两种液体混合PLC控制系统设计.doc

摘要本组课题是对液体自动混合装置的模拟控制，实现液体混合装置的自动添加液体、自动混合等自动控制功能。在本设计的梯形图设计中是大量运用计时器和顺序控制继电器指令来完成的。在PLC程序设计的基础上结合有关的外围设备形成一个易于工业控制的系统整体，在易于扩展其功能的原则而设计。本监控系统采用PLC为控制核心，具备自动混合两种液体的功能， 由传感器检测储藏罐中的液面高度，按顺序加入A和B两种液体，搅拌40s后放出混合液体。过程监控上，我们采用的是MCGS组态软件，这是我国自主研发的组态软件，适用于各品牌的PLC。在课程设计中主要进行的是设备的基本机构图，混合装置控制的模拟实验面板图，PLC的选型，外部硬件接线图，以及绘制所要实现的功能图，进而在GX_Developer与GX.Simulator中仿真调试，输出对应的指令表；在MCGS中设计监控的人机界面，对于储藏罐以及传感器和电磁阀和流动块的属性设置，同时绘制历史报表，最后将PLC中的程序同步到MCGS中，进行仿真调试，实现界面的实时监控，以及历史数据和曲线的实时监测。关键词： 液体自动混合，可编程控制器PLC，MCGS组态软件AbstractThis topic is for liquid automatically mixing device simulation control，the fulfilling liquid mixing device automatically add liquid，automatic mixing automatic control function.In this design ladder diagram design is application of a timer and sequence control relay instructions to finish. On the basis of the PLC program design combined with related peripheral devices formed an easy to industrial control of the whole system，easy to expand its function in the principle of design. The monitor system adopts PLC as control core， with automatic mixing two liquids function by the tanks sensor test highly liquid surface， in order to join A and B two liquids， stirring 3min after release mixture liquid. Process monitoring, we use is MCGS software，this is our country self-developed configuration software，applicable to the brand of PLC. In the course design of main equipment of the basic organization chart is mixing device control simulation experiments of panel figure，PLC selection，external hardware hookup and mapping to achieve the functional diagram，and in the GX_Developer GX. With weathering steel during commissioning，output of simulation corresponding instruction form；In the MCGS in design human-machine interface，for monitoring and tanks sensor and solenoid and flow pieces of attribute to set，while drawing history statements and will last a program in a PLC synchronization to MCGS，debugging realize simulation，real-time monitoring of the interface and the history data and curve of real-time monitoring.Keywords: liquid automatically mixing，PLC programmable controller，MCGS 目 录前 言51 PLC及液体混合机的PLC控制61.1 PLC的由来及其定义61.2 PLC的发展历程71.3 PLC与MCGS通讯要求81.4 MCGS运行环境92基于FX2N的液体混合实际控制系统设计92.1 选择PLC型号92.2 I/O分配表102.3 外部接线图以及控制要求103工作过程分析123.1 工作过程分析123.2 详细过程分析134软件设计154.1 手动部分软件设计154.2自动部分软件设计174.3 指令表195基于MCGS的虚拟混合液位控制系统设计205.1组建系统工程205.2液体自动混合画面中构件的属性设置216. MCGS与PLC通讯与工程模拟236.1制作动画显示画面236.2脚本程序编写246.3建立设备构件256.4程序下载整体运行与综合测试267结束语27致 谢28参考文献28附录29前 言今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为可编程控制器的小电脑在为我们服务，可编程控制器的应用非常广泛，它在工业控制，尖端武器，通信设备，信息处理，家用电器等各测、控制领域都发挥着举足轻重的作用。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。作为机械电子专业的大学生必须掌握好可编程控制器方面的知识。所以在本次课程设计中选择是基于MCGS的PLC液体混合监控系统。另外选择MCGS是因为它是应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，嵌入版包括组态环境和运行环境两部分，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通常新型的工业自动控制系统被划分为控制、监控、管理三个层次结构。监控层的硬件以IPC为主,其软件采用工业组态软件,实现完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能;控制层多以可编程控制器(PLC)为主。PLC适合工业现场的要求,可靠性高、抗干扰能力强,是当今发展非常迅速的工业自动化装置。在现阶段工业控制中，我们更多想要的是一个界面友好的检测平台，而在目前的研究阶段上看来， PLC与组态软件联合应用，可组成目前较为流行的监控系统。而且还可以利用现有的计算机资源,在计算机上通过组态软件的工作界面和功能来仿真现场控制对象,进行PLC的虚拟控制，这些都是很有实际意义的。1 PLC及液体混合机的PLC控制1.1 PLC的由来及其定义在60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，可编程逻辑控制器（PLC如图1-1）的产生也正是顺应了这一当时的生产要求。图1-1 PLC外部整体结构PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，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，易于扩展其功能的原则而设计。1.2 PLC的发展历程1969 年，美国数字设备公司（DEC） 研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971 年，已经成功地应用于食品饮料冶金造纸等工业。 由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其它离散零件制造工业领域。随后又扩展到与批量生产和连续生产过程有关的工业领域。随着CIMS(计算机集成制造系统)的发展，PLC当前还被人们应用于工厂通信网络、柔性制造系统、工业机器人到大型分散型控制系统，之中，与其它智能控制器和计算机系统一起成为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别是单元级和工作站级。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974 年开始研制，于1977年开始工业应用。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.3 PLC与MCGS通讯要求基于MCGS嵌入组态软件容量小、速度快、成本低、真正嵌入、稳定性高、功能强大、通讯方便、操作简便、支持多种设备、有助于建造完整的解决方案的特点。所以选择其与PLC进行通讯连接。MCGS一般通过上位机的串行口和PLC上的编程口建立物理上的通讯连接，从而达到操作PLC的目的。而在MCGS组态软件设置方面需先进行“设备组态”。