PLC控制的下的运料小车装置MCGS组态画面设计.docx
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PLC控制的下的运料小车装置MCGS组态画面设计
绪论4
摘要
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器。
随着现代工业设备的自动化越来越多的工厂设备采用PLC,变频器,人机界面自动化器件来控制,因此自动化程度越来越高。
送料小车控制系统使用了PLC控制，被控对象是送料车，属于自动循环控制系统，该系统能安全、可靠运行的情况，实现计算机自动监控。
本次设计介绍了FX2NPLC机的性能及其特点，可编程序控制器（programmablecontroller）简称PLC。
由于PLC的性能优越，功能完备，灵活性强，通用性好和继电接触器控制简单易懂，维修方便等双重优点，形成以微电脑为核心的电子控制设备，可编程序控制器是近年来一种极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置。
可编程控制器（PLC）具有编程软件采自易学易懂的梯形图语言，控制灵活方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠等特点，现在的工业自动化生产控制多采用可编程控制器来实现。
该控制系统，根据实际要求利用PLC的实时控制和顺序处理功能，完成系统控制，在本次论文中给出了控制系统的主电路图及软件设计
关键词：
可编程序控制器（PLC）计算机技术自动送料小车
绪论
二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
第一章设计任务和要求
1.1 课题的背景及意义
随着现代工业设备的自动化越来越多的工厂设备采用PLC，变频器，人机界面自动化器件来控制，因此自动化程度越来越高。
电器控制技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展的。
在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统。
控制系统是整个生产线的灵魂，对整个生产线起着指挥的作用。
一旦控制系统出现故障，轻者影响生产线的继续进行，重者甚至发生人生安全事故，这样将给企业造成重大损失。
运料小车是基于PLC控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于运料小车的运行，因此，运料小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系。
运料小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。
所以，对运料小车控制系统的设计要予以重视。
1.２设计内容及要求
本课题的主要设计内容有：
1）确定运料小车控制系统的总体设计方案；
2）设计运料小车拖动电机的电器控制线路原理图；
3）确定运料小车控制系统PLC的型号规格，确定PLCI/O元件，列出PLCI/O元件分配表；
4）设计运料小车控制系统的PLCI/O接线图，PLC程序的总体结构图和梯形图（包括公用程序、控制程序、信号显示和故障报警程序等。
设计题目：
PLC自动运料车
目的及要求：
1）熟练掌握PLC的指令系统，学会定时器、计数器和特殊继电器等等在实际中的应用；
2）通过设计牢固掌握用功能图设计梯形图的方法、步骤及绘制梯形图所遵循的规则和设计技巧：
3）学会时序控制程序的设计和调试方法：
4）学会PLC输入/输出点的分配、接线，对PLC有系统的了解。
第二章总体方案设计
本系统采用了PLC控制原理，设计总体控制方案，用组态软件进行实时控制的监控。
2．1送料车自动循环控制系统的构成
送料车前进和后退用开关来控制。
在装料和卸料的地方有限位开关来实现，当小车到达装料出时，碰到限位开关SQ1，实现小车的装料动作；当小车到达卸料处时，碰到限位开关SQ2，实现小车的停车和卸料动作。
2．2工作过程
（1）第一次按下送料按钮，预先装满料的小车前进送料到达卸料处（SQ2）自动停下并卸料；
（2）经过对卸料所需设定的时间ｔ2延时后，车子则自动的返回到装料处（SQ1）；
（3）经过装料所需设定的时间ｔ1延时后，车子自动的再次前进送料，卸完料后车子又自动返回装料，如此自动往返循环送料。
当输入为停止信号时，系统将停止运行。
工作过程如图2.1所示。
图2.1 送料车工作过程流程图
2．3方案设计
1）根据控制目的和要求，经过仔细分析各种因素，制定了整体的设计方案：
以FX2NPLC为核心，完成对输入输出点的控制。
监控系统通过MODBUS通信协议与PLC进行I/O点的通信。
输入部分包括：
启动/停止按钮输入;输出部分包括:
装料和卸料的控制。
运料小车工作示意图如图2-2所示。
图2-2运料小车工作示意图
2）PLC运料小车接线示意图如图2-3所示。
图2-3小车接线示意图
3）运料小车的工作流程图如图2-4所示。
图2-4运料小车工作流程图
4）运料小车自动往返控制状态转移如图2-5所示。
图2-5运料小车自动往返图
2.4硬件设计
根据控制要求，主控设备选用三菱PLC，小车的行程控制采用限位开关（2个），系统的启动、停止、采用按钮实现，输出采用接触器（2个）控制，一个实现前进，另一个完成后退功能。
第三章软件设计
3．1PLC程序编写
根据控制要求和现有条件，使用实训室计算机已经安装的编程软件，编写PLC控制程序。
控制程序包括启动、停止按钮、数据采集等等。
本实验要用到的是I/O数字量，实验中采用了四个输入四个输出的I/O点，I/O点分配如表3.1。
输入点
输入点作用
输出点
输出点作用
X0
启动按钮SB0
Y0
前进KM1
X1
停止按钮SB1
Y1
卸料KM2
X2
前进限位开关SQ2
Y2
后退KM3
X3
后退限位开关SQ1
Y3
装料KM4
表3.1I/O点分配
3．2监控软件设计
送料车自动往返循环控制系统的监控界面组态软件作为开发平台，主要有控制对象的图形界面和数据库变量组成，数据库变量通过通信接口与PLC进行I/O联接，完成数据交换。
创建新的应用程序关系式的一般过程是：
绘制图形界面、创建数据库、配置I/O数据联接、建立动画连接、运行及调试。
3．3通讯软件设计
本实验采用了MODBUS通信协议来实现PLC之间的通讯。
本实验用动态数据交换（DDE）实现数据交换。
它在同时运行的两个应用程序之间实现一种客户端与服务器之间的关系，服务器应用程序提供数据，并接受对这些数据感兴趣的任何其它应用程序的请求。
发出请求的应用程序被称为客户端。
3.4运料小车自动往返梯形如图3-1所示。
图3-1自动运料小车梯形图
3.5运料小车自动往返程序指令如表3.1所示。
表3.1自动运料小车程序
步数
指令
步数
指令
0
LDM8002
25
SETS23
1
SETS0
27
STLS23
3
STLS0
28
OUTY003
4
LDX000
29
OUTT1K60
5
SETS20
32
LDT1
7
STLS20
33
OUTS0
8
LDIX001
35
RET
9
OUTY000
36
END
10
LDX001
11
SETS21
13
STLS21
14
OUTY001
15
OUTT0
18
LDT0
19
SETS22
21
STLS22
22
LDIX002
23
OUTY002
24
LDX002
第四章MCGS组态软件
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。
它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。
其主要特征和功能大体为：
