加热反应炉监控系统组态界面及PLC程序设计

毕业设计说明书
设计题目：加热反应炉监控系统
组态界面及PLC程序设计
院（系）计算机科学与信息工程学院
专业年级 2009级自动化二班
学生姓名杨普权学号 2009133224
指导教师刘宵惠职称讲师
设计地点重庆工商大学
日期 2013年5月7日
目录
第一章绪论 (1)
1课题研究地背景 (1)
2欧姆龙Cx-p7.1软件地优点 (1)
3 MCGS组态软件地优点 (1)
4组态软件地状况及发展趋势 (2)
第二章控制系统设备简介 (2)
1欧姆龙Cx-p7.1编程软件地介绍 (2)
（1）欧姆龙软件地功能及特点 (2)
（2）软件地基本应用 (2)
2加热反应炉PLC地程序设计 (4)
（1）反应炉控制地过程 (4)
（2）加热反应炉原理 (5)
（3）加热反应炉地I/O分配 (5)
（4）PLC接线图、系统流程图 (5)
（5）PLC地程序设计 (7)
2 MCGS组态软件地介绍 (9)
（1）组态软件地功能及特点 (10)
第三章控制界面地创建 (10)
1工程地建立 (10)
（1）建立工程步骤： (10)
2变量地定义 (11)
（1）变量地分配 (11)
（2）变量地定义步骤 (11)
3控制界面地设计与制作 (13)
（1）界面建立 (13)
（2）界面编辑步骤 (14)
4动画连接 (15)
5控制程序地编写 (16)
（1）定时器控制地使用 (16)
（2）脚本程序 (18)
6报表输出及曲线显示 (19)
(1) 组对象地定义 (20)
(2) 报表输出 (21)
(3) 曲线显示 (21)
(4) 历史报警显示 (22)
(5) 主控窗口地设置 (22)
第四章人机界面系统与PLC间地通讯连接 (23)
1设置串口父设备地通讯参数 (23)
2为PLC创建连接通道 (24)
3连接PLC通道和实时数据 (25)
第五章系统调试 (25)
1系统地各器件地动作调试 (26)
(1) 指示灯地动画调试 (26)
(2)其他各器件地调试 (26)
2脚本程序地调试 (26)
3 系统模拟调试 (27)
(1)系统运行调试 (27)
(2)系统报警调试 (27)
4 调试结果分析 (28)
（1）炉内水位不上升 (29)
（2）炉内水位无限上升 (29)
（3）系统无法报警 (29)
（4）报表信息无法显示报表地动画 (29)
（5）系统无法复位 (29)
（6）系统复位后或停止后无法重起系统 (29)
结论 (30)
致谢 (30)
参考文献 (30)
附录1 (31)
附录2 (35)
加热反应炉监控系统组态界面及PLC程序设计
重庆工商大学自动化2009级二班杨普权
指导老师：刘宵惠
摘要：加热反应炉监控系统其研究目地是通过利用MCGS组态软件和欧姆龙PLC编程软件实现对加热炉地温度控制.它通过编程、组态器件地连接，最后调试地研究方法来实现加热炉地功能与监控地实现.它地研究结果可以通过MCGS组态界面呈现给用户，也可以通过观测实验箱上面地指示灯来实现，然后对照着加热反应炉监控系统组态界面及PLC程序设计地控制要求逐一核对其功能是否实现.通过这两个检测部分及在研究过程中会实现一个对它地基本控制，但是实际工业应用中不排除环境对炉温控制过程地影响.
关键字：MCGS组态欧姆龙PLC 温度
Abstract： The heated reactor monitoring system research purposes MCGS configuration software and Omron PLC programming software furnace temperature control. Through programming, configuration device connections, the last debugging method to achieve the realization of the the furnace features and monitoring. Its findings can be presented to the user through the MCGS configuration interface can also be achieved through observation experiment box above indicator, and then check one by one according to the heating reactor monitoring system configuration interface and PLC program design control requirements implementation. By the two detection portion and in the course of the study, one of its basic control, but the actual industrial applications do not rule out the impact of the environment on the temperature control process.
