毕业设计基于PLC的生产流水线监控系统设计

摘要
随着当今社会科学技术的日新月异，各类物料输送的生产线对自动化程度的要求也越来越高，原有的生产送料装置，已远远不能满足当前高度自动化的需要。

保障生产的安全性、可靠性、降低生产成本、减少环境污染、减轻劳动强度、提高产品的质量及经济效益，是企业生存和发展所必须面临和解决的现实问题。

本课题是研究通过PLC系统来控制生产线，监控组态来模拟监控界面，实现生产的自动化，可视化。

本课题首先设计PLC控制系统，根据要求实现的功能分配IO口，接线，然后编制通过V4.0 step 7软件进行梯形图的编辑、运行，并把现场的小车运行状况实时传送给上位机，上位机采用力控组态软件进行监控。

监控组态是通过力控ForceContro7.0软件进行监控界面的编辑、运行。

首先设计监控界面，设置通信参数和IO口，使得上下位机能够可靠通信。

上位机监控系统主要通过按钮控制完成电机正反转，电动机正反转灯的显示，传送带的正反转，电动机的正反转控制小车的前进与后退及各种指示工位灯的颜色变化控制等功能。

将各个部件的动作脚本编辑程序，实现了生产流水线的小车运行状态监控。

关键词：PLC；监控组态；状态监控；力控
Abstract
This topic is the study of the PLC system to control production lines, monitoring configuration to simulate the monitoring interface, production automation, visualization.
Monitoring configuration is controlled through the power of software to monitor interface ForceControl7.0 edit, run. Power Control Power Control 6.0 ForceControl7.0 in adhering to proven technology, based on the historical database, HMI, I / O driver scheduling and other major core improvements were significantly improved with redesigned one of the core components.
Through PLC software ladder editor, run. editing software for Siemens series of industrial products including SIMATIC S7, and -based programming, monitoring and parameter setting, SIMATIC industrial software is an important part. has the following features: hardware configuration and parameter setting, communication configuration, programming, testing, start-up and maintenance, document filing, operation and diagnostics functions. have all the features extensive online help, use the mouse to open or select an object, press F1 to get help for the object.With the rapid changes in science and technology in society today, various types of material handling automation production line of the increasingly high demand, the original production of feeding device, can not meet the current needs of a high degree of automation. Protect the production of security, reliability, lower production costs, reduce environmental pollution, reduce labor intensity and improve product quality and economic benefits, is the enterprise survival and development must face and solve reality.
Keys word：PLC；configuration；step；Forcecontrol
目录
摘要 (I)
Abstract ............................................................................................................................. I I
1绪论 (1)
1.1设计的意义和目的 (1)
1.2课题的发展状况 (1)
1.3课题需要完成的主要任务 (2)
2 PLC的控制系统设计 (3)
2.1总体结构图 (3)
2.2 PLC软件概述 (3)
3力控组态监控设计 (5)
3.1力控软件的总体介绍 (5)
3.1.1 力控的介绍 (5)
3.1.2力控的产品发展史 (6)
3.1.3数据文件及应用目录说明 (6)
3.1.4力控软件的安装 (6)
3.1.5力控软件的基本结构 (8)
3.2工程管理器 (9)
3.2.1工程管理器的建立 (9)
3.2.2建立工程组态画面 (12)
3.3 I/O设备 (14)
3.3.1I/O设备的介绍 (14)
3.3.2I/O设备的步骤 (14)
3.4 组态动画 (16)
3.4.1组态动画的组建 (16)
3.4.2力控的对象类型 (17)
3.4.3动画连接的类型 (17)
3.4.4动画连接的使用 (18)
3.4.5设置变量 (20)
4系统运行测试 (21)
4.1正转运行 (21)
4.2反转运行 (27)
4.3移位运行 (28)
4.4单周期运行 (29)
4.5复位运行 (36)
总结 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录 (41)
1绪论
1.1设计的意义和目的
基于PLC控制生产流水线可以减少人员的数量，操作简单，省时省力。

减少运行成本，实现利益的最大化，使企业发展的更顺利。

设计的主要目的是:
(1)培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，扩展和深化学生的知识。

(2)培养学生树立正确的设计思路，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。

(3)培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料。

国家标准的手册，图册工具书进行设计的编程，开发等方面的工作能力
(4)培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员的基本工作态度，工作作风和工作方法。

