC 的温度输入模块进入 PLC，根据每台染布机所处的工作阶段和程式要求，由上位机选择相应的程式， 通过 PLC 使控制程序得以执行，PLC 通过输出端向 20 套蒸汽阀和 20 套冷水阀输出开关量信号，以升高或降低染液温度，从而达到程式控制要求。其中 20 台染布机并不是同时动作，而所有控制过程都由上位机组态软件进行监控。从控制水平来看， 染布机投放前及上色结束后的操作，PLC 并不进行控制，仍由人工操作，整个系统处于半自动化水平。 根据上实际生产中的情况，输入输出的总点数可采用一台中型 PLC，其完全可以满足需要. 3.2 控制系统的I/O 点数的确定 ５ 在本次设计中，控制系统的 I/O 点数是指 PLC 能够提供的输入、输出的数字量、模拟量总和的个数，它与继电器触点个数相对应。在进行系统设计时首先要确定正常生产时需要的输入点和输出点的数字量、模拟量的总和的个数，然后再确定选用哪款 I/O 点数适当留有余量的三菱 FX2N 系列 PLC，考虑到系统的冗余结构，设计中的 I/O 点数要比实际的 I/O 点数多出 20%的用量。 在本次设计中，I/O 总点数如下：AI 点数为 20 点； DO 点数为 80 点，总计为 100 点.其中，20 点 AI 为 20 台染机染液的温度值，20 点 DO 为印染机循环泵的启停状态的输入，20 点 DO 为对 20 个蒸汽阀开闭的控制，20 点 DO 为对 20 个冷水阀开度的控制，剩下的 20 点 DO 是对 20 个循环泵的启停的控制（如下表所示）。该系统应实现的控制功能为适时的将每台染布机系统的循环泵启动或停止、蒸汽阀或冷水的阀开启或关闭。 根据工艺要求、设备状况和控制功能，可以对系统硬件设计形成一个初步的方案。但要进行详细设计，则要对系统的 I/O 点数和种类有一个精确的统计，以便确定系统的规模、机型和配置。在统计系统的 I/O 点数时，不仅要包括输入和输出、数字量和模拟量、除此之外还应该考虑在工作现场的线路中存在的各种电压、电流的大小、极性，控制设备之间的网络通信协议，采用不同的设备会产生何种不同的经济效益等等。 以下为 I/O 点的统计表： I/O 位 号名称 说明 工程单 位 量程上 限 量程下 限 量程转 换 变化率 报警 偏差报 警 I/O 类 型 TI 染色机染液温 度 摄氏度 ℃ 500 0 是 10 输入 表 3-1 模拟量 I/O 点参数表 I/O 位号名称 说明 正常状态 信号类型 逻辑极性 I/O 类型 SS 泵的运行状 态 输出 ST 泵的启停控 输出 ６ 制 FH 蒸汽阀开关 输出 FL 冷水阀开关 输出 表 3-2 数字量 I/O 点参数表 以上是一台溢流式染色机的 I/O 点数目统计表，20 台染色机采取同样的配置。 3.3 三菱FX2N 系列PLC 及铂热电阻的选型 3.3.1 FX2N 系列 PLC 的介绍 FX2N 系列 PLC 采用了三菱专为顺序控制和数学运算而开发的“三菱控制处理芯片（MSP）”，能与多种网络系统组合，用户可以灵活的选择挂件，并可以与 QnA、AnS 系列 PLC 通讯，它的不仅速度快，而且增加了 CC-link 专用指令。它内置锂电池、后备 RAM、用户存储器、实时钟和相当灵活的通信端口，使得 FX2N 系列 PLC 能够广泛的应用于各种生产场合和各种过程控制、定位控制等工程中。 FX2N 系列 PLC 为整体型 PLC，主机中包含 CPU、RAM、内部继电器、计数器、电源等功能部件。其数字输入端、数字输出端均内嵌在主机上，只有模拟输入端、模拟输出端及其它功能模块是通过插槽与主机相连的。 它的主要结构如图所示： ７ 图 3-1 FX2N 系列 PLC 的组成 3.3.2 FX2N 系列 PLC 的特点 相对于其它的 PLC 来说，它有许多特点，表现在： ★控制点数： 16-256 点（主机 16/32/48/65/80/128 点） ★灵活的配置： 除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，六 个基本 FX2N 单元中，每一个单元都可以扩充到 256 个 I/O。 ★突出的寄存器容量： FX2N 系列 PLC 包括 8K 步内置寄存器，用一个寄存器 可以扩充到 16K 步 RAM 或 EPROM。 ★丰富的元件资源： 3072 点辅助继电器，256 点计时器、235 点计数器、 800 点数据寄存器。 ★实时时钟： 使用标准信号时钟，可以满足对时间灵敏度的要求 ★较强的网络功能： 完全充足的网络模块使数据通信更易于实现。 ★高速运算： 基本指令：0.8μs/指令 应用指令：1.52-几百μs/指令。 3.3.3 FX2N 系列 PLC 的性能参数 FX2N 系列 PLC 拥有较好的性能参数，如下表： ８ 项目 规格 备注 运转控制方法 通过存储的程序周期运转 I/O 控制方法 批次处理方法 I/O 指令可以刷新 运转处理时间 基本指令：0.8μs/指令 应用指令：1.52-几百μs/指令 编程语言 逻辑梯形图和指令清单 使用步进梯形图可以生成 SCF 程序 程式容量 8000 步内置 使用附加寄存器扩展盒可扩充至 16000 步 指令数目 基本程序指令：27 步进梯形指令:2 应用指令：128 最大可达 298 条应用指令 I/O 配置 最大硬体 I/O 配置 256 点（依赖于用户选择） 辅助继电器（M 线圈） 一般 500 点 M0-M499 锁定 2572 点 M500-M3071 特殊 256 点 M8000-M8255 状态继电器（S 线圈） 一般 490 点 S0-S499 锁定 400 点 S500-S899 初始 10 点 S0-S9 信号报警器 100 点 S900-S99 定时器 100 毫秒 范围：0-3276.7 秒 200 点 T0-T199 10 毫秒 范围：0-327.67 秒 46 点 T200-T245 1 毫秒保持 型 范围：0-32.767 秒 4 点 T246-249 100 毫秒保持型 范围:0-3276.7 秒 6 点 T250-T255 计数器（C） 一般 16 位 范围：0-32767，200 点 C0-C199 锁定 16 位 100 点（子系统） C100-C199 一般 32 位 范围 35 点 -2147483648-+2147483647 C2200-C219 ９ 锁定 32 位 15 点 C220-C234 高速计数器（C） 单相 范围 ： -2147483648-+2147483647 一般规则：选择计数组合频率不大于 20KHz C235-C240 单相 C241-C245 双相 C246-C250 A/B 相 C251-C255 数据寄存器（D） 一般 200 点 D0-D199 锁定 7800 点 D200-D7999 文件寄存 器 7000 点 D1000-D7999 特殊 256 点 D8000-D8255 变址 16 点 V0-V7 ，Z0-Z7 指针（P） 用于 call 128 点 P0-P127 用于中断 6 输入点，3 定时器，6 计数 器 100-500， 嵌套层次 用于 MC 和 MRC 时 8 点 N0-N7 常数 十进制 16 位：-32768-+32768 十六进制 16 位;0000-FFFF 浮点 32 位：不能直接输入 表 3-3 FX2N 系列 PLC 的性能参数 3.3.4 FX2N 系列 PLC 温度模拟量输入模块的选型 本次设计所选择的 PLC 温度模拟量输入模块为 FX2N-4AD-PT。它的图形如下图 １０ 图 3-2 FX2N 系列PLC 温度模拟量输入组件 其特点是： ★铂金测温电阻（PT-100，3 线制），温度传感器用模拟量输入。 ★4 通道输入 ★测定单位为摄氏度或华氏温度。 ★精度为 0.2-0.3 度 ★FX2N 特殊功能模块，最多可以连接 8 台它的性能参数如下表： 项目 摄氏 华氏 根据读出指定数据地址号确定为摄氏还是华氏 输入信号 铂热电阻 3 线制 4 点（CH1，CH2，CH3，CH4） 驱动电流 1mA（恒流方式） 测定温度范围 -100-+600 度 -148F-+1112F 数字输出 -1000-+6000 -1480-11120 带符号 16 位，二进制 分辨率 0.2-0.3 度 036F-0.54F 综合精度 1 % 转换速度 15ms2 通道 隔离方式 光电隔离及用 DC/DC 转换器指令输入 模拟量用电源 DC24V 输入输出占用的点数 程序上为 8 点（计入输入或输出点均可） 表 3-4 FX2N 系列 PLC 温度模拟量输入模块的性能参数 3.3.5 FX2N 系列 PLC 的通信组件选型 本次设计选用的通信组件型号为 FX2N-232IF，用这种计算机通信组件与计算机连接时即可实现智能通信。通过 RS232 串行口不仅对通信、顺控程序、输入、输 ■ １１ 出、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器进行读写，还能对 PLC 进行远程启动或者停止控制。 它的外形如下图： 图 3-3 FX2N 系列 PLC 的通信组件图形 这个组件的特点有： ◆ 可以用作专用模块。 ◆ 可以在通信中与扩展版一起使用。 ◆ 当传输或者接受信息时，该模块可以用 16 进制数与 ASC Ⅱ码之间换算。 ◆ 用于传递信息时，可以指定 2 个或更多的起始符和结束符。 ◆ 如果接收数据长度大于接收缓冲区的长度，也可以进行数据的连续接收。 项目 规格 传输标准 与 RS232 一致 ◆ 自回送诊断测试它的技术规格如下表： １２ 最大传输距离 15 米 连接方式 9 针 LED 显示器 SD、RD、POWER 通信方式 双全工 波特率 300/600/1200/2400/4800/9600bps 通信规范 无协议 绝缘 光电隔离 占用 I/O 点数目 占用系统 8 个 I/O 点 与 PLC 的通讯 专用 FROM/TO 指令 电源（外部） 24V-DC 电源（内部） 5V-DC 可用的 PLC FX2N/FX2NC 表 3-5 FX2N 系列 PLC 通信组件的技术参数表 如果要实现 PLC 与上位机之间的通信，我们可以将 FX2N-232IF 模块通过线路连接到主机上，PLC 与上位机之间靠串口进行数据的传输。如下图： 图 3-4 FX2N 系列 PLC 与上位机之间的通信 3.3.6 铂热电阻选型 本次设计中温度模拟输入量 TI 的值需要用铂热电阻去测量，并转化成 4-20mA 或 0-5V 的标准信号，所选的热电阻类型为 STT-C 型，它的外观如图所示： １３ 图 3-8 热电阻图形 它的技术指标如下表： 名称 分度号 测温范围 精度等级 误差 铂电阻 Pt100 -200-600 度 1/3DIN （0.10+0017） Pt500 A 级 （0.15+0.002） Pt1000 B级 （0.30+0.05） 表 3-9 热电阻参数表 它的工作原理：铂电阻温度传感器是利用金属在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。 铂电阻绝缘电压：常温绝缘电阻的实验电压可取直流 10-100V 任意值，环境温度在 15-133 度范围内，相对湿度不大于 80%，常温绝缘电阻值应大于 100M 欧姆。 铂电阻允许通过的电流： 通过铂电阻的测量电流最大不应该超过 1mA。 3.4 控制系统中各个变量的控制要求 3.4.1 模拟输入-印染机染液的温度（TI） 本次设计中涉及的模拟输入量为溢流式印染机染液的温度，变量名称为 TI， 其变化范围是 0-500 摄氏度，其精度要求为小数点后一位。 工作原理是：位于现场的温度检测仪表，将印染机染缸的温度检测出来，转化为 0-10 伏的电压或 4-20 毫安的电流这一标准的电信号，然后经过导线传到 FX2N １４ 系列 PLC 的温度模拟量输入组件中（FX2N-4AD-PT），通过输入模块与主机的连接线进入主机，通过传输模块，进而传入上位机中，在由力控组成的组态控制软件中显示，并在组态软件中设置选项，绘制出印染机的温度变化历史趋势。上位机首先判断出此时系统是处在温度上升阶段还是处在温度下降阶段，进而根据组态软件绘制出的温度历史趋势，与原先设置在 PLC 中的正常生产时所应该遵守的温度曲线相对比，根据两个曲线产生的误差，决定如何单一的改变冷水阀的开关量（或如何单一的改变蒸汽阀的开关量）。 