毕业论文基于触摸屏监控的物料混合系统设计.doc

毕业论文（设计）任务书课题名称基于触摸屏监控的物料混合系统设计指导教师姓名一、主要内容：1、根据物料混合的工艺要求设计系统的流程图与硬件连接CAD图。2、用S7-300PLC编写PLC控制程序。3、设计变频器与监控程序联机控制。4、设置触摸屏与监控程序联机调试。二、基本要求(基本技术要求与数据）1、根据物料混合系统的工艺要求设计系统原理图的逻辑关系可靠准确。2、设计PLC控制软件并按系统要求选择PLC系统配置，软件控制准确。3、利用触摸屏编写上位机监控程序并联机调试，正确调试变频器的运行。三、论文（设计）工作起始日期：自2011年1月3日起，至2011年5月25日止四、进度与应完成的工作：第一阶段：阅读书籍、查找资料 （2011年1月3日2011年3月1日）第二阶段：系统设计、论文初稿 （2011年3月1日 2011年5月6日）第三阶段：系统调试、论文修改 （2011年5月7日20119年5月12日）第四阶段：论文定稿、打印 （2011年5月12日2011年5月14日）第五阶段：论文答辩准备及答辩 （2011年5月16日2011年5月22日）五、主要参考文献、资料1 崔坚.可编程控制器原理及其应用M.北京：机械工业出版社，2005.2 廖常初.S7-300/400PLC应用技术M.北京：机械工业出版社，2005.3 徐占国,郑凤翼，潘桂林.图解触摸屏·PLC·变频器M. 北京：电子工业出版社,2010.4 孟小房.西门子系列变频器及其工程应用M.北京：机械工业出版社，2008.目 录摘 要6Abstract71 引言81.1 传统的物料混合系统控制中存在的问题81.2 物料混合用PLC来代替传统物料混合设备控制82总体方案设计82.1系统设计的目的82.2系统设计的内容92.3 设计系统的思路93 硬件设计103.1 S7-300的选型103.1.1 S7-300系统的基本组成103.1.2 S7-300的系统配置103.1.3 S7-300的电源模块113.2 S7-200的选型113.3 设备型号选择114 系统设计124.1 系统工作原理124.2 功能流程图124.3PLC程序与I/O接口124.4 人机界面设计154.5变频器设计174.6S7-300 PLC与S7-200 PLC连接185系统调试195.1 S7-300模拟量传输调试195.2 触摸屏显示调试206设计总结21参考文献22致谢22附录23基于触摸屏监控的物料混合系统设计白有辉摘 要：本文是基于PLC、变频器和触摸屏的物料混合系统设计。本系统采用模拟量端口采集过来的信号通过A/D转换精确显示出物料的模拟量来运行的系统。本次设计的系统以S7-300为物料混合系统控制的核心，通过组态与EM277联机，再由触摸屏与EM277进行通信；而变频器是受到S7-300的模拟量控制的，从而调节了电机。同时组态软件、触摸屏可以对PLC进行远程控制，提供良好的人机控制画面，方便操作人员进行手动控制。关键词：PLC300 ；变频器 ；触摸屏。The Design of Material Mixing System Based on Touch Screen MonitoringBAI YouhuiAbstract: This article is based on PLC, frequency converter and touch screen material mixing system design. The system USES the analogue port collected signal, after A/D conversion precise shows materials into the system quantity to run。This system for material mixing system with PLC300 core of control，through the configuration and EM277 online, again through touch screen to communicate with EM277; And by the PLC300 inverter is an analog control, which regulates the motor. Meanwhile configuration software, touch screen can remotely control of PLC, provide good human-machine control screen, convenient operation personnel manual control.Keywords: S7-300, Inverter , Touch Screen.1 引言1.1 传统的物料混合系统控制中存在的问题随着近年来工业技术的飞速发展，鉴于搅拌设备在近现代工业中的广泛应用，流体混合技术在上世纪60到80年代期间就得到了迅猛发展,长期以来,虽然有大量设计经验，以及关联式可用于分析和预测混合体系,但直接将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期非常之长。