机械制造自动化专业 数字化焊接车间设备监控与管理下位机系统设计

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1、题目：数字化焊接车间设备监控与管理下位机系统设计摘 要为了有效地管理车间内的焊接设备，提高产品的质量及生产效率，有必要开发出相应的车间管理辅助设备。此外，随着信息技术的发展，计算机的价格越来越便宜，在先进的制造车间往往不再是各台设备的独立工作，而是通过新技术使各设备能够协调统一起完成一系列的工作，从而实现设备的有效利用及生产率的提高。本系统上位机采用组态王开发监控软件，该设备具有较强的扩展能力，拥有较多接口和内置部件。同时系统自带较多内置功能。这些都使得该设备具有较为明显的优势，性能好，处理效率高。同时性价比高，能够满足我们的需求。同时其作为我国自主研发的研究，具有很好地性能以及适合我国技术人

2、员的思维模式。同时该软件具有诸多良好的性能，能够为我们设计减少很多工作量和提高效率。 关键词：组态王 监控系统 PLC 设计 AbstractIn order to effectively manage the welding equipment in the workshop, improve the quality of products and production efficiency, it is necessary to develop the corresponding auxiliary equipment workshop management. In addition, w

3、ith the development of information technology, the prices of computers are getting cheaper, in advanced manufacturing workshop is often no longer the independent work of the equipment, but through new technologies enable the equipment can improve the system to coordinate together to complete a serie

4、s of work, so the implementation of effective utilization and productivity.The computer system uses KingView to develop a monitoring software, the device has strong expansion ability, has many interfaces and built-in parts. At the same time the system comes with more built-in functions. All these ma

5、ke the equipment has obvious advantages, good performance and high processing efficiency. At the same time cost-effective, able to meet our needs. At the same time as the research of our countrys independent research and development, has a very good performance and suitable for our countrys technica

6、l personnels thinking mode. At the same time, the software has a lot of good performance, which can reduce a lot of work and improve the efficiency of our design. Key Words：Kingview monitoring system PLC designII目 录摘要IAbstractII1 引言11.1 设计目标21.2 设计原则32 系统方案42.1 系统总体架构设计42.2 系统功能42.3 系统方案53 控制系统硬件设计7

7、3.1系统主要元器件73.1.1 PLC及扩展模块73.1.2 传感器93.1.3组态王133.2电路图144 控制系统软件设计164.1 PLC程序设计164.1.1 PLC通讯设置TCP/IP164.1.2 PLC梯形图程序204.2 人机界面设计214.3系统调试23结论25致谢26参考文献27IV 1 引言工业化以来，随着科学技术及管理思想的不断发展，加工制造行业在技术应用及管理模式上也经历了几次变革，从实际发展来看，每一次变革都带来了工业水平的大幅提升，让释了技术革命对工业发展的主导作用，体现到车间层面的应用管理，则大致经历了如下阶段。从历史发展规律来看，随着科学技术及管理思想的不断

8、进步，企业发展和管理的变革也是一种必然，即从某个阶段到下一阶段的发展是历史趋势使然，而从大的发展周期角度，当前的企业发展也正处于从第三阶段向第四阶段的过渡时期，即从单一的信息技术辅助生产到信息化和工业化两化融合的过渡阶段。在车间管理发展的第三阶段，信息技术的引入改变了原来以设备为基础，靠人管理的管理模式，通过各种信息化手段(控制技术和管理系统等)的应用，极大改善及优化了车间流程和管理手段，在整合资源、提高效率和辅助决策等方面充分发挥了信息化的优势，使企业生产力得到大幅提升，推动了工业生产的长时期发展。但随着工业化进程的不断深入，以信息化辅助生产的管理模式也逐步暴露了一些不足，最明显的是体现在和