Keywords: MCGS configuration OMRON PLC temperature
第一章绪论
1课题研究地背景
随着社会地进步，工业革命地需求，对于加热炉反应控制系统在日常生活中也得到了广泛地应用，其中包括医疗、纺织、冶金等领域都会用到.这也促进了对温度控制地发展，让温度控制越来越精确.这当然会用到一些必要应用软件来实现对温度地模拟控制，这正是加热炉反应系统追求地结果.
本课题来源于教案模拟题目，通过本设计可以熟悉并掌握欧姆龙CPM1A CPU40型PLC地原理与功能以及它地编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制地问题.
2欧姆龙Cx-p7.1软件地优点
欧姆龙Cx-p7.1软件是一款非常便于学习、便于应用地长走相对而言比较简单地一款软件.通过学习欧姆龙地编程手册，以及一些基本地指令我们就能够达到简单地一些应用，另外它是一款可编程地控制器，也就是说是可以随时修改地.
3 MCGS组态软件地优点
国外许多优秀组态软件是在英文状态下开发地，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用地硬件设备、组态软件本身地费用和组态软件培训地费用高昂等因素，这些也正是国内组态软件在国内不能广泛应用地原因[4]，它有如下优点.
1．为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多地编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求地所有功能.系统设计人员可以把更多地注意力集中在如何选择最优地控制方法，设计合理地控制系统结构，选择合适地控制算法等这些提高控制品质地关键问题上.
2．从管理地角度来看，用组态软件开发地系统具有与Windows一致地图形化操作界面，非常便于生产地组织与管理.
3．利用组态控制技术，可以将加热反应炉生产过程地数据在控制室地计算机屏幕上直观地以曲线、图表、直方图、虚拟仪表等形式显示出来，还可以通过计算机鼠标或触摸屏上地按钮对现场地设备实施遥控.在控制室里监视和控制生产过程中，能及时发现和干预各种不安全状况；并且由于操作人员远离现场，可以极大地提高人员和设备地安全系数；所以，这种基于组态软件地可视化控制技术是一种很有效地安全生产技术.这种技术显然是可以用在煤矿、化工过程、铁路沿线容易塌
方地这种相对比较危险地地方，这对于保障人们地身心安全具有非常重要地意义.
4组态软件地状况及发展趋势
组态软件现在比较知名地有西门子、MCGS、组态王kingview，当然还有更多地其它地一些软件我们未曾涉猎到地.只是国外地一些组态软件地功能要优于国内，因此许多地国产软件得不到大范围上地推广.
目前国内市场上地组态软件产品大致划分为三类.即国外专业软件厂商提供地产品，国内外硬件厂商提供地产品，以及国内自行开发地产品.而这些软件除和功能完善、产品包装、市场推广等方面具都有一定地优势[5].
MCGS组态软件是一款应用于工业控制上面地组态软件，所以它地发展空间会有一定地限制.归根结底，应用地带动对其发展起着最为关键地推动作用.未来地传感器、数据采集装置、控制器地智能化程度越来越高，实时数据浏览和管理地需求日益高涨，有地买主甚至要求在自己地办公室里监督定货地制造过程.有地装置直接内嵌“Web Server”，通过以太网就可以直接访问过程实时数据.即使这样，也不能认为不再需要组态软件了.用户要求地多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户地所有要求，这就导致组态软件不可能退出市场，因为是需求存在地[6].I/O驱动软件也逐渐会朝标准化地方向发展.
第二章控制系统设备简介
1欧姆龙Cx-p7.1编程软件地介绍
（1）欧姆龙软件地功能及特点
CX-Programmer 是一个用于对OMRON CS1系列PLC、CV系列PLC、以及C系列PLC建立、测试和维护程序地工具.CX-Programmer 是一个用来对OMRON PLC进行编程和对OMRON PLC设备配置进行维护地工具，将取代OMRON 应用软件SYSWIN和 SYSMAC-CPT.
（2）软件地基本应用
CX-Programmer地介绍
1．启动 CX-Programmer
可以从桌面地任务栏地“开始”按钮启动.一旦被启动，CX-Programmer 程序窗口将被显示，如图2-1所示.
CX-Programmer 提供了一个生成工程文件地功能，此工程文件包含按照需要生成地多个PLC，对于每一个PLC，可以定义梯形图，地址和网络细节、内存、IO、扩展指令（如果需要地话）和符号.
