基于WinCC的液体混合仿真系统设计毕业设计说明书

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1、吉林化工学院毕业设计说明书基于WinCC的液体混合仿真系统设计Liquid Hybrid Simulation System Design based on WinCC吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院毕业设计说明书毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过

2、帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 摘 要在工业生产中饮料生产、酒厂配液等等都离不开液体混合。传统的液体混合装置完全由人工操作，无论在配料、混料等阶段都存在诸多不确定因素，产品质量

3、无法保证，废品多、人工投入大，抗干扰能力差以及系统升级改造困难等等，对产品质量和生产效率也难于提高。利用仿真系统对所需要操作的系统进行仿真操作，这样可以提前发现系统的弊病，可以进行及时的调整与改进，可以避免一些故障的发生，减少不必要的损失。本文详细介绍了基于西门子PLC的液体混合控制系统设计。采用组态软件WinCC 控制系统方案，并利用触摸屏的手动控制，设计了液体混合控制系统画面、实况模拟、变量记录、报警记录等界面，实现了基于WinCC的液体混合控制系统的仿真。该控制系统配置灵活、控制可靠、维修方便，提高了生产效率，保证了系统稳定运行。关键词：PLC ；组态软件WinCC；触摸屏；液体混合控制

4、系统- I -AbstractIn the industrial production, the production of drink and the burdening in winery can not live without the fluid mixing. The traditional device of fluid mixing has been operated by man, there were many uncertain factors at the moment when it is burdening and mixing. It can not make su

5、re of the quality of production ,it has a mass of discard and artificial input ,and the ability of anti-jamming is bad, and the upgrade of the system is difficult and so on. It is difficult to improving the quality of production and the production efficiency.Using of the simulation system to proceed

6、 simulate operate for the system that needed to operate, it will be find the malady of the system beforehand, and proceed adjusting and improving, it can avoid the emergence of some fault and decrease the unnecessary lose.This text introduces the liquid hybrid system design based on Siemens PLC. Mak

7、e use of WinCC and the manual control of touch panel to design the menu of the liquid hybrid control, Live simulation, Tag logging, Alarm Logging and so on. It achieves the liquid hybrid simulation system design based on WinCC. The allocation of this control system is flexible, and it has reliable c

8、ontrol, and it is easy to maintain, it improves the production efficiency, and make sure of the steady operation of the system. Key Words：PLC；WinCC；Touch Panel；The control system of the liquid hybrid- III -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题的目的及意义11.2 液体混合生产的现状及发展21.2.1 现状21.2.2 发展21.3 本课题设计的主要内容3第2章 工艺及

9、控制方案的设计52.1系统构成框图52.2 液体混合控制系统工艺流程简介62.3 控制方案6第3章 下位机软件编程83.1 S7-300概述83.2 S7-300的组成部件83.3 本次设计的S7-300硬件选择93.4 本次设计的下位机控制要求93.5 下位机程序分析11第4章 上位机WinCC软件组态144.1 WinCC组态软件简介144.2 WinCC系统构成144.3 本设计中WinCC的组态过程154.3.1 创建项目154.3.2 创建主画面164.3.3 创建登录画面194.3.4 创建变量214.3.5 主画面上的变量链接224.3.6 创建报警画面23第5章 触摸屏软件26

10、5.1 WinCC Flexible简介265.2 建立项目265.3 创建变量275.4 创建触摸屏画面295.4.1 创建登录画面295.4.2 创建启动画面305.4.3 创建配方画面305.4.4 创建调速画面315.5 触摸屏与下位机的连接32第6章 变频器控制336.1 西门子MICROMASTER 4 变频器概述336.1.1 MM440变频器特点336.1.2 MM440变频器按钮操作336.2 变频器与PLC实现固定频率控制过程356.2.1 目的356.2.2 操作步骤36第7章 上位机与PLCSIM的仿真387.1 S7-PLCSIM简介387.1.1 S7-PLCSIM

11、的主要功能387.1.2 S7-PLCSIM与实际PLC的区别387.2 PLCSIM调试程序的步骤387.3 PLCSIM与WinCC仿真结果407.4 PLCSIM与触摸屏仿真结果417.5 触摸屏与WinCC的仿真结果42结 论44参考文献45附 录A46附 录B58致 谢6163第1章 绪论1.1 选题的目的及意义随着科技的日新月异，在工业生产中，传统的生产方法已不能满足人们的需要。许多生产过程都离不开液体混合。尤其在炼油、化工、制药等行业中，液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。传统的液体混合装置完全由人工操作，无论在配料、混料等阶段都存在诸多不确定因素，

