組態(tài)控制課程設計---恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)

1、<p>　　組態(tài)控制課程設計報告</p><p>　　學年學期 </p><p>　　?！　I(yè) 自動化 </p><p>　　學　　號　 </p><p>　　授課班號 </p>

2、<p>　　學生姓名 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　需求分析</b></p><p><b>　　系統(tǒng)功能</b></p><p>　　設計一個恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)，要求通過上位機

3、和PLC進行Modbus RTU通訊，水箱的水位傳感器和大樓供水管道的壓力傳感器將實時的水位數據和壓力數據傳回上位機，上位機根據傳回的數據與下位機PLC進行Modbus RTU方式通信，將控制信息發(fā)到PLC下位機，對PLC的繼電器進行寫入，PLC通過控制電磁閥、逆止閥的開啟、關斷和離心泵的啟動、停止將水箱水位控制在1～9米。</p><p><b>　　系統(tǒng)組成</b></p>

4、<p><b>　　系統(tǒng)設備：</b></p><p>　?。?）PLC：具備Modbus RTU通信功能，能夠與基于MCGS組態(tài)軟件的上位機進行Modbus通信；</p><p>　?。?）離心式水泵1#～3#，由PLC控制；</p><p>　　（3）逆止閥1#～3#，由PLC控制；</p><p>　　

5、（4）電磁閥，由PLC控制；</p><p>　?。?）壓力傳感器，4～20mA輸出，壓力范圍0～150；</p><p>　?。?）水位傳感器，4～20mA輸出，水位范圍0～10米。</p><p><b>　　三、控制要求</b></p><p>　　1、Po設定壓力，Px為實測壓力，控制策略如下</p>

6、<p>　　2、水池中水位控制在1～9米，如果超過9米則關閉電磁閥，否則打開電磁閥。</p><p>　　3、PLC與監(jiān)控主機實現Modbus互聯。</p><p><b>　　第二章 系統(tǒng)設計</b></p><p>　　一、PLC、傳感器模擬</p><p>　　由于缺少PLC實體設備，因此PLC下位機

7、只能通過軟件模擬實現，模擬軟件為具有Modbus通訊功能的軟件Modbus Slave，PLC的繼電器相當于Modbus Slave軟件的COIL STATUS，是一個開關量，只有0和1兩種狀態(tài)，MCGS上位機可以對COIL STATUS進行讀、寫操作。</p><p>　　圖1. COIL STATUS，相當于PLC的繼電器</p><p>　　同樣傳感器也要用該軟件進行模擬，傳感器向上

8、位機發(fā)送的數據存放在Modbus Slave軟件的HOLDING REGISTER中，MCGS上位機對該寄存器進行只讀操作，上位機讀取數據以后根據控制要求對COIL STATUS進行寫入操作，相當于控制PLC繼電器的開啟和關斷，達到控制泵、閥的目的。</p><p>　　圖2. HOLDING REGISTER，存儲傳感器的讀取值，手動輸入</p><p>　　MCGS6.2通用版簡介&l

9、t;/p><p>　　MCGS是一套用于在計算機上快速構造和生成一套監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。MCGS通過對現場數據進行采集并處理，以一定的動畫，現場流程模擬和數據輸出等方式向用戶實時的反應工程中的生產現象，由于節(jié)省了很多人力資源，所以MCGS在工業(yè)自動化領域有著很廣泛的應用。</p><p>　　MCGS的主要特性和功能如下：</p><p>　　1.組態(tài)后的操作界面具有可

10、視化的特點。組態(tài)軟件運用全中文，能夠看見并且是面向窗口的，這一點符合我們大多數人的使用習慣。組態(tài)過程中的最小單位是窗口，以這些窗口為單位搭建界面，所以說MCGS的組態(tài)過程很簡單，而且在組態(tài)過程中也很靈活。用戶可以使用軟件內部的構件，也可以自己創(chuàng)建需要的構件，這樣就使得組態(tài)軟件的拓展性很強，不拘泥與系統(tǒng)本身提供的架構。</p><p>　　2.組態(tài)完成后能實時反映系統(tǒng)的數據，并且具有并行處理的優(yōu)異性能。組態(tài)軟件基于