(5)了解传送带系统的工作原理，控制方法和控制要求。

(6)确定上位机监控系统的控制方案，并说明下位机数据交换的内容及接收和发送数据的编址情况。

(7)使用组态软件编制上位机监控系统界面；建立实时数据库，设定相应的报警参数等；选择通讯协议，进行数据连接，数值标定和相应的编程；编制程序实现对小车与传送带系统的监视控制。

(8)利用I/O设备驱动实现上位机监控系统对下位机的监控。

1.2课题的发展状况
长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。

同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。

国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、A-B、OMRON、三菱、GE的产品。

经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说PLC 在我国尚未形成制造产业化。

在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。

专家估计，2000年PLC的国内市场销量为15(20万套（其中进口占90%左右），约25(35亿元人民币，年增长率约为12%。

预计到2005年全国PLC需求量将达到25万套左右，约35(45亿元人民币。

PLC市场也反映了全世界制造业的状况，2000后大幅度下滑。

但是，按照Automation Research Corp的预测，尽管全球经济下滑，PLC市场将会复苏，估计全球PLC市场在2000年为76亿美元，到2005年底将回到76亿美元，并继续略微增长。

微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。

在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。

但在最近几年，微型PLC（小于32 I/O）已经出现，价格只有几百欧元。

随着软PLC（Soft PLC）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和PC-based控制的市场份额将逐步得到增长。

当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，PLC也不例外。

现在越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口。

可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。

1.3课题需要完成的主要任务
1）传送带监控系统中，下位机采用可编程序控制器（PLC），上位监控机采用力控组态监控软件设计。

2）传送带共有10个工位。

工件从1号位装入，依次经过2号位、3号位……10号工位。

小车的前进后退是通过电动机的正反转来控制。

在这个过程中，当小车到达最后端后，能够自动的返回。

3）按下启动开关，在任意状态下选择复位按钮程序都返回到初始状态。

4）选择移位按钮，每按动一次，完成一次操作；在这个过程中，当小车到达最后端后，能够自动的返回。

5)选择单周期按钮，顺序执行完一周后自动停止。

当小车到达最后端后，能够自动的停止。

6）采用组态软件设计监控界面，要求监控界面能显示电机的正反转状态，小车的前进，后退中到达各个工位时，要求有指示灯指示。

小车通过后，要求指示灯灭。

7）上位监控机对传送带，对下位机的运行参数能够设定和调整。

8）要求系统操作简单，使用方便，满足用户要求。

9）课程设计报告书写规范、文字通顺、图表清晰、数据完整、结论明确。

2 PLC的控制系统设计
2.1总体结构图
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 及其有关的外围设备，都按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

PLC 具有可靠性高、功能强和编程简单等优点，如同一部计算机与继电器控制设备相结合的高性能控制装置。

PLC 就物理结构来看，有丰富的输入和输出端；从PLC 的逻辑结构来看，内部有许多软元件，如输入继电器、输出继电器、状态组件、定时器、计数器和数据寄存器及器件对应的常开、常闭接点，方便对车辆进出、停放、计时、装卸料信号的输入和数量、位置的显示。

PLC 的编程方式，有梯形图编程、指令表编程和顺序功能图编程3 种，特别是梯形图编程，直观易懂，除了运用基本指令可以完成大量工作外，功能指令的扩展更为系统开发、调试和维护带来方便。

本文以梯形图编程方式，设计自动送料车控制系统，无论从设计到功能分析，都是极为方便的。

PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成。

PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

2.2 PLC软件概述
本系统8个单元各自配有自己的SIEMENS S7-200 PLC 可编程序控制器作为单元控制器，每个单元还配有独立的操作按钮：启动；单运行；系统复位。

S7-200系列属于整体式小型PLC,用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统，将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型机壳内，CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。

EM277 PROFIBUS-DP从站模块用于将S7-200 CPU连接到PROFIBUS-DP网络。

通信速率为9600～12Mbps。

STEP 7-Micro/Win32是专门为S7-200设计的，在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，CPU通过PC/PPI电缆或插
在计算机中的CP5611等通信卡与计算机通信。

