锅炉车间输煤机组控制设计

锅炉车间输煤机组控制设计摘 要随着我国经济的发展，资源和环境矛盾同趋尖锐，使我国的现代化建设面临严峻挑战。作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨大，占我国原煤产量的三分之一左右。然而，我国目前很多自动运行的锅炉控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。本文基于西门子公司的S7-200 PLC设计了锅炉输煤机组控制系统。该系统包括下位机控制和上位机控制两部分，下位机控制系统采编用CPU224模块作为控制系统的核心。采用V4.0 STEP 7 Micro/WIN程软件，进行PLC程序设计；选用组态软件“组态王6.53”进行上位机监控画面设计。本文先对锅炉输煤系统做了简单介绍，接着给出本系统设计的总体方案；然后是对系统硬件设计做了说明，紧接着是详细介绍系统的软件设计方法和步骤。然后对组态软件作简单介绍和再给出具体设计的操作方法及步骤。最后是对整个设计进行调试，通过上位机与PLC的通信，最终实现了上位机对PLC系统的实时监控。关键词：PLC；输煤；皮带传送；上位机IDesign of Boiler Shop Coal Handling Unit Control ABSTRACTWith the development of Chinese economic, resource and environmental conflicts with the increasingly sharp, so that Chinas modernization is facing severe challenges. The coal-fired boiler which uesd as energy conversion devices for heating system consumpts large energy.It accounts for about one- third of Chinas coal output. However,the automation level of the boiler control system running automatically is not high, low security, efficiency and environmental pollution are generally lower than the national standard, so the computer automatic control of the boiler is of great significance.Boiler coal handling unit control system is designed based on Siemens S7-200 PLC. The system includes two parts of the control and PC control ,the under the position control system uses CPU224 module as the core of the control system. Using the V4.0 the STEP 7 Micro / WIN programming software, and the PLC program to design; the software Kingview 6.53 PC is used to monitor screen design.At first, this article gives a brief introduction on the boiler coal handling system, then gives the general design scheme of the system .finally，it describes hardware design of the system, followed by details of software design methods and procedures. And configuration software for a brief introduction and then given the specific design of the operating methods and procedures. Finally,the debug of the entire design.According to the communication of PC and PLC , and ultimately complete the real-time monitoring of the host computer to the PLC system.Keywords: PLC; coal handling; belt transmission; the host computerII目录第一章 前言11.1 锅炉系统概述11.2 锅炉输煤研究意义1第二章 系统方案设计32.1 设计内容及目标32.2 设计要求32.3 设计方案42.3.1 设计信号说明42.3.2 输煤机组运行过程52.3.3程序流程图62.3.4 上位机监控7第三章 