1.2 物料混合用PLC来代替传统物料混合设备控制近代工业快速发展，特别是化学工业中，流动的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体，许多高粘度流体也常常遇到，尤其是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。随着科学技术的发展，设备控制有自动化发展的趋势，也需求搅拌设备自动化转型化。在轻化工食品行业这种需求的满足就显得尤为重要。当前我国的轻化工食品行业以中小型企业为多，在国际经济竞争中如果还只有依靠价廉的人力劳动发展必然被淘汰，所以不得不改进生产，尤其是小型物料混合搅拌的自动化设备甚是奇缺。在这种情况下，价廉实用的自动控制流体物料搅拌系统因其具有生产工艺精良、效率高、环保性能好、安全可靠，经济实惠等优点，将迅速成为帮助中小企业快速成长的首选设备，然后进一步使设备大型化，全面的自动化。为了解决搅拌系统的控制不准确、性能稳定差、安全可靠低等问题，在本设计中我将引入可编程序控制器S7-300来实现其物料混合搅拌控制功能。2 总体方案设计2.1 系统设计的目的通过设计，解决传统物料混合存在的诸多问题，实现自动控制和人机分离，在本次设计中需要达到自动控制和人机分离的目的。本次设计中，通过可编程控制器S7-300和S7-200进行数据的共享和远程存储，而用触摸屏进行人机界面的控制，实现远程显示系统相关变量的状态和系统的部分数据以及对系统的远程监控。S7-300与S7-200之间通过PROFIBUS-DP现场总线实现数据又快高精确的存输，而触摸屏与S7-200是通过PPI接口进行通讯的。而整个系统程序化运行是通过可编程控制器S7-300编写程序进行过程自动控制系统的运行 的。这样一来就可以通过S7-200作为中间设备，把触摸屏与S7-300连接起来，实现操作员远离生产一线现场而进行远程安全控制和监控系统运行。2.2 系统设计的内容通过可编程控制器S7-300进行编程，首先系统初始化，将系统上次未排完的余下的混合C液体排出，初始化结束后，通过S7-300的模拟量采集I/O接口进电压信号转换成混料罐内的物料量，模拟A液和B液流进混料罐，将设定好的A、B液量的比例进行自动混料。于此同时，当料位的增加到一定的量时电机自动开启进行搅拌，随着料位的变化，用于控制电机的变频器的频率也开始相应的改变。当混合罐液位到达最高限定的时候，再延时一定时间的搅拌，就开始释放混合好的混合液C，搅拌电机的速率也随料位降低而变小，在混合料位小到一定极限，电机也就自动停止，实现全过程自动混料。在此过程中，还可以通过人机界面触摸屏进行远程监控和手动控制系统。2.3 设计系统的思路利用实验室中S7-300设备集合有的I/O数字量接口，以及比较多的模拟量端口，加上混料模块来进行实验室模拟的进行混料。通过电压信号的改变，来进行料位的控制，于此同时，通过编程将采集的电压信号模拟量做相对应的转换，输送到变频器，用来动态的控制电机，使电机速率随着混合料的多少来做出相应的改变。然而，在实现远程监控的过程中，借助与S7-200挂靠在S7-300的总线上，实现主站与从站的建立，实现数据存储以及数据共享。而触摸屏在实现远程监控主站的数据，通过先将人机界面跟中间从站S7-200建立通讯，通过访问从站共享到主站的信息，进而也就能对主站进行了有效的远程控制。3 硬件设计3.1 S7-300的选型3.1.1 S7-300系统的基本组成如图3-1为系统的一个基本组态。它包括一个负载电源块，一个S7-300CPU模块，一个信号模块，一台PC机或者编程器(PG)。图3-1 S7-300系统的基本组成3.1.2 S7-300的系统配置S7-300是模块化得组合结构。用户按照实际需求选取的各种模块可以直接安装在机架（导轨）上，通过背板总线的方式把这些模块连接起来。在机架上安装模块按顺序依次是：电源模块、CPU模块、功能模块/通信处理、I/O信号模块。电源模块安装在0号机架的1号槽上，2号槽安装CPU，I/O接口模块安装在4号槽。S7-300有多种型号的数字量I/O模块供选择，而模拟量包括输入输出接口，一种是有4模入/模出的模拟量模块，其输入、输出精度为8位，另外一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。输入量范围为0-10V或者0-20MA。3.1.3 S7-300的电源模块S7-300的电源模块是PS307/10A电源模块的输入电压AC120V/230V、50Hz/60Hz,在输入和输出之间有可靠的隔离。除了给S7-300CPU模块供电，还给各机架槽板提供负载电流。在组建S7-300应用系统时，考虑每块的电流模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的。