组态监控PLC三工位旋转工作台系统的设计.docx
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组态监控PLC三工位旋转工作台系统的设计
摘要
随着科学技术的不断发展，对生产工艺的要求不断提高，电气控制技术经历了从手动到自动、从简单到复杂、从单一到多功能、从硬件控制到软件控制的不断变革。
工业控制自动化技术正向智能化、网络化和集成化方向发展。
组态王是运行在Windows95/NT/2000上的一种组态软件。
使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在全厂范围内的畅通。
可编程控制器简称（PLC）,是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。
本文用组态王软件设计、三菱FX2N型PLC通讯连接，监控现场三工位旋转工作台钻孔，无需人员到现场检查，节省了人力，实现远程监控功能。
关键词：
PLC，组态王，自动化，动画连接，远程监控
组态监控PLC三工位旋转工作台系统的设计
陈昊鹰1646051
0引言
监控组态软件自20世纪80年代初诞生至今，已有20多年的发展历史。
随着计算机技术发展的日新月异，围绕工控计算机的自动化集成系统新产品、新技术的推陈出新，监控组态软件将会扮演越来越重要的角色。
当前，世界上的组态软件种类繁多，但在中国市场上还是国外组态软件占据了大部分的市场，如Wonderware公司的InTouch、Intellution公司的iFIX等，而国产组态软件，如北京亚控的组态王（Kingview）的市场占有量挺高。
组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。
应用组态王可以使工程师把主要精力放在控制对象上，而不是形形色色的通信协议、复杂的图形处理、枯燥的数字统计，只需要进行填表式操作即可生成一个监控和数据采集系统。
它可以在整个生产企业内部将各种系统和应用集成在一起，实现企业综合自动化的目标。
组态王软件作为一种工业控制组态软件在国内已得到了非常广泛的应用。
其具有强大的硬件支持能力，对国内外绝大多数PLC、变频器、板卡、模块、仪器仪表都编写了相应的驱动程序，使用起来相当方便快捷。
在“组态监控PLC三工位旋转工作台系统的设计”项目中，本文使用的软件是北京亚控自动化软件开发的组态王5.1软件。
今天，随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要，“监控和数据采集系统”越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用。
组态王是运行在Windows95/NT上的一种组态软件。
使用组态王，用户可以方便地构造适应自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在全厂范围内的畅通。
组态王的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。
管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。
PLC的处理器速度和功能在不断增加，已发展成具有逻辑控制功能过程控制功能运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能等的多功能控制器，加上它的价格低廉、操作简便、改变功能灵活易用、维护工作量小等优势，使PLC在工业生产过程自动化中获得广泛应用。
本文介绍采用PLC系统对三工位旋转工作台进行精确定位的一种低成本、高精度的控制方式，该设备的整体结构是以三菱公司FX2软件和组态王之间的实现实时通讯的三工位旋转工作台钻孔，工作台系统是该设备的重要结构之一，要求工作台在一定范围内实现旋转角度与速度的精确控制，并将定位结果及时反馈给PLC以进行相应的调整。
1组态王软件的概述
组态王易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，既可以节省的大量时间，又能提高系统性能。
下面从工程浏览器、图库、数据词典、动画连接、I/O设备管理、命令语言、组态王支持的硬件设备（三菱FX2）、串行通讯方式的设置配置向导等这几方面来说明组态王的工作情况。
1.1工程浏览器概述
工程浏览器是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，内嵌组态王画面开发系统。
组态王的工程浏览器由菜单栏、工具条、工程目录显示区、目录内容显示区、状态条组成，工程目录显示区以树形结构图显示大纲领节点，用户可以扩展或收缩工程浏览器中所列的大纲项。
组态王工程浏览器的结构如下图1.1所示：
图1.1组态王工程浏览器
工程浏览器内嵌画面开发系统，用户单击工程浏览器工程目录显示区的“画面”大纲项，在工程浏览器目录内容显示区双击“新建”图标或双击已制作好的画面，可启动画面开发系统。
