折板机PLC控制系统及组态监控设计本科毕业设计

2015 届毕业设计说明书 *PLC控制系统及组态监控设计院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 摘 要折板机是型材加工厂常用的加工设备，其中以U型折板机最为普遍。在现代化的工业生产领域中，采用PLC（Programmable Logic Controller，可编程控制器）控制的U型折板机具有动作速度快、加工精度高、一次成型等优点，大大提高了折板机的控制精度和控制系统的可靠性，同时进一步提高了工作效率和生产效率。折板机PLC控制系统及组态监控设计分析了U型折板机的工作原理、控制要求，根据工艺要求，统计了U型折板机所需要的输入和输出端子，其中输入点为8个，输出点为7个，共计15个输入输出点。根据PLC的I/O点数和内存容量选型原则，选择了三菱FX2N-16MR继电器型PLC作为U型折板机的控制器，同时选择了其它电器元件，设计了PLC的外部接线图。论文然后利用SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）图法设计了U型折板机的程序梯形图。为了验证设计的正确性，运用三菱GX Developer仿真软件进行程序仿真。最后，利用MCGS（Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统）嵌入版组态仿真软件对折板机的控制系统进行了组态设计。仿真结果证明，设计能够有效的保证U型板制作的准确性、快速性、安全性，满足工艺要求，具有一定的应用价值。 关键词 ：折板机；可编程控制器；组态软件IABSTRACT Folding machine is processing plant profiles commonly used processing equipment, Which the U-type folding machine is most common. In modern industrial production, U-type folding machine with Programmable Logic Controller has features of fast motion and high precision, and improves the accuracy and reliability of control system of U-type folding machine.At the same time, it increases efficiency of work and produce.The paper of PLC control system and configuration monitor analyzes the working principle and control demand. According to technological requirements, I/O of U-type folding machine is counted, consisting of 8 inputs and 7outputs.According to the I/O numbers of PLC and the selection principle of memory capacity, FX2N-16MR is selected as controller of U-type folding machine. The external wiring diagram of PLC is designed. This paper designs the program ladder chart with SFC and the program is simulated by GX Developer. Finally, the configuration monitor system is designed by Monitor and Control Generated System.The simulation proves that the design effectively guarantees accuracy rapidity and security of the manufacture of U-type plate. It conforms the technological requirements, and has a certain value. Key