PLC控制的数码显示装置的MCGS组态画面设计论文.docx

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PLC控制的数码显示装置的MCGS组态画面设计论文

设计（论文）题目

PLC控制的数码显示装置的MCGS组态画面设计

学院：

电子与信息工程学院

学生姓名：

xxx

专业班级：

09应用电子2班

学号：

2009108217

指导教师：

潘益玲

2012年5月4日

摘要

数码管显示是一个典型的PIE教学项目。

在交通灯、电梯、抢答器等系统的控制中都融入了数码管的显示。

本设计就是利用PLC作为核心部件用对数码管显示进行设计，让学生在学习过程中更熟练地掌握PIE的编程技巧，提高编程能力。

利用PLC控制数码管的显示过程，并且给出了接线图、梯形图。

关键词：

PLC；编程设计；接线图；梯形图

第一章可编程控制器（PLC）概况

1.1PLC的定义

国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC），1987年的第三版对PLC作了如下的定义：

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器实际上市一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。

可编程控制器主要由CPU（中央处理单元）存储器（RAM和EPROM），输入/输出模块（简称为I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。

近年来发展极为迅速、利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。

1.2PLC的发展

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准：

（1）编程方便，现场可修改程序；

（2）维修方便，采用模块化结构；

（3）可靠性高于继电器控制装置；

（4）体积小于继电器控制装置；

（5）数据可直接送入管理计算机；

（6）成本可与继电器控制装置竞争；

（7）输入可以是交流115V;

（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；

（9）在扩展时，原系统只要很小变更；

（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K;

1969年，美国数字公司（DEC）研制出了第一台可编程控制器，满足了GM公司装配线的要求。

这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。

1.3PLC的特点

PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的：

1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；

2）应用灵活，其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，

使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；

3）操作方便，维修容易，稳定可靠。

尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。

1.4PLC的应用领域

PLC的应用领域，最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。

随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。

   如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与治理。

PLC已日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。

1.用于开关量控制

PLC控制开关量的能力是很强的。

所控制的进出点数，少的十几点、几十点、多的可到几百、几千，甚至几万点。

由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。

所控制的逻辑题目可以是多种多样的：

组合的、时序的、即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。

PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。

必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。

它很适应于产业现场多工况、多状态变换的需要。

用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有产业行业都需要用到它。

目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其相比的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。

2.用于模拟量控制

模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。

产业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。

作为一种产业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。

为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。

目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。

PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A/D、D/A单元，不过是特殊的I/O单元。

A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送进PLC。

D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。

作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。

可读写）交换信息等等特点。

这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。

D/A中的A，多为电压，或电流。

电压、电流变化范围多为0～5V，0～10V，4～20mA。

有的还可处理正负值的。

这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。

A/D、D/A有单路，也有多路。

多路占得输入输出继电器多。

有了A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的PLC并不难。

中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。

有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。

计算性能算的它几乎都能算。

这样，用PLC实现模拟量控制时完全可能的。

控制的单元值可小到212分之一的丈量程值，多数也是足够的.

PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。

用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。

这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。

1.5PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其基本结构与微型计算机相同，由硬件系统和软件系统两部分组成。

整体式PLC硬件系统主要由中央处理器CPU、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。

其中CPU是PLC的核心；输入单元与输出单元是连接现场I/O设备与CPU之间的接口电路；通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

对于模块式PLC，各部分独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。

无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

PLC的基本结构框图如图1-1所示。

图1-1PLC的基本结构框图

1.6PLC的工作原理

PLC的CPU采用循环扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触头（包括其常开或常闭触头）不会立即动作，必须等扫描该触头时才会动作。

1）PLC的循环扫描技术PLC循环扫描的工作过程一般包括5个阶段：

内部处理与自诊断、通信处理、输入采样、程序执行及输出刷新。

当方式开关置于STOP位置时，只执行前两个阶段；当方式开关置于RUN位置时，将执行所有阶段。

2）PLC与传统继电器控制的异同PLC的扫描工作方式同继电器控制有着明显的不同，如表1.1所示。

表1.1PLC与传统继电器控制的比较

控制系统

控制方式

线圈通电

继电器

硬逻辑并行运行方式

所有常开∕常闭触头同时动作

PLC

循环扫描工作方式

CPU扫描到的触头才会动作

3）PLC扫描周期的计算一个完整的扫描周期包括自诊断时间、通信时间、扫描I/O时间和扫描用户程序时间。

4）PLC的I/O响应时间I/O响应时间指从PLC的输入信号变化开始到引起系统有关输出端信号的改变所需的时间。

1.7PLC的汇编语言

采用面向控制过程，面向问题，简单直观的PLC编写横语言，常用的有：

梯形图，语句表，功能图等。

1.梯形图：

由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。

主要特点：

1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。

每一逻辑行，起使左母线。

2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”

3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。

4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。

2．语句表：

又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。

例：

图1-2所示是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的PLC梯形图。

图1-2简单的PLC梯形图

它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。

第二组仅一个END指令，用于结束程序。

梯形图与助记符的对应关系：

助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。

一般讲，其顺序为：

先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。

有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。

图1-2的助记符程序如表1.2所示。

表1.2助记符程序表

地址

指令

变量

0000

LD

X000

0001

OR

Y000

0002

AND

X001

0003

OUT

Y000

0004

END

反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。

第二章MCGS组态软件控制

2.1MCGS组态软件概述

MCGS即“监视与控制通用系统”，由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成，是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。

MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

在运行环境中完成对工程的控制工作。

2.2MCGS组态软件结构和功能

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，完成用户组态用户设计的目标和功能。

组态环境和运行环境的关系如图2-1所示。

图2-1组态环境和运行环境的关系

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2-2所示。

图2-2MCGS组态软件五大组成部分

（1）主控窗口

主控窗口是工程的主窗口或主框架。

在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，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：

定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，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。

在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。

（3）用户窗口

主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：

生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。

（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，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。

在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

（5）运行策略

主要完成工程运行流程的控制。

包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：

数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。

2.3MCGS组态软件特点

1）全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。

2）庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。

3）全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。

4）支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。

5）简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。

6）强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。

7）方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。

8）完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。

此外，MCGS5.1还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。

9）强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。

10）良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS5.组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。

提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。

在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览到与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制。

第三章数码管显示的程序设计及组态画面

3.1数码管的控制要求

有一个数码管，有三个按键SA1-SA3，其控制要求为：

（1）SA1为启动键，按下SA1键，才可进行启动工作，数码管每段依次显示，并从0-F循环显示；

（2）SA2为停止键，按下SA2键，停止工作；

（3）SA3为暂停键，按下SA3键，可暂停工作。

3.2数码管模拟图

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

一般情况下，发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。

常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

如图3-1所示。

图3-1数码管模拟图

3.3I/O点数的分配

打开开关SA1—数码管开始依次每段点亮—并从0-F循环显示；按下暂停SA3，数码管停止循环显示；只要停止开关SA2,数码管立即无条件全部熄灭；根据以上分析可知：

输入信号有SA1、SA2、SA3，输出信号有HL0-HL7，可得数码管循环显示PLC控制系统的I/O端口地址分配表，如表3-2所示。

表3.2I/O分配表

3.4外部接线图跟流程图

根据I/O端口地址分配表，可画出PLC外部接线示意图，PLC型号选用三菱FX2N-48MR，如图3-3所示。

图3-3所示外部接线图

按下启动键，Y0-Y7每隔1S轮流点亮，Y7亮后，暂停1S，1S后，Y7-Y0每隔1S以0-F依次显示，再循环到Y0-Y7每隔1S亮，如图3-4所示。

图3-4所示数码管流程图

3.5PLC控制系统梯形图

根据对交通灯的控制要求及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行控制程序的设计，其梯形图如附录1所示。

3.6工程的建立与变量的定义

3.6.1工程的建立

1）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”；选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口；在文件名一栏内输入“数码管动态画面”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。

如图3-5所示。

图3-5新建用户窗口

2）选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将窗口名称改为“数码管”，将窗口标题改为“数码管”，将窗口背景颜色改为“藏青色”，在窗口设置中选中“最大化显示”。

其它不变，单击“确认”，如图3-6所示。

图3-6设置用户窗口属性

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。

3.6.2变量定义的步骤

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，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，若要增加新数据对象，单击工作台右侧“新增对象”按钮。

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。

如图3-7所示。

图3-7实时数据库

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,单击“确定”,如图3-8所示。

按实际情况设置其他数据对象。

单击“保存”按钮。

图3-8数据对象属性设置窗口

3.6.3动画连接

双击一段数码管，弹出“单元属性设置”对话框，单击“动画连接”选项卡。

单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”对话框后，按实际情况进行设置，如图3-9所示。

图3-9动画组态属性设置

3.6.4设备与变量连接

（1）打开“设备窗口”， 点击工具条中的“工具箱”

图标，打开“设备工具箱”。

（2）单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出可选设备列表。

（3）在可选设备列表中，双击“通用设备”。

（4）双击“模拟数据设备”，在下方出现模拟设备图标。

（5）双击模拟设备图标，将“模拟设备”添加到右侧选定设备列表中，单击确认并保存。

（6）在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入，可查看添加项。

（7）双击“设备0-[模拟设备]”，进入模拟设备属性设置窗口，如图3-10所示。

设置内部属性完成之后单击确认，完成内部属性设置，单击保存，完成设备与变量。

图3-10设备属性设置窗口

选中“内部属性”中“设置设备内部属性”，出现

图标，单击图标，具体设置如图3-11所示。

在“设备调试”中就可以在线调试，如图3-12所示。

图3-11设置设备内部属性

图3-12设备调试

3.6.5进入运行界面

按启动之后，画面进入运行状态。

如图3-13所示。

打开启动键SA1—数码管开始依次每段点亮—并从0-F循环显示；

按下暂停SA3，数码管停止循环显示；

只要停止开关SA2,数码管立即无条件全部熄灭。

图3-13运行界面

总结

通过这次毕业论文的设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

致谢

感谢我的大学老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间姐妹般的感情，维系着寝室那份家的融洽。

三年了，仿佛就在昨天。

三年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。

只是今后大家就难得再聚在一起吃饭了，没关系，各奔前程，大家珍重。

但愿远赴各地工作的同学们平平安安，留在学校继续学习深造的同学们快快乐乐，愿那些还在找工作的同学们顺顺利利，也愿离开我们寝室的舍友们开开心心。

我们在一起的日子，我会记一辈子的。

感谢我的爸爸妈妈，焉得艾草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。

参考文献

[1]廖常初主编.PLC基础及应用[M].北京：

机械工业出版社.2004

[2]廖常初.PLC梯形图的顺序控制设计法[J].电工技术杂志.2001

[3]赵金荣.《可编程序控制器原理及应用》[M].上海应用技术学院.2003

[4]王兆义主编.《可编程序控制器教程》[M].机械工业出版社

[5]王永华主编.《现代电气及可编程技术》[M].北京航空航天大学出版社

[6]胡学林主编.《可编程控制器教程（基础篇）（实训篇）[M].电子工业出版社2005

附录1PLC控制系统梯形图