毕业设计用可编程控制器与F940图形操作终端组成的液体混合控制系统.docx

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毕业设计用可编程控制器与F940图形操作终端组成的液体混合控制系统

摘要

本文在概述了可编程控制器和触摸屏的特点及目前各自的发展现状的基础上，分析了两者结合应用的发展前景，并结合实际，设计了一个由PLC与图形操作终端F940-GOT组成的液体混合控制系统。

在该控制系统中，以可编程控制器（PLC）为现场控制器，以图形操作终端作上位机，组成了计算机监控系统PLC实现顺序逻辑控制和模拟量闭环控制，图形操作终端则进行集中显示和操作，提高了系统的自动化水平。

本文以液体混合控制系统为中心，从控制系统的硬件系统组成、选用的软件介绍到系统的设计过程（包括设计方案、设计流程、设计要求、画面设计、梯形图设计、文件下载、外部连接通信等），旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。

文章最后还说明了设计重点与难点，并分析了其市场发展前景及以后的研究方向。

关键词：

可编程控制器，触摸屏，图形操作终端，F940-GOT，工业控制，人机界面

Abstract

Thistextanalyzedthedevelopmentforegroundoftheprogrammablecontrollercombinativeappliedwiththetouchholdinthefoundationofsayingtheircharacteristicsandcurrentlyeachlyfromofthedevelopmentpresentcondition.Combiningtheactuality,designacontrolsystemformixingliquidsusingPLCandsketchoperatingterminalF940-GOT.Inthiscontrolsystem,regarddingtheprogrammablecontroller（PLC）asthespotcontroller,andmakingthesketchoperatingterminalastheplaceofhonormachine,theyconstitutthecalculatorsuperviseandcontrolsystemPLCtorealizetheorderlogiccontrolandthewreathcontrolofthedealofimitating.Thenthesketchoperationterminalproceedsconcentrativllytomanifesttingandoperatting,increasingtheautomationlevelofthesystem.

Thistextwiththecontrolsystemofmixingliquidforcenter,constitute,choosefromthehardwaresystem’sconstitutionofthecontrolsystemandtheintroductionofthesoftwaretothedesignprocess（includingthedesignproject,designprocess,designrequest,appearancedesign,trapezoiddiagramdesign,thedocumentdownloads,exteriorconjunctioncorrespondenceetc.）ofthesystem,aimistogiveabriefintroductionandelucidationofdesignandcreationprocesses.Inthefinally,Thearticlestillexplainstothepointandthedifficulty,andanalyzesit’smarketdevelopmentforegroundandfutureresearchdirection.

Keywords:

Programmablecontroller,Thetouchholds,Sketchoperationterminal

F940-GOT,Industrycontrol，Man-machineinterface

第一章概述

目前，随着工业技术的不断发展，可编程序控制器（简称PLC）已被广泛地应用于自动化控制领域中。

PLC原意是可编程逻辑控制器，是随着装配线上顺序控制的大量使用而迅速发展起来的，而如今则大大超出了逻辑控制的应用范围。

在硬件上它不仅开发出模拟量专用I/O接口，在软件中也有模拟量的PID控制模块。

但PLC本身不具备人机界面的功能，当需要对工作状态进行实时监控时，PLC就往往被工控机所取代。

而与触摸屏等计算机人机界面的结合，正好克服了PLC只能使用汇编语言，人机交流困难的缺点，成为了一种非常实用而有效的控制模式，特别是对于中小型的控制系统。

目前智能控制是自动化控制的发展趋势，体现了人机一体化。

而人机界面就是图形化自动控制系统的一种广泛的应用，它实现了全过程自动化，通过界面显示各种工作状况及发生故障的排队方法。

用可编程控制器和图形操作终端组成的控制系统是人机界面在PLC领域的应用。

本文结合工业应用计算机控制技术的实践，基于可编程控制器的国内外发展现状和发展趋势，以及对工业人机界面特点的了解来设计一个液体混合控制系统，通过简单的画面流程来显示液体混合过程，以此分析可编程控制器跟上位机图形操作终端组成的控制系统的特点及其应用前景。

1.1PLC的发展概述

1.1.1PLC的特点及发展现状

PLC（可编程控制器）是本世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置，也是被国外称为“先进国家三大支柱”之首的工业自动化控制装置。