9、工业现场控制的结合和统一方面，长期以来，工业技术发展和信息化发展在企业内部呈现了两条单一的发展路线，两者只是单向的带动和促进关系，没能发挥工业化、信息化相互促进和彼此带动的良好效应。表现在具体层面是为了信息化而信息化，出现了工业化和信息化脱节的状况，一方面工业技术的发展未能更好的体现信息技术的指导和支持作用，另一方面信息技术也未能更好的结合工业化实际，未能更好的体现和工业化的互动作用。而这也在一定程度上制约了企业的进一步发展，如何更好的实现工业化和信息化的融合，更好的发挥两者的互动作用成为企业发展的新课题。从技术发展规律来看，前一阶段的发展瓶颈直接催生了下一阶段的技术变革，两化融合的概念也就适

10、应工业发展需要应运而生，以信息化带动工业化、以工业化促进信息化的科学发展模式成为企业的发展方向。而具体到车间管理层面，能充分体现并实践两化融合概念的数字化车间建设成为现代企业的建设方向。每一次技术变革都会带来工业发展的长足进步，充分践行两化融合概念的数字化车间也不例外，通过数字化车间的建设，解决企业核心环节(车间管理)的两化融合问题，充分发挥信息技术、工业技术的优势，使两者相互促进和共同发展。一方面更好的发挥信息化平台优势，发挥信息技术的指导及决策分析作用，整合、串联并优化各项工业技术的应用，改进工业流程，指导并促进工业水平的发展。另一方面也要充分发挥各种工业技术对信息化的支撑和基础作用，从信

11、息、技术、工艺层面更好的支持信息化建设，使信息化建设来源于生产、服务于生产。提升车间的数字化水平，即做好数字化车间的建设，已逐步成为现代企业增强核心竟争力的关键。图1-1 先进的信息化管理车间为进一步推进经济体制改革，提升国民经济的工业化和信息化水平，国家提出了两化融合的工业发展要求，即信息化进程和工业化进程不再相互独立进行，不再是单方的带动和促进关系，而是以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，实现信息化和工业化的高层次的深度结合，走新型工业化道路，其核心是信息化支撑，追求可持续发展，坚持科学发展。深入理解两化融合的概念及含义，可以看出数字化车间的建设正是两化融合在工业现场的具体实践。通过数

12、字化车间的建设，在基础的工业单元层面对信息化和工业化进行有机整合，实现两化融合的科学发展。可以说数字化车间的建设不仅是科技发展的必然产物，更是两化融合的发展要求。从国家两化融合的发展规划可以看出，数字化车间是工业化和信息化发展的必然产物，是新时期工业化进程中科学技术推动生产力发展的良好切入点，数字化车间建设符合科学发展规律，在企业发展要求和国家政策的支持下，正在各行各业如火如荼的展开。数字化车间是一种思想，更是一种模式，具有广阔的应用前景，不仅适用于制造行业，更可因地制宜的推广应用于国民经济的多个行业，水利、电力、矿业、化工、农业以及加工制造业等等，均可将数字化车间的理念加以实践应用，为国民经

13、济发展助力，提升国民经济的整体水平。1.1 设计目标在一个焊接车间，可能有多台焊接设备，同一台设备也可能有多个人使用，焊接过程中的数据有可能需要记录下来以用于提高焊接产品的质量，焊接设备可能发生了故障需要及时发现。焊接作为一种复杂的热加工工艺，焊接质量受到多方面因素的影响，比如焊接的电流、电压、保护气体流量等，那么实现对焊接过程的参数进行实时采集并作为数据存储下来，有利于对焊缝质量的复查，焊接过程的还原，使得焊接质量具有更高的可重复性和可追溯性。依据存储下来的数据，不断的调整和优化焊接过程，达到提高生产效率和产品质量的目的。为了有效地管理车间内的焊接设备，提高产品的质量及生产效率，有必要开发出

14、相应的车间管理辅助设备。此外，随着信息技术的发展，计算机的价格越来越便宜，在先进的制造车间往往不再是各台设备的独立工作，而是通过新技术使各设备能够协调统一起完成一系列的工作，从而实现设备的有效利用及生产率的提高。在焊接领域，无论对生产加工过程，质量评定还是科学研究，都需要有数据的支持，焊接作为特殊工序如何有效监控是制造领域的一个重要课题，焊接过程非常容易受到外界条件变化的影响，而且和焊接作业者本身的技能密切相关，焊接质量是关系到产品质量的关键因素，因此，如何有效地取得焊接过程的数据是分析焊接质量的重要依据。设计出一套能够实现焊接车间级的设备管理服务系统。该系统能够方便快捷的记录焊接设备的使用情