words folding machine; programmable controller; configuration softwareII目 录1 绪论11.1 工业控制的现状11.2 电气控制的发展趋势11.3 U型折板机设计的主要工作22 U型折板机控制系统的硬件设计32.1 U型折板机简介32.2 控制方式的选择32.3 检测与驱动元件选型42.3.1 开关选择42.3.2 驱动电磁阀选择52.4 I/O点的统计52.5 PLC的选型62.5.1 PLC的选择62.5.2 PLC的参数简介72.6 PLC接线原理图设计72.6.1 I/O点分配72.6.2 PLC的接线原理图73 U型折板机控制系统的软件设计93.1 编程语言的选择93.2 控制要求93.3 程序控制流程图93.4 程序设计103.5 程序仿真与调试163.5.1 GX Developer的介绍163.5.2 程序仿真结果164 U型折板机控制系统组态设计194.1 MCGS组态软件简介194.1.1 MCGS嵌入版组态软件的主要功能194.1.2 MCGS嵌入版组态软件的组成及介绍194.2 U型折板机组态仿真设计194.2.1 U型折板机组态仿真建立194.2.2 U型折板机组态仿真运行结果及分析23结束语28参考文献30致 谢33附 录34附录A 指令表34V1 绪论1.1 工业控制的现状随着计算机、通信、自动控制和微电子等技术的发展，大量智能传感器和智能控制芯片的不断出现，以及在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就，使人们对系统的综合性能，特别是安全性能提出了越来越高的要求1。在对系统设备的工作状况进行实时监测和控制的同时，也希望能够实现设备的智能维护。对企业的生产自动化设备来说，对自动化设备的工作状况进行远程监测和控制，不仅能够有利于设备管理人员随时了解设备的工作状态，在设备出现异常动作时，能够自动报警，便于检修工作人员及时维修。还可以增加设备使用的服务范围，提高自动化程度，提升设备的工作性能，延长设备的使用年限2。U型折板机是型材加工厂常用的加工设备之一，组态设计是通过触摸屏控制U型折板机制作的仿真界面，因此研究折板机PLC控制系统及组态监控设计具有很好的市场价值。1.2 电气控制的发展趋势随着社会的发展、科学技术的不断进步和生产工艺的不断改进，新兴的控制技术得到了前所未有的发展，尤其在计算机技术的应用领域，新型控制策略的出现，一直在潜移默化的改变着电气控制技术的面貌。对控制方法来说，以前的控制方法是手动控制设备的运行，而现在的控制方法则发展到了简便的自动控制；对控制功能来说，以前的控制功能相对简单，而现在的控制功能则发展到了智能化控制，以便于实现较为复杂的功能；对操作系统来说，以前的操作系统非常笨重，而现在的操作系统则发展为微机的信息化处理；对控制原理来说，以前的控制系统是单一的有触头硬接线继电器的逻辑控制系统，而现在则发展到以微处理器为中心的网络化自动控制系统3。机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器。机床电气控制的现状是由最原始的手动控制机床逐步发展为当今各企业生产厂家广泛使用的计算机集成制造系统，期间经历了漫长的发展过程。20世纪2030年代，继电器控制以其结构简单、价格低廉、易学易懂、可靠性高等优点取代了最原始的的手动控制。在60年代，顺序控制器的诞生以其通用性强等优点成为当时工业控制的主要装置。随后相继出现了PLC控制、数字控制和柔性制造系统FMS，使机床集高效性、高精度、高柔性于一身，成为当今机床自动化的理想形式4。20世纪60年代可编程控制器PLC诞生，它以微处理器为核心，并用软件手段来实现各种控制功能，逐步发展起来并成为一种新型工业控制装置。可编程控制器具有适用性强、可靠性高的特点，能够适应恶劣的工业环境。其操作指令简单、编程方式简便易懂，同时还具有体积小、维修工作少、现场安装方便等优点，正逐步取代传统的继电器控制系统5。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制的。早期的PLC只能完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器，使PLC增加了运算、数据传送的处理功能。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，其功能发生了飞跃。20世纪末期，可编程控制器的发展特点更加适应于现代工业控制的需要6。