它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字或模拟输入/输出来控制各种类型的机械或过程。

不论是PLC还是与它有关的外部设备，都设计成容易集成在一个工业控制系统内，并且容易应用所有计划中的功能。

由于它具有程序设计简单、可靠性高、运用性强、组合灵活、维修方便及适应工业恶劣环境等特点，而深受用户欢迎并得到迅速发展，已经由取代继电器以离散控制为主的领域迅速扩展到连续控制的范围，从而进入了批量控制和过程控制两种工业领域。

当今PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速，从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从柔性制造系统，工业机器人到大型分散型控制系统，PLC均担当着重要角色。

PLC技术代表了当今电气程序控制的世界先进水平，PLC与数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。

国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制作产业。

作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。

在PLC应用方面，我国是很活跃的，今年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿元人民币，应用的行业也很广。

但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。

所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。

从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS（计算机集成制造系统），在机械制造厂压形成FMS柔性制作系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因。

1.1.2PLC的发展趋势

国外PLC正沿着两个方向发展，一方面是不断增强小型机的功能，降低成本，以求

占领更广泛的市场，另一方面，中、大型PLC向高性能、高速度、大容量，集成化方向

发展，正在向DCS、CNC等领域渗透，进一步扩大它的应用范围。

微电子技术迅速发展，大大增强了PLC的数学运算、数据处理、图形显示、联网通讯等功能，使PLC得以向过程控制渗透和发展。

多功能的小型PLC机不再局限于开关量的处理，而已有人机对话、高速数据处理、运动控制、通信联网等众多功能。

三菱电机公司的FX2C系列PLC就能提供浮点运算、PID运算、开平万、直接向RS－232C或RS－485接口发送／接收等指令。

如果用户有与条形码阅读器或打印机相联的要求，只要配置一个相应的RS－232C适配器，即可在打印机上打印报表。

小型PLCFX2C挂在RS－485网上，可以通过一台个人计算机采集它们的数据或向它们发送数据。

可编程控制器（ProgrammableLogicController，缩写PLC）控制功能强，可靠性高，在工业各领域得到了广泛应用，而对生产过程和设备状态进行监控，作为PLC控制系统的一项重要功能，也越来越受到人们的重视。

例如卷烟厂卷接车间集中风力除尘系统中，既存在大量电气开关量控制，又要对模拟量进行调节。

现有的控制系统中，电器开关量采用继电接触控制，模拟量则采用仪表控制，系统结构复杂，系统间缺乏信号联系，操作也不方便。

可编程控制器系统取代传统控制方式，在实现现场控制的基础上，还与上位机图形操作终端组成了两级计算机监控系统，实现了对除尘控制过程的集中监视和集中操作。

1.2触摸屏技术及其应用发展趋势

触摸屏技术（TouchScreenTechnology）是随着计算机技术的发展，为了满足非专业计算机用户操作计算机的需要而逐渐成熟与发展起来的。

触摸屏技术是计算机的一种输入技术，由用户通过显示屏输人信息以实现对计算机的控制。

由于触摸屏技术的应用，而且系统提供了良好且友善的交互界面，消除了用户操作计算机时面对诸如键盘等交互设备时的畏惧、困惑心理。

他们只需利用手指或光笔等触摸屏上需要的内容即可控制计算机的运行，操作非常简单，提高了用户的兴趣，并且因为感受到了计算机对信息处理的强大功能，从而激发起用户学习、掌握计算机技术的积极性。

触摸屏技术对于计算机技术的普及及利用可以发挥非常重要的作用。

1.2.1触摸屏技术的特点

1）简单易用

利用触摸屏进行人机对话，在用户屏幕界面上，使用者仅需用手指触摸所需要的内容即可完成交互过程。

对没有接触过计算机的用户来说，使用触摸屏不会产生面对键盘时的困惑、恐惧心理，也不会像鼠标一样难以控制，不需要培训即可操纵自如.

