基于MCGS组态软件和PLC的空气压缩机监控系统设计

四川职业技术学院 毕 业 设 计（论 文）题 目：基于MCGS组态软件和PLC的空气压缩机监控系统设计系 别：电子电气工程系专 业： 机电一体化 班 级： 09级机电二班 姓 名： 杨 红 学 号： 0 指导教师： 陈 科 完成时间： 2012年3月 摘 要本设计主要是要研究恒压供气控制系统的硬件电路、恒压变频供气的控制方法、开发基于MCGS组态软件的监控界面。整个系统是用PLC进行控制，MCGS组态软件进行监控。PLC主要控制空压机的启动和停止，MCGS用于读取压力，以便我们随时了解系统信息，进行调整。整个系统自动化水平比较高，大大减少了人力物力，而且对于压力的变化能很快的做出反应，调节压力。该系统结构简单、成本、性能稳定，而且功能齐全，非常适合应用和推广。关键词：MCGS组态软件，PLC，空气压缩机 目 录 第一章 绪论- 1 -1.1空气压缩机的发展与现状- 1 -1.2本课题研究的目的与意义- 2 -1.3本课题的任务- 2 -第二章 供气方案的设计- 3 -2.1恒压空气方法的设计- 3 -2.2电气原理图- 4 -2.3元器件的选型- 4 -第三章 控制方案的选择- 10 -3.1控制方案的选择- 10 -3.2 PLC的发展过程- 10 -3.3 PLC的发展趋势- 11 -3.4 PLC的主要特点- 12 -3.5 PLC的组成- 13 -3.6系统方框图- 17 -3.7 外部接线图- 18 -3.8 PLC型号的选择- 18 -3.9 PLC I/O点的分配- 19 -3.10 系统梯形图- 20 -第四章 组态界面的设计- 26 -4.1组态软件简介- 26 -4.2系统组态- 27 -4.3主要功能的实现- 28 -4.4 监控界面的设计- 29 -4.4.1 新建工程- 29 -4.4.2 定义数据对象- 31 -4.4.3 运行策略- 32 -4.4.4 MCGS与PLC的连接- 32 -第五章 结束语- 35 -参考文献- 36 -致谢- 37 - 37 -四川职业技术学院毕业设计（论文）第一章 绪论1.1空气压缩机的发展与现状随着微型计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术。在煤矿中甚至许多有风动机械的企业，因工作性质的需要，都离不开空气压缩机。目前空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机,往复式压缩机,离心式压缩机,容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理是直接压缩气体,当气体达到一定压力后排出。目前主要用的是活塞式压缩机。活塞式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命。随着活塞式空气压缩机因为易损件多、体积大、噪声大、震动大、不稳定及存在危险性等缺点，于一九三六年在瑞典开发出第一台双螺杆式空气压缩机，因工作相对稳定、整机体积小、自动化程度高、维护量少且小、噪声也大幅度降低、震动也少到不用基础等一系列优点，于一九八六年开始引入中国并得到广大广大客户的认可。但是随着螺杆压缩机的广泛应用，随着而来的问题也都暴露出来，主要表现为：压力上不去，适合于八公斤以下，排气量也上不去，最大的机头到现在为止也只有35立方，轴承寿命短，而且需要有专用设备来调整间隙，不稳定性（体现机头会被抱死），力无法平衡，螺杆不能被平衡，噪声及震动不太令人满意，所以，大排气量的离心式空气压缩机，小排气量的滑片式压缩机，1960年在法国成功开发出单螺杆式的压缩机，极大的触动了世界人的神经，特别是当时军舰与潜艇对空压机体积小、震动低、噪声低、可现场维护、无油润滑、随时备用启动的需求，很快在美国、英国、日本也相继开发出来，这几个强国都在努力保护，只应用在军事领域，民用产品一直都被排在外围。美国人如是评价：“这是二十一世纪的战略性产品。” 中国也同样强烈渴望这种高档压缩机，于一九七六年在北京第一通用机械厂成立开发小组，但一直至一九八九年，产品仍与国外的产品有着相当大的差距，所以就停止开发，而转为在国外寻找华人，查谦被发现并成功的安排在广东肇庆端州压缩机研究所，于一九九三年成功开发第一代产品，经过七年的实验，于2000年注册成立“正力精工”并实行批量生产，并于当年“正力精工”接受国家的创新基金开发国防用无油单螺杆空气压缩机的任务，并于2004年通过验收而转入试用阶段。并于当年成为国家火炬计划的执行单位。