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基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试摘要在许多现代工业生产中,温度控制都是要解决的问题之一,对于很多危险或者无需人力控制的领域,我们可以用远程控制,在办公室里就可以对现场进行监控,即方便又安全随着电子技术的发展可编程序控制器PLC已经由原来简单的逻辑量控制逐步具有了计算机控制系统的功能本文提出了采用组态软件和可编程控制器组成一个比较简单、通用的远程温度控制系统可编程控制器的一个优势就是可以很方便的改写其中的程序以满足不同的工艺,尤其在工艺改进时优势更加明显组态软件则可以提供一个符号现场的直观人机友好界面文章着重介绍了组态软件和可编程控制器在温度控制设计中应用,描述了使用可编程控制和计算机一起组成控制功能完善的控制系统的一般设计方法和过程关键词远程控制;温度控制;组态软件;编程控制器.TheDesignandDevelopmentofaPLC-basedRemoteTemperatureControllerSystemAbstractInmanymodernmanufacturingproductionstemperaturecontrolisoneofthemostproblemstobesolved.Inmanydangerousornohumanrequiredcontrolareaswecanuseremotecontrolintheofficewhichwillbeabletomonitorthescenewhichisconvenientandsafe.WiththedevelopmentofelectronictechnologyprogrammablelogiccontrollerPLChasdevelopedfromsimplelogicofcontrolandgraduallywithacomputercontrolsystem. Thispaperpresentsconfigurationsoftwareandprogrammablelogiccontrollerstoformarelativelysimpleuniversalremotetemperaturecontrolsystem.ThePLCtakesanadvantagethatcanbeeasilyadaptedfromoneoftheprocedurestomeetthedifferenttechnologyparticularlyintheprocessimprovement.Configurationsoftwarecanprovideasymbolicsceneofthefriendlyandintuitiveman-machineinterfaces.Thearticlefocusedontheconfigurationsoftwareandprogrammablecontrollersinthedesignoftemperaturecontroldescribestheuseofprogrammablecontrolandcomputercomponentstoimprovethecontrolofthegeneralcontrolsystemdesignmethodsandprocesses.Keywords:remotecontrol;temperaturecontrol;configurationsoftware;programmablelogiccontrollerPLC.目次TOC\o1-3\h\z\u基于PLC的远程温度控制系统的设计与调试I目次III1绪论
11.1问题的提出
11.2国内外研究状况
11.3研究方法
31.4研究意义42PLC控制系统的硬件组成
52.1欧姆龙CPM2AH功能简介
52.
1.1性能和功能
52.
1.2基本系统配置
102.
1.3结构与操作
122.2MAD01模拟量I/O单元
182.
2.1使用模拟量I/O单元
182.3串口通信193组态王软件简介
223.1组态王程序组成员
223.2制作一个工程的一般过程234系统的设计与调试
264.1设计思路
264.2下位机的设计与调试
264.
2.1PLC的程序设计
264.
2.2问题及解决方法
284.3上位机的设计与调试
294.
3.1组态王工程的建立和调试
294.
3.2问题及解决方法
314.4上位机与下位机的通信连接
314.
4.1通信的实现
314.
4.2问题及解决方法325结论33参考文献34致谢351绪论
1.1问题的提出许多领域都需要对温度的监控,如工厂的生产设备、化工领域、航空航天、农作物的种植和储存、实验室等等有很多领域的温度可能较高或较低人无法靠近或现场无需人力来监控,我们可以用远程监控坐在办公室里就可以对现场进行监控,又方便又节省人力
[1]
[2]随着电子技术的发展可编程序控制器PLC已经由原来简单的逻辑量控制,逐步具有了计算机控制系统的功能
[3]在现代工业控制中,PLC占有了很重要的地位,它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统在许多行业的工业控制系统中,温度控制都是要解决的问题之一如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制,存在控制精度低、超调量大等缺点,很难生产出高质量的塑料制品
[4]在一些热处理行业都存在类似的问题为此,设计较为通用的温度控制系统具有重要意义,具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整
1.2国内外研究状况通常由位式或时间比例式温度调节仪控制的工业加热炉温度控制系统,其主回路由接触器控制时因为不能快速反应,所以控温精度都比较低,大多在几度甚至十几度以上
