毕业设计论文_基于MCGS的贴面热压机控制系统设计.doc

目录 摘要： 2 第一章 绪言 .3 1.1 plc 的其本概念与基本结构 .3 1.2 plc 的特点与应用领域 .3 1.3 tpc 人机界面介绍 .3 第二章 贴面热压机系统构成与功能分析 .4 2.1 压机的控制要求 .4 2.2 贴面热压机结构图 .4 2.2 贴面热压机系统的控制功能的要求 .5 2.3 贴面热压机系统技术参数的要求 .5 2.4 贴面热压机系统设计分析 .5 第三章 贴面热压机系统的硬件设计 6 3.1 贴面热压机的工作流程 .6 3.2 贴面热压机 plc 的选型 .6 3.2.1 西门子 s7 的家族 6 3.2.2 s7-200 的分类 6 3.2.3 s7-200 扩展模块简介 7 3.2.4 cpu 型号的选择 .7 3.3 io 模块的选型 .7 3.4 贴面热压机系统 hmi 的选择 .8 基于 mcgs 的贴面热压机控制系统设计 1 3.4.1 mcgstpc 人机界面组成 8 3.4.2mcgstpc 的选型 .8 3.5 其他元件的选择 .8 3.6 贴面热压机系统的开发平台 .9 第四章 贴面热压机的程序设计 10 5.1 程序设计框图 10 5.2io 的分配 .10 5.3 plc 电气控制接线图 10 5.4 贴面热压机系统基本程序设计 13 第五章 贴面热压机 hmi 组态设计 16 4.1 人机界面组态任务 16 4.2 实时数据库 17 4.3 组态控制画面的设计 17 第六章 系统联调 24 致 谢 25 参考文献 .26 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 3 基于触摸屏及 plc 的贴面热压机控制系统设计 摘要：本文设计了贴面热压机控制系统,采用了西门子 s7-200 为控制器,利用 plc 控制、人机界面监控技术、标准 modbus 通信技术等来控制贴面热压机控制 系统。完成了木板的传送，切割，压制等控制。该系统的控制部分主要通过 plc 控制电机带动传送带实现木板的传送，行程开关实现位置的限制，plc 根据行程 开关提供的信号按照工艺流程控制木板的切割和压制。在整个过程中，触摸屏 可进行实时监控，并对工艺参数设定，报警信息的显示及记录。 关键词：贴面热压机；plc（可编程序控制器） ；人机界面（人机界面） 基于 mcgs 的贴面热压机控制系统设计 3 第一章 绪言 1.1 plc 的其本概念与基本结构 plc（programmable logic controller） ，是可编程逻辑控制器。它采用一 类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时， 计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类 型的机械或生产过程。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 （programmable logic controller,plc） ，它主要用来代替继电器实现逻辑控 制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大 大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 pc。 但是为了避免与个人计算机（personal computer）的简称混淆，所以将可编程 序控制器简称 plc,plc 自 1969 年美国数据设备公司（dec）研制出现，现行美 国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 1.2 plc 的特点与应用领域 plc 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程 的 pid 回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 ddc 和 dcs 等，实 现生产过程的综合自动化; 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图 或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容 易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。能适应各种恶劣的 运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。正是 plc 的这些 特点使得 plc 被广泛的应用在钢铁、石油、电力、建材、机械、汽车、轻纺、 交通运输、环保及文化娱乐的各个行业。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 3 1.3 tpc 人机界面介绍 机界面（human machine interaction，简称 hmi） ，是人与计算机之间传递、 交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是指人和机器在 信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换， 功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面 的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。