同年还承担独家编制“螺杆式空压机”国家标准。并被国家首推为“煤矿井下用空压机”。而且荣获中、美、英、法、日的发明专利。现在在产品设计上，应用热力学、动力学理论，通过综合模拟预测压缩机在实际工况下的性能；强化压缩机的机电一体化，采用计算自动控制，实现优化节能运行和联机运行。各种新型工质的压缩机仍然是研究的热门，其市场会在一定滞后时间后得到发展。目前最热门的应当是CO2压缩机了，特别是跨临界循环。各种类型，包括活塞、滑片以及螺杆等的CO2压缩机均在研发与应用中。1.2本课题研究的目的与意义回顾工业生产过程和发展历程，在20世纪40年代前后，大多数工业生产过程均处于手工操作状态。当时人们主要凭经验由工人控制生产，生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程靠人工去执行，生产效率很低。而如今科学技术有了飞速的发展，在短短的几十年中，生产过程有了深远的变革，自动化水平也在不断进步，实现了全车间，全厂，甚至全企业无人或很少人参与操作管理，实现了过程控制的最优化与现代化的集中调度管理相结合的方式。随着技术的发展，我国许多企业存在着严重的设备老化的问题，有大量设备面临着淘汰。而同时，在国内企业中又普遍存在着资金不足，很难进行大规模的设备更新换代。因此，如何利用现有设备，并对其进行合理的技术改造，使其发挥最大的作用，产生最大的效益，是我们所面临的一个急待解决的重要问题。现代化的煤矿，要求空气压缩机的装置有较高的自动话水平，采用微机控制是空压机发展的必然趋势，它可以减轻操作人员的劳动强度，对空压机的可靠安全运行起到保证和促进作用。按照煤矿安全规程的有关要求，空压机必须具有四保护，即超压、超温、断油、断水保护装置，煤矿迫切需要一整套较完善、灵敏可靠的检测保护装置。我们以某煤矿的5台空气压缩机为研究对象，研究基于MCGS组态软件的空气压缩机监控系统设计，主要设计内容是设计恒压供气控制系统的硬件电路、研究恒压变频供气的控制方法、开发基于MCGS组态软件的监控界面、完成系统监控调试。其中主要监控的空压机运行参数有温度、压力，流量以及供电参数等。1.3本课题的任务1、设计恒压供气控制系统的硬件电路2、研究恒压变频供气的控制方法3、开发基于MCGS组态软件的监控界面4、完成系统监控调试第二章 供气方案的设计2.1恒压供气方法的设计我们可以把罐压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。具体控制流程图如图1所示。图2-1 恒压供气控制系统流程图由于本次设计是采用5台空气压缩机为研究对象，当所需要的压力不是很大，其中一天空压机能满足的时候就采用上述方法。当一台空压机不能满足需要就由PLC调节，在启动第2台空压机，在不能满足在启动第3台，以此类推。相反的，当开启多台空压机是压力太大，按上述方法调节其中一台时，调到最小还不能达到所需要的压力，就关闭其中一台空压机，在用上述方法调节其中以台，还不能满足在关闭其中一台，直到达到需要的压力。2.2电气原理图图2-2电气原理图2.3元器件的选型(1) 变频器因为选用LS-10型固定式螺杆压缩机电机型号:LS286TSC-4，功率22kW，频率50Hz，额定电压380V，额定电流42A，4极，转速1470r/min，我们选用一台“台达牌”VFD300B43A型变频器。因为LS-10型空压机是一种大转动惯量负载，因此选用加大一级变频器(30kW)。选用一台“台达牌”VFD300B43A型变频器。变频器的主要参数：输出：最大适用电机输出功率30kW，输出额定容量45.7kVA，输出额定电流60A，输出频率范围0.10400Hz，过载能力为额定输出电流的150%，运行60s，最大输出电压对应输入电源。 输入:3相，380460V AC，50/60Hz，电压容许变动范围10%，频率容许变动范围5%。输入电流60A，采用强迫风冷。该变频器的主要特点: 采用了新一代电力元件IGBT作为驱动交流电动机的核心元件，应用高速微处理器实现正弦波脉宽调制(SPWM)技术，具有无传感器矢量控制及电压/频率(V/f)控制。 配有RS-485接口，可与计算机联结，构成计算机监控、群控系统。 自动转矩补偿。 禁止电机反转。 自动调整加减速时间。 带过载(过热保护)(2) PID智能控制器 兰利牌PID智能控制器一个，型号:AL808，采用先进的PID调节算法,PID自整定及分段输出功率限制功能,具备无超调及无欠调的优良控制特性。 AL808系列仪表功能强大，具有组态灵活、适应性广的特点，适合温度、压力、流量、液位、湿度的精确控制。 