水罐监控系统课程设计.docx
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水罐监控系统课程设计
设计题目﹕水罐监控系统
前言
可编程控制器(PLC)是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物,是在顺序控制和微机控制器的基础上发展起来的新兴工业控制器,是一种以微处理器为核心用作数字控制的专业工业控制机。
目前在许多的水厂,为满足日益这增加的供水要求,通常安装了多台滤罐,对这些滤罐需要采用一种管理多台滤罐协调运行的控制系统,并增强对滤罐运行状态的监视,即监控系统来提高滤罐的运行效率和稳定性,实行智能化管理和控制。
滤罐监控系统的主要功能是调度和管理各台滤罐,指定滤罐的正洗、反洗的自动及手动状况,避免滤罐群之间的相互干扰,正确地执行反洗功能,使得滤罐群有条不紊地运作,使原来人工记时操作的方法得以改进,从而劳动效率提高,智能化增强。
滤罐监控系统的开发应用是一项新技术,它融入了PLC功能强、易维护、成本低的特点和VB程序在Windows环境下的强大人机界面功能。
通过可视化工具,用户可以灵活方便地使用系统提供的功能,该系统可以实现多通道同时采集,多窗口同时动态显示,且具有故障处理,报警等功能,从而实现高效率的工作。
滤罐监控系统属于应用软件,本软件针对滤罐所拥有的硬件环境而编写。
当然由于本人的阅历还浅薄,知识结构还不够牢固,这套系统还有许多需要改进的地方,诚恳希望大家批评指正。
在设计过程中,受到时献江老师孜孜不倦的指导和莫大的帮助,在此谨致以衷心的感谢。
第1章滤罐监控系统的基本结构和原理
1.1滤罐监控系统的组成及其实现手段
在滤罐监控中,一般是以3台以上,32台以下为一组。
本系统为12台滤罐为群控组,其组成图见图1:
系统在硬件配置上充分考虑到运行环境的特点和系统运行的可靠性,在上位机采用一台IBM-586进行群控,各滤罐采用目前使用较广的PLC控制,PLC采用西门子公司生产的S7-200。
上位机安装在主控室,随时向管理人员提供滤罐的运行状态,PLC及其他控制设备安装在配电室滤罐控制柜内。
PC与PLC之间由于距离较远,采用RS-485进行串行通信。
1.2上位机
在此系统中,上位机主要完成以下几项任务:
1)实时从PLC中采集各滤罐的运行状态参数,如滤罐的正、反洗状态,当前哪些滤罐在正洗及正洗时间,哪个滤罐在反洗及反洗时间、反洗顺序、内选信号等。
2)根据从PLC采集来的各PLC的参数,在显示界面上实时显示各台滤罐的运行状态。
3)实时采集外呼信号,强制改变滤罐的运行状态,对外呼信号予以响应。
4)发生故障时进行故障报警,使维修人员及时得到消息,尽快加以修复。
1.3滤罐控制用PLC的主要任务
1)实时采集滤罐的内选信号;
2)接采上位机发来的控制指令;
3)开辟运行状态数据缓冲区,并实时存储滤罐运行状态供上位机查询;
4)根据采集的正、反洗,呼叫信号和上位机的控制指令,实现自动正、反洗,手动反洗等功能;
5)向下位的滤罐控制装置和辅助装置发出信号,控制滤罐正、反洗及显示滤罐当前运行状态。
第2章德国西门子S7-200PLC
2.1S7-200产品
企业生产、发展要求设备自动化程度高,并以提高产品质量,追求高效率和降低成本为目标,而设备操作方便,设备维护简单、长期稳定无故障是极其重要的关键。
PLC自一九六九年诞生以来,在广泛应用同时本身也随微电子技术的迅速发展不断进步。
SIMATICS7家族可编程控制器是西门子公司于1995年年底推出的新一代产品,在性能、体积、重量、指令系统、运行速度等方面,较过去的PLC有了全面的提高和充实。
2.2S7-200性能特点
S7-200可编程控制器软硬件设计先进,使用高品质材料和更丰富的性能,硬件体积小、重量轻、安装方便、维护容易,采用固定式结构结合模块式扩展的结构方式,具有很好的经济性和更强的适用性。