12、产品质量无法保证，废品多、人工投入大。抗干扰能力差以及系统升级改造困难等等，对产品质量和生产效率也难于提高7。本文给出基于WinCC的液体混合仿真系统的设计，其主要着力点在于液体混料比例的精确性和均匀性，这同样也是产品品质一致性的保障。WinCC（Windows Control Center）是西门子开发的在WINDOWS 环境下解决生产和过程自动化、可视化信息、显示和实现控制策略，即实现SCADA 系统人机接口（HMI-Human Machine Interface）的组态软件。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的各种功能模板，能实现高性能的过程耦合、快速的画面更新和可靠的资料

13、处理，具有较高的实用性。它在Windows NT 或Windows 2000 标准坏境中提供确保可靠地控制生产过程的所有功能。WinCC的显著特性是全面开放，很容易结合标准的或用户的程序建立人机接口，精确地满足生产实际要求。系统集成商可应用WinCC作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。WinCC是基于32 位的应用软件Windows 32 位操作系统的抢先多任务的特性确保了对过程事件的快速反应，并提供了多种防止资料丢失的保护，WinCC使用了面向对象的软件编程技术，将所有工程工具的组态功能集成在一起，提供用于过程可视化和操作的全部基本功能。此外，提供宽范围的编辑功能接口，使用

14、户为其独特的应用单独组态。WinCC组态软件提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的各种功能模板，能实现高性能的过程偶合、快速的画面更新和可靠的资料处理，具有较高的实用性13。采用PLC对容器中的液位进行监控控制，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高还具有在线修改功能，灵活性强等优点，适用于多段液位控制的监控场合。并且PLC作为新一代的工业控制器，具有体积小、编程简单、使用方便，抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点，易于实现机电一体化1。1.2 液体混合生产的现状及发展1.2.1 现状目前国内外此类控制系统主要是采用DCS，这是由于液位控制系统的仪表信号较多，采用此系统性

15、价比相对较好。PLC和DCS由于在早期开发时，是由两种技术人员开发的，面向不同的控制对象。PLC主要针对于汽车制造，模拟量极少甚至没有，开发人员主要是电气技术人员，它用计算机的逻辑运算代替继电器逻辑。稍晚一点推向市场的是DCS，它是由原来的仪表技术人员开发的，它在运算放大器的基础上用计算机的模拟运算代替原来的模拟运算。这两者所研究的内容不同，DCS首先应用在石化系统，后来两者都想占有市场，PLC增加了模拟量的运算，DCS开发了逻辑运算。但两者在新开发的部分都存在有一些缺陷，PLC开发的模拟量运算功能块少，编程较为复杂，价格也比较昂贵。每一个回路大概要2300美金左右，DCS开发的逻辑运算一个与

16、非门的运算需要几十毫秒，而PLC只要零点几毫秒。但是DCS的维护费用高，对接地电阻要求严格，经常会由于接地电阻不能满足要求而烧坏模件。PLC对接地电阻要求不严格，所以维护费用比较低。高档PLC如A-B公司的PLC-5C系列等，有专门的冗余产品系列，也有专门的模拟量过程控制模块。以高档次PLC系列产品代替DCS，一般情况下可以节约资金。PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。本次设计中，用到的点数较少，可以利用PLC进行编程及仿真。1.2.2 发展PLC于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功

17、能，建立柔性程序控制系统。1976年正式命名，并给予定义：PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。并且随着电子技术的不断发展，PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化1。用于回路调节和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰的能力也非常强，对电源的质量要求比较低。目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障，所以PLC在

18、工业控制系统中得到了良好的应用2。以往常采用传统的继电器接触器控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。当前国内许多地方的此类控制系统主要是采用DCS，这是由于液位控制系统的仪表信号较多，采用此系统性价比相对较好，但随着电子技术的不断发展，PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰的能力也非常强，对电源的质量要求比较低。目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障，所以PLC在工业控制系统中得到了良好的应用。目前广泛使用的检测方法有PLC控制，继电器控制，单

19、片机控制等。其中PLC检测控制系统应用最为广泛。因为其具有以下特点3：1可靠性PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线打打减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如：冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。PLC有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。2易操作性对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程序的

20、操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。3灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。以上特点使用PLC控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等诸多优点今后PLC控制系统还会得到更广泛的使用。1.3 本课题设