AL809系列工业调节器是专门针对执行器为电动调节阀门的应用场合设计的仪表，输出为开关动作，可直接控制电动调节阀电机的正转反转。输入信号: 可编程多种热电偶、热电阻、mV级标准信号的输入, 还可以扩充输入信号。测量精度: 0.2FS1个字采样速度: 125毫秒。控制算法: 可编程采用ON/OFF或PID调节算法,具有PID自整定功能。输出方式: 模块化输出支持SSR电压、线性电流（电压）、继电器触点开关、可控硅单相过零触发输出、可控硅三相过零模块报警方式: 有上限、下限、上偏差及下偏差等多种报警模式及上电免除报警等功能通讯功能: RS-485或RS-232曲线控制:曲线数目： 1条,具有分段输出功率限制功能；曲线长度：可选4段、8段、16段或30段程序循环次数：1-200次式连续运行面板尺寸： 可选9696mm,4896mm,9648mm等面板尺寸规格 电源：100 to 240V AC 50/60Hz，24V AC/DC50/60Hz工作环境：工作温度：0 to 50，相对湿度85%变频器接线图如下：图2-3 变频器接线图(3) 压力变送器 压力变送器一个型号:DG1300-BZ-A-2-2，量程:01Mpa，输出420mA的模拟信号。精确度0.5%FS。厂家:广州森纳士压力仪器有限公司。该智能型压力变送器选用国际著名公司压力传感器组件，经过高可靠性的微控制器及高精度温度补偿，将被测介质的绝压或表压的压力信号转换成420mADC标准信号叠加HART数字信号，实现远程操控，支持现场总线基于现场控制的技术升级。高质量的传感器、精湛的封装技术以及完善的装配工艺确保了该产品的优异质量和最佳性能，该产品能最大限度的满足客户的需要，适用于与各种测量控制设备配套使用。 特点： 采用美国技术 兼容其它公司符合HART 通讯协议的产品 零点自动迁移 具有完整的自诊断功能和通讯功能 可通过手持器与PC机组态调试软件远程管理 零点量程外部可调，高精度，高可靠性 全焊接结构、小体积、高性价比、高稳定性、高灵敏度 多种量程选择、用户调试方便 采用激光打标,确保产品之可溯源性应用： 液压及气动控制系统 液位测量与控制 石化、环保、空气压缩 电站运行巡检、机车制动系统 热电机组 轻工、机械、冶金 楼宇自控、恒压供水 其它自动控制和检测系统 工业过程检测与控制 实验室压力校验防爆标志：隔爆型d，dCT6技术性能参数指标：测量介质：与316不锈钢兼容的各种液体、气体或蒸汽测量范围：表压0-0.1MPa至0250MPa过载压力：2倍满量程或300MPa(取较小值)输出信号：420mADC叠加HART数字信号供电电压：1345VDC介质温度：-40+85环境温度：-20+85储存温度：-40+90相对湿度：95(40)准 确 度：0.1级(包括非线性、重复性及迟滞在内的综合误差)温度漂移：16位计算机自适应进行温度补偿精度可达到0.01FS温度补尝范围：070稳定性：零点时漂0.25FS5年介质接触材料：316不锈钢外壳材料：304或316不锈钢安装方式：螺纹安装压力连接：M20X1.5外螺纹等电气连接：四芯屏蔽电缆(防护等级IP65)(4) 接触器接触器选用CJXl系列，该系列系列交流接触器是九十年代最新产品。本系列产品为交流50Hz或60Hz，额定绝缘电压为690-1000V，在AC-3使用类别下额定工作电压为380V：时的额定工作电流为9A-400A主要供远距离接通及分断电路之用，适用于控制交流电动机的起动、停止及反转，本产品是引进德国西门子公司制造技术的产品符合IEC947，VDE0660，GBl4048等标准。结构特点：接触器为双断点触头的直动式运动机构，具有三对常开主触头，辅助触头可有二常开，二常闭。接触器触头支持件与衔铁采用弹性锁扣联结，消除了薄弱环节。动作机构灵活，手动检查方便，结构设计紧凑，可防止外界杂物及灰尘落入活动部位。接线端都有防盖，人手不能直接接触带电部位。接触器外形尺寸小巧，安装面积小。安装方式可用导轨安装，也可用螺钉坚固，与其它同类产品相比，操作频率和控制容量更高。产品安全、可靠性好，为国际先进的接触器机种。触头系统：主、辅助触头材料由电性能优越的银合金组成，具有使用寿命长及良好的接触可靠性，灭弧室呈封闭型，并有阻燃型材料阻挡电弧向外喷溅，Ie22A无灭弧隔板。Ie22A装有金属隔弧板保证人身及临近电器的安全。接线螺钉采用新型自升螺钉，瓦形垫与螺钉不分离可节省接线用时。电磁系统：电磁工作系统可靠、损耗小、噪音低、具有很高的机械强度，线圈的接线端装有电压规格的标记牌。标记牌电压等级涂有特定的颜色，清晰醒目，接线方便。