[5]随着电力电子技术及元器件的发展,出现了以下几种解决的方案
1、主回路用无触点的可控硅和固态继电器代替接触器,配以PID或模糊逻辑控制的调节仪构成的温度控制系统,其控温精度大大提高,常在±2℃以内,优势是采用模糊控制与PID控制相结合,对控制范围宽、响应快且连续可调系统有巨大的优越性
[6]
2、采用单片机温度控制系统用单线数字温度传感器采集温度数据打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D转换采集温度的思路用单片机对数字进行处理和控制,通过RS-232串口传到PC机对温度进行监视与报警,设置温度的上限和下限其优势是结构简单,编程不需要用专用的编程器,只需点击电脑鼠标就可以把编好的程序写到单片机中,很方便且调试、修改和升级很容易
[7]
3、ARMAdvancedRISCMachine嵌入式系统模糊温度控制利用ARM处理器的强大功能,通过读取温度传感器数据,并与设定值进行比较,然后对温度进行控制通过内嵌的操作系统μCLinux获得极好的实时性,并且通过TCP/IP协议能与PC机很快的通讯
[8]其优势不只是温度控制精度高,而且能够通过现场跟远程两种方式来设定控制温度这三种温度控制系统分别有各自的不足,第一种灵活性不足,当生产工艺改进或调整的时候对整个线路系统的更改比较麻烦,甚至需要重新排线建立一个系统,工程浩大单片机温度控制系统在多点测量的时候扩展性不强,可靠性低易受外界干扰,同时对超过100米距离的传输不足
[9],开发成本高,控制响应频繁对系统其他部件如加热器等不利ARM嵌入式温度控制系统对软件要求比较高,与网络技术结合紧密,适合远程控制,但是开发复杂并且对工程人员要求很高如加热炉这样的大惯性系统,在采用PID调节模式时,其参数随物料的物理特性及质量而变,参数整定需要比较高的专业知识和经验,如果参数配置不好也难获得好的效果,所以使用比较复杂
[10]在一些比较大的系统,或还有其它控制目标的场合也常采用工业控制机和PLC(可编程逻辑控制器),加上相应的温度转换摸块构成温度控制系统,大多也采用PID或模糊逻辑控制模型模糊控制过程包括以下部分
[11]1模糊化 将输入变量温差和温差变化率的精确值变换成其对应论域上的模糊集;2模糊逻辑推理 模仿人的思维特征根据专家知识或控制经验取得的模糊控制规则进行模糊推理,决策出模糊输出控制量;3反模糊化 对经模糊逻辑推理所得的模糊控制量进行模糊表决,把输出的模糊量转化为精确量,作用于被控对象通用的A/D转换模块如图1.1图
1.1通用A/D转换模块温控系统上述原理图有以下几个名词术语计算机——指的工业控制用计算机,也就是通常所称的上位机PLC——可编程控制器(ProgrammableLogicController),具备一定逻辑运算能力跟通信能力的工业现场机,也就是通常所称的下位机,与上位机保持通信并且按设定好的程序进行逻辑控制A/D转换模块——进行模拟量数字量转换的组件,把连续的模拟量转换成计算机能够处理的离散的数字量变送器——把热电阻/热电偶的阻值转换成标准的4~20mA的电流量或者0~10V的电压量热电阻/热电偶——利用温度阻值线性好的铂等金属制成的温度传感器电压调整器——根据输入信号的改变而改变输出电压的高低加热器——根据输入电压的高低而改变加热的强度
1.3研究方法图
1.2系统框图
1、温度数据采集原理用PLC的A/D扩展模块MAD01来进行,温度模块中,测量输出一个0~10V的温度线性电压通过设置PLC的扩展A/D模块,把这个电压成数字量,程序周期地读取这些数字量,并将所读的这些数,与设定值进行比较
2、数据处理部分用欧姆龙公司生产的CPM2AH型的可编程控制器主要负责数据处理和储存的工作通过编制软件,对采集到的温度信号与设定值进行比较处理,对有关操作信号进行联机操作在用PLC和被控对象构成一个控制系统时,通常以下面几个步骤进行
①根据生产的工艺过程分析控制要求如需要完成的动作(动作顺序、动作条件、必须的保护和连锁等),操作方式(手动、自动、连续、单周期、单步等)
②根据控制要求确定所需要的用户输入输出设备选定PLC;确定PLC的点数;分配PLC的I/O点,设计I/O连接图此外,系统用到的计数器、定时器等也要进行分配
③进行PLC的程序设计对于复杂的控制系统,需要绘制系统控制流程图,用以清楚地表明动作的顺序和条件,对于简单的控制系统,也可省略要设计好梯形图,这是关键的一步
④根据梯形图编制程序清单,用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中,并检查键入的程序正确与否
⑤检查程序是否能正确完成逻辑要求,是否能完成得很好如果不合要求,对程序进行调试和修改,直到满足要求为止
⑥保存程序
1.4研究意义在现代工业生产中许多领域都需要对温度进行监控,有很多领域的温度可能较高或较低,人无法靠近或现场无需人力来监控,我们可以用远程监控,坐在办公室里就可以对现场进行监控随着电子技术的发展可编程序控制器PLC已经由原来简单的逻辑量控制,逐步具有了计算机控制系统的功能,在现代工业控制中,PLC可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统
[12]
[13]并且,由PLC组成的控制系统可以方便的改写程序,以适应不同的生产需要,为此,在现阶段设计较为通用的温度控制系统具有重要意义,具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整2PLC控制系统的硬件组成
2.1欧姆龙CPM2AH功能简介CPM2AH系列是欧姆龙公司的小型应用PLC,在集散自动化系统中充分发挥其强大功能使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等
2.
