基于触摸屏的水位监控系统设计

1、基于触摸屏的水位监控系统设计目 录摘要1Abstract11 引言21.1 现状分析21.2 可行性分析21.3 设计任务32 设计方案32.1 设备结构32.2 技术要求32.3 系统结构框架42.4 触摸屏设置42.4.1 信号地址配置42.4.2 功能对象设置52.4.3 工程测试与传送72.5 PLC设置92.5.1 PLC系统设置与传送92.5.2 PLC 的功能112.5.3 PLC 主要程序142.6 PLC与PT连接153 操作界面163.1 主菜单界面的生成163.2 实时曲线菜单的生成173.3 报警/事件菜单生成183.4 水箱液位显示设计194 设计总结194.1 系统

2、特色194.2 系统实际效果20致谢21参考文献21基于触摸屏的水位监控系统设计摘要： 触摸屏是一种用触摸方式进行人机交互的计算机系统，一种智能的人机界面。触摸屏广泛应用于各行各业，是现代信息查询系统的重要前端设备。触摸屏使用方便，操作直接，界面友好，对环境要求低，坚固耐用，应用非常普遍，给人们带来了极大的方便。本论文就介绍了一个采用姆龙系列触摸屏NS10和CJ1M型PLC设计的水位监控系统。系统采用NS-Desigen软件实现系统操作界面的设计，然后把界面传送到PT；采用CX-Programmer软件实现一个单级水位监控系统的仿真，然后把系统传送到PLC中。最后，通过NS10和PLC的连接、

3、数据交换，实现触摸屏监视和控制水位系统。经过设计调试，最终完成了触摸屏对PLC水位系统的监视和控制。关键词：触摸屏；人机界面；可编程终端；PLCDesign of Water-Level Control SystemBased on theTouch-Screen Abstract：The Touch-Screem is a one kind of man-machine interaction computer system which is used by touching way, one kind of intelligent Human Machine Interface. Wide

4、ly used in various trades and industries, modern information systems，it is an important front-end equipment. Easily to use, operated directly, user-friendly, low environmental requirements, durable, very common application, It has brought greatly convenience to us. This article introduce a Water-lev

5、el control system which designed by OMRON NS10 and CJ1M type of PLC. OMRON NS-Desigen software desigened the interface of the control system while CJ1M type of PLC desigened a Single-stage water level monitoring system for simulation. NS-Desigen software desigen a system operation contact surface，an

6、d then transmit to PT while CX-Programmer sofeware desigen a Single-stage water level monitoring system for simulation, and then transmit to PLC. Finally, through NS10 and the PLC connection, the data exchange, realizes the touchscreen surveillance and the control water level system. After designed

7、and debugged, the system is well desigened.Key words：Touch-Screem；Human Machine Interface；Programmable terminal；Programmer logical control1 引言采用可编程逻辑控制器PLC，可利用其硬件和软件上采取的一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。不宜实现现场监控以及参数的现场设置和修改。如果采用上位机监控计算机PC与PLC通信的方式，不仅投资成本高，而且上位机一般难于设置在高温、辐射、高电气干扰的生产现场，不便于现场操作人员对生产过程实施监控

8、和参数的在线设置1。触摸屏人机界面采用“人机对话”的控制方式，以触摸屏HMI作为操作人员和机器设备之间双向沟通的桥梁，用户可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理并监控管理设备、使用人机界面能够明确告知操作人员机器设备目前的工作状态，使操作变得简单生动。同时，使用人机界面可以使机器的配线标准化、简单化、还能减少PLC的I/O点数，同时由于控制设备的高性能以及操作面板的小型化，相对地提高了整套设备的附加价值2。鉴于一阶水位控制系统要控制水位的变化，实时显示水位变化曲线，安全措施要求比较高，环境多变，而且需要人机交互，因而使用可靠性高的触摸屏是最佳的选择。1.1 现状分析长期以来，PLC始终处