随着可编程控制器技术的飞速发展，各生产厂家也相继推出了许多功能强大的新型PLC，在产品生产的过程中发挥了重要作用。以PLC为控制核心的折板机就是一个很好的例子，具有以下四个特点7：（1） 可靠性高，抗干扰能力强，能够适用于复杂的工业环境；（2） 易学易用，操作简单，用户程序编制形象、直观、方便；（3） 以PLC为控制核心的U型折板机能够持续高效生产，并具有保护功能；（4） 控制回路简单，经济适用，能适应单件和大批量生产。1.3 U型折板机设计的主要工作论文分析了U型折板机的工作原理和控制要求，统计了U型折板机的输入输出点，选择三菱FX2N-16MR继电器型PLC作为U型折板机的控制器，通过对其它电器元件的选择，设计PLC的外部接线图，并利用SFC图法设计了U型折板机的程序梯形图。通过仿真验证，设计满足控制要求，完成了毕业设计任务。论文各章节的内容安排如下：第1章 绪论，主要写了当今社会工业控制的现状，对电气控制和机床电气控制的发展趋势也都做了简单的说明。第2章 U型折板机控制系统的硬件设计，主要写了U型折板机的工作原理、工艺流程和检测与驱动元件的选型；还写了I/O点的统计、PLC的选型和PLC的外部接线图设计。第3章 U型折板机控制系统的软件设计，主要写了编程语言的选择、U型折板机的控制要求、程序控制流程图的设计、程序的设计和程序的仿真与调试。第4章 U型折板机控制系统的组态设计，主要写了MCGS组态软件的简介和U型折板机组态仿真的设计。通过使用三菱仿真软件GX Developer对其控制程序进行仿真与调试，并使用MCGS组态仿真软件再次对程序进行了组态仿真，仿真结果验证了程序的正确性，证明设计满足系统的控制要求和设计思路。2 U型折板机控制系统的硬件设计2.1 U型折板机简介折板机是型材加工厂常用的加工设备，U型折板机工作原理如图1所示，由模板、左右折板、限位开关、气压机构（气缸和活动铰链）、安全光栅和操作盘组成。模板装在模板座上，模板两端的形状不同，加工出来的U型板料的开角形状就不同，折角的大小由左右限位开关的位置决定。根据不同要求，模板可以随时更换。在气压的推动下，模板与模板座分别下移或上移。被加工的金属板料放在平台上，当模板下移压紧板料后，工作平台上的左、右折板在气压机构的推动下，可以向上折、也可以折回，把板料加工成型。图1 U型折板机工作原理图 U型折板机的生产工艺流程： （1）当模板、左右折板都在原位时，将金属板料放到工作台上。 （2）启动运行后，模板开始下移，模板下移到位后自动停止。 （3）模板到位后，左、右折板开始上折，当左、右折板上移到相应的限位开关时，停止上折并保压2S。 （4）保压过程完成后，左、右折板开始下移，折板下移到原位时自动停止。 （5）折板下移到位后，模板开始上移，模板上移到原位后自动停止。 （6）U型板材加工过程结束，取下U型板即可。2.2 控制方式的选择 U型折板机的控制方式可以用继电器控制和PLC控制来实现，两者相比，PLC控制拥有很多优点8，而且实现的过程简单，总体操作简单，PLC控制的优点主要是：（1）硬件接线简单，电器元件数量少，节约空间；（2）精度和反应时间短，动作可靠，可实现机械高效反复操作，工作效率高；（3）PLC对于突发事件和误操作有很好的保护作用，如果此保护用继电器实现是比较麻烦的，而且多重保护很难实现；（4）配套齐全，功能完善，易于扩充其他功能；（5）PLC控制系统操作简单，如遇到故障报警，能自动停止运行，检修方便。 综上所述，论文中设计的控制方式采用PLC控制最为合理。2.3 检测与驱动元件选型2.3.1 开关选择检测模板或左、右折板的位置的装置可以用限位开关也可以用磁性开关，因为限位开关体积大，不方便安装，而且磁性开关和气缸配套，安装方便，体积小，精度灵敏度都比接近开关高。所以在模板上下限位和左右折板原位的位置安装磁性开关，在左右折板到位的位置安装限位开关9。由于气缸运动内部结构中有磁块，可以根据磁块位置得出气缸处于收缩还是伸长，在气缸凹槽处放入磁性开关就可以通过开关的接通或断开状态得知气缸位置。所以选用的磁性开关的型号为：SMC D-F79。其具体的参数如下所示。（1） 安装形式：轨道安装（2） 适合负载：继电器、程序控制器、IC电路（3） 线制：为三线制即NPN型（4） 电源参数：一般为DC5V、12V、24V（5） 电流参数：消耗电流10mA以下，负载电流40mA以下（6） 内部电压降：1.5V以下限位开关是限制工作机械位置的主令电器，一般于工作机械到达终点时发生作用。限位开关有接触式的和非接触式的，接触式的比较直观，而非接触式的形式有很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等。