1.1性能和功能CPM2A的性能CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能,包括同步脉冲控制,中断输入,脉冲输出,模拟量设定,和时钟功能等CPM2ACPU单元又是一个独立单元,能处理广泛的机械控制应用,所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品,完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信这些通信能力使用户能设计一个经济的分布生产系统下图
2.1是CPM2A的结构示意图图
2.1CPM2A结构示意图1基本功能CPU单元类型CPM2A是一台设有20,30,40,或60内装I/O端子的PC,有三种输出可用(继电器输出,漏型晶体管输出和源型晶体管输出)和2种电源可用(100/240VAC或24VDC)扩展I/O单元为使PC的I/O容量提高到最大的120点I/O,与CPU单元连接的扩展单元可多达3个有三种扩展单元可用20点I/O单元,8点输入单元,和8点输出单元将3个20点I/O单元与60内装I/O端子的CPU单元连接就得到120点I/O的最大I/O容量模拟量I/O单元为提供模拟量输入和输出可连接多达3个模拟量I/O单元每个单元提供2点模拟量输入和1点模拟量输出,所以连接3个模拟量I/O单元就能得到最大的6点模拟量输入和3点模拟量输出(将模拟量I/O点与PID—和PWM—指令结合就能完成时间-比例控制)模拟量输入范围可以设置为0~10VDC,1~5VDC,或4~20mA;分辨率为1/256(1~5VDC和4~20mA设定可以使用开路检测功能)模拟量输出范围可以设置为0~10VDC,-10~10VDC,或4~20mA;分辨率为1/256CompoBus/SI/O链接单元连接CompoBus/SI/O链接单元能使CPM2A成为CompoBus/S网络中的从站设备I/O链接单元设有8个输入位(内部)和8个输出位(内部)CompoBus/S网络设有基于“PC+小型PC”配置的分布CPU控制它是基于“PC+远程I/O”配置的早期分布I/O控制的改进型分布CPU控制使装置模块化,所以设计可以标准化,可以提出特殊要求,在故障事件中可以容易地更换模块图
2.2CompoBus/SI/O链接示意图共同编程设同样编程设备,如编程器和支持软件可以用于C200H,C200HS,C200HX/HG/HE,CQM1,CPM1,CPM1A,CPM2C和SRM1-V2PC,所以可以有效地使用现有的梯形图程序资源2内置电动机控制能力同步脉冲控制同步脉冲控制为使外围装置的操作与主装置的同步提供了一个简单方法,输出脉冲频率可以被控制成输入脉冲频率的倍数,这就使外围装置(如供料传送机)的速度能与主装置的速度同步下图
2.3即为同步脉冲控制的示意图图
2.3同步脉冲控制示意图高速计数器和中断CPM2A计有五个高速计数器输入一个响应频率20kHz/5kHz的高速计数器输入,与四个响应频率为2kHz的高速计数器输入(在计数器方式下)高速计数器可以用在四种输入方式中的任一种微分相位方式5kHz,脉冲+方向输入方式20kHz,增/减脉冲方式20kHz,或递增方式20kHz当计数与一设置值匹配或下降在一规定范围内时,能触发中断中断输入(计数器方式)可用递增计数器或递减计数器2kHz并在计数与目标值匹配时触发中断(执行中断程序)脉冲输出的容易位置控制晶体管输出CPM2APC具有两个能产生10Hz~10kHz脉冲(单相脉冲)的输出在用作单相脉冲输出时,可以产生频率范围为10Hz~10kHz的固定占空率的或频率范围为
0.1~
999.9Hz的可变占空率(0~100%占空率)的两种输出在用作脉冲+方向或增/减脉冲输出时,只能产生频率范围为10Hz~10kHz的一种输出3机械控制用的高速输入能力高速中断输入功能有四个输入用于中断输入(与快速响应输入和计数方式的中断输入共用),最小输入信号宽度与50μs,响应时间为
0.3ms当一中断输入变为ON时,主程序停止而中断程序执行快速响应输入功能有四个输入用于快速响应输入(与中断输入和计数方式的中断输入共用),能可靠地读出信号宽度短到5μs的输入信号稳定输入滤波器功能所有输入的输入时间常数都可以设置为1ms,2ms,3ms,5ms,10ms,20ms,40ms或80ms信号抖动和外部噪声可以通过提高输入时间常数来降低4其它功能间隔计时器中断间隔计时器可以设置在
0.5和319968ms之间,并能设置为只产生一次中断(单次方式)或定时中断(预定中断方式)模拟量设定CPU单元有两个控制器能用于改变IR250和IR251中的模拟量设定0~200BCD,这些控制器可用来方便地改变或微调机械设定,如传输带的暂停时间或传送率日历/时钟内装时钟(精确度在1分钟/月之内)能从程序读出并示出当前的年,月,日,周日和时间时钟可以从编程设备(如编程器)来设置或通过向上或向下滚动到最近的分钟来调整时间长期计时器TIML—是一个长期计时器,寄存设置值高达99990秒(27小时,46分,30秒)当与秒-小时转换指令HMS—相结合时,长期计时器为控制装置的工艺过程提供了一个简易方法模拟量PID控制模拟量I/O单元可以使用PID—指令来控制模拟量I/O5完善的通信能力上位链接通过PC的RS-232C端口或外围端口可进行上位链接连接在上位链接方式下连接的个人计算机或可编程终端可用于,如读/写PC的I/O存储器的数据或读/改变PC的操作方式的操作下图
2.4即为上位链接的示意图图
2.4上位链接示意图无协议通信TXD48和RXD47指令可用无协议方式与标准串行设备交换数据例如,从条形码阅读器接收数据或发送数据到串行打印机串行设备可连接到RS-232C端口或外围端口下图
2.5即为两种无协议通信的示意图
2.5无协议通信示意图高速11NT链接通信在11NT链接中,OMRON可编程终端PT可以直接与CPM2A连接PT必须连接至RS-232C端口,它不可连接到外围端口下图
2.6即为高速11NT链接通信的示意图
2.6高速11NT链接通信示意图1:1PC链接一台CPM2A可以直接与别的CPM2A,CQM1,CPM1,CPM1A,CPM2C,SRM1-V2,或C200HS或C200HX/HG/HEPC链接11PC链接可以进行自动数据链接连接PC必须通过RS-232C端口连接,它不可通过外围端口连接下图
2.7即为11PC链接的示意图图
2.711PC链接示意图
2.