下位机设计83.1 硬件电路设计83.1.1 系统控制主电路图设计83.1.2 电器元件的选择93.1.3 I/O地址分配93.1.4 PLC控制电路接线图103.2 软件设计113.2.1 顺序功能图113.2.2 程序设计12第四章 上位机界面设计184.1 组态软件简介184.2 上位机监控画面的设计184.2.1 新建工程184.2.2 通道连接224.2.3 定义设备变量264.2.4 画面设计284.2.5 建立动画连接304.2.6 配置运行系统32第五章 调试335.1 设置PLC通信335.1.1 设置PG/PC接口335.1.2 设置通信345.1.3 系统块参数设置355.2 设置组态王通信365.3 调试中的问题365.4 调试结果37结束语38参考文献40致 谢41附录1：PLC梯形图程序42附录2：应用程序命令语言60III第一章 前言锅炉是工业生产或生活采暖的供热源，按其供热的方式分为蒸汽和热水两种。前者主要用于发电、工业生产及间接供热；后者主要用于生活供暖和生活热水，多用于集中供暖地区及宾馆、饭店等。从80年代石横工程1全套引进第一台300MW机组1到至今，锅炉厂房控制系统、控制思路发生了很大的变化，其设计逐渐成熟。由原来的继电器实现控制功能转化为用PLC实现控制功能。随着电力系统市场的开放，减人增效越来越得到工厂包括各级领导的重视，如何优化车间的控制已成为每个工程所必须面临的问题。1.1 锅炉系统概述锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备，它所产生的高压蒸汽，既可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大、生产设备的不断革新，作为动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。为了确保安全、稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得更加重要。输煤系统是整个系统的第一关。燃料是工厂安全经济生产，全面完成任务的物质基础，没有了燃料，一切将无从谈起。燃料费用占成本的75%左右，这就奠定了输煤系统是工厂经营管理的重要组成部分，也是安全生产管理的主要环节。随着能源供需矛盾的发展变化，输煤系统的地位显得更加重要。1.2 锅炉输煤研究意义所谓锅炉输煤系统，是指从送煤开始，一直到将合格的煤块送到原煤仓的整个工艺过程，它包括以下几个主要环节：给煤生产线、选煤、皮带运输系统2、破碎与提升、回收系统以及一些辅助生产环节。本设计中主要研究的是其中的输煤系统部分，即煤块从给煤机传输到原煤仓的过程。传统的输煤系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。由于输煤系统现场环境十分恶劣，不仅极大损害了工人的身体健康，而且由于输煤系统范围大，经常有皮带跑偏、皮带撕裂及落煤管堵塞等等麻烦，大大降低了发电厂的生产效率。随着发电厂规模的扩大，对煤量的需求大大提高，传统的输煤系统已无法满足发电厂的需要。随着生产过程的控制规模不断增大，运行参数越来越高，生产设备及其相应的热力设备和系统更加复杂。输煤系统是热力系统的重要组成部分，是锅炉车间燃料供应的有力保证。输煤机组工作效率的提高是整个工艺过程的关键因素，而整个输煤过程往往采用远程控制，这就对自动控制系统的设计提出了更高的要求，传统方法不能得到满意的测控效果。因此，在输煤系统中往往选择比较有优势的PLC（可编程控制器）控制系统，使整个控制过程具有正常运行、事故处理、参数监测、故障报警、装置调控、危险保护等功能。由于PLC控制器优越的控制性能和高度可靠性,使得其在工业自动化生产领域的应用越来越广泛3。通过对PLC的应用，对锅炉的配煤系统进行了设计，对原有的传统手动配煤方式进行了优化和改进。本课题的主要目标是改变以往配煤系统的传统手动配煤方式，提高运行人员工作效率，从煤源上进行筛选比控制，解决锅炉的配煤问题，提高锅炉的燃煤效率和经济效益。通过利用PLC实现锅炉输煤机组的自动控制4，可以提升输煤技术的自动化水平，尽可能的降低煤损耗，提高煤的利用率，从而提高生产效益。.第二章 系统方案设计2.1 设计内容及目标本项目要求输煤机组主要由6台三相异步电动机M1M6和一台磁选料器YA组成，最终实现对锅炉的输煤机组的运行控制,具备开车、停车的自动和手动控制功能，需具备提醒、保护和紧急停车功能。此外要对供煤机组的运动过程实时监控，在突发故障或意外情况是给予显示以便操作人员对系统故障能够及时排除，此次设计基于以上控制目的。此外在操作台还将有一台触摸屏来监控电控系统运行的各个过程参数。输煤机组控制系统示意图如图2-1所示。图2-1 输煤机组控制系统示意图锅炉车间输煤机组控制设计是根据工业锅炉供煤工艺5要求进行设计的，其在工业生产中的主要任务是：能够对电机进行启停，手/自动，紧急停车等基本控制要求；能够对对电控系统的各个运行环节进行监控；能够对突发故障进行报警显示。2.2 设计要求针对以上设计目标，为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下具体要求：（1）供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；（2）各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动，停车延时统一设定为10s。