工程浏览器有以下七方面组成:
画面制作与管理:
用于构造工业控制现场的画面。
组态王提供256色调色板、多种绘图工具、十几个常用图库多达几百种组件。
此外，组态王还提供多达21种动画连接，可以使您快速便捷地构造出丰富多采、生动逼真的画面。
命令语言:
组态王允许用户定义类似Ｃ语言的命令语言来驱动应用程序，提供四种命令语言包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言和变量改变命令语言，极大地增强了应用程序的灵活性。
数据库:
组态王包含实时数据库，支持多种内存变量类型和I/O变量类型，支持报警窗口变量、报警组变量、历史趋势曲线变量、时间变量四种。
设备:
组态王支持多种硬件设备，包括PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器和现场总线。
与硬件设备的通讯采用Window95中最新的COM技术、多线程多任务技术，确保实时性。
同时，对于组态王2.0等早期版本采用的DDE方式，也予以保留。
配置:
用户可在组态王中对系统进行灵活有效的配置，适应于不同的应用场合。
可配置的对象包括：
主画面配置、历史数据记录配置、报警配置、用户配置、网络配置、开发和运行系统外观配置等等。
配方管理:
组态王中新增配方管理系统，用来描述生产一件产品所用的不同配料之间的比例关系。
用户利用此功能可以在控制生产过程中得心应手，提高效率。
报告处理:
组态王5.0提供内嵌的数据报告模块，用户可以用此数据报告功能建立自定义的产品报告，并可以在指定时间产生数据报告文件供打印，或将一段时间内的数据生成报告文件，最后生成的各种数据报告文件可以供用户查阅、存档。
1.2图库概述
图库是系统预先建立好的组合图形对象。
组态王系统提供十几个图形库几百个元件，包括控制按钮、指示表、阀门、电机、泵、管路和其它标准工业元件。
设计者可以简单地从图库中取出元件加到自己的应用中。
图库单元还包含动画连接，可以方便地实现动画效果。
为满足不同行业用户的需要，图库是可扩充的。
设计者可以创建自己的图库单元，把它们加入到已有的图库中，或者把不再需要的图库单元从图库中删除。
也可以创建自己的图库。
使用图库开发用户界面有三方面的好处：
第一、降低了开发者设计界面的难度，使开发者能更加集中精力于维护数据库和增强软件内部的逻辑控制，缩短开发周期；
第二、用图库开发的软件将具有统一的外观，方便使用者学习和掌握；
第三、利用图库的开放性，开发者可以生成自己的图库元素，节省了用户投资。
1.3数据词典概述
数据词典（数据库）是组态王软件的核心部分。
在TOUCHVEW运行时，工业现场的生产状况将实时地反映在变量的数值中，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，这一切都是以实时数据库为中介环节。
组态王系统支持多种变量类型，主要分为基本类型变量与特殊类型变量两大类。
变量定义在工程浏览器的“数据词典”中进行，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。
不同类型的变量具有不同的变量属性，在定义变量时，有时需要设置它的部分属性。
组态王中变量主要分为基本类型变量与特殊类型变量两大类。
基本类型变量:
基本类型变量与一般程序设计语言的变量相似，一共有8种，分为内存变量和I/O变量两类。
内存变量有内存离散变量、内存实型变量、内存字符串变量、内存长整数变量；I/O变量有I/O离散变量、I/O实型变量、I/O字符串变量、I/O长整数变量。
特殊类型变量:
特殊类型变量是考虑到工控软件的特殊需要而设计的变量。
特殊类型变量正是体现了“组态王”系统面向工控软件、自动生成人机接口的特色。
包括报警窗口变量、报警组变量、历史趋势曲线变量、系统预设变量四种。
基本变量的定义：
内存离散、内存实型、内存长整数、内存字符串、I/O离散、I/O实型、I/O长整数、I/O字符串，这八种基本类型的变量是通过数据词典对话框定义的，同时在变量属性对话框的属性标签中设置它们的部分属性。
特殊变量的定义：
报警窗口变量和历史趋势曲线变量分别是在画面上绘制报警窗口和历史趋势曲线时自动定义的，设置它们的属性只需用鼠标左键双击画面上的报警窗口或历史趋势曲线。
变量的属性：
“变量的属性”也称为“变量的域”。
域的引用就是把变量名和域名用“.”号（西文输入状态下的句号）连接起来即可。
变量的域越多，表明属性越丰富。
设计者可以用命令语言编制程序来读取或设置变量的属性
1.4动画连接概述
所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。
建立动画连接后，根据数据库中变量的变化，图形对象可以按动画连接的要求进行改变。
“组态王”动画连接的特点：
一个图形对象可以同时定义多个动画连接，从而可以实现复杂的动画功能。
建立动画连接的过程非常简单，不需要编写任何程序即可完成。