21、计的主要内容本文介绍了基于WinCC的液体混合系统仿真设计。采用组态软件WinCC 控制系统方案，利用step7-300编程，并结合了WinCC flexible触摸屏的手动控制，设计了液体混合控制系统仿真画面、实况模拟、变量记录、报警记录等界面，实现了液体混合控制系统的仿真设计。该控制系统配置灵活、控制可靠、维修方便，提高了生产效率，保证了系统稳定运行。设计任务图如图1-1所示。图1-1 设计任务图根据设计任务图，本次设计在以上面的几个方面都完成了任务。在运行此项目时，首先是通过触摸屏的按钮对PLC程序进行操作的，然后利用STEP7-300程序通过与WinCC的通讯对上位机画面进行操作。通过

22、以上操作，才能实现本次设计的内容，即基于WinCC的液体混合系统的仿真设计。第2章 工艺及控制方案的设计2.1系统构成框图系统构成框图是指，系统在投入使用的工作环境下的硬件组成。我们的设计主要是针对于软件部分进行仿真，但实际上是需要靠硬件来实现对设计的控制要求。所以现场的硬件组成部分，是实现对设计的控制要求的必要组成部分。如果在硬件方面没有进行正确的构造，则软件部分将无法实现对设计的控制要求。本次设计硬件系统构成框图如图2-1所示。图2-1 系统构成框图在图2-1中，第一行WinCC以及触摸屏是上位机的组成部分；第二行S7-300是下位机部分；第三行是所连接的现场所需参数。本次设计是根据上位机

23、与下位机通讯，来实现对设计的控制要求。上位机WinCC与触摸屏通过TCP/IP协议，与下位机经过以太网卡CP343-1与下位机进行通讯。并且能够利用这样的通讯来实现触摸屏对WinCC的动画控制。在系统构成框图中的最后一行，就是本次设计所要控制的主要现场参数。本次设计主要现场参数由数字量输入，数字量输出以及模拟量输入为主。通过下位机的变量与实际现场参数的连接，来实现下位机对现场系统的控制。并且通过上位机与下位机的通讯，可以实现上位机对现场系统的控制。最终，达到实现使用触摸屏来控制现场系统的目的。2.2 液体混合控制系统工艺流程简介液体混合控制系统如图2-2所示：在生产现场，有两个进料罐，装载2种

24、不同液体。根据生产要求不同，按照不同的配方进行注料，由于两个进料罐与其管道是相同的，即可近似为同一时刻内，进料流量相同，所以根据注入的定时时间不同，即可达到配方要求。完成液体注入后，下方的混合罐开始工作，利用变频器的控制，使电机的转速发生变化，进行一次快搅拌，一次慢搅拌，如此交替。混合时间到达所要求的定时时间后，阀门C打开，使混合后的产品进入储物罐。并循环如此。系统工艺流程图如图2-2所示。图2-2 液体混合控制系统工艺流程图2.3 控制方案“手动”控制方式：在该方式下，控制人员利用触摸屏上的控制按钮，对系统进行操作，进行配方的选择，以及实现电机调速，其它动作将是系统自动进行。工艺过程与控制要

25、求： 1初始状态各电磁阀门Y1、Y2、Y3和搅拌机M均为OFF，容器为空的，液面传感器L1、L2为OFF。2启动操作按下启动按钮，开始下列操作：1) 在触摸屏上选择所需配方。电磁阀Y1闭合（Y1为ON），开始注入液体A，电磁阀Y2闭合（Y2为ON），开始注入液体B。按配方所需，达到定时时间后，电磁阀Y1，Y2打开（Y1，Y2为OFF）。注料部分完毕；2) 当液体A，B注入结束后，M为ON，开始搅拌；3) 利用变频器调节电机速度，使其对液体进行一次慢搅拌，一次快搅拌；4) 混合液体搅拌混合时间为6s，M为OFF，停止搅动；5) 电磁阀闭合（Y3为ON），将混合后的液体注入储物罐；6) 当液面下降

26、到L2时，再经过5s，容器放空，完成一次操作；3停止操作按下停止按钮，在当前的混合操作处理完毕后，才使系统停止于初始状态。4故障信号故障信号部分主要处理控制系统运行过程中的故障。在此系统运行时，可能出现如下几种故障：1) 电磁阀门Y1、Y2、Y3出现故障，可能导致系统不能正常运作；2) 电机M出现故障，不能实时的对液体进行混合搅拌；3) 在注料之前，混合罐并非是空罐，此时要利用液面传感器进行检测，若混合罐确实不为空的状态，则要停止注料动作，打开阀门C，将液体排进储物罐内；以上几种故障信号，均为实际生产中所遇到的常规性故障，当出现故障时，应立即停车检测，对故障进行检修，以免遭成不必要的浪费与损失