15、况，不仅在本地工作站和中心服务器直观地显示焊接过程中采集过来的实时焊接工艺数据，而且能有效地把这些数据记录下来并以文件的形式保存下来，工作人员能够直接运用电脑能够直接打开和打印这些文件，在焊接设备不正常工作时能够发出警报。子管理服务系统具有可扩展性，而且整个设备管理服务系统也具有可扩展性及可升级性。1.2 设计原则1、设备安装方便，调试简单，系统稳定可靠。2、人机交互界面操作简单，人性化，符合操作者习惯，信息记录浏览方便快捷。3、对设备的非正常工作能够做出警报。本车间焊接设备管理系统适用于对焊接车间内的焊接设备进行统一的服务管理。2 系统方案根据焊接车间的实际情况和设计目标，并结合本焊接技术研

16、究所现有技术水平，整个系统从结构特征上来看将设计为3个层次，包括中心服务器、子管理系统(本地工作站)和焊接设备。设备的名称、当时设备使用者、开始和结束使用的时间和焊接设备在工作过程中采集过来的焊接参数等；焊接设备是车间中加入了本管理系统系统的设备，信息和数据的直接来源。2.1 系统总体架构设计图2-1 系统的总体结构图如上图2-1所示为车间焊接设备管理系统总体结构图。在该图中，子管理系统通过将焊接设备的信号数据采集过来并进行一定的出来，并把相关信息数据通过TCP/IP协议经过路由器传给了中心服务器PC，中心服务器中运行程序能够把接收到的数据进行处理判断再发给子管理系统。各子管理系统在网络上是并

17、行的结构，子管理系统能够在一定范围内是可以自由添加的，具有可扩展性。由于不管是中心服务器还是子管理系统的核心单元都是PC，因此其开放性可以得到保证的。2.2 系统功能如下图2-2所示，中心服务器主要由计算机及其外围的输入输出设备构成，包括键盘、鼠标、显示器及打印机构成，这些设备还有一些其他辅助设备将安装在机箱中。图2-2 系统的中心服务器中心服务器是处于整个管理系统的网络中最高级，它通过接入局域网路由器，加入整个管理系统的网络，通过TCP/IP协议，实现与子管理系统的数据交换，如图2-1所示。当中心服务器PC开机后，如果本管理系统网络所处的局域网连接和工作正常，那么中心服务器将在显示器上显示各

18、焊接设备的工作状态。监控系统主要有以下功能：（1）系统界面显示正在工作焊机的焊接曲线，可以将焊机的参数通过波形，实时动态显示，焊接数据可存储于服务器，能够查询历史数据。（2）故障报表用户可以查看所有焊机的报警故障信息，焊机的名称、编号、台位、故障名称、工人信息、故障时刻的电流、电压、送丝速度、气体流量，超规范的开始、结束时间、曲线对比状态的图表。2.3 系统方案系统上位机采用组态王开发监控软件，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在

19、自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。图2-3 上位机软件系统下位机选用西门子S7-200CN系列的PLC，使用CP234-1网络通讯扩展模块进行系统的TCP/IP通讯组网，使用EM231模拟量输入扩展模块进行

20、焊接机数据采集，从而完成整个系统的主要硬件配置。图2-4西门子PLC3 控制系统硬件设计3.1系统主要元器件3.1.1 PLC及扩展模块PLC，是一种可编程存储器，当用户为执行的指令后，通过输入/输了设备传送信号，模拟信号和数字信号相互转换，控制器来控制各种类型的机械或生产过程。70年代初的微处理器。人们很快会被介绍给可编程序控制器，使可编程控制器增加了计算、数据传输和处理功能。有了计算机发展，更方便并反映可编程控制器功能及优点，我们把它叫做逻辑编程控制器。该系统具有体积小、运算速度快、抗干扰能力强、模拟量大、性能高的特点，具有很高的抗干扰能力。二十世纪八十年代初，PLC在发达的工业国家使用相

