基于组态软件的自动配料系统设计.docx
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基于组态软件的自动配料系统设计
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。
133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。
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CUP22罠物进行监控，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ProgrammablelogicController,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
的设备就是应用在数控机床领域的。
2.1.1PLC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ProgrammableController，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ProgrammableLogicController（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%-408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。
2.1.2PLC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。
2.1.6PLC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0C到55C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。
（4）空气。
最好不要靠近高腐蚀性和高易燃性的气体。
如果在此条件下工作，可以将PLC安设在密闭性较好的控制箱当中，必要时也可以在控制箱中安装净化空气的装置。
（5）电源PLC本身是能抵抗一般电源线所带来的内部干扰的。
但如果在高可靠性和电磁干扰严重的场合下，必须配备一台隔离变压器，减少PLC与电源之间的干扰，保证其能正常可靠的运行。
2.2组态软件
组态软件全名叫做组态监控软件系统（SupervisoryControlandDataAcquisition）简称为SCADA它的作用是对数据的采集以及监视控制。
其实际意义就
是以创建一个平台和开发环境，在此基础上构建出一个带有自动控制系统监控功能的工具性软件。
简单的人机界面使它在工农业领域得到越来越广泛的应用。
例如：
调温系统、电力系统、化工以及石油开采等数据采集、监视控制和过程控制的领域。
2.2.1组态软件的发展
上个世纪80年代中叶，组态软件得到了基本形成。
当时运用的主控机是单片机，虽然其结构简单，但是也能完成监控的功能。
到了90年代中期，由于计算机领域的
飞速发展，组态软件也进入了一个黄金时代。
由于它解决大中规模系统的监控问题，得到了越来越广泛的应用，其认同率也越来越高，因此它也逐渐取代了单片机的组态软件成为了现在最受欢迎的组态软件。
到后来进入21世纪之后，由于组态软件几乎
涵盖了所有工农业领域，因此其结构越来越复杂、规模越来越大，用户对其要求也越来越多。
2.2.2工业组态软件在国内外发展现状
国外的组态软件分别如下：
（1）InTouch是万维公司开发，其开发的时间比较久远，它的开发历史将近30年了。
它是第一个能在IE浏览器中使用的组态软件。
所以有着强大的网络化功能,可以实现工厂内和工厂和工厂之间的监控。
（2）iFIX是IntellutionDynamics自动化软件最重要的组件之一，它基于
WindowsNF2000平台，具有强大的自动化监视与控制的功能的软件。
（3）T.A.Engineering公司的AIMAX同时提供16位和32位Windows下的不同版本。
但是由于它的动画效果做的不是很好，不太好的直观动画效果使使用的客户觉得其档次太低了。
（4）WINC是德国西门子公司生产开发的。
它的功能比较强大，但是由于结构比较复杂是的管理方面不是太好。
。
（5）Citech是悉雅特公司的自动化软件之一，虽然它出现时间比较晚，但是其不亚于任何一款组态软件。
其也是操作非常简便。
不过唯一不足的是其操作方式面向用户的较少，更多的是面向程序员的。
（6）Movicon由意大利PROGE公司开发。
它以简单、开放为特点而闻名于自动化软件市场。
（7）REVIWE是罗克韦尔公司生产开发的。
这款软件虽然不是被太多人使用，但是罗克韦尔公司还是比较著名的自动化软件供应商。