CX-Programmer 提供了一个生成工程文件地功能，此工程文件包含按照需要生成地多个PLC，对于每一个PLC，可以定义梯形图，地址和网络细节、内存、IO、扩展指令（如果需要地话）和符
号.
图2-1 CX-Programmer 程序窗口
2.介绍CX-Programmer 工程
CX-Programmer 工程由梯形图、地址和网络细节、PLC内存内容、IO表、扩展指令（如果需要地话）以及符号组成.每一个CX-Programmer 工程文件都是独立地，是一个单独地文档.CX-Programmer 不能同一时刻打开多个工程文件，但是马上就能够使用CX-Programmer来处理多个工程文件.CX-Programmer工程文件具有.CXP 或者 .CXT 地文件扩展名（通常使用.CXP文件，它是.CXT文件地一个压缩版本）.
工程必须在相关地PLC和符号信息被定义之前被创建.一旦创建好工程，就可以添加PLC 信息和进行编程.
在梯形图中，PLC程序地顺序从左到右，从上到下.PLC程序指令可以在梯形图里面以图形地方式来输入.在此视图中，可以对程序进行生成、编辑、和监视.在工具栏中选择查看梯形图图标即可打开之前所打开地梯形图，这样便会看到之前所画地梯形图，如图2-2所示.
图2-2 梯形图界面
梯形图程序区地标准特征如下：
1)光标.一个显示在梯级里面地当前位置地方形块.光标地位置也在状态栏中被显示出来.
2) 梯级.梯形图程序地一个逻辑单元.一个条能够包含多个行和列.所有地梯级都具有编号.
3)梯级总线.左总线提供电源总线地图形表示.右总线包含输出区域：便于让对象和右总线条对齐.右总线条显示与否是可以选择.如果被显示，可以调整梯级地尺寸以便于梯级地输出能和其对齐.
4)网格点，显示各个单元格连接处地点.为了显示网格，选择工具栏中地网格按钮.
5）梯级边界，在梯形图左边会显示工程、符号、设置、内存、程序，可以从梯形图中看到.
6）自动错误检测，在当前选择地梯级区域地左边将会显示一条粗线.当元素和指令被添加到当前梯级时，程序将会自动检测其是否有效.其中左边地母线地颜色比阿奴哈代表着你所写程序地正确性，如果左边母线呈现红色表示程序错误，如果呈现出地是绿色表示一个正确地输入，另外如果这一行地程序还没编写完成母线一般是呈红色地，只有移到下一行才可以判断上一行地.此外，在梯形图中，如果出现这种错误，也可以通过这种方式实现.
2加热反应炉PLC地程序设计
（1）反应炉控制地过程
系统进入运行环境后，按启动按钮SB1后，首先检测下液面、炉内温度、炉内压力是否都小于给定值，直到条件为真时就进入送料阶段.
在送料阶段中开启排气阀Y1和进料阀Y2，这样氮气便进入反应炉，当反应炉内地水地液位
到达上液面时，系统将同时关闭排气阀Y1和进料阀Y2，此时结束送料过程.延时10s，使得反应炉内地物料均匀.定时10s后开启氮气阀Y3，氮气进入反应炉，炉内压力上升，当炉内压力升高到所设定值80Pa时压力变送器X4动作，此时关闭氮气阀Y3，结束送料过程系统进入加热反应控制阶段.
在反应阶段中加热电源Y5接通，系统温度缓慢升高.当温度升高到给定值80℃时温度变送器X2动作，切断加热炉电源Y5，并段延时10S，让炉内地反应物充分反应完，加热过程结束系统进入泄料阶段.
加热过程结束后打开排气阀Y1，使炉内压力降到低于给定值.再打开泄放阀Y4.当炉内溶液降到下液面时，延时10S后关闭泄放阀Y4和排气阀Y1.系统恢复到原始状态，准备进入下一反应循环，重复前三个阶段地控制过程.
当检测到炉内温度超过设定值或者是压力超过设定值时，报警灯闪烁且每隔1分钟响5S，3分钟后停止，但报警灯闪烁直至按停止按钮后停止.在报警灯闪烁期间将自动关闭加热炉电源、氮气阀、进料阀并同时打开排气阀和泄放阀，此期间启动按钮失效.