启动延时是为保证无煤堆积以发生故障；停车延时是为保证停车时破碎机等为空载状态；（3）运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其整个输煤设备也立即停车。此外在现场也有控制系统装置运行的按钮；（4）可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可开启另一套备用设备，由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式。2.3 设计方案本控制系统是基于PLC控制的设计，并且输煤系统的故障判断是建立在实时监控的基础上的。首先它的硬件部分属于电气控制，软件部分是利用PLC的软件编程对其进行控制6，同时利用组态软件建立上位机监测画面，通过与PLC的通信对运行系统进行实时监测和控制。系统总体设计框图如图2-2所示。图2-2 系统设计总体框图2.3.1 设计信号说明输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1M6和一台磁选料器YA组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员，输煤机准备起动请注意安全。HL1为手动运行指示，HL2为紧急停车指示，HL3为系统运行状态指示。为保证输煤机组输煤顺畅，开车采用逆煤流方向启动，停车时按顺煤流方向停车。输煤机组的控制信号说明见表2-1。表2-1输煤机组控制信号说明输 入输 出文字符号说 明文字符号说 明SA1-1输煤机组手动控制开关KM1给料器和磁选料器接触器SA1-2输煤机组自动控制开关KM21#送煤机接触器SB1输煤机组自动开车按钮KM3破碎机接触器SB2输煤机组自动停车按钮KM4提升机接触器SB3输煤机组紧急停车按钮KM52#送煤机接触器SB4给料器和磁选料器手动按钮KM6回收机接触器SB5送煤机P1手动按钮HL1手动运行指示灯SB6破碎机手动按钮HL2紧急停车指示灯SB7提升机手动按钮HL3系统运行状态指示灯SB8送煤机P2手动按钮HA报警电铃SB9回收机手动按钮FRM1M6，YA过载保护信号2.3.2 输煤机组运行过程1.手动开车/停车功能SA1手柄指向左45时，接点SA1-1接通，通过SB4SB9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。2.自动开车/停车功能SA1手柄指向右45时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。(1) 正常开车 按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后回收电动机M6起动运行；10s后送煤机P2电动机M5电动机起动运行；10s后提升电动机M4起动运行；10s后破碎电动机M3起动运行；10s后送煤机P1电动机M2起动运行；10s后给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并；10s后，点亮HL3系统运行状态指示灯，输煤机组正常运行。(2) 正常停车 按下自动开车按钮SB2，音响提示5s后给料器电动机M1和磁选料器YA停车，同时，熄灭HL3系统运行状态指示灯；10s后送煤机P2电动机M2停车；10s后破碎电动机M3停车；10s后提升电动机M4停车；10s后送煤机P1电动机M5电动机停车；10s后，回收电动机M6停车；至此输煤机组全部正常停车。(3) 过载保护 输煤机组有三相异步电动机M1M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示，HA电铃断续报警20s，到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。(4) 紧急停车 输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL2连续闪亮10s，直到事故处理完毕，恢复正常生产。(5) 系统正常运行指示 输煤机组中，拖动电动机M1M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL3指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，输煤机组停车。2.3.3程序流程图软件部分即程序的设计，程序设计要根据I/O地址的分配和要实现的功能结合硬件电气的连接进行编程，来实现设计系统要完成的功能，PLC进入运行状态后，首先进行手动/自动的选择，所以程序的主流程图如图2-3所示。图2-3 控制程序主流程图当系统以手动方式运行时，是单个设备点动控制，较为简单，这里不再做程序流程图。当系统以自动方式运行时，PLC运行的程序流程图如图2-4所示。图2-4 输煤机组程序设计流程图2.3.4 上位机监控监控部分是利用组态软件建立监控画面，通过建立通道连接、动画连接和控制策略实现PLC与上位的行通信后的运行动画，对输煤系统的运行状态进行实时监控和故障报警7。第三章 下位机设计3.1 硬件电路设计3.1.1 系统控制主电路图设计按照设计方案，给料器M1、P1送煤机M2、破碎机M3、提升机M4、P2送煤机M5和回收电动机M6由6台三相异步电动机拖动。