基于WinCC的液体混合仿真系统设计毕业设计说明书.docx

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基于WinCC的液体混合仿真系统设计毕业设计说明书

吉林化工学院毕业设计说明书

基于WinCC的液体混合仿真系统设计

LiquidHybridSimulationSystemDesignbasedonWinCC

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

毕业设计（论文）原创性声明和利用授权说明

原创性声明

本人郑重许诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的功效。

尽我所知，除文中专门加以标注和致谢的地址外，不包括其他人或组织已经发表或发布过的研究功效，也不包括我为取得及其它教育机构的学位或学历而利用过的材料。

对本研究提供过帮忙和做出过奉献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

利用授权说明

本人完全了解大学关于搜集、保留、利用毕业设计（论文）的规定，即：

依照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保留毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览效劳；学校能够采纳影印、缩印、数字化或其它复制手腕保留论文；在不以获利为目的前提下，学校能够发布论文的部份或全数内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要

在工业生产中饮料生产、酒厂配液等等都离不开液体混合。

传统的液体混合装置完全由人工操作，不管在配料、混料等时期都存在诸多不确信因素，产品质量无法保证，废品多、人工投入大，抗干扰能力差和系统升级改造困难等等，对产品质量和生产效率也难于提高。

利用仿真系统对所需要操作的系统进行仿真操作，如此能够提早发觉系统的弊病，能够进行及时的调整与改良，能够幸免一些故障的发生，减少没必要要的损失。

本文详细介绍了基于西门子PLC的液体混合操纵系统设计。

采纳组态软件WinCC操纵系统方案，并利用触摸屏的手动操纵，设计了液体混合操纵系统画面、实况模拟、变量记录、报警记录等界面，实现了基于WinCC的液体混合操纵系统的仿真。

该操纵系统配置灵活、操纵靠得住、维修方便，提高了生产效率，保证了系统稳固运行。

关键词：

PLC；组态软件WinCC；触摸屏；液体混合操纵系统

Abstract

Intheindustrialproduction,theproductionofdrinkandtheburdeninginwinerycannotlivewithoutthefluidmixing.Thetraditionaldeviceoffluidmixinghasbeenoperatedbyman,thereweremanyuncertainfactorsatthemomentwhenitisburdeningandmixing.Itcannotmakesureofthequalityofproduction,ithasamassofdiscardandartificialinput,andtheabilityofanti-jammingisbad,andtheupgradeofthesystemisdifficultandsoon.Itisdifficulttoimprovingthequalityofproductionandtheproductionefficiency.

Usingofthesimulationsystemtoproceedsimulateoperateforthesystemthatneededtooperate,itwillbefindthemaladyofthesystembeforehand,andproceedadjustingandimproving,itcanavoidtheemergenceofsomefaultanddecreasetheunnecessarylose.

ThistextintroducestheliquidhybridsystemdesignbasedonSiemensPLC.MakeuseofWinCCandthemanualcontroloftouchpaneltodesignthemenuoftheliquidhybridcontrol,Livesimulation,Taglogging,AlarmLoggingandsoon.ItachievestheliquidhybridsimulationsystemdesignbasedonWinCC.Theallocationofthiscontrolsystemisflexible,andithasreliablecontrol,anditiseasytomaintain,itimprovestheproductionefficiency,andmakesureofthesteadyoperationofthesystem.