3.4.2 数字输出-印染机驱动电机的启停状态(SS) 本次设计中涉及的数字输出之一量为印染机驱动电机开启状态和停止状态，变量名称为 SS。其变化范围为开关量，即只有开、关两种状态。 工作原理是：位于现场的检测仪表，将印染机驱动电机的开启或者关闭状态检测出来，通过传输导线，传到 FX2N 系列 PLC 的输入端中，通过输入端进入 PLC，通过传输模块，进而传入上位机中，在由力控组成的组态控制软件中显示，表现为： 如果电机是开启状态，则组态画面中电机画面的颜色是绿色的，并且有电机转动的动画；如果电机是关闭状态，则组态画面中电机画面是闪动的，以提示工程控制人员开启或者检修电机。 3.4.3 数字输出-印染机蒸汽阀的开闭（FH） 本次设计中涉及的数字输出量之二为印染机蒸汽阀的开关量的控制，变量名为FH。其变化范围为阀的开度的 10%-90%。 工作原理是：位于现场的温度检测仪表，将印染机染液的温度检测出来，转化为 0-10 伏的电压或 4-20 毫安的电流这一标准的电信号，然后经过导线传到 FX2N 系列 PLC 的温度模拟量输入组件中（FX2N-4AD-PT），通过输入端与主机的连接线进入主机，通过传输模块，进而传入上位机中，在由力控组成的组态控制软件中显示， 并在组态软件中设置选项，绘制出印染机的温度变化历史趋势。上位机首先判断出此时系统是处在温度上升阶段还是处在温度下降阶段，进而根据组态软件绘制出的温度历史趋势，与原先设置在 PLC 中的正常生产时所应该遵守的温度曲线相对比， 根据两个曲线产生的误差，决定如何单一的改变冷水阀的开关量（或如何单一的改变蒸汽阀的开关量）。当上位机选好所要进行的操作后，通过传输模块把指令下载到 PLC 中，PLC 的 CUP 在做出运算后，发出控制指令，通过输出端口，在其后输出 １５ 接进步电机，通过电机的旋转从而改变阀的开度。 按照工程实际情况，蒸汽阀的开度不应小于 10%，也不应大于 90%，否则与冷水阀进行配合时会产生相互矛盾的控制信号或者使蒸汽阀和冷水阀都在较高的开度运行，这样会造成系统不稳定或者过度浪费资源。 3.4.4 数字输出-印染机冷水阀的开闭(FL) 本次设计中涉及的数字输出量之三为印染机冷水阀的开关量的控制，变量名为FL。其变化范围为冷水阀的开度的 10%-90%。 工作原理是：位于现场的温度检测仪表，将印染机染液的温度检测出来，转化为 0-10 伏的电压或 4-20 毫安的电流这一标准的电信号，然后经过导线传到 FX2N 系列 PLC 的温度模拟量输入组件中（FX2N-4AD-PT），通过输入模块与主机的连接线进入主机，通过传输模块，进而传入上位机中，在由力控组成的组态控制软件中显示，并在组态软件中设置选项，绘制出印染机的温度变化历史趋势。上位机首先判断出此时系统是处在温度上升阶段还是处在温度下降阶段，进而根据组态软件绘制出的温度历史趋势，与原先设置在 PLC 中的正常生产时所应该遵守的温度曲线相对比，根据两个曲线产生的误差，决定如何单一的改变冷水阀的开关量（或如何单一的改变蒸汽阀的开关量）。当上位机选好所要进行的操作后，通过传输模块把指令下载到 PLC 中，PLC 的 CUP 在做出运算后，发出控制指令，通过输出端口，在其后输接进步电机，通过电机的旋转从而改变阀的开度。 按照工程实际情况，冷水阀的开度不应小于 10%，也不应大于 90%，否则与蒸汽阀进行配合时会产生相互矛盾的控制信号或者使蒸汽阀和冷水阀都在较高的开度运行，这样会造成系统不稳定或者过度浪费资源。 3.4.5 数字量输出-印染机循环泵的启停控制（ST） 本次设计中涉及的数字量输出之四为印染机循环泵的开启与停止的控制,变量名为 ST。其变化范围为开关量，即只有开、关两种状态。 工作原理是：在上位机的组态画面中，有一组开关按钮，分别对应印染机循环泵的开启与停止的控制。