S7-200分为二种规格:
CPU214和CPU212,主要技术性能如下:
·八种基本单元和多种扩展单元(开关量、模拟量)
·最大I/O分别可扩展到CPU212:
30点和模拟量8路;CPU214:
64点和模拟量16路
·工作电源范围宽:
直流20.4∽28.8VDC,交流:
85∽264VAC(47∽63HZ)
·工作环境适应性强
·扫描速度:
CPU212为1.3ms/1K和CPU214为0.8ms/1K
·充足容量的用户程序存储器和多功能的数据存储器
·丰富的指令系统:
基本指令、标准指令、运算指令、专用指令、特殊指令
·内部标志位(也称中间继电器或内部线圈)、计时器、技数器数量多并可设定称停电记忆保持
·四则运算和比较功能
·数据转换、数据传送
·8级子程序调用
·高速处理功能:
包括高速计数、中断功能
·内部自诊断功能
·超级大电容用于掉电时保存数据
·禁止修改、写入和读出的3级口令保护
·快速布尔逻辑(继电器逻辑),通用的梯形图逻辑和语句表编程
·编程可使用手持式编程器或装有STEP7micro编程软件的编程器或IBMPC兼容机
·高功能的自由口通信
·可水平安装或垂直安装;采用板式安装或导轨式安装二种方法
·丰富的外围设备,可连接显示器或操作面板等
除此之外,CPU241还具有以下更丰富的功能:
·日历时钟
·更强的高速处理功能:
更多的高速计数输入或中断输入并也可接两相编码器,脉冲输出
·可选用程序存储卡使用户程序复制、传递方便
·可选用锂电池卡,使用寿命长达10年
2.3总技术规格
基本单元
CPU212
CPU214
工作电源
AC工作电压
85~264V:
47~63HZ
DC工作电压
20.4~28.8V
功耗
5~7W
8~11W
工作环境温度
5~55℃(水平安装),0~45℃(垂直安装)
工作环境湿度
5~95%,无凝露
基本单元I/O点数
8点输入/6点输出
14点输入/10点输出
最大扩展能力
2个扩展单元(其中模拟量最多2个)
7个扩展单元(其中模拟量最多4个)
最大I/O点数
可扩展至30点开关量,8路模拟量
可扩展至64点开关量,16路模拟量
扫描速度
1.3ms/1K
0.8ms/1K
用户程序控制器
512句(主机的EEPROM中)
2048句(主机的EEPROM中)
子程序
最多16个(8级嵌套)
最多64个(8级嵌套)
数据存储器
512字
2048字
标志位总数
M0.0~M15.7,128个
M0.0~M31.7,256个
带停电记忆
0~64个可设定
0~128个可设定
计时分辨率
最小1ms
计数器总数
C0~C63,64个,加减计数
C0~C127,128个,加减计数
带停电记忆
0~64个可设定
0~128个可设定
计数范围
0~32767
高速处理功能:
1个输入
12个输入,2个输出
中断输出
1个
最多4个
高速计数器
1个,32位,2KHZ,预制中断
最多3个:
1个2KHZ;2个7KHZ;加减计数器或AB相计数器
脉冲输出
--
最多2个,4KHZ
脉宽调制输出
--
最多2个,占空比自由可调
模拟电位器
1个,8位分辨率
2个,8位分辨率
日历计时器
--
年、月、日、时、分、秒
指令
基本指令、标准指令、运算指令、专用指令、特殊指令
通讯接口
RS-485通讯接口
口令保护
用户程序三中口令保护,1即:
全开放2即:
禁写入3即:
禁读写
编程工具
PG702手持编程器、装有STEP7micro软件的PG720或IBMPC兼容机
尺寸L×H×D(mm)
160×80×62
197×80×62
2.4工作原理
S7-200内部由微处理器、用户程序存储器、数据存储器等和电源、I/O接口电路组成。
微处理器采用循环扫描方式。
完成一次扫描称为一个扫描周期,如图2所示:
