基于PLC控制的传送带组态控制系统设计-PLC课程设计论文.doc

plc 设计与调试 课程名称 电气控制与 plc 应用技术 设计题目 传送带组态控制系统设计 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 起止时间 2013.6.8-2013.6.21 2 课程设计考核和成绩评定办法 1. 课程设计的考核由指导教师根据设计表现、设计报告、设计成果、答辩等几个方面， 给出各项权重，综合评定。该设计考核教研室主任审核，主管院长审批备案。 2. 成绩评定采用五级分制，即优、良、中、及格、不及格。 3. 参加本次设计时间不足三分之二或旷课四天以上者，不得参加本次考核，按不及格处 理。 4. 课程设计结束一周内，指导教师提交成绩和设计总结。 5. 设计过程考核和成绩在教师手册中有记载。 课程设计报告内容 课程设计报告内容、格式各专业根据专业不同统一规范，经教研室主任审核、主管院 长审批备案。 注： 1. 课程设计任务书和指导书在课程设计前发给学生，设计任务书放置在设计报告封 面 后和正文目录前。 2. 为了节省纸张，保护环境，便于保管实习报告，统一采用 a4 纸，实习报告建议 双面打印（正文采用宋体五号字）或手写。 3 12/13 学年第二学期 plc 应用技术 课程设计任务书 指导教师： 班级： 地点：plc 室 课程设计题目： 基于 plc 控制的传送带组态控制系统设计 一、课程设计目的 本课程设计的目的在于培养学生运用已学的 plc 控制技术的基础知识和基 本理论，加以综合运用，进行 plc 控制系统设计的初等训练，掌握运用 plc 进行系统控制设计的原则、设计内容和设计步骤，为从事 plc 相关的毕业设计 或今后的工作需要打下良好的基础。 二、课程设计内容（包括技术指标） 本课程设计为四条传送带的传送控制系统的设计，分别用四台电动机带动 四条传送带的机械传动，切换四台电动机的正反运行同时对运行状况进行组态 监视。 1、双向控制模块 通过方向开关选择电动机的状态，方向开关可选择电动机的状态分为两种： 正转控制和反转控制。 控制功能： 1）正转控制 当“方向开关”未被按下时，四台电动机处于正转状态，且方向指示灯不 亮。 2）正转控制 当“方向开关”被按下时，四台电动机处于反转状态，且方向指示灯被点 亮。 2、启动及停止控制模块 通过转换开关选择传送带启动方式，转换开关可选择启动方式分为两种： 单独控制和自动控制。启动时先起动最末一条皮带机，经过 5 秒延时，再依次 起动其它皮带机到最前一条后 5 秒 y0 得电货物开始装填货物。停止时系统首 先停止 y0 货物装填，然后从 1#皮带开始每延时 5 秒后停止皮带机转动直到最 后一条皮带机。 单独与自动控制连锁，任何一个单独按钮“on” ，自动控制不能建立，反 之，如果自动控制已建立，单独按钮的动作对自动操作没有任何影响。 控制功能： 1）单独控制 当“转换开关”按钮置“单独”位置时，方可对单机进行单独控制。 4 电机的单独控制有启动次序控制，控制次序可以为 4321 或电机单独 运行。 2）自动控制 当处于自动控制模式时，按下启动按钮后，电机将自动按 4321 次序 启动，电机启动时间间隔为 5s。 3、超重检测模块 通过采用称重传感器，将被测量的重量转换为一定线性关系的电信号。电 信号经过前置放大器后传输给 a/d 转换器。转换后的信号由可编程控制器的 cpu 进行运算处理。并与设定值比较，当超过设定值时，则报警。 4、故障紧急处理模块 我们将故障分为四级故障。分别是一级故障、二级故障、三级故障、四级 故障。当某条皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停止且 y0 也立即停止装填货物，而该皮带机以后的皮带机待运完后才停止。 1）当出现紧急状况时，人为按下急停开关，电机紧急停车及出料口停止出 料。 2）当传感器或组态监测到电机在不正常运行状况下停车时，系统将声、光 同时报警，通知工作人员进行故障处理。 3）不论单独控制还是自动控制，急停开关均起作用。 5) 如当 2#皮带出现故障时，y0 和 1#皮带自动停止，3#皮带和 4#皮带可以 保持运行，当故障解除时，先判断电机运行状态，若在自动启动状态下，复位， 电动机依顺序进行启动，若在单独启动状态下，复位后，再按相应“启动”按 钮，进行电机启动。 5、组态监控模块 通过组态与 plc 的联机完成对电机运行状态监视及显示，该监视模块将大 大提高控制系统的自动化程度，减少现场监视人员。该模块的显示将通过四组 红绿指示灯显示四组电机的正反运行及停止状况。 6、重量统计模块 通过对物料流量的速度的进行设定，保证单位时间内流过物料口的流量固 定，通过对系统运行时间进行统计，当电动机出现故障时，物料口物料停止， 系统统计时间停止，故障恢复时，统计时间又继续恢复原来统计点，继续进行 统计。最终利用计算机进行计算通过传送带的总物料流量。 三、课程设计原则 1、尽可能地满足被控对象的控制要求； 2、在满足控制的前提下，力求使控制系统简单、经济； 3、保证控制系统安全可靠； 4、考虑到被控对象的改进，在选择 plc 的 i/o 数量时，应适当留有余量； 四、课程设计步骤 1、对控制系统任务和要求作深入的调查研究，明确控制任务： 5 2、选择和确定用户 i/o 设备： 根据传统控制线路，确定出 plc 改造所需的各种输入/输出设备，即各种 按钮、开关、继电器和接触器等。 3、确定系统整体设计方案，选择 plc 型号 确定系统整体设计方案十分重要，要在全面了解控制要求的基础上确定电 气控制方案。根据所选用的电器或元件的类型和数量，计算所需 plc 的输入/ 输出点数，选择合适的点数。由于本设计中只涉及到开关量，因此在选择 plc 型号时，只需考虑 i/o 点数，并有一定的余量（10%15%）选择小型 plc。 