可避免因接错电压规格而导致线圈烧毁。(5) 继电器使用DZJ-11接触器。结构和动作原理：继电器采用JK-1型壳体，将DZJ-200机芯装入壳体中，具有透明的壳罩可以清楚观察到继电器的内部结构。继电器系电磁式继电器，当交流电压通过整流块加在线圈两端时，衔铁向闭合位置运动，此时动合触点闭合，动断触点断开，断开电源时，衔铁在接触片的压力作用下，返回到原始状态，动合触点断开，动断触点闭合。动作电压：不大于额定电压的80%，不小于额定电压的30%。返回电压：不小于额定电压的5%。动作时间：在额定电压下不大于0.05s。功率消耗：在额定电压下不大于5VA。触点断开容量在电压不超过220V、电流不超过1A的直流有感负荷电路（时间常数为50.75ms）中，继电器的触点能断开50W。在电压不超过250V、电流不超过1A的交流电路（ 功率因数为0.40.1）中，继电器的触点能断开250VA。触点长期允许通过电流不大于5A。第三章 控制方案的选择3.1控制方案的选择（1）机械控制方案 机械控制方案用来实现单一功能的循环，功能较弱。对工作环境的选择无特殊要求，但是保证其长期运行的难度大，它的损耗很大，虽然其价格便宜，但是长期运作又会使得亏价跟高。需较多的硬件部分，这将会增大控制系统的安装接线工作量，且会增大控制系统的故障率。（2）可编程序控制器控制方案可编程序控制器是以微处理器为基础的新型工业控制装置，已成为当代工自动化的主要支柱之一。近年其推广应用在我国得到了迅猛发展，其应用领域包括：1）开关量逻辑控制，2）运动控制，3）闭环过程控制，4）数据处理，5）通信联网。而且可编程序控制器控制具有如下几个优点：1）编程方法简单易学。2）功能强，性能价格比高。3）硬件配套齐全，用户使用方便。4）无触点免配线，抗干扰能力强。5）系统的设计、安装、调试量少。6）维修工作量少，维修方便。7）体积小，能耗低。因为空气压缩机控制系统的程序步数较多，若采取机械控制方案，则需较多的硬件部分，这将会增大控制系统的安装接线工作量，且会增大控制系统的故障率，修改也不方便；若采用单片机控制方案，则需为控制系统制作印制电路板和许多输入输出接口电路，延长设计制作周期。此外，单片机控制系统对环境要求较高，不太适于在工作环境相对较差的工业企业使用。综上所述，空气压缩机对控制系统的各项要求，包括控制系统的特性和优缺点，使用环境等等，对三种控制方案进行综合考虑和比较，本人认为空气压缩机的控制方案应排除采用机械控制和单片机控制这两种方案，而应采用可编程序控制器（PLC）来控制3.2 PLC的发展过程虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段： 早期的PLC（60年代末70年代中期）PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 中期的PLC（70年代末80年代中期）在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。 近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。3.3 PLC的发展趋势随着计算机科学的发展和工业自动化的愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展。仅仅将PLC理解为开关量控制的话，那就是一个错误的概念了。综合国外特别是欧洲及国内的发展动态，其发展趋势主要有以下几个方面: （1）可编程控制技术的标准化（2）大型计算机特点的集成（3）系统的开放性和兼容性（4）通用性和专业化的结合（5）可编程控制技术的智能化（6）可靠性与冗余3.4 PLC的主要特点1、可靠性高 所有的I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离 各输入端均采用R-C 滤波器其滤波时间常数一般为1020ms. 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰 采用性能优良的开关电源 对采用的器件进行严格的筛选 良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大 大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高2、丰富的I/O 接口模块 PLC针对不同的工业现场信号如 交流或直流 开关量或模拟量 电压或电流 脉冲或电位 强电或弱电等 有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备如 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀 直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。