当现场的操作人员决定要将印染机启动或者停止时，只需用鼠标按动组态画面上相应的按钮，上位机会将命令通过 PLC 的传输模块下载到PLC 中，CPU 经过运算后，向输出端发出指令，输出端连接着管理印染机循环泵电源开关的继电器，使继电器发生动作，从而实现组态软件对印染机循环泵的开启或 １６ 元 元 停止的控制。而其状态则由 SS 反馈回系统，反之亦然。 3.5 控制系统硬件设计的总体形式 3.5.1 设计中所使用的模块数量 由于本次设计选择的是整体型的 PLC，所有的数字输入端和数字输出端都内嵌到主机上，设计中使用了模拟量温度输入模块，I/O 扩展模块，通信模块。 温度模拟量输入模块的 4 通道模块，其要占用8个 I/O 端，而设计中要控制20 台染色机，考虑到控制系统的冗余特性，所使用的模块数量为 6 块。因此温度量模拟输入的 I/O 总数就是 48 点。 通信模块要占用主机 4 个数字输入端、4 个数字输出端，而所选的主机的输入端、输出端数量都为 64，控制系统所有的数字输出端数量为 80，因此就需要选择两个输出端数量为 16 的 I/O 扩展模块。 至此，设计的控制系统的模拟量输入端数目为 48 点 I/O、通信模块中输入端数目为 4 点 I/O，数字输出端数目为 84 点 I/O，总共的 I/O 点数为 136 点。控制系统所使用的硬件数量为 FX2NPLC 主机一台，I/O 扩展模块两台，通信模块一台，温度模拟量输入模块六台。所有的扩展模块都将安装在主机的扩展槽上，通过专有的线路与主机相连，从而实现数据与信号的传输。 3.5.2 硬件选型的总体形式 连接线 连接线 从整体上看，本次设计所设计的 PLC 控制段硬件的总体形式如下图所示: 三菱 FX 2N 系 连接线 连接线 连接线 列 PLC 的主 机单元 三 菱 FX2N 系 列 PLC 的 通 信 单 槽 插 的 上 面 侧 机 主 连接线 连接线 连接线 三 菱FX2N 系列 PLC 的温度模拟量输入单 三 菱 FX2N 系 列 PLC 的 I/O 扩展单元 １７ 3.5.2 硬件设计的整体形式 上 位 机 力控组态画面 本次设计的整体形式是用 PLC 作为控制的执行端，同时也是控制信号的传入与传出端，它上端接上位机，起到将信号传出上位机并下载控制指令的作用，下端接印染机，起到控制的作用，可以说是信号与指令的桥梁。整体形式可以用下边的这个图抽象的表式。 三菱 FX2N 系列 PLC 数字信号 控制指令 运行状态 运行方式 溢流式印染机 （工作现场） 第四章 控制系统的画面组态 4.1 组态软件的介绍 4.1.1 组态软件的起源 组态软件作为用户可制定功能的软件平台工具，是随着集散控制系统 （Distributed Control System, DCS）及计算机控制系统技术的日益成熟而发展起来的，是 DCS 的商品化应用促进了组态软件概念的普及。随着微处理器及个人计算机的技术的飞速发展，自动化监控设备的价格得以大幅度降低，体积也逐渐缩小， １８ 另外，计算机网络技术的发展使得监控设备之间的互连通信变得简易而行。所有的这一切都促进了监控组态软件的普及与推广，同时监控组态软件也促使自动化技术走出工业应用的狭小范围，积极向楼宇自动化、家庭自动化、农业自动化、环境监测自动化等领域渗透，加快整个社会的信息化步伐，提高自动化工程的工作效率， 减少系统的维护和升级费用。 目前自动化产品呈现智能化、小型化、网络化、PC 化、低成本化的发展趋势， 并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。这使得自动化系统的“水平”和“垂直”集成变得更加容易。监控组态软件已经成为了其中的桥梁和纽带，是自动化系统中的重要部分。在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统数据收集处理中心、远距离监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备共同构成了快速响应的控制中心。控制方案和算法一般在设备上组态并执行，也可以在 PC 上组态，然后下载到设备中执行，根据设备的具体要求而定。 