lpc课程设计基于wincc的液体混合仿真系统的设计大学论文.docx
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lpc课程设计基于wincc的液体混合仿真系统的设计大学论文
目录
1绪论1
1.1题目背景与意义1
1.2PLC控制系统优点2
2题目设计介绍3
3系统设计方案4
4系统硬件设计5
4.1系统总体设计5
4.2PLC设计与选择6
4.3PLCI/O口地址分配6
5系统软件设计7
5.1系统运行程序框图7
5.2系统运行程序梯形图7
5.2.1系统自动运行情况下的梯形图7
5.2.2系统手动运行情况下的梯形图9
5.2.3系统实现“+1/-1”功能11
6系统仿真调试12
7结论15
参考文献16
1绪论
1.1题目背景与意义
随着科学技术的飞速发展，自动控制技术已经在人类活动的各个领域中的应用得越来越广泛，而它的水平已经成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要指标。
在炼油、制药、化工等行业中，液体混合已经是不可缺少的程序，而且也是工业生产中非常重要的一部分。
然而由于此类行业中多数为有腐蚀有毒性介质和易燃易爆外，要求该系统在生产过程中具有配料准确、控制良好等规定，这介质，这样就造成现场的工作环境非常恶劣，不适宜工作人员在现场操作。
此也是半自动化及人工操作控制所难以实现的。
传统的液体混合装置完全由人工操作，无论在配料、混料等阶段都存在诸多不确定因素，产品质量无法保证，废品多、人工投入大。
抗干扰能力差以及系统升级改造困难等等，对产品质量和生产效率也难于提高。
本文给出基于WinCC的液体混合仿真系统的设计，其主要着力点在于液体混料比例的精确性和均匀性，这同样也是产品品质一致性的保障。
WinCC是西门子开发的在WINDOWS环境下解决生产和过程自动化、可视化信息、显示和实现控制策略，即实现系统人机接口的组态软件。
它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的各种功能模板，能实现高性能的过程耦合、快速的画面更新和可靠的资料处理，具有较高的实用性。
WinCC的显著特性是全面开放，很容易结合标准的或用户的程序建立人机接口，精确地满足生产实际要求。
系统集成商可应用WinCC作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。
WinCC是基于32位的应用软件Windows32位操作系统的抢先多任务的特性确保了对过程事件的快速反应，并提供了多种防止资料丢失的保护，WinCC使用了面向对象的软件编程技术，将所有工程工具的组态功能集成在一起，提供用于过程可视化和操作的全部基本功能。
此外，提供宽范围的编辑功能接口，使用户为其独特的应用单独组态。
WinCC组态软件提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的各种功能模板，能实现高性能的过程偶合、快速的画面更新和可靠的资料处理，具有较高的实用性。
采用PLC对容器中的液位进行监控控制，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高还具有在线修改功能，灵活性强等优点，适用于多段液位控制的监控场合。
并且PLC作为新一代的工业控制器，具有体积小、编程简单、使用方便，抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点，易于实现机电一体化。
1.2PLC控制系统优点
1.可靠性
PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。
它的连线打打减少。
与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。
例如：
冗余的设计。
断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。
PLC有较高的易操作性。
它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。
2．易操作性
对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。
PLC有多种程序设计语言可供使用。
用于梯形图与电气原理图较为接近。
容易掌握和理解。
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。
3．灵活性
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。
操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。
以上特点使用PLC控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等诸多优点今后PLC控制系统还会得到更广泛的使用。
2题目设计介绍
利用西门子S7-300PLC，组态软件WinccFlexible，触摸屏，交换机及外围的相关低压电器，组成控制系统，根据项目要求，编写相关程序，完成相应的功能，组态人机界面，能够进行模拟仿真。
具体要求：
（1）制作画面模板，在模板画面中显示“多种液体混合控制系统”和日期时钟。
（2）先组态两个画面，一个为主画面，一个为系统画面。
两画面之间能进行切换。
（3）在系统画面中作出两种液体混合的系统图。