图2
第3章OMRON系列PLC的通信协议
3.1OMRON系列PLC的通信系统概况
3.1.1组成
OMRON系列提供下列通信系统
(1)下位连接系统
下位连接系统又称远程I/O系统。
它是以一台可编程控制器为主,通过远程I/O链路把远程I/O单元、远程终端及I/O链接单元互连在一起构成的系统。
它属于PLC控制网络。
(2)同位连接系统把数台可编程控制器通过PC-Link单元互连在一起构成同位连接系统。
因为从通信角度看,每台PLC地位相同,没有主从之分,所以称同位连接系统。
由于PLC之间通过PC-Link单元互连,所以同位连接系统又称PC-Link系统。
它属于PLC控制网络。
(3)上位连接系统
以IBM微型机位上位机,通过Host-Link单元把它与其它作为下位机的PLC互连起来构成的系统称为上位机连接系统。
这个系统包括上位机,所以称为上位机连接系统,而且这个系统是依靠Host-Link单元互连起来的,所以也称为Host-Link系统。
上位连接系统属于一种简单的PLC通信网络。
3.1.2RS-232C的特点:
RS-232C串行通信接口是目前最常用的一种串行接口,即V.24接口,是由EIARS-232C标准所确定的。
RS-232C接口用来连接两个设备。
其中一个设备的发送线与另一设备的接收线相连(全双工)。
为了控制所连接的设备,使用了软件握手(即在传输的数据中插入控制符)。
硬件握手可以通过使用其它RS-232线的状态和控制功能来建立。
3.1.3RS-485通信的特点
RS-485的通信协议是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输线标准。
它支持多点连接,允许创建多达32个节点的网络,并且传输距离可以达到1200m或者在网络中增加另外32个模块。
RS-485标准支持双工通信。
即只需两根线就可以同时进行数据的发送和接收。
3.1.4异步通信的特点
字符帧的传输格式使发送方在字符之间可按应用要求插入长度不同的时间间隔,即每个字符的发送是随机的。
每个字符传输开始总是以一个起始位为准,然后接收方与发送方保持同步。
由于一个字符帧的位数最多只有12位,因此双方之间的时钟频率即便有偏差,也不致因积累造成错位。
等到下一字符的起始位到来,有时双方的同步得以校准。
通常异步通信的误差是很小的
3.1.5自由口通信
PLC的串行口可由梯形图或语句表编程来控制,通信口的这种操作模式称为自由口通信方式,在这种方式下,用户可用程序设置波特率、字符长度、奇偶校验等通信参数和通信协议。
利用接收和发送中断可简化程序对通信的控制,在最简单的情况下,可仅用发送功能把信息传送到打印机和显示器等装置。
此外,通信口还可以连接到条形码读入器等装置。
在任一场合,当处于自由口方式时,必须把与给定装置相一致的通信协议写入PLC。
自由口通信只有PLC在RUN模式才能实现。
当PLC处于自由口方式时,不能够用编程器进行通信。
对自由口方式由几个专用的存储器位:
SMB30被用于定义自由口通信的波特率等参数,接收到每个字符被装入SMB2,如果检测到奇偶错,则SM3.0被置位,当发送结束时SM4.5被置位。
利用专用存储器位SM0.7可控制进入自由口方式,它对应于模式开关的当前位置。
当SM0.7为0,模式开关在TERM位置;当SM0.7为1,则模式开关在RUN位置。
把程序编为只有在RUN方式下允许自由口通信,则可以在开关打到TERM位置使用编程器对PLC进行监视或控制。
利用XMT指令可实现发送,XMT可发送缓冲区一个或多个字符(最多255)。
如果发送结束事件指定的(连接)每个中断程序,则在缓冲区的最后一个字符发完后产生中断。
也可不用中断进行发送(例如:
发送信息到打印机)。
为了支持灵活的协议,接收是在中断控制下完成的,每接收一个字符产生一次中断,接收到的字符放入SMB2。