4、控制系统的硬件设计 （1）主电路的设计； 图 1 主控制电路图 （2）确定出输入、输出信号，画出 plc 的 i/o 接线图； （3）设计控制面板。合理布局，要求简单醒目。 （4）组态监控画面。 5、控制系统的软件设计 （1）首先分别设计出传送带控制系统各部分的控制软件流程图及梯形图； 单独控制电路 （2）整体控制软件梯形图设计； 6、联机调试； 7、撰写设计说明书。 6 图 2 i/o 接线图 五、时间安排 表 2 时间安排表 时间 内容 备注 第 15 周 周一 集中讲解课程设计要求，分配 设计题目，明确任务和具体安排 周二 调研、查阅资料、给出设计方案 周三 检查设计方案， 10：30-11：30 周四 调整设计方案 周五 上机调试 第 16 周 周一 上机调试 周二 上机调试 周三 上机调试 周四 写课程设计报告 周五 答辩 六、任务安排 7 表 3 任务分配表 题目 基于plc控制的传送带组态控制系统设计 组长 副组长 成员 任务一 任务二 任务三 任务四 任务五 任务六 查资料 实地调研 硬件设计 软件设计 联机调试 实习报告 七、基本要求 （一）课程设计报告 1控制流程图一张（a4） （手绘） 2控制系统硬件设计图一张；（a4） （手绘） 3控制系统软件梯形图一张；（a4） （手绘） 4设计说明书一份，包括以下内容 1) 写出设计计划和基本步骤。 2) 写出控制要求并画出设计流程图。 3) 画出 i/o 分配表和 i/o 接线图。 4) 画出具体设计的梯形图，并加以注释。 5) 写出调试过程和结果。 6) 写课程设计小结。 （二）成绩评定标准 对学生进行全面考核，重点考核设计图纸、说明书质量；独立思考、独立 工作能力，综合运用知识的能力；平时的工作态度及表现；答辩情况。 最后按平时表现、报告质量、答辩成绩，其权重分别为 0.2、0.4、0.4 综合 评定成绩，分优、良、中、及、不及格五个等级。 8 摘 要 本系统 plc 在四节传送带控制系统中的应用，同时也详细地叙述了系统中 相关控制项目的设计方案及具体实现方法。文中还介绍了基于 plc 与单片机的 区别使我们能更加的清楚认识 plc，对学生熟悉 plc 控制系统的结构和工作原 理以及学习梯形图的编写都有很大的帮助。 该设备适用于流水线生产，也可以把生产出的货物进行传送到特定的地方。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc 由于采用现代大规模集成电路技术， 采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可 靠性。从 plc 的机外电路来说，使用 plc 构成控制系统，和同等规模的继电接 触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就 大大降低。此外，plc 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警 报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系 统中除 plc 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 关键词 传送带 plc 故诊断控制 可编程控制器 组态监控 abstract introduced plc in four conveyer belts control system application, simultaneously also in detail narrated in the system to be connected the control project design proposal and the concrete 9 realization method. in the article also introduced enables us based on plc and the monolithic integrated circuit difference even more clearly to know plc, is familiar with the plc control system to the student the structure and the principle of work as well as the study trapezoidal chart compilation all has the very big help. this system is a system which controls to four conveyer belts, this equipment is suitable for the production-runs and so on, also may the cargo which produces carry on transmits to the specific place. the redundant reliability is the electricity control device essential performance. plc because uses the modern large scale integrated circuit technology, used the strict production craft manufacture, the internal circuit has adopted the advanced antijamming technology, had the very high reliability. machine the external circuit said from plc that, uses the plc constitution control system, compares