1.2基本系统配置1独立CPU单元下图
2.8为几种不同I/O点数的独立CPU单元PLC示意图图
2.8独立CPU单元PLC示意图在这些PLC中不同型号的PLC的输出结构也有所不同,主要有继电器、漏型晶体管、源型晶体管三种方式2CPU单元和扩展单元最多有3个扩展单元可通过扩展I/O连接电缆与扩展连接器相连(如果NT-AL001适配器与RS-232C端口相连,则由于CPU单元电压限定在直流5VDC,所以只能连接一个扩展单元)有三种型号的扩展单元可用扩展I/O单元、模拟量I/O单元、CompoBus/SI/O链接单元下图
2.9为CPU单元和扩展单元相连的示意图图
2.9PLC扩展链接示意图一个60点I/O的CPU单元连接3个扩展I/O单元可以组成一个有120个I/O点(最大值)的PC拥有6个模拟量输入和3个模拟量输出(最大值)的PC可连接3个模拟量I/O单元组成(如果NT-AL001)适配器与CPU单元的RS-232C端口相连时,只能连接1个模拟量I/O单元CompoBus/SI/O链接单元(从站单元)可与CPU单元相连I/O数据(8点输入与8点输出)是在CPU单元与分配给CompoBus/S从站的区域之间传送(与从站交换的I/O数据是内部数据;无外部输入或输出端)另外,有两点需要注意一是可以同时连接不同类型的扩展单元例如,扩展I/O单元,模拟量I/O单元,CompoBus/SI/O链接单元可同时连接到CPU单元;二是当一个NT-AL001适配器与RS-232C相连时,由于电源电压的限制只能有1个扩展单元与CPU单元连接图
2.10和图
2.11分别表示了三种扩展I/O单元以及其他一些扩展单元图
2.10三种扩展I/O单元示意图图
2.11其他扩展单元示意图
2.
1.3结构与操作1CPU单元结构CPU单元中主要包括以下几个结构组成I/O存储器程序在执行时读/写这存储器区域中的数据部分I/O存储器含有反映PC输入输出状态的位部分I/O存储器在电源上电时被清除,而其他部分被保留程序程序由用户编写,CPM2A循环执行该程序程序可粗分为两部分循环执行的“主程序”和只有当对应中断生成时才执行的“中断程序”PC设置PC设置包括各种启动和操作参数设置参数只能通过编程设备改变,不能通过程序来改变有些参数只有当PC电源上电时才被访问,而其他参数则在上电后定期地被访问对于那些只有当PC电源上电时才被访问的参数,必须在断电再重新上电后才能设定新参数通信开关通信开关确定外围端口RS-232C端口是按标准通信设定还是按PC设置中的通信设定操作下图
2.12即为CPU单元的内部结构图
2.12CPU单元内部结构示意图2操作方式CPM2ACPU单元有以下三种操作方式PROGRAM方式在编程方式下程序不会执行该方式进行以下为程序执行作准备的操作改写如PC设置内的那些初始/操作参数;写入,传送和检查程序;用I/O位强制置位和强制复位来检查接线MONITOR方式程序在MONITOR方式下执行并通过编程设备能进行以下操作在线编辑;监视操作期间的I/O存储器;强制置位/强制复位,改变设置值,在操作期间改变当前值一般来说,MONITOR方式用于程序调试,检测操作和进行调整RUN方式在RUN方式下程序以正常速度执行如在线编辑,I/O强制置位/强制复位,改变设置值/当前值等操作不能在RUN方式下进行,但可以进行I/O位状态监视3启动时的操作方式当电源上电时CPM2A的操作方式取决于PC设置的设定和编程器的方式开关的设定(若接上编程器)表
2.1为几种不同情况下CPU的操作方式表
2.1CPU启动时操作方式表PC设置设定连接编程器未连接编程器字位设定DM660008~1500启动方式由方式开关设定决定启动方式为RUN方式01电源中断前启动方式与操作方式相同02启动方式由00~07位确定00~0700PROGRAM方式01MONITOR方式02RUN方式4启动时PC的操作初始化所需的时间启动初始化所需的时间取决于几个因素,如操作条件(包括电源电压,系统配置和环境温度)和程序内容断电工作最小电源电压若电源电压低于额定值的85%以下,PC将停止工作,所有输出为OFF瞬时断电AC型电源不超过10ms,DC型电源不超过2ms的瞬时断电将不会被检测出,而CPU单元会连续工作AC型电源稍超过10ms,DC型电源稍超过2ms的断电可能会也可能不会被检测出当断电被检测时,则CPU单元会停止工作而所有输出变为OFF自动复位当电源电压恢复到额定电压的85%以上时,工作将自动重新启动5循环操作与中断基本CPU操作当电源一上电CPU就进行初始化处理若初始化无错误,则重复(循环)进行监视处理,程序执行,I/O刷新和通信端口服务下图
3.13为CPU的一般运行模式图
2.13基本CPU操作示意图循环时间能从编程设备中读出AR14存有循环时间的最大值而AR15存有
0.1ms的倍数的当前循环时间循环时间视每次循环中执行的处理会稍有不同,所以循环时间的计算值与实际值不一定一致程序在循环操作条件下执行下图
2.14示出了CPM2A在程序正确地执行时的循环操作在正常情况下,程序执行的结果在程序刚刚执行后(在I/O刷新时)就被传递到I/O存储器,但在程序执行时IORF97可用来刷新指定范围的I/O字指定范围的I/O字在IORF97执行时会被刷新图
2.14CPU循环操作示意图循环时间是程序,I/O刷新,和通信端口服务三者所需时间之和最小循环时间1~9999ms可设置在PC设置DM6619内,当设置了一个最小循环时间1~9999ms可设置在PC设置DM6619内,当设置了一个最小循环时间后,在程序执行后CPU操作暂停,直到最小循环时间到为止如果实际循环时间比在DM6619中设置的最小循环时间长,CPU就不会暂停如果在PC设置DM6618中设置了最大循环时间,而实际循环时间超过该设定,则会发生致命错误,且PC会停止操作RS-232C端口服务和外围端口服务的缺省设定值都为循环时间的5%,但这些设定可在PC设置中改变1%~99%RS-232C端口和外围端口的设定分别在DM6616和DM6617中中断程序执行当主程序执行期间产生中断时,主程序立即中止执行而执行中断程序下图
2.15示出中断程序执行时CPM2A的循环工作通常在程序执行后(在I/O刷新期间),中断程序执行结果就被传送到I/O存储器但是在中断程序执行期间IORF97可用于刷新指定范围内的I/O字当IORF97执行时,指定范围内的I/O字会被刷新图
