基于组态软件的自动配料系统设计

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1 绪论

1.1 课题背景 近年来随着科学技术的不断发展，工业IT技术趋于成熟，人们对工业上快速、精准的需求，对自动化的要求也不断增加，所以自动化软件在工业中逐渐趋于重要的地位。其给工业信息集中化、生产的自动化以及社会信息集中化带来了重要的意义，也使得大量的控制与监控系统及设备在工农业领域的得到了广泛的应用。 自动化组态软件在工业上的应用之所以更好的解决了传统工业控制以及手动控制上的不足和缺陷，是因为自动化人机界面更好地让用户任意组合出自己要控制的对象以及自动化控制的目的。这就是为什么提出自动配料系统这样一个课题了。 1.2 配料系统 配料系统广泛应用于化工、饲料、食品、塑料、建材、冶金等工农上，自动配料技术可以针对各种各样不同类型的物料（液体或固体）传输、比例配料、加热、搅拌以及成品装袋等全过程或半过程生产线。 配料系统一般由电动机和电磁阀组成，系统能同时控制多台电动机和电磁阀，可以进行各种物料（液体或固体）的液体计量、自动配料和流量控制。 在工农业生产领域中，物料配比的精准是一道非常重要的工序，它对其产品的质量有非常重要的意义。传统的配料不仅生产效率低下，其配料的精准性更是难以保证，而且人工操作又将人为的因素带到了配料系统的生产环节，因此使得配料的工艺在生产就很难得到实现，且阻碍了工艺精准的提高以及带来了产品的质量问题，所以高精度和高效率的生产配料系统对工农业的生产时尤为重要的。 1.3 配料系统的发展 20世纪50年代起，伴随着计算机、微电子技术以及通信技术的发展，自动配料系统从初步形成走向成熟。自动配料系统的发展至今，经历了四个阶段： （1） 人工手动控制阶段 （2） 机械电气控制阶段 （3） 单片机控制阶段 （4） 工控机控制阶段 1.3.1 人工手动控制阶段 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 28 页

最初，由于配料系统的各个设备之间没有任何物理链接，彼此之间很少通信甚至没有通信，基本是各自独立的。各个设备的控制需要操作人员进行控制与监测，因此，一个人员只能控制与监测一台设备至两个设备，而且需要操作人员进行手动记录，人为因素对产品的质量影响非常大。此种配料系统不仅耗费人力，而且质量得不到保证，它一般用于配料不太精确的场合。 1.3.2机械电气控制阶段 电子技术的发展产生了大量的为配料系统服务的中小型设备以及仪器仪表等，但由于电子技术还未成熟，这些产品不仅电路非常复杂，抗干扰的能力比较差以及线路容易老化等问题，而且维修十分频繁和维修困难等问题，使得这些产品对地域上有所限制，所以，不能得到大量的使用。 1.3.3单片机控制阶段 随着大规模的集成电路的趋于成熟，单片机形成并不断走向成熟。由于单片机的抗干扰性强、电路简单、使用寿命长等优点使它逐渐取代了机械电气成为配料系统的核心控制，也大大的满足了市场的需求。因此，单片机控制的配料系统成为了中小企业首选。 1.3.4工控机控制阶段 微机的成熟将配料系统带入可工控机的时代，工控机优化集中优化了配料系统，使其结构更加简单、操作更加简单、人机界面更加友好。工控机只需操作人员要简单的设计和调试就能完成其复杂的控制。但由于控制与监测系统离生产现场较远，因此对其硬件条件稳定性的要求非常高，他必须要较完整的抗干扰方法才能使其系统正常运行。不然，当工控机出现问题时，整个系统也将崩溃，这样损失是巨大的。 1.4 本课题主要研究的内容和任务 实验室里有现成的组态软件和PLC等硬件资源。我们可以利用这些硬件资源完成对自动配料系统控制和监查设计开发，并且运用这些硬件对所设计的工程联机验证其正确性。 具体设计任务如下： (1) 基于组态王组态软件平台的自动配料系统的总体方案设计； (2) 自动配料系统所需硬件选型以及硬件接线图的设计； (3) 自动配料系统软件设计； (4) 自动配料系统的部分开发与调试。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 28 页

1.5 论文的组织结构 本文设计各章内容主要如下所示： 第一章 绪论主要阐述了自动配料系统的概况，分析了自动配料系统应用领域以及发展的状况,介绍了论文的组织结构。 第二章 主要介绍本文所需要的研究软硬件的概述及使用要求 第三章 主要分析和选择了自动配料系统设计中用到的软硬件的型号，并且介绍组态王6.53软件的概述及特点。 第四章 提出了总体的设计方案并且合理设计出其流程，并且通过对自动配料系统的流程图设计出一套较为合理的硬件接线以及设计出PLC的梯形图，然后在实验室运用西门子S7-200系类的CUP226实物进行监控，验证程序的合理性。 第五章 主要通过选用合适的组态软件为开发平台，分析加热的温度、液位的位置据的采集系统的功能需求和技术指标的基础之上按照预定的功能利用组态王6.53组态软件与西门子S7-200的实物联机实现设计程序，实现相应的功能，整体地完成系统软件的设计。