with the same level scale relay system, the electrical wiring and the switch contact reduced to several hundred even several 1/1,000, the breakdown also greatly reduces. in addition, plc has the hardware breakdown self-examination function, appears when the breakdown may promptly send out the warning information. in the application software, the application also may enroll the periphery component the breakdown from the diagnostic program, causes in the system also obtains the breakdown besides the plc electric circuit and the equipment from the diagnosis protection. key word: control crogrammable configuration 10 目 录 第 1 章 绪 论 11 1.1 课题研究简介 .11 1.1.1 课题研究背景 .11 1.1.2 研究 发展方向 12 第 2 章 可编程控制器的概述 13 2.1 plc 的概述 13 2.1.1 plc 的概念 .13 2.1.2 plc 的功能 .13 2.1.2 可编程控制器的特点 .15 2.1.4 可编程序控制器的发展 .16 第三章 组态 17 3.1 组态软件 .17 3.1.1 组态软件的特点 .17 3.1.2 产生背景 .18 3.1.3 组态软件功能 .18 3.1.4 组态软件的发展情况 .19 第四章 系统设计 23 4.1 控制要求 .23 4.1.1、双向控制模块 .23 4.1.2 启动及停止控制模块 .23 4.1.3 超重检测模块 .24 4.1.4 故障紧急处理模块 .24 4.1.5 组态监控模块 .25 4.1.6 重量统计模块 .25 4.2 电路设计 .25 4.2.1 主电路的电路设计 25 4.2.2. plc 接线图 .26 4.2.3 组态控制模型 26 4.2.4 控制面板图 .28 4.4 系统程序设计 .28 4.4.1 系统程序的 i/o 端子表 .28 4.4.2 t 型图 29 参考文献： 35 11 第 1 章 绪 论 具有牵引件的皮带传输机一般包含牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改 向装置和支承件等。牵引件用以传递牵引力，可采取输送带、牵引链或钢丝绳；承载构件 用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驱动装置给输送机以动力，一般由电动机、减速 器和制动器(结束器)等组成；张紧装置一般有螺杆式和重锤式两种，可使牵引件坚持必定 的张力和垂度，以保证皮带传输机正常运转；支承件用以承托牵引件或承载构件，可采取 托辊、滚轮等。 具有牵引件的皮带传输机装备的构造特色是：被运送物料装在与牵引件连结在一起的 承载构件内，或直接装在牵引件(如输送带) 上，牵引件绕过各滚筒或链轮首尾相连，形成 包含运送物料的有载分支和不运送物料的无载分支的闭合环路，应用牵引件的持续活动输 送物料。 这类的皮带传输机装备种类繁多，重要有带式输送机、板式输送机、小车式输送机、 主动扶梯、主动听行道、刮板输送机、埋刮板输送机、斗式输送机、斗式晋升机、悬挂输 送机和架空索道等。 没有牵引件的皮带传输机装备的构造组成各不雷同，用来输送物料的工作构件亦不雷 同。它们的构造特色是：应用工作构件的旋转活动或往回活跃，或应用介质在管道中的流 动使物料向前输送。例如，辊子输送机的工作构件为一系列辊子，辊子作旋转活动以输送 物料；螺旋输送机的工作构件为螺旋，螺旋在料槽中作旋转活动以沿料槽推送物料；振动 输送机的工作构件为料槽，料槽作往回活跃以输送置于其中的物料等。 1.1 课题研究简介 1.1.1 课题研究背景 现阶段国内外皮带输送机技术的基本状况国外皮带输送机技术一直以来都高于我国皮 带输送机技术的发展水平，目前我外皮带输送机技术发展已经进入了一个新的发展阶段， 皮带输送机的所具有的功能更加丰富，应用范围也更加广泛。 大批先进的高技术含量的皮带输送机已经研究开发成功，并在具体的工作实践中得到 了广泛的运用，极大地提高皮带输送机的运输距离、运载量以及运输速度。并且带式输送 的稳定性也得到了极大地改善，白动化的监控技术也被运用到了皮带输送机当中，输送机 运行的可靠性得到的极大地改善。 12 随着我国煤矿开采事业的进一步发展，皮带输送机在生产力水平不断提高的刺激下， 输送机的品种以及类型都日渐丰富化。同时随着科学技术水平的不断提高，皮带输送机的 技术水平也有了很大程度的提高，皮带输送机在科学技术的支持下，运输距离不断提高， 输送机所具有的功率也得到了极大地提高。大倾角长距离皮带输送机以其多有的性能在极 大地提高了我国煤矿开采运输事业的效率。 1.1.2 研究发展方向 未来皮带传输机装备将向着大型化发展、扩展应用范畴、物料主动分拣、下降能量耗 费、减少污染等方面发展。 大型化包含大输送才华、大单机长度和大输送倾角等几个方面。水力输送装置的长度 已达 440 公里以上带式输送机的单机长度已近 15 公里，并已浮现由若干台组成联系甲乙 两地的“ 带式输送道”。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机 结构。 