论文选用接触式即可满足设计要求，选用的限位开关型号为：欧姆龙D4C-1002-DKIEJ1型，此型号的限位额定电压值为DC30V，额定电流为1A，满足设计所提供的电压DC24V。其具体的参数如下所示。（1） 电压额定值：AC125V,1A；DC30V,1A（2） 传动的种类：滚珠柱塞型（3） 配线规格：预制线型（3芯：DC规格）2.3.2 驱动电磁阀选择由于折板机动作简单，用气缸便可以实现，气缸的驱动要用电磁阀。电磁阀的选择一般分为两种：一种是单向电磁阀，一种是双向电磁阀10。 由于单向电磁阀在断电后阀芯会返回原来位置，在此次设计中，如果断电后电磁阀还有动作是非常不安全的，所以选择双向电磁阀。在突然断电的情况下，电磁阀两个线圈都没有电，所以电磁阀没有动作，即气缸不会因为突然断电而收缩或伸长。通过对电磁阀参数的了解，根据应用需求我们要选择线圈电压为DC24V，型号为SY3320-5LZD-M5三位五通电磁阀作为设计的驱动电磁阀。具体的参数如下所示。（1） 一般技术参数：流体为空气；环境及流体温度，最高为50摄氏度；手动操作类型为螺丝刀锁定型；搞冲击/震动能力为150G/30m/s2（8.3-2000Hz）；接电方式有直接出线式（G）,L型插座式（L）,DIN插座式（D）。（2） 电源技术参数：标准电压一般为交流：110V、220V；直流：12V、24V（3） 容许电压变动范围：一般为额定电压的10%（4） 功率消耗参数：交流为0.5W/0.55W（带指示灯）；直流为24V、1.1VA（5） 额定电流参数：1A其次，我们根据电磁阀驱动要求选择驱动元件。电磁阀的线圈电压值为DC24V,电流很小，可以直接接到PLC的输出端，但PLC的触点可能因电磁阀线圈的损坏而受到影响，所以选择继电器驱动。继电器的线圈由PLC控制，所以线圈应为DC24V型，继电器的常开触点控制电磁阀的线圈。继电器可以选择欧姆龙MY2N-J DC24V。具体的参数如下所示。（1） 一般技术参数：MY系列通用继电器，不使用铅，符合环保要求；通过改变交直流线圈带的颜色，提高交直流规格的识别性；线圈机械寿命8000万次，电气寿命40万次以上。（2） 电源技术参数：额定电压为DC24V（3） 触点形式：两开两闭（4） 直流电阻值：一般为50（5） 防护特性：一般为密封式2.4 I/O点的统计U型折板机设计所需的输入点分别为：启动开关，占用1个输入点；限位开关包括左限位开关、右限位开关和模板限位开关，占用3个输入点；行程开关包括模板原位行程开关、左折板原位行程开关和右折板原位行程开关，占用3个输入点；另外还有1个安全光栅开关的输入点。经统计共有8个输入点。具体输入点统计如表1所示。表1 输入点统计表序号输入点数量1启动开关12左限位开关13右限位开关14模板原位行程开关15模板限位开关16左折板原位行程开关17右折板原位行程开关18安全光栅开关1合计8U型折板机设计所需的输出点分别为：模板的上移、下移电磁阀线圈，占用2个输出点；左折板的上移、下移电磁阀线圈，占用2个输出点；右折板的上移、下移电磁阀线圈，占用2个输出点；另外还有1个报警指示端。经统计共有7个输出点。具体输出点统计如表2所示。表2 输出点统计表序号输出点数量1模板上移12模板下移13左折板上移14右折板上移15左折板下移16右折板下移17报警指示1合计72.5 PLC的选型2.5.1 PLC的选择为了满足工艺原理和生产控制的要求，在PLC的选型阶段，论文着重考虑了PLC的性价比，一般可以从以下两个方面选择11：（1）I/O点数估计：作为PLC的一项重要指标，选择合理的I/O点数不仅可以使系统满足控制要求，还可以使系统的总投资降到最低。一般情况下，一个输入输出元件要占用一个输入输出点。随着社会的发展和工艺的提高，考虑到以后的扩充问题，一般估计的I/O总点数应在原有的基础上增加15%20%的备用量。（2）用户存储容量估算：用户所选择的程序在整个PLC的存储容量中占据多少内存与I/O点数、控制要求、运算处理量等有关。因此在程序设计之前，我们只能粗略的估算所需要的存储容量，从而选择合适的PLC。综上所述，根据设计所使用的I/O点数统计可知，U型折板机的设计共需要输入点8个，输出点7个。所以选用三菱FX2N-16MR继电器型PLC作为U型折板机的控制器。2.5.2 PLC的参数简介FX2N-16MR继电器型PLC的输入和输出点数都是8个，其技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输入和输出技术指标，及功能技术指标，具体的参数如下所示12。