4.1.2 组态软件的作用 监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下可以完成以下 6 项任 务: （1） 查看生产现场的实时数据及流程画面； （2） 自动打印各种实时/历史生产趋势画面; （3） 自由浏览各个实时/历史趋势画面; （4） 及时得到并处理各种过程报警和系统报警; （5） 在需要时，人为的干预生产过程，修改生产过程参数和状态; （6） 与管理部门的计算机联网，为管理部门提供实时生产数据 4.2 力控Force Control 组态软件的介绍 4.2.1 力控组态软件的应用原理 计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构， 构成了一个分布式的工业网络控制系统。其中设备层负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的，管理层实现对生产数据 １９ 进行管理、统计和查询。监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。 力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。 力控监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。 力控组态软件是运行在 Windows98/NT/2000/XP 操作系统上的一种监控组态软件。使用力控的用户可以方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。 力控的应用范围广泛，可用于开发石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交通、楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的工业自动化、过程控制、管理监测、工业现场监视、远程监视/远程诊断、企业管理/资源计划等系统。 它的应用结构如下图所示： ２０ 4.2.2 力控组态软件的组成 力控 Force Control 组态软件主要包括以下 5 个部分: （1） Draw，功能强大的人机界面组态工具。Draw 是集成开发环境，它使用面向对象的图形对象创建动画显示窗口。这些窗口的数据、图形显示内容可以来自过程 I/O 或者 WINDOWS 第三方应用程序。 （2） View，高可靠、快速的图形界面运行系统。View 用来运行由 Draw 创建的图形窗口，支持的画面数量不受限制，数据刷新速度快于 5 ms。 （3） DB，先进的分布式实时数据库。DB 是整个应用系统的核心，构建分布式应用系统的基础。它负责整个力控应用系统的实时数据处理、历史数据存储、数据统计处理、报警信息处理、数据服务请求处理，完成与过程的双向数据通信。DB 与 Draw 构成服务器/客户计算机模式，各个网络节点上的 DB 通过网络服务程序可以构建复杂的分布式网络应用系统，单机数据处理能力超过 1 万点，历史数据 可以保存 10 年以上；网络处理能力可超过 10 万点。 （4） Net Client 和 Net Server，高性能的网络服务程序。Net server 和 Net Client 内部采用了 TCP/IP 通信协议，它保证了用户可以充分利用 Internet 的网络资源，保 ２１ 证数据刷新速度快于 5ms，网络数据处理能力超过 10 万点。 （5） I/O Server,即 I/O 驱动程序。I/O Server 完成与各种检测、控制设备的通信，负责从过程 I/O 设备读取实时数据，同时将来自图形界面和实时数据库的命令写入 I/O 设备。DB 与 I/O Server 构成服务器/客户计算机模式。I/O Server 由很多单体程序构成，每个单体程序能够完成特定设备的通信功能。 （6） 策略编辑生成及运行程序 Strategy Builder.。它是新一代基于 PC-based 和嵌入式系统的自动化控制软件，可提供比 PLC 更为强大、更为灵活功能。 （7） Web server。它是运行在 Web 服务器上的应用软件，可以为世界各地的远程用户在台式机上用标准的浏览器实时监控生产现场。 （8） Tel Client./Tel Server。它是实用简便的远程拨号通信程序。在任何地方， 只要能拨打电话，就可以使用本地组件实现对远程现场生产过程的实时监控，唯一要的就是 MODEN 和电话线。 （9） SCOM Client/SCOM Server。它是低成本的串行通信程序。两台计算机之间，实用 RS232/422/485 接口，可实现一对一的通信；如果使用 RS485 总线，还可以实现一对多的通信方式。 4.3 印染机画面的组态 4.3.1 设计对组态画面的要求 本次设计要求仅画出一台染色机的组态画面，画面中要包括以下内容： （1）创建印染机工作的图形对象。 （2）定义图形对象中的中间变量。 （3）定义图形对象中的数据库变量。 （4）定义控制系统的 I/O 设备并且安装驱动。 （5）绘制印染机工作时的动画 （6）绘制印染机画面的历史趋势画面 ２２ 4.3.2 创建印染机图形对象 4.3.2.1 启动力控组态软件 在桌面上双击“Force Control”快捷方式，启动力控组态软件，之后出现如 下画面: 选择项目栏中的“进入组态”，即可启动力控组态程序。 4.3.2.2 力空组态软件窗口属性设置 进入组态程序画面，然后双击左侧“窗口”选项，新建一个工程，这时就弹出窗口属性项，进行窗口设置。 ２３ 4.3.2.3 创建图形对象 点击“确认”后，即可进入组态画面的绘制。在左下方的小框图选择“子图” 选项，选出要绘制的器件图。在力控中有丰富的图形制作工具，其中还包括了一些常见的设备，如：阀门、反应罐、开关等等。 选好器件后，按照工程实际中的情况，依次组成本次设计要绘制的组态画面， 绘制时要考虑到画面的美观性和各个元件的连接性。 ２４ 4.3.3 中间变量的定义 中间变量的作用域范围为整个应用程序，不限于单个窗口。一个中间变量，在所有窗口中均可引用。即在对某一窗口的控制中，对中间变量的修改将对其它引用此中间变量的窗口的控制产生影响。窗口中间变量也是一种临时变量，它没有自己的数据源。中间变量适于作为整个应用程序动作控制的全局性变量、全局引用的计算变量或用于保存临时结果。 中间变量根据数据类型的不同共有 3 种。 （1）实型中间变量：值为-2.2x10308 到 18x10308 之间的 64 位双精度浮点型中间变量。 （2）整型中间变量：值为从-2,147,283,648 到 2,147,283,648 之间的 32 位长整型中间变量。 （3）字符中间变量：长度为 32 位的字符型中间变量。 在本次设计中，需要在组态软件中定义的中间变量一共有 5 个，分别是印染液温度值 TI，循环泵的开启状态 SS,冷水阀的开闭控制 FL，蒸汽阀的开闭控制 FH， 染缸电机泵的开启停止控制 ST。 ２５ 双击“开发系统-DRAW”左栏中的“中间变量”，弹出变量定义框，输入变量名 TI，类型选择为实型，类别选择为中间变量，其它选择为默认值，选择保存即可完成对 TI 的变量定义。同理，依次定义剩余的变量 SS、FH、FL 和 ST，完成组态画面的中间变量定义。 4.3.4 系统变量的定义 值得注意的是，力控提供了一些预定义中间变量，称之为系统变量。每个系统变量均有明确的意义，可以完成特定功能。系统变量均以美元符号$开头，以与其他变量相区别开。系统变量可以在整个应用程序内各种脚本和动画连接中使用。下表是力控提供的系统变量。 系统变量名称 类型 说明 取值范围 $Cur Time 只读整型 自 1970 年 1 月 1 日至当前时刻所经历的秒 数 0-2147483674 $Date 只读字符型 当前系统日期 日期格式为 yyyy/mm/dd $Day 只读整型 当前系统日期的日 1-31 $Hour 只读整型 当前系统时间的小时 0-23 $Minute 只读整型 当前系统时间的分钟 0-59 ２６ $Month 只读整型 当前系统时间的月 1-12 $MSec 只读整型 系统最后一次启动后 所经历的毫秒数 最长可记录 49.7 天 $Second 只读整型 系统当前时间的秒时 0-59 $Time 只读字符型 当前系统时间 时间格式为 hh:mm:ss $UserLevel 只读整型 用户级别，用于限制 用户访问的权限 用户级别为 0-3 级 $UserName 只读字符型 当前用户名称 $Year 只读整型 当前年 1970-2037 4.3.5 数据库变量的定义 当要在界面上显示处理数据库中的数据时，需要使用数据库变量。