人机界面在步进加热系统中的应用Word格式.docx
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Abstract
Thedesignfirstintroducesthebackgroundofthemetalheattreatmentprocesses,systemfunctions,aswellassomeinstitutions.Foroptimalcontrolandenergyconservationrequirements,theauthordesignedandbasedonSiemensS7-200PLCman-machineinterfaceconfigurationsoftwareProtoolsteelsteptoachievetheheatingsystemofmonitoringandcontrol.BecausethePLChasfastresponse,highreliability,simpleoperation,stronganti-interferenceofthemanyadvantages,sothesystemcaneffectivelyachievethetemperaturestepdataacquisitionandsystemscontrol,remotemonitoringwellcompletionsystem.ThesystemselectedSiemensS7-200seriesPLCnotonlyownsmallsize,powerfulhardwareandsoftware,butalsocanconfiguratesystemeasilyandcommunicatepowerfullysothatbetternetworkingwiththehostcomputer.
HumanMachineInterface(HMI)iscalledmediumordialogueinterfacesforexchanginginformationbetweenpeopleandcomputers,anditisanimportantpartofthecomputersystem.Touchscreenisusedtomonitorthescene,inshort,relevantparametersoftheworkshopisredouttodemonstratetotherelevantpersonneltoanalyzesystemoperationtoachievethedatacollection,alarm,informationaswellastrends.Inaddition,thesimplicityofcommunicationbetweentouchscreenandPLCensurethatthesystemcanexchangedaterapidlyandstability.
Keyword:
S7-200;
Protoolsoftware;
HumanMachineInterface;
MetalHeatTreatment
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2人机界面概述2
第二章PLC的概述4
2.1PLC的组成4
2.2PLC的软件系统及常用编程语言4
2.3PLC的特点及应用领域5
2.3.1PLC的特点5
2.3.2PLC的应用领域6
2.4PLC的发展6
2.5西门子S7-200PLC7
2.5.1S7-200PLC概述7
2.5.2S7-200系列PLC监控的主要方法8
第三章ProTool组态软件概述9
3.1ProTool组态图形显示及运行9
3.2ProTool与SIMATICSTEP79
3.2.1ProTool的启动方式9
3.2.2ProTool用于SIMATICSTEP7的优点10
3.3ProTool软件使用及适应的设备概述11
3.3.1创建和编辑项目11
3.3.2SIMATICHMI系列人机界面设备11
3.3.3基于Windows系统的ProTool软件可组态设备11
3.4ProTool通讯12
3.4.1ProTool中消息的处理过程12
3.4.2ProTool传输特点12
第四章步进加热系统13
4.1步进加热控制系统工作原理13
4.1.1工艺描述13
4.1.2步进加热系统生产线特点13
4.2步进加热系统功能介绍14
4.2.1系统流程14
4.2.2步进加热系统功能14
4.3步进式加热炉生产中的关键控制技术15
4.3.1
生产节奏的控制15
4.3.2
加热炉燃烧控制15
第五章人机界面设计16
5.1温度手动加热控制16
5.1.1任务描述16
5.1.2变量与PLC的地址分配16
5.1.3控制程序图(见附录A)16
5.1.4温度手动控制触摸屏组态16
5.2温度监控20
5.2.1任务描述20
5.2.2变量与PLC的地址分配21
5.2.3控制程序图(见附录B)21
5.2.4温度监控触摸屏组态21
5.3报警显示26
5.1.1任务描述26
5.1.2变量与PLC的地址分配27
5.1.3报警显示触摸屏组态27
结束语31
致谢32
参考文献33
附录A34
附录B36
第一章绪论
1.1引言
步进式加热炉是轧钢生产线上的重要设备之一,其功能是根据钢坯的入炉参数生产工况和工艺指标通过控制炉温空气燃料流量及空燃比空气燃料压力烟气残氧浓度以及炉膛压力尽可能降低能耗减少氧化烧损使钢坯。
这些参数的控制直接关系到控制质量的好坏和能耗的多少,因此加热炉计算机控制及监测技术一直是人们研究的重点,为保障加热炉在无故障状态下连续运转,提高生产效率,降低现场工人的维护难度,增强产品的市场竞争力,保障工厂生产水平做出了卓越贡献。
传统的加热炉控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制,使控制系统的体积增大,耗电多,效率不高还容易出现故障,不能保证正常的工业生产。
随着计算机控制技术的发展,传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。
而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。
当今社会钢铁作为原材料被广泛的应用于各行各业。
基于市场对钢材的不同需求,钢铁冶炼企业对冶炼设备有着更高的要求,智能化是自动化系统中核心的部分,我们设计的钢管热处理系统满足企业对加工设备的快速性、加工工艺可调性、加工自动化的要求,提高了企业的效益及自身的市场竞争力。
随着工业自动化技术的不断发展,现代化的轧钢厂应该配置大型化的、高自动化的步进加热系统,在不经过人工的情况下,自动的对物料进行检测、放料、传送、加温、出料以及废气处理的系统,在提高产品本身质量的同时,其生产同样符合高产、优质、低耗、节能及操作自动化的工业要求。
PLC以可靠性高、稳定性好、功能强的特点被广泛运用于企业的控制系统中,被誉为当今世界最先进的控制系统装置。
我们设计的钢厂热处理系统采用的是西门子系列PLC进行控制,我们可以利用触摸屏对现场进行监控,发现问题可通过触摸屏随时对系统的运行状态进行调试,对电机进行PWM调速、以及变频调速;
CC-Link总线是一种开放式的总线,通信效率高,可靠性高,将其运用于钢铁企业的控制系统易于实现控制的网络化,软控制代替硬件控制,本系统可实现自诊断、系统故障报警、测试、PWM调速、监视等功能。
1.2人机界面概述
人机界面(Human–MachineInteraction,简称HMI),是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口,是计算机系统的重要组成部分。
是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面,信息交换,功能接触或互相影响,指人和机器的硬接触和软触,此结合面不仅包括点线面的直接接触,还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。
人机结合面是人机系统中的中心一环节,主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据,并过安全工程设备工程学,安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。
它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。
现在大量运用在工业与商业上,简单的区分为“输入”(Input)与“输出”(Ouput)两种,输入指的是由人来进行机械或设备的操作,如把手、开关、门、指令(命令)的下达或保养维护等,而输出指的是由机械或设备发出来的通知,如故障、警告、操作说明提示等,好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械,也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命,而目前市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上。