11、計算機操作系統(tǒng)，充分的利用了計算機的資源，使得本身在運行和處理數據時不僅實時性好而且對一些系統(tǒng)不同的關鍵任務能進行分時處理，提高了系統(tǒng)的精確度，由于其在計算機上運行良好，使得工業(yè)控制計算機也被大量的引進到工業(yè)領域。另外組態(tài)軟件還能和計算機連接更多的外部設備，例如打印機等，這樣就可以對系統(tǒng)工作過程中的數據形成圖紙文件。</p><p>　　3.組態(tài)軟件擁有豐富的構件，具有搭建生動動畫界面的特點。組態(tài)軟件再為工作人員

12、提供數據的時候是通過圖形、圖表、文檔、曲線的形式，所有這些都有助于工作人員對工程概況實時監(jiān)測。而且組態(tài)軟件還能通過一些動畫演示的手段來增強這種逼真的效果，使得更加接近現場控制。組態(tài)軟件還能夠制作多媒體，這樣就使得工程畫面更加逼真。</p><p>　　4.組態(tài)軟件擁有功能強大的網絡。組態(tài)軟件支持現行的通信協(xié)議，組態(tài)軟件之間可以方便的通過計算機進行通信，構成分布式的網絡監(jiān)控。</p><p>

13、;　　MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。用戶所有的配置過程都是在組態(tài)環(huán)境中進行的，用戶環(huán)境提供了一套完整的工具軟件，用戶可以根據自己的設計需要構造自己的應用系統(tǒng)。用戶組態(tài)完成后生成的結果是一個數據庫文件，稱為組態(tài)結果數據庫。運行環(huán)境自身沒有什么意義，簡單說只是一些構件的組合，其運行需要依賴組態(tài)結果數據庫，兩者相結合才能構成用戶的應用系統(tǒng)。</p><p>　　組態(tài)結果生成的數據庫完成了組態(tài)系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境

14、向運行環(huán)境的過渡，兩者的關系如圖3所示。</p><p>　　圖3.組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境的關系</p><p>　　MCGS生成的用戶應用系統(tǒng)，其結構由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五個部分構成。窗口簡單的說相當于一個容器，供用戶使用。在該窗口內用戶可以根據自己的需要放置相應的構件或者創(chuàng)建自己需要的對象，并對這些對象或者構件進行不同的屬性編輯和參數設置完成需要的功能。&l

15、t;/p><p>　　三、RS-232近程通訊總線</p><p>　　串行通信接口標準經過使用和發(fā)展，目前已經有幾種。但都是在RS-232C標準的基礎上經過改進而形成的。RS-323C標準是美國EIA(電子工業(yè)聯合會)與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數據傳輸速率在0～20000b/s范圍內的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)

16、定。由于通行設備廠商都生產與RS-232制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。</p><p>　　RS-232標準最初是遠程通信連接數據終端設備DTE(Data Terminal Equipment)與數據通信設備DCE（Data Communication Equipment)而制定的。因此這個標準的制定，并未考慮計算機系統(tǒng)的應用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計算機（更準

17、確的說，是計算機接口）與終端或外設之間的近端連接標準。顯然，這個標準的有些規(guī)定及和計算機系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232C標準與計算機不兼容的地方就不難理解了</p><p>　　RS-232標準中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場上，而不是站在DCE的立場來定義的。由于在計算機系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收

18、。 </p><p><b>　　1.電氣特性：</b></p><p>　　在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V；邏輯0(SPACE)=+3～＋15V。</p><p>　　在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：</p><p>　　信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V

19、；</p><p>　　信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）=-3V～-15V； </p><p>　　對于數據（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平告語+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義

20、，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在±(3～15)V之間。</p><p><b>　　2.DB-9連接器</b></p><p>　　在AT機及以后，不支持20mA電流環(huán)接口，使用DB-9連接器，作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。DB-25型連接器的引

21、腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設備連接，必須使用專門的電纜線。</p><p>　　RS-232是異步通訊中最廣泛的標準總線，適用于數據中端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之間的接口。在微機通訊中，通常使用 的RS-232接口信號是九根引腳。</p><p>　　如圖：各引腳功能如下：</p><p>　　1D