3、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC 均采用模块化结构，PLC 的各个部件包括CPU 电源I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单维修方便 PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。 3.5 PLC的组成 PLC的硬件主要由中央处理器（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输入/输出设备与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。 对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2-5所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2-6所示。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。尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。1、中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面： 接收从编程器输入的用户程序和数据。 诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。 通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。 从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。 根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。2、存储器 存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。3、输入/输出单元 输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图2-7所示。常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图2-8所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。 PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出（I/O）点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。4、通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。5、智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。6、编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。7、电源PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。8.其它外部设备除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失，经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器做成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。3.6系统方框图系统的方框流程图如下：图3-1系统方框图3.7 外部接线图 图3-2 系统外部接线图3.8 PLC型号的选择该系统以开关量输入为主，输入输出总点数小于16，又因为继电器输出模块具有价格低，使用电压范围广，寿命短，响应时间较长等特点，故选用继电器输出模块。综合以上及该控制系统的设计要求可知该系统采用FX2N-16MR-001（8点输入，8点输出，继电器输出）即可满足要求。3.9 PLC I/O点的分配表3-1 I/O点分配继电器控制名称及代符继电器控制名称及代符X1M1手动开关MK1X22M2启动MQ2X2M2手动开关MK2X23M3启动MQ3X3M3手动开关MK3X24M4启动MQ4X4M4手动开关MK4X25M5启动MQ5X5M5手动开关MK5X26故障报警MBX10程序起动ZQAX31M1停止MT1X11程序停止ZTAX32M2停止MT2X12压力低DBX33M3停止MT3X13压力高GBX34M4停止MT4X21M1启动MQ1X35M5停止MT53.10 系统梯形图 图3-3 系统梯形图（低压运行）以上几段梯形图是在低压的时候运行的，通过X10和X11来启动和停止程序，当检测达到低压下限时，产生信号，使PLC内部辅助继电器工作，停止以被停止电机的下顺序电机。当扫描到压力上限时，产生信号，使PLC内部辅助继电器工作启动已被启动的电机的下一顺序电机。在压力上限或压力下限时，DIFU指令又未使下一顺序电机改变原状态，那么TIM09将以0.5S为周期产生一个脉冲信号启动或停止循环中的在下一顺序电机，直到某一顺序电机的原状态被改变。TIM10将以300S为一个扫描周期，巡查压力是否在设定值之间，是否将产生一个脉冲信号促使TIM09、TIM11继续启动或停止电机。然后再以300S为一个扫描周期巡查压力变化，确保压力控制在所要求的范围内，以保持压力的稳定。 图3-4 系统梯形图（高压运行）以上几段梯形图是在高压的时候运行的，当检测达到低压下限时，产生信号，使PLC内部辅助继电器工作，停止以被停止电机的下顺序电机。当扫描到压力上限时，产生信号，使PLC内部辅助继电器工作启动已被启动的电机的下一顺序电机。在压力上限或压力下限时，DIFU指令又未使下一顺序电机改变原状态，那么TIM11将以0.5S为周期产生一个脉冲信号启动或停止循环中的在下一顺序电机，直到某一顺序电机的原状态被改变。TIM12将以300S为一个扫描周期，巡查压力是否在设定值之间，是否将产生一个脉冲信号促使TIM11继续启动或停止电机。然后再以300S为一个扫描周期巡查压力变化，确保压力控制在所要求的范围内，以保持压力的稳定。第四章 组态界面的设计4.1组态软件简介计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，MCGS工控组态软件将为您提供强有力的软件支持。MCGS全中文工业自动化控制组态软件（以下简称MCGS工控组态软件或MCGS）为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Windows95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。 MCGSWW服务器版本，集工业现场的集散控制和各类历史、实时数据及相关曲线的WWW发布于一体，可以解决整个企业的Internet/Intranet方案，也可以非常方便的与您已有的企业网络相衔接，让您从具体的技术环节和繁杂的数据堆中脱身，随时随地掌握工业现场与企业运营状态，了解所需的各项信息，大幅度提高工作效率，实现成功决策。 MCGS组态软件帮助系统能够帮助您掌握MCGS工控组态软件的基本操作与用法并协助您圆满完成工作。MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络以及高性能、高可靠性、低成本的嵌入系统等功能。使用MCGS，用户无须了解计算机编程的知识，就可以轻易完成一个稳定，成熟，具备专业水准的计算机监控系统。 与国内外同类产品相比，MCGS 5.1版组态软件具有以下特点：全中文可视化组态开发界面，真正的32位程序，可运行于等多种操作系统。经过长期现场实际运行的考验，系统稳定可靠。 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漂亮、生动的工程画面。支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制设备驱动。 强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232等多种网络体系结构。 良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS组态软件的功能。与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件连接。