磁选料器YA由两相电源提供。负载M2-M6由接触器KM2-KM6控制，给料器M1和磁选料器YA共同由KM1控制。由于破碎机M3功率为13KW和2#送煤机M5功率为75KW都比7.5KW大，在实际使用中要采用星三角降压启动。其余负载均采用直接启动方式，本设计考虑实验室PLC I/O口数限制，只做直接启动。主电路图见图3-1。电源回收机送煤机P1提升机破碎机送煤机P2给料器及磁选料器图3-1 输煤机控制主电路图（1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，M5送煤电动机，M6回收电动机。（2) 热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6的作用是对电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6实现过载保护。（3) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护。 3.1.2 电器元件的选择设计该控制系统室考虑实验室调试方便，使用了最简的点数，输入点数有：2个输入开关分别控制手动/自动控制，9个输入按钮分别为SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4SB9分为6个电动机控制按钮。 输出点数有：6个输出接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，3个输出指示灯其中HL1手动运行指示灯、HL2为紧急停车指示灯、HL3为系统运行状态指示灯和1个输出HA电铃。继电-接触器系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触电在开闭是易受电弧的危害，寿命短，系统可靠性差；所以如果采用继电-接触器控制方式，控制电路将会很复杂，而且可靠性难以保证。本文按照本课题的控制要求，控制过程主要采用逻辑和顺序控制，PLC恰能满足此控制要求。所以用PLC进行控制，不仅能满足控制要求、控制方便简单，而且具有较高的可靠性。因此，本设计应采用PLC进行控制。（1）本设计采用西门子S7-200PLC,使用CPU224模块，其输入/输出接口（I/O）数量分别为输入端口14个，输出端口10个，刚好可以满足本设计的I/O使用需求。（2）为保证负载安全可靠的供电，所以采用输出形式为继电器。3.1.3 I/O地址分配I/O信号在PLC接线图端子的地址分配是进行PC控制系统设计的基础。对软件设计来说，分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据接线图和安装图安装控制柜。由上硬件系统的选择可知控制系统使用一个CPU224即可。CPU224基本单元的I/O地址如下：I0.0 I0.1、IO.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5；Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1PLC输入输出接口地址分配表见表3-1。表3-1 PLC输入输出接口地址分配表输入信号输煤机组手动控制开关SA1-1I0.0输煤机组自动控制开关SA1-2I0.1输煤机组自动开车按钮SB1I0.2输煤机组自动停车按钮SB2I0.3输煤机组紧急停车按钮SB3I0.4给料器磁选料器手动按钮SB4I0.5送煤机P1手动按钮SB5I0.6破碎机手动按钮SB6I0.7提升机手动按钮SB7I1.0送煤机P2手动按钮SB8I1.1回收机手动按钮SB9I1.2M1-M6,YA过载保护信号FRI1.3输出信号给料器磁选料器接触器KM1Q0.0送煤机P1接触器KM2Q0.1破碎机接触器KM3Q0.2提升机接触器KM4Q0.3送煤机P2接触器KM5Q0.4回收机接触器KM6Q0.5手动运行指示灯HL1Q0.6紧急停车指示灯HL2Q0.7系统正常运行指示灯HL3Q1.0报警电铃HAQ1.13.1.4 PLC控制电路接线图 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图2-3。在接线过程中要注意，在实验室的试验箱中输入公共端1M/2M要求连接24VDC电源的的正极“L+”处，此时输入端是低电平有效；输出公共端的1L/2L/3L要求连接24VDC电源的负极“M”处，此时输出端输出的是高电平有效。图3-2 I/O接线图3.2 软件设计本设计选用西门子公司的S7-200PLC刚好可以满足设计要求，程序是设计使用西门子公司的V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP3编程软件。此软件具有汉化的语言，使用起来十分方便。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。可以使用此软件开发PLC应用程序，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。西门子S7-200 PLC的编程语言有三种8，分别是：梯形图（LAD）和功能块图（FBD）是一种图形语言，语句表（STL）是一种类似于汇编语言的文本型语言。三种语言之间可以相互转化，本设计采用梯形图编程。