带式传送机 是在必定的线路上持续输送物料的物料搬运机械，又称持续输送机。输送机可进行程 度、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。输送机输送才能 大，运距长，还可在输送进程中同时完成若干工艺操作，所以利用十分普遍。 带式输送机（直线式）该输送机用于物料的输送。采取不锈钢网带作为载体，实用于 各种食操行业的烘干、去湿、冷冻等、热处置等；不锈钢制成，具有耐高温、便于清洗等 特色；具体尺寸可以依据客户请求定做。 板式输送机 应用固接在牵引链上的一系列板条在程度或倾斜方向输送物料的输送机，以单片钢板 铰接成环带作为运输机的牵引和承载构件承载面具有横向隔片置于槽箱中驱动环带借隔片 将煤刮运输出。它由驱动机构、张紧装置、牵引链、板条、驱动及改向链轮、机架等部分 组成。在冶金、煤炭、化工、电力、机械制作及公民经济的其他工业部门中均得到了普遍 的利用。 斗式输送机（bucket elevator ）： 斗式输送机。输送散装货（如煤等）货斗的皮带传输机，皮带传输机持续不断地将货 斗送到敞开的舱口上面的某一点后，再将货斗向货舱中倒空 13 斗式输送机，实用于冶金、矿山、建筑、化工、食品、食粮等行业必定粒度、块度的 物料和粉料的输送。它包含有驱动装置（含逆止装置）、壳体（包含程度段、改向段、垂 直段）、及位于壳体内的牵引链、料斗、头轮和尾轮，在壳体的两端设有加料段和卸料段， 料斗的两侧通过联接环分辨与两根平行的牵引链相联接。头轮上设有与牵引链相吻合的齿。 其输送情势为一字形、l 形、z 形三种。本实用新型的优点是具有体积小、功耗低、输送 形式灵活、密封输送等特点。 第 2 章 可编程控制器的概述 2.1 plc 的概述 在 plc（programmable logic controller，可编程控制器）发展的过程中，由于时期不 同、功能相异，plc 还曾被称为可编程矩阵控制器 pmc（programmable matrix controller） 、 可编程顺序控制器 psc（programmable sequence controller ） ，本书将沿用 plc 的称谓。 2.1.1 plc 的概念 “plc 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的 存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及 其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。 ”上述是 国际电工委员会于 1985 年 1 月对 plc 所作的权威性的定义。 对于 plc 的定义，其补充说明如下。 以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控 制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。 2.1.2 plc 的功能 1) 顺序逻辑控制 顺序逻辑控制在 plc 应用领域中应用最广泛，可以取代继电器控制系统，实现逻辑控 制和顺序控制。它既可以用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。plc 根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进 14 行相应的操作。 2) 运动控制 在机械加工行业，plc 与计算机数控集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多 plc 制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况 下，plc 将描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移 动时，位置控制模板将保持适当的速度和加速度，以确保运动平滑。目前已用于控制无心 磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。 3) 定时控制 plc 为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令。一般每个定时器可实现 0.1999.9s 或 0.0199.99s 的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度 高，定时设定方便、灵活。同时 plc 还提供了高精度的时钟脉冲，可用于准确地实时控制。 4) 计数控制 plc 提供了多种计数器，如普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，可以用来完成 不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时， 发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。 5) 步进控制 plc 为用户提供了一定数量的移位寄存器，并完成步进控制功能。在一道工序完成之 后，自动进行下一道工序；一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些 plc 还 专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。 6) 数据处理 大部分 plc 都具有不同程度的数据处理功能，如 f2 系列、c 系列、s5 系列 plc 等可 完成数据运算（如加、减、乘、除、乘方、开方等） 、逻辑运算（如与、或、异或、求反等） 、移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。 