人机结合面是人机 系统中的中心一环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和 提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工 程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。现在大量运用在工业与商业 上，简单的区分为“输入” （input）与“输出” （output）两种，输入指的是由 人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养 维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明 提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也 能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命，而目前市面上所指的人机接口则多 界狭义的指在软件人性化的操作接口上。 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 5 第二章 贴面热压机系统构成与功能分析 plc（可编程序控制器）及 hmi（人机界面）工业控制系统可以实现贴 面热压机系统的可视化、可调化以及可视化控制。热压系统升温快，加热 系统、导热系统轻精心分段设计，热耗能低、导热均匀机构设地合理，配 件加工精密度高，工艺参数调整范围宽，控制过程设计合理，能满足各种 贴面生产的工艺要求。 2.1 压机的控制要求 为实现木板的准确切割、压制，对该系统提出了以下具体要求： 1、有手动和自动两种模式，操作指示一目了然，并有帮助功能，指 示操作； 2、自动的进行位置的校准； 3、plc 和界面修改自由，方便功能调整和技术升级，永不落后； 4、菜单化的操作界面，并有操作提示，操作极奇简单； 5、系统运行中也可以调整各种参数； 6、产量：1200 张/天。 2.2 贴面热压机结构图 贴面热压机控制系统结构图如图 2-1 所示。其组成部件在图中标明。 对于本系统而言，先由升降台将木板升起，再由滚筒传送木板，经过除尘 机构除尘，再由传送带把木板送至下一个升降台，升降台升起，木板由进 出板一体机压制，出来之后刮边，最后由移载机将木板升起，检测质量， 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 6 - 然后把优劣木板分别放到正品升降台，次品升降台。 图 2-1 贴面热压机控制系统结构图 2.2 贴面热压机系统的控制功能的要求 1、通过 hmi 触摸屏实现压机系统的控制及监控。 2、系统具有手动和自动控制。 3、系统可以实现木板前后移动，速度的控制。 4、在手动状态，按工艺流程按下启动按钮，对应其电机启动。按下其 停机按钮对应的电机停机。 5、在自动状态，按下启动按钮，整个系统就可以自动进行木板的加 工。 2.3 贴面热压机系统技术参数的要求 1、通过 hmi 触摸屏可以进行压力的显示及设定，对压力实现可知、可 观、可设定的控制功能。 2、实现压力的控制，使其在设定值上下波动。 3、对木料进行检测，判断是有木板还是没有木板状态。 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 7 4、可以实现对整个工作过程的实时监控。 2.4 贴面热压机系统设计分析 1、明确系统所要达到的功能、动作流程以及技术要求。 2、硬件的设计，包括 plc 的选型、hmi 触摸屏的选择，等的选择等。 3、上位机的组态设计。 4、程序设计，包括系统的工作过程分析和程序设计框图，io 的分配， plc 程序的编写，控制程序的清单及注释。 5、其他元件的选择及功能调试 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 8 - 第三章 贴面热压机系统的硬件设计 3.1 贴面热压机的工作流程 图 3-1 贴面热压机工作示意总图 如图 3-1 所示，贴面热压机工作流程可简述为四个部分: 1、启动后，木板由升降台升起，再在推杆的作用下把木板送经除尘 机，进行除尘； 2、除尘之后，经过传送带，移栽机，升降台，到达进出板一体机， 木板在进出板一体机中被压制； 3、出了进出板一体机，调整木板的位置，刮边机启动进行刮边； 4、刮边之后，木板经传送带抵达移装载机处，由移栽机吸起来，进 行木板的质检，再分别将木板放置到相应的位置。 3.2 贴面热压机 plc 的选型 3.2.1 西门子 s7 的家族 编程控制器系列包括小型 plc（s7-200）系列，中低性能系列（s7- 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 9 300）和中高性能系列（s7-400） 。结合本系统的控制及性能要求，本文采 用小型 s7-200 系列。 3.2.2 s7-200 的分类 s7-200 plc 是小型模块式的 plc，整机 io 点数从 10-40 点，在小 型自动化设备中得到了广泛的应用。从 cpu 模块的功能来看，西门子 s7- 200 系列小型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代。 