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1、基于PLC+组态王的温度监控系统设计 摘要：在工业生产自动控制中，为了生产安全以及保证产品质量，对于温度、压力、流量、速度等一些重要的被控参数需要进行自动检测，并根据检测结果进行相应的控制。在自动监控系统中通常设有被控参数的上下限检测、报警及自动处理系统，以提醒操作人员采取必要的紧急措施。由于温度是工业生产中主要的被控参数之一，本课题选择对温度进行采集来探究自动监控系统。PLC结构简单，编程方便，可靠性高，且对使用环境适应性极强，广泛用于工业生产自动控制中。同时，PLC具有特殊功能模块，可以对采集输入的模拟量进行分析和处理。因此本课题使用PLC中的EM231模块对采集的信息进行A/D转换，转换
2、后的信息传入PLC的CPU中，再使用计算机做上位机进行信息处理，在计算机中使用组态王与PLC之间通过通信线路实现信息的交换和对传送来的温度进行监测。本课题以一个基于组态王的PLC温度监控系统为例，来研究PLC在模拟量信号监测系统中的应用问题。关键词：PLC；组态王；温度监控系统；EM231Abstract:In order to guarantee the security of the production process and the quality of the production during the industrial automatic control, various vi
3、tal controlled parameters should be detected automatically, such as temperature, pressure, flux and speed. And corresponding measures should be took according to the result of detection. To paying attention to the operation staff to do some emergency measures, warning systems, auto-processing system
4、s, the ceiling of the controlled parameters, and the lower limit of the controlled parameters usually be carried in a monitoring system. Considering temperature is an important parameter during the production process, this project choose the data collection of temperature to explore the automatic mo
5、nitoring system. The Programmable Logic Controller have the simple structure, convenient programming, highly reliability, and great adaptive faculty of working conditions. Moreover, it is widely used in the industrial automatic control. In addition, PLC have functional module, it can analysis and ha
6、ndle the collected manipulation data, so this project use the EM231 module of PLC to realize the a/d conversion of the collected data and send the result of a/d conversion to the CPU of PLC. This project choose a computer to handle information processing as a upper monitor. In order to monitor the t
7、emperature, the exchange and transfer of information are realized by the telecommunication line between the Kingview Software in the computer and PLC. This project take a PLC temperature monitoring system which is based on Kingview Software for an example, to exploring the application problem of PLC
8、 in the analog quantity signal monitoring system.Key words:PLC; Kingview Software; temperature monitoring system; EM231目录第一章 绪 论31.1 PLC及组态王介绍31.1.1 PLC简单概述31.1.2组态王6.53系统介绍71.2 监控任务81.3 研究目的和意义81.4 方案设计8第二章 温度监控实况92.1温度监控实际情况描述92.2 结合温度控制情况画出模拟图9第三章 可编程控制器程序设计93.1可编程控制器I/O端口分配93.2 输入/输出接线列表93.3程序梯形
9、图及指令语句表103.3.1梯形图程序103.3.2梯形图所对应的语句表11第四章 温度监控的组态控制过程124.1工程的建立和变量定义124.1.1 工程的建立124.1.2 变量的定义124.1.3 设备与变量连接134.2画面建立144.2.1工程画面建立144.2.2动画组态图制作154.3 温度控制的动画连接 164.4 组态运行174.4.1 进入运行界面174.4.2 启动运行174.5 PLC通信及其端口连线18 4.6 PLC于step7通信类型及其设置18第五章 总结19参考文献20第一章 绪 论1.1 PLC及组态王介绍工业自动化通用组态软件一组态王软件系统与最终工程人员