21、当普遍。从那时起，全世界开始投入研发和生产PLC的国家和企业越来越多，产量也得到了快速增加。PLC已经步入了成熟阶段。 从80年代到九，在这一时期，可编程控制器的增长速度最快，可维持在3040%。可编程控制器在数字计算、处理能力、网络容量、人机界面等方面的较大幅度增加，可编程控制器开始进入过程控制领域，在某些应用中取代了分布式控制系统。第二十世纪末，可编程控制器的开发更适合现代工业。在这个时间里大型机和超级计算机，及特殊功能单元的诞生，也产生了各种各样的通信单元和人机接口单元。因每种品牌配置不一样，所以它的选型方式也有所差异，下面着重介绍大家常用的西门子PLC的选型方法： 1、分析被控对象并且

22、提出控制要求 控制对象特点的详细分析过程和工作理解的指责对象的机械，电气、流体控制对象之间的PLC控制系统控制要求，确定控制方案，设计开发任务陈述。 2、确定PLC的I/O 根据系统控制的要求，以确保所有必需的输入装置（如按钮，位置开关，开关等）和各种传感器和输出设备（如：接触器，电磁阀，信号灯等执行器等），以确定与PLC的输入/输出设备相关联，并确定I/O点的PLC。 3、选择PLC的型号PLC选择包括对机型、容量、I/O模块、电源等的选择。 4、PLC分配I/O以及外围硬件线路 分布式I/ O点：画出PLC的I/ O点和相应的输入/输出设备的连接图或表之间的关系，这部分也可以在第2步完成。

23、外围硬件电路设计的PLC：绘制系统的电气线路图的其他部分，包括主电路和未进入PLC等控制电路由PLC的I/O连接图和PLC外围系统电气原理的电路图系统硬件电路已被确认。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，可以适用于各行各业，在各种场合中实现检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的相当强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。所以S7-200系列具有极高的性价比。S7-200系列的PLC非常经济适用，性价比很多，已经广泛的替代传统的继电器控制系统，升级到自动控制系统。在自动控制系统中充分发挥重要的作用。S7-200系列PLC的应用领域也相当的广泛，覆盖了大部分工业

24、领域，如：各种机械、机床、环境保护、民用设施、电力设施设备等等。图3-1 S7-200应用扩展图本系统选用CPU 222，可连接最多七个扩展模块，最大扩展值至168个数字量输入输出点或38个模拟量输入输出点。2个100KHz的高速脉冲输出端口， RS485通讯口，与PPI协议，MPI通信协议和自由方式通讯能力。该机还加入了各种功能，如内置的模拟I / O，数字控制功能，PID自整定功能，数据记录和配方功能。具有模拟I / O和强大的控制能力。主要用于控制系统的更高要求，更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的速度和更强大的综合特殊功能。一些复杂的，可以完全适应中小型控制系统。图3-2 C

25、PU 222及EM231 接线图CP 243-1 是一种通讯处理器，设计用于在S7-200 自动化系统中运行。它可用于将S7-200 系统连接到工业以太网（IE）中。CP 243-1 有助于 S7 产品系列通过因特网进行通讯。因此，可以使用STEP 7 Micro/WIN 32，对S7-200 进行远程组态、编程和诊断。而且，一台S7-200 还可通过以太网与其它S7-200、S7-300 或S7-400 控制器进行通讯。并可与OPC 服务器进行通讯。在开放式 SIMATIC NET 通讯系统中，工业以太网可以用作协调级和单元级网络。在技术上，工业以太网是一种基于屏蔽同轴电缆、双绞电缆而建立的