7) 数模和模数转换 在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等 连续变化的物理量（或称模拟量） 。过去，由于 plc 善于逻辑运算控制，对于这些模拟量 主要依靠仪表（如果回路数较少）或分布式控制系统 dcs（如果回路数较多）来控制。目 前，不但大、中型 plc 具有模拟量处理功能，甚至很多小型 plc（如 c 系列 p 型机）也 具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。 15 8) 通信及网络 目前大多数 plc 都具有了通信能力，能够在 plc 与计算机之间同时进行同位链接及 上位链接。通过这些通信技术，使 plc 更容易构成工厂自动化系统。也可与打印机、监视 器等外部设备相连，记录和监视有关数据。 2.1.2 可编程控制器的特点 1) 通信性和灵活性强，应用广泛可编程控制器不同于一般以硬件固定连接方式来体现 控制机理的控制系统，其控制规则可根据不同的需求方便地以更新软件来实现，故其适应 性极强，尤其适用于控制规则需要不断更新的场合，如机械制造、电力、冶金、建材、煤 炭、化工、石化、医疗、纺织、食品等，既可应用于单机装置中，又可以应用于生产线中。 2) 可靠性高，抗干扰的能力极强 可编程控制器在硬件、软件设计上均充分考虑了抗强烈干扰和对故障进行诊断与容错 的各种措施，如屏蔽、隔离、滤波、电压调整、对故障的在线诊断、对程序及数据的后备 电池保护、wtd 保护等，使其可靠性较之一般工业控制装置高出很多。大多数 plc 产品 的平均无故障间隔时间 mtbf 都可达数十万小时。有一个例子可以有力地说明 plc 抗干 扰能力的强大：plc 出厂试验中有一项抗干扰试验，是要承受幅值为 1000v、上升时间为 1ns、脉宽为 1s 的干扰脉冲冲击。就这一特点而言，也使 plc 赢得了众多的用户。 3) 产品系列化、规模化、功能完备、性能优良 可编程控制器发展到目前的这种局面，已经拥有繁多的品牌，小、中、大系列齐全， 各种功能的装置和模块相当齐备，且性能异常优良，用户只需根据自己需要，选择这些产 品予以安装并连上外部接线就可以方便地构成自己的系统。就功能来说，plc 除了满足强 大的逻辑控制功能外，还有不少的产品具有运动控制、pid 过程控制、数控、数据处理以 及通信等各种功能，远远超越了纯开关量控制的概念。 4) 编制程序简单、容易 由于可编程控制器控制程序充分照顾到了现在工程技术人员的习惯，既可用面向生产 过程现场的简单指令语句形式编程，又可以用大家普遍熟悉的梯形图编程。对于复杂系统， 有的可编程控制器还可以使用简单易懂的功能图表编程和模块化的程序结构（如主控程序 结构）等。使得编程和改变程序均很方便、灵活。 16 5) 设计、安装、调试周期短，扩充容易 如前所述，由于 plc 硬软件产品齐全，故用户组建系统时，设计、安装、调试都很容 易，与一般控制系统相比，大大缩短了周期。由于 plc 产品开发有大量扩展单元或不同规 模不同功能的模块，故用户扩充自己系统的规模或扩充功能都异常方便。 6) 体积小、重量轻，维护方便 plc 体积小、重量轻自不待说。plc 由于有自诊断功能，能及时将故障点显示给维修人 员，故排除故障相当顺利、简单。加之 plc 组装、联接简单、维修时采用更换整个单元或 模块，故特别方便。 2.1.4 可编程序控制器的发展 1) 国外的 plc 发展 世界上公认的第一台plc是1969年美国数字设备公司(dec)研制的。限于当时的元器件 条件及计算机发展水平，早期的plc主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成 简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入 可编程控制器，使plc增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征 的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器 采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储 元件都以继电器命名。此时的plc为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可 编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干 扰设计、模拟量运算、pid功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的 特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编 程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上 来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功 能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说， 生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容 易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用 17 都得到了长足的发展。 