10、使用的具体的PLC或现场部件无关。对于不同的硬件设施，只需为组态王配置相应的通讯驱动程序即可。组态王支持的硬件设备包括：可编程控制器(PLC)、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等等。PLC以卓越的可靠性和方便的可编程性广泛应用于工业控制领域。实现PC机和PLC通讯的目的是为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表显示、窗口技术等多种功能，为PLC提供良好的人机界面。本课题采用西门子公司的S7200系列的可编程控制器，及上位工控机组成控制系统。上位机监控软件采用北京亚控科技发展有限公司的653“组态王”组态软件，实现对温度监控及数据处理。1.1.1 PLC简单概述（一）什么是PLC
11、可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易与个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们习惯地用PLC来作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器作为核心的数字运算操作电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数以及算术运算等操作指令，并通过数字式以及模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械生产过程。可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程可分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出三个阶段。PLC是微机技术与传统继电接触控制技术互相结合的产物，它克服了
12、继电接触控制系统之中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作和维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不涉及专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图作为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的程序的编制工作，就可方便地将PLC应用于生产实践。（二）PLC的结构及各部分PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展接口和外部设备接口等等几
13、个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如下图所示：（三）PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按照控制要求编制好并存储于用户存储器中的程序，按指令步序号或地址号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条按顺序执行用户程序，直至程序结束。然后再重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号采样以及对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期经过输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。PLC输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将暂存在输入锁存器中的输入端子通断状态或输入数据读入，并写入各对应的输入
14、状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序来扫描执行每条指令，执行的结果写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中的所有的内容也随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器通断状态在输出刷新阶段传送至输出锁存器中，并通过相应的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。（四）PLC扩展模块EM231介绍（1）EM231配置参数描述T换算结果(输出值)V模拟量值(输入值)Tmax换算输出值的高限 (换算输出高限)Tmin换算输出值的低限 (换算输出低限)Vmax换算输入值的高限 (换算输入高限
15、)Vmin换算输入值的低限 (换算输入低限)（2）公式以下公式由计算换算值的图表中得出: T= (Tmax - Tmin) / (Vmax - Vmin) * (V - Vmin) + Tmin（3）Step7中比例换算编程 1）将寄存器VW0中的数据进行双整数转换2）将寄存器AC0中的数据进行实数转换3）将寄存器ACO中的数据与Vmin做减法运算，将差放入AC0中4）将寄存器ACO中数据与Vmax-Vmin的差做除法运算，将商放入ACO中5）将Tmax-Tmin的差放入AC1中6）将寄存器AC1中的数据与寄存器AC0中的数据做乘法，把乘积放入ACO中7）将比例转换后的值与温度最小值相加得到温
16、度实数，放入寄存器VD1081.1.2 组态王6.5系统介绍（一）什么是组态王组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台而构成的集成系统以取代传统的封闭式系统。（二）组态王6.53特点及工作原理1.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和控制，而且在自动控制系统中完成了上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统的要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件
17、也为操作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，它能充分利用图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示来控制设备的状态，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以及灵活的组态方式、数据链接功能。 2.使用组态王控制系统实验仿真的基本方法步骤： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试 3.组态王软件开发几个特点: (1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可以完成自动控制系统课程的实验,从而减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简