KeyWords：

PLC；WinCC；TouchPanel；Thecontrolsystemoftheliquidhybrid

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

选题的目的及意义1

液体混合生产的现状及进展2

现状2

进展2

本课题设计的要紧内容3

第2章工艺及操纵方案的设计5

系统组成框图5

液体混合操纵系统工艺流程简介6

操纵方案6

第3章下位机软件编程8

S7-300概述8

S7-300的组成部件8

本次设计的S7-300硬件选择9

本次设计的下位机操纵要求9

下位机程序分析11

第4章上位机WinCC软件组态14

WinCC组态软件简介14

WinCC系统组成14

本设计中WinCC的组态进程15

创建项目15

创建主画面16

创建登录画面19

创建变量21

主画面上的变量链接22

创建报警画面23

第5章触摸屏软件26

WinCCFlexible简介26

成立项目26

创建变量27

创建触摸屏画面29

创建登录画面29

创建启动画面30

创建配方画面30

创建调速画面31

触摸屏与下位机的连接32

第6章变频器操纵33

西门子MICROMASTER4变频器概述33

MM440变频器特点33

MM440变频器按钮操作33

变频器与PLC实现固定频率操纵进程35

目的35

操作步骤36

第7章上位机与PLCSIM的仿真38

S7-PLCSIM简介38

S7-PLCSIM的要紧功能38

S7-PLCSIM与实际PLC的区别38

PLCSIM调试程序的步骤38

PLCSIM与WinCC仿真结果40

PLCSIM与触摸屏仿真结果41

触摸屏与WinCC的仿真结果42

结论44

参考文献45

附录A46

附录B58

致谢61

第1章绪论

选题的目的及意义

随着科技的日新月异，在工业生产中，传统的生产方式已不能知足人们的需要。

许多生产进程都离不开液体混合。

尤其在炼油、化工、制药等行业中，液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产进程中十分重要的组成部份。

传统的液体混合装置完全由人工操作，不管在配料、混料等时期都存在诸多不确信因素，产品质量无法保证，废品多、人工投入大。

抗干扰能力差和系统升级改造困难等等，对产品质量和生产效率也难于提高[7]。

本文给出基于WinCC的液体混合仿真系统的设计，其要紧着力点在于液体混料比例的精准性和均匀性，这一样也是产品品质一致性的保障。

WinCC（WindowsControlCenter）是西门子开发的在WINDOWS环境下解决生产和进程自动化、可视化信息、显示和实现操纵策略，即实现SCADA系统人机接口（HMI-HumanMachineInterface）的组态软件。

它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档和报表的各类功能模板，能实现高性能的进程耦合、快速的画面更新和靠得住的资料处置，具有较高的有效性。

它在WindowsNT或Windows2000标准坏境中提供确保靠得住地操纵生产进程的所有功能。

WinCC的显著特性是全面开放，很容易结合标准的或用户的程序成立人机接口，精准地知足生产实际要求。

系统集成商可应用WinCC作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。

WinCC是基于32位的应用软件Windows32位操作系统的抢先多任务的特性确保了对进程事件的快速反映，并提供了多种避免资料丢失的爱惜，WinCC利用了面向对象的软件编程技术，将所有工程工具的组态功能集成在一路，提供用于进程可视化和操作的全数大体功能。

另外，提供宽范围的编辑功能接口，利用户为其独特的应用单独组态。

WinCC组态软件提供了适用于工业的图形显示、消息、归档和报表的各类功能模板，能实现高性能的进程偶合、快速的画面更新和靠得住的资料处置，具有较高的有效性[13]。

采纳PLC对容器中的液位进行监控操纵，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高还具有在线修改功能，灵活性强等优势，适用于多段液位操纵的监控场合。