27、，确保系统可进行安全性生产。第3章 下位机软件编程3.1 S7-300概述S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块，信号模块和功能模块满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块很方便。S7-300的每个CPU都有一个使用MPI（多点接口）通信协议的RS-485接口。有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口，PROFINET接口或PtP（点对点）串行通信接口。S7-300不需要附加任何硬件，软件和编程，就可以建立一个MPI网络。使用CPU集成的PROFIBUS-DP接口或通信处理器，S7-300可

28、以作DP网络上的主站或从站。S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，使用方便。STEP7的功能块图和梯形图编程语言符合IEC61131标准，语句表编程语言与IEC标准稍有不同，以保证与STEP5的兼容，3种编程语言可以互相转换。S7-300已将HMI（人机接口）服务集成到操作系统内，大大减少了人机对话的编程要求。S7-300按指定的刷新速度自动地将数据传送给SIMATIC人机界面。3.2 S7-300的组成部件S7-300PLC是模块式的PLC，它由以下几部分组成4：1中央处理单元（CPU）CPU用于存储和处理用户程序，控制集中式I/O和分布式I/O。各种CPU有不同的性能

29、，有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯，模式选择开关，24V电源端子和微存储卡插槽。2电源模块（PS）电源模块用于将AC 220V的电源转换为DC24V电源，供CPU模块和I/O模块使用。电源模块和额定输出电流由2A，5A和10A3种，过载时模块上的LED闪烁。 3信号模块（SM）信号模块是数字量输入/输出模块（简称为DI/DO）和模拟量输入/输出模块（简称为AI/AO）的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。4功能模块（FM）功能模块式智能的信号处理模块，它们不占用CPU的资源，

30、对来自现场设备的信号进行控制和处理，并将信息传送给CPU。5通信处理器（CP）通信处理器用于PLC之间，PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP，AS-i和工业以太网，或用于实现点对点通信。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。6接口模块（IM）接口模块用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。7导轨铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。3.3 本次设计的S7-300硬件选择本次设计硬件选择中，选择订货号为：6ES7 315-2AF00-0AB0的CPU 315（1），该CPU功能强大，可满足大部分控制要求，且性价比较

31、好，所以选择该CPU。根据本次工艺流程可知，共有12个数字输入点，所以在硬件选择中，选择订货号为：6ES7 321-1BH00-0AA0的16路开关量输入卡；共有17个数字量输出点，所以在硬件选择中，选择订货号为：6ES7 322-1BL00-0AA0的32路开关量输出卡；共有高液位与低液位2个模拟量输入点，且模拟量信号为420mA。所以在硬件选择中，选择订货号为：6ES7 331-7KB00-0AB0的2路模拟量输入卡。详细I/O点表见附录A。详细端子图见附录B。3.4 本次设计的下位机控制要求本次设计主要利用S7-300编程，实现系统功能如下：1系统启动及停止；23种不同配料方式；3利用变

32、频器，进行调速；4手动控制故障信号，使系统进行故障仿真。在下位机编程的过程中，要有清晰的思路，才能进行正确的编程。程序流程图是编程之前必须做的一项工作。本次设计，下位机程序较为简单，具体实现步骤如下：1) 启动系统；2) 判断储物罐中的液位是否为高液位，如果是高液位，则需打开阀门C进行排放，直到排放结束后，在进行注料；若不为高液位，则进行配方的选择；3) 判断一下阀门A，B是否故障，如果发生故障，则需停车检修。若无故障，则进行注料；4) 判断电机是否故障，如果发生故障，则需停车检修。若无故障，则进行电机的调速；5) 电机运行结束后，阀门C将自动打开，此时需判断阀门C是否出故障，如果出故障，则需

33、停车检修。若无故障，则向成品罐中注入生成的产品，并进行5s的排空；6) 此次动作结束。下位机程序流程图如图3-1所示。图3-1 程序流程图3.5 下位机程序分析1进入STEP7软件，进行硬件选择，如图3-2所示。 图3-2系统硬件选择2打开符号编辑器，在编辑器中添加程序所需变量，如图3-3所示。图3-3 符号编辑器中的符号设置3打开OB1块，进行程序编写。程序段1，2分析如下：程序段1，2为系统启停程序段。系统的启动利用点I0.0手动控制，对中间变量M0.0进行置位，使以下每段程序运行之前，都必须满足点M0.0的导通，才能进行工作。系统的停止利用点I0.1手动控制，对中间变量M0.0进行复位，