2.15CPU中断操作示意图正常循环时间按执行中断程序所需要的时间延长
2.2MAD01模拟量I/O单元图2.16MAD01模拟量I/O单元MAD01模拟量I/O单元如上图,各部分名次解释如下模拟量I/O端——联接模拟量I/O设备扩展I/O联接电缆——用于与CPU单元或前一个扩展单元进行联接电缆由单元提供,且不能从单元上拆下扩展联接器——与下一个扩展单元或扩展I/O单元进行连接
2.
2.1使用模拟量I/O单元图2.17模拟量I/O的使用图2.17显示了模拟量的使用过程,CPU单元以与其他扩展单元或扩展I/O单元相同的方式给模拟量I/O单元分配I/O端口,从分配给CPU单元或前一个扩展单元(或扩展I/O单元)的最后一个字的下一个字开始当“m”是最后一个分配给CPU单元或前一个扩展单元(或扩展I/O单元)的输入字,“n”为其最后一个输出字时,其分配方式如下图2.18 模拟量I/O单元分配使用时必须为模拟量I/O单元设置范围代码,以用于转换数据8个范围代码设置值代表了8种模拟量输入和模拟量输出的信号范围组合,如表2.2所示表2.2 模拟输入输出范围代码组合需要注意的是,范围代码最好放在程序段的开头,这样PLC在上电的第一个循环就会写入范围代码,对程序的循环运行是有效的
2.3串口通信串行通信端口(SerialCommunicationFort)在系统控制的范畴中一直扮演着极其重要的角色现代串行通信主要以RS-232和RS-485为代表,二者各有其应用领域,尤其是串行通信端口RS-232是计算机上的标准配置,本次远程控制也使用的是RS-232串行通信端口但是,工业生产环境通常会有噪声干扰传输回路,在用RS-232作传输时经常会受到外界的电气干扰而使信号发生错误;此外RS-232最大的传输距离在不另加缓冲器的情况下只有15m
[14]因此为了获得更大的传输距离RS-485的通信方式应运而生由上图
2.19可知,RS-232的信号标准是参考地线而来的,传输参考接地端1来传送数据;接收端则参考地端2来还原输出信号;在两个接地端同电位的情况下,传输端与接收端的信号会呈现出相同的结果但如果有噪声进入到传输线路上,可能会产生干扰干扰信号在地线和信号上均会产生影响,原始信号在加上干扰信号后依然传送到接收端;而地线部分的信号则被地电位抵消了
[15]
[16]因此信号发生了扭曲,进而影响整个信号RS-485的传输方式则不会产生这种情况,其传输方式如图
2.20所示图
2.20RS—485信号传输方式RS-485的信号在传送出去之前会先分解为正负两条线路,当达到接收端后,再将信号相减还原成原来的信号如果将原来的信号标准为(DT),而被分解的信号分别标准为(D+)和(D-),则原始信号在传输端传送出去时的运算关系如下(DT)=(D+)-(D-)同样的,接收端在接收到信号后,也按上式的关系将信号还原成原来的样子如果此线路受到干扰,这时在两条传输线上的信号会分成为(D+)+NOISE和(D-)+NOISE,如果接收端接收到此信号,则它按一定的方式将其合成合成的方程式如下(DT)=[(D+)+NOISE]-[(D-)+NOISE]=(D+)-(D-)此方程与前一方程的结果是一样的,所以利用RS-485网络可以有效的防止噪音干扰,也正因为这种特性,工业上比较适合使用这种串行传输方式,RS-485工作方式为半双工,当用于多站互连时可节省信号线,便于高速、远距离传送
[17]
[18]3组态王软件简介在使用工控软件中,我们经常提到组态(Configuration)一词简单的讲,组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程
[19]与硬件生产相对照,组态与组装类似如要组装一台电脑,事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等,我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间,因为它一般要比硬件中的“部件”更多,而且每个“部件”都很灵活,因为软部件都有内部属性,通过改变属性可以改变其规格(如大小、性状、颜色等)在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序(如使用BASICCFORTRAN等)来实现的编写程序不但工作量大、周期长,而且容易犯错误,不能保证工期组态软件的出现,解决了这个问题
[20]对于过去需要几个月的工作,通过组态几天就可以完成组态软件是有专业性的一种组态软件只能适合某种领域的应用北京亚控公司的组态王软件就是专门应用于工业控制系统的组态软件
3.1组态王程序组成员组态王
6.53软件程序组中包括三个文件夹和四个文件的快捷方式,内容如下组态王
6.53组态王工程管理器程序(ProjManager)的快捷方式,用于新建工程、工程管理等;工程浏览器组态王单个工程管理程序的快捷方式,内嵌组态王画面开发系统(TouchExplorer),即组态王开发系统;运行系统组态王运行系统程序(TouchVew)的快捷方式工程浏览器(TouchExplorer)和运行系统(TouchVew)是各自独立的Windows应用程序,均可单独使用;两者又相互依存,在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统(TouchVew)运行环境中才能运行;信息窗口组态王信息窗口程序(KingMess)的快捷方式;帮助组态王帮助文档的快捷方式;电子手册组态王用户手册电子文档的快捷方式;安装工具\安装新驱动安装新驱动工具文件的快捷方式;组态王文档\组态王帮助组态王帮助文件快捷方式;组态王文档\组态王IO驱动帮助组态王IO驱动程序帮助文件快捷方式;组态王文档\使用手册电子版组态王使用手册电子版文件快捷方式;组态王文档\函数手册电子版组态王函数手册电子版文件快捷方式;组态王在线\在线会员注册亚控网站在线会员注册页面;组态王在线\技术BBS亚控网站技术BBS页面;组态王在线\IO驱动在线亚控网站IO驱动下载页面
