基于工业以太网的物料混合设计.docx

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基于工业以太网的物料混合设计

课题：

基于工业以太网的物料混合设计

目录

第一章设计方案2

1.1．设计要求2

1.2．设计分析2

第二章PLC设计3

2.1工业以太网概述3

2.2硬件组态3

2.3软件编程6

2.4程序仿真12

第三章监控系统组态13

3.1Winccflexible触摸屏13

3.1.1Winccflexible设计13

3.1.2建立通信连接15

3.2MCGS网络组态16

3.2.1MCGS界面设计16

3.2.2PLC设备连接设置17

3.2.3MCGS设备连接18

第四章总结23

参考文献24

第一章设计方案

1.1．设计要求

按下启动按钮，装置按以下规律运行：

（1）液体A阀门打开，液体A流入容器，当液面达到高度h2时，关闭阀门；

（2）打开液体B阀门，液体B流入容器，液面高度达h3时，关闭液体B阀门，搅拌电机开始搅动，工作10s后停止搅动，放料阀打开，放出液体；

（3）当液面降到高度h1时，延时5s后关闭放料阀，然后重新开始循环。

（4）按停止按钮，系统立即停止运行。

1.2．设计分析

首先，运用流程图分析设计要求，如图2.1：

由流程图可以看出，液面高度是变量，阀门的开闭由液面高度所决定，开启和关闭按钮是系统是否允许运行的条件，在允许运行条件下，系统按要求开始运行，停止按钮一旦按下，系统则停止运行。

可以用以下几种方法，实现设计要求：

（1）step7软件编程。

通过编写程序，再由仿真软件判断程序是否达到要求。

（2）MCGS组态软件。

设置模拟页面，在运行策略中编写脚本程序，实现要求。

（3）运用PLC网络通信。

通过各个站点的连接，在实物中进行观测。

（4）PLC网络通信与组态软件相结合。

鉴于设计的实时性和可操作性，这里选用PLC工业以太网中的PROFINET通信协议与WinCCflexible或MCGS进行通信连接。

即选用西门子PLC、WinCCflexible和MCGS。

在PLC中进行软件编程，运用PROFNET协议进行主从站的通信连接，达到远程操控检测的目的，为了检验程序的正确性，通过与WinCCflexible或MCGS进行通信连接，运用模拟界面，观测设计结果。

第二章PLC设计

2.1工业以太网概述

工业以太网是基于IEEE802.3（Ethernet）的区域和单元网络。

采用多种传输介质（同轴电缆、工业双绞线、光电缆），均具有高的传输率。

目前为止，在工业控制中还没有统一的应用层协议，但较为广泛应用的有4种主要协议：

HSE、ModbusTCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。

（1）HSE

由FF现场总线基金会提出，是以太网协议IEEE802.3，TCP/IP协议族与FFIll的结合体。

（2）ModbusTCP/IP

由施耐德公司推出，以非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合。

（3）ProfINet

由德国西门子公司发布，将Profibus与互联网技术相结合，形成了ProfiNet，ProfiNet采用“标准TCP/IP+以太网”作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。

它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。

（4）Ethernet/IP

适合工业环境应用的协议体系，是基于CIP（ControlandInformationProto-Col）协议的网络。

在本次设计中，使用的是西门子PLC，故选择PROFINET协议。

2.2硬件组态

1.创建S7项目

利用“NewProject”Wizard创建S7项目，并命名为“wuliaohunhe1”，项目包括OB1和OB100。

2.硬件配置

在创建的“wuliaohunhe1”项目内打开SIMATIC300Station文件夹，双击硬件配置窗口。

本次设计的系统是利用PROFINET协议，由一个主站和一个远程I/O构成，实现远程操作和监控。

（1）主站配置

根据实验室现有的S7-300型号，在插入机架Rail后，选择电源PS3075A和两个集成PN/DP接口的CPU314C-2PN/DP。

双击MPI/DP弹出属性配置窗口，将接口类型改为“MPI”，点击属性按钮，弹出MPI属性接口界面，组态MPI站地址为4。

然后选择新建按钮，新建MPI子网，保持默认名称PRFIBUS

（2），继续点属性，将传输率设为187.5Mbit/s。

点击确定。

如图2.1所示。

图2.1MPI属性设置

（2）远程I/O配置

在硬件配置窗口中，从PROFINET-IO目录下找到I/O目录选择ET200ecoPN中的DI/DO子目录中的“

”，将其拖放到“Ethernet（3）：

PROFINET-IO-System（100）”上，。

如图2.2所示。

图2.2远程I/O配置

点击“Ethernet（3）：

PROFINET-IO-System（100）”上的ET200ecoPN图标，在下方的视图中显示了ET200ecoPN的机架，可以看到该设备包含一个输入输出端口，可以更改该端口的I/O地址这里改为8位输入和8位输出，但远程I/O站点的I/O地址区不能与主站和其他远程I/O站的地址重叠。