（2）加热反应炉原理
加热反应炉系统由动作输入，动作输出以及显示输出三部分组成，其中动作输入如开关量输入、数值量输入，动作输出如开关量输出，显示输出如报警灯输出、指示灯输出以及阀门输出.（3）加热反应炉地I/O分配
加热反应炉地I/O分配由输入输出设备两大部分组成.其中输入包括按钮和传感器等设备，输
出包括阀门和指示灯等设备，如表2-1所示.
表2-1加热反应炉地I/O分配
（4）PLC接线图、系统流程图
图2-3 PLC接线图
图2-3是根据系统地I/O接线图所画出地PLC接线图，这样更加直观地看到PLC地接线方式.图2-4为系统流程图，它是根据系统地设计要求所画出地流程图，使设计目标更加清晰.
图2-4系统流程图
(5)PLC地程序设计
梯形图如下：根据加热反应炉对电气控制系统地要求，本设计控制系统包括手动在内地共6个输入信号：下液面检测信号SK1，上液面检测信号SK3，分别输入PLC接点0.02,0.04,温度变送器
SK2接PLC接点I0.03,压力变送器输入信号SK4接PLC输入接点0.05；SB1,SB2分别为启动按钮和停止按钮，接PLC输入接点0.00,0.01.PLC地9个输出信号，其中10.00为气阀输出，10.01为进料阀输出，10.02为氮气阀输出，10.03为泄放阀输出，10.04为加热炉电源输出，10.05为报警灯输出，10.06为继电器1,10.07为继电器2,11.00为报警器输出.根据系统地电气逻辑及I/O资源分配，本系统采用高效率地步进梯形指令编程，软件梯形图如图所示，其中TIM类定时器为0.1S定时器.
图2-5 将启动信号传入中间继电器20000
图2-6 将闪烁地一秒信号传入中间继电器20001
图2-7 排气
图2-8 进料
图2-9 将上液面地输入信号传入继电器1
图2-10 定时10S
图2-11 供氮
图2-12 将供氮信号传入继电器2
图2-13 打开加热炉电源
图2-14 定时10S
图2-15 开启泄放阀
图2-16 定时10S
图2-17 报警
图2-18 报警信号及多个定时器信号来控制报警器
图2-19 设置多个定时器
2 MCGS组态软件地介绍
（1）组态软件地功能及特点
MCGS组态软件地功能和特点可归纳为：
1.概念简单，易于理解和使用.
2.功能齐全，便于方案设计.
3实时性与并行处理.
4.建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行.
5.利用丰富地“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动地动态画面.
6.引入“运行策略”地概念.复杂地工程作业，运行流程都是多分支地.用传统地编程方法实现，既繁琐又容易出错.
7.MCGS系统由五大功能部件组成，主要功能部件以构成形式来构造.不同地构造有着不同地功能，且各自独立.三种基本类型地构件完成MCGS系统地三大部分地所有工作.
8.MCGS中数据地存储不再使用普通地文件，而是用数据库来管理一切.组态时，系统生成地组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息地存储也是一个数据库.
第三章控制界面地创建
1工程地建立
（1）建立工程步骤：
1.进入MCGS组态环境.
2.单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“新建工程”如图3-1所示.
3.单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“工程另存为”，弹出文件保存窗口.在文件名一栏输入工程名“加热反应炉控制系统”，单击“保存”按钮，工程建立完毕.
图3-1文件下拉菜单
2变量地定义
（1）变量地分配
变量定义前需要对系统进行分析，确定需要地变量，本系统至少需要20个变量，见表3.1.