人机界面产品由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等,如图1-1所示,其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低,是HMI的核心单元。
根据HMI的产品等级不同,处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。
HMI软件一般分为两部分,即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件(如JB-HMI画面组态软件)。
使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”,再通过PC机和HMI产品的串行通讯口,把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。
图1-1人机界面构成图
人机界面是计算机科学和认知心理学两大学科相结合的产物,同时也吸收了语言学、人机工程学和社会学等学科的研究成果。
经过40余年的发展,已经成为一门以研究用户及其与计算机的关系为特征的主流学科之一。
近年来,人机界面的设计理论已经更广泛地发展和应用到人一机一环境系统工程等领域,使工程技术设计与使用者的身心行为特点相适应,从而使人能够高效、舒适地工作与生活。
目前国内的自动化产业,一些原本不用人机界面的行业,现在也开始使用人机界面了,这说明人机界面已经成为客户体验的不可缺少的一部分,人机界面的用户界面能更好地反映出设备和流程的状态,并通过视觉和触摸的效果,带给客户更直观的感受。
以后人机界面的改变,将在形状上、观念上、应用场合等方面都有所改变,从而带来工控机核心技术的一次次变革。
总体来讲,人机界面的未来发展趋势是六个现代化:
平台嵌入化、品牌民族化、设备智能化、界面时尚化、通讯网络化和节能环保化。
第二章PLC的概述
2.1PLC的组成
PLC(ProgrammableLogicController)可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
2.2PLC的软件系统及常用编程语言
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等,主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言,诊断机器故障。
系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中,不能直接存取和干预。
用户程序是用户根据现场控制要求,用PLC的程序语言编制的应用程序(也就是逻辑控制)用来实现各种控制。
根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准(IEC1131-3),PLC编程语言有5种形式:
顺序功能图语言(SFC,也称步进梯形图)
梯形图语言(LadderDiagram,LAD)
功能块图语言(FunctionBlockDiagram,FBD)
语句表语言(StatementList,STL)
结构化文本语言(StructureText,ST)
不同编程语言编写的程序一般可以相互转换,不同的语言形式可以表达相同的逻辑关系。
2.3PLC的特点及应用领域
2.3.1PLC的特点
1、可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2、配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3、易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3.2PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制:
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制:
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制:
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制:
是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理:
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;
也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网:
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
2.4PLC的发展
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活,易学易用、体积小,重量轻,价格便宜的特点。
PLC未来的发展方向有1:
产品规模向大、小两个方向发展大:
I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。
小:
由整体结构向小型模块化结构发展,增加了配置的灵活性,降低了成本。
2:
PLC在闭环过程控制中应用日益广泛3:
不断加强通讯功能4:
.新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外,还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
5:
编程工具丰富多样,功能不断提高,编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件,采用梯形图、功能图、语句表等编程语言,亦有高档的PLC指令系统6:
发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
7:
追求软硬件的标准化。
目前我国还是制造业大国,是世界的生产加工中心,有大量的制造业,就必须用各种生产设备,大部分生产设备都和PLC有关,需要大量的精通PLC控制的从业人员。
产业结构已发生调整,逐渐有劳动力密集型转化为技术密集型,大量的新设备被采用,这些设备很多都和PLC控制相关,需大量的高技术人才。
2.5西门子S7-200PLC
2.5.1S7-200PLC概述
德国西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛,在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子(SIEMENS)公司的PLC产品包括LOGO,S7-200(CN),S7-1200,S7-300,S7-400,工业网络,HMI人机界面,工业软件等。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200),小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。
SIMATICS7系列PLC是1996年推出的产品,它包括小型PLCS7-200,中型PLCS7-300和大型PLCS7-400。
S7系列PLC产品的性能和使用范围各不相同,但具有如下共同特点:
CPU芯片已经升级到Intel80486,或采用Pentium处理器。
采用模块化设计,能按搭积木方式进行系统配置,功能扩展灵活方便。
有极快的处理速度,如S7-200和S7-300的扫描速度为0.37/指令,
有很强的网络功能,可用多个PLC连接成工业网络,构成完整的过程控制系统,既可实现总线联网也可实现点到点通信。
允许使用相关的程序软件包及工业通信网络软件,编程工具更为开放,人机界面十分友好。
S7-200系列是一类小型可编程逻辑控制器,由于其具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格和强大的指令系统,使得它能近乎于完美地满足小规模的控制要求。
另外,丰富的类型和电压等级使其在解决用户的自动化问题时,具有很强的适应性。
在我校西门子工业网络综合实验系统中S7-200为CPU226(数字量)+EM235(模拟量模块)+EM277(Profibus-DP通讯口)+CP243-1(以太网模块)。
S7-200CPU226:
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
人机界面(HMI)硬件HMI硬件配合PLC使用,为用户提供数据、图形和事件显示,主要有文本操作面板TD200(可显示中文),OP3,OP7,OP17等;
图形/文本操作面板OP27,OP37等,触摸屏操作面板TP7,TP27/37,TP170A/B等;
SIMAT
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