设备组态方法是先调用MCGS串口通讯父设备构件，再找到三菱FX-232子设备构件，并挂接在串口父设备下。对串口父设备需打开其属性窗口，在基本属性中设置好设备名称，初始工作状态，最小采样周期，串口端口号，通讯波特率，数据位位数，停此位位数，数据校验方式等。而对于三菱FX-232子设备，要先打开其属性窗口，设置好基本属性中的设备名称，初始工作状态，最小采集周期（同父设备），然后根据MCGS与系列PLC之间两种不同的通讯方式，再进行后面的设置：如果使用MCGS提供的read和write设备命令直接访问PLC，无需进一步设置，而如果要通过MCGS循环采样方式自动周期性地访问PLC，则必须还要对设备增加通道，建立通道连接，把PLC中相关继电器（X,Y,M）和寄存器(D)与MCGS实时数据库中变量建立一一对应关系，确定操作方式（读或写或读写）。并且MCGS嵌入版系统与PLC联系的媒介设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口，管理和调度所有设备构件正常工作，并在后台独立运行。注意，对用户来说，设备窗口在运行时是不可见的。1.4 MCGS运行环境由于MCGS实时性强、有良好的并行处理性能。MCGS嵌入版是真正的32位系统，充分利用了32位WindowsCE操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使嵌入式PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。例如，MCGS嵌入版在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内插空进行象打印数据一类的非关键性工作，实现并行处理。MCGS嵌入版组态环境运行于具备良好人机界面的Windows操作系统上，具备与北京昆仑通态公司已经推出的通用版本组态软件和网络版组态软件相同的组态环境界面，可有效帮助用户建造从嵌入式设备，现场监控工作站到企业生产监控信息网在内的完整解决方案；并有助于用户开发的项目在这三个层次上的平滑迁移。MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三部分。 组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行。用户可根据实际需要裁减其中内容。它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。 运行环境则是一个独立的运行系统，它按照组态工程中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态工程一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，并且将组态好的工程通过串口或以太网下载到下位机的运行环境中，组态工程就可以离开组态环境而独立运行在下位机上。从而实现了控制系统的可靠性、实时性、确定性和安全性。2基于FX2N的液体混合实际控制系统设计2.1 选择PLC型号本设计选用三菱公司的FX2N-32MR的PLC，它是一种整体式结构的小型PLC，并且指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，结构紧凑，便于扩展，性价比高。并且有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制，设计中使用的PLC所用的模块共有I/O总数32点，其中输入点12点，输出点12点。可带8个特殊扩展单元。用户程序存储器容量为16K字。内置高速计数器，具有PID控制器功能。并且通过通信扩展板或特殊适配器可以实现多种通信和数据链接，例如CC-Link、AS-i、RS-232C、RS-422(可以实现与MCGS虚拟机的通讯连接)，N:N链接、并行链接、计算机链接、和I/O链接等。2.2 I/O分配表完成该控制任务需要7个输入点和5个输出点，具体分配如表2-1所示。表2-1 输入/输出地址分配表输入点输出点地址作用地址作用X0启动按钮SB1Y0液体A电磁阀Y0X1停止按钮SB2Y1液体B电磁阀Y1X2液面传感器SL1X3液面传感器SL2Y2混合液体电磁阀Y2X4液面传感器SL3Y3搅拌电动机接触器KMX5手动部分X6自动部分Y4保温控制2.3 外部接线图以及控制要求2.3.1 机械装置图液体混合控制装置如图1-1以及1-2所示，其中阀A、阀B、阀C为电磁阀，线圈通电时打开SL1、SL2、SL3为上、中、下液位传感器，被溶液淹没时为ON。达到水位后控制阀体的开关，这样实现流入反应罐液体顺序与流量的控制要求。