（1） 一般技术指标：环境温度，使用时为055摄氏度；环境湿度，一般以不结露时为准，使用时在35%89%；抗噪声干扰，用噪声仿真器产生电压为1000Vp-p、周期为30100Hz的噪声，在此噪声干扰下PLC能够正常工作；PLC一般在无腐蚀性气体和无尘埃的环境下使用。（2） 电源技术指标：电源电压一般为AC100240V和50/60Hz。（3） 输入技术指标：输入电压为DC24V，输入电流为7mA。（4） 功能技术指标：输入输出方式为批处理方式，但有输入输出刷新指令；程序语言为继电器符号加步进梯形图方式。2.6 PLC接线原理图设计2.6.1 I/O点分配通过PLC选型可知，论文采用三菱FX2N-16MR继电器型PLC作为U型折板机的控制核心，根据I/O点数的统计可知，U型折板机的设计需要一个启动开关、三个限位开关、三个行程开关，以及一个安全光栅开关，共计8个输入点。且还需要六个电磁阀线圈和一个报警指示端，共计7个输出点。综上所述，PLC的I/O分配表如表3所示。2.6.2 PLC的接线原理图 PLC控制系统接线原理图中，SB1为开关按钮；YA1-YA3均为各部分电磁阀线圈，Y0-Y5均与各部分电磁阀线圈连接。为防止PLC因负载过高而烧坏，在线路中接入直流稳压电源，单独给电磁阀供电。启动运行后，输入端输入信号，输出端反应相应的动作。具体的PLC接线原理图如图2所示。表3 I/O分配表序号器件名称输入点输出点1启动开关X02左限位开关X13右限位开关X24模板原位行程开关X35模板限位开关X46左折板原位行程开关X57右折板原位行程开关X68安全光栅开关X79模板上移电磁阀Y010模板下移电磁阀Y111左折板上移电磁阀Y212右折板上移电磁阀Y313左折板下移电磁阀Y414右折板下移电磁阀Y515报警指示灯Y6图2 PLC接线原理图3 U型折板机控制系统的软件设计3.1 编程语言的选择应用程序的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。至今为止还没有一种能适合于各种可编程控制器的通用编程语言，但由于各国可编程控制器的发展过程类似，可编程控制器的编程语言及工具大致相同。一般常见的为以下几种编程语言13。（1） 梯形图：梯形图语言具有形象、直观、实用的优点，它是在继电器-接触器逻辑控制的基础上演变而来，易学易懂，是PLC的第一编程语言。 （2）指令表：指令表也叫语句表，是编写程序的另一种语言，也是类似组合语言的低阶语言，它由语句指令以一定的顺序排列而成。（3） 顺序功能图：顺序功能图是一种新的编程方法，常用来编写开关量顺序控制类程序。它包括阔步、路径、转换三个要素，也提供了一种组织程序的图形方法。（4） 功能模块图：功能模块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，它将显示出工程所要实现的各种功能。（5） 结构文本：结构文本具有结构简单、直观灵活的特点。它能实现较为复杂的数学运算，编写的程序也更加简洁易懂，是一种专用高级语言。综上所述，通过对比比较可知，毕业设计采用梯形图作为U型折板机程序设计的语言，具有可读性、易懂性。能够比较直观的展现程序的功能和设计的思路。3.2 控制要求U型折板机的控制方式为单步控制，即按一次操作按钮执行一个工作步。具体控制要求如下。（1）具有能检测是否为安全状态的功能；（2）折板机运行过程中再次按下启动按钮或故障报警时，能够自动停机；（3）模板的上下移动和左右折板的上下移动不能同时进行；（4）完成整个加工过程后，模板和左、右折板应返回原位。3.3 程序控制流程图根据控制系统的设计以及工艺原理的要求，在启动运行的状态下，运用单步控制方式的U型折板机的程序控制流程图如图3所示。当按下启动按钮SB1时，系统会自动检测是否在安全状态，即模板、左右折板都在原位。如果不是安全状态，则需手动解除故障后方可重新启动运行。如果检测结果显示系统在安全状态，则模板开始下移，当模板下移到位后，左、右折板开始上移，当左右折板到位后，系统停止运行2S，以稳定成型。然后左、右折板开始下移，当左、右折板到位后，模板开始上移，当模板到位后，系统再次停止运行2S，以便工作人员取出U型板。图3 程序控制流程图3.4 程序设计 U型折板机的设计选用SFC图法作为程序的编程方法14，它的设计思想是将一个复杂的控制过程分解为很多个工作状态，弄清各工作状态的细节后，依据总的控制顺序的要求，将这些工作状态联系起来，就构成了SFC图。根据U型折板机的工作原理和程序控制流程图，作U型折板机PLC控制SFC图如图4所示。