3.2制作一个工程的一般过程建立新组态王工程的一般过程是1设计图形界面(定义画面)2定义设备3构造数据库(定义变量)4建立动画连接5运行和调试需要说明的是,这五个步骤并不是完全独立的,事实上,这四个部分常常是交错进行的在用组态王画面开发系统编制工程时,要依照此过程考虑三个方面1图形用户希望怎样的图形画面?也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备2数据怎样用数据来描述工控对象的各种属性?也就是创建一个具体的数据库,此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性,比如温度,压力等3连接数据和图形画面中的图素的连接关系是什么?也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令下面就通过工程建立的过程来简要的介绍下组态王软件的使用方法,主要有以下几部分内容1建立组态王新工程要建立新的组态王工程,请首先为工程指定工作目录(或称“工程路径”)“组态王”用工作目录标识工程,不同的工程应置于不同的目录工作目录下的文件由“组态王”自动管理2创建组态画面进入组态王开发系统后,就可以为每个工程建立数目不限的画面,在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的系统为用户提供了矩形(圆角矩形)、直线、椭圆(圆)、扇形(圆弧)、点位图、多边形(多边线)、文本等基本图形对象,及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作,全面支持键盘、鼠标绘图,并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具“组态王”采用面向对象的编程技术,使用户可以方便地建立画面的图形界面用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成同时支持画面之间的图形对象拷贝,可重复使用以前的开发结果3定义IO设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备外部设备包括下位机(PLC、仪表、模块、板卡、变频器等),它们一般通过串行口和上位机交换数据;其他Windows应用程序,它们之间一般通过DDE交换数据;外部设备还包括网络上的其他计算机只有在定义了外部设备之后,组态王才能通过I/O变量和它们交换数据为方便定义外部设备,组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接4构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分,工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上,操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场,所有这一切都是以实时数据库为中介环节,所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁在TouchVew运行时,它含有全部数据变量的当前值变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义,定义时要指定变量名和变量类型,某些类型的变量还需要一些附加信息数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”,数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息5建立动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系,当变量的值改变时,在画面上以图形对象的动画效果表示出来;或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值“组态王”提供了21种动画连接方式属性变化线属性变化、填充属性变化、文本色变化位置与大小变化填充、缩放、旋转、水平移动值输出模拟值输出、离散值输出、字符串输出值输入模拟值输入、离散值输入、字符串输入特殊闪烁、隐含、流动(仅适用于立体管道)滑动杆输入水平、垂直命令语言按下时、弹起时、按住时一个图形对象可以同时定义多个连接,组合成复杂的效果,以便满足实际中任意的动画显示需要6运行和调试组态王工程已经初步建立起来,进入到运行和调试阶段在组态王开发系统中选择“文件\切换到View”菜单命令,进入组态王运行系统在运行系统中选择“画面\打开”命令,从“打开画面”窗口选择“Test”画面显示出组态王运行系统画面,即可看到矩形框和文本在动态变化组态王软件的核心部分是数据词典(数据库)在组态王(TOUCHVEW)运行时,工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上,同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场,所有这一切都是以实时数据库为中介环节,数据词典(数据库)是联系上位机和下位机的桥梁组态王中变量主要分为基本类型变量与特殊类型变量两大类必需注意的是,在对I/O变量进行定义的时候必须指定所连接的I/O设备,以及数据放的寄存器,否则就会出现通信错误4系统的设计与调试
4.1设计思路本课题的系统设计主要由两部分组成,即上位机跟下位机上位机主要用于显示和工程人员的远程控制,下位机部分则是作为工业现场控制,所以,整个设计思路由以下三部分组成
1、下位机控制程序及各组件的搭建联结控制程序的设计是最核心的部分,用于实现对现场温度数据的采集,转换,比较还有作出判断,执行逻辑控制,使其能对被控对象单独完成所有提出的控制要求
2、上位机组态王系统界面的搭建这个界面,主要是为了能够直观的显示温度控制现场的情况,设计友好的人机交流界面
3、上位机与下位机的通信连接将前面所完成的两部分进行整合,使上位机部分能够显示下位机的控制状态,即在上位机显示被控对象的温度状态、控制状态,下位机的操作状态,实现整个系统的控制
4.2下位机的设计与调试
4.