目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、 CPU224和CPU226。

西门子S7-200系列CPU外形与结构设计如下图2-1所示：
图2-1 CPU外形与结构设计
PLC虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无键按下，则继续扫描等待。

PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。

当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。

然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。

实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。

如图2-2所示。

图2-2 PLC工作方式
3力控组态监控设计
3.1力控软件的总体介绍
3.1.1 力控的介绍
力控是北京三维力控科技有限公司“管控一体化解决之道”产品线的总称，由监控组态软件、“软”控制策略软件、实时数据库及其管理系统、Web门户工具等产品组成。

这些产品不是孤立的，力控是一个应用规模可以自由伸缩的体系结构，整个力控系统及其各个产品都是由一些组件程序按照一定的方式组合而成的。

因此本指南没有专门针对具体的产品分别介绍使用方法，而是介绍所有产品的共同使用方法。

力控ForceControl V7.0 系列监控组态软件是力控科技面向未来发展而设计的监控组态软件，是力控科技将其在数十年期间积累的工业自动化经验与前沿IT 技术相结合的产品。

力控监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。

在力控中，实时数据库RTDB是全部产品数据的核心，分布式网络应用是力控的最大特点。

在力控中，所有应用（例如趋势、报警等）对远程数据的引用方法都和引用本地数据完全相同，这是力控分布式特点的主要表现。

图3-1力控分布式特点总图
3.1.2力控的产品发展史
1994年12月，基于16位Windows平台（以Windows3.1为代表）的力控®版本形成。

1996年09月，基于32位Windows平台（以Windows95为代表）的力控®1.0形成。

并注册了力控商标，成为国内率先拥有自主知识产权的自动化软件品牌。

1999年06月，力控®1.2版本推出，在石油、石化等行业广泛应用。

2000年10月，力控®升级为2.0版本正式推向市场
2000年06月，被国家五部委确定为国家重点新产品
2001年06月，正式推出基于PC的控制策略生成器
2001年08月，《监控组态软件及其应用》一书正式出版
2001年12月，力控®英文版forcecontrol正式推出
2002年03月，力控®2.6版本正式推向市场
2004年10月，力控®3.6版本获科技部中小企业基金扶持项目立项
3.1.3数据文件及应用目录说明
应用路径\doc，存放画面组态数据。

应用路径\logic，存放控制策略组态数据。

应用路径\http，存放要在Web上发布的画面及有关数据。

应用路径\sql，存放组态的SQL连接信息。

应用路径\recipe，存放配方组态数据。

应用路径\sys，存放所有脚本动作、中间变量、系统配置信息。

应用路径\db，存放数据库组态信息，包括点名列表、报警和趋势的组态信息、数据连接信息等。

应用路径\menu，存放自定义菜单组态数据。

应用路径\bmp，存放应用中使用的.bmp、.jpg、.gif等图片。

应用路径\db\dat，存放历史数据文件。

3.1.4力控软件的安装
在安装过程中首先出现如下图3-2安装图片
图3-2安装图片
1)安装指南
帮助您安装和使用力控组态软件。

2)安装力控ForceControl V7.0
进行力控组态软件的安装，包括B/S 和C/S 网络功能，具体由硬件加密锁来区分。

3)安装I/O 驱动程序
力控I/O 驱动的选择性的安装。

4)安装图库
安装力控标准图库的扩展安装包。

5)安装扩展程序
进行力控组态软件中的ODBCRouter、CommBridge、CommServer、OPCServer、DBCOM 的例程、控制策略等功能组件的安装。

6)安装加密锁驱动
在使用USB 加密锁时需要安装此驱动。

7)安装使用注意事项
(1)安装、运行力控ForceControl V7.0 时请以管理员权限登陆操作系统。

(2)Web 客户端浏览ForceControl V7.0 工程时请以管理员身份运行IE。

(3)安装力控ForceControl V7.0 的操作系统须安装.NET Framework 4.0 以上版本。

(4)运行力控ForceControl V7.0 制作的工程时, 须防止操作系统进入待机或者休眠
3.1.5力控软件的基本结构
力控监控组态软件基本的程序及组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序以及各种数据服务及扩展组件等。