图4 U型折板机PLC控制SFC图 按照外部接线要求把各个元件接好，当接入电源时，按下启动按钮SB1，如果模板没有在原位以及左右折板没有在原位，系统将不会进行下一步动作。如果模板以及左、右折板都在原位时，系统将延时一秒。具体程序如图5所示。图5 启动自检程序图 当启动延时时间到或处于原位时间到时，T0接通，模板下移辅助继电器M11置1，模板开始下移。具体程序如图6所示。图6 模板下移程序图 当模板下移到位后，到位行程开关接通，左右折板相对应的辅助继电器M12、M13置1，并控制相应的左右折板电磁阀动作，左右折板开始上移。具体如图7所示。 当左右折板上移到行程开关接通，从而左右折板到位。系统将停留2S以用来进行稳定成型，当延时结束后，左右折板开始进行复位下移，当下移到原始状态时，模板开始进行复位上移。具体程序如图8所示。 当模板和左、右折板都在原位时，按下SB1通过一定的延时使系统只进行模板下移。左右折板保持原始状态，不进行动作。具体程序如图9所示。 当按下启动按钮，左右折板和模板不在原始状态，系统将进行故障报警并点亮故障报警灯，同时停止进行下一步动作。具体程序如图10所示。图7 左右折板上移程序图图8 折板和模板复位程序图 图9 模板下移服务程序图图10 报警程序图当系统进行模板下移或上移以及左右折板上移或下移时，由于系统报警程序检测到有模块不在原始状态，系统将进行安全报警，报警指示灯点亮。并且不影响系统进行下一步动作。具体程序如图11所示。故障延时时间：当模板不在原位也未到限位时，故障延时启动，此时有可能是模板运行过程被卡住或压到不合格板材。具体程序如图12所示。当系统进行U型板制作的时候，模板下移到位前，左、右折板不允许动作。当模板下移到位后，左、右折板开始上移，折板未到位时，模板不能进行上移。当左、右折板上移到位后，系统将进行左、右折板下移，只有当左、右折板下移到位后，模板才能进行上移。当模板上移到位后，U型折板机加工过程结束，U型板材输出。具体程序如图13所示。图11 正常动作指示程序图图12 运行故障程序图 图13 U型板制作输出程序图3.5 程序仿真与调试3.5.1 GX Developer的介绍GX Developer是三菱PLC的编程软件15。其具有软件的共通化、程序的标准化等特点，能够利用Windows的优越性，使操作性能更加优越。其操作方法简便，易学易懂，能够让操作人员在复杂的系统情况下也能够通过简单的设定与可编程控制器CPU连接，通过调试功能实现程序的仿真，从而达到相应的目的。3.5.2 程序仿真结果根据要求U型折板机在安全状态下方能正常启动，即只有当折板机的模板，左右折板都在原位时，U型折板机才能开始启动运行程序。具体仿真结果如图14所示。图14 U型折板机启动自检仿真图当折板机启动自检程序完成后，若折板机处于安全状态，这时按下启动按钮SB1，程序开始运行，U型折板机的模板将开始下移。具体仿真结果如图15所示。图15 模板下移仿真图当U型折板机的模板下移到限位开关时，说明模板下移到位。这时折板机的左、右折板离开原位开始上移。具体仿真结果如图16所示。图16 左、右折板上移仿真图当U型折板机的左、右折板上移到限位开关时，说明折板上移到位，这时停止上折并保压2S，以达到稳定成型的目的。然后左、右折板开始下移。具体仿真结果如图17所示。图17 左、右折板下移仿真图 当U型折板机的左、右折板下移到位后，即左、右折板回复到原位，这时模板开始上移。具体仿真结果如图18所示。 当模板上移到原位时，整个U型板的制作过程结束，这时程序将停止运行2S，以便工作人员将制作好的U型板取下，然后程序继续运行，模板开始下移，进入下一个U型板的制作循环。具体仿真结果如图19所示。为保证U型折板机的可行性和安全性，论文专门设计了报警提示，即在程序启动运行前，会进行一次自检。当模板、左折板、右折板，有任何一处不在原位时，报警指示灯亮。具体仿真如图20所示。图18 模板上移仿真图 图19 模板下移仿真图 图20 报警指示仿真图4 U型折板机控制系统组态设计4.1 MCGS组态软件简介4.1.1 MCGS嵌入版组态软件的主要功能（1） 简单灵活的可视化操作界面；（2） 实时性强、有良好的并行处理性能；（3） 丰富、生动的多媒体画面；（4） 完善的安全机制；（5） 强大的网络功能；（6） 多样化的报警功能；（7） 实时数据库为用户分步组态提供极大方便；（8） 支持多种硬件设备，实现“设备无关”；（9） 方便控制复杂的运行流程；（10） 良好的可维护性；（11） 用自建文件系统来管理数据存储，系统可靠性更高；（12） 设立对象元件库，组态工作简单方便。