3.2.1 顺序功能图输煤机组的控制过程分为自动和手动控制方式。在自动控制模式下，要求各负载从M6到M1逆序自动启动，并能从M1到M6顺序自动停止。同时，该输煤机组还能在手动控制模式下进行点动，以便调试和维修。而且，该系统还能实现过载保护、紧急停车和故障提醒功能，并有相应的指示报警功能。根据此要求，本设计采用SCR指令编写梯形图程序9。输煤机组的整个运行过程可以用顺序功能图来描述。锅炉车间输煤机组控制系统的顺序功能图如图3-3所示，该顺序功能图非常直观，清楚地面描述了锅炉车间输煤机组自动工作的过程。图3-3 输煤机组自动控制顺序功能图3.2.2 程序设计完成以上内容紧接着即可对控制系统的运行过程进行相应的梯形图设计9，V4.0 STEP 7 Micro/WIN编程软件的界面如图3-4所示。下面介绍编程的具体步骤。图3-4 V4.0 STEP 7 Micro/WIN编程软件主界面1.新建项目编写PLC程序，首先创建一个项目文件，单击菜单“文件”中的“新建”项或工具条中的“新建”按钮，在主窗口将显示新建的项目文件主程序区。图3-5所示为一个新建程序文件的指令树， 系统默认设置如下：新建项目文件以“项目1”命名，其下“CPU 221 REL02.01”是系统默认的PLC的CPU型号。一个项目文件包含九个相关的块。其中程序块中包含一个主程序（OB1）、一个可选的子程序SBR0和一个中断程序INT0。一般小型开关量控制系统只要主程序，系统规模较大，功能复杂时，除子程序外，可能 还有子程序、中断程序和数设计因采用了手/自动选择，故使用子程序。2.确定PLC的CPU型号右击项目1下的“CPU 221 REL02.01”图标，在弹出的菜单中单击“类型”，或者直接双击在对话框中选择所用PLC型号“CPU 224 CN”。 图3-5 新建程序结构3.编写程序使用V4.0 STEP 7 Micro/WIN编程软件编辑和修改程序是本设计的主要内容之一，设计只采用了梯形图编程，其语句表和功能图可以相互转化。下面介绍本设计中梯形图程序的编辑过程。（一）输入编程元件梯形图的编程元件（编程元素）主要有线圈、触点、指令盒、标号及连接线。输入方法有两种：（1）用指令窗口中所列的一系列指令，把光标放在需要放置的位置，双击要输入的指令，就可以在举行光标处放置一个编程软件，如图3-7所示的“位逻辑”指令。（2）用工具条上的一组编程按钮，如图3-6所示。单击触点、线圈、或指令盒按钮，从弹出的窗口下拉菜单所列出的指令中选择要输入的指令，单击即可。图3-6 编程按钮（二）编写自动选择程序使用上述方法编写主要程序，程序的开始段如图3-7所示。图3-7 选择自动运行程序启动过程中的梯形图如图3-8所示。其中的I1.3和I0.4分别是过载保护和紧急停车按钮。图3-8 启动电机M6以这种方法，结合左侧的指令树和程序要完成的功能，按照顺序控制的方式对每个网络进行编辑。因为本设计使用子程序的调用，所以在主程序编辑完成后，要转入子程序SBR0编写子程序，如图3-9所示。所有程序完成后最终做一个完整梯形图程序。选择“文件”中“另存为”将程序保存为“锅炉车间输没机组控制PLC程序”，编程完成。图3-9 子程序编辑（二）插入和删除在编辑过程中经常遇到网络用完和需要删除一行、一列、一个网络的情况，可以在编辑区右击要进行操作的位置，弹出下拉菜单，单击要插入和删除是项，然后进行编辑。如图图3-10 插入和删除（三）注释梯形图编辑过程中的“网络n”表示每个网络或梯级，同时又是标题栏，可以再在此为每个网络加标题或必要的说明，使程序清晰易读。用光标点击如图3-9所示的“子程序注释”，此时即可在文本框中键入相关标题和注释。（四）编译用户程序程序编辑完成，可用菜单“PLC”中的“编译”项或通过如图3-11所示的编译按钮进行离线编译。编译上载编译全部下载STOPRUN程序状态监控图3-11编译和下载按钮编译完成后在输出窗口显示程序中的语法错误数量、各种错误的原因和错误在程序中的位置，如图3-12所示。双击输出窗口中的某一条错误，程序编译器中矩形光标会移到程序中该错误所在的位置。必须改正程序中的所有错误，编译成功后才能下载程序。图3-12 编译输出窗口（五）程序的下载在计算机与PLC建立起通信连接且用户程序编译成功后，就可以将程序下载到PLC中去。下载之前，PLC应处于STOP方式。单击图3-12所示的工具条中“STOP”按钮，或选择PLC菜单命令中的“停止”项，可进入STOP方式。下载时单击图3-12中的“下载”按钮，可进行程序的下载，下载完成后需要运行，点击“RUN”按钮或选择PLC菜单命令中的“运行”项即可进入运行状态。第四章 上位机界面设计4.1 组态软件简介组态的概念是伴随着集散型控制系统(Distributed Control System 简称DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特定任务、满足使用者要求的目的。监控组态软件是面向监控与数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时,主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。组态王是北京亚控公司开发的一款工业组态软件，是中国最早的一款组态工具，在中国使用的监控软件中，组态王拥有国内最多的用户，也是目前国内的所有国产组态软件中最成熟的一款。