奇偶校验标志(如果允许)在接收字符事件所指定的中断程序运行前方入SM3.0。
注意:
PC/PPI电缆可用于RS-485转换器,如把这种电缆用于自由口方式通信,应在接收完成后至少等待2个字节的传送时间后再执行发送。
3.2上位连接系统
3.2.1上位连接系统的分类与组成
上位连接系统是以一台微型计算机作上位机,数台可编程控制器作下位机,通过Host-Link单元及串行总线互连而成的监督控制系统。
因为系统中有上位机,而且数据通信都发生在上、下位机之间,所以称为上位机连接系统。
由于上、下位机都使用Host-Link单元互相链接起来,所以上位连接系统也被称为“Host-Link系统”。
在OMRON的PLC网络系列中还把它称为SYSMACWAY。
这是一种主从式总线型工业局域网。
上位连接系统的分类
上位连接系统按通信信道是光缆还是电缆(若是电缆采用RS-232C总线)进行分类。
共分为三类,即光缆上位连接系统、RS-232C总线上位连接系统及RS-422总线上位连接系统。
如果按结构分,可以分为菊花链结构,适配器结构及多级树状结构。
RS-422总线上位连接系统图4.18表示了RS-422总线上位连接系统,它采用是适配器结构,也可以采用菊花链结构,形式与图4.17显示。
RS-422总线的主干线电缆总长不得超过500m,下引分支电缆不得超过10m。
一台上位机最多可连接32个上位链接单元。
在为RS-422总线上位连接系统选择上位连接单元时,应选带有RS-422总线接口的。
选择适配器时应选三个端口均为RS-422接口的适配器。
(4)RS-232C总线上位连接系统
RS-232C总线最远通信距离为15m,因此不宜构成较大的上位连接系统,一般为1:
1结构,点对点通信,即一台上位机经HostLink单元直接与一台PLC相连。
3.2.2通信参数的设置
要使上位机与上位连接单元之间正确交换数据,应当确保:
①波特率一致。
②数据格式一致。
但这还不够。
因为上位连接单元中以按OMRPN的专用新协议配置好了通信程序,而在上位机中却没有这样的通信程序。
因此还应确保:
③在上位机中严格按照OMROM的专用协议编写通信程序,这样PLC才能理解上位机发来的命令帧,而上位机也才能理解PLC发回的响应帧。
响应正在PLC的上位链接单元中自动生成,在PLC中无需用户在编写通信程序。
④用户在上位机中编写通信程序时应当只使用PLC上位链接单元设置的命令级中的命令,否则,PLC的上位链接单元拒绝接收,通信将出错。
3.2.3上位连接系统的通信原理及通信协议
1.上位连接系统的通信原理
上位连接系统是一种主从式总线型工业局域网。
它以上位机作为该工业局域网通信的主站,其它所有连入该网的PLC皆为从站。
主站采用轮询的方式,按一定顺序,逐个与各从站通信,所有数据交换都只在主站与从站之间进行,从站之间没有数据交换。
如果两从站之间必须交换数据,也只能经过主站中转。
当上位采用轮询方式,分配总线使用权,建立起主站预谋依从站的关系后,采用有应答方式进行通信。
向从站发送数据,或者从从站中读取数据都是主站主动以命令帧形式发出。
对于主站发来的命令帧,从站用响应帧应答。
当命令帧很长时要分成几帧发送,图4.22表示了主站与某一从站交换命令帧与响应帧的过程。
在命令帧或响应帧中包含着需要通信的数据,只要能顺利实现命令帧与响应帧的应答,就能使要交换的数据顺利到达对方。
2.上位连接系统的通信协议(OMRON)
OMROM专用协议是3层协议,即物理层、数据链路层及应用层。
因为编写通信程序是基于应用层进行的,因此用户只关心命令帧及响应帧格式,只要用户编写的通信程序发出的命令帧格式完全符合OMRON专用协议,PLC就一定能理解。
对PLC发出的响应帧,用户必须按其格式进行拆装、识别,才能正确分离出交换数据及有用状态信息。