34、一旦启用停止按钮，则M0.0被复位，达到系统停车的目的。当系统运行时，A、B、C阀门以及电机出现故障，或在注料动作发生时，传感器检测到储物罐内液体为高液面，则中间变量M0.0被复位，系统停止运行。程序段36分析如下：通过定时器对阀门打开时间的定时，对液体混合比例进行控制。通过对阀门A打开的时间定时为5s，对阀门B打开的时间定时为8s，即可设置配方A的比例为5:8。程序段710分析如下：通过定时器对阀门打开时间的定时，对液体混合比例进行控制。通过对阀门A打开的时间定时为3s，对阀门B打开的时间定时为4s，即可设置配方A的比例为3:4。程序段1114分析如下：通过定时器对阀门打开时间的定时，对液体

35、混合比例进行控制。通过对阀门A打开的时间定时为6s，对阀门B打开的时间定时为5s，即可设置配方A的比例为6:5。程序段314为配方选择程序段。配方选择是液体混合控制系统的主要组成部分，根据不同配方，生产不同产品。利用定时器进行阀门定时，对液体混合比例进行控制。手动I1.0，I0.1，I0.2进行3种配方的控制，手动控制按钮可以避免3种配方混合出错，使每个配方都独立的进行操作。这种方法，简单易行，操作可靠。操作人员能够很容易的掌握操作方法5。程序段1520分析如下：程序段1520为电机运行程序段。在液体混合控制设计中，电机搅拌是生成产品的主要工序，3种配方中的任意一种运行结束后，电机开始运行，使

36、液体混合充分，达到产品质量要求。在本次设计中，根据控制要求，利用变频器的调节去调整电机转速，首先使电机进行5s的慢速搅拌，然后再进行5s的快速搅拌。程序段21分析如下：程序段21为停止电机运行程序段。程序段22为储物罐注料程序段。液体混合搅拌完成之后，要使新生成的产品注入储物罐。当电机快速运行结束时，阀门C打开，使产品注入到储物罐。程序段23，24分析如下：程序段23，24为控制排空程序段。在混合罐内的最低处，有液面传感器L2，当L2检测到液位到达最低处，并且是在液体排放的过程中，开始进行5s的排空。利用中间变量M11.2来区分处在2种不同情况下的液位最低状态，当进料罐开始进行注料时，为一种液

37、位最低状态，但此时，并不能打开C阀进行排空；当液体进入储物罐时，又会达到液位最低状态，此时，则需打开阀C进行排空，所以用中间变量M11.2来区分开这两种状况下的液位最低状态，以免发生浪费原料的现象6。程序段2528分析如下：程序段2528程序段为变量规整程序段。此次变量规整利于上位机组态与变量连接，在3种配方下的A，B阀门状态，在上位机中，统一规整为一种A，B阀门状态，将电机的慢速运行，快速运行统一规整为电机运行。这样规整有利于上位机的画面运行，以及画面观察。在STEP7的仿真中，可以明晰的观察到各个变量的状态。程序段2932程序段分析如下：程序段2932程序段为手动故障控制程序段。本次设计主

38、要是液体混合控制的仿真设计，所以不能够进行实时故障的检测，所以在下位机程序中，需要进行手动故障的控制，A、B、C3个阀门以及电机是本次设计的主要故障点，一旦以上四个故障点中的任意一个发生故障，则系统停止运行，需要工作人员进行检修。检修结束后，要进行报警复位。详细下位机程序见附录A。程序段33分析如下：报警复位。4利用STEP仿真器，对下位机程序进行仿真，如图3-4所示。图3-4 系统仿真画面第4章 上位机WinCC软件组态4.1 WinCC组态软件简介西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是HMI/SCADA软件中的后起之秀，1996年进入

39、世界工控组态软件市场，当年就被美国Control Engineering 杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议的成为第一。WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server 2000(WinCC V6.0以前版本采用Sybase)数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与SIMATIC S5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC还有对SIMATIC

40、 PLC 进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。4.2 WinCC系统构成WinCC基本系统是很多应用程序的核心。它包含以下九大部件：1变量管理器 变量管理器（tag management）管理WinCC中所使用的外部变量，内部变量和通讯驱动程序。2图形编辑器 图形编辑器（graphics designer）用于设计各种图形画面。3报警记录报警记录（alarm logging）负责采集和归档报警消息。4变量归档变量归档（tag logging）负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。5报表编辑器报表编辑器（report designer）提供许多标准的报表，也可以设计各种格式的报表，并可

41、按照预定的时间进行打印。6全局脚本全局脚本（global script）是系统设计人员用ANSI-C及Visual Basic 编写的代码，以满足项目的需要。7文本库文本库（text library）编辑不同语言版本下的文本消息。8用户管理器用户管理器（user administrator）用来分配，管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。9交叉引用表交叉引用表（cross-reference）负责搜索在画面，函数，归档和消息中所使用的变量，函数，OLE对象和ActiveX控件。4.3 本设计中WinCC的组态过程4.3.1 创建项目打开WinCC后，在文件中点击新建，将出现WinCC项目管