而且PLC作为新一代的工业操纵器，具有体积小、编程简单、利用方便，抗干扰能力强、靠得住性高等一系列优势，易于实现机电一体化[1]。

液体混合生产的现状及进展

现状

目前国内外此类操纵系统主若是采纳DCS，这是由于液位操纵系统的仪表信号较多，采纳此系统性价比相对较好。

PLC和DCS由于在初期开发时，是由两种技术人员开发的，面向不同的操纵对象。

PLC要紧针关于汽车制造，模拟量极少乃至没有，开发人员主若是电气技术人员，它用运算机的逻辑运算代替继电器逻辑。

稍晚一点推向市场的是DCS，它是由原先的仪表技术人员开发的，它在运算放大器的基础上用运算机的模拟运算代替原先的模拟运算。

这二者所研究的内容不同，DCS第一应用在石化系统，后来二者都想占有市场，PLC增加了模拟量的运算，DCS开发了逻辑运算。

但二者在新开发的部份都存在有一些缺点，PLC开发的模拟量运算功能块少，编程较为复杂，价钱也比较昂贵。

每一个回路可能要2300美金左右，DCS开发的逻辑运算一个与非门的运算需要几十毫秒，而PLC只要零点几毫秒。

可是DCS的保护费用高，对接地电阻要求严格，常常会由于接地电阻不能知足要求而烧坏模件。

PLC对接地电阻要求不严格，因此保护费用比较低。

高级PLC如A-B公司的PLC-5C系列等，有专门的冗余产品系列，也有专门的模拟量进程操纵模块。

以高级次PLC系列产品代替DCS，一样情形下能够节约资金。

PLC一样应用在小型自控场所，比如设备的操纵或少量的模拟量的操纵及联锁，而大型的应用一样都是DCS。

本次设计中，用到的点数较少，能够利用PLC进行编程及仿真。

进展

PLC于60年代末期在美国第一显现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序操纵功能，成立柔性程序操纵系统。

1976年正式命名，并给予概念：

PLC是一种数字操纵专用电子运算机，它利用了可编程序存储器贮存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，操纵各类机械或工作程序。

通过30连年的进展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环操纵功能。

而且随着电子技术的不断进展，PLC在仪表操纵方面的功能已经不断强化[1]。

用于回路调剂和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰的能力也超级强，对电源的质量要求比较低。

目前已有许多企业采纳先进操纵器对传统接触操纵进行改造，大大提高了操纵系统的靠得住性和自控程度，为企业提供了更靠得住的生产保障，因此PLC在工业操纵系统中取得了良好的应用[2]。

以往常采纳传统的继电器接触器操纵，利用硬连接电器多，靠得住性差，自动化程度不高。

当前国内许多地址的此类操纵系统主若是采纳DCS，这是由于液位操纵系统的仪表信号较多，采纳此系统性价比相对较好，但随着电子技术的不断进展，PLC在仪表操纵方面的功能已经不断强化。

用于回路调剂和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰的能力也超级强，对电源的质量要求比较低。

目前已有许多企业采纳先进操纵器对传统接触操纵进行改造，大大提高了操纵系统的靠得住性和自控程度，为企业提供了更靠得住的生产保障，因此PLC在工业操纵系统中取得了良好的应用。

目前普遍利用的检测方式有PLC操纵，继电器操纵，单片机操纵等。

其中PLC检测操纵系统应用最为普遍。

因为其具有以下特点[3]：

1．靠得住性

PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。

它的连线打打减少。

与此同时，系统的维修简单，维修时刻短。

PLC采纳了一系列靠得住性设计的方式进行设计。

例如：

冗余的设计。

断电爱惜，故障诊断和信息爱惜及恢复。

PLC有较高的易操作性。

它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一样不容易发生操作的错误。

PLC是为工业生产进程操纵而专门设计的操纵装置，它具有比通用运算机操纵更简单的编程语言和更靠得住的硬件。

采纳了精简化的编程语言。

编程犯错率大大降低。

2．易操作性

对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。

程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也能够直接依照所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻觅，然后进行更改。

PLC有多种程序设计语言可供利用。

用于梯形图与电气原理图较为接近。

容易把握和明白得。

PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技术的要求降低。

当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员能够专门快找到故障的部位。

3．灵活性

PLC采纳的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。

编程方式的多样性使编程简单、应用而拓展。

操作十分灵活方便，监视和操纵变量十分容易。

以上特点利用PLC操纵系统具有靠得住性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳固等诸多优势尔后PLC操纵系统还会取得更普遍的利用。

本课题设计的要紧内容

本文介绍了基于WinCC的液体混合系统仿真设计。

采纳组态软件WinCC操纵系统方案，利用step7-300编程，并结合了WinCCflexible触摸屏的手动操纵，设计了液体混合操纵系统仿真画面、实况模拟、变量记录、报警记录等界面，实现了液体混合操纵系统的仿真设计。