选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并预留约30%的余量。当同一电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路电压必须小于0.25V。3.2 S7-200的选型S7-200PLC任何一型号的主机，都可以单独构成基本配置，作为一个独立的控制系统。S7-200PLC各型号主机的I/O配置是固定的，她们具体固定的I/O地址。此次用到得S7-200PLC主要是采用主机带扩展系统的控制模块的系统配置。采用数字与模拟量集合一起的自能可扩展系统控制功能。本次设计主要是将S7-300通过PROFIBUS-DP与S7-200相连接，将它们通信而实现数据相互传递。3.3 设备型号选择（1） PS307电源（5A） 1块。（2） CPU 314-2DP （6ES7 314-6CF02-0A0B） 1块。（3） 数字量输入模块 DI16*24VDC（6ES7 321-6CF02-0A0B） 2块。（4） 模拟量输出模块 DO8*REL AC230V（6ES7 322-6CF02-0A0B） 2 块（5） S24两种液体自动混合控制模板 1块。（6） 机架 1块。（7） S7-200 （EM277 PROFIBUS-DP） 1台。（8） 计算机 1台。（9） PWS6600触摸屏 1台 。（10） DJ26三相鼠笼式异步电动机 1台。4 系统设计4.1 系统工作原理当按下S7-300PLC的SB1或者触摸屏系统启动按钮，系统开始启动，首先是进行系统初始化，将之前系统余留的混合液体排出。系统初始化排液10S后，系统开始加载A液，这个加液过程是通过模拟量进行控制的，当液体达到中液位，模拟料位传感器会自动感应，这时就关闭进料A的阀门，同时开启B液阀门，当液位传感器感应到高液位后，系统自动停止进液。而在进A、B液的整个过程中，变频器的频率也随着混合液位的高低而改变，从而根据了料的多少很好的控制了搅拌电机的数率，这样既使A、B液在混合罐内得到了充分的混合，也不使电机一直工作在高转速而浪费电量。在达到高液位后，电机高速运转搅拌溶液持续10S后，混合液体C的排液阀门启动，自动排出液体。电压模拟信号模拟料位下载，到达低料位后延时3S后，系统就完成了一次工序。当按下S7-300的SB2停止按钮或者触摸屏的系统停止按钮后，系统就会完成这一次混液流程后自动停机。在这个混液过程中，变频器的启停是通过数据I/O端口Q124.0控制。4.2 功能流程图根据混料系统的工艺流程，可以画出其工作流程图如图4-1所示。4.3 PLC程序与I/O接口PLC的程序编写是整个系统设计的核心部分，而此次混料设计的难点和重点是如何利用模拟量来控制料位和变频器的频率问题，下面的模拟量处理的相关程序梯形图4-2所示。图4-1 系统工艺流程图SB1按钮系统启动液体A进罐液体B进罐电机启动搅拌混合液C排出电机线性减速运行完成一次工序电机停止系统停止SB2按钮系统初始化完成一次工序后停机图4-2 模拟量处理程序PLC程序的编写第一步是分配I/O口 ，I/O合理的分配好，对接下来的程序编辑提供整体过程的编程思路。本系统的I/O口配置如表4-1所示。表4-1 系统I/O口分配4.4 人机界面设计本次混料设计采用的是泉毅电子公司PWS6600s触摸屏监控设计的。触摸屏联机设计过程重要的就是读取S7-200PLC中的状态位，并通过动态可视的画面显示S7-300系统运动的全过程。同时操作员可以根据实际需要以及针对具体任务，对触摸屏进行操作，实现远程对系统的控制。触摸屏监控主界面如图4-3所示。图4-3 触摸屏监控主画面触摸屏用来远程控制系统是本次设计的重要环节。如图4-4所示，可以由触摸屏控制系统的启动与停止，和电机的运转和停止。图4-4 触摸屏远程控制触摸屏还有另外一个监控界面，是针对变频器控制电机的数率来显示的，这样一来就可以根据实际情况，或者出现紧急情况，远程对电机的启动与停止。显示模拟量不能简单的调用S7-300传给S7-200的数据，而是要经过数据处理，使通过PROFIBUS-DP传来的数据进过程序化处理就可以加以正确的被触摸屏调用而显示了。监控电机数率的监控界面如图4-5所示。图4-5 触摸屏模拟量显示4.5 变频器设计本次设计用的变频器是西门子的MM440，对变频器的设计主要是针对变频器的参数设置，设置变频器的参数前需要对变频器进行恢复出厂状态和快速调试。进行快速调试可以使变频器调识别电动机而对电机的运行控制，开始进行快速调试之前必须得到修改或键入如表4-2所示的技术数据。本次程序设计是通过模拟量控制系统的料位的，同时也是通过模拟量处理后的电压信号控制变频器的数率的，所以在P1000参数设计为2频率给定源模拟量输入。4.6 S7-300 PLC与S7-200 PLC连接本次设计用到了S7-300作为系统主站，通过一根PROFIBUS-DP线连接到从站S7-200上，这样一来就可以远程的传输数据，实现数据共享了。其实在实际运用中，可以建立更多的从站，以实现多地远程操控。