26、电气网络，或一种基于光纤电缆的光网络。工业以太网根据国际标准IEEE 802.3 定义。工业以太网是SIMATIC NET 概念的一个部分，与现场总线PROFIBUS 和AS 接口一起，可以确保协调级、单元级和现场级的不间断网络运行。CP 243-1 提供有三种通讯关系，可以单独使用，也可以组合使用：连接STEP 7 Micro/WIN 32；连接其它SIMATIC S7 系列远程组件；连接基于OPC 的PC/PG 应用程序。图3-3 CP 243-1模块3.1.2 传感器 (1)电流信号采集电流信号采集的核心器件为霍尔电流传感器，选用型号为：宇波模块CHF-400H，它采用开环霍尔直测式原理

27、，可以隔离测DC(直流)、AC(交流)、脉冲电流。实物图如下图。图3-4 宇波模块CHF-400H 该型号霍尔电流传感器的性能参数表，即下表：表3-1 宇波模块CHF-400H性能符号性能名称具体参数IN额定电流(RMS)400AIp测量范围0600AVM输出电压输出额定值4V，对应原边额定电流INX精度(Ta=+25)IN的1.0%Vc电源电压1215V(5%)Vi绝缘电压在原边与副边电路间：3KV有效值/50Hz/1分钟Voff失调电压（Ta =+25）当原边电流 IN=0 时，最大值：30mVTd温漂（Ta =-25+85）最大值：1mV/L线性度1%Tr反应时间10Sdi/dt-F频率

28、范围020KHzTa工作温度-25+85Ts贮存温度-25 +90 Ic耗电25mARL负载电流10KRs副边电阻（Ta =+85）-原边电阻（Ta =+85）-W重量80g(2)电压信号采集电压信号采集的核心器件为闭环霍尔电压传感器。选用型号为：宇波模块CHV-50P，它采用霍尔磁补偿工作原理，可以隔离测DC(直流)、AC(交流)、脉冲电压、小电流。实物图如下图。图3-5 CHV-50P实物图该型号闭环霍尔电压传感器的性能参数表，即下表。表3-2宇波模块CHV-50P性能符号性能名称具体参数IN额定电流(RMS)10mA（RMS）Ip测量范围020mARM测量电阻RM minRM max（V

29、c=1215V）0(在10mA或20mA时)350(在10mA 时)；100(在20mA时)IM测量电流（输出电流）输出额定值 50mA，对应原边电流 10mAKN匝数比5000：1000X精度（Ta=+25）IN的1%Vc电源电压(Vc)1215V (5%)Vi绝缘电压在原边与副边电路之间: 3KV有效值/50Hz/1 分钟Ioff失调电流（Ta=+25）在原边与副边电路之间: 3KV有效值/50Hz/1 分钟Td温漂（Ta=-25+70）典型值：ADMtek AN983 10/100 PC），点击“属性”，出现对话框，确认关闭对话框。 （2）打开STEP 7 MicroWIN 编程软件，点

30、击左侧“通信”，弹出“通信”对话框，双击“双击刷新”，找到S7200 CPU。（3）通过选择或手动将CP243-1 的地址填写到“远程”里后确认关闭。（4）点击“工具”菜单，选择“以太网向导”，并打开。 （5）点“下一步”（6）点击“读取模块”，找到CP243-1 以太网模块，选择相应的模块，点击“下一步”，设置IP 地址，子网掩码，网关。（7）点“下一步”，配置连接数目，如图(十一)，完成后点“下一步”。（8）这里要注意：选择“此为服务器连接”，并勾选“接受所有连接请求”，其它默认。点“下一个连接”，做同样设置。（9）确认后，进入窗口，不作修改，点“下一步”，进入窗口，点击“建议地址”后，点

31、击“下一步”，进入界面。（10）进入界面后，不用做任何修改，点击“完成”。弹出对话框，选择“是”，后关闭窗口，到此以太网的设置完成了，同样按以上步骤设置其它PLC。4.1.2 PLC梯形图程序PLC数据采集梯形图程序如下：图4-1 PLC数据采集梯形图程序4.2 人机界面设计（1）打开组态王kingview6.55，点击新建按钮，建立新工程，如下图所示：（2）按照提示进行设置，完成新建程序后，双击新建工程，进入工程浏览器界面。（3）在左侧菜单栏设备栏里选择COM1口，找到所有的PLC型号，建立连接，如下图所示：（4）在数据库里将PLC的变量投影到组态王软件里，如下图所示：（5）新建画面，并将系