该操纵系统配置灵活、操纵靠得住、维修方便，提高了生产效率，保证了系统稳固运行。

设计任务图如图1-1所示。

图1-1设计任务图

依照设计任务图，本次设计在以上面的几个方面都完成了任务。

在运行此项目时，第一是通过触摸屏的按钮对PLC程序进行操作的，然后利用STEP7-300程序通过与WinCC的通信对上位机画面进行操作。

通过以上操作，才能实现本次设计的内容，即基于WinCC的液体混合系统的仿真设计。

第2章工艺及操纵方案的设计

系统组成框图

系统组成框图是指，系统在投入利用的工作环境下的硬件组成。

咱们的设计主若是针关于软件部份进行仿真，但事实上是需要靠硬件来实现对设计的操纵要求。

因此现场的硬件组成部份，是实现对设计的操纵要求的必要组成部份。

若是在硬件方面没有进行正确的构造，那么软件部份将无法实现对设计的操纵要求。

本次设计硬件系统组成框图如图2-1所示。

图2-1系统组成框图

在图2-1中，第一行WinCC和触摸屏是上位机的组成部份；第二行S7-300是下位机部份；第三行是所连接的现场所需参数。

本次设计是依照上位机与下位机通信，来实现对设计的操纵要求。

上位机WinCC与触摸屏通过TCP/IP协议，与下位机通过以太网卡CP343-1与下位机进行通信。

而且能够利用如此的通信来实现触摸屏对WinCC的动画操纵。

在系统组成框图中的最后一行，确实是本次设计所要操纵的要紧现场参数。

本次设计要紧现场参数由数字量输入，数字量输出和模拟量输入为主。

通过下位机的变量与实际现场参数的连接，来实现下位机对现场系统的操纵。

而且通过上位机与下位机的通信，能够实现上位机对现场系统的操纵。

最终，达到实现利用触摸屏来操纵现场系统的目的。

液体混合操纵系统工艺流程简介

液体混合操纵系统如图2-2所示：

在生产现场，有两个进料罐，装载2种不同液体。

依照生产要求不同，依照不同的配方进行注料，由于两个进料罐与其管道是相同的，即可近似为同一时刻内，进料流量相同，因此依照注入的定不时刻不同，即可达到配方要求。

完成液体注入后，下方的混合罐开始工作，利用变频器的操纵，使电机的转速发生转变，进行一次快搅拌，一次慢搅拌，如此交替。

混合时刻抵达所要求的定不时刻后，阀门C打开，使混合后的产品进入储物罐。

并循环如此。

系统工艺流程图如图2-2所示。

图2-2液体混合操纵系统工艺流程图

操纵方案

“手动”操纵方式：

在该方式下，操纵人员利用触摸屏上的操纵按钮，对系统进行操作，进行配方的选择，和实现电机调速，其它动作将是系统自动进行。

工艺进程与操纵要求：

1．初始状态

各电磁阀门Y1、Y2、Y3和搅拌机M均为OFF，容器为空的，液面传感器L1、L2为OFF。

2．启动操作

按下启动按钮，开始以下操作：

1）在触摸屏上选择所需配方。

电磁阀Y1闭合（Y1为ON），开始注入液体A，电磁阀Y2闭合（Y2为ON），开始注入液体B。

按配方所需，达到定不时刻后，电磁阀Y1，Y2打开（Y1，Y2为OFF）。

注料部份完毕；

2）当液体A，B注入终止后，M为ON，开始搅拌；

3）利用变频器调剂电机速度，使其对液体进行一次慢搅拌，一次快搅拌；

4）混合液体搅拌混合时刻为6s，M为OFF，停止搅动；

5）电磁阀闭合（Y3为ON），将混合后的液体注入储物罐；

6）当液面下降到L2时，再通过5s，容器放空，完成一次操作；

3．停止操作

按下停止按钮，在当前的混合操作处置完毕后，才使系统停止于初始状态。

4．故障信号

故障信号部份要紧处置操纵系统运行进程中的故障。

在此系统运行时，可能显现如下几种故障：

1）电磁阀门Y1、Y2、Y3显现故障，可能致使系统不能正常运作；

2）电机M显现故障，不能实时的对液体进行混合搅拌；

3）在注料之前，混合罐并非是空罐，现在要利用液面传感器进行检测，假设混合罐确实不为空的状态，那么要停止注料动作，打开阀门C，将液体排进储物罐内；

以上几种故障信号，均为实际生产中所碰到的常规性故障，当显现故障时，应当即停车检测，对故障进行检修，以避免遭成没必要要的浪费与损失，确保系统可进行平安性生产。

第3章下位机软件编程

S7-300概述

S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的操纵要求。

品种繁多的CPU模块，信号模块和功能模块知足各类领域的自动操纵任务，用户能够依照系统的具体情形选择适合的模块，维修时改换模块很方便。

S7-300的每一个CPU都有一个利用MPI（多点接口）通信协议的RS-485接口。

有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口，PROFINET接口或PtP（点对点）串行通信接口。