其中实时数据库是系统的核心。

它们可以构成如下的网络系统3-3图：
图3-3网络系统图片
力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。

力控监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。

主要的各种组件说明见下：
1）工程管理器（Project Manager）
工程管理器用于创建工程、工程管理等用于创建、删除、备份、恢复、选择当前工
程等。

2）开发系统（Draw）
开发系统是一个集成环境，可以创建工程画面，配置各种系统参数、脚本、动画、启动力控其它程序组件等功能。

3）界面运行系统（View）
界面运行系统用来运行由开发系统创建的画面，脚本、动画连接等工程，操作人员通过它来完成实时监控。

4）实时数据库（DB）
实时数据库是力控软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础。

它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。

5）I/O驱动程序（I/O SERVER）
I/O驱动程序负责力控与控制设备的通信。

它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控的实时数据库，然后在界面运行系统的画面上动态显示。

6）网络通信程序（NetClient/NetServer）
网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络结点上力控之间的数据通信，可以实现力控软件的高效率通信。

7）Web服务器程序（Web Server）
Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准浏览器实时监控现场生产过程。

3.2工程管理器
对于力控监控组态软件，每一个实际的应用案例都可称作工程。

工程包含数据库、I/O设备、人机界面、网络应用等组态信息和运行数据。

力控监控组态软件工程管理器实现了对多个力控监控组态软件工程的集中管理，进入力控的开发版需要将工程添加到工程管理器下，由工程管理器进行集中管理。

3.2.1工程管理器的建立
在建立一个新工程时，首先通过力控的“工程管理器”指定工程的名称和工作的路径，不同的工程一定要放在不同的路径下。

开始→所有程序→力控ForceControl V7.0 →力控ForceControl V7.0，启动力控的“工程管理器”，如图3-4 所示：
图3-4 工程管理器
窗口从上至下包括：菜单栏、工具栏、工程列表显示区、属性页标签等部分。

单击属性页标签上的工程管理、工具列表、网络中心三个选项可以在三个属性页窗口之间进行切换。

1）新建
新添加一个工程应用。

点击工具栏上的新建按钮，出现对话框如图3-5所示：
图3-5 工程管理器新建工程图
改变项目类型为“生产流水线监控界面”和生成途径，如下图3-6所示：
图3-6生产流水线监控界面
(1)项目类型：包括新建工程和模版工程。

新建工程是未经过任何理的空白工程，需要用户自己从头开发。

模版工程已经对工程做了相应的优化，用户可以引用模板工程生成新的工程，在新生成的工程上进行修改、添加后得到自己的工程，从而缩短开发工期。

(2)项目名称：新建的工程的名称。

(3) 生成路径：新建工程的路径，默认路径为：C:\Program
Files\ForceControlV7.0\Project，可以修改。

(4) 描述信息：对新建工程的描述文字。

2）删除：将已存在的工程应用从工程管理器上移除。

3）运行：点击运行按钮，进入选中工程的运行环境。

4）开发：点击开发按钮，进入选中工程的开发环境Draw。

5）搜索：工程搜索是查找已有的工程应用，将其添加到工程管理器下。

6）备份：在菜单上点击“备份”按钮，可将力控工程备份成PCZ 格式的压缩文件，备份文件可以随意拷贝移动，任何的力控ForceControl V7.0 组态软件都可将其恢复成原工程。

7）恢复：恢复与备份是一对相反的操作，恢复是将工程备份生成的PCZ 格式压缩文件解压缩并恢复成原工程。

8）打包：制作安装包。

用于将当前版本的力控监控组态软件运行系统及当前工程制作成安装程序，以便随时安装运行系统及当前工程。

9）工程目录：打开选中的工程文件夹，并默认选中文件FCAppNam.eproj。

10）快捷方式：为启动当前工程的运行系统在指定目录创建快捷方式。

11）工程设置：可以修改项目名称、分辨率以及描述。

12）退出：关闭工程管理器。

13）点击“开发”按钮，进入开发系统状态；
3.2.2建立工程组态画面
进入力控的开发系统后，可以为每个工程建立数个画面，在每个画面上可以组态相关联的静态或动态图形。