（4）A液体与B液体的数值可在0～99进行设置。
液体总量为A与B液体的总和，为计算结果。
（5）通过HMI可对模拟液体混合实现手动和自动控制。
手动控制时，按下A阀就进A液体，松开就停止；B阀与出料阀类似。
设定A液体设定值、B液体设定值，若容器为空，可进行自动控制。
如A液体设定值为15，B液体设定值为27，切换到自动控制时则先打开A阀进A液体到15停止，再接着进27的B液体；当容器中总液体数量达到42时，B液体停止流入，打开出料阀开始流出到空后再循环。
（6）容器中的液体可动画显示，并通过棒图刻度标记当前数值。
（7）为了显示流畅的液位动画，可通过PLC编写每秒加1或减1的程序，然后把PLC与flexible做好连接（模拟显示）。
（8）组态若容器中的液位超过100时产生一个液位偏高的报警。
（9）组态报警画面，并能实现系统画面之间的切换。
（10）组态一个用户组“班组长”和一个用户名“user1“，“user1”属于“班组长”用户组，“user1”的密码为“000”。
“班组长”用户组的权限为操作和“输入Ａ设定值”。
然后在系统画面中的A液体设定值设定安全权限。
即一般用户不能进行A液体设定值的设定，用户“user1”可以进行设定。
（11）组态一个用户视图画面，要求该用户名作登录按钮与注销按钮，能显示当前用户名。
能与系统画面进行切换。
（12）组态趋势视图画面，能显示容器中液体总量的数据趋势曲线。
能与系统画面进行切换。
（13）建立配方，能实现液体A设定值、液体B设定值的各个配方。
并建立配方画面运行。
能与系统画面进行切换。
3系统设计方案
1.继电器控制系统
控制功能是用硬件继电器实现的。
继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参数变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。
系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常工作，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制系统价格非常高，灵活性差，响应速度慢。
2.单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。
其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。
但是，单片机是一个集成电路，不能直接将它与外部I/O信号连接，要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、控制和程序设计的工作量相当大。
3.工业控制计算机控制
工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性比较强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实时性强、功能复杂的领域中占优势。
但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大才效用。
且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。
4.可编程序控制器控制
可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不要自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的改变。
可编程控制器（PLC）从上世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统，随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。
现状PLC已经发展成不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种功能，是名副其实的多功能控制器。
由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。
4系统硬件设计
4.1系统总体设计
本课程设计是基于PLC的液体自动混合搅拌系统设计，H、I、L是液面传感器，SL1=H,SL2=L,SL3=I,该传感器被液面淹没时接通。
两种液体的流入由阀门A和阀门B控制，混合液的流出由放液阀C控制。
搅拌电动机用于驱动桨叶将液体混合均匀。
本系统的工作原理如图4-1所示。
该液体自动混合搅拌系统的动作为：
启动系统之前，容器是空的，各阀门关闭，传感器H=I=L=OFF，搅拌电动机M=OFF。
首先，按下启动按钮，自动打开阀门A使液体A流入。
当液面到达传感器I的位置时，关闭阀门A，同时打开阀门B使液体B流入。
当液面到达传感器H位置时，关闭阀门B，同时启动搅拌电动机搅拌。
搅拌完毕后，打开放液阀门C。
当液面到达传感器L的位置时，关闭放液阀门C。
随后再将阀门A打开，如此循环下去。
在工作中如果按下停止按钮，搅拌机不立即停止工作，只有当前混合操作处理完毕，才停止工作，即停在初始状态。
图4-1液体自动混合搅拌系统
4.2PLC设计与选择
PLC的一般结构如图2所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理器）、存储器、输入／输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。
