基于MCGS的轧钢机模拟控制系统设计说明书

1、摘要 本设计阐述了基于MCGS和PLC的远程轧钢机监控系统的硬件和软件设计。此系统采用主从式结构，上位机采用MCGS组态软件实现监控功能，对轧钢机信息进行实时监控；下位机则以西门子S7-200PLC为核心，进行轧钢机信息的采集和转换，并与上位机进行信息交互,上位机和下位机通过串口方式进行通信，最后实现以MCGS为监控界面并且以PLC为编程控制的轧钢机控制系统。关键词：轧钢机；远程监控；西门子S7-200PLC；MCGSABSTRACT This design have introduced the hardware and software design of the long-range R

2、olling mill monitoring system which are based on MCGS and PLC. This system adopts the principal and subordinate structure, the superior machine adopts the MCGS configuration software to realize the monitoring function and carry on the real-time monitoring to the ingredient information. The Lower pos

3、ition machine regards Siemens S7-200PLC as the core to carry on the gathering and the transformation of ingredient information and they also exchange the information with the superior machine.The superior machine and the lower position machine carry on the correspondence through the serial mode. Fin

4、ally, they realize the Rolling mill control system with MCGS for monitoring interface and PLC for programming.Key words: Rolling mill；Long-distance monitoring；Siemens S7-200PLC； MCGS目录摘要IABSTRACTII1 引言11.1 轧钢机的国内外发展状况11.2 课题来源与意义22 MCGS与PLC的简介22.1 PLC22.1.1 PLC的基本结构42.1.2 PLC的特点72.1.3 PLC的工作原理92.1.4

5、 PLC工作方式与特点92.1.5 可编程控制器的应用领域10 PLC的国内外状况122.1.7 控制主电路图132.1.8 西门子S7-200系列PLC142.2 组态软件与MCGS152.2.1 什么是组态软件152.2.2 组态软件的结构162.2.3 组态软件的发展应用现状182.2.4 组态软件的现状与发展趋势202.2.5 MCGS组态软件介绍222.2.6 MCGS组态软件的系统构成232.2.7 MCGS组态软件的功能和特点252.2.8 MCGS组态软件的工作方式282.2.9 MCGS工程建立步骤292.3 MCGS工作原理介绍333 基于MCGS的轧钢机模拟控制系统的总体

6、分析343.1 系统结构的分析343.2 MCGS轧钢机控制原理及控制示意图354 系统的总体设计354.1 器件的选择与介绍354.1.1 轧钢机354.1.2 传感器364.1.3 电磁阀364.1.4 带有正反转的电机工作原理384.2 MCGS监控界面设计384.2.1 组态工程的建立384.2.2 创建组态画面394.2.3 MCGS的系统组成424.2.4 MCGS各部分功能的概述424.2.5用户窗口组态434.2.6实时数据库组态444.2.7 设备窗口组态444.2.8实时报表454.2.9 数据后处理及报表454.3软件设计464.3.1 程序分析与控制语句的编制464.4

7、 S7-200与MCGS通信的实现484.4.1 MCGS与PLC软件连接504.5 系统生成的监控界面图59结束语60参考文献61外文原文和译文62致谢72附录73PLC程序清单731 梯形图732 语句表76 1 引言1.1 轧钢机的国内外发展状况轧钢机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有主要设备、辅助设备起重运输设备和附属设备等。但一般所说的轧钢机往往仅指主要设备。19世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产，并轧出了船用铁板。1848 年德国发明了万能式轧刚机，1853 年美国开始用三辊式的型材轧刚机，并用蒸汽机传动的升降台实现机械化。接着美国出现了劳特式轧刚

8、机。1859年建造了第一台连轧刚机。万能式型材轧刚机是在1872年出现的。20世纪初制成半连续式带钢轧机，由两架三辊粗轧机和五架四辊精轧机组成。随着冶金工业的发展，轧刚机可按轧辊的排列和数目分类，可按机架的排列方式分类，也可按生产的产品分类，现已有多种类型轧钢机，但是用以上所述轧钢机进行工业生产控制时会造成产品质量不高，能源利用率低等，我国正在大力推进社会主义现代化建设，能源需求非常大，然而我国的能源利用率极低。这与我国倡导建设节约型社会是背道而行的，所以在我国现代化的建设中实现高效率的设备和控制系统，有着极为重要的实际意义。目前，国际上轧钢机发展的趋向是连续化、自动化、专业化，产品质量高，消