第一代产品 cpu 模块为 cpu 21x，主机都可进行扩展，它具有四种不 同结构配置的 cpu 单元：cpu 212、cpu 214、cpu 215 和 cpu 216。 第二代产品其 cpu 模块为 cpu 22x，是二十一世纪初投入市场的，其 速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的 cpu 单元： cpu 221、cpu 222、cpu 224 和 cpu 226，除 cpu 221 之外，其他都可加 扩展模块。 3.2.3 s7-200 扩展模块简介 （1）io 扩展模块： 数字量 io 扩展模块：em221、em222 和 em223。 模拟量 io 扩展模块：em231、em232 和 em235。 （2）通信模块：em277（profibus-dpmpi） 、em241 模拟音频调制解 调器模块） 、cp243-1（以太网模块） 、cp243-1it(带因特网功能的以太网 模块)、cp243-2（as-interface 主站模块） 、md720（gprs 通信模块） 。 （3）功能模块：em253（定位模块） 、siwarex ms(称重模块)。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 10 - 3.2.4 cpu 型号的选择 不同的 cpu 模块的性能有较大的差别，在选择 cpu 模块时应考虑 cpu 集成的 io 点和模块的扩展能力、程序存储器与数据存储器的容量，cpu 集成的高速计数器、高速输出和中断的功能，在满足要求的前提下尽量降 低硬件成本。 本文采用新型 6es7 216-2bd23-0xb8， 24 输入/16 输出共 40 字量 i/o 点，可连接 7 个扩展模块，有两个模拟电位器，路数字量 i/o 点或 38 路模拟量 i/o 点，1024bytes 字节程序和数据存储空间，有两个 rs-485 通 信口，单项高速脉冲输出频率提高到 180k，2 相高速计数器频率提高到 80k，有 pid 自整定功能。这种新型 cpu 增强了 s7-200 在运动控制、过程 控制、位置控制、数据监视和采集（远程终端应用）和通信方面的功能。 3.3 io 模块的选型 1、选择 io 模块之前，应确定哪些信号需要输入给 plc，哪些负载由 plc 驱动，是数字量还是模拟量，是直流量还是交流量以及电压的等级， 是否有特殊的要求，例如快速响应等，并建立响应的表格。 2、根据 io 表和可供选择的 io 模块的类型，确定 io 模块的型号。 选择 io 模块时，io 点数一般应留有一定的裕量，以备今后系统改进或 扩充时使用，本设计采用 em223cn。 3、选择模拟量模块时应考虑变送器和执行机构的量程是否能与 plc 的模拟量输入与输出模块的量程匹配，模拟量模块的 ad、da 转换器的 位数反映了模块的分辨率，模拟量模块的转换时间反映了模块的工作速度， 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 11 本设计采用 em231-a12，em231-a14 及 em231-aq2。 3.4 贴面热压机系统 hmi 的选择 3.4.1 mcgstpc 人机界面组成 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示 单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等。其中处理器的性能决定了 产品的性能高低，是人机界面的核心单元。根据人机界面的产品等级不同， 处理器可分别选用 8 位、16 位、32 位的处理器。人机界面软件一般分为 两部分，即运行于人机界面硬件中的运行环境软件和运行于 pc 机 windows 操作系统下的画面组态软件。使用者都必须先使用人机界面的画面组态软 件制作“工程文件” ，再通过 pc 机和人机界面产品的 usb 口、网口或 u 盘， 把组建好的“工程文件”下载到人机界面中运行。 昆仑通态 mcgstpc 产品集成了液晶显示屏、触摸面板、通讯接口、控 制单元及数据存储单元。具有操作控制、状态监控、报表和曲线显示、数 据存储、报表打印、网络通讯、视频监控等众多工控计算机的高端功能。 产品设计采用高亮度 tft 液晶显示屏，电阻式触摸屏，同时还预装微软嵌 入式实时多任务操作系统 wince.net（中文版）和 mcgs 嵌入版组态软件 （运行版） 。显示屏尺寸从 7 寸、10.4 寸、12 寸再到 15 寸，为用户提供 专业全方位的解决方案。 mcgstpc 产品应用领域包括环保、石油、航天、制药、煤矿、水处理、 电力、化工、冶金、矿山、运输、机械、食品等几十个行业。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 12 - 3.4.2mcgstpc 的选型 本设计选择触摸屏型号的时候应该考虑到触摸屏的串口数量，以及屏 的尺寸、价格等。tpc1063e,有两个串口，有 1 个 rs285，1 个 rs232,。24dc 供电，65535 色真彩，支持位图等。能够充分的满足功能上 的要求。 3.5 其他元件的选择 1、变频器：本文采用 bp5,bp4。 2、压力传感器变送器：dmu01. 4、继电器:小型继电器 ka1-ka64. 5、交流接触器：西门子交流接触器 km28,km31,km21-km27,29,30. 