图2.3远程I/O地址设置

图2.4硬件完成画面

图2.5组态网络

完成的硬件组态和组态网络如图2.4、2.5所示。

3.保存和编译硬件配置，并下载到PLC。

2.3软件编程

1．编写符号表

根据硬件配置时I/O端口的地址分配及设计要求，将启动按钮SB1，停止按钮SB2设置成输入信号，将A阀门YV1，B阀门YV2，放料阀YV3设置为输出。

图2.6符号分配表

2.规划程序结构

按分布结构设计控制程序。

程序结构图如图2.6。

OB100为初始化程序，OB1为主循环组织块。

FC1、FC2、FC3、FC4为功能。

对于液面高度传感器，运用比较器对反馈值和设定值进行比较决定阀门的关闭。

3.编辑功能

分别创建4个功能：

FC1、FC2、FC3和FC4，在块文件夹中依次出现逻辑快图标，分别打开各块的S7程序编辑器，完成下列逻辑快的编辑。

（1）FC1编写：

设中液位传感器为输入接口L10，当中液位传感器检测到液面高度为设定值时，置1，上升沿检测到之后通过复位关闭阀门A，通过置位打开阀门B。

即实现当液位达到高度h2时，关闭液体A阀门，打开液体B阀门，由单个网络组成。

（2）FC2编写：

设定高液位传感器为输入接口L6，当高液位传感器检测到液面高度为设定值时，置1，上升沿检测到之后通过复位关闭阀门B，通过置位打开搅拌器。

即实现了当液面高度达到h3后，关闭液体B阀门，开启搅拌机，由单个网络构成。

（3）FC3编写：

运用定时器设置搅拌时间10s，搅拌器接通后开始倒计时，当时间变为0，下降沿检测到后，搅拌器复位为0，放料阀置位为1。

即实现搅拌10s后，打开放料阀的要求，由两个网络构成。

（4）FC4编写：

设定低液位传感器输入接口为L7，当液面高度降到设置的最低高度，记下最低液位，运用定时器定时5s，倒计时为0后，最低液位和放料阀均复位为0，即实现在液面高度降到h1后，延时5s关闭放料阀，由三个网络构成。

（5）OB100初始化程序编写：

在开始按要求运行程序时，先对所有的设定参数进行复位，保证所有初始值均为0，由单个网络构成。

4.在OB1中调用功能

当FC1、FC2、FC3和FC4编辑完成后，在程序元件目录中就会出现可调用的功能。

主循环组织块由11个网络构成。

值得注意的是，各个程序的端口设置地址应与所选择的I/O从站的地址相同。

先设定要求中所需最低液面高度，以及模拟量信号输入端口，如程序段1和程序段2所示。

MW10为设定的最低液位高度，MW12为送出的模拟量液位信号，运用比较器判断模拟量与设定值的大小，当

输入为真，则M4.4=1，否则等于0。

当为真时，打开液体阀门A，将液体A流入容器。

之后依次将MW14设置为中液位高度，MW18设置成高液位高度，通过比较器，决定阀门的开启和关闭。

如程序段6、7、9、10.

当开启按钮按下时，调用功能FC1、FC2、FC3和FC4，实现控制要求，程序如程序段8.

编写复位循坏程序，当未按下停止按钮时，系统一直重复循环要求的操作，当按下停止按钮，检测器检测到下降沿后，立即停止操作。

如程序段11所示。

2.4程序仿真

点击step7中的仿真器，添加所需要检测和设置的标量数据模块，在硬件和程序均下载到PLC中后，进行仿真。

值得注意的是PG/PC接口的选择，硬件DP属性的设置和仿真器选择的模拟端口必须一致。

由于液位的当前高度在实际应用中是由液位传感器测得之后反馈得到的，这里就手动改变参数。

IB136为最低液面高度的设定值，IB137为中等液面高度设定值，IB138为高液面设定值，IB0为模拟输入量。

IB8.0为启动按钮，IB8.1为停止按钮，QB8.0为A阀门，QB8.1为B阀门，QB8.3为搅拌器，QB8.4为放料阀。

经过模拟最终确定所编写程序正确。

第三章监控系统组态

3.1Winccflexible触摸屏

Winccflexible监控系统组态是HMI与机械设备或过程控制之间PLC以“变量”的方式实现的通信。

图3.1系统组态基本结构

3.1.1Winccflexible设计

启动Winccflexible，点击创建新项目，

图3.2新建Winccflexible项目

图3.2Winccflexible与step7集成

在集成一个S7项目中添加step7中的程序，完成集成后，在step7中出现以下画面：

图3.3设备集成画面

点击确定后进行下一步，在HMI的选择中，选择“KTP600BasiccolorPN”，单击确定，进行组态界面设计。

图3.4设备选择

根据设计要求对设计起始画面如下：

图3.5起始画面

将step7中所编写的参数写入Winccflexible的变量中，应注意所写变量的地址与step7中各变量地址一一对应，将采样周期设计成100ms。

图3.6编辑变量

将相应的变量与起始界面中的参数相对应，如搅拌机的设计，双击圆出现如图3.6所示界面，加入将变量_7即搅拌机的输出变量，选择类型为位，当数值围为0时灯不亮，为1时灯变为绿色，即表示搅拌机在运行。