具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处理性能、有丰富生动的多媒体画面、开放式结构、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、设立对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统的分布式控制和管理等等。
4.1MCGS组态软件结构功能特点
MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态环境相当于一套完整的工具软件，用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。
运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户的制定方式运行，并进行各种处理，完成用户组态环境所设计的目标和功能。
组态环境和运行环境的关系如图4-1所示；
图4-1组态环境运行和运行环境图
由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成。
如图4-2所示。
图4-2组态控制窗口
MCGS的五大组成部分
MCGS组态软件建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。
（1）主控窗口
主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓、运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等内容，是应用系统的主框架。
在主窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，主控窗口负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
（2）设备窗口
设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。
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，送入实时数据库中，然后再把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来管理和调度所有设备构件才能正常工作，并在后台独立运行。
（3）用户窗口
用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面。
其中可以放置三种不同类型的图形对象：
图元、图符和动画构件。
图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画显示与操作的模块，用户可以直接使用。
通过在用户窗口内放置不同的图形对象来搭建多个窗口，用户可以制作各种复杂的图形界面，以便用不同的方式实现数据和流程的可视化。
组态工程中的用户窗口，最多可以定义512个。
所以的用户窗口均位于窗口内，其打开时窗口可见，关闭时窗口不可见。
允许多个用户窗口同时处于打开状态，其位置、大小和边界等属性可以随意改变或设置。
（4）实时数据库
实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，是MCGS系统的核心。
它将MCGS工程各个部分连接成有机的整体。
本窗口内定义的不同类型和名称的变量，将作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
MCGS用实时数据来管理所有的实时数据。
从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库进行报警处理和存盘处理。
因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数（属性）以及对该变量的操作方法（设置报警性、报警处理、存盘处理等）。
这种将数值、属性和方法封装在一起的数据称为数据对象。
实时数据库采用面向对象的技术，不仅仅为其他部分提供服务，还为系统各个功能部件提供数据共享。
（5）运行策略
运行策略是对系统运行的流程实现有效控制的手段。
本窗口主要完成对工程运行流程‘’定时器、配方操作和多媒体输出等。
运行策略本身是系统提供的一个框架，里面放置有策略条件构件和由策略构件组成的策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。
一个应用系统有三个固定的运行策略：
启动策略、循环策略和退出策略，用户也可以根据具体需要创建新的用户策略、循环策略、报警策略、事件策略、热键策略，并且用户最多可创建521个用户策略。
启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出运行时调用，循环策略由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其他部件调用。
4.2MCGS组态软件功能及其特点
MCGS的主要功能和基本功能如下：
（1）简单的可视化操作界面
MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变符合中国人的使用习惯和要求。
用户可以使用系统的默认构架，也可以根据自己的需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格和标准Windows风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。
（2）实时性强、良好的并行处理性能
MCGS充分利用了32位Windows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PC机在工程测控领域被广泛应用成为可能。
（3）丰富、生动的多媒体画面
MCGS以图像、图符报表和曲线等多种形式展示，为操作员及时地提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动反转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状态属性，实现动画效果。
MCGS还为客户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都应一个特定的动画功能。
MCGS还支持多媒体功能，使能够开发出集图像、声音、动画为一体的漂亮、生动的工程画面。
（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能
MCGS采用开放式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据，MCGS提供多种高性能的I/O驱动；支持Microsoft开放数据库互连（ODBC）接，有强大的数据库连接能力；全面支持OPC（OLEforProcessControl）标准，即可作为OPL客户端，也可以作为OPC服务器，可以与更多的自动化设备相连接；MCGS通过DDE（DynamicDataExchange,动态数据交换）与其他应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源；MCGS全面支持ActiveX控制，提供极其灵活的面向对象的动态图形功能，并且包含丰富的图形库。
（5）完善的安全机制
MCGS提供了良好的安全机制，为多个不同级别的用户设定了不同的权限。
此外MCGS还提供了工程密码，锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者劳动成果的力度。
（6）强大的网络功能