6、断路器： 西门子断路器 3v1340-1mm00, 3v1340-1mk00, 3v1340- 1tl00, 3v1340-1tk00, 3v1340-1nj00, 3v1340-1nh00, 3vt8018-1aa03- 0aa0. 7、电磁阀：电磁控制阀，yv30-yv41，线圈电压 dc24v。 3.6 贴面热压机系统的开发平台 pc plc hmi usb 连接线 串口连接线 图 3-6 开发设备通信线路连接 如图 3-6 所示，开发过程中搭建的开发框架平台为： 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 13 1、hmi 触摸屏与 plc 之间用接口连接线连接。 2、hmi 触摸屏系统一般包括两个部分：检测装置和控制器。触摸屏检 测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，在将该处的 信息传送给触摸屏控制器。控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置 的触摸信息，并将它转换成触点坐标，判断出触摸的意义后送给 plc。他 同时能接收 plc 发来的命令并加以执行，如动态的显示开关量和模拟量等。 3、plc 工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位 上，将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。plc 在执行用户程序时 所需输入继电器、输出继电器的数据取自于 io 映像区，而不直接与外部 设备发生关系。 在运行工作模式时，plc 要进行内部处理、通信服务、输入处理、程 序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。plc 通过反复执行反 映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使 plc 的输出及时的响应随 时可能变化的输入信号，用户程序不只是执行一次，而是不断的重复执行。 4、通过 hmi 触摸屏上按键与变量建立连接，按下触摸屏上的按键， 触摸屏控制器做出反应，给 plc 发出信号，然后 plc 做出反应，驱动各自 控制的内部继电器动作。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 14 - 第四章 贴面热压机的程序设计 4.1 程序设计框图 本课题的程序设计主要包括三个部分：基本程序设计、压力及温度 传感器采集的模拟量数据转换成数的值程序设计、程序设计。如图 5-1 所示。 图 4-1 程序设计框图 4.2 io 的分配 结合控制系统的控制过程，制定其输入输出点分配见表 4-1。 基本程序设计 手自动程序设计设计 传感器模拟量转换的程序设计 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 15 表 4-1 io 的分配 4.3 plc 电气控制接线图 plc 及各模块的接线图如图 4-2 所示。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 16 - 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 17 图 4-2 plc 电气控制接线图 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 18 - 4.4 贴面热压机系统基本程序设计 1、柜 1（主程序） （1）网络 1 为移栽机的制动控制,通过前后的限位开关来控制. （2）网络 2 为油泵启动的手动和自动控制，可以分别通过按钮开关/ 触摸屏程序来实现。 （3）网络 12 为主程序中对各子程序的调用。 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 19 （4）网络 13 为压机保持压力的时间在触摸屏上的显示。 2、柜 1（子程序） （1）原位指示中，网络 4 为进出板一体机的原位指示。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 20 - （2）上料自动程序中，网路 1 为进板手动和自动模式的选择，网络 13 为 1#升降台的上升控制。 （3）温度控制程序中，网络 2 为内部设定的温度参数到模拟量输出的转 换,实现对于压机温度的控制。 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 21 （4）模拟量显示程序中，网络 1 可进行模拟量输入到 s7-200 内部数据的 转换，实现压力值的显示。 第五章 贴面热压机 hmi 组态设计 5.1 人机界面组态任务 根据控制系统任务要求，设计如图 5-1 与图 5-2 上位机界面。 送料电机 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 22 - 图 5-1 主画面 图 5-2 参数设定画面 在图 5-1 中升降台通过伸长和缩短来表现，传送的运动带通过闪烁来 表现，移栽机的运动和进出板一体机的运动都模仿实际的动作。 