于超 遼寧錦州渤海大學工學院

基于組態(tài)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

于超 遼寧錦州渤海大學工學院

伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動化技術(shù)愈來愈廣泛地使用于各種工業(yè)過程中。這個課題針對工業(yè)自動化生產(chǎn)線，構(gòu)建了工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，用于模擬實際工業(yè)生產(chǎn)過程，為我們展示了一個接近于實際工程應(yīng)用的監(jiān)控環(huán)境。

可編程控制器 組態(tài)王 監(jiān)控

1 引言

目前，隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，中國的生產(chǎn)企業(yè)即將會面臨越來越多的挑戰(zhàn)。為了能夠在競爭激烈的全球市場上獲得成功，企業(yè)必須通過提高生產(chǎn)效率來降低運營的成本，同時，還要符合環(huán)保的要求。而智能監(jiān)控系統(tǒng)與自動化技術(shù)的出現(xiàn)，為企業(yè)解決這些難題提供了技術(shù)的保障，對工業(yè)績效的改善起到了一定的促進作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)使用組態(tài)王作為上位機組態(tài)軟件，使用工業(yè)PC作為上位機，將PLC作為下位機，他們之間使用PPI通信。組態(tài)王通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以組態(tài)畫面顯示，PLC程序控制，用畫面顯示和實時監(jiān)控來向廣大用戶提供解決實際工程問題的方案。首先，本課題是基于PLC的自動化生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計，結(jié)合控制要求，我采用西門子PLC S7-200以及組態(tài)王軟件進行設(shè)計。分析自動化生產(chǎn)線各個站的工作流程，建立程序模型，設(shè)計各站PLC控制程序。運用組態(tài)王軟件組建上層監(jiān)測系統(tǒng)，闡述設(shè)計方法，設(shè)計自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)的監(jiān)控程序。對自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)進行安裝調(diào)試，確保程序準確，監(jiān)控程序能動態(tài)反映自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)的運行過程。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)現(xiàn)在的市場需求，工業(yè)自動化已經(jīng)成為了一種發(fā)展趨勢，尤其在計算機技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展后，工業(yè)自動化的水平在不斷提高，所以計算機監(jiān)控技術(shù)和PLC技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用已成為了一種必然的結(jié)果。本文通過采用組態(tài)王軟件和PLC可編程器，調(diào)試出一套適合自動化生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)。這樣不僅可以通過plc編程來實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的串口通信、復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析與處理等功能，還可以利用組態(tài)軟件方便快捷的界面設(shè)計功能。其中，上位機是完成數(shù)據(jù)通信、人機交互和數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)管理等功能。在這個工控網(wǎng)絡(luò)中，西門子PLC S7-200是六個站的下位機軟件，主要來完成數(shù)據(jù)的采集以及對設(shè)備的控制。本系統(tǒng)能夠在運行后對自動化生產(chǎn)線進行在線監(jiān)控，而實際中的運行效果表明了監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)控制的各監(jiān)控點之間的連續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)信息交換得到了實現(xiàn)，也表明了這種監(jiān)控系統(tǒng)是安全有效和經(jīng)濟實用的。

3 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計是PLC控制系統(tǒng)的非常重要的一個環(huán)節(jié)，這關(guān)系著PLC控制系統(tǒng)運行的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性。

3.1 硬件選型

物料傳感器即固體壓力傳感器，經(jīng)過分析，我選用LH-S05微型拉壓力傳感器，這是一種拉壓兩用型力傳感器，體積小，安裝很方便，測力部分是外螺紋；傳感器精度非常高，動態(tài)響應(yīng)也很快，具有非常優(yōu)越的線性跟重復(fù)性；這種類型是傳感器被廣泛應(yīng)用于自動化測力領(lǐng)域。參數(shù)如表1所示。

表1 物料傳感器參數(shù)表

顏色傳感器是將物體顏色跟之前已經(jīng)顯示的參考顏色進行比較來檢測顏色的機器。經(jīng)分析，采用TCS3200D顏色傳感器。這個傳感器是TAOS公司推出的RGB彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器，帶有數(shù)字兼容借口，能夠在內(nèi)部配置硅光電二極管陣列和一個電流/頻率轉(zhuǎn)換器。TCS3200D的主要特點是：它可以通過可編程來調(diào)整色彩與滿度的輸出頻率；它可以跟微處理器直接建立通訊；還可以轉(zhuǎn)換很高分辨率的光照度以及頻率。

3.2 電氣控制部分

氣壓傳動系統(tǒng)的工作原理，是利用空氣壓縮機把電動機或者其他原動機輸出的機械能轉(zhuǎn)化為空氣的壓縮能，然后在控制元件的控制下以及其他輔助元件的配合下，通過執(zhí)行元件把空氣的壓縮能轉(zhuǎn)化為機械能，從而完成直線或回轉(zhuǎn)運動并且對外做功。