9、耗低。60年代以来轧机在设计、研究和制造方面取得了很大的进展，使带材冷热轧刚机、厚板轧刚机、高速线材轧刚机H型材轧刚机和连轧管机组等性能更加完善，并出现了轧制速度高达每秒115米的线材轧机全连续式带材冷轧机、5500毫米宽厚板轧机和连续式H型钢轧机等一系列先进设备。轧机用的原料单重增大，液压 AGC、板形控制、电子计算器过程控制及测试手段越来越完善，轧制品种不断扩大。一些适用于连续铸轧控制轧制等新轧制方法，以及适应新的产品质量要求和提高经济效益的各种特殊结构的轧机都在发展中。新型的轧刚机采用了一整套先进的自动化控制系统，全线生产过程和操作监控均由计算机控制实施，大大提高了工业生产效率。本论文主

10、要阐述了组态软件MCGS在轧钢机控制系统中的应用，介绍了轧钢机的控制及监控系统的总体设计方案及设计过程，列出了主要的主电路图、PLC接线图、PLC控制流程图和轧钢机控制梯形图。利用组态软件MCGS设计了轧钢机控制系统监控界面，提供了直观、清晰、准确的轧钢机控制系统状态，进而为维修和故障诊断提供了方便，充分提高了系统的工作效率。文章简要介绍了可编程逻辑控制器PLC和组态软件，还介绍了组态软件MCGS与西门子S7-200的通信，详细指出了MCGS与S7-200的硬件连接与软件连接。1.2 课题来源与意义MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于W

11、indows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，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS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、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。所以基于MCGS的轧钢机控制系统

12、符合工业发展趋势，有着广泛的发展空间，大力推进信息化，加快建设现代化，走新型工业化道路。新型工业化道路不只讲工业增加值，而是要做到“科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥”，并实现这几方面的兼顾和统一。因此，有必要对已经应用与工业的MCGS模拟控制系统进行研究和分析，并设计一些性能优越，精度高，抗干扰能力强，人机界面友好，功能完善，适应于工业以及商业、农业、智能建筑等领域的模拟控制系统。2 MCGS与PLC的简介2.1 PLC可编程序控制器又简称，但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩

13、写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语

14、言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。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都得到了长足的发展。PLC的特点：可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。PLC的构成：从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU

15、板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。图2.1 CPU 224 I/O 接口接线接线图2.1.1 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：1.电源:PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。2.中央处

16、理单元(CPU):中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC

17、还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3.可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现；用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。 4.输入输出接口电路: 连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。PLC输入输出接口的类型：模拟量输入输出接

18、口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。开关量输入接口电路:各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。通常有三种类型：直流(1224)V输入、交流(100120)V输入与交流(200240)V输入和交直流(1224)V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供。图2.2 直流输入接口开关量输出接口电路：有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端

19、的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A，如图2.2交直流输出接口。 图2.3 交直流输出接口（继电器输出型）输出端子的两种接法：隔离式，输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路；汇点式，全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。5.功能模块:如计数、定位等功能模块。6.通信模块:如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。图2.4 plc的硬件结

20、构2.1.2 PLC的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：1.可靠性高，抗干扰能力强;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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。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

21、，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。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能

22、。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长

23、一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M

24、型PLC为例：其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%，体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24128点。2.1.3 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/

25、O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态

26、；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

27、当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。2.1.4 PLC工作方式与特点1.扫描周期：PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。PLC 运行正常时，扫描周期的长短与 CPU 的运算速度有关，与 I/O 点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用 PLC 执行 1K 指令所需时间来说明其扫描速度。2.输出滞后：指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。一般

28、为几十100ms。引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。3.由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。4.由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。2.1.5 可编程控制器的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 1.开关量的逻辑控制 这是PLC最基本

29、、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2.模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位和执行机构，现在一般

30、使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热炉控制等场合有非常广泛的应用。 5.数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、

31、排序、查表、功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接接口,通信非常方便。依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统

32、集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。 PLC的国内外状况 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

33、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8

34、0年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用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都得到了长

35、足的发展。 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.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。 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，

36、计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算集散控制系统DCS（Distributed Control System

37、）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。2.1.7 控制主电路图如图2.4所示控制系统主电路图,共有四台电机,其中主轧电动机一台,传送电动机三台。三台传送电动机需要实现正反转，还设置了过载保护，各电机机壳接地。图2.5主电路图2.1.8 西门子S7-200系列PLC西门子S7-200是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得

38、在完成控制系统的设计时更加方便简单，几乎可以完成任何功能的任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承和发挥了它在大型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性价比高，所以在大规模不大的领域是较为理想的控制设备。 S7-200 PLC特性S7-200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。使用范围可从替代继电器的简单控制到复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。S7-200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作方便快捷、内置丰富的集成功

39、能、实时特性，强劲得通讯能力、丰富的扩展模块。S7-200系列的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。所以它具有极高的性价比。S7-200系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。2.3.2 S7-200主要功能模块介绍1 CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载，从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*.其中CPU226有24点输入/16点输出，I/