2 相关技术软件 本文主要利用两种软硬件软件完成对配料的自动控制，两种软硬件分别是可编程控制器硬件（PLC）和组态软件。 2.1 可编程控制器（PLC） 可编程控制器又被叫作PLC, 它的英文全称是Programmable logic Controller ,它是新世纪计算机计算发展应运而生的产物，它是一个新型的计算机控制装置。它可以采用一系列的控制指令对工业机械装备在其生产过程中进行有效的控制。将和他连接的所有的设备以及仪器仪表形成一个整体。 可编程控制器有大概有四十多年的发展历史了，从它的诞生到现在，是一个质的飞跃。它是一个过程，是一个从无到有的、从有到优的过程。它将控制系统从电气时代带领到了数字时代。在工农业的领域中，可编程控制器逐渐取代了其他控制成为了这个领域中的重要的地位。 如今，我们国家也可以自主生产自己的编程控制器。不过，生产的领域还停留在中小型设备的生产。这些生产的编程控制器大多数用在机床上。例如上海的东屋生产 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 28 页

的设备就是应用在数控机床领域的 。 2.1.1 PLC的发展 PLC的出现是在上个世纪的60年代末，当时的工农业生产自动化生产中，都是通过气动以及电气设备或仪器作为开关量，按照一定的逻辑关系来进行相关次序控制，从而使整个系统实现一系列的按照一定要求动作并且还能实现硬件互锁功能，同时还完成离散量的采集功能。由于这些设备繁多，制作成本高，维修困难等问题。为了进一步压缩生产成本，美国通用汽车公司提出想运用其他方法代替电气控制的方案。不久，这个方案就得到实现，美国数据设备公司开发出了新的控制，它主要是通过在集成电路以及电子技术上的控制设备，第一次运用软件的方式代替大部分的电气控制硬件。第一代可编程控制器产生了，当时被叫做Programmable Controller，简称PC。 由于个人计算机的问世和发展，使得与可编控制器的名称有冲突，可编程序控制器被更名为Programmable Logic Controller（PLC），其不但方便人们的记忆更突显了可编程控制器的功能以及特点。但是，现在仍有人讲PLC称之为PC。 PLC发展迅速的时期是在20世纪80-90年代中叶，年增长率总是呈现上升趋势，其增长率大约30%-40%之间。在此期间，由于微电子技术、通信技术以及微机技术的发展，PLC的数据计算功能、人机接口功能、模拟量处理功能以及网络功能有着很大的提高。就这样PLC以独特的优势逐渐代替了传统的控制方法在工农业控制领域中处于统治地位。 2.1.2 PLC的特点 现代PLC的特点比较多。它的这些特点，使得PLC在工农业领域中有着不可撼动的地位。 。 （1） 使用方法简单。用户在开发自己需要的控制程序时，并不需要学习太复杂的计算机知识。简单明了的梯形图和指令表让用户更为方便的使用它，大大缩短的其开发的时间，也使得现场调试变得更加容易。PLC的程序修改也比较方便，它只需要要在电脑上或者操作板上就能对程序进行修改，不需要拆开机器就能简单的完成了。 （2） 安装简便，便于维修。在大多数工农业生产过程中，PLC其大多数环境下可以直接运行，他只需要与生产现场的各个驱动设备进行对应的I/O端的连接就可以直接写入程序就能运行了。与其连接的各个模块之间都有运行装置和故障警示装置，能够让用户更准确的了解生产的运行状况以及便于更快的查找出 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 28 页

故障所在。与此同时，PLC还有非常强大的自我检查功能，其为用户提供了更方便的维修环境。 （3） 抗干扰能力和可靠性能力强。PLC的抗干扰的主要措施有两种，分别是隔离和滤波。其中隔离是指将PLC的各个输入输出口之间的相互分隔开，以免各个供电端口之间相互干扰，保证其供电质量。另外，滤波是指将PLC的内部电源进行滤波处理，使外界的干扰信号减少对PLC内部的电源的干扰，保证PLC内部的电源的供电质量。另外，正确的接地地点和比较完善的接地系统也是PLC抗干扰的措施之一。PLC的可靠性强主要体现于其在大多数恶劣的环境下，都能正常可靠的工作，且使用时间长和修复时间短。 （4） 环境要求低。生产PLC的技术要求使得其能在震动、电磁干扰等相对比较恶劣的条件下能够比较稳定的进行工作。其也是能在控制领域占领主导地位的原因。 2.1.5 系统的其他设备 （1） 编程设备：编程器可分为简易型和智能型。其的作用是PLC的控制指令的开发及应用、监测程序运行状况、检查和维护程序等。它不能对现场直接控制运行。我们一般使用编程器有手持式编程器，但也可以在计算机上进行编程及运行。 （2） 人机界面：在最早的PLC的人机界面非常简单。直到后来，由于微机技术的发展，触摸屏式得到了越来越广泛的应用。 （3） 输入输出设备：它用来永久性的存放编写的程序的，如输入模拟量的电位器，打印机等。 2.1.6 PLC的注意事由 在运行PLC时，我们需要注意的问题如下： （1） 温度。PLC所需的环境温度处于0℃到55℃之间。所以要给PLC足够的散热空间，不能安装在发热元件的附近，在PLC的控制柜中应该装有通风的百叶窗。也不能太阳光直接照射在PLC上，如果必要时应该安装电风扇强行通风。 （2） 湿度。PLC各个输入/输出点之间有着绝缘性能，PLC周围环境的湿度不能大，否则将会输入/输出点的使用。 （3） 震动。应避免让PLC靠近强烈的震动源，使其的输入/输出点与外部设备之间能正常可靠的连接。如果使用环境不可避免震动，应该采取减震措施。