在系统软件设计过程中，是将表4-2变频器的参数调试参数号默认值设置值说明P000313参数访问级为专家级P001001开始调试P010000地区类型P020500恒转矩负载P030011电机为异步电动机P0304230380额定电压380V（接法）P03051.121.12额定电流1.12AP03070.750.18额定容量0.18KWP03080.8200电机功率因素P03105050电机额定频率50HzP033500轴上风扇自冷却P070022I/O端子控制P100022频率给定源模拟输入P1080010最小运行频率为10Hz P10825050最大运行频率为50HzP11201010上坡时间P11211010下坡时间P130000线性V/F控制P191001使用电机识别P390002结束快速调试S7-200挂靠在S7-300引出的一根PROFIBUS-DP线上，然后通过分配S7-200的网络I/O地址，编程时就可以通过I/O接口进行输送与接收需用共享的数据了。如图4-6所示，对数据连接过程的建立的组态。图4-6 对数据连接过程的建立的组态5 系统调试图5-1 模拟量监控5.1 S7-300模拟量传输调试首先，将SIMATIC Manager编程软件编辑好的PLC300程序下载都S7-300的CPU中，下载过程注意将系统清除复位，以避免之前存在的程序的干扰。下载硬件组态时，应该注意把CPU置为STOP状态。下载后就可以启动系统了，观察混料系统的整个运作过程，是否与预先的设计一样。调试过程，比较重要的是模拟的监控，随着模拟量得改变而引起混料的自动运行。A液、B液，和混合液C的模拟模块显示灯的亮灭。如图5-1所示是在混料系统程序运行是监控到的模拟量值。5.2 触摸屏显示调试触摸屏的调试，是比较难的一环，首先要将S7-200连接到S7-300上，将数据通过组态PROFIBUS-DP传达到S7-200的CPU中，然后触摸屏通过RS485端口与S7-200连接，触摸屏调用V区的值去共享显示系统功能控制的状态显示与控制以及电机的频率。此时应当注意的是，在读取电机的数率是一定要用双字节DW才能显示完全点击的数率。如图5-2是电机数率调试后在触摸屏上显示界面。图5-2 电机数率调试监控界面6 设计总结本文研究的基于触摸屏监控的物料混合系统的设计，利用了PLC可编程能力强，可通信能力高，抗干扰能力强，等，使系统很好的完成了模拟的工程的需要，各项功能都达到了要求的指标。结合人机界面触摸屏强大数据处理和图形表现的能力，现实了混料系统的实时监控和远程控制，并具有可靠性高、操作简单等特点。通过本次混料系统的设计，巩固了之前所学的自动控制原理、电机与拖动基础，电机调速、自动化仪表与过程控制及传感器方面的理论知识，同时在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己理解是不对的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计我自学了S7-300PLC可编程技术，变频器的运用技术，西门子人机界面，以及一些监控组态软件的运用。整个设计完成后，体会这各个方面理论知识在实践应用中的关联和相互之间的影响。整个设计过程其实是一个遇到问题然后解决问题的一个过程，通过此次毕业设计，还学会了怎么应用多种思维方式去分析和设计一些东西，能独立地完成思考和完成问题的解决。通过这次毕业设计，明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。经过这次设计，通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但最重要的是收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有着非常重要的影响。参考文献1 周美兰，周封，王岳宇PLC电气控制与组态设计M北京：科学出版社，20062 吴中俊，黄永红可编过程控制器原理及应用M北京：机械工业出版社，20063 廖常初.S7-300/400PLC应用技术M.北京：机械工业出版社，2005.4 李燕, 廖义奎，王永图解变频器应用M北京：中国电力出版社，20095 龚运新，方力友工业组态软件实用技术M北京：清华大学出版社20056 施仁, 刘文江, 郑辑光自动化仪表与过程控制M北京：电子工业出版社，20077 廖常初，陈晓东西门子人机界面M北京：机械工业出版社，2008致谢在本次毕业设计中，得到了指导老师孔繁镍老师的悉心指导。在设计过程中帮助解决设计中遇到的许多问题，并且教会我们自己遇到问题，分析问题，解决问题的能力，这使我们再今后的学习和工作中得到非常大的影响。同时，班上一起做设计的同学也给予了许多的支持和帮助, 大家在一起交流经验，使自己在很多知识方面的欠缺得到了补充。在相互学习的过程中，也体会到了合作与交流的重要性，相信这必将成为今后工作的一笔财富。在此，一并向身边帮助过自己同学表示衷心的感谢！最后，也由衷地感谢我们物理与电子工程学院领导和老师在这几年的悉心培养与热心教育！附录系统硬件连接的CAD图系统主程序梯形图