动画过程的引发不限于变量，也可以是由变量组成的连接表达式。
为每一个有动画连接的图形对象设置了访问权限，以增强系统安全性。
创建或选择链接对象。
双击图形对象，弹出动画连接对话框，如图1.2所示。
图1.2动画连接对话框
双击图形对象，可弹出该对象的动画连接对话框，对不同类型的对象其动画连接对话框大致相同。
1.5I/O设备管理概述
组态王可以与一系列I/O设备进行通讯，支持的I/O设备包括：
可编程控制器（PLC）、智能模块、板卡、智能仪表等等。
组态王与I/O设备之间的数据交换采用以下五种方式：
串行通讯方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式、DDE方式。
组态王中增加了设备配置向导，用户只需要按照安装向导的提示就可以完成I/O设备的配置工作。
在系统运行的过程中，组态王通过内嵌的设备管理程序负责与I/O设备的实时数据交换。
已配置的I/O设备在工程浏览器的设备节点中分类列出，用户可以随时查询和修改。
如下图1.3所示：
图1.3设备配置向导
I/O设备的引用：
I/O设备在变量定义是通过I/O设备名进行引用。
每个I/O设备中的一个寄存器对应于数据库中的一个I/O变量。
在变量属性对话框的基本属性标签中确定I/O变量与设备名、寄存器的对应关系。
如果I/O设备未定义，可以按“连接设备”按钮，此时弹出“设备配置向导”，可以定义一个新的I/O设备。
1.6命令语言概述
组态王除了在定义动画连接时支持连接表达式，还允许用户定义命令语言来驱动应用程序，极大地增强了应用程序的灵活性。
命令语言是一段类似Ｃ语言的程序，工程人员可以利用这段程序来增强应用程序的灵活性。
命令语言的句法和Ｃ语言非常类似，是Ｃ的一个子集，具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数和系统函数。
命令语言通过“命令语言”对话框编辑输入，在组态王运行系统中编译执行。
命令语言有五种形式，其区别在于命令语言执行的时机或条件不同：
第一、应用程序命令语言:
可以在程序启动时执行、关闭时执行或者在程序运行期间定时执行。
如果希望定时执行，还需要指定时间间隔。
第二、热键命令语言:
被链接到设计者指定的热键上，软件运行期间，操作者随时按下热键都可以启动这段命令语言程序。
第三、事件命令语言:
规定在事件发生、存在、和消失时分别执行的程序。
离散变量名或表达式都可以作为事件。
第四、数据改变命令语言:
只链接到变量或变量的域。
在变量或变量的域的值变化到超出数据字典中所定义的变化灵敏度时，它们就被执行一次。
第五、画面命令语言:
可以在画面显示时、隐含时或者在画面存在期间定时执行画面命令语言。
2控制系统集成方案选择
控制系统集成基于可行性、可靠性还有性价比等多方面因素来综合确认。
下面就单片机控制、工控机（IPC）控制、PLC控制等简单比较说明。
2.1单片机控制
可靠性低:
本来抗干扰能力较低，从现在所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。
开发成本高:
单片机的售价并不贵，以目前市场价，较有名气的ATMEL也不过十几元钱一片而已，但简单从这表面上看这个问题是不妥的，要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要开模制版等，这都是一笔不小的费用。
加上开发周期长所投入的人力物力，其价钱已远远地超过应用PLC开发的费用。
另外由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性较强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不值得。
开发周期更长:
单片机的开发周期较长，从电路设计、开模制版、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，工程师往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，对最为重要的工艺过程往往没有更多的时间考虑。
不便于修改和维护：
利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场上往往不能找到可替代的备件，所以不便于维护，这是用户最不愿看到的。
所以，基于以上的原因，此方案不适用。
2.2工控机（IPC）控制
无疑，从可靠性来说，IPC要比单片机要好得多，但其价格昂贵，不计其整机价格，单就要满足I/O点数据的板卡量费用就不少，其价格要远远高于采用PLC控制的价格。
更为重要的是工控机更新换代较快，不但硬件如此，而且最根本的操作系统也不断地更新换代，换句话说，如果设备控制系统出现故障，更换硬件，可能意味着更新操作系统，进而导致整个系统的应用软件都要重新设计，这对太多数用户来说是不能接受的。
所以，此方案也不适用。
2.3PLC控制
可靠性:
自第一台PLC诞生就是应用于工业现场控制，不可否认，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。
据最近行业统计显示，目前采用PLC控制的设备份额达90％。
成本低:
就此设备的控制来说，采用PLC来进行的设备开发和控制费用都要远远低于采用单片机或IPC的费用，其系统可大可小，小的几点，大的数千点，甚至上万点，很好解决工业控制问题，适用于很多场合。
开发周期短:
采用PLC进行设备控制，工程师无须花太多的精力在硬件的处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路，大部分精力集中在工艺的了解处理和程序的编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑、修改和调试也都可随时进行，缩短了开发时间。
性能加强:
随着微电子控制技术的发展，PLC的处理能力也越来越强，其通讯能力、运算处理能力、容量（I/O容量和程序容量）等都有长足的发展。
所以，从可靠性和性价比等方面来说，本文采用PLC控制是适合的。
2.4PLC的选型
目前世界上PLC品牌众多，由于各公司的发展战略不同，价格也参差不齐，性能特长也各不相同，但从市场占有情况来说基本上可以划为两大阵营，一是以SIEMENS、施耐德等公司为首的欧美洲流派，一种是以MITSUBISHI、OMRON、富士等公司为首的日本流派，它们各有特点，各有所长，欧洲流派以大型系统而见长，而在中小型系统方面则是日本流派一统天下，占据了市场大部分份额。
下面以国内市场占有率较高的SIEMENS和MITSUBISHI为例，按所要求的数字量I/O点进行配置，以目前的市场报价进行统计对比，以便确定哪一种PLC更加适合本系统的应用。
SIEMENS的S7200系列PLC的I/O配置价格表，如表2.1所示。
三菱（MITSUBISHI）FX2N系列PLC的I/O配置价格表，如表2.2所示。
表2.1SIEMENS的S7200系列PLC的I/O配置价格表
序号
名称
型号
数量
I点
O点
单价
小计
1
CPU
CPU226
1
16
24
5600
5600
2
输入扩展模块
EM221
7
56
0
1000
7000
3
输出扩展模块
EM222
7
0
56
1000
7000
4
总计
15
72
80
19600
表2.2（MITSUBISHI）FX2N系列PLC的I/O配置表
序号
名称
型号
数量
I点
O点
单价
小计
1
CPU
FX2N-128MR
1
64
64
6500
6500
2
输入扩展模块
不用
0
0
0
3
输出扩展模块
FX2N-48ER
1
0
48
3000
3000
4
总计
2
64
80
8500
上面比较可以说明，同档次的PLC，基本配置相同I/O时，用SIEMENS所花的费用比用三菱要贵多两倍，当然，对此系统配置来说，问题还远远不如这些，因为用SIEMENS配置需要用14个扩展，已远远地超过了其一个CPU最多只能带7个扩展模块的限制，还有就是S7200系列还没有相应的定位模块。
换句话说，用S7200系列的PLC根本无法完成此系统的功能，除非用多个CPU或者用S7300系列才有可能完成此系统的功能，这样费用更高。
反观三菱的PLC系统，只带一个扩展就完成了配置，而且还可以轻松带三个定位控制模块，也不会超出其最大配置的限制。
而且，其特有的顺控指令对处理复杂的逻辑关系又是其它PLC不能相比的。
日本公司的PLC产品正是凭借其自身的优点，进入世界各大市场，据有关资料报道，在中小型系统PLC方面，日本产品占据了世界上约70%的份额。
而三菱系列的PLC更是占据了国内大部份市场份额。
三菱公司的FX系列产品应用中，有如下几点优点：
功能强大：
FX系列PLC配置了强大而完善的功能指令，尤其是FX2N系列PLC，按其功能分类共有程序流向、传送和比较、四则运算和逻辑运算、循环移位与移位、数据处理、高速处理、便利命令、外部机器I/O、外部机器SER、浮动、时钟运算、二进制循环码以及接点比较共13大类130条指令，如PID运算、浮点运算等，而其它品牌的PLC往往在高档系列中才配置有较完善的指令。
在完成一些特别的功能时，用FX系列的PLC就可轻松配置完成，例如此系统的的配置，如果采用SIEMENS的PLC，至少要用S7-300系列的PLC才能完成此系统的控制功能。
性价比高：
对于系统集成来说，价格不单是指单个自动元件的价格，而且更主要是完成整个系统的配置的费用，FX2N系列PLC有比较完善的各种配置供用户选择，并且有多种类多规格的特殊模块供用户选择，用户总是可以在众多的配置中做出最需要的合适的性价比较高的选择，以本例来说，如果采用SIEMENS的S7-300，则费用可能要高约50%左右。
系统配置完善：
如果按I/O点数来分，FX2N系列共有6大基本单元，如果按输出类型分，则共有三大类共17种基本单元；扩展单元有12种，同时还兼容FXON系列的扩展模块，除此外还有各种模拟量模块、定位控制模块及其它通讯机能模块，基本上满足各种小型控制要求。
