大学毕设论文s100实训装置实验监控系统设计毕业设计Word格式文档下载.docx

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本课题通过设计S-100实训装置实验监控系统，了解PLC构成的控制系统；

训练S7-200PLC模块与其他装置的电气接线；

学会利用组态王开发软件开发设计监控系统的人机界面；

学会用上位机软件监视PLC运行状况；

学会用上位机监控软件进行系统投运；

学会用上位机监控软件进行PID控制，学会基于组态王与PLC监视控制的运行操作方法设计开发的内容包括：

登陆界面，趋势曲线界面，报表界面等。

对开发的实验监控系统进行实际调试，结果表明，实验监控系统与PLC通信成功，进入View运行模式下PLC正常运行，能够对实验进行管理，能够进行系统投运实验，能够进行PID控制系统实验，实现了开发要求的相应功能。

关键词：

S-100实训装置；

实验监控系统；

组态王；

PID；

PLC

Abstract

Keywords:

第一章绪论

第一节引言

系统包含了PLC控制系统、储/实训水箱、水管管件、监测系统、执行器系统等模块。

利用各种工业检测装置及执行器实现对水温、液位、流量、压力四大热工参数的监控实训。

S-100实训装置在具备PLC编程、安全配线、组态、电器调节、管路搭建、变频调速、可控硅调压控制的同时，重点突出流体过程控制传感器的配线、信号转换、变送、采集、PID控制、组态控制的主要实训功能。

S-100实训装置涵盖了扩散硅压力变送器、超声波非接触式液位变送器、涡轮式流量传感器、PT100温度变送器、磁浮球液位开关等常用传感器，覆盖开关量、模拟量、脉冲等三种信号类别。

除此之外系统还扩展安全配线、多钟实训模拟式切换功能[1]。

本课题利用S-100实训装置，可以分别对液位、压力等参数设计检测和控制实验。

检测变送器将被控量转换为4～20mA信号，通过PLC模拟量输入通道A/D转换为数字量，PLC控制程序对输入信号采样、滤波，与设定值比较后进行PID运算输出操作量，经D/A转换为4～20mA信号给变频器（液位、压力、流量控制、温度控制）。

目前我国引进的组态软件有：

美国的FIX32、Ifix,德国的WinCC等。

国产的组态软件有组态王、开物、世纪星、力控、FameView、MCGS等，其中亚控公司开发的组态王是一个非常优秀的软件。

它提供了一个良好开发环境，如：

提供许多绘图元素、控件、报表格式、方式等，使开发人员不必把精力集中在绘制人机界面上，而专心考虑如何实现系统的功能，使开发工作变得轻松容易、简单、高效。

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件面板构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能[2]。

本课题用组态王开发软件开发设计S-100实训装置的实验监控软件，通过RS-232/RS-485和下位机PLC串口通信，用STEP7-MicroWin编程软件对下位机PLC进行编程，达到对液位/流量等参数的检测与控制等目的。

第二节监控系统的现状

目前有大量的关于下位PLC+上位PC机的自动化系统研究成果。

赵航[3]利用组态王与PLC，设计水位监控系统。

本实验系统的主要内容是对一个单容水箱的液位进行控制。

利用水箱、阀门、管道、水泵、CY30011A型水位传感器、PLC控制器、RS232通讯接口和上位机，构建单容水箱液位控制系统。

根据监控对象的特性，开发PID调节器。

要求能实时检测水箱液位的高度，并与设定值做比较，由PLC控制水泵的转动进行液位的调整，最终达到液位的设定值。

在“组态王”中组态，实现报警、实时趋势、历史趋势、参数修改、手／自动切换等功能。

李奎[4]利用组态王软件实现组态应用教学、三菱PLC的远程监控系统，构建了虚拟监控系统网络,实现了单套实训设备的监控管理功能，设计了基于FX2N-128MRPLC和组态王软件的溶液混合设备虚拟控制系统，通过IE浏览器实现了远程监控的功能,减少了设备硬件损耗。

赵丹丹[5]研究的工业以太网温控系统以西门子S7-200PLC作为控制器实现PID控制,并利用以太网通讯模块CP243一l通过工业以太网实现与上位机之间的通讯,实现了对该大滞后、强非线性系统温度的有效自动控制。

张静之[6]等研究基于组态技术的教学实验开发是以具体的控制对象，利用组态软件具有的数据采集、数据处理、数据存储、系统故障或事故报警、现场动态图形等功能，真实地反映现场生产过程或实时状态，以计算机信息图形界面为人机交互界面，采用PLC进行控制。

目前，随着自动控制技术的应用领域迅速扩张、自动控制技术应用型人才的匮乏，包括职业院校在内的各类学校开设了可编程序控制器控制技术课程。

但难以解决的关键问题是PLC的控制对象模拟。

PLC的控制对象可以是实物模型，但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处。

但如果将PLC的控制对象在计算机上应用组态软件全真模拟，那么可以弥补上述不足，还可以采用动画的形式直观地演示PLC控制对象的工作过程。

组态软件的电脑仿真模拟大大降低教学成本，免去了频繁的维护，丰富了被控对象的种类，加速了组态技术的推广，迎合了现代控制技术对信息化人才的需求。

任俊杰[7]以S7200PLC为控制器，小型电热锅炉为被控对象，构成了过程控制实验系统，上位机采用组态王设计人机画面，实现对过程的监控并提供过程控制实验面板。

锅炉的液位、出水温度、进水压力、流量通过测量变送接至PLC的模拟量输入，经数据处理和相应的控制运算，结果由模拟量输出给执行器，执行器为变频器和可控硅。

描述了系统的组成、控制功能以及监控功能的实现。

该装置充分模拟工业控制现场，可以方便地组合成多种过程控制实验，人机界面友好，操作简单，将过程控制领域的理论知识与工程实践得到很好的结合，加强了对学生工程应用能力的培养。