9、于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。目前，PLC已被广泛应用于连续过程控制领域，而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长3。PLC触摸屏是一种用触摸方式进行人机交互的人机界面。其显示器上面加了一层具有检测功能的透明薄膜，通过手指触摸的方式进行人机交互，检测和接收信息。它的产生和发展推动了人机交互的快速发展，以及提供了更为方便快捷的操作界面。作为智能的多媒体输入输出设备，触摸屏已广泛应用于工业、医疗、通信等领域的控制，信息查询及其他诸多方面。触摸屏技术在不断的发展，从红外屏、电阻屏到电容屏、声波屏，从单色屏到彩色屏，智能化、网络化、人性化

10、，技术越来越可靠。早期PLC的人机对话功能较弱，但是目前这种情况已有很大改观，各厂家都推出了自己的人机对话产品。OMRON C 系列也推出了两种产品，一种是字符型的小型液晶屏；另一种是基于点阵的NT系列触摸屏（Programmable Terminal，PT）。前者操作比较简单。NT系列由多类PT及相关的支持软件组成，PT主要包括NT10 ，NT20，NT30，NT60，NT31和NT61等几类，每一类又有若干型号，它们的工作原理相同，区别在于外形的大小、显示色彩、支持功能的多少等方面。支持软件实现PT的画面编程、PT与PLC的数据链接设置、PT与上位机和PLC的通信支持等功能。其工作原理是先

11、在上位机上用软件进行编程和调试，然后利用RS-232接口使上位机与PT进行通信，将编辑好的应用程序下载到PT上，最后仍用RS-232接口把PT与PLC相连，采用NT通行方式，PT就可以与PLC联机工作4。因此开发一套适应且方便快捷的触摸式人机交互的过程控制系统显得非常及时而又重要。这也是工业控制系统发展的必然趋势。1.2 可行性分析触摸屏产品的研发开始于20世纪60年代的美国，到70年代技术日渐成熟。目前，在工业现场中，触摸屏产品和技术得到广泛的应用。可编程终端是一种与PLC进行人机交互的终端设备。作为智能的多媒体输入输出设备，它取代了传统控制台的许多功能，具有图形显示等丰富的人机交互功能。其

12、是由计算机逐步演化过来的，初始阶段，为了工业现场使用方便和可靠，把操作按钮放在显示器的下方并做成一体。随着检测技术的发展，使用触摸技术代替传统的键盘和操作按钮并通过加工将触摸部分和显示器叠成一体，便构成了触摸屏。与PC相比，触摸屏对环境要求低，可适用于多种环境。同时，还具有操作方便、坚固耐用、反应速度快、节省时间、易于交流信息等优点。随着触摸屏技术的飞速发展，过程控制系统需求的进一步提升，特别是在工业现场的各种环境中，触摸屏的优点开始崭露头角。其显示和状态监视功能、实时报警功能、数字输入功能、控制功能等功能使其成为过程控制系统成功开发的根本保证和强大的推动力5。分析表明：采用PLC触摸屏在工业

13、控制中进行实时监控成为了可能和必然。1.3 设计任务经过一段时间的深入调查和分析，总结出PLC触摸屏在过程控制的开发任务主要体现为：用户可以通过触摸屏的良好的人机交互界面对过程控制系统进行实时监控，对被控对象进行采样并保存，实现异常情况进报警并记录事件，以及系统的启动和停止。使用基于OMRON NS10触摸屏的CX-Designer和 CX-Programmer软件，设计出合理的操作界面和PLC控制程序，最终实现对一阶水位控制系统进行实时控制。2 设计方案2.1 设备结构依托中南民族大学自动化实验室的 OMRON NS10 触摸屏、CJ1M 系列PLC上位机及过程控制设备，建立PLC触摸屏在一