2) 国内 plc 的发展 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在 引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 plc 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生 产的 cf 系列、杭州机床电器厂生产的 dkk 及 d 系列、大连组合机床研究所生产的 s 系 列、苏州电子计算机厂生产的 yz 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获 得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 plc 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，plc 在我国将有更广阔的应用天地。 第三章 组态 3.1 组态软件 组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文 scada,即 supervisory control and data acquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用 软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式， 为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应 用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制 以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(rtu system,remote terminal unit)。 3.1.1 组态软件的特点 组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式 监控软件”。“组态（configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是 指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算 机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次 开发平台”。“监控（supervisory control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信 号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。 18 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出 现在工业计算机控制中，如：dcs(集散控制系统）组态、plc（可编程控制器）梯形图组态； 人机界面生成软件就叫工控组态软件。在其他行业也有组态的概念，如 autocad，photoshop 等。不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。 从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。工控组态软件也提供了编程 手段，一般都是内置编译系统，提供类 basic 语言，有的支持 vb，现在有的组态软件甚至 支持 c#高级语言。 组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管 理和网络功能。对应于原有的 hmi（人机接口软件，human machine interface）的概念， 组态软件还是一个使用户能快速建立自己的 hmi 的软件工具或开发环境。在组态软件出现 之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 hmi 应用，开发时间长，效率低，可靠 性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求， 很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可 以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据 库、实时控制、scada、通讯及联网、开放数据接口、对 i/o 设备的广泛支持已经成为它的 主要内容，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 3.1.2 产生背景 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统（distributed control system 简称 dcs） 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术不断发展和应 用的过程中，pc（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要 体现在：pc 技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟；由 pc 构建的工业控制 系统具有相对较低的拥有成本；pc 的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强； 基于 pc 的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在 pc 技术向工业 控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 3.1.3 组态软件功能 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级 的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开 19 发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以 非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和 i/o 产 品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口， 进行系统集成。 