如图2-1、2-2所示图2-1搅拌机的立体示意图 图2-2 操作面板图2-3液体混合装置结构图2.3.2工艺流程图1.3为PLC外部接线图。考虑了手动控制部分(SB3SB6分别代表A、B、C阀及电机的控制按钮)。Y0、Y1、Y2为A、B、C阀的控制线圈,KM为控制搅拌电机的接触器线圈。紧急停止按钮、负载电源按钮、KM与交流电220V组成输出电源回路。如图2-4图2-4PLC液体控制系统外部接线图3工作过程分析3.1 工作过程分析操作工艺流程:按下启动按钮SB1后,打开A阀,液体A流入反应罐;当中限位传感器SL2被淹没变ON时,阀A关闭,阀B打开;当上限位传感器SL1被淹没变ON时,阀B关闭,电机M开始运行,搅动液体,40S后停止搅动并保温10S,阀C打开放出混合液体;当液面降至下限位传感器S3变OFF时,开始定时,5S后容器已放空,关闭阀C。如已按下SB2,则就此停机;如未按下停止按钮SB2,则又打开A阀,开始下一次循环。如图3-1所示。图3-1 工艺基本流程图3.2详细过程分析1）启动操作按下启动按钮SB1,X0的常开触点闭合，Y3、T2同时得电并通过Y3常开触点自锁，Y3常开触点闭合，使Y3接通排放剩余混合液体，经T10延时5s后Y3断电，即关闭混合液体阀门。同时液体A电磁阀Y0打开，液体A流入容器。2）液面上升到SL2当液面上升到SL2时，SL2触点接通，即Y1接通，X3置位，其常闭触点打开，使Y0断电，Y0控制的电磁阀关闭，液体A停止流入；同时Y1常开触点接通，使其控制输出的电磁阀接通，液体B电磁阀Y2打开，液体B流入。3）液面上升到SL1当液面上升到SL1时，SL1触点接通，即X2接通，Y2置位，其常闭打开，使输出端断开，Y2控制的电磁阀关闭，液体B停止注入，同时KM和T0接通，搅拌电动机开始工作。4）搅匀后放混合液搅拌电机工作时，T0计时，40s后KM断开，搅拌电机停止工作。同时T1触点控制热电偶接通，保温10s混合液电磁阀Y3打开，开始放混合液体。5）液面下降到SL3当液面传感器SL3（X4）由接通变为断开时，Y3置位，其常开触点接通，T2开始工作，5s后混合液体放完，T2常开触点闭合，复位所用的内部继电器M，使Y3断开，其控制的电磁阀Y3关闭，同时T2常开使X0得电Y0接通，Y0打开，液体A流入，开始进入下一个循环。6）停止操作按下停止按钮SB2，X1接通，其常闭触点断开，切断循环信号。在当前的操作处理完毕后，使X1不能再接通，即停止操作。在操作结束后进行判断，当按下停止按钮后，PLC程序将返回到初始状态，如果想再次激活，需要提供PLC一个上电脉冲M8002，若是在PLC执行完一个工作过程后，期间没有按下停止按钮，那么PLC将返回到程序自动运行的下一循环点进行下一次的操作。上位机PC机用作编程,编程软件为三菱的综合FA软件MELSOFT系列GXDeveloper。梯形图在计算机中编好后下载到PLC中。4软件设计4.1 手动部分软件设计为了满足生产的需要，课程设计的PLC要求其控制端还需要添加手动控制部分。所以在硬件设计中添加了手动控制这一输入单元。在手动设计部分我们是这样就行分配的，其中X0控制的是PLC的启动，X1控制的是PLC的停止操作，这和在自动程序的一致的。在自动切换到手动状态后，其中所用的输入和输出节点对应的操作功能发生变化：X2-控制电磁阀1的启停，X2控制电磁阀2的启停，X3-控制出水阀的启停。根据顺序控制的要求，把手动开关打开，PLC即进入手动控制程序，在程序中，我们要求在传感器部分可以提前预知以进行人的有效时间的判断，所以在传感器部分，在安装上还有时间的延迟上是不允许有误差的。因为在课程设计中主要考虑到的是输入与输出节点的使用问题，所以在设计中重复使用了在自动程序中的输入节点，不过这在PLC的应用程序设计上是允许的。在PLC上电后，将调用共用程序，其中已经设置了程序的原点条件，初始脉冲M8002使其进入选择状态，CALL为P0的调用指令，可以进入手动程序，P1设置的是自动程序部分，在手动程序结束后RET返回到初始状态。图4-1为手动控制面板。图4-1 手动部分控制下面是手动程序的设计：4.2自动部分软件设计4.3 指令表5基于MCGS的虚拟混合液位控制系统设计PLC虚拟控制系统框图如图3所示。该方案结构简单,PC机作为上位机,运行MCGS组态软件,是显示和控制的平台；PLC作为现场控制器,运行控制程序(梯形图)。PC机与PLC通过RS232/RS422通信转换器(专用编程电缆)进行通信,MCGS还要通过设备驱动程序方能与PLC进行信息交互。其方法与步骤如图5-1所示:图5-1 PLC虚拟控制框图5.1组建系统工程MCGS组态软件安装在计算机中，双击桌面“组态环境”图标，进入MCGS组态环境，单击“用户窗口”|“新建窗口”后，在用户窗口中新建一个“窗口0”，并选中它，单击“窗口属性”按钮，进入窗口属性设置界面。如图5-2。