14、阶水位自动控制中的应用与设计的控制系统。主要实现对一阶水位控制站进行实时监控。PLC实验室共配置15台（套）PLC，并形成管理层、控制层、设备层三级网络结构（如下图所示）。计算机1计算机14PLC1PLC2PLC3PLC4PLC15PLC14管理层控制层计算机2计算机3计算机4计算机15远程PT图2-1 设备结构图2.2 技术要求为了增加整个系统的控制性、稳定性及可推广性，特提出以下几点要求。（1）良好的开放性。系统具备跨平台的性能，可以在大部分PLC触摸屏硬件环境下使用。用户与界面的设置和PLC控制程序之间是透明的。（2）易扩展。用户可以根据控制需要对控制系统进行扩展。（3）安全可靠。系统稳

15、定、可靠。（4）界面友好，易于操作。主要界面有实时曲线、历史曲线、报警/事件、启动开关、停止开关、时间等功能，界面简洁，易于操作。2.3 系统结构框架图2-2 系统结构架图系统由一阶水位控制站、PLC、PT组成，如图2-2所示。使用PLC控制器，用于控制一阶水箱的水位和发出报警信号。PT的功能是实时显示水位变化趋势图、记录水位历史变换的历史曲线、报警并记录事件和控制系统启动停止。这里使用OMRON-NS10型号PT。PLC编程器使用OMRON CX-One NS-Desigen编写控制程序。2.4 触摸屏设置 触摸屏的设置包括地址的设置，编写程序，程序的传输，通讯等等。2.4.1 信号地址配置

16、 PLC和PT之间需要随时交换信号，有采样水位，放在DM00000中，历史曲线采样信号也放在DM00000 中。还有报警标志，由于PLC使用PID单元进行水位控制，所以报警信号存放在148.01中，启动信号存放在HR0.00中，停止信号存放在HR0.01中，如表2-1所示。表2-1 信号分配信号名称地址信号实时液位0010BCD码历史液位D00200BCD码报警$B6置1启动0.00脉冲停止0.01脉冲 PT在本设计中使用了四个屏幕，8个功能对象，如表2-2所示。表2-2 功能对象功能对象图标地址功能作用位灯$B6显示报警时亮开关0.00输入启动开关0.01输入停止液位0010显示显示水位数据

17、日志0010显示记录历史曲线报警/事件显示0010显示显示报警信息报警/事件记录0010显示显示报警记录日期显示显示日期时间显示显示时间2.4.2 功能对象设置（1）位灯：位灯用于报警，当PLC判断水位=95时，地址$B6置 1，灯亮，其设定值对应下图Set Numeral comparison macro的值。另外还需要设置灯的形状和颜色。现设置为系统正常时灯颜色为绿色，当报警情况时灯颜色为红色。其设置方法是设置水位输入对象的宏，如下2-3图所示：图2-3 位灯设置图Edit Macro 所对应的函数是： (1): 液位大于等于95 $b6=1; '位灯打开$b8=1; '报

18、警开(1): 液位小于95$b6=0; '位灯关$b8=0; '报警关（2）启动按钮：用于系统的启动，此按钮用于启动PLC程序。PLC程序启动的信号经由PT的Serial A 传送到 PLC:0#C00001.00。启动按钮的Write Address设为PLC:0#C00001.00。在Action Type 选项中选择Alternate。在Color/Shape 中选择按钮的形状和颜色。（3）停止按钮：用于系统的停止，此开关用于停止PLC程序。PLC程序停止的信号经由PT的Serial A 传送到 PLC:0#C00001.01。如果PLC程序停止运行，就不再查询水位系统，

19、不再接收水位数据，也就不再把水位数据传输给PT。（4）报警/事件记录和报警/事件显示：设置读出报警位地址为PLC:0#C00000位 当$b6=1位置 1 时报警。在常规设置中选择Alarm History和Event，然后单击 Register Alarm/Event出现Alarm/Event Setting对话框，单击Add出现对话框，主要设置地址和标题信息。地址：$B8。标题信息：报警！选择Save to History。其设置如2-4图所示：2-4图报警/事件记录和报警/事件显示设置（5）数据日志趋势图：记录历史曲线，它的功能是读取PLC:0#C00000的内容，并以趋势图的方式显示出