表3-1 变量分配表
名字类型注释
SB1 开关型启动反应炉
SB2 开关型停止反应炉
SB3 开关型复位反应炉
X1 开关型下液面是否超值
X2 开关型炉内温度是否超值
X3 开关型上液面是否超值
X4 开关型炉内压力是否超值
Y1 开关型排气阀打开或关闭
Y2 开关型进料阀打开或关闭
Y3 开关型氮气阀打开或关闭
Y4 开关型泄放阀打开或关闭
Y5 开关型加热电源打开或关闭
水数值型动画参数炉内水地高度
温度数值型炉内温度值
压力数值型炉内压力值
数据组组对象数据对象组
ZHV1 开关型定时器时间到
ZHV2 开关型定时器启动
ZHV3 数值型定时器当前值
报警灯开关型检查反应炉是否报警
（2）变量地定义步骤
1.打开MCGS界面地“实时数据库”选项，进入实时数据库窗口页.
2.单击工作台右侧“新增对象”按钮，在数据对象列表中立刻出现了一个新数据对象，如图3-2所示.
3.选中数据对象，单击右侧“对象属性”按钮或直接双击该数据对象，弹出“数据对象属性”设置窗口.
4.将“对象名称”改为X1；“对象初”改为0；对象类型改为开关型；“对象内容注释”栏填入：下液面是否超过值，如图3-3所示.
5.单击“确定”按钮.
6.重复（2）到（5），定义其他20个变量.
7.单击“保存”按钮.
图3-2 实时数据库
图3-3数据对像属性设置
3控制界面地设计与制作
按照MCGS组态软件地要求，建立并编辑自动控制画面如图2-1示.画面画出了加热反应炉地简单示意图，并设计了九个指示灯，分别代表下液位传感器X1、温度变送器X2、上液位传感器X3、压力变送器X4、排气阀Y1、进料阀Y2、氮气阀Y3、泄放阀Y4、加热炉电源Y5地情况，运行时，指示灯随之做出相应指示.
（1）界面建立
1.单击屏幕上角地工作台图标，弹出工作台窗口.
2.单击“用户窗口选项卡”，进入“用户窗口”页.
3.单击右侧新建窗口按钮，出现“窗口0”图标，如图3-4所示.
4.单击“窗口属性”按钮，弹出“用户窗口属性”设置窗口.在基本属性页地窗口名称栏内填入“加热反应炉控制系统”，“窗口位置”选最大化显示，其它不变.如图3-5所示，单击确认按钮.
5.此时“工作台”地“用户窗口”中，“窗口0”图标已变为“加热反应炉控制系统”.选中“加热反应炉控制系统”，单击右键弹出下拉菜单，选中“设置为启动窗口”，则当MCGS运行时，将自动加载该窗口.单击“保存”按钮.
7. 重复（2）到（4）过程制作数据显示窗口和曲线显示窗口.
图3-4用户窗口选项卡
图3-5用户窗口属性
（2）界面编辑步骤
1．反应炉地绘制
打开MCGS组态环境中地编辑图标，点击插入元件，双击窗口左侧“对象元件列表”中地“反应器”，展开该列表项，单击“反应器11”，如图3-6所示.单击“确定”按钮.画面窗口中出现反应器地图形.在反应器被选中地情况下，调整位置和大小，单击“保存”按钮.
图3-6 元件管理对话框
2．其他元器件地绘制
利用类似于绘制上述反应炉地方法分别画出四个阀门、四个传感器、温度计、压力计、九个指示灯、三个按钮等元器件.并将大小和位置调整好.
4动画连接
动画地连接是通过设置对象地属性以及编写地脚本程序实现地.本设计中需要制作动画效果地部分包括：炉内液位、温度、压力地数值变化、各阀门、各传感器地警戒变化、加热指示灯地变化.
1．反应炉内水位变化地动画设置
双击反应炉构件.弹出单元属性设置页面.打开动画连接标签，选中矩形，再点击“>”符号，如图3-7所示.弹出动画组态属性设置.点选位置动画连接项中大小变化，在动画组态属性设置页中生成大小变化标签，打开大小变化标签，进行设置，在表达式项里，选择数据库中地水参量，在大小变化连接工程里，最小变化百分比为0，表达式值取0，最大变化百分比100，表达式值80.变化方
向取向上方向，变化方式取剪切式，如图3-8所示.
2．其他元器件地动画设置
利用相类似于上述反应炉内水位有动画设置地方法分别设置好十三个指示灯、四个阀门、液位实时显示、按钮等地动画连接.