18、单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后中系统的特性曲线,能很直观地显示系统的实时趋势曲线,这些交互能力使其在自动控制系统中发挥理想的效果。 4.采用组态王开发系统编写应用程序过程中要考虑到的三个方面:(1)图形,是用抽象的图形画面模拟实际的工业现场和相对的工控设备。 (2)数据,即创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量数据描述工控对象的各种属性。 (3)连接,就是画面上的图素以动画来模拟现场设备的运行,以及让操作者输入控制设备的指令。1.2 监控任务使用S7-200作为下位机对发电机组进行温度检测，将所监测到的模拟量进行A/D转换后
19、将数字量信息与上位机PC机进行数据交换达到温度监控目的。当温度达到上限时报警；温度达到上上限，发送停机命令。 1.3 研究目的和意义基于PLC的多层分布式监控结构是适用于中小型发电厂和变电站的低成本、高可靠性的监控系统方案系统具有以下优点：分散控制、集中管理； 灵活性和可扩性好； 较强的数据通信能力；分层分布式监控系统各层分工明确，现地监控单元模块化设计，每个单元模块都有独立的CPU，一个模块出现故障不影响其他模块的正常工作，提高了可靠性，且便于维护； 分层分布式系统信号就近处理，抗干扰能力强。所设计的监控系统已在多个中小型水电厂和变电站可靠运行。本次课程设计以分层分布式系统中的温度监测系统为
20、例，进行设计；1.4 方案设计采用计算机和西门子S7-200PLC，在计算机上使用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6编译调试温度控制程序，启动PLC写入程序，经过运行后，输出报警、电机停机控制信号。关闭V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6，建立组态王与PLC的通信，建立人机界面，实现温度监控。 可编程控制器的特点：编程简单，维修方便；联机自动就地工作；由上位机通过串口向下位机传送设定配方参数来实现温度监控。 第二章 温度监控实况2.1温度监控实际情况描述 对发电机组进行温度监测，当温度上升到70C时发出报警信号，当温度到90C时发送停机信号。 2.2 结合温度控制情况
21、画出模拟图温度监控模拟图第三章 可编程控制器程序设计3.1可编程控制器I/O端口分配根据对温度监控系统控制要求分析，输入温度信号；输出有高温报警、超高温停机两种信号。该系统所需的输入点个数为1，全部是模拟量,输出点个数为2。3.2.输入/输出接线列表输入温度模拟量AIW0.0输出报警停机QO.0Q0.1模拟显示V1083.3程序梯形图及指令语句表3.3.1梯形图程序根据对温度控制要求以及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行控制程序的设计，其梯形图如图所示。图中当PLC程序运行时，SM0.0默认就是闭合状态。3.3.2梯形图所对应的语句表第四章 温度监控的组态控制过程4.1 工程的建
22、立和变量定义4.1.1 工程的建立(1) 单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，将默认的工程名改为：“温度监控”。(2) 点击”保存”按钮,将文件保存,工程创建完成。4.1.2 变量的定义首先对系统中的各个变量进行定义。各变量定义如下：变量寄存器变量类型初始值变量名Q0.OI/O离散0温度1Q0.1I/O离散0温度2V108I/O实数0温度3如图4.1.3 设备与变量连接(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”图示，打开“设备工具箱”。 (3)单击“设备工具箱”中“设备管理”按钮，弹出设备管理窗口。 (4)在可选设备列表中，双击“串口
23、通讯父设备”。 (5)双击“串口通讯父设备”，在下方出现串口的通讯父设备图标。 (6)双击串口通讯父设备图标，将“串口通讯父设备”添加到右侧的选定设备列表中。 (7)单击确认并保存。 (8)在工作台“设备窗口”双击“设备窗口”图标进入。设备被添加到设备组态窗口中。 (9)再用同样的方法将设备列表中的“PLC设备”下的“西门子”加入到“COM2”目录下。(10)双击“COM2”，进入串口通讯父设备属性设置窗口。设置内部的属性完成后单击确认，完成内部属性设置。(11)双击“温度控制”，进入西门子S7-200设备属性设置窗口。设置内部属性完成之后单击确认，完成内部属性设置。如图：4.2画面建立4.2
24、.1工程画面建立(1)在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“温度控制”。(2)选中“温度控制”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。 (3)窗口位置选中“最大化显示”、“固定边”，窗口背景色为默认，其他不变，单击“确定”。 (4)窗口位置选中“顶部工具条”，窗口边界选择“固定边”，单击“确认”。 (5)在“用户窗口”中，选中“窗口属性”，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窗口。4.2.2动画组态图制作(1)选中“控制窗口”的窗口标题，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。(2)单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。选
25、择“工具箱”内的“圆形”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口中拖拽鼠标，拉出2个圆形。如图(3)选择“图库”内的“仪表”按钮，鼠标的光标呈“直角”形装，在窗口中拖拽点击背景，点出一个仪表。双击仪表图标，在里面设置三种显示范围。0到70为绿色，70到90为黄色，90到100为红色。 (4)选择“工具箱”，点击“按钮”，如图，对该图标点击右键，选择“字符串替换”，将“文本”改为“退出”，此改动仅为提示作用，无其他任何功能。设置命令语言exit(0)； (5)选择“工具箱”内的“文本”按钮，在画面中写入文本提示，文本也用作其他作用，例如做模拟输出来实现温度的数字显示。如图：最后制作完成效果如下：4.