20、来。主要设置有地址，读数据的间隔以及图形界面的设置。设置图形最高显示100，假设系统5min能进入稳定状态，为了能看到完整的过渡过程，在此设定一个界面显示10min的数据。其中地址设置为PLC:0#C00000，数据类型为BCD（Signed 1 Word），最大值为100，最小值为0，时间间隔设置为1s。其设计如图2-5所示：图2-5 采样地址（6）时间与日期：用于显示时间和日期，它和系统的时间和日期一致。放在系统主菜单的右下角。(7) 液位计（Lecel Meter）：也叫棒状图，可以显示PT或PLC存储器中的数据，它与输入数据通过存储器地址联系起来。当输入变化时，使用者可以直观地看到输出

21、的变化。此设计中液位计可以显示设定液位值和当前液位值。其设计如图2-6所示：图2-6 液位计地址及其他设置2.4.3 工程测试与传送（1）测试当用把程序设计好以后，可在NS-Desigen主菜单中选择工具（Tool）/测试（Test），对他们的运行状态进行测试。在运行测试之前要保存荧屏。选择测试后，出现Test对话框。如图2-7所示，开始对工程进行初步测试。图2-7 Test对话框（2）系统设置屏幕编辑好以后，要传送到PT，在传到PT之前，先要进行系统设置。要设置PT与PLC之间的通信路径，设置路径如下：<Setting./System Setting/Comm-All/Serial P

22、ort A/PLC,Serial Port B/None>,其他选项不变，如图2-8所示。图2-8 系统设置（3）PC与PT链接用RS-232端口连接PC与PT，下载屏幕数据，在传输数据之前，先要进行传输端口的设置。COM端口在软件中的设置应与硬件使用一致。完成连接后进行如下操作：1）在菜单栏File（F）中选择Transfer Date（D）项。如图所示。2）连接设置，对Comms进行设置，单击Comms Method（C），选择Serial项，单击set，单击Port，选择Com1，如图2-9所示。图2-9 系统连接设置3）选择传送屏幕：回到屏幕传输数据（Screen Transfe

23、r Data）对话框，选择全部（Select All）。4）下载（D）开始下载（Start）。下载完毕后确定。工作就绪后，出现进度条显示当前传输进度。5）传输完成后，会要求重启NS-hardware，选择”是”，回到初始状态。2.5 PLC设置2.5.1 PLC系统设置与传送PLC与PT进行NT链接要对PLC进行通信协议设置。PLC通信协议设置是通过CX-P软件实现的。在CX-P中设置好后，需要传送到PLC中。PLC传送系统设置时要把CPU的DIP开关第五角置1，传送完毕后再复位。具体操作如下：（1）硬件设置实验室PLC为CJ1M型，打开CPU上的一个小盖子，里面有一个DIP开关，开关旁有一个

24、表格，如表2-3所示，表中说明了各脚的含义。现把第五脚设为1.表2-3 DIP开关表序号名称备注值1MEMORY PROTECT存储器保护02M/C AUTO READM/C自动读03MESSAGE：ENGLISH英语信息04DEFAULT INSTRUCTION SET默认指令设置05RS-232C FIXED SETTINGRS-232C端口固定设置16EXTERMINAL IAR0712：ON扩展IAR0712：ON0（2）软件设置 软件设置是用CX-P软件完成的。打开CX-P软件。建立一个新文件，确定PLC的型号，如图所示确定后的界面如图2-10所示。单击上位机链接端口，选择NT链接1

25、：1.选择在线和PC-PLC连接时PC的通信口，把它传送到PLC中，如图2-11所示。传送完毕后，就可以把CPU的DIP开关的第五个脚拨回到OFF。这时把PLC与PT用PS-232端口连接在一起。PT就可以工作了。下载情况如图2-12所示：图2-10 设定PLC型号图2-11 CX-P编程选项设置图2-12 PLC设定RS-232连接2.5.2 PLC 的功能PLC主要是设计一个一阶PID模块，用于对水位控制站的水位进行控制，并且判断水位是否超过95，如果超过，报警位置 1，I/O表如表2-4所示。表2-4 I/O表序号地址信号含义说明1DM00000存放水位当前值2148.01报警信号当水位