基于上述原因,下面集中介绍命令帧与响应帧格式及主要命令帧与响应帧。
⑴点对点(1:
1)通信系统的命令帧与响应帧格式
命令帧长度小于一帧的格式如图4.23(a)所示,命令帧长度大于一帧的格式如图4.23(b)所示,响应帧长度小于一帧的格式如图4.23(c)所示,响应帧长度大于一帧的格式如图4.23(d)所示。
由于点对点(1:
1)通信只有一台上位机与一台可编程控制器,信道专用,在帧格式中不需要设备号(站号)。
另外信道专用,可靠性相对较高,因此在帧格式中也没有设帧一级的校验段,这样提高通信效率。
这两条也是(1:
1)的命令帧格式与(1:
N)的命令帧格式的主要差别。
(2)多点(1:
N)通信系统
在多点(1:
N)通信系统,命令帧、响应帧小于一帧的格式如图4.24(a)所示,命令帧、响应帧大于一帧的格式如图4.24(b)所示。
对于多点通信,信道功用,这是一种主从式总线。
主站依靠对各从站的寻址来建立通信,因此在命令帧中必须要有主站所寻找目标的地址(设备号),而在响应帧中也必须带上同一设备号,以告诉主站已与哪个从站建立了通信。
另外在帧中设置了FCS校验段,这正是针对多点链路可靠性相对较低而设置的。
通过差错校验以提高信道的可靠性。
3.2.4FCS校验码的产生规则与校验规则
OMRON可编程控制器帧一级校验码为异或码,其产生规则如下:
发送方把所有待发送的ASCII码字符(包括第8位的奇偶校验位),按位作异或运算,被校验段所有字符从头到尾进行异或,把结果作为FCS校验码发出。
其校验规则为:
接收方把接收到的所有ASCII字符与接收到的校验码按位作异或运算,从头直到FCS,若异或结果为0,则表明传送正确没有差错,否则,表明传送发生错误,下面举例说明。
例:
求命令帧@10RH00310001FCS*↘的校验码。
被校验数
设(1=00110001)表示1的ASCII码。
奇校验。
发送方:
(@=01000000)(1=00110001)=01110001
01110001(0=10110000)=11000001
11000001(R=01010010)=10010011
10010011(H=11001000)=01011011
01011011(0=10110000)=11101011
11101011(0=10110000)=01011011
01011011(3=10110011)=11101000
11101000(1=00110001)=11011001
11011001(0=10110000)=01101001
01101001(0=10110000)=11011001
11011001(0=10110000)=01101001
01101001(1=00110001)=01011000
FCS校验码
接收方:
若接收到的字符串与发送的完全一样,即@10RH00310001,则它的异或码也应当为01011000,接收到发送方发来的FCS=01011000,它们再作一次异或运算即010110001011000=00000000。
接受方按校验规则求得结果为0,表明传送正确。
响应码的含义
可编程控制器受到上位机发来的命令帧后,经上位链接单元处理后返回一个响应帧,在响应帧中含有响应码。
若PLC正确执行了上位机下达的命令,则响应码为00;若发生了错误,响应码为非0。
报头及命令级
报头由两个英文字母组成,它表示通信命令,共有43条命令。
命令分为1机、2机、3机。
其中1级命令37条,2级命令4条,3级命令2条。
PLC由三种运行方式,即运行方式、监控方式及编程方式。
第四章监控系统软件的设计
4.1上位机软件
4.1.1上位机软件概述
上位机采用VB语言进行编程,程序按照功能分为初始化程序,状态采集程序,状态控制子程序,状态显示子程序,故障处理子程序。
在滤罐监控系统群控子程序中,系统采用统一调配。