1)创建新画面进入开发环境Draw 后，需要创建一个新窗口。

点击“文件[F]”→“新建”，将出现“新建”对话框，如图3-7所示：
图3-7创建新画面
这次设计选择“创建空白界面”，将出现“窗口属性”对话框，如图3-8所示:
图3-8 窗口属性
改变窗口名字为“生产流水线监控界面”，背景色可以改变，说明及其它可以自己设置，然后点击确定即可。

2)创建图形对象在力控组态应用中，最重要的一部分是监控画面图形对象的制作，现场数据采集到装有力控组态软件的计算机中后，操作人员通过力控组态软件仿真的画面对象便可以实现监控。

在这次设计中，画面对象有：电机、小车、传送带、正反转指示灯、小车指示灯、各种按钮等等。

下面介绍本项目的画面对象组态方法和步骤。

在“工程项目→标准图库→图库”中选择传送带，如图3-9所示：
图3-9标准图库
然后在图库中找到电动机、正反转指示灯、小车指示灯、各种按钮，如图3-10：
图3-10 生产流水线监控界面
小车可以自己画一个代替，然后在传送带内部画一个管道，以显示传送带正反转，画好的生产流水线监控界面如图3-11所示：
图3-11 生产流水线监控界面全图
3.3 I/O设备
3.3.1 I/O设备的介绍
在力控中，把需要与力控组态软件之间交换数据的设备或者程序都作为IO设备，IO设备包括：DDE、OPC、PLC、UPS、变频器、智能仪表、智能模块、板卡等，这些设备一般通过串口和以太网等方式与上位机交换数据;只有在定义了IO设备后，力控才能通过数据库变量和这些IO设备进行数据交换。

在此工程中，IO设备使用力控仿真PLC与力控进行通讯。

3.3.2 I/O设备的步骤
1）在Draw导航器中双击“I/O设备组态”项使其展开，在展开项目中选择“PLC”项并双击使其展开，然后继续选择厂商名“PLC”并双击使其展开后，选择项目“SIEMENS（西门子）” S7—200（PPI），如下图3-12所示：
图3-12 I/O设备组态
2）双击“S7—200（PPI）”出现如下图3-13所示的“I/O设备定义”对话框，在“设备名称”输入框内键入一个人为定义的名称，为了便于记忆，我们输入“S7”（大小写都可以）。

接下来要设置PLC的采集参数，即“数据更新周期”和“超时时间”。

在“数据更新周期”输入框内键入1000毫秒。

图3-13I/O设备定义
提示：一个I/O驱动程序可以连接多个同类型的I/O设备。

每个I/O设备中有很多
数据项可以与监控系统建立连接，如果对同一个I/O设备中的数据要求不同采集周期，
也可以为同一个地址的I/O设备定义多个不同的设备名称，使他们具有不同的采集周期。

例如，一个大的存储罐液位变化非常缓慢， 5到10秒钟更新一次就足够了，而管道内压力的更新周期则要求小于1秒钟。

这样，可以创建两个I/O设备：PLC1SLOW，数据更新周期为5秒，和PLC1FAST，数据更新周期为1秒。

3）单击“完成”按钮返回，在“SIEMENS（西门子）”项目下面增加了一项“S7”，如图3-14所示。

图3-14 建立S7图
如果要对I/O设备“S7”的配置进行修改，双击项目“S7”，会再次出现S7的“I/O 设备定义”对话框。

若要删除I/O设备“S7”，用鼠标右键单击项目“S7”，在弹出的右键菜单中选择“删除”。

通常情况下，一个I/O设备需要更多的配置，如：通讯端口的配置（波特率、奇偶校验等）、超时时间、所使用的网卡的开关设置等。

因为这是一个“仿真”I/O驱动程序，它仿真“梯形图逻辑”和常用I/O驱动程序任务（实际上完全由PC完成），没有实际的与硬件的物理连接，所以不需要进行更多的配置。

3.4 组态动画
3.4.1组态动画的组建
1）对象力控是面向对象的开发环境，力控中的对象是指组成系统的一些基本构件，比如：窗口、窗口中的图形、定时器等，每一个对象作为独立的单元，都有各自的。