26、超出范围时，148.01为高3147.00开关SW-1状态本设计设置为固定，置OFF为常闭4147.01开关SW-2状态本设计置ON5HR0.00启动按钮6HR0.01停止按钮7HR1控制是启动还是停止的中间变量当1时代表启动，当0时代表停止823200根据HR01产生一个脉冲当HR01由低变高时，微分指令使它为高来控制启动，置142为1250923201系统中使用的是OMRON-CJ1M型PLC，采用的软件是CX-P，软件编程时编程器中有一个编程控制指令PID（190）。此指令可以根据设定实现PID控制，从而实现水位的模拟控制。PID指令的梯形符号如下图所示：PID指令说明：当执行条件为On

27、时，PID（190）按照C中设置参数（设定值，PID常量等）在两个自由度上对目标执行PID控制，从输入字S的内容中得到指定输入范围的二进制数，并根据设定参数执行PID动作。计算结果以操作变量的形式存入输出字D中。如果设置在操作范围，PID处理按照初始值执行，此时未运行 缓冲操作，该操作在执行PID过程后作用于操作变量。（缓冲操作指的是为了避免突然变化造成相反效果，而渐进地改变操作变量的过程）。当执行条件为On时，计入采样周期的PV值并执行过程。C+6的第811位中设置的输入范围指定了16位以内的PV输入（S）的有效输入数据位。测量值（PV）和设定值（SV）为从0000H到输入范围的最大的二进制

28、无符号数。C+6的第03位中设置的输出范围指定了16位以内的操作变量有效输出数据位数。对只是比例操作，当PV等于SV时，变量可被指定为： 0：输出0% 1：输出50%比例操作方向可以设定为正向或反向。可以指定操作变量的上限和下限。采样周期可以设定为以10ms（0.0199.99s）为单位的值，但实际的PID动作由采样周期和PID（190）指令执行时间共同决定。在每个采样周期（也就是PID指令执行期间）仅比例带（P），积分常量（Tik），微分常量（Pdk）可以变化。时刻油C+5的位1设置。此PID指令要求进行指令参数的设定，下图2-13展示了PID参数的位置：图2-13 PID参数的位置指令运用

29、应注意一下几点：执行条件像一个停止-运行信号一样控制着PID（190）的执行。在C+9C+38被初始化后，若下一个执行周期仍为On，则执行PID计算。因此，当使用常标志作为PID（190）的执行条件，在操作开始的时要有一个独立的C+9和C+38初始化过程；如果C数据超出范围，将产生一个错误，错误标志为On；如果采样周期大于指定采样周期的两倍，将产生一个错误，错误标志为On，而PID控制继续执行。（3）程序设定及说明软件CX-P设定的程序如图2-14所示：图2-14 CX-P程序设定指令执行规定如下表2-5所示：表2-5 PID指令规定项目规定PID控制方法目标值类型两个自由度PID算法（正向/

30、反向）PID控制循环无限制（每个指令一个循环）采样周期t0.0199.99sPID常量比例带P0.1999.99%积分常数Tid18191.9999（采样周期9999时，无积分动作）微分常数Tdk08191 （采样周期倍数0时，无微分动作）设定值SV065535测量值PV065535操作变量MV0655352.5.3 PLC 主要程序 软件CX-P 设计的PID程序如下图所示：图2-15 CX-P PID程序2.6 PLC与PT连接 PT与PLC之间是用专用导线连接的。接线定义如下图2-16所示。 PT RS-232C信号针号FG屏蔽层1SD2RD3RS4CS5+5V678SG9 PLC针号信