S7-300不需要附加任何硬件，软件和编程，就能够够成立一个MPI网络。

利用CPU集成的PROFIBUS-DP接口或通信处置器，S7-300能够作DP网络上的主站或从站。

S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能壮大，利用方便。

STEP7的功能块图和梯形图编程语言符合IEC61131标准，语句表编程语言与IEC标准稍有不同，以保证与STEP5的兼容，3种编程语言能够相互转换。

S7-300已将HMI（人机接口）效劳集成到操作系统内，大大减少了人机对话的编程要求。

S7-300按指定的刷新速度自动地将数据传送给SIMATIC人机界面。

S7-300的组成部件

S7-300PLC是模块式的PLC，它由以下几部份组成[4]：

1．中央处置单元（CPU）

CPU用于存储和处置用户程序，操纵集中式I/O和散布式I/O。

各类CPU有不同的性能，有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。

CPU前面板上有状态故障指示灯，模式选择开关，24V电源端子和微存储卡插槽。

2．电源模块（PS）

电源模块用于将AC220V的电源转换为DC24V电源，供CPU模块和I/O模块利用。

电源模块和额定输出电流由2A，5A和10A3种，过载时模块上的LED闪烁。

3．信号模块（SM）

信号模块是数字量输入/输出模块（简称为DI/DO）和模拟量输入/输出模块（简称为AI/AO）的总称，它们使不同的进程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。

4．功能模块（FM）

功能模块式智能的信号处置模块，它们不占用CPU的资源，对来自现场设备的信号进行操纵和处置，并将信息传送给CPU。

5．通信处置器（CP）

通信处置器用于PLC之间，PLC与运算机和其他智能设备之间的通信，能够将PLC接入PROFIBUS-DP，AS-i和工业以太网，或用于实现点对点通信。

通信处置器能够减轻CPU处置通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。

6．接口模块（IM）

接口模块用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。

7．导轨

铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各类模块。

本次设计的S7-300硬件选择

本次设计硬件选择中，选择定货号为：

6ES7315-2AF00-0AB0的CPU315

（1），该CPU功能壮大，可知足大部份操纵要求，且性价比较好，因此选择该CPU。

依照本次工艺流程可知，共有12个数字输入点，因此在硬件选择中，选择定货号为：

6ES7321-1BH00-0AA0的16路开关量输入卡；共有17个数字量输出点，因此在硬件选择中，选择定货号为：

6ES7322-1BL00-0AA0的32路开关量输出卡；共有高液位与低液位2个模拟量输入点，且模拟量信号为4—20mA。

因此在硬件选择中，选择定货号为：

6ES7331-7KB00-0AB0的2路模拟量输入卡。

详细I/O点表见附录A。

详细端子图见附录B。

本次设计的下位机操纵要求

本次设计要紧利用S7-300编程，实现系统功能如下：

1．系统启动及停止；

2．3种不同配料方式；

3．利用变频器，进行调速；

4．手动操纵故障信号，使系统进行故障仿真。

在下位机编程的进程中，要有清楚的思路，才能进行正确的编程。

程序流程图是编程之前必需做的一项工作。

本次设计，下位机程序较为简单，具体实现步骤如下：

1）启动系统；

2）判定储物罐中的液位是不是为高液位，若是是高液位，那么需打开阀门C进行排放，直到排放终止后，在进行注料；假设不为高液位，那么进行配方的选择；

3）判定一下阀门A，B是不是故障，若是发生故障，那么需停车检修。

假设无端障，那么进行注料；

4）判定电机是不是故障，若是发生故障，那么需停车检修。

假设无端障，那么进行电机的调速；

5）电机运行终止后，阀门C将自动打开，现在需判定阀门C是不是出故障，若是出故障，那么需停车检修。

假设无端障，那么向成品罐中注入生成的产品，并进行5s的排空；

6）这次动作终止。

下位机程序流程图如图3-1所示。

图3-1程