（1）中央处理单元（CPU）
与通用计算机中的CPU一样。
PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。
（2）存储器
存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、 EEPROM等。
（3）I/O模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。
（4）电源模块
它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。
4.3PLCI/O口地址分配
以下PLC的I/O地址分配表4-1写出了液体混合系统有关输入、输出地址分配：
表1.PLC符号地址分配表
地址
功能
地址
功能
I0.7
启动按钮
Q0.1
A阀门运行
I0.0
停止按钮
Q0.2
B阀门运行
I0.1
A液位传感器
Q0.3
C阀门运行
I0.2
AB混合液位传感器
I0.3
0液位传感器
I0.4
手动开A阀按钮
I0.5
手动开B阀按钮
I0.6
手动开C阀按钮
MW4
实际液位
5系统软件设计
5.1系统运行程序框图
系统自动运行的程序框图如图5-1所示：
图5-1系统运行程序框图
5.2系统运行程序梯形图
5.2.1系统自动运行情况下的梯形图
（1）总开关如图5-2所示：
图5-2总开关
（2）启动开关后，A阀打开，流入A液体，如图5-3所示：
图5-3A阀运行
（3）到达A液位传感器时，A阀关，B阀开，如图5-4所示：
图5-4A阀关闭，B阀运行
（4）当达到混合液位传感器时，B阀关闭，C阀打开，如图4-6所示：
图5-5C阀启动程序
（5）当液位达到0液位传感器时，C阀关闭，A阀开，如图5-6所示：
图5-6C阀关，A阀开
（6）系统运行循环终止程序如图5-7所示：
图5-7终止程序
5.2.2系统手动运行情况下的梯形图
（1）手动运行启动开关与自动开关是电气互锁，如图5-8所示：
图5-8手动开关
（2）手动开启A阀门，如图5-9所示：
图5-9手动打开A阀门
（3）手动开启B阀门，如图5-10所示：
图5-10手动开启B阀门
（4）手动开启C阀门，如图5-11所示：
图5-11手动开启C阀门
（5）手动情况下实现系统循环，如图5-12所示：
图5-12系统循环
5.2.3系统实现“+1/-1”功能
因为设计需要显示液位动画，实现每秒+1/-1程序，然后实现PLC，下面是实现+1/-1的程序。
（1）液位A实现实际液面+1显示，如图5-13所示：
图5-13A液位实际液位+1显示
（2）液位B实现液面+1显示，如图5-14所示：
图5-14B液位实际液位+1显示
（3）液位0实现液面-1显示，如图5-15所示：
图5-15混合液位-1显示
6系统仿真调试
经过程序调试与触摸屏组态仿真，实现了本课题的功能。
触摸屏各个界面如下：
图6-1主界面
进入wincc首先进入主画面，主画面中显示有本次设计题目多种液体混合控制系统和切换系统画面的按钮。
图6-2系统画面
系统画面中有A液和B液向容器中添加的按钮和动画显示，并含有手自动切换按钮，可以向主画面、报警画面、配方画面和用户管理画面相互切换。
图6-3用户管理画面
用户可以在本页面中输入自己的账号和密码，输入正确后可以显示出用户名称和密码，然后可以登录，即可更改A、B液的设定值。
图6-4配方画面
图6-5系统报警显示
图6-6报警画面
当实际液位超出99后，会出现图6-5中的报警显示，然后会在报警画面中记录下来。
7结论
这次的课程设计我们做的是基于PLC的两种液体混合控制系统，这次课设都让我们学到了许多东西。
首先，在课设前期，系统的学习了T型图的设计，经过我们全组同学的一起努力，终于将两种溶液混合控制系统的T型图设计出来。
然后我学到了如何在wincc上组态各个画面，并且将step7中的T型图与wincc中的组态画面联系起来。
这次课设在wincc中主要实现下面了几个问题，
（1）可以实现多个画面的相互切换。
（2）对模拟液体混合实现了手动控制和自动控制，并且可以相互切换。
（3）在自动控制时实现了自动加液、出液，以及循环控制。
（4）在实际液位超出99后可以自动报警并记录。
（5）组态了一个用户组，更改A液设定值需输入正确的账号密码。
回顾起此次课程设计，我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在接近两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。
通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在两位老师的辛勤指导下，终于游逆而解。
同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！
参考文献
[1]J.Basak,B.Chanda,D.D.Manjumder,Onedgeandlinelinkingwithconnectionistmodels,IEEETrans.Systems,ManCybernet.24（3）413–428,1994.
[2]冯显英,葛荣雨.基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统.自动化仪表,2006,27
[3]刘华波，王雪，何文雪.组态软件WINCC及其应用.
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