22、CD 輸入載波檢測</p><p>　　2RXD 輸入接收數據</p><p>　　3TXD 輸出發(fā)送數據</p><p>　　4DTR 輸出數據終端就緒</p><p>　　5GND 信號地</p><p>　　6DSR

23、 輸入數據裝置就緒</p><p>　　7RTS 輸出請求發(fā)送</p><p>　　8CTS 輸入清除發(fā)送</p><p>　　9RI 輸入振鈴指示</p><p>　　用RS-232總線連接系統(tǒng)是，有近程通訊方式和遠程通訊方式兩種，近程通訊是指傳輸距離小于15米的通訊，可以用R

24、S-232 電纜直接連接。15米以上的長距離通訊，需要采用調制調解器。</p><p>　　當計算機與終端之間利用RS-232作近程連接時，有幾根線實現交換連接。</p><p>　　本次課程設計上位機和下位機均由軟件模擬，所以需要兩個USB接口進行互聯，而Modbus設備支持RS232接口，所以USB接口和USB接口用RS-232連接的交叉圖如下，圖中“發(fā)送數據”與“接收數據”是交叉相

25、連的，是得上位機和下位機都能正常的發(fā)送和接收。</p><p>　　發(fā)送數據(Transmitted data-TxD)——通過TxD終端將串行數據發(fā)送到MODEM，(DTE→DCE)。 </p><p>　　接收數據(Received data-RxD)——通過RxD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數據，(DCE→DTE)。</p><p>　　四、MCGS

26、對MODBUS的支持</p><p>　　MCGS已經支持標準Modbus ASCII、Modbus RTU、ModBus TCP協(xié)議。凡使用標準Modbus協(xié)議的設備，包括PLC、變頻器、發(fā)電機等登，MCGS均可與之建立通訊并進行數據傳輸。</p><p>　　使用Modbus驅動之前，應該仔細查閱Modbus設備的相關技術手冊，并且確保設備可以和上位機建立連接并正常通訊；可以使用Mod

27、bus Poll來模擬Modbus Master和設備通訊，檢查通訊是否正常。</p><p>　　Modbus驅動把Modbus設備的通道分為只讀，只寫，讀寫三種情況，只讀用于把設備中的數據讀入到MCGS的實時數據庫中，只寫通道用于把MCGS實時數據庫中的數據寫入到設備中，讀寫通道則可以從設備中讀數據，也可以向設備中寫數據。</p><p>　　用戶根據實際情況，進行工程組態(tài)時，可以將所

28、需要的Modbus設備的寄存器添加為通道，在組態(tài)之中進行操作。</p><p>　　注意：驅動中的地址和實際下發(fā)的地址相差1，即選擇地址1，則下發(fā)的命令是0。</p><p>　　Modbus驅動支持的數據類型</p><p><b>　　通訊狀態(tài)：</b></p><p><b>　　第三章 詳細設計<

29、/b></p><p>　　一、MCGS上位機設計</p><p><b>　　1、主控窗口</b></p><p>　　工業(yè)控制中工程工作的總體構架，以及菜單命令、運行的流程顯示、系統(tǒng)的特征參數和啟動停止等控制命令存放于主控窗口中，所以說主控窗口是存放工業(yè)控制過程參數的窗口。本次課程設計的主控窗口包括：系統(tǒng)管理、數據瀏覽、用戶管理、關于

30、系統(tǒng)四項。如圖4所示。</p><p><b>　　圖4.主控窗口菜單</b></p><p><b>　　2、實時數據庫</b></p><p>　　實時數據庫最主要的特征就在于它的實時性，用戶在對數據完成相應的設置后經過組態(tài)軟件內部管理到數據庫里。實時數據庫采集來自外部設備的實時數據，系統(tǒng)其它部分操作的數據也來自于實時