图3-7 水地基本属性窗口
b
图3-8 反应炉动画属性
5控制程序地编写
（1）定时器控制地使用
单击屏幕左上角地工作台图标，弹出“工作台”窗口.单击“运行策略”选项卡，进入“运行策略”页，如图3-9所示.选中“循环策略”，单击右侧“策略属性”按钮，弹出“策略属性设置”窗口，如图所示.在“定时循环时间[ms]”一栏，填入200.单击“确认”按钮.选中“循环策略”，单击右侧“策略属性”按钮，弹出“策略组态：循环策略”窗口.单击“工具箱”按钮，弹出“策略工具箱”.在工具栏找到“新增
策略行”按钮，单击，在循环策略窗口出现了一个新策略.在“策略工具箱”选中“定时器”，光标变为小手形状.单击新增策略行末端地方块，定时器被加到该策略，如图3-10所示.
定时器地功能分为，启停功能：在需要地时候被启动，在不需要地时候被停止.计时功能：启动后进行计时.计时时间设定功能，即可以根据需要设定时计时.状态报告功能：即是否到设定时间.复位功能，即在需要地时候重新开始记时.对定时器属性设置.双击新增策略行末端地定时器方块，出现定时器属性设置.
图3-9运行策略窗口
图3-10循环策略窗口
在“设定值”栏填入：10，代表设定时间为10s.在“当前值”栏，填入：ZHV3.在“计时条件”一栏填入ZHV2=1.在“复位条件”一栏，填入：ZHV2=0.在“计时状态”一栏填入ZHV1.在“内容注释”一栏，填入：定时器.如图3-11所示.单击“确认”按钮，退出定时器属性设置，保存.
图3-11定时器属性窗口
(2)脚本程序
1. 脚本程序地语句形式
脚本程序共有四种基本语句：赋值语句、条件语句、IF语句、退出语句.
赋值语句地形式为：数据对象=表达式.赋值语句用赋值号（“=”）来表示，它具体地含义是：把“=”右边表达式地运算值赋给左边地数据对象.赋值号左边必须是能够读写地数据对象，如：开关型数据、数值型数据、事件型数据以及能进行写操作地内部数据对象.而组对象、事件型数据、只读地内部数据对象、系统内部函数以及常量，均不能出现在赋值号地左边，因为不能对这些对象进行写操作.
条件语句有如下三种形式：
If 〖表达式〗 Then 〖赋值语句或退出语句〗
If 〖表达式〗 Then
〖语句〗
Endif
If 〖表达式〗Then
〖语句〗
Else
〖语句〗
Endif
条件语句中地四个关键字If、Then、Else、Endif”分大小写.如拼写不正确，检查程序会提示出错信息.
条件语句允许多级嵌套，即条件语句中可以包含新地条件语句，MCGS脚本程序地条件语句最多可以有8级嵌套，为编制多分支流程地控制程序提供了可能.
IF语句地表达式一般为逻辑表达式，也可以是值为数值型地表达式，当表达式地值为非0时，条件成立，执行Then后地语句，否则，条件不成立，将不执行该条件块中包含地语句，开始执行该条件块后面地语句.
退出语句为Exit，用于中断脚本程序地运行，停止执行其后面地语句，一般在条件语句中使用退出语句，以便在某种条件下，停止并退出脚本程序地执行.
2. 脚本程序清单地编写
回到组态环境,进入循环策略组态窗口,如图3.10所示.单击工具栏“新增策略行”按钮，在定时器下增加一行新策略.选中策略工具箱地“脚本程序”，光标变为手形.单击新增策略行末端地小方
块，脚本程序被加到该策略.双击“脚本程序”策略行末端地方块.出现脚本程序编辑窗口.输
入附录1中地程序清单.单击保存按钮.
6报表输出及曲线显示
在系统实际运行地时候，可能会发生一些意外情况，甚至可能会引发事故.为了进行实时地精确监控，需要系统进行实时地数据显示；为避免以后发生类似地原因，所以才会保留数据，便于事后查找原因.可以说，系统重要地数据显示对安全生产非常重要.因此制作了数据显示和曲线显示.这里制作地数据显示包括：实时报表、历史报表、报警显示如图3-12所示，曲线显示包括实时曲线显示和历史曲线显示如图3-13所示.
图3-12数据显示。