国内的组态软件分别如下：
（1）世纪星是世纪长秋公司开发的一个比较杰出的组态组态软件，其自动化程度非常高。
这款组态软件在中国行业里还是备受关注的。
自上世纪90年代以来，已经销售近三万套。
其软件广泛应用于、在工业领域得到了比较广泛的应用。
（2）力控组态软件是由北京三维公司推出的力控监控组态软件。
它应用范围比
较大，基本上涉足于工农业每一个行业当中。
例如：
电力、矿产等。
（3）组态王是由北京亚控有限公司开发生产的作为国产。
其目标是为客户建立具有易用性较强、动画效果好、技术性能卓越、高稳定性、高可靠性并且价格低廉的自动化组态软件。
（4）MCG又被叫做昆仑通态。
它是由北京昆仑通态公司生产开发的。
MCGS勺优点是操作简单、可视化好、易维护、性能可靠等。
通过用户窗口，创建人机
交互界面，实时数据库将组态软件核心和外部联系起来。
2.2.3组态软件的特点
新一代的组态软件有如下特点：
（1）延续性和可扩展性。
在组态软件在使用过程当中，即使现场和用户要求发生改变时，不必要做太大改动就能很快地完成系统的更新以及升级。
（2）封装性。
用户所需要的功能都被组态软件以一种较为方便的方式包装起来了。
因此用户并不需要学习太多的高深的编程语言，就能高质量的完成一个较为复杂的工程。
（3）通用性。
在实际工程中我们需要较多的底层设备，例如：
PLC以及各类仪表等。
组态软件为用户提供这些设备的模拟状态，方便用户不需要用实际的硬件也能完成一个具有实时的数据处理、动画效果、历史数据曲线的工程，且不受其行业的限制。
（4）实时多任务。
可以实行多想的任务同时在同一台计算机上处理，例如：
图
形显示及人机对话、实时通信等任务。
2.2.4组态软件的功能
组态软件主要有三个方面的功能，其分别如下：
（1）超强的图形显示效果。
大多数的组态软件都能在Windows系列的系统下运行并且强大的人机界面使得用户不需要繁琐的编程也能创造出丰富的动画，例
女口：
闪烁、移动等效果，让画面更加生动、直观。
（2）优越的开放性。
组态软件的开放性能使得软件不再单一可以被多种产品所支持。
这也是衡量一个组态软件功能强大的重要标准。
（3）大量的功能模块。
组态软件提供大量的控制功能模块，使用户能实时的监测整个系统的运行过程，能让用户不需要在生产现场就能进行远程监控。
（4）超强的数据库。
组态软件配有强大的数据库，能存储各类的数据量，例如：
离散量等，还能与外部数据实行交换并且使用。
（5）强大的命令语言库。
组态软件的命令语言库提供了大量的命令语言，能让用户根据自己的要求来编写自己想要的程序。
（6）强大的安全防范系统。
组态软件给予不同的用户操作权限也是不一样的，
从而保证了系统能的安全可靠运转。
（7）仿真功能。
组态软件提供系统设计提供了强大的仿真，从而减少了大量的经费和开发时间。
3自动配料控制系统硬软件的选型
3.1自动配料的工作原理及基本结构
自动配料系统的运作是由电磁阀和液位传感器来控制的，电磁阀的主要原理是运
用电磁铁通电时的电磁力，使得液体压力与液体流量连续且按比例的追踪控制的信号，并随着信号的变化而变化。
自动配料系统的基本结构如图3.1所示。
它的组成主要是电动机、加热器、电磁阀等。
PLC控制搅拌机与电磁阀的启动和停止，它控制准确，自动化水平高。
配料的精准是由传感器和组态软件实时监控的。
7///////.
图3.1自动配料简图
3.2电器元件的选型
3.2.1电动机的选择
电动机（Motors）又称之为电动马达或者马达。
它是一种能将电能转换成机械能的设备，其一般是一种旋转式电动机器。
它的应用范围非常的广，基本上每一个生产过程中，都要用到电动机，它是不可取代的。
电动机选择原则：
（1）根据电动机的负载不同以及不同的用途上，选择适当负载特性的电动机。
例如：
是气动还是制动、是正反转还是调速等等。
（2）根据使用环境的不同选择不同的电动机。
例如：
不同的温度、不同的湿度、有无灰尘、淋水以及是否处在易燃易爆等环境下。
（3）根据负载的大小来选择相应的电动机，这个时候我们需要计算出合适的电动机容量，其通常电动机在75%—100%额定负载率时效率最高。
但有时候我们必须要选择额定负载率在80%—90%的电动机，因为我们要考虑电动机温升限度、过载能力以及启动转矩等因素。
（4）为了便于维修、生产中可靠性高以及便于互换等因素，应优先选用标准电动机。
3.2.2低压断路器的选择
低压断路器又被叫做空气自动开关，它能接通和断开正常、过载以及断路的电流。
低压断路器能在线路出现故障，可以起到保护作用，而且可以重复使用，不用经常更换。
它以方便、快捷、简单、安全等优点得到广泛的使用。
低压断路器的选择原则：
（1）低压断路器的额定电压一定要大于或等于被控制负载的额定电压；
（2）低压断路器的额定电流一定要大于或等于被控制负载的额定电流；