2）灵活性

触摸屏不像利用数字接口的按钮或键盘，它完全由软件进行各项设置，然后即可实现交互输人。

凭借系统提供的菜单，用户可输入并获得大量的信息。

3）经济性

触摸屏具有很好的商业价值。

因为无论功能多么强大的产品，都应该具有易操作使用的特点。

像早期的计算机，程序语言全用机器代码，输出的结果只是圆孔，非专业人员根本不可能掌握，故应用范围受到很大限制。

而现在应用程序可以方便地利用触摸屏进行交互，并且触摸屏同其它输入设备相比，耐用性与可靠性明显增强。

因此从这种意义上讲，触摸屏具有良好的经济性。

1.2.2触摸屏的现状与发展

目前，美国在触摸屏领域的发展较快，触摸屏技术已渗透到其工业控制的各个领域，其在军事上的应用更是不遗余力。

航天空间站、卫星测控、雷达技术等军事技术高精尖部门，都有触摸屏的身影。

我国深圳生产的“触霸”红外线式触摸屏在世界上处于领先水平，能准确触摸屏幕上能显示的最小字符。

随着计算机网络技术、图形处理技术、数据库技术、文字录入（扫描、手写、语音）技术、多媒体技术和生产制造工艺的发展，特别是高速度的CPU的发展。

传统的键盘输入方式将受到触摸屏输入方式的挑战。

在工控领域,PLC与触摸屏结合运用的技术已越来越为工程人员所了解与熟悉,由于触摸屏具有操作简便、界面美观直接、编程容易掌握、与PLC通讯良好、抗干扰能力强等特点,它正迅速地渗入各个行业,发挥自动化控制的最大优势。

触摸屏信息输入方式必将成为工业控制信息输入的主要手段。

1.2.3人机界面在PLC工控系统中的应用

如今，HMI（人机界面）的核心价值正在不断地迅速改变。

它应具有基于快速开发IT（资讯技术）的先进操作手段，从操作到维护的“FA设备继承”和满足各种现场需求的“柔性系统构造”。

HMI和三菱的GOT实现了巨大的改变和进步，以使其适应未来。

GOT900系列，它能在21世纪更好的满足用户的各种需求。

三菱开发了用于个人电脑，且与GOT绘图资料相容的HMI软体“SoftGOT”，通过使用“IT”（资讯技术）和“Windows环境多媒体功能”，它能集中地处理生产资料。

“SoftGOT”带有一种全新的概念，它能在个人电脑上实行GOT900的功能，并能创建未来的生产现场。

可编程序控制器在工厂自动化FA中占有举足轻重的地位。

技术的不断发展极大地促进了基于PLC为核心的控制系统在控制功能、控制水平等方面的提高。

同时对其控制方式、运行水平的要求也越来越高，因此交互式操作界面、报警记录和打印等要求也成为整个控制系统中重要的内容。

对于那些工艺工程较复杂，控制参数较多的工控系统来说，尤其显得重要。

新一代工业人机界面的出现，对于在构建PLC工控系统时实现上述功能，提供了一种简便可行的途径。

为了增强PLC系统的监控能力，一些厂家又设计了用于开发PLC监控系统的软件和硬件产品，三菱公司的GOT900系列图形操作终端和开发软件DUWIN27就是其中较有特色的一种。

GOT900系列图形操作终端是专门为PLC系统监控设计的硬件平台，DUWIN27则提供了图形操作终端监控软件开发工具和运行环境，是一种高性能的PLC监控系统组态软件。

它不但能实现一般组态软件所具有的监控功能，还有多种专为PLC系统设计的扩展监控功能。

适应面广，支持三菱公司的多种PLC产品。

第二章监控系统的硬件组成

在本设计的监控系统中，现场控制器由PLC构成。

PLC选用三菱公司FX2N系列。

该系列PLC不但对现场或设备的控制十分方便，而且可以组成多种结构的工业控制局域网。

作为现场控制级的PLC基本单无，除了执行常规的顺序逻辑控制功能外，还用作压力控制器，执行闭环调节功能。

PLC扩展了一个模拟量输入单元FX4AD和一个模拟量输出单元FX2DA，组成系统的过程量I／O通道。

系统中的开关信号检测元件主要是操作按钮、开关及触点，其他执行元件有继电器、接触器、电磁阀、指示灯和声、光报警器等开关动作设备，这些信号都由PLC基本单元和扩展单元控制。

上位机选用三菱公司GOT900系列图形操作终端F940-GOT，该终端专用于与PLC进行数据交换和对PLC进行监控，具有很强的数据通讯能力，可跟PLC网络中的主控站或从站连接，对任一站的运行和通讯进行监测，还可与上位机进行通讯。