使用WWW网络版组态软件能够方便地实现设备管理与企业管理的集成。在整个企业范围内，使用IE浏览器就可以方便的浏览到实时的和历史的生产信息。MCGS嵌入式组态软件，可快速高效的开发嵌入式系统，提供高性能、高可靠性、低成本的全面嵌入式解决方案。MCGS 5.1全中文工控组态软件包括以下产品：MCGS 5.1 通用版组态软件：可完成大多数工控项目。 MCGS 5.1 WWW网络版组态软件：在通用版的基础上，支持Internet远程浏览功能。 MCGS 5.1 嵌入式组态软件：提供快速、高效、全面的嵌入式系统解决方案。4.2 系统组态MCGS软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作具有不同的特性。（1）主控窗口组态主控窗口是应用系统的父窗口和主框架。通过对系统菜单和系统参数的定义和设置来调度与管理运行系统，反映出应用工程的总体概貌。（2）用户窗口组态主要用于设置工程中的人机交互界面，用户窗口中的监控画面由静态和动态画面两部分组成。本工程组态的用户窗口有主控界面、参数设置、曲线图、数据打印、远程控制等。（3）实时数据库组态实时数据库是MCGS的核心，工程各个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调动作。按照系统设计的实际需要，本工程定义和设置了数值型、组对象三类数据对象，共约200点。（4）设备构件组态设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。计算机串行口是计算机和其它设备通讯时最常用的一种通讯接口，一个串行口可以挂接多个通讯设备，为适应计算机串行口的多种操作方式，MCGS组态软件采用在串口通讯父设备下挂接多个通讯子设备的处理机制。空压机组集散监控系统中，上位机监控选用国内著名品牌联想商用机，由于外挂通讯设备较多，为提高通讯速度与可靠性，上位机通过扩展提供4个串行口与现场PLC、智能仪表通讯。本工程设备窗口组态时的几点说明：首先，现场智能设备上的口地址跳线要和相应设备构件属性中模块地址设置一致；其次，所有通讯子设备构件（宇光AI708、三菱FX-485等）的初始工作状态设置为停止，以便在运行环境中根据空压机实际投运情况用循环策略启停相应设备；第三，在通道连接属性页中，把所有未使用的通道的周期设置为0。后两种处理方案都是为了提高系统投运设备的实时通讯速度与可靠性 。（5）运行策略组态本窗口主要完成工程运行流程的控制。根据实际系统的控制算法及要完成的特定流程和操作处理，在MCGS“运行策略”窗口中对“循环策略 ”、“用户策略”、“报警策略”等分别进行组态和设置。如对循环策略的组态是利用策略工具箱中的脚本程序构件，用类Basic语言的命令编写设备启停、 报警限值在线设置、开机自检、电机转子旋转动画等处理程序，同时设置策略行条件属性；报警策略用来实现对不同类型报警（如温度、断水等）的语音提示， 语音文件中的压力、励磁电流、汉语发音由中科大讯飞信息科技公司“InterPhonicCN语音合成系统”产生，报警效果如真人发音；用户策略主要用存盘数据提取、Exce报表输出构件产生各种报表及故障诊断信息，以供操作人员查询、打印及分析之用。4.3主要功能的实现 主要功能的实现MCGS运行环境是独立的运行系统 ，按照组态环境中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。（1）该监控系统根据操作人员不同，设定不同的使用权限，有效地保证了系统操作的安全性。（2）系统参数实时监测及显示本系统通过MCGS组态软件实现了对空压机运行所有参数的实时监控，使得各空压机当前的流量、供电参数、监控温度、监控压力等直观动态的显示在同一画面上，便于监控生产，实现了生产过程的实时管理和系统的可视化 。（3） 参量超限报警及故障诊断本工程对空压机系统的供电主电流、励磁电流、一级缸排气温度 、二级缸排气温度、油温、风包温度、冷却水温、一级缸压力、二级缸压力、油压、断水等参量都设置了超限报警，运行过程中一旦参量值超限，组态软件可实现分类语音报警和动态画面提示，并可将报警信息存入报警信息数据库，供事后统计分析。针对每个设置有报警属性的参量，在组态时都给出了报警原因分析，因此，利用报警信息数据库可以生成故障专家诊断信息，以供现场人员检修时参考。按照规程 ， 空压机系统的不同参量的报警限值因季节而异，为适应这种状况，用循环策略实现了报警限值的在线设置。（4）存盘数据处理利用MCGS组态软件设