组态软件通常有以下几方面的功能： 1）强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于 windows 环境下，充分 利用 windows 的图形功能完善界面美观的特点，可视化的 m 风格界面、丰富的工具栏，操 作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控仵和工况图库，既提供所需的组 件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面， 并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如 隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。 2）良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬仵不可能出自一家公司 的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协 议互联，支持多种硬仵设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。 组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与 下位机的双向通信。 3) 丰富的功能模块。提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场荽求。利用 各种功能模块，完成实时监控 产生功能报表 业示历史曲线、实时曲线、提侠报警等功能， 使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、dcs 分布式控 制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统 4）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散童、字符型等， 实现与外部设备的数据交换。 5）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编鸾程序，蹭 强图形界面 6）周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权眼，保证整个系统的安 全可靠运行。 7）仿真功能捉供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。 2 20 3.1.4 组态软件的发展情况 监控组态软件日益成为自动化硬件厂商争夺的重点 整个自动化系统中，软件所占比重逐渐提高，虽然组态软件只是其中一部分，但因其 渗透能力强、扩展性强，近年来蚕食了很多专用软件的市场。因此，监控组态软件具有很 高的产业关联度，是自动化系统进入高端应用、扩大市场占有率的重要桥梁。在这种思路 的驱使下，西门子的 wincc 在市场上取得巨大成功。目前，国际知名的工业自动化厂商 如 rockwell、 ge fanuc、honeywell、西门子、abb 、施耐德、英维思等均开发了自己的 组态软件。 监控组态软件在 dcs 操作站软件中所占比重日益提高 继 foxboro 之后，euro therm（欧陆） 、delta v、pcs7 等 dcs 系统纷纷使用通 用监控组态软件作为操作站。同时，国内的 dcs 厂家也开始尝试使用监控组态软件作为 操作站。 在大学和科研机构，越来越多的人开始从事监控组态软件的相关技术研究 从国内自动化行业学术期刊来看，以组态软件及与其密切相关的新技术为核心的研究 课题呈上升趋势，众多研究人员的存在，是组态软件技术发展及创新的重要活跃因素，也 一定能够积累很多技术成果。无论是技术成果还是研究人员，都会遵循金字塔的规律，由 基础向高端形成过渡。这些研究人员和他们的研究成果为监控组态软件厂商开发新产品提 供了有益的经验借鉴，并开拓他们的思路。 基于 linux 的监控组态软件及相关技术正在迅速发展之中，很多厂商都相继推出成熟 的商品，对组态软件业的格局将产生深远的影响。 1） 集成化、定制化 从软件规模上看，大多数监控组态软件的代码规模超过 100 万行，已经不属于小型软 件的范畴了。从其功能来看，数据的加工与处理、数据管理、统计分析等功能越来越强。 监控组态软件作为通用软件平台，具有很大的使用灵活性。但实际上很多用户需要“傻 瓜”式的 应用软件，即需要很少的定制工作量即可完成工程应用。为了既照顾“ 通用”又兼顾 “专用”，监控组态软件拓展了大量的组件，用于完成特定的功能，如批次管理、事故追忆、 温控曲线、油井示功图组件、协议转发组件、odbcrouter 、ado 曲线、专家报表、万能 报表组件、事件管理、gprs 透明传输组件等。 2） 纵向：功能向上、向下延伸 21 组态软件处于监控系统的中间位置，向上、向下均具有比较完整的接口，因此对上、 下应用系统的渗透能力也是组态软件的一种本能，具体表现为： 向上 其管理功能日渐强大，在实时数据库及其管理系统的配合下，具有部分 mis、mes 或调度功能。尤以报警管理与检索、历史数据检索、操作日志管理、复杂报表等功能较为 常见。 向下 日益具备网络管理（或节点管理）功能：在安装有同一种组态软件的不同节点上，在 设定完地址或计算机名称后，互相间能够自动访问对方的数据库。