组态王有着强大的硬件设备支持功能，几乎目前国内所有的PLC设备都能支持。它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。基于以上优点，因此我这次设计中的上位机的操作界面就使用组态王6.53来做。4.2 上位机监控画面的设计组态王对于初学者来说并不难入门，继续深入并不那么容易。组态的一般过程大致分为五个步骤：分别是创建新的工程，定义硬件设备并添加工程变量，制作画面并定义动画连接，编写命令语言，运行系统配置并运行，后面几步是交替进行并不是按顺序进行的。下面详细介绍本次设计的过程10。4.2.1 新建工程在组态王中，我们所建立的每一个组态称为一个工程。每个工程反映到操作系统中是一个包括多个文件的文件夹。工程的建立则通过工程管理器。组态王工程管理器是用来建立新工程，对添加到工程管理器的工程做统一的管理。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索组态王工程，修改工程属性，工程备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。正确安装好“组态王6.53”以后，通过以下方式启动工程管理器：点击“开始”“程序”“组态王6.53”“组态王6.53”（或直接双击桌面上组态王的快捷方式），启动后的工程管理器窗口如图4-1 所示。图4-1 组态王工程管理器新建：单击工程管理器中的“新建”按钮，弹出新建工程向导之一“欢迎使用本向导”，如图4-2所示。图4-2 新建工程向导点击“下一步”弹出新建工程向导之二“选择工程所在路径”，画面如图4-3所示。图4-2 选择工程路径点击“浏览”按钮选择新建工程所要存放的路径，如图4-3所示。图4-3 添加工程路径点击“打开”，选择路径完成，点击“下一步”进入新建工程向导之三“工程名称和描述”，如图4-4所示，在“工程名称”处写上给工程起的名字“锅炉输煤机组”。“工程描述”为“车间锅炉输煤机组监控中心”，是对工程进行详说明（注释作用）。图4-4 工程名称和描述点击“完成”，会出现“是否将新建工程设为当前工程”的提示，点击“是”，生成如图4-5所示的画面，组态王当前工程的意义是指直接进行开发或运行的工程。图4-5 新建的工程点击“开发”或直接双击当前工程就进入组态王的工程浏览器，如图4-6所示。工程浏览器是一个工程开发设计工具，由菜单栏、工具条、工程目录显示区、目录内容显示区、状态条组成。用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。图4-6 工程浏览器4.2.2 通道连接在图4-6的工程浏览器中单击“设备”，双击右面窗口的“新建”图标，弹出图4-7所示的设备配置向导“生产厂家、设备名称、通信方式”对话框。图4-7 设备配置向导选择“PLC”“西门子”“S7-200系列”“PPI”，如图4-8所示。图4-8 设备配置点击“下一步”，弹出设备配置向导“逻辑名称”对话框，给要安装的设备指定唯一的逻辑名称“plc”，如图4-9所示。图4-9 指定逻辑名称点击“下一步”，弹出设备配置向导“选择串口号”对话框，选择与设备所连接的串口“COM1”，如图4-10所示。图4-10 选择串口号点击“下一步”，弹出“设备地址设置指南”对话框，选择设备地址为“2”，如图4-11所示。如果对此不明白，可以点击“地址帮助”按钮，获得设备地址帮助信息。图4-11 设置设备地址点击“下一步”，弹出“通信参数”对话框，在此对话框中可以设置“尝试恢复间隔”和“最长恢复时间”参数，如图4-12所示。图4-12 通信参数设置通信参数使用默认值，直接点击“下一步”，弹出设备安装向导“信息总结”对话框，如图4-13所示。校对信息无误后直接点击“完成”，至此，设备建立完成。图4-13 信息总结设备定义完成后，可以在 COM1 项下看到新建的设备“plc”。双击COM1口，弹出串口通讯参数设置对话框，如图4-14所示，因为要与PLC通信，所以必须对串口通讯参数进行设置且设置项要与实际设备中的设置项完全一致（包括：波特率、数据位、停止位、奇偶校验选项的设置），否则会导致通讯失败。图4-14 设置串口4.2.3 定义设备变量在组态王工程浏览器中提供了“数据库”项供用户定义设备变量11。数据库是“组态王软件”最核心的部分。在组态王运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为核心，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。数据词典中存放的是应用工程中定义的变量以及系统变量。变量可以分为基本类型和特殊类型两大类，基本类型的变量又分为内存变量和I/O 变量两种。基本类型的变量也可以按照数据类型分为离散型、实型、整型和字符串型。下面开始进行本设计的变量定义，首先在工程浏览器树型目录中选择“数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，在对话框中添加：变量名：手动开关变量类型：I/O 离散连接设备：plc寄存器：M10.0数据类型：bit采集频率：1000 毫秒读写属性：读写其他默认如图4-15所示。设置完成后单击“确定”，即完成一个变量的定义。图4-15 变量定义由于变量的定义要根据监控画面的需要，同时要结合动画连接需要，它们之间不是按顺序进行，而是交替进行的。