PLC课程设计报告——基于组态软件和触摸屏的电机控制系统

河海大学常州校区计算机与信息学院(常州)课程设计报告基于触摸屏的PLC电机控制系统设计专业学号学生姓名授课班号指导教师完成时间2012.6.15PLC课程设计报告1课程设计（报告）任务书（理工科类）Ⅰ、课程设计（报告）题目：基于触摸屏的PLC电机控制系统设计Ⅱ、课程设计（论文）工作内容一、课程设计目标设计制作一个简单的电机控制系统，利用触摸屏控制PLC继电器通断，通过变频器带动三相感应电机，控制其正转、反转、停止。二、研究方法及手段应用1、理解电气主接线功能，分析梯形图程序结构；2、学习掌握触摸屏及MCGSE组态软件控制方法；3、学习西门子PLCS7-200应用及STEP7编程；4、学习阅读用户手册，设置变频器以驱动电机；4、掌握触摸屏、PLC间的数据传递、通信过程及实现方法。三、课程设计预期效果1、掌握触摸屏及PLC应用技巧；2、完成系统功能，实现电机转向；3、通过触摸屏输入，设定转速；3、完成报告一篇。PLC课程设计报告2第一章项目思路第一节背景介绍一.触摸屏技术触摸屏作为一种较新的输入设备，是目前最简单、方便、自然的人机交互方式，它极大地简化了计算机的使用。触摸屏技术使界面能够访问计算机的数据库，而不依赖于传统的键盘、鼠标界面，随着城市向信息化方向发展和电脑网络在国民生活中的普及，信息查询都已用触摸屏——显示内容可触摸的形式出现。在终端机领域，触摸屏的使用范围极为广泛，市场前景巨大。本项目使用触摸屏作为人机交互平台，可以更好地监控下位机状态和产生交互信息。二.组态思想和组态软件首先，“组态”是软件产业发展过程中衍生出的一种新的设计模式，它旨在使底层代码高度模块化、封装化，以平台的形式供上层应用编写者大规模调用。在当今飞速发展的社会环境下，组态作为一种极为节省时间的设计理念，大大提高了开发者们的研发效率。可以说，只要底层模块足够完善，上层应用的编写简直如绘画一般。组态软件是指利用组态思想开发出的，使用户能快速建立自己的HMI（人机接口，HumanMachineInterface）的软件工具或开发环境，也是用于数据采集与过程控制的专用软件。它的特点有：1、延续性和可扩充性用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级。2、封装性（易学易用）通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。PLC课程设计报告33、通用性每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。本项目使用组态软件MCGSE（MCGS嵌入版）为触摸屏编辑组态界面和组态控制策略，以期使用触摸屏来实时监控下位机状态。三.PLC技术PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC在工控领域中占有主要的地位，具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。本项目利用PLC的安全可靠特性实现三相感应电机控制，同时由于PLC编程过程中逻辑清晰、程序开发周期短，适合作为下位机，因而PLC是本项目的最佳选择。第二节项目需求分析本项目需要使用触摸屏，以组态的方式连接PLC中间继电器（M）并控制输出继电器（Q），通过变频器产生合适的频率，控制感应电机以一定的速度运转。根据电机的电气主接线图，输出继电器的不同电平对应了电机的不同转向，要求通过触摸屏按钮实现正转、反转、停止。PLC课程设计报告4第二章系统设计第一节原理分析本项目中，三相感应电机是接在变频器上的，电机的控制电平由M11、M12两接线柱接外置继电器，再接PLCQ0.0、Q0.1继电器。