42、理器画面，选择单用户项目后点击确定后出现创建新画面对话框，在项目名称栏里添加好项目名称后点击创建即可完成，如图4-1，4-2所示。 图4-1 项目管理器 图4-2 创建新项目 4.3.2 创建主画面单击图形编辑器，在屏幕右侧单击右键，点击新建画面，在所得新画面之后，点击右键，进行重命名，如图4-3所示。 图4-3 主画面创建在创建主画面之后，点击进入，开始画面的编辑，将本次设计的工艺流程图编辑到主画面，编辑过程如图4-4，4-5所示。 图4-4 打开图库 图4-5 画面编辑在主画面创建过程中，需要将每个部件进行编组，便于对部件的编辑，对于详细的画面编辑过程，本文不予一一解释，按照以上编辑过程，

43、得主画面如图4-6所示。 图4-6 主画面流程图在主画面中，添加按钮是一项非常重要的工作，在系统运行时，可以通过按钮去改变所处界面，添加按钮过程如图4-7所示。 图4-7 按钮组态过程在右侧对象选项板内选择窗口对象，点击按钮，在画面上用鼠标拖动，则出现按钮，点击右键属性对按钮进行文本设置，之后点击右键组态对话框，在最下方，单击鼠标改变画面一栏中，点击后面图标，选择要点击按钮需进入的画面即可。4.3.3 创建登录画面在工业生产中，系统的操作并不是每个人都可以进行操作，需要有专门的技术员进行操作，以免发生操作不当，或机密泄露的问题，所以本次设计在上位机组态中，添加了登录画，添加过程，如图4-8所示

44、。 图4-8 用户管理点击用户管理器，在授权栏里选中改变画面，进行登录名，密码的设置，然后进入已新建的登录画面中。在右侧的对象选项板中选择窗口对象中的按钮，然后对按钮进行组态，点击右键对象属性，选择事件，点击按钮中的鼠标动作，单击右键进入C动作，对于用户登录及进入画面需要输入不同的脚本程序，点击确定，即可完成对按钮的组态。 用于用户登录按钮的添加程序如下：#pragma code(USEADMIN.DLL)#include PWRT_API.H#pragma code()PWRTLogin(1);SetTagBit(denglu，1);用于进入系统按钮的添加程序入下：SetTagBit(den

45、glu，0); OpenPicture(液体混合控制系统.PDL);组态过程如图4-9,4-10所示。图4-9 设置对象属性 图4-10 添加脚本程序在登录画面中，也可插入图片，点击对象选项板中的智能对象，点击图形对象，即可在图库里添加图片。系统登录画面如图4-11所示。 图4-11系统登录画面4.3.4 创建变量在上位机组态中，变量的创建是实现动画的主要步骤，创建过程如图4-12，4-13所示。 图4-12 添加驱动程序 图4-13变量创建点击变量管理右键，添加新的驱动程序，选择SIMATIC S7 Protocol Suite.chn项，点击确认，将在变量管理栏中出现这一项，选择MPI，在

46、其右侧区域，点击鼠标右键，选择新程序驱动链接，要注意，在属性中，需将插槽号改为2，否则会导致上位机与下位机无法通讯。在其内部即可新建所需变量。本设计在上位机组态中，所需变量主要由以下变量组成：1控制开关变量：Astart,Bstart,Cstart,motorstart;2手动故障变量：Afault,Bfault,Cfault,motorfault;3报警变量：A-alarm,B-alarm,C-alarm,M-alarm，level-alarm;4液位检测变量：HH,HL.4.3.5 主画面上的变量链接变量链接是上位机与下位机通讯的重要步骤，如果不能够进行正确的变量链接，则会导致上位机与下位

47、机通讯出错。打开主画面后，选中所需链接的对象，点击右键属性，在背景颜色后的动态栏中点击右键，选择动态对话框项，在表达式中选择所要链接的变量，选择合适的数据类型与背景颜色，即可完成变量的链接。变量链接主要步骤如图4-14，4-15所示。图4-14 设置对象属性图4-15 变量链接4.3.6 创建报警画面在所有工业生产中，都会不可避免的发生一些随机的故障，所以在控制系统中，需要对报警进行实时的显示，才能对故障进行实时的维修，尽可能减少损失。本次设计中，在上位机中添加了报警画面，以便对故障进行实时报警。在编辑报警画面之前，要进行报警记录以及变量记录的编辑，才能使报警画面在系统运行时进行动态显示。在报