根据设计需要，继续添加不同变量，本设计的完整的变量如图4-16所示。图4-16 建立的变量4.2.4 画面设计1建立画面在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，在右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框，如图3-17所示,新建画面名称为“锅炉输煤机组监控中心”，画面属性设置使用默认。图4-17 新建画面点击“确定”组态王软件将按照指定的属性产生出一幅名为“锅炉输煤机组监控中心”的画面。2.使用工具箱接下来在此画面中绘制各种图素。绘制图素的主要工具放置在图形编辑工具箱内。当画面打开时，工具箱自动显示。工具箱中的每个工具按钮都有“浮动提示”，帮助了解工具的用途。如果工具箱没有出现，选择“工具”菜单中的“显示工具箱”或按F10 键将其打开，工具箱中各种基本工具的使用方法和Windows 中的“画笔”很类似，如图4-18 所示：图4-18 工具箱在工具箱中单击文本工具，在画面上输入文字“锅炉输煤机组监控画面”，如果要改变文本的字体，颜色和字号，先选中文本对象，然后在工具箱内选择字体工具。在弹出的“字体”对话框中修改文本属性。3.使用调色板选择“工具”菜单中的“显示调色板”，或在工具箱中选择按钮，弹出调色板画面（注意，再次单击就会关闭调色板画面），如图4-19所示。图4-19 调色板选中文本，在调色板上按下“对象选择按钮区”中“字符色”按钮（即图4-19所示），然后在“选色区”选择某种颜色，则该文本就变为相应的颜色。4.使用图库管理器选择“图库”菜单中“打开图库”命令或按 F2 键打开图库管理器，如图4-20所示。在图库管理器左侧图库名称列表中选择图库名称，选中所需图素后双击鼠标，图库管理器自动关闭，在工程画面上鼠标位置出现一“|_”标志， 在画面上单击鼠标，该图素就被放置在画面上并拖动边框到适当的位置，改变其至适当的大小并利用工具标注此图素在工程中的名称。图4-20 图库管理器重复上述的操作，在图库管理器中选择不同的图素，过程中根据需要可以自己画一些自己想要的图素，例如画面中的“煤块”就是利用“多边形”工具画的，就这样建立一个完整的监控画面如图4-21所示。图4-21 监控画面4.2.5 建立动画连接1.建立连接所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，它们要想反映工业现场的状况，必须通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。这样，工业现场的数据，比如指示灯、没快动作等，当它们发生变化时，通过I/O 接口，将引起实时数据库中变量的变化。 给图形对象定义动画连接是在“动画连接” 对话框中进行的。在组态王开发系统中双击送煤机P1“皮带滑轮”图素对象（不能有多个图形对象同时被选中），弹出动画连接对话框如图4-22所示。图4-22 动画连接此动画连接是定义滑轮的旋转，点击“旋转”，弹出“旋转连接”对话框，点击右侧的“？”进行变量关联“本站点送煤机1滑轮”，如图4-23所示，单击确定完成动画连接。图4-23 关联变量依照此方法，不同的元素有不同连接，其中有：旋转、隐含、移动、闪烁等，依次对各个变量进行动画连接。2控制策略通过“动画连接”的建立还不能完全表达实际的运行情况，这个时候就需要新建一些内部变量，然后双击组态王工程浏览器中树形目录中“命令语言”下的“应用程序命令语言”，进入“应用程序命令语言”编辑对话框，如图4-22所示，在此对话框中编写监控画面中元素的动作命令即可。点击“确定”完成命令语言编写，完整应用程序命令语言见附录2。图4-24 应用程序命令语言4.2.6 配置运行系统在运行组态王工程之前首先要在开发系统中对运行系统环境进行配置。在开发系统中单击菜单栏“配置运行系统”命令活动工具条或工程浏览器工程项目显示区“系统配置、设置运行系统”图标后，弹出“运行系统设置”对话框，单击“主画面配置”属性，则此属性页对话框弹出，同时属性页画面列表对话框中列出了当前应用程序所有有效的画面。如果希望将某个画面设为主画面即为当前运行的画面，例如本例将“锅炉输煤机组监控画面”设为运行时的主画面。第五章 调试5.1 设置PLC通信5.1.1 设置PG/PC接口在调试时首先将PLC与电脑用PPI通信电缆连接起来，接着是PLC程序的下载，下载之前要按照第三章的方法编译，编译成功后先设置通信，以保证能与上位机组态监控取得通信。设置方法是：在V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP3编程窗口中的“查看”目录下点击“设置PG/PC接口”按钮，弹出如图5-1所示的“Set PG/PC Interface”窗口。图5-1 通信设置选择“PC/PPI cable（PPI）”，点击属性按钮“Properties”，弹出属性设置对话框如图5-2所示。图5-2 属性设置在“PPI”下设置波特率为默认“9.6kbps”，其他默认，然后进入本地连接“Local Connection”下的连接到“Connection to”下拉窗口中选择“com1”后点“确定”完成设置。5.1.2 设置通信在PG/PC接口设置完成后，点击“设置通信”按钮，弹出如图5-3所示的“通信”窗口图5-3 通信设置双击“双击刷新”图标，系统自动搜索PLC设备，搜索以后直接点击“确定”即可。