40、O共计40点，可用于点数较多，要求较高的中、小型系统。2IO扩展模块当CPU的I/O点数不够或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展，I/O扩展包括I/O的扩展和功能模块的扩展。典型的数字量I/O扩展模块有：输入扩展模块EM221有两种：8点DC输入/AC输入；输出扩展模块EM222有三中：8点DC晶体管输出/AC输出/继电器输出；输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点(8点、16点)DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。3功能扩展模块 当需要完成某些特

41、殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展特殊功能模块。典型的模拟量I/O扩展模块有：模拟量输入扩展模块EM231有三种：4路模拟量输入，2路热电阻输入和4路热电偶输入。模拟量输入扩展模块EM232具有2路模拟量输出。模拟量输入/输出扩展模块EM235有4路模拟量输入/1路模拟量输出。 S7-200PLC工作原理各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。西门子S7-200PLC的工作过程：PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O刷新和外设端口服务五个工作阶段。一次循环所用的时间称为一个工作周期，其长短与用户程序的

42、长短以及PLC机体本身性能有关，其数量级为ms级，典型值为几十ms。各阶段完成的任务如下：1）公共处理：复位监视定时器，进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。2）程序执行：在程序执行阶段 ，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映像寄存器一个输入映像寄存器，和元件映像寄存器读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映像寄存器中。3）扫描周期计算处理：若设定扫描周期为固定值，则进入等待循环，直到该固定值到,再往下进行。若设定扫描周期为不定的（即

43、决定于用户程序的长短等，为不定值），则进行扫描周期的计算。4） I/O 刷新：在此阶段，进行I/O刷新。输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映像寄存器中；输出刷新时，将输出继电器的元件映像寄存器的状态（I/O）传送到输出锁定电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。5）外设端口服务：完成与外设端口连接的外围设备部编辑器或通信适配器的通信处理。CPU从输入电路的输出端读出个电路状态，并将其写入输入映像寄存器；在程序执行阶段，CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；在紧接着的下一个I/

44、O刷新阶段，将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。2.2 组态软件与MCGS2.2.1 什么是组态软件组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即 Supervision,Control and Data Aquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它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)。组态软件是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

45、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。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，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，组态软件应该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

46、出现，把用户从这些困境中解脱出来，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，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。在组态软件中，通过组态生成的一个目标应用项目在计算机硬盘中占据惟一的物理空间（逻辑空间），可以用惟一的一个名称来标识，就被称为一个应用程序。在同一计算机中可以存储多个应用程序，组态软件通过应用程序的名称来访问其组态内容，打开其组态内容进行修改或将其应用程序装入计算机内存投入实时运行。2.2.2 组态软件的结构按照系统环境划分，从总体上讲

47、，组态软件是由两大部分构成的：1.系统开发环境：是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。2.系统运行环境：在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可以直接进入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。自动化工程设计工程师

48、最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。按照成员构成划分其中必备的典型组件包括：1.应用程序管理器：应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时，经常会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备份；经常需要引用以往成功应用项目中的部分组态成果（如画面）；经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用项目。虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下、极易出错。有了应用程序管理器的支持，这些操作将变得非常简单。2.图形界面开发程序：图形界

49、面开发程序是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供图形运行环境运行时使用。3.图形界面运行程序：在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。4.实时数据库系统组态程序：有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。目前比较先进的组态软件（如力控®等）都有独立的实时数据库组件，以提高系统的实时性，增强处理能力。实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来

50、源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。5.实时数据库系统运行程序：在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。6.I/O驱动程序：I/O驱动程序是组态软件中必不可少的组成部分，用于和I/O设备通讯，互相交换数据，DDE和OPC Client是两个通用的标准I/O驱动程序，用来和支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通讯。多数组态软件的DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中，而OPC Client则多数单独存在。2.2.3 组态软件的发展

51、应用现状组态软件产品大约在上世纪80年代中期在国外出现，在中国也已有将近20年的历史。早在80年代末90年代初，有些国外的组态软件如贝加莱等就开始进入中国市场。组态软件市场在中国开始有较快的增长，大约在1995年底至1996年。随着中国改革开放的深入，人们对软件的观念有了重大改变;早些年组态软件的应用推广工作也打下了一定的基础，业内人士已经认识到组态软件的重要性，并接受它而不再热衷于在项目中搞低层次的编程开发;自动控制系统要上等级，对上位监控组态软件的市场需求增加;一些组态软件的生产商和供货商亦逐步加大了在中国市场的推广力度，并在价格方面做出了政策性调整;加之微软32位windows95和NT