48、警记录页面中，如有模拟量报警，则需添加模拟量报警，并要在变量记录里面新建一个模拟量变量，才能在报警记录页面中添加上这个模拟量报警，二进制报警则在消息变量里进行直接添加，双击消息变量列，将出现变量管理，此时，就可把所需的报警变量按编号添加到报警记录列表里。编辑报警记录，变量记录如图4-16，4-17所示。图4-16 报警记录编辑图4-17 变量记录编辑在变量记录页面中，在左上方的归档处，点击右键，选择归档向导，点击下一步，创建一个英文名，再点击下一步，将出现打开变量管理器一栏，此时就可添加在变量管理内所创建的需要进行报警显示的变量。此时完成报警画面之前所需进行的工作。报警画面创建如图4-18所示

49、。图4-18 报警画面在报警画面中，在对象选项版中选择控件，单击 WinCC Alarm Control项，在画面上拖动，即可得到所示报警画面。按钮添加步骤及组态，在创建主画面中已详细表述，在这里就不再赘述。第5章 触摸屏软件5.1 WinCC Flexible简介西门子视窗控制中心SIMATIC（Windows Control Center）是HMI/SCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国Control Engineering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，他无可争议地成为第一8。在过程日趋复杂

50、、对机器和设备功能的要求不断增加的环境中，获得最大的透明性对操作员来说至关重要。人机界面(HMI)提供了这种透明性。HMI系统代表人(操作员)与过程(机器/设备)之间的接口。控制器是控制过程的实际单元。因此，在操作员和WinCC flexible (位于HMI设备端)之间以及WinCC flexible和控制器之间均存在一个接口。HMI软件WinCC flexible是用前瞻性的自动化理念，针对具有简单高效的工程特征的机器级而设计的。WinCC flexible综合了下列优点：直接的处理方式、透明性、灵活性。WinCC flexible的组件如下：1WinCC flexible工程系统：Win

51、CC flexible工程系统是用于处理所有基本组态任务的软件。WinCC flexible版本决定了在SIMATIC HMI系列中，可以组态哪种HMI设备。 2WinCC flexible运行系统：WinCC flexible运行系统是用于过程可视化的软件。在运行系统中，您可以在过程模式下执行项目。3WinCC flexible选件：WinCC flexible选件可以扩展WinCC flexible的标准功能。每个选件需要一个单独的许可证。5.2 建立项目打开WinCC flexible软件，点击项目，利用项目向导创建一个新项目，选择项目类型中依据本项目要求选择小型设备，点击下一步进入HM

52、I设备和控制器中，HMI选择1024*768，连接选择MPI/DP通讯，控制器选择S7-300。点击下一步进入画面模板以画面提示的选择相应完成画面浏览、系统画面、库、项目信息等步骤。创建项目，创建画面如图5-1，5-2所示。图5-1 创建项目图5-2 创建画面5.3 创建变量创建项目之后，点击左侧项目栏中的通讯下的变量，进行变量的创建，如图5-3，5-4所示。图 5-3 创建变量图5-4 变量链接创建变量是使触摸屏与下位机通讯的必要途径，所以在变量的连接中，要注意正确的地址链接，触摸屏变量在下位机程序中，需要在I点下并上M点。在触摸屏变量设置中，要设置所并的M点。在变量链接的过程中，要注意地址

53、正确，否则会导致触摸屏不能与下位机进行通讯。5.4 创建触摸屏画面在触摸屏的设计中，创建过程画面是一个很重要的部分，它所创建的画面简单易懂，人们通过它能进行直观的操作，可以对上位机画面进行直接控制。本设计主要创建5个画面，分别是：登录画面、启动画面、配方画面、调速画面、报警画面。5.4.1 创建登录画面打开已创建好的项目，点击右侧栏内的画面，单击右键，选择添加画面，同时也可重命名画面，如图5-5，5-6所示。图5-5 编辑用户管理图5-6 创建登录画面5.4.2 创建启动画面启动画面的创建主要涵盖本次设计所需的主要控制部分，包括系统的启动，停止，配方选择及调速。如图5-7所示。图5-7 创建启

54、动画面在启动画面上创建所需按钮，本次设计中，在启动画面上添加4个按钮，点击右侧简单对象中的按钮，在画面上进行拖动，即可出现按钮，选择按钮，点击右键，选择属性内的事件中的按下，选择函数ActivateScreen，选择按钮名称所对应的画面，如：配方按钮，在画面名中应选择配方画面即可。在启动按钮中，选择函数时，将变量START进行置位。在退出按钮中，选择函数时，选择StopRuntime即可。5.4.3 创建配方画面配方控制画面，主要涵盖3种不同的配方的按钮，以及下一步要用到的调速按钮。如图5-8所示。图5-8 创建配方画面在配方画面中进行配方的选择，在配方按钮中，要进行与变量的链接，才能实现配方