5.1.3 系统块参数设置以上设置完成后，点击编程窗口中的“查看”目录下的“系统块”，弹出如图5-4所示的系统块参数设置对话框，在对话框中设置波特率位9.6kbps，其他使用默认设置，点击“确定”完成设置。图5-4 系统块参数设置至此通信设置完成，点击下载按钮将梯形图程序下载到PLC中，然后置PLC于“RUN”状态。在单独调试PLC程序运行状态时可以点击第三章图3-11中的“程序状态监控按钮”对程序进行实时监控。PLC运行结果如图5-5所示。图5-5 硬件接线及运行结果5.2 设置组态王通信 PLC程序调试完成后，打开本设计建立的工程，在工程浏览器中点击“设备”，右击已经建立的设备“plc”图标，选择“测试plc”弹出如图5-5所示的“串口设备测试”对话框。图5-5 串口设备测试在“通信参数”栏设置“波特率”为9600，“通信超时”和“采集频率”根据需要设置，这里采用默认值。在“设备测试”栏下添加一个变量如“M10.0”读取PLC中的数据，如果读取成功说明上位机与PLC通信成功，点击“确定”完成设置。下一步即可进入运行画面，对PLC的运行进行实时的监控。5.3 调试中的问题1.梯形图程序编译无误，下载时却提示有错误，经过细致耐心的检查，后来发现是因为顺序功能指令使用不完整造成的，而这又不是逻辑性错误，所以编译时发现不了错误，到下载编译时才被检查出来。2.程序下载运行后，达不到之前的设计要求，主要是一个手动、自动的切换问题不能实现各自的功能，经过多次的修改通过子程序调用解决了这个问题。3.组态画面运行时与上位机通信了，但运行的状态不符合实际情况，后来进过添加中间关联变量与命令语言的结合，解决了问题，其中，由于变量太多名称又太相似，编写命令语言时费了很大功夫。5.4 调试结果经过在实验室的连续奋战，最终实现了设计要求的手动、自动的切换，紧急停车，过载保护等功能，上位机与下位机实现实时监控，并能形象的反应出实际情况。尽管如此，也有一些不完美的地方，由于能力有限，组态王画面的设计在立体感上还有欠缺，在以后的工作学习中还需继续努力。调试运行结果和监控画面如图5-6和5-7所示。图5-6 上位机监控状态图5-6 上位机与PLC联机运行结果结束语本文进行了控制系统模拟设计与仿真，在设计中主要做了以下工作：(1) 收集和整理了输煤机组设计方案及监控管理研究现状的资料，分析了输煤机组类型的原理，得出“安全、可靠、经济”符合我国现状的输煤机组供煤设计。(2) 通过对输煤机组运行原理的分析，设计了用可编程控制器PLC实现输煤机组控制系统，实现了对六电机模拟的控制，对PLC在复杂控制系统中的灵活应用有一定的理论意义和较大的实际价值。(3) 学习了基于组态王对控制系统虚拟仿真和与上位机通信的实现方法，明确了组态王实现上微机监控的方法和制作过程，作为上位机监控技术的应用，该软件较直观、真实体现了输煤机组的运行过程，并且为实际中的控制装置的开发与调试开辟一条经济、可靠的途径。 根据本次设计内容，本人认为还需要以下方面继续努力：(1) 关于控制方面的展望：在我国，输煤机组的发展还处在发展阶段，随着模糊控制、神经网络控制、专家系统控制等先进控制理论的不断发展，对现有的功能模块不断更新有助于控制系统向智能化方向发展。(2) 对组态软件组态王的展望：好的组态软件不但可以很好地模拟控制系统，并且支持实际控制过程中的数据通信远程监控形象直观。在工程中变量的互用方面，组态王有待进一步的努力。论文心得毕业设计即将面临结束，初期由于学校的要求和公司的制度，我在单位实习了两个月。由于是实习，在车间一线，工作时间较长，好在寒假我的英文翻译已经完成，只有在下班后很少时间内收集有关毕业设计的资料、参考文献。从而了解锅炉输煤机组控制系统的一般设计方法，并学习设计中要用到一些软件，例如绘图软件AutoCAD和工业组态软件组态王的使用。其间，虽然很辛苦，但也确实学到不少东西，为我后来的设计打下了很好的基础。实习结束已经四月下旬，休息两天就开始了紧张毕业设计，好在实习期间阅读大量参考文献，对其控制过程和方法已经有了明确的思路，加上之前已经学习了要使用到的软件，可以为我节省不少时间。本设计主要有两个部分，首先是PLC控制系统是设计，其次是上位机监控画面的设计。在设计中原理方面较容易完成，关键是系统仿真的实现。程序按照设计要求设计完成后在实验室调试运行并不能达到要求，还有特别是上位机与PLC是通信问题、监控的实现并不顺利，这两者在实验室花费了不少时间和精力，但在细心与耐心的抵抗下最终还是完成了。可以说毕业设计是对我们每个大学生大学四年中所学知识的一次大检阅。它不仅是对理论知识的考核，更重要的是对综合运用书本知识解决实际问题能力的考验。通过这次毕业设计让我明白了自己在很多方面的不足。同时通过这次的设计也使我复习和巩固了以前所学的知识，又从中学到了很多新知识，特别是提高了如何去处理实际中所遇到的新问题以及自学的能力。在设计过程中，感受到了一个人做事总考虑不是那么全面，不懂问题向同学请教，通过同学帮助和论分析，很多问题会豁然开朗。由于时间紧张，虽然最终完成了所要求实现功能的实验室仿真与上位机监控，但也还有还有一些不完善的地方。我会在今后的日子里，继续努力学习，做一个合格的自动化工程技术人员。参考文献1 余菊香.石横工程焊接质量管理J.焊接技术.1990(04):34-36.2 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