终端自身也可作为网络中的一个普通站，与本层中其他站点进行通讯。

2.1PLC的硬件认识、软元件概述及功能特征

2.1.1PLC的硬件认识

FX2N系列为小型PLC，采用单元式结构形式。

FX2N–32MRPLC面板由三部分组成，即外部端子（输入/输出接线端子）部分、指示部分和接口部分，各部分分别有各自的组成及功能。

外部接线端子包括PLC电源（L、N）、输入用直流电源（24+、COM）、输入端子（X）、输出端子（Y）、运行控制（RUN）和机器接地等。

它们位于可拆卸的端子板上，每个端子均有对应的编号，主要完成电源、输入信号和输出信号的连接。

指示部分包括各输入输出点的状态指示、机器电源指示（POWER）、机器运行状态指示（RUN）、用户程序存储器后备电池指示（BATT）和程序错误或CPU错误指示（PROG-E、CPU-E）等，用于反映I/O点和机器的状态。

FX2N系列PLC有多个接口，打开接口盖或面板可观察到。

主要包括编程器接口、存储器接口、扩展接口和特殊功能模块接口等。

在机器面板的坐下角，还设置了一个PLC运行模式转换开关SW1，它有RUN和STOP两个位置，RUN使机器处于运行状态（RUN指示灯亮）；STOP使机器处于停止运行状态（RUN指示灯灭）。

当机器处于STOP状态时，可进行用户程序的录入、编辑和修改。

FX2N系列PLC机器上有两组电源端子，分别完成PLC电源的输入和输入回路所用直流电源的供出。

L、N为PLC电源端子，FX2N系列PLC要求输入单相交流电源，规格为AC85～264V50/60Hz。

24+、COM是机器为输入回路提供的直流24V电源，为减少接线，其正极在机器内已与输入回路连接，当某输入点需加入输入信号时，只需将COM通过输入设备接至对应的输入点，一旦COM与对应点接通，该点就为“ON”，此时对应输入指示就点亮。

机器输入电源还有一接地端子，该端子用于PLC的接地保护。

I/O端子（输入/输出）是PLC的重要外部部件，是PLC与外部设备（输入设备、输出设备）连接的通道，其数量、类别也是PLC的主要技术指标之一。

一般FX2N系列PLC的输入端子（X）位于机器的一侧，输出端子（Y）位于机器的另一侧。

I/O点的作用是将I/O设备与PLC进行连接，使PLC与现场构成系统，以便从现场通过输入设备（元件）得到信息（输入），或将经过处理后的控制命令通过输出设备（元件）送到现场（输出），从而实现自动控制的目的。

2.1.2PLC的软元件概述

PLC控制系统的由硬件和软件两个部分组成。

PLC内部有许多被成为继电器（输入继电器、辅助继电器、输出继电器）、定时器、计数器、和数据存储器等的软元件（这些软元件在本设计中都有所应用）。

任何一个软元件均有无数个触点，这些触点在PLC内部可随意使用。

用这些软元件的线圈和触点可构成与继电器――接触器控制相关类似的控制电路（梯形图）。

1）输入继电器X、输出继电器Y

输入、输出继电器是I/O点在PLC内部的反映。

输入端子是PLC从外部接受信号的窗口，与输入端子连接的输入继电器（X）是电子继电器。

若外部输入开关闭合，输入继电器动作，对应的输入点指示发光二极管点亮。

输出端子是是PLC向外部负载输出信号的窗口，输出继电器的输出触点接倒PLC的输出端子上，若输出继电器动作，其输出触点闭合，对应的输出点指示发光二级管点亮。

2）辅助继电器M

辅助继电器与输入输出继电器不同，它是一种程序用继电器，由PLC内各软元件的触点驱动，因此不能读取外部输入，不能直接驱动外部负载，所以在输出端子上就找不到它们，但可以通过它们的触点驱动输出继电器，再通过输出继电器驱动外部负载。

辅助继电器分以下三种类型。

1.普通用途的辅助继电器M0～M499，共500个点。

2.具有停电保持功能的辅助继电器M500～M1023，共524个点。

这些辅助继电器即使PLC停电，也能保持动作状态，故称停电保持继电器。

3.特殊功能辅助继电器M8000～M8255，共256个点。

这些辅助继电器与PLC的状态、时钟、标志、运行方式、步进顺控、中断、出错检测、通信、扩展和高速计数等有密切关系，在PLC技术应用中起着非常重要的作用。

3）状态软元件S

状态元件是一种步进梯形图或SFC表达工序号用的继电器，在不做工序号使用时，也可作为与辅助继电器相同的一般接点/线圈来编程使用，也可以用作信号器，用作外部故障诊断使用。