（3）脱扣器的额定电流一定要大于或等于被控制负载的额定电流；
（4）极限分断能力一定要大于或等于控制电了中最大短路电流；
（5）电路末端单相对地短路电流与断路器瞬间或短延时，脱扣器整流之比要大
于或等于1.25倍；
323热继电器的选择
热继电器是对电动机的过载进行保护。
因为其成本较低、结构较为简单、体积较
小等特点很适合做电动机的负载元件，所以在工农业生产过程中得到了广泛的应用。
热继电器选用的原则：
（1）热继电器的额定电流要大于电动机的额定电流，但是不能太大；
（2）热继电器一般用于电动机的过载保护，所以一定要根据电动的型号来选择合适的热继电器；
（3）主要用于保护电机用，所以要选用过电动机的额定功率之后才能选择合适的热继电器；
（4）热继电器的动作时间比较长，所以只要在电动机过热烧坏之前都可以选
用；
（5）热继电器周围的环境温度基本要在一般情况下的温度；
（6）热继电器的整定电流要等于电动机的额定电流才能保证其运行。
3.2.4接触器的选择
接触器它不需要人力，也可以自动的通断主电路电源，大大保证了操作人员的人生安全，被广泛的应用在电力、配电与用电等多种场合下。
接触器的选用原则
（1）选用的接触器类型一定要与电路的其他元件相适应；
（2）接触器的容量等级选定一定要与电路的负载相符合；
（3）选用的接触器允许的动、热稳定电流一定要大于或等于电路的三相短路电
流；
（4）选用的接触器的额定电压、额定电流、电流容量以及辅助触头的数量一定要与电路的负载相符合；
（5）要根据电路中其他元器件来选择合适的接触器。
325电磁阀的选择
电磁阀作用是控制气体或液体的方向、流量和速度等参数的执行元件。
在工业生产领域中，方向控制阀等一系列的电磁阀是我们使用最频繁的。
电磁阀的选择原则：
（1）根据管道的直径的大小和接口的形式来选择合适的电磁阀；
（2）根据流体的温度变化和流体的属性来选择选自合适的电磁阀；
（3）根据电气来选择合适的电磁阀；
（4）根据其工作时间的多久来选择合适的电磁阀；
（5）根据不同的地域选择合适电磁阀的辅助功能。
3.2.6液位传感器的选择
液位传感器作用是将液位高低的信号转换成电信号，供PLC使用，它相当于一个
开关量。
液位传感器的选择原则：
（1）根据测量对象与测量环境来选择合适的液位传感器；
（2）根据其灵敏度的选择选择合适的液位传感器；
（3）根据频率的特性选择合适的液位传感器；
（4）根据其线性接线来选择合适的液位传感器；
（5）根据稳定要求的不一样选择合适的液位传感器。
根据上文，我们可以选择如表2.1所示所需的电气元件。
表2.1电器元件选型表
符号
名称
型号
数量
M1
主传送带电功机
Y132M-4
1
QF1
低压断路器
NS100N
1
FR1
热继电器
JR16
1
KM1
接触器
CJ20J-25A
1
SB1
按钮
LA10-K
1
3.3自动配料液体输送的选择
自动配料液体输送系统一般管道输送采取。
输送的管道外形如图3.1所示
它的基本特点如下：
（1）不受气候条件影响可以连续运输，所以有较高的可靠性；
（2）管道能走捷径，不需要太远的距离；
（3）运输量比较大；
（4）能耗较小；
（5）安全可靠，无污染，成本低；
（6）封闭式运输，损耗较少。
3.4PLC的选型
在国内外PLC的供应商中，我们比较熟悉的是西门子公司。
他的旗下有很多PLC
软硬件。
我们只需要运用西门子S7-200CUP216就能完成自动配料的控制系统的要求了。
3.5组态软件的选型
市场上组态软件有很多种类型的，有国外的也有国内的。
例如：
力控、WINC等,等本文采用的是组态王6.53组态软件。
组态王6.53组态软件是一个适用于多种场合的工业监控软件，它适用于所有的工农业生产上。
它能以Windows系列的操作系统为平台，为用户能创造出高质量的监
控工程。
3.5.1组态王6.53的主要特点
（1）适应性强。
组态王6.53组态软件适用于绝大多少的生产场合；
（2）开放性好。
组态王6.53组态软件可以与多种软件相连接，支持国内外常见的国内外常见的PLG变频器、数据采集卡等等；
（3）易于扩展；
（4）经济。
组态王6.53组态软件使用成本比较低；
（5）开发周期短。
组态王6.53组态软件没有太多繁琐的语言，易懂，对用户来说既简单又方便。
3.5.2组态王6.53组态软件的构成
组态王6.53主要是由以下部分组成，分别为：
（1）工程管理器。
它是用来创建新工程和对已有工程进行管理、修改等以及一系列优化的功能。
（2）工程浏览器。
它是在已有工程基础上，开发和设计工程工具，它用来做出一个具有完整动画效果和监测等任务的界面。
（3）运行系统工程运行界面。
它将相互连接的各个设备之间进行通信，并能按照所设计的思想生动态画面效果使人能与机器的相互交流。
且能够直观的观察机器的运行状况。
4自动配料系统总体设计方案
4.1电气控
升级会员 