应用方便简单：
如果用户对多数厂家的PLC都有过应用经验的话，应该不难体会出FX系列的PLC应用非常简单，无论从选型还是硬件组态及软件编程，它避免了其它公司除产品型号外还有一大串定货号的烦琐要求；也没有过多的通讯协议，让人感到无所适从，即使是新手上路也会很快掌握其方便简单的应用。
FX2N可以是三菱公司目前FX系列PLC中性能最好的系列机型之一，大量的软元件、丰富的应用指令以及内置大容量的程序存贮器，即使面对复杂的控制，也可以从容应对，其位执行指令达0.08μS，如此速度比SIEMENS的S7-200系列要快几倍，即使SIEMENS的S7-300也不过0.32μS而已，这足以证明FX2N的优越性。
所以本文选用了三菱FX2N的PLC作为控制系统。
3三菱FX2概述
三菱协议支持与三菱FX2系列及与其兼容的FX系列PLC之间的通讯，本协议可以采用串行通讯，使用计算机中的串行口。
三菱FX2硬件系统连接与设置：
可以按下图3.1所示将组态王与一个或多个PLC相连。
利用串行口进行连接时，可直接与PLC的编程端口相连。
设置三菱FX2系列PLC：
当使用RS232与上位机相连时，PLC的缺省与推荐设置如下图3.1所示
图3.1组态王与一个或多个PLC相连
表3.1PLC的缺省与推荐设置
设置项
缺省值
推荐值
波特率
9600
9600
数据位长度
7
7
停止位长度
1
1
奇偶校验位
偶校验
偶校验
当使用RS232与上位机相连时，PLC的通讯参数配置请参照相应型号的使用手册。
4PLC和组态王的通讯简介
组态王与PLC之间通信采用的是PPI通讯协议。
组态王通过串行口与PLC进行通信,访问PLC相关的寄存器地址,以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。
在实际编程过程不需要编写读写PLC寄存器的程序,组态王提供了一种数据定义方法,在定义了IPO变量后,可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。
上位机和下位机通讯原理图如下图4.1所示。
图4.1上位机和下位机通讯原理图
通讯的实现步骤：
PLC与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现,但是用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通讯协议,严格的按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序,其对用户要求较高,而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯则相对简单,因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序,例如三菱系列PLC与工控组态王软件“组态王5.1x”之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯。
5运用组态王软件开发PLC三工位旋转工作台系统的设计
5.1PLC三工位旋转工作台系统设计的基本要求
一个具有三工位和一个旋转圆盘的工作台，如下图5.1所示。
其工资流程是：
当按下起动按钮后，系统开始运行。
三工位同时投入各自的工作顺序，即上料、钻孔、检测、及卸工件。
当三个工位都进入等待状态后，料盘旋转120°，等待新的一轮工件的加工。
图5.1三工位和一个旋转圆盘的工作台
各工位的具体工作顺序是：
工位1：
推料杆将料推进，料到位后退回，退回到位后等待。
工位2：
将工件加紧后，钻头下钻，下钻到位后退出，退回到位后放松工件，完全放松后，进入等待。
工位3：
深度计下降，如在某一时间间隔（2s）内下降到某一位置，深度计返回，返回到位后，推料杆退回，退回到位后等待。
如深度计在上述时间间隔以外仍未下降到位，深度计返回，退回到位后，手动卸下工件（报废），卸下工件后按下卸毕开关进入等待。
输入端口分配表，如表5.1所示
表5.1端口分配表
输入信号
输入端口
起动信号
X0
推料杆到位
X1
退回完毕
X2
夹紧完成
X3
钻头下钻到位
X4
钻头上升到顶
X5
放松完毕
X6
深度计到底
X7
深度计到顶
X10
卸件完毕
X11
人工复位
X12
料盘旋转完毕
X13
深度计返回完毕
X14
碰限位
X15
输出端口分配表，如下表5.2所示
表5.2输出端口分配表
输出信号
输出端口
推料杆推进
Y0
推料杆退回
Y1
工件夹紧
Y2
钻头下钻
Y3
钻头上升
Y4
放松工件
Y5
深度计下降
Y6
深度计上升
Y7
卸工件
Y10
深度计返回
Y11
料盘转120°
Y12
5.2PLC3工位旋转工作台系统设计的动画设计与动画连接设定
在组态王工程浏览器中用鼠标选择“工程”菜单，点击“新建”菜单命令，此时会弹出“新建
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