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 23 在图 5-2 中可以对温度以及压力的进行设定，并且参数设定画面和其 他画面可以切换。 5.2 实时数据库 图 5-3 中为即组态主画面与参数设定画面中所用的变量列表。 图 5-3 实时数据库图 5.3 组态控制画面的设计 1、驱动的添加：进入设备窗口，依次从设备工具窗口中添加通用串 口父设备,西门子_s7-200ppi 驱动。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 24 - 图 5-4 驱动添加 2、串口父设备属性设定： 双击通用串口父设备,结合 plc 的参数, 设置父设备的属性: 图 5-5 串口父设备属性的设定 3、设备驱动属性设定：设备地址要与 plc 的实际地址一致，相关参 数的设定如下。 设备工具箱 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 25 图 5-6 设备驱动属性的设定 4、设备通道的添加:与 plc 通讯,实现数据的读写,需要添加设备通道,可 在设备编辑窗口中添加通道，要注意添加设备通道的地址要与 plc 实际地 址相同。 图 5-7 设备驱动属性的设定 5、变量的添加:进入实时数据库，点击新增对象，在弹出的对话框中 对新增变量的属性设定。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 26 - 图 5-8 变量的新建 6、组态画面的新建: 在用户窗口中新建窗口，选择右侧的新建窗口。 图 5-9 组态画面的新建 7、组态画面的编辑:进入窗口的组态画面。在选择工具中选择需要组 态的构件。 进入窗口，组态画面的编辑 增加组态画面 设置窗口的填充颜色，名字等属性的设 定 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 27 图 5-10 工具箱 8、构件可见性的设定:在构件的属性设置框里勾选可见性，再打开可 见性的设置设定界面，根据实际需要输入相应的表达式及表达式 0 和 1 时 的状态。 图 5-11 构件可见性的设定 9、水平/垂直移动动画构件参数设定:该系统中涉及很多木板及升降台 的水平/垂直移动，在构件属性中勾选水平/垂直移动。打开水平/垂直的 参数设定界面，在里面关联变量，水平移动的表达式，偏移量为正值在水 平移动中表示向右移动，而在垂直移动中表示表示向下移动。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 28 - 图 5-10 水平/垂直移动动画构件参数设定 10、水平/垂直移动动画脚本的编写:语句如下 if j50 then j=j+1 如果要提高木板移动的速率，可以将把 j 加的值增大。 11、用户权限设置，选择菜单工具中的用户权限管理，弹出用户管理 器，在用户中可以新增用户和用户组，点击新增用户，在用户属性设置中 编辑属性。可根据需要添加多个用户和用户组。设置完成后，在需要设限 的输入构件的权限选择对应的组(权限里面只能勾选用户组，所在编辑完 用户后要选择对应的组)。以上设置完成后还需要一个触发条件。在一个 按钮的抬起属性里输入函数!logon( )，执行时会弹出用户登录的对话框。 密码的修改，使用函数!changepassword( )，运行时可以弹出密码修改的 对话框。 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 29 图 5-11 用户管理器 图 5-12 用户属性设置 图 5-13 用户属性设置 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 30 - 图 5-14 用户登录窗口 图 5-15 密码修改窗口 12、策略的使用:因为系统中涉及了很多的工序，所以本设计中采用 了触发的编程思想，即一个动作结束后给下一个动作一个触发信号。 例如 1#升降机上升的条件就是上升 1 为 1，到条件满足后 1#升降机就 上升，当上升到位后将上升 1 清零，同时也将平移 1 置 1 触发下一个动作 水平移动 1。 13、系统循环控制设计: 该系统要求前一块木板被 1#移载机吸起后， 判断 1#升降机上有无物料，如果有则另一块木板就要从 1#升降台上进入， 如果没有就不再有木板进入加工生产线。对于这一点，系统中有一个判断 的变量，在前一块木板被吸起后就判断，没有就不给下一块木板触发信号。 如果在整个工序中只是用一个构件来表示木板，就体现不出生产线上多块 木板在不同的工序中同时被加工的实际情况。为了体现出这一点，本系统 中就采用了多块构件分工序来表现，执行到该工序时就让该木板可见，其 基 于 mcgs 的 贴 面 热 压 机 控 制 系 统 设 计 31 他时间不可见。 14、移栽机及升降台的实际动画效果:为了使得移栽机及升降台能带着 木板运动,就需要将表示木板及移栽机、升降台构件的动画属性设置成一 样，关联相同的变量。 第六章 系统联调 组态画面与程序设计完成后，按照下列步骤进行调试： 1、编译、下载程序于 plc 中，若编译不成功需对程序作进一步修改。 2、检查组态工程，如没有错误，下载到触摸屏中。 3、建立触摸屏与 plc 的通信设置，选择其波特率，校验方式及串口 方式等。如图 6-1。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 - 32 - 图 6-1 步骤 1