MCGS支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多种网络体系结构；使用MCGS网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用IE浏览器方便的浏览到实时和历史的监控信息，实现设备管理和企业管理的集成。
（7）多样化的报警功能
MCGS提供多种不同的警报方式，具有丰富的警报类型和灵活多样的警报处理函数。
不仅方便用户进行警报设置，并且实现了系统实时显示、打印警报信息的功能。
警报信息的存储与应答功能，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。
（8）实时数据库为用户分步组态提供极大方便
MCGS由主窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的功用数据区，是整个系统的核心。
各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。
在生成用户应用系统时，每个部分均可分别进行组态配置，独立创建，互不干扰；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换，形成互相关连的整体。
（9）支持多种硬件设备，实现“设备无关”
MCGS针对外部设备的特征，设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。
用户在设备工具箱中可方便选择各种设备。
不同的设备构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系；而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其他构件和整个系统。
（10）控制方便复杂的运行流程
MCGS开辟了“运行策略窗”口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的Basic语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据交换，实现自由，准确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。
（11）良好的可维护性和可扩充性
MCGS系统由五大功能模块组成，主要的模块以构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自独立。
三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画构件和流程控制）的所有工作。
除此之外，MCGS还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的用VB、VC等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。
（12）用数据库来管理数据存储，系统可靠性高
MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。
组态时，系统生成的组态结构是一个数据库；运行时，系统自动生成一个数据库，来保存和处理数据对象和报警信息的数据。
利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率；同时，也使其他应用软件系统能直接数据库中完成数据存盘。
（13）设立对象元件库，组态工作简单方便
对象元件库，实际上是分类储存的各种组态对象的图库。
组态时，可把制作好的数据对象（包括图形对像、窗口对象、策略对象以至位图文件等）以元件的形式存入图库中，同样也可把元件库的各种对象取出，直接为当前的工程所用。
随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，这样解决了对象元件库的元件积累和元件重复利用等问题。
组态工作将会变得更加简单、方便。
（14）实现对工控系统的分布式控制和管理
考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW（DistributedComputerCooperatorWork，分布式计算机协通工作方式）技术，使分布在不同现场的采集设备和工作站之间实现协同工作，不同的工作站之间则通过MCGS实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制管理。
4.3新建工程和变量的定义
1）首先双击桌面MCGS组态环境图标，进入组态环境，屏幕中间窗口为工作台。
2）单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认的工程名为：
“新建工程0.MCG”。
3）选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。
4）在文件名一栏内输入“运料小车动态画面”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。
如图4-3所示。
图4-3运料小车建立窗口
在MCGS中，变量也叫数据对象。
实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。
数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。
定义数据对象的内容主要包括：
指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。
4.4变量定义的步骤
1.单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图3-4所示。
窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。
其中一部分为系统内部建立的数据对象。
现在要将表中定义的数据对象添加进去。
2.单击工作台右侧“新增对象”按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了一个新的数据对象，如图4-4所示。
3.选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置”窗口。
图4-4a实时数据库窗口
图4-4b实时数据库窗口图4-5数据对象属性设置窗口
1）将“对象名称”改为：
启动按钮；“对象初值”改为：
0；“对象类型”选择：
开关型。
2）单击“确定”。
如图4-5所示。
3）按照步骤2～5，根据上面列表，设置其他数据对象。
4）单击“保存”按钮。
4.5指示灯的属性设置
1.双击启动指示灯，弹出“单元属性设置图”窗口。
2.单击“动画连接”选项卡，进入该页。
图4-6指示灯属性设置
3.单击“组合图符”，出现“？
”、“>”按钮。
4.单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。
单击“属性设置”选项卡，进入该页，如图4-6所示。
5.选中“可见度”选项卡，其他项不选。
4.6MCGS与PLC的连接
设备窗口是MCGS组态软件的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。
在MCGS组态软件开发平台上，单击“设备窗口”，再单击“设备组态”按钮进入设备组态。
在“设备工具箱”中，选中“串口通讯父设备”和“三菱-FX系列”，添加到右面已选设备并对应设备两者的属性，保持与PLC的I/O设置一致如图4-7所示。
图4-
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