55、选择的功能，点击属性中的动画，选择可见性，与相应的变量进行链接，如：配方A与变量fA链接。在事件中的按下中，对相应的变量进行置位。配方选择结束后，要进行调速，即要添加一个调速按钮。用以进入调速画面，进行调速。5.4.4 创建调速画面调速画面主要涵盖低速调节，高速调节。点击按钮，选择属性中的动画，点击可见性，进行相应的变量链接。在事件的按下中，对相应的变量进行置位即可。调速主要是指在两种液体混合时，利用电机的运转速度发生改变，使两种液体进行充分的混合。本次设计中，电机的调速是根据变频器的调节才得以进行，变频器的应用将在下章进行详细的说明。如图5-9所示。图5-9 创建调速画面5.5 触摸屏与下位

56、机的连接在触摸屏与下位机的通讯中，变量连接是其中的一部分。还需要在左侧框图内连接中进行连接。点击通讯驱动程序，选择SIMATIC S7 300/400。参数默认为系统所给定值。如图5-10所示。图5-10 触摸屏与下位机连接第6章 变频器控制6.1 西门子MICROMASTER 4 变频器概述2001年，西门子标准传动部向中国市场投放了全新一代MM4系列标准变频器，包括紧凑型MM410系列，基本型MM420系列，节能型MM430系列和矢量型MM440系列。6.1.1 MM440变频器特点MM440主要特性：易于安装，参数设置简单；易于调试；牢固的EMC设计；可由IT电源供电；对控制信号响应快速

57、而且可重复；参数设置范围广泛，确保其可对广泛的应用对象进行配置；电缆连接简单；具有多个继电器输出；具有多个模拟量输出（0-20mA）；6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线；有多种可选件供用户选用：用于与PC通信模块，基本操作面板（BOP），高级操作板（AOP），用于进行现场总线通信的PROFIBUS通信模块。性能特征：快速电流限制（FCL）功能，避免运行中不应用有的跳闸；内置直流注入制动；复合制动功能改善了制动特性；内置的制动单元（仅限外形尺寸为A至F的MM440变频器）；自由功能块；动力制动的缓冲功能；定位控制的斜坡下降曲线。保护特性：过电压/欠电压保护；变频器过热保护；接地故

58、障保护；短路保护；PTC/KTY电机保护器。6.1.2 MM440变频器按钮操作本次设计在液体混合搅拌时，利用了变频器的调节来进行对电机转速的调节，所以电机调速的控制要求需要利用变频器基本操作面板（BOP）来更改变频器的各个参数去实现。BOP具有五位数字的七段显示，用于显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及该参数的设定值和实际值。BOP不能存储参数的信息。BOP基本操作面板上的按钮功能如表6-1所示。表6-1 BOP基本操作面板上的按钮功能显示/按钮功能功能的说明状态显示LCD 显示变频器当前的设定值。起动变频器按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操应设定P0700=

59、1。停止变频器OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车.缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定P0700=1。OFF2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车此功能总是“使能”的。改变电动机转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号（）表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。电动机点动在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。功能此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在显示任

60、何一个参数时按下此键并保持不动2 秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：1. 直流回路电压（用d 表示 单位：V） 2. 输出电流（A）3. 输出频率（Hz）4. 输出电压（用o 表示 单位：V）。5. 由P0005 选定的数值（如果P0005 选择显示上述参数中的任何一个（3 4，或5）， 这里将不再显示）。连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。跳转功能在显示任何一个参数（rXXXX 或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到r0000, 如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。跳转到r0000 后，按此键将返回原来的显示点。访问参数按此键即可访问参数。增加数值按此

61、键即可增加面板上显示的参数数值。减少数值按此键即可减少面板上显示的参数数值. 6.2 变频器与PLC实现固定频率控制过程 6.2.1 目的本次设计利用变频的调整频率来实现电机调速，所以要利用变频器与PLC实现固定频率控制。本次设计采用2段固定频率控制，按下SB1按钮允许电机运行；按下SB3按钮电机运行在固定频率1（设定为15Hz）；按下SB4按钮电机运行在固定频率1（设定为30Hz）；按下SB2按钮电机停止运行。具体控制接线图如图6-1所示。图6-1 MM440变频器加PLC实现固定频率控制接线图变频器数字输入及对应PLC输出变量约定如表6-2所示。表6-2 变频器数字输入及对应PLC输出量约定表变频器端口数