控制电机运转，需要通过Q0.0、Q0.1的输出对变频器状态进行设置，再根据变频器状态给定电机U、V、W三相电压。另外，电机轴承上接有旋转编码器（RotaryEncoder），可测得电机转速，返回I0.0寄存器。可在组态工程中加入对速度的获取。连接好线路后，需要对变频器做一些设置，使其能够允许电机正反转，变频器设置如图1。根据台达变频器使用说明，分别设置了02.00.01（由外部端子AVI输入0-10V模拟电压以修改频率）、02.01.02（由外部端子操作变频器键盘）和02.04.00（允许正反转），以使用PLC继电器控制变频器。变频器参数设置说明参附录图14。图1变频器的功能设定第二节功能介绍由于触摸屏内部不存在处理器，它无法在内部对按钮产生的控制信号进行处理和反应，事实上触摸屏在本系统中仅仅作为输入输出设备工作。在系统建立时，采用由易到难的思路建立了多个系统版本。基础版对应的系统上位机结构如图2所示，正转、反转、停止按钮分别对应使电机执行相应动作。每个按钮下方的指示灯表示了系统当前的运行状态，处于某一运行状态时，对应的指示灯亮绿灯，其余亮红灯。PLC课程设计报告5图2触摸屏（上位机）界面增强版系统上位机界面如图3。增加了频率输入功能（需要设置变频器参数02.00.01），而频率输入的方式又有两种。由于变频器频率范围为0-50Hz，对应AVI0-10V电压输入，进而对应S7-200PLCAQW模拟输入量的数字值范围0-32000，所以一开始的频率设置是直接进行数字量输入的，即触摸屏面板输入量为0-32000间的数。但这种输入方式很不直观，因而考虑在面板直接输入0-50Hz数据，由系统进行线性换算（/50*32000输入量），给定变频器相应电压输入。由前述，触摸屏无法处理实时数据库中的数据变量，也无法进行策略组态，因此计算的过程放在了PLC中。事实证明，S7-200PLC是完全可以实现这样的简单运算的。图3增强版系统上位机界面PLC课程设计报告6第三节模块设计一.MCGSE组态软件上位机设计应用领域的“组态”是指操作人员根据应用对象及控制任务的要求，配置用户应用软件的过程，使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特定任务、满足使用者需求的目的。本项目利用MCGSE组态软件设计了触摸屏GUI和HMI接口。MCGSTPC触摸屏和MCGSE组态软件均为北京昆仑通态公司产品，触摸屏型号为TPC7062KS。这使得上位机软件与触摸屏间实现无缝对接，不需要考虑传输协议、格式支持、运行完整性等诸多问题，为系统设计节省了时间。组态界面最重要的问题在于如何与PLC互联，由于MCGS系列软件对模拟设备的广泛支持和高度封装性，这一点在MCGSE中很容易实现。MCGS为工程内建了实时数据库，用于发送指令和监控下位机状态。所有的逻辑操作，最终只能由实时数据库内的变量进行相互传递。本系统实时数据库构建如图4所示。图4系统实时数据库搭建其中，“正转”、“反转”、“停止”三个变量分别用于表示三个按钮按下的状态，按下后对应变量置1，且在按钮脚本中设置了变量间的互斥。“输入频率”变量采集用户输入的频率数值（浮点数），送入PLC。考虑到触摸屏的特性和监控系统性质，使用上位机操作指示灯的信号变化既不可行，也不合理，因此需要使用变量回传下位机输出继电器状态。本系统中，电机连接了PLC的Q0.0、Q0.1继电器，因而给定“Q00”“Q01”两个变量。PLC课程设计报告7二.西门子S7-200PLC梯形图设计PLC梯形图程序如图5。网络1用于处理频率输入，首先定义两个32位REAL变量，赋定值50.0和32000.0。然后将VD0（REAL型，和触摸屏“输入频率”连接）与50.0相除，传递给VD2（传递是为了使触摸屏面板正常显示频率设定值）。再将VD2与32000.0相乘，得到的结果取整（由于32000足够大，取整不会丢失数据），以使实型转换成双字整型。