图5-2 用户窗口属性设置然后进行工程的创建，组建系统工程如图5-3图5-3 组态工程5.2液体自动混合画面中构件的属性设置液体自动混合的动作过程如下：开始排放混合液体阀门打开延时5s后自动关闭，主要防止混合罐内有残留的混合液体。此时A液体阀门打开，注入A液体。当液面上升到SL2时，关闭A液体阀门；同时B液体阀门打开，注入B液体。当液面上升到SL3时，关闭B液体阀门并开始定时搅拌，搅拌40s后停止。停止搅拌后自动混合液体并在此时进行保温，时间设定为10s，然后打开出水阀排放混合液体，当混合液体的液面下降到SL3时，开始计时到10s后关闭排放阀门，并重复上述过程，按停止按钮后，待本循环结束后停止。根据PLC控制系统的I/O表，对液体自动混合画面中的各个相关构件进行属性设置。定义数据变量，在实时数据库中定义，如图5-4所示。在液体自动混合画面中可以看出，需要定义的数据变量有：控制A液体阀门和相应的流动块，控制B液体阀门和相应的流动块，排放混合液体的阀门和相应的流动块。加热搅拌指示，三个液位检测开关指示。图5-4 阀体、罐、和传感器的数据定义进一步对想要操作的流动块进行设置，定义动画连接：图5-5 流动块流动属性设置同理可以设置反应罐、传感器、以及各个阀体的动画属性：如图5-6图5-6 电磁阀开关属性设置6. MCGS与PLC通讯与工程模拟6.1制作动画显示画面在组态工作台界面中，用鼠标单击“设备窗口”选项，出现设备窗口图标并双击进入设备组态窗口；在此窗口中通过设备工具箱，完成设备组态。设备组态完成后，双击“通用串口父设备0”，进入“通用串口设备属性编辑”对话框，根据设备通讯要求和连接情况，完成对话框中相关的参数设置，具体设置如图6-1所示，按“确认”键完成设置。返回设备组态窗口，双击“设备0三菱FX2NCPU”进入“设备属性设置”对话框，在此窗口中有“基本属性”、“通道连接”、“设备调试”、“数据处理”选项卡，在液体自动混合控制中，不涉及“数据处理”。其余三项设置如图所示。在“设备调试”选项卡中，如果“通讯状态标志”栏中，显示“0”则表示通讯正常，若显示“-1”则表示通讯不正常。图6-1通用串口父设备属性编辑窗口在上述工程立项基础上,设置图形的动画属性与实时数据库中定义的变量的连接关系,作为动画的驱动源。如图6-2图6-2 动画属性与数据库链接6.2脚本程序编写根据工艺流程和组态工程界面的设置,通过脚本程序在运行策略中的循环策略来仿真液体混合的过程:IFM04THENIF开关=1AND液位=2THEN传感器2=1ENDIFIF液位316THEN传感器3=1ENDIFM0=液位ENDIFELSEIF开关=1THEN传感器2=0M=M+1IF电动机1=0THEN液位=液位2012IF液位4THEN传感器3=0ENDIFIF液位1THEN传感器4=1ENDIFIF液位011THENM=0M0=0传感器4=0ENDIFENDIFENDIFENDIF6.3建立设备构件连接设备通道,确定数据变量处理方式,完成设备属性设置。在MCGS设备窗口中添加串口通讯父设备和子设备三菱FX2N-32MR,其父设备与子设备的设置属性的串口端口号、通讯波特率、数据位位数和停止位位数、数据较验方式参数均一致,并且和PLC和上位机通信时属性设置参数一致,即采用RS2232标准,其传输速率固定为9600bps,奇偶校验位采用偶校验。在设备属性的通道连接中电磁阀13和读Y0Y2对应;电动机1与读Y3对应;传感器24与写M3M5对应;开关与写M10对应(传感器作为PLC的输入信号,本应该与X相对应,但PLC的X只能通过PLC的输入端子进行控制)。如图6-3所示。图6-3 MCGS对PLC的参数设定6.4程序下载整体运行与综合测试用调试程序产生的模拟数据,检查动画显示和控制流程是否正确,最后,对模拟设备组成的控制系统进行模拟调试。进入运行环境,就能按照实验规定的控制流程,出现相应的动画效果。再接上PLC进行连机调试,MCGS的模拟运行界面应和PLC的输出运行状态一致。通过实现上位机对下位机PLC的直接控制。图6-4 工程下载模拟画面工程最终效果如图6-5图6-5 MCGS最终搭建模拟画面演示7结束语基于MCGS的PLC虚拟控制系统充分利用计算机软件功能,利用其庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持,“调用”或“制造”出各种现场设备和仪表,快速地开发出漂亮、生动的工程画面。与PLC运行相配合,真实地再现了现场运行过程,有很好的可视性。通过这次PLC课程设计，让我更加深刻理解了课本的知识，并使我熟悉和掌握了PLC基本指令的使用，掌握了PLC的I/O分配、程序调试等。编写程序首先必须把I/O分配表写好。弄清楚哪些信号作为输入，哪些信号作为输出，该用什么继电器，还有什么情况下要用定时器/计数器。 通过调试找出问题的所在，相应的修改程序。在编程过程中难免会有