图3.7搅拌机参数设计

其他参数设置方法相同。

3.1.2建立通信连接

图3.8通信连接

如上图所示，以太网的地址应与触摸屏地址相同，这里为：

192.163.0.10，PLC设备地址与step7地址相同为：

192.163.0.1。

点击下载按钮，计算机名或IP地址应与触摸屏地址相同，设置完成后，点击传送。

最终在触摸屏中实现设计功能。

图3.9传送

3.2MCGS网络组态

3.2.1MCGS界面设计

启动MCGS，点击“用户窗口”

“新建窗口”

“窗口属性”。

将窗口名称和窗口标题写成：

液体混合装置的控制。

点击“动态画面”，在工具箱中选择所需要的设备，元件等。

根据设计要求，完成动态画面如下：

3.2.2PLC设备连接设置

（1）将硬件连接，把网卡插入计算机，用电缆将PLCMPI口与网卡相连。

MCGSPROFIBUS-S7通信连接方式如下图所示：

（2）在step7控制面板中找到“设置PG/PC接口”，选择添加/删除接口处的选择，将CP5611安装添加后运用。

选择PCAdapter（MPI）后确定。

3.2.3MCGS设备连接

1．定义数据变量

点击工作台“实时数据库”窗口，选择新增对象窗口，在窗口中增加新变量，根据设计要求添加数据对象。

选中数据对象，点击对象属性，可以根据要求，重新命名数据名称以及数据类型，部分数据变量如下图所示：

2.液面各元件属性设置

返回用户窗口，点击动态画面，双击界面中的任一元件，即会弹出单元属性设置窗口。

这里以液体B阀门为例，点击“动画连接”，点击图元名后点击最右边的按钮进入动画组态属性的设置，编写名称，其他元件操作相同。

图3.10液体B阀门属性设置

3.设备窗口的选择

由于S7300中选择的PC/PG接口为PCAdapter（MPI），为了使得设备能够连接，应该选择相同的连接端，具体操作如下：

点击设备窗口中的设备组态，在设备工具箱中点击设备管理按钮，选择所需的设备，选择PLC西门子中的S7300MPI设备，将选好的设备增加与选定设备中，在将出现在设备工具箱中的设备添加在MCGS窗口中。

双击设备窗口中的设备可以进行属性设置，设备名称可以根据需要更改。

初始工作状态，用于设备的起始工作状态，设为启动，则在进入MCGS运行环境后，即自动开始操作设备，设为停止，需用MCGS设备操作函数和策略在MCGS运行环境中运行。

PLC的站地址即为PLC的MPI地址，由于PLC中MPI地址为4，故改为4。

网络传输速率与PLC中MPI传输速率相同。

点击“设置设备内部属性”中的

，对西门子S7-300PLC通道属性设置，点击增加通道按钮，设定输入、输出等地址，所设置的通道要与PLC中所编写的输入、输出端口相同。

通道类型包括输入，输出，中间寄存器和在PLC定义的任何数据块。

PLC通道设置部分地址如下：

选定完成各通道后，对设备变量进行连接：

配置完成确认后，点击“下载工程并运行环境”按钮，观察现象。

运行结果如下图所示：

第四章总结

根据此次课程设计，让我懂得了如何建立硬件组态、网络界面和通讯连接。

对于如何使用PROFINET通信协议，如何建立工业以太网络有了进一步的了解。

在设计的过程中，对于设计要求的分析是十分重要的，弄清楚设计的要求，根据要求、实时性和可操作性提出相应合理的方案，才能够进行之后的操作。

与此同时，对于遇到难以解决的问题时，要懂得查阅相关资料，冷静分析解决问题。

在此次设计中，遇到了许多的问题，比如如何实现当液面达到规定高度时自动执行下一个阶段，一开始的时候，我是利用开关按钮作为液面高度传感器，通过拨动开关来决定是否运行下一阶段，但这对于液面高度的控制和一直循环无法实现，完全靠个人手工控制。

后来在查阅相似的实验资料后，发现运用比较器即可实现，操作人员只需设置自己所需要的高度后，通过比较器与实际液位相比较决定是否进行下一阶段，实现了循环和高度控制目的。

对于监控界面，这里使用的是winccflexible和MCGS，通过查阅资料，实现监控目的。

通过本次课程设计，我发现了自身的不足之处，也将之前学过的知识很好的复习巩固了一遍，达到了理论与实践相结合的目的。

参考文献

[1]陈瑞、席巍、宋柏青，西门子工业自动化项目设计实践，机械工业出版社，2009.5

[2]刘泽祥、李媛，现场总线技术（第2版），机械工业出版社，2011.1

[3]胡健，西门子S7-300PLC应用教程，机械工业出版社，2007.2

[4]好搜百科