2.1PLC的程序设计搭建好PLC与被控对象、温度传感器之间的连接,程序采用欧姆龙公司的CX-Programmer软件进行编写,其操作主界面如图4.1图4.1CX-Programmer软件操作主界面采用梯形图的方式对CPM2AH进行编程,其完整梯形图如图4.2图4.2完整程序梯形图将上述梯形图转换成语句表如下LDP_First_CycleMOV21#FF0012/*设置模拟I/O单元数值转换方式*/LD
0.00OR
10.00ANDNOT
0.02OUTTR0OUT
10.00TIM001#0001/*100ms延迟*/ANDTIM001MOV212DM0/*读取模拟量转换后的数值*/LDTR0AVG18DM0#0003DM1000/*求三次的平均值*/LD
10.00OUTTR0ZCP88DM1000#0062#0072/*对数值结果进行比较*/ANDP_GTOUT
10.01/*大于上限,红灯亮*/MOV21#000112/*控制加热电压为最小值*/TIM002#600/*60秒计时程序*/ANDTIM002MOV21#000012/*60秒调整依然是红灯,切断电源*/LDTR0ANDP_EQ/*上下限之间,绿灯亮*/OUT
10.03LDTR0ANDP_LTOUT
10.02/*小于下限,蓝灯亮*/MOV21#00FF12/*开启加热*/
4.
2.2问题及解决方法
①模拟量未能转换在设计初期,程序运行后DM1000通道数据总是为0,A/D模块对温度数据未进行转换,经咨询欧姆龙技术人员,将程序中对A/D模块的转换范围设置放到程序的开端,并且明白P_First_Cycle循环标志仅在PLC上电的第一个循环周期执行,而不是在启动PLC后执行,问题解决
②程序下载至PLC失败在开始阶段,当用CX-Programmer软件编译调试完程序,并且连接上了PLC,在将程序下载之PLC上时总是提示下载程序失败,若在下载的时候不使用“扩展指令”、“设置”,则程序运行不正确后经师兄指导,由于程序中使用了扩展指令ZCP,AVG,必须先把设置传送至PLC,然后在传送程序,问题解决同时,使我认识到在PLC中,指令的标志是按其功能代码区别,而不是助记符
③被控对象温度平均值的求法CPM2A中可以有两种方式来获得平均值,其中一种方法是使用AVG指令,另一种方法是使用SUM指令AVG指令是CPM2A中新增加的一个扩展指令,它用于计算N个周期内的数据源字平均值,在执行条件为ON时,每一个周期执行一次,假如设置的周期数较多或者循环周期很长,那么得到平均数据的时间会很长,不能跟踪现场SUM指令也是CPM2A中新增加的指令,在执行条件为ON时,其可以对指定的连续N个通道内的数据进行求和,然后通过除法运算得到平均值,优点是能够在一个周期内获得数据,在循环周期长时可以显著改善现场跟踪能力由于本课题中程序不长,循环周期也较少,并不会出现很大的延迟,所以使用AVG指令来求得平均值
4.3上位机的设计与调试
4.
3.1组态王工程的建立和调试这部分的设计主要是在计算机的组态王软件上设计人机交流界面,需要学会运用组态王软件,主要设计过程如下
①创建项目在组态王软件中新建一个工程项目,命名为“温度控制”
②建立新画面打开新建的项目,在“画面”中新建一个画面,将各个所需要的组件添加到画面中,如开关,实时曲线,显示状态等完成后的画面如图4.3图
4.3组态王中的显示控制画面
③定义数据变量在组态王(TOUCHVIEW)运行时,工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上,同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场,所有这一切都是以实时数据库为中介环节,数据词典(数据库)是联系上位机和下位机的桥梁组态王中变量主要分为基本类型变量与特殊类型变量两大类必需注意的是,在对I/O变量进行定义的时候必须指定所连接的I/O设备,以及数据放的寄存器,否则就会出现通信错误图
4.4为数据变量定义窗口图
4.4组态王数据变量定义窗口
④动画连接为使组态王能够直观动态显示现场的情况,就需要配置好画面上的组件的动画连接
4.
3.2问题及解决方法由于是初次接触组态王,对于其很多的方法跟设置需要不停的查阅组态王软件的使用手册及询问同学,在不断的摸索中跟老师的指导下完成此部分设计
4.4上位机与下位机的通信连接
4.