组态软件的这一功能， 与 opc 规范以及 iec61850 规约、bacnet 等现场总线的功能类似，反映出其网络管理能 力日趋完善的发展趋势。 软 plc、嵌入式控制等功能：除组态软件直接配备软 plc 组件外，软 plc 组件还作 为单独产品与硬件一起配套销售，构成 pac 控制器。这类软 plc 组件一般都可运行于嵌 入式 linux 操作系统 。 opc 服务软件：opc 标准简化了不同工业自动化设备之间的互联通讯，无论在国际 上还是国外，都已成为广泛认可的互联标准。而组态软件同时具备 opc server 和 opc client 功能，如果将组态软件丰富的设备驱动程序根据用户需要打包为 opcserve 单独销 售，则既丰富了软件产品种类又满足了用户的这方面需求，加拿大的 matrikon 公司即以开 发、销售各种 opcserver 软件为主要业务，已经成为该领域的领导者。 监控组态软件厂 商拥有大量的设备驱动程序，因此开展 opcsever 软件的定制开发具有得天独厚的优势。 工业通信协议网关：它是一种特殊的 gateway，属工业自动化领域的数据链产品。 opc 标准适合计算机与工业 i/o 设备或桌面软件之间的数据通讯，而工业通信协议网关适 合在不同的工业 i/o 设备之间、计算机与 i/o 设备之间需要进行网段隔离、无人值守、数 据保密性强等应用场合的协议转换。市场上有专门从事工业通讯协议网关产品开发、销售 的厂商，如 woodhead、prolinx 等，但是组态软件厂商将其丰富的 i/o 驱动程序扩展一个 协议转发模块就变成了通讯网关，开发工作的风险和成本极小。multi_opcserver 和通讯 网关 pfieldcomm 都是力控 forcecontrol 组态软件的衍生产品。 3） 横向：监控、管理范围及应用领域扩大 只要同时涉及实时数据通讯（无论是双向还是单向） 、实时动态图形界面显示、必要 的数据处理、历史数据存储及显示，就存在对组态软件的潜在需求。 22 除了大家熟知的工业自动化领域，近几年以下领域已经成为监控组态软件的新增长点： 设备管理或资产管理（pam， plant asset management） 。此类软件的代表是艾默生 公司的设备管理软件 ams。据 arc 机构预测，到 2009 年全球 pam 的业务量将达到 19 亿美元。pam 所包含的范围很广，其共同点是实时采集设备的运行状态，累积设备的各种 参数（如运行时间、检修次数、负荷曲线等） ，及时发现设备隐患、预测设备寿命，提供设 备检修建议，对设备进行实时综合诊断。 针对过程控制和自动化控制，美国 iconics 公司推出了注重设备故障检测和诊断的 分析管理软件 facility analytix，facility analytix是一个带有预测功能的楼宇自动化 解决方案，它以 iconics 先进的故障检测和诊断（ fdd）引擎作为核心。它的内部算法 会权衡各种故障可能性，并据此建议管理者，操作人员和维修工采取措施以防设备故障发 生或者产生能源浪费。当设备发生故障时，先进的软件技术会自动提供一个可能故障原因 的分类列表，这样就可以减少停机时间并降低故障诊断和故障恢复的成本。目前已经在美 国电力和园区级楼宇项目得到广泛的应用。 3 先进控制或优化控制系统。在工业自动化系统获得普及以后，为提高控制质量和控制 精度，很多用户开始引进先进控制或优化控制系统。这些系统包括自适应控制、 （多变量） 预估控制、无模型控制器、鲁棒控制、智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络等） 、其 他依据新控制理论而编写的控制软件等。这些控制软件的常项是控制算法，使用监控组态 软件主要解决控制软件的人机界面、与控制设备的实时数据通讯等问题。 工业仿真系统。仿真软件为用户操作模拟对象提供了与实物几乎相同的环境。仿真软 件不但节省了巨大的培训成本开销，还提供了实物系统所不具备的智能特性。仿真系统的 开发商专长于仿真模块的算法，在实时动态图形显示、实时数据通讯方面不一定有优势， 力控®；监控组态软件与仿真软件间通过高速数据接口联为一体，在教学、科研仿真应 用中应用越来越广泛。 电网系统信息化建设。电力自动化是监控组态软件的一个重要应用领域，电力是国家 的基础行业，其信息化建设是多层次的，由此决定了对组态软件的多层次需求。 智能建筑：物业管理的主要需求是能源管理（节能）和安全管理，这一管理模式要求 建筑物智能设备必须联网，首先有效地解决信息孤岛问题，减少人力消耗，提高应急反应 速度和设备预期寿命，智能建筑行业在能源计量、变配电、安防&；门禁、消防系统系统 联入 ibms 服务器方面需求旺盛。 23 公共安全监控与管理：公共安全的隐患可造成突发事件应急失当，容易造成城市公共 设施瘫痪、人员群死群伤等恶性灾难。公共安全监控包括： 人防（车站、广场）等市政工程有毒气体浓度监控及火灾报警。 水文监测：包括水位、雨量、闸位、大坝的实时监控。 重大建筑物（如桥梁等）健康状态监控：及时发现隐患，预报事故的发生。 机房动力环境监控：在电信、铁路、银行、证券、海关等行业以及国家重要的机关部 门，计算机服务器的正常工作是业务和行政正常进行的必要条件，因此存放计算机服务器 的机房重地已经成为监控的重点，监控的内容包括：ups 工作参数及状态、电池组的工作 参数及状态、空调机组的运行状态及参数、漏水监测、发电机组监测、环境温湿度监测、 环境可燃气体浓度监测、门禁系统监测等。 城市危险源实时监测：对存放危险源的场所、危险源行踪的监测。避免放射性物质和 剧毒物质失控地流通。 国土资源立体污染监控：对土壤、大气中与农业生产有关的污染物含量进行实时监测， 建立立体式实时监测网络。 城市管网系统实时监控及调度：包括供水管网、燃气管网、供热管网等的监控。 第 4 章 系统设计 4.1 控制要求 4.1