32、统所需要的内容加入画面中，如下图所示：4.3系统调试系统编程结束后，需要到PLC项目里选择编译进行错误检查，如下图所示。如无错误，可以上载程序，并选择RUN进行在线监控。 图4-2 PLC项目里选择编译进行错误检查组态王软件可以进行仿真运行，运行后点击运行按钮，系统仿真运行：图4-3 系统仿真运行结 论通过最后模拟运行，本次设计基本上可以完成设计目标，从监控界面里可以看到每一台焊接机的焊接时电流、电压、气体流量、焊丝速度等运行参数，并且还能够看到报警的详细信息。由于现场及项目经验不足，所以没有考虑到现场情况，并且后期还有许多功能值得完善：1. 数据库存储功能；2. 报表功能（日报、月报等）；3

33、. 权限管理（刷卡等方式）。毕业设计这几个月来收获颇丰，让我对书本上的知识有了更深的理解，也让我把书本上学到的知识更好的应用到实际上来。这些对于我以后的工作或学习都将会起到很大的促进作用！具体的来说，在毕业设计中我知道了如何从接到一个新课题到一步一步分析，提出解决方案。再执行提出的方案，最后形成成果。也知道了如何在遇到难题时调动自己的知识储备来分析解决难题。还让我知道了怎样获取想要的急需的信息和知识。在做设计的过程中，我学会运用CAD、西门子、组态王等软件，并完成了所要完成的任务。在本次设计过程中最应该感谢的是我们的指导老师！这几个月来老师一直不辞辛苦的耐心的给我们指导、讲解，给我们演示，多方

34、面给予我们支持。在他的帮助下，我克服了设计中遇到许多难题，也少走了许多弯路。从师身上我们不仅仅是获取到专业知识，更重要的是我们学到了诲人不倦、尽职尽业、一丝不苟的工作态度，这对一个工科学生来说是非常宝贵的！同学们也给了我很大的帮助和启发，在此一并对他们表示深切的谢意。致 谢在我的求学道路上，我又有了新的认识。以前才说读万卷书行万里路，到现在才明白了这句话真正的含义。以往我都是机械的把理论学会，而在实际运用中却是一片空白。通过这次毕业设计，我才明白，做比说要难得多。我想在之后的学习和工作中，我会时刻牢记今日的经验。回过头来思考本次毕业设计，我觉得过程是艰辛的，还是取得了希望的结果。感谢我的导师对

35、本论文的悉心指导和辛勤付出，尤其是根据我个人的职业规划给予的选题建议。在本次设计中，我遇到了诸多难题和困境，都是我的导师给予我指导，让我在不断的探索中找到一条解决之路。感谢大学四年以来的老师们教会我的专业知识和学术态度。同时也感谢我的小伙伴们，谢谢你们与我一同讨论分析，对我的设计进行了优化。友谊的小船不会说翻就翻，感谢我们这一起度过的大学四年，在每个成功或沮丧的时刻，都陪伴在我身边，给我继续前进的力量。当我搁笔回首时，并没有如释重负之感觉，也没有成功满意之欣慰，因为，这篇论文的完成意味着自己在求学、工作的道路上仅仅是一个良好的开端，而论文中还有许多问题需要更加深入、更准确、更透彻地分析研究，由

36、此它将伴随我的终生而继续进行下去。 最后感谢并欢迎各位老师的审阅和指导，期待您的宝贵意见，鞭策我不断前进。参考文献1. 机械设计手册编委会机械设计手册M新版第5册北京：机械工业出版社，19972. 濮良贵，纪名刚机械设计M第七版北京：高等教育出版社，20043. 唐金松简明机械设计手册M第二版上海：上海科学技术出版社，2000.104 黄海平, 常用电气线路290例M, 北京: 科学出版社; 2007 5 王宗才，机电传动与控制M, 北京: 电子工业出版社; 2014 6 GB/T 18135-2008, 电气工程CAD制图规则S, 标准出版社，2008 7 JB/T 2740-2008,工业

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