借鉴以上成功经验，设计以组态王作为上位机开发组态软件开发S-100实训装置的实验监控系统，通过上位机的操作能对下位机的参数（液位/流量等）进行监控。

第三节本课题的设计内容及要求

本课题针对S-100实训装置设计实验监控系统。

了解S-100实训装置的构成和原理；

认识S-100实训装置的硬件组成；

了解S-100实训装置的配置，了解S-100装置配置的检测机构、控制机构和执行机构。

确定检测点和控制点；

设计S-100实训装的监控系统总体框架。

设计基于S-100实训装置的实验总体方案；

设计各实验内容和系统构成图。

学习S7-200西门子可编程控制器原理，进行PLC控制系统设计。

通过了解西门子S7-200PLCCPU226CN和模拟量输入模块EM231，并进行硬件接口设计，画出CPU226CN和EM231的硬件接线图；

了解CPU组态并对各输入模块进行编址；

学习子程序的，系统组态，参数的检测与传送程序设计等。

利用组态王开发面板进行实验监控软件开发，包括上位机流程主界面，实时参数设置与显示、报警，历史趋势曲线查询等；

上位机与PLC联机，在S-100实训装置上进行程序调试

第二章S-100实训装置实验监控系统总体方案

第一节S-100实训装置及控制流程图

一、S-100实训装置的工作流程

S-100实训装置实物如图2-1所示，根据图2-1所示，可以看出S-100实训装置是由上/下位水箱，磁力泵，电磁阀，电动调节阀，PLC控制装置，传感器检测装置，管件等组成。

它的工作过程是：

先在下位水箱中加入水，通过磁力泵，将水抽入上位水箱中，而在水从下位水箱抽入上位水箱的过程中，有两管道条通路，一条是电动调节阀控制的管道，一条是手动阀门控制的管道（防止电动调节阀出现故障），水从上位水箱回流到下位水箱有两条管道，都是手动阀控制，还有两条是溢流管道，防止上位水箱中的液位过高溢出水箱，一条是电磁阀控制，一条是手动阀控制（防止电磁阀出现故障）。

图2-1S-100实训装置整体实物图

二、S-100实训装置的检测和执行机构配备

1.下位水箱

S-100实训装置的下位水箱中配备有加热装置和温度变送器（PT100）。

加热装置如图2-2a所示，加热管采用可控硅调压（工作电压AC220V、功率1000W、调压控制输入0～10V）；

通过调压模块改变加热装置的频率从而对下位水箱中的水进行加热，使水温发生变化，改变下位水箱中水的温度；

温度变送装置如图2-2b所示，敏感元件采用PT100热电阻，带数显仪表，量程0～100º

C，精度1级，温度变送器将采集的信号转换成4～20mA的电信号，送到PLC中，从而将检测到的下位水箱中水的温度显示在上位机中。

下位水箱中还配备浮球开关如图2-2c所示，当下位水箱中水位过低时，可以将信号送入PLC中，由PLC控制变频器，再通过变频器控制磁力泵可以关闭磁力泵，对装置进行保护。

图2-2下位水箱中的器件

2.连接管路

在磁力泵将水抽入上位水箱的连接管道上装有扩散硅压力变送器、涡轮式流量传感器、磁力泵、电动调节阀和手动调节阀等。

扩散硅压力变送器如图2-3a所示，量程0-1bar，精度0.5级，扩散硅压力变送器，可以测量供水管路中的压力，将压力信号转换成4～20mA的电信号送到PLC中。

涡轮式流量计传感器如图2-3b所示，量程3.8～38LPM、精度0.5级、脉冲输出，流量传感器将采集的信号转换成脉冲信号，送到PLC中。

磁力泵如图2-3c所示，磁力泵采用变频调速，功率0.37KW、排量20LPM，通过磁力泵，将下位水箱中的水送入上位水箱中，是整套系统中重要的执行机构。

电动调节阀如图2-3d所示，1/2内螺纹，工作电压24VDC/AC，控制输入0～10V、开度范围0～90º

，通过PLC控制电动调节阀的开度，可以对压力、流量液位等参数进行控制。

手动调节阀，手动调节阀的作用是起到一种保护作用，当电动调节阀出现故障时，可以调节手动调节阀。

图2-3供水管路上的器件

3.上位水箱

在上位水箱内，装有超声波非接触式液位变送器，保护装置的浮球液位开关，和电磁阀。

超声波非接触式液位传感器如图2-4a所示，量程50～1200mm、精度1级，液位变送器将采集来的液位信号转换成4～20mA的电信号，将电信号送入PLC中。

浮球液位开关如图2-2c中所示，在这里浮球液位开关是对上位水箱上限进行限定的，当上位水箱中的水位过高时，将信号送入PLC中由PLC控制溢流管道上的电磁阀，打开电磁阀，使水回流到下位水箱中。

图2-4上位水箱上的器件

由上述可知，S-100实训装置配置了扩散硅压力变送器进行压力变送、超声波非接触式液位变送器进行变送、涡轮式流量传感器进行流量变送、PT100温度变送器进行变送、磁浮球液位开关对系统进行保护等常用传感器，包括离散开关量、模拟数值量、脉冲信号三种信号等。

三、S-100实训装置的控制系统配置

S-100实训装置配置了以德国西门子S7-200CUP226CNCPU为核心的PLC控