再利用数据转换指令将双字整形转换到字类型，赋值到模拟输入端AQW0。网络2和网络3用来处理Q0.0、Q0.1继电器输出，以改变变频器工作状态（须设置变频器参数02.01.02）。PLC课程设计报告8图5PLC梯形图三.触摸屏与PLC间的数据交互设计数据连接主要在组态工程中进行，在设备窗口中建立串口父设备和西门子S7-200PLC设备。设备建立如图6。图6设备窗口搭建设置串口父设备端口号、波特率等参数，工程采用COM1进行通信。串口属性设置如图7。PLC课程设计报告9图7串口属性设置在使用PPI通信协议的PLC模拟设备中，设置继电器通道与实时数据库变量间的连接。“正转”、“反转”、“停止”分别对应连接到PLCM0.0、M0.1、M0.2三个中间继电器，“Q00”、“Q01”连接到输出继电器Q0.0、Q0.1。“输入频率”连接V寄存器32位浮点数VD0。图8实时数据库变量与PLC通道间的连接需要注意的是，M、Q两组继电器只能连接开关量，而且开关量所连接的通道必须在PLC梯形图中使用，否则无法传递数据。当然，数据变量也须在MCGS组态中使用，否则无法完成交互。PLC课程设计报告10第三章调试与问题分析第一节组态功能调试虽然组态和梯形图程序都不复杂，但在数据交互和连接时还是出现了问题。在设计初期，由于不了解触摸屏的特性，采用了策略组态的方式实现功能，指示灯并非回传PLC继电器的状态，而是根据按钮改变，也就是说，在这种逻辑下，即使不连接PLC，触摸屏也能产生相应的反应。但在调试时发现这并不能实现，因为触摸屏并不能处理内部的组态策略，只是作为输入输出设备而存在，因此要监控电机状态，只能通过PLC返回开关量。此外，当数据能正常传递后，指示灯并没有按照要求改变红绿显示以区别状态。指示灯属性设置如图9，左图为默认动画连接设置，右图为填充颜色动画组态设置，若设置填充颜色，指示灯并未按照预定改变。后调整为默认设置，连接开关量，信号灯正常。“正转”按钮对应指示灯的动画连接表达式如图10。图9指示灯属性设置图10“正转”指示灯的动画连接表达式第二节PLC数据处理调试在数据处理过程中，由于未曾系统学过S7-200PLC，对指令系统理解的不到PLC课程设计报告11位使得梯形图出现了数不胜数的错误。但随着了解的深入，错误被一个个消除，最终实现了功能。第三节系统运行分析但直到完成了功能，系统仍然有Bug，我认为这是硬件的问题，却无法找到答案。使用西面的触摸屏和PLC设备，电机启停正常，但触摸屏的频率设置值与变频器得到的值总不同，而且变频器数值总为设定值的2倍多1.3Hz。在梯形图中进行修正，仅能消去2倍的影响，而多出的1.3Hz无论如何无法消去。而使用同一套组态和程序，烧写到东面的PLC、变频器和中间设备的触摸屏进行调试时，我证明了原先的数据处理过程是没有问题的，因为在启动前，变频器的频率设定是可以跟随输入框而变化的，且值没有任何误差。但这一套设备出现了另外的问题：经过反复试验，发现当频率小于15Hz时，电机转动正常，但启动后触摸屏指示灯无法实时显示运行状态，也无法停车。17.5Hz以上的频率，隔一段时间可以实现运行和停车，而且频率数值越大，运行和停车状态反馈时间越短。同一套程序有两种完全不同的反应，这使我很费解，但经过两组实验，我证明了组态和程序都是没有问题的。PLC课程设计报告12第四章项目总结第一节项目功能及实用性分析触摸屏系统在终端机领域和工控行业应用极为广泛，使用触摸屏可以实现众多功能，本项目只是一个引子，只要求触摸屏与PLC的通信无误、PLC计算无误，而在此基础上还可以实现电机速度反馈、模糊控制、PID控制等较复杂的系统。第二节心得体会一.对电气主接线图的分析把握电气主接线图是PLC设计的基本，只有了解了主接线图的结构，才能完成PLC程序的逻辑分析，进而实现控制。本系统中，电机可以有多种接线