4）定时器T

定时器是将可编程控制器内的1ms，10ms，100ms等时钟脉冲进行加法计数，当它达到规定的设定值时，输出接点就工作。

定时器利用时钟脉冲可测量范围为0.001～3276.7秒。

定时器作为时间元件相当于时间继电器，为字、位复合软元件，由设定值寄存器（字）、当前值寄存器（字）和定时器触点（位）组成。

使用定时器时应掌握其设定值、当前值和定时器触点三个要素。

5）计数器C

PLC内部有对元件信号进行计数的计数器。

计数器同样为字、位复合软元件，由设定值寄存器（字）、当前值寄存器（字）和计数器触点（位）组成。

6）数据寄存器D

数据寄存器是存储数值数据的元件。

FX2N可编程控制器的数据寄存器全是16位的（最高位为正负位），用二个寄存器组合就可以处理32位（最高位为正负位）数值。

7）常数K、M

可编程控制器使用的各种数值中，K为十进制整数值，H为十六进制数值。

这些可用作定时器或计数器的设定值和当前值，以及应用指令的操作数来使用。

8）指针

指针有分支用和中断用的两种，分支用指针用于指定FNC00（CJ）条件跳转，或中断指针用于指定输入中断，定时中断，计数中断的中断子程序。

2.1.3FX2N系列PLC的功能特征

FX2N系列（如图1）是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。

它是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

它有以下功能特征：

1）

图1

统配置既固定又灵活

在基本单元上连接单元或扩展，可进行16～256点的灵活输入出组合。

2）编程简单　

它包含的指令种类有基本指令27种，步进梯形指令2种，应用指令128种。

其中2

个应用指令中有多个可使用的简单指令。

3）备有可自由选择，丰富的品种

可选用16/32/48/64/80/128/点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。

可

根据电源及输出形式，自由选择。

4）令人放心的高性能

程序容量：

内置8000步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。

5）高速运算

6）适用于多种特殊用途

（1）还可应用在模拟控制、定位控制等特殊用途。

（2）FX2N系列中，1台基本单元最多可连接8台扩展模块或特殊功能模块。

（3）高速脉冲输入。

（4）定位。

（5）RS232C机器通讯。

7）外部机器通讯简单化

（1）通过安装机能扩充板，可将与外部设备通讯端口置1个通道。

（2）一台FX2N主机可安装一个机能扩充板。

①RS232C通信用

FX2N－232－BD：

可以同各种RS232接口内置设备进行通讯，可以和个人电脑连接。

②RS485通信用    

FX2N－485－BD：

可以同个人电脑等计算机连接，可以再同1台基本单元并连连接，

可以在FXON，FX2N间作简易PLC间进行连接。

③RS422通信用

FX2N－422－BD：

可以同编程工具，DU，GOT等连接。

（3）机能扩充板

（4）在使用FX2N－485－BD及FXON－485ADP的FX2N系列间，可作简易PLC通信连接。

2.2图形操作终端的基本特征、系统构成及功能

基于本设计作为高校毕业设计，且考虑到教学设备的价格问题，所以本设计采用的是F940-GOT图形操作终端。

在现实工业中，用户可以根据自己的实际需求选择不同的图形操作终端。

比如你想设计一个污水处理厂控制系统，可以采用A985GOT，它的显示器屏幕尺寸较大，解析度高，显示的颜色也多（256种），也可以用A975GOT。

下面就介绍一下F940GOT的特征和功能。

2.2.1F940GOT的基本特性

F940GOT拥有5.7寸STN液晶体显示器――阔示角、高速回应、功能

齐备、性能可靠（如图2）。

它有以下特性：

1）

图2

简易的背景光灯更换，背景光灯的寿命长达25，000小时，而且

还带有自动熄灯功能；

2）优良的耐酸环境。

具有相当于IP65F的防尘、防水、耐油性等环境性能；

3）具有所有操作面板应有的功能；

4）通过菜单设定可显示日文、英文、韩语及中文汉字；

5）可以改变每1点的键尺寸大小，显示系统画面；

6）保密功能。

对