所有的外呼信号指令由PC机根据当时滤罐群的运行情况,再分配到滤罐群中的各台滤罐的PLC中去。
程序根据外呼信号调节控制方式,适应最常见的条件,从而保证滤罐群正确,高效地运行。
在显示子程序中,设置了界面实时显示滤罐的运行状态及外呼信号的分布情况,为了动态地显示出各台滤罐的启动、运行、停止等动作。
在主窗口上制作出模拟管道,阀门及滤罐的画面,根据从PLC上采集的状态参数,在界面上显示相应的位置和运动方向,从而形成滤罐运行的动画效果。
在模拟的水管阀门上添加模拟电动机的正反转。
当实际阀门开关时,模拟的阀门也作相应的开关阀动作。
对于内外呼信号在主界面底端显示。
在故障处理子程序中,设置各联锁、互锁的基本条件。
PLC软件的设计
PLC的梯形图按照其功能模块有:
呼叫信号模块,滤罐运行显示模块,正洗程序模块,反洗程序模块,水管阀开关互锁、联锁模块和故障处理模块。
4.1.2VB6.0可视化编程软件及其通信控件MSCOMM
S7-200系列PLC本机带有一个或两个(S7-216)485物理接口,此485口具有3种通讯协议:
PPI;自由通讯协议;PROFIBUS协议(仅215有)。
PPI协议主要是用来编程、PPI组网、HMI接口等。
而自由协议则可以由用户定义通讯协议,将CPU与任意通讯协议公开的设备联网,如上位计算机、打印机、变频器等。
所谓自由协议,用户可以通过设置特殊寄存器SMB30的参数改变485口的波特率、数据格式(数据位数、停止位、校验),以适应不同的通讯协议。
214具有1个RS-485通讯口,可以与1个不同外设连接。
编程步骤:
1.首先设置通讯口,既设置SMB30;
2.根据外设的协议决定通讯协议;
3.与通讯有关的指令及中断
指令简单,例如XMT99,0既可以完成最多255个字节(字节数由VB99内设置的数决定)的发送;而接收则要由中断程序完成,每收到一个字节的数据则产生一次中断,接受到的数据保存在接收缓存器(SMB2)内,中断服务程序内您必须立即处理此数据,因为下一个接收的字节也要放在SMB2中,也就是说接收缓存器的大小只有一个字节。
自己开发通信软件的必要性:
-----过去,通信软件对于一般的应用软件开发人员来说是比较困难的。
而现在这件事已经变得容易多了。
本文介绍如何利用VB6.0和MSCOMM控件开发通信软件。
----要想自己开发通信软件,除了要掌握VB6.0的基本编程语言以外,还需知道一些微机通信的基本原理。
如有关串行端口器的基本知识等。
三MSCOMM控件的属性及事件
----VB6.0所带的通信控件MSCOMM易学易用。
它只有30个属性和事件。
可以从VB6.0的联机帮助中找到它的全部资料。
本文简述它的主要属性及事件,并加已归类整理。
以下用MSCOMM1表示在窗体上设置的一个MSCOMM控件的名称
----
(一)通信参数设置
----
(1)CommPort属性
----语法:
MSCOMM1.CommPort[=Value]
----作用:
设置或返回联接MODEM的串口的编号。
----值:
用1,2,...表示串口COM1,COM2....
----
(2)Settings属性
----语法:
MSCOMM1.Settings[=Value]
----作用:
设置或返回通信参数。
----值:
String型。
例入用"9600,N,8,1"表示传输速率为19200bps,没有奇偶校验位,8位数据位,1位停止位。
----(3)Handshaking属性
----语法:
MSCOMM1.Handshaking[=Value]
----作用与值:
设置或返回硬件握手协议。
指的是PC机MODEM之间为了控制流速而约定的内部协议。
----
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