52、的推出，为组态软件提供了一个更适宜的操作系统平台，使各生产供应商随后跟进的32位组态软件产品的性能指标和功能进一步加强。所有这些因素的综合，给组态软件在中国市场带来了新的生机。从那时起，更多的项目中正式有了组态软件的专项预算，各种相关设计方案和招(投)标书中也都出现了单列的组态软件栏目，越来越多的专业销售商和系统集成厂家也加入了这个市场。现在组态软件已经在中国市场确立了其应有的地位，并逐步进入了上升期。目前中国市场上的组态软件产品按厂商划分大致可以分为三类，即国外专业软件厂商提供的产品，国内外硬件或系统合作厂商提供的产品，以及国内自行开发的国产化产品。从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场大

53、部分份额仍被国外几家组态软件占据，如:Fix、Intouch等。而这些“洋软件”除了在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定优势外，并非所有方面都尽善尽美。国外的组态软件：美国WONnERWARE公司的Intoueh，堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出的16位Windows环境下的组态软件，在国际上曾得到.较高的市场占有率。Intouch在中国应用代理制，1995年变换代理后，在中国市场推出了低价小软件包，并结合较强的广告宣传攻势，产生了很大的影响，销售量上升很快。Intouch软件的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较弱。其1/0硬件驱动丰富，只是使用DDE连接方式，实时性较差，另

54、外驱动程序须单独购买。它的5.6版(16位)很稳定，在中国市场也普遍受到好评。7.0版(32位)在网络和数据管理方面有所加强，并实现了所谓的实时关系数据库，其实只是在SQLScrver上增加了数据传输插件而已。在32位Windows环境下，Intouch已受到其他产品的猛烈冲击.Intouch软件小系统软件包价格比较适中，但大系统软件包却比较贵。另外，还有很多功能和性能方面与其相差无几的工控组态软件相继出现。美国Intellution公司的Fix产品在中国市场也由来已久，1993年Intenutinn公司就曾到中国参加过展览会(当时专门的组态软件厂商直接在中国参展还不多见)，但其在中国的销售渠

55、道比较混乱。Fix产品系列较全，包括DOS版，16位Windows版，32位Windows版，05/2版和其他一些版本，功能较Intouch强，但实时性仍然欠缺，半导体技术一般。其1/0硬件驱动丰富，只是驱动程序也需单独购买。最新推出的IFix，是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的功能也较为完整。但也许过于“庞大”和“臃肿”，对系统资源耗费巨大，用户最为明显的感受就是“缓慢”，提供的许多“大而全”的功能对于中国用户也并不适用。而目经常受Windows操作系统影响导致不稳定。澳大利亚CIT公司的Citech，是组态软件中的后起之秀，在世界范围内扩展得很快，近年来CIT公司在中国基

56、本采用直销方式，建有办事处，并聘用一定数量的本地人才直接进行市场销售、技术支持乃至项目开发。citech产品包括16位和32位windows版，它的计算机味道很浓，与其他软件有很多不同的地方，使用的方便性和图形功能不及Intouch。界面部分很漂亮，很吸引人。但版升级不快，一直没有很大的体系改变。其控制算法比较好，1/0硬件驱动相对比较少，但大部分驱动程序可随软件包提供给用户。Citeeh的价格略低于Intoueh和Fix。德国西门子公司的WINCC，新版软件有了很大进步，但体系结构还是比较老，在网络结构和数据管理方面要比Fix差，但也属于比较先进的产品之一。西门子似乎仅是想把这个产品当作硬件

57、的陪衬，对第三方硬件的支持也不热衷，若选用西门子硬件，能免费得到WINCC，所以对于使用其他硬件的用户，不是个好选择。国产化的组态软件：国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影响力的产品有组态王、sYNALL、Meos、天工、Controlx、虎翼、力控等。国内有不少单位，如一些高校、研究所、公司，甚至一些个人正在积极地投入到组态软件的开发当中。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势。北京亚控公司的组态王，是国内较早出现的组态软件产品之一，至今也有五年左右的历史了。早期的组态王仿造Intouch，只是单机接口，到了5.1版本，在数据管理和开放性方面才有了一些改进。但体

58、系结构却没有实质性的突破。有可能还没有摆脱早期形成的、不合理的程序构架。其网络功能较为薄弱，支持不了真正意义上的分布式系统.6.0系列版本的结构从广告宣传上看应该很不错。MCGS思想比较独特，属于比较另类的产品，有很多特殊的概念和使用方式，大多数使用过其他组态软件的人都会感觉有些不习惯的，早期的产品是用VB开发的。SYNALL是独特的产品，但使用起来有点别扭。网络方面有独到之处，缺点是效率和稳定性还有待提高。哈尔滨华富公司的ControlX200O，是比较新的组态软件，尚未听说有关业绩的报导，产品体系结构很新，非常像IFix的体系结构，界面漂亮，使用起来也比较方便，有许多自己的特色。但从它DEMO版运行效果来看，执行代码的运行效率不是很高，特别是图形处理环节，似乎有些缺陷。DEMO运行也不是十分稳定，运行其演示应用程序就能导致“死机”。用一些分析工具观察其执