31、号RS-232C1FG2SD3RD4RS5CS6+5V789SG图2-16 PT与PLC连接电缆PT与PLC的连接线的两端都是9针连接器，PT机与PC的连接线两端的连接器一边为孔一边为针。1-连接线屏蔽层（FG）；2-发送数据（SD）；3-接收数据（RD）4-请求发送（RS）；5-清除发送（CS）；9-信号地（SG）。PLC向PT传送数据7，按照图2-17所示步骤，可以传送项目文件，也可以传送系统文件。图2-17 PLC向PT传送数据3 操作界面本方案的操作界面的设计是通过OMRON CX-One NS-Designer 软件在PC上完成，然后通过和PT的连接传送到PT上。系统操作界面包含4个

32、部分，分别为操作界面主菜单，实时曲线，历史曲线，报警事件。其PT操作层次图如3-1。图3-1 操作界面层次图3.1 主菜单界面的生成系统界面对本系统做了简单说明，包含一个进入操作系统的按钮。点击此按钮，只有输入正确的系统密码才能进入系统，对系统进行了权限保护。效果图如图3-2所示。图3-2 系统界面进入系统操作界面，界面包括一个液位控制操作模拟系统，启停按钮，水位、PID参数设定以及进入实时曲线，历史曲线，报警事件界面的命令按钮，当前日期时间，报警灯。水箱液位界面包括设定液位和实时液位，其目的是进行液位的对比。（1）系统界面生成 点击文本显示，然后会在界面上生成一个拉框，用拉框找到合适的位置确

33、定即可，双击生成的标题栏，在属性中设置中，点击Label，输入标题名称就完成了标题栏的生成。其它文本设置与此相同。（2）点击Commend Button，然后会在界面上生成一个拉框，用拉框找到合适的位置，设置Lable属性。然后选择PassWord 属性，选择Lable 1，设置密码。3.2 实时曲线菜单的生成（1）实时曲线显示栏的生成 点击折线图，用自动生成的拉框选择合适的位置，双击生成实时曲线显示栏。（2）其他各功能的生成与上例相同。设计界面如图3-3所示：图3-2 实时曲线界面3.3 报警/事件菜单生成（1）报警/事件显示栏生成 点击报警/事件显示，用自动生成的拉框选择合适的位置，双击生

34、成报警/事件显示栏。（2）其他各功能的生成与上例相同。设计界面如图所示：图3-2 报警/事件界面3.4 水箱液位显示设计 （1）液位柱状图生成 点击Level Meter ，用自动生成的拉框选择合适的位置，双击生成液位显示图。（2）其他各功能的生成与上例相同。设计界面如图3-3所示：图3-3 水箱液位棒状图界面4 设计总结本课题主要设计了基于PLC和触摸屏的一阶水位控制实验的控制系统，完成了系统中软件，硬件及人机界面的设计。主要完成了以下设计： 通过NS-Designer对触摸屏界面进行合理的设计与设置。 深入研究了PT与PLC之间的通信，并建立了合理的连接方式，保证系统的正常运行。 利用OM

35、RON-CJ1M 型PLC完成控制程序，并与PT成功连接，系统成功运行。4.1 系统特色系统的设计，本着紧跟PLC触摸屏最新发展潮流，充分利用最新技术成果的基本原则。在高效利用原有系统资源的基础上，充分考虑了整个系统的实用性与可操作性。因而系统的本身及其开发过程具有以下特点： 系统不仅能够实现对一阶水位控制系统的监视，而且还实现了对整个系统进行启停控制，从而增加了系统的操作性和安全性。 系统最大特色是采用NS-Designer 软件对PLC触摸屏界面进行设计，多层次的镶嵌式界面使得界面更加合理美观，更达到了简洁的目的，使用户的操作更为简便。 系统建立了良好的连接机制，PT通过RS-232C端口与PLC连接，采用了N：1的NT连接方式，增加了整个系统得稳定性。 系统以OMRON NS10 触摸屏和 OMRON CJ1M 系列PLC为依托，充分利用了实验室现有的软/硬件资源，实现了较好的效益/费用比。4.2 系统实际效果系统运行后将大大提高一阶水位控制系统的监控能力，减小劳动强度；系统完善，功能基本满足需要；界面友好，操作简单；可操作性好，实用性强。主菜单效果图如图4-1。图