4.1通信的实现在分别完成上位机部分跟下位机部分之后,需要对两部分进行连接通信,以完成课题的任务在组态王的“设备”窗口中新建PLC,选择欧姆龙的C系列,通讯协议采用Hostlink,通信端口采用COM1,其他按默认如图
4.5图
4.5组态王中配置设备然后根据CPM2A的通讯协议要求,在组态王中设置好通信端口为RS232C,通信参数如下波特率9600数据位7停止位2奇偶校验偶校验通信超时3000毫秒
4.
4.2问题及解决方法
①通信数据传输方式由于对组态王协议的不了解,在开始传输通信时,不清楚数据该如何传输,认为数据的传送是完全需要自己定义,编写程序来实现,这无疑是一个大难题,在查阅了相关资料跟老师指导之下,组态王中选择Hostlink协议,已经可以实现数据的传输通信
②数据传输端口在对CPM2A进行编程跟上位机通信时,使用了同一个通信端口,但是在将程序写入至PLC,转为使用组态王监控PLC之后,总是不能建立通信连接,提示打开通讯端口失败经网上搜索,确认出现这个问题的原因是PLC的通信端口产生冲突,不能同时为两个程序所用,上电之后只能与一个程序建立一个通信连接经PLC断电,重新上电,通讯冲突问题解决5结论通过本次毕业设计,完成了课题任务,实现了课题要求的温度范围控制及出现意外时候的报警,学习了解了工业现场中,使用PLC进行温度控制的方式方法,综合应用了之前所学的可编程控制器、数据信号采集及传输等课程内容,加深了我对这些课程应用的理解提高了我综合运用这些知识的能力,锻炼了独立解决问题的能力,在出现问题的时候,通过查找相关资料以及其他各种方式来解决问题这些对我将来走入工作岗位是十分有裨益的由于时间的关系,课题设计还有很多可以完善的地方,如对温度范围进行控制的时候,可以采用目前比较流行的模糊控制,前馈控制,在设定的温度范围内,通过吸收工厂经验,建立合适的模型,提前作出控制反映,保证控制精度的同时,节约能源,减少仪器动作,增加仪器使用寿命相信加入了模糊控制等方式之后,这样的通用远程温度控制系统会有更强的生命力,也能获得更多的实践与发展机会参考文献
[1]丁勇郑金吾.基于PLC的泵机组控制[J].自动化仪表2004252:60~62
[2]周梅芳金向平陈偕雄.基于PLC的智能PID控制方法及其应用[J].化工自动化及仪表2003306:46~48
[3]徐世许等.可编程控制器原理应用网络[M].合肥:中国科学技术大学出版社
2000.221-223
[4]金凯鹏,胡即明.基于模糊PID算法远程温度控制系统的实现[J].微计算机信息200622:70~71
[5]石锦松贺丽萍白亮等.基于ARM的远程控制温控系统的设计[J].现代电子技术200712:80~81
[6]黄柱深黄超麟.基于PLC的高精度温度控制系统[J].机电工程技术2006352:65~66
[7]杨万能秦付军.基于PLC的网络温度监控系统的研究[J].西华大学学报2006256:71~72
[8]AshrafSalahElDinZeinElDin.PLC-BasedSpeedControlofDCMotor[A].In:PowerElectronicsandMotionControlConference
2006.IPEMC
06.CES/IEEE5thInternational[C].Portoroz:
2006.1~6
[9]金文兵.由组态软件、智能仪表及PLC等组成的工业控制系统[A].电力自动化设备2005256:73-76
[10]蔡军曹慧英.基于PLC的温控系统设计与研究[J].微计算机信息200723:26~28
[11]戴星谢守勇何炳辉等.基于PLC的温室控制系统的研究[J].农机化研究20071:129~132
[12]马莹郑文斌.基于PLC和组态软件的加热炉温度控制系统[J].中国科技信息200721:64~67
[13]王元蒋兆远.基于simensS7一200PLC的网带式高温隧道灭菌烘箱温度控制系统[J].自动化技术与应用2007267:62~64
[14]郭犇陈建明董泳等.基于小型PLC的温度模糊控制系统[J].自动化技术与应用2006254:17~18
[15]MasaoOgawaYutakaHenmi.RecentDevelopmentsonPC+PLCbasedControlSystemsforBeerBreweryProcessAutomationApplications[J].SICE-ICASEInternationalJointConference20061053~1056
[16]李阳.利用PLC的多路监控系统[J].电气传动自动化.2005272:57~58
[17]金文兵.由组态软件、智能仪表及PLC等组成的工业控制系统[J].电力自动化设备.2005256:73~76
[18]顾静,王寿增,程桂玲等.由组态软件、智能仪表及PLC组成的电炉群控制系统[J].工业加热.2007364:57~58
[19]高文才布日古德.远程控制循环水加热恒温室的设计与控制[J].机械工程师.200710:91~93
[20]蔡文学廖长荣.远程温度监控系统的设计[J].重庆文理学院学报.200654:90~92致谢感谢信号电压输出端接收端图
2.19RS-232信号传输模式接地端1接地端2传输端串音接收端地电压(仅晶体管输出)(仅晶体管输出)计算机PLCA/D转换模块变送器热电阻/热电偶电压调整器加热器电压调整器加热器热电阻/热电偶变送器A/D转换模块PLC计算机35。