一个数据库变量对应数据库中的一个点参数。数据库变量的作用域为整个应用程序。 数据库变量根据数据类型的不同共有三种。 （1）实型数据库变量：值为-2.2x10308 到 18x10308 之间的 64 位双精度浮点型数据库变量。 （2）整型数据库变量：值为从-2,147,283,648 到 2,147,283,648 之间的 32 位长整型数据库变量。 （3）字符数据库变量：长度为 32 位的字符型数据库变量。 在本次设计中，需要在组态软件中定义的数据库变量一共有 5 个，分别是印染液温度值 TI，循环泵的开启状态 SS,冷水阀的开闭控制 FL，蒸汽阀的开闭控制 FH， 染缸电机泵的开启停止控制 ST。 双击“开发系统-DRAW”左栏中的“数据库变量”，弹出变量定义框，输入变量名 TI，类型选择为实型，类别选择为中间变量，其它选择为默认值，选择保存即可完成对 TI 的变量定义。同理，依次定义剩余的变量 SS、FH、FL 和 ST，完成组态画面的变量定义。 ２７ 4.3.6 定义 I/O 设备驱动 串行通信方式是 PLC 等设备和计算机通信时使用最多的通信方式。用这种方式可以通过串行通信电缆把设备和计算机的串口相连。串行通信方式使用的标准通信协议是RS-232 协议，根据具体设备的不同，也可以使用各种转换适配器把 RS-232 方式转换为 RS-422、RS-485 方式。板卡类的设备一般直接插在计算机的扩展槽上， 通过硬件开发商提供的驱动程序或直接端口操作与设备通信。这种通信方式一般为同步通信方式，实时性好，通信可靠。 数据库是从 I/O 驱动程序中获取过程数据的，而数据库同时可以与多个 I/O 驱动程序进行通信，一个 I/O 驱动程序也可以连接一个或多个设备。本次设计所使用的是三菱 FX2N 系列 PLC，要想使其在组态软件中仿真成功，就必须定义 I/O 设备驱动。双击“开发系统-DRAW ”左栏中的“实时数据库-I/O 设备驱动”，选择 “PLC-SIMULATOR”选项，设备名定义为 FX2N，数据更新周期为 50ms，设备地址为 0，保存退出后即可完成对 I/O 设备的定义。 ２８ 4.3.7 数据库组态 力控的实时数据库系统由实时数据库、实时数据库管理器、实时数据库运行系统和应用程序等几部分组成。实时数据库是指相关数据的集合（包括组态数据、实时数据、历史数据等），以一定的组织形式存储在介质上；实时数据库管理器是管理实时数据库的软件 Db Manager 可以生成实时数据库的基础组态数据；实时数据库运行系统完成对数据库的各种操作，包括：实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。 在本次设计中，需要数据库组态的元件一共有 5 个，分别是印染液温度值 TI， 循环泵的开启状态 SS,冷水阀的开闭控制 FL，蒸汽阀的开闭控制 FH，染缸电机泵的开启停止控制 ST。在这五个量中，AI 量为 TI， DO 量为 FL、FH 、ST 和 SS。 双击“开发系统-DRAW”左栏中的“实时数据库-数据库组态”，进入到数据库组态画面-DB MAN。选择“区域 00”，准备数据库组态。 选中“模拟 I/O 点”，选择“新建”项，对印染液温度值 TI 进行组态，在选择“连接设备”时，会弹出属性框图，选择 AI 项，通道号为 0，记录后返回并保存即可完成对 TI 的数据库组态。 ２９ 同理，选中“数字 I/O”

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