3.3 系統(tǒng)主電路圖

系統(tǒng)主電路如圖2所示。

4 軟件設(shè)計

圖2 系統(tǒng)主電路圖

圖3 上料檢測站程序圖

本課題采用PLC控制，各站獨立控制，可編程與組態(tài)王之間由PPI通信，在自動化生產(chǎn)線上，根據(jù)各個工作站的工藝流程，先建立了可編程控制器程序的結(jié)構(gòu)模型，還設(shè)計了基于PLC的控制程序，下面將著重介紹各站當中比較關(guān)鍵的幾個程序網(wǎng)絡(luò)。

4.1 上料檢測站設(shè)計

上料檢測站中，提升裝置將物體提升至上限之后，待計時器計時2S，通過顏色檢測之后，將會輸出黑色，否則為白色。具體PLC程序如圖3所示。

4.2 分類站設(shè)計

在整個自動化生產(chǎn)線上，分類站的功能尤為重要。分類站需要把各個工件按照大白、小白、大黑、小黑這四種類型分類放置，并且分兩層計數(shù)。首先，在組態(tài)中，我采用編寫命令語言的形式，將工件分別按照四種類型分類并且分層計數(shù)，然后利用PLC編程實現(xiàn)工件的放置。當可編程接受到組態(tài)王的信息后，將會控制氣缸推出各個工件。

5 監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計

本課題中，為了更好地監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)線的運作，采用組態(tài)王來作為上位機監(jiān)控軟件。這樣，我們可以通過上位機上的組態(tài)畫面非常清晰的工作站的運行狀態(tài)。由于總是重復(fù)的進行圖形編程，工程人員沒有充足的精力與時間來提高控制的功能，但在引入動畫連接后，工程人員可以省去許多時間和精力。除此之外，工程人員可以在圖形界面中得到許多工業(yè)的標準控制圖形，還可以通過運用相關(guān)命令和設(shè)置對目標圖形進行動態(tài)顯示功能的設(shè)置。組態(tài)王軟件在設(shè)計圖形界面的時候，為工程人員提供了許多圖形和變量之間的連接類型，這極大地方便了工程人員的設(shè)計。部分動畫連接圖像被系統(tǒng)設(shè)置了訪問權(quán)限來提高系統(tǒng)的安全性。

5.1 組態(tài)與可編程之間的通訊

S7-200 CPU最基本的通信方式是PPI協(xié)議，S7-200默認的通信方式是通過原來的端口實現(xiàn)通信過程。PPI的主站和從站是在一個令牌環(huán)網(wǎng)中，即一種主站—從站協(xié)議。由于只有擁有令牌的主站才能向網(wǎng)絡(luò)上的其他的從站發(fā)出指令，所以當主站經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上沒有堵塞的時候，會接受令牌，然后建立PPI網(wǎng)絡(luò)，這表示PPI網(wǎng)絡(luò)只需要在主站進行通信程序的編寫就行了。主站在獲得令牌后，能夠向從站發(fā)出請求和指令，但從站不會啟動消息，會一直等到主站發(fā)送申請才作出回應(yīng)。

5.2 組態(tài)設(shè)計

系統(tǒng)I/0設(shè)備可以直接在現(xiàn)場跟組態(tài)王進行通訊。因此，通過I/0設(shè)備的輸入可以及時地對現(xiàn)場設(shè)備的工作情況進行了解，例如水位、電磁閥開閉和油溫等情況。對于PLC而言，就可以按照PLC自身的程序，來控制現(xiàn)場設(shè)備，可編程通過預(yù)先編寫的程序，根據(jù)采集的輸入信息給出輸出值。PLC在數(shù)據(jù)寄存器中寄存了輸入和輸出的數(shù)值，然后通過引用地址數(shù)據(jù)的方法，寄存器就能夠?qū)崿F(xiàn)控制要求。組態(tài)王可以通過I/O設(shè)備提供的通訊端口進行連接，從而讀出寫在I/O設(shè)備寄存器上的信息，最后運用得到的數(shù)據(jù)對其進行控制。另外，組態(tài)王軟件還有一種數(shù)據(jù)定義的方法，就是將PLC中的輸入I改成輸入M后，可直接使用定義之后的變量名對系統(tǒng)進行控制。

6 總結(jié)

本論文解決了工業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，并使用組態(tài)王軟件組建上層監(jiān)測系統(tǒng)，詳細闡述了設(shè)計方法，設(shè)計了工業(yè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序；對自動化生產(chǎn)系統(tǒng)進行安裝調(diào)試，確保PLC程序準確，監(jiān)測畫面能動態(tài)反映自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的運行過程。最后，經(jīng)過對各站PLC單獨調(diào)試，以及可編程與組態(tài)王之間的通信調(diào)試，系統(tǒng)運行正常，基本滿足課題設(shè)計要求。

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