26、3 温度控制的动画连接（1）警报灯的动画连接(1)圆形，弹出“填充属性设置”窗口。 (2)单击“动画连接”选项卡，进入该页。(3)勾选“填充”，出现下图。设置好填充颜色对应值。点击确定即可。（2）文本的的动画连接如图，图中实际有2个文本图标，分别为“温度数字显示：”和“#”，其中“温度数字显示：”起注释作用。而“#”起显示作用，我们只对“#”设置动画连接，双击该图标，在画面属性中勾选“模拟值输出”，在表达式中输入“本站点温度3”。4.4 组态运行4.4.1 进入运行界面进入运行界面，温度监控处于待运行状态，初始温度显示#。4.4.2 启动运行：点击文件，切换到view，打开画面，选定“温度控制
27、”，等待工程运行，点击启动，开始运行后，如下图截图所示：4.5 PLC通信及其端口连线关于组态王的通讯端口设置在4.1.3已经给出详细截图，这里就只说明PC机和PLC实体机如何实现通讯。（1） 将PC机上的COM2端口线接到PLC实体机的port1端口。（2） 在PC机上运行V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6,在本软件中编译已写好的程序，编译结果完全无误后，对PLC的CPU的类型进行选择（如图），本次实验所用的PLC实体机CPU类型为CPU226 CN 。选择完CPU类型后，点击“通信”按钮，出现画面，如图，之后点击蓝色图标，读取PLC实体机。读取成功后，在“文件”选项中下载PL
28、C程序到PLC实体机中。此时点击工具栏中，在PLC实体机中运行下载好的程序。注意：在下载完程序到PLC实体机之后一定要关闭V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6,否则STEP 7会占用唯一的通信通道，导致在调试组态王和PC的通信时，一直出现通信失败。4.6 PLC与step7通信类型及其设置（1） PC/PPI电缆该电缆仅能实现PPI通讯类型，可以实现RS232转RS485的总线类型转换。设置PG/PC口如图，选择PPI（2） 万能编程电缆（PC Adapter）该电缆仅能实现MPI和profibus DP通讯类型，可以实现USB转COM口，设置PG/PC口如上图，选择PC Adap
29、ter PPI。第五章 总 结在这次的课程设计中，由于我们之前的计算机综合设计时学习过组态王制作和调试工作。使用组态王建立人机界面，实现了对数据的监视，使用PLC对现场设备运行信号的采集，运行控制和运行监视。由于本课题所需变量不多，所以在定义变量这块还比较轻松。所以本次设计着重做的工作主要是做组态王和PLC中的通讯。通过这次组态软件与PLC的课程设计，我们掌握了通过PLC与PC机之间的多种通讯方式，如：PPI/PC电缆，CP5611通讯卡，万能编程电缆。还有组态王与PLC之前的通讯方式，如：Profibus 2 DP，PPI，USB等各种端口驱动。实现现场信息采集、控制。本次的课程设计，虽然没
30、有完成s7-300的实物连接，但是我们还是在理论上了解了一些S7-300与S7-200的通讯。了解到了分层分布式PLC通讯网络。本次设计虽然遇到许多问题，不过大家的团结合作还是解决了这些问题，让我们懂的团队合作的重要性。由于我们小组知识的局限性，设计选择了一些相对肤浅的设计理论，设计略显不足。以后我们会在PLC和组态软件这方面加强学习。感谢刘老师和学长们对我们的帮助！参考文献1 熊伟 工控组态软件及应用 2012年02月 中国电力出版社2 王东署 S7-200PLC基础及应用2013年02月 中国电力出版社 3 高安邦、石磊、张晓辉S7-200/300/400系列PLC自学手册2013年01月 中国电力出版社4侍寿永 S7-200PLC编程及应用项目教程 2013年4月 机械工业出版社5陈忠平 电西门子S7-300/400系列PLC自学手册 2010年1月 人民邮电出版社6郭宗仁、吴亦锋、郭永可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术2004年8月- 21 -