31、數據庫。實時數據庫自發(fā)的完成對實時數據的處理，包括相應的報警處理和存盤處理等。因此，實時數據庫這時所存儲的單元，不僅僅包括變量的數值，還包括變量的特征參數以及變量的操作屬性。我們將這種把數值、方法、屬性等封裝在一起的數據稱為數據對象。實時數據庫采用類似C++的面向對象的技術，為其它部分提供相應的服務，實現了系統(tǒng)內部各個功能構件數據的實時共享。實時數據庫如圖5所示。</p><p><b>　　圖5.實時

32、數據庫</b></p><p>　　3、設備窗口（MCGS組態(tài)軟件與PLC通信連接）</p><p>　　上位機與下位機密切配合，并保持控制對象一致。上位機和下位機的連接主要通過MCGS下設備窗口的設置，本設計選用通用串口父設備。如圖6所示。</p><p>　　圖6. 通訊連接設備選擇</p><p>　　在“通用串口通訊設備”

33、中如下設置：設備設置為“串口通訊父設備”“標準Modbus RTU設備”，注意在“串口通訊父設備”中設置好串口號（以與PLC的實際連接口來設置），通訊波特率為6-9600，數據位位數為1-8位，停止位位數為0-1位，數據校驗方式為2-偶校驗，數據采集方式為1-異步采集。如圖7所示。</p><p>　　圖7.通用串口父設備屬性</p><p>　　在“標準Modbus RTU設備”下可設置

34、基本屬性。如圖8所示。</p><p>　　圖8. 標準Modbus RTU設備基本設置</p><p>　　“標準Modbus RTU設備”通道連接設置。如圖9所示。</p><p>　　圖9.標準Modbus RTU設備通道連接設置</p><p>　　上位機與下位機連接測試，當“通道值”第一行為0時表示連接正常。如圖10所示。</

35、p><p><b>　　圖10.設備調試</b></p><p><b>　　4、用戶窗口</b></p><p>　　本次課程設計共有四個用戶窗口分別為：恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)、報警數據、實時數據、關于系統(tǒng)。如圖11所示。</p><p><b>　　圖11.用戶窗口</b><

36、;/p><p>　　圖11.恒壓供水自動監(jiān)控系統(tǒng)</p><p><b>　　圖12.報警數據</b></p><p>　　圖12.實時數據顯示</p><p><b>　　二、下位機設置</b></p><p>　　本次課程設計采用Modbus Slave作為下位機，下位機具體

37、設置如下圖所示。</p><p>　　圖13.Modbus Slave連接設置</p><p>　　圖13.Modbus Slave的COIL STATUS與HOLDING REGISTER窗口</p><p><b>　　第四章 運行調試</b></p><p><b>　　一、調試結果</b>&

38、lt;/p><p>　　實現了從下位機輸入數據然后由上位機讀取，并按照控制要求對寄存器進行寫入。主控畫面的動畫顯示全部正常。閥、水泵的開啟與關閉均符合要求。</p><p>　　圖14.數據輸入窗口</p><p>　　圖15.實時數據顯示窗口</p><p>　　圖16.繼電器的寫入數據</p><p><b>

39、;　　二、心得體會</b></p><p>　　1、設備連接花了很長時間，始終出現這樣或那樣的錯誤，上位機對下位機進行讀寫時始終都是無返回值。最后才發(fā)現是串口父設備的采集時間和PLC設備的采集時間不同導致的。另外，在設備調試時上位機對下位機的數據無法進行讀取，主要是由于上位機讀取數據時需要讀寄存器和線圈，所以只建一個窗口無法滿足要求，只得再多建立一個窗口，一個設置為線圈窗口，另一個設置為寄存器窗口，這

40、樣就能避免沖突。</p><p>　　2、先要理解系統(tǒng)的真實意圖，要設計的系統(tǒng)是從下位機往上位機發(fā)送數據，然后上位機根據策略對線圈進行讀寫，這些發(fā)上去的數據就相當于傳感器檢測到的數據，并不是上位機模擬水位和壓力的變化來對下位機進行控制。開始的時候考慮錯了，用上位機對數據進行模擬，寫下位機，結果走了一大圈彎路。</p><p>　　3、組態(tài)軟件構建系統(tǒng)的確比普通的軟件快，大大提高了系統(tǒng)大開發(fā)