综上所述，MCGS嵌入版组态软件具有强大的功能，并且操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS嵌入版组态软件能够避开复杂的嵌入版计算机软、硬件问题，而将精力集中于解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统17。4.1.2 MCGS嵌入版组态软件的组成及介绍如图21所示，MCGS嵌入版组态软件的组成结构图18：（1） 主控窗口构造了应用系统的主框架；（2） 设备窗口是MCGS嵌入版系统与外部设备联系的媒介；（3） 用户窗口实现了数据和流程的“可视化”；（4） 实时数据库是MCGS嵌入版系统的核心；（5） 运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。4.2 U型折板机组态仿真设计4.2.1 U型折板机组态仿真建立图21 MCGS嵌入版结构图 打开MCGS嵌入版组态软件后，点击“文件”按钮，在下拉菜单中选择“新建工程”，这时会弹出“新建工程设置”的对话框，选择完TPC类型和背景颜色后，点击“确定”即建立了新的工程19。具体步骤如图22所示。图22 MCGS新建工程图 新建工程完成后，会出现一个“工作台”，工作台上分别显示了主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略。点击工作台上的“设备窗口”按钮会出现一个新的“设备窗口”的选项。具体步骤如图23所示。图23 MCGS新建工作台图 双击“设备窗口”选项，此时会出现一个空白的设备组态窗口，然后点击“设备工具箱”按钮，双击其下拉菜单中的“通用串口父设备”，此时会发现原来空白的设备组态窗口中出现了“通用串口父设备0”选项。再次双击“设备工具箱”下拉菜单中的“三菱_FX系列编程口”，此时在设备组态窗口“通用串口父设备0”子菜单中会出现一个新的“设备0”。具体步骤如图24所示。图24 MCGS新建设备组态窗口图 完成以上步骤后，在工作台上打开“用户窗口”界面，在界面中点击“新建窗口”按钮，此时界面中会出现“窗口0”,用户可根据需要自行添加“窗口1”、“窗口2”等。具体步骤如图25所示。图25 MCGS新建用户窗口图 新建用户窗完成后，双击“窗口1”，此时会打开一个空白的“动画组态窗口”。点击“工具箱”，利用工具箱里面的工具画出U型折板机所需要的组态动画元件。具体步骤如图26所示。图26 MCGS新建动画组态窗口图4.2.2 U型折板机组态仿真运行结果及分析初始状态下，模板和左右折板在原位状态，这时按启动按钮才可以运行。如果不在正常的初始状态，则按启动按钮无效，手动解除故障才可以重新运行。具体组态仿真结果如图27所示。图27 U型折板机启动自检组态仿真图 按下启动按钮后，模板离开原位开始下移，此时，模板原位指示灯熄灭，左、右折板因未动作，仍在原位，相应的指示灯依然点亮。具体组态仿真结果如图28所示。图28 U型折板机模板下移组态仿真图当模板下移到位后，相应的行程开关动作，模板到位指示灯点亮。这时，左、右折板开始上移，相应的左、右折板原位指示灯熄灭。具体组态仿真结果如图29所示。图29 U型折板机左、右折板上移组态仿真图 当左、右折板上移到位后，相应的行程开关闭合，到位指示灯点亮。同时系统停止运行2S，以保证U型板保压定型。具体组态仿真结果如图30所示。图30 U型板保压定型组态仿真图当2S定时时间到后，左、右折板开始下移，左、右折板到位行程开关断开，左、右折板到位指示灯熄灭。具体组态仿真结果如图31所示。图31 U型折板机左、右折板下移组态仿真图 当左右折板下移到原位时，相应的原位行程开关闭合，原位指示灯点亮。同时，模板开始上移，相应的模板到位行程开关断开，模板到位指示灯熄灭。具体组态仿真结果如图32所示。图32 U型折板机模板上移组态仿真图 当模板上移到原位时，相应的模板原位行程开关闭合，模板原位指示灯点亮，此时，系统停止运行2S，以保证U型板成品输出。2S后，系统自动重复循环运行。具体组态仿真结果如图33所示。图33 U型板成品输出组态仿真图系统上电后，如果模板和左右折板有任何一个不在原位时，此时，系统就会进行报警，报警指示灯点亮，这时按动启动按钮无效。还有一种情况会导致系统报警，即当模板位置既不在原位也没有到位时，如果这种情况超过2S，系统也会自动报警。具体组态仿真结果如图34所示。通过以上组态仿真图可以看出，仿真结果验证了设计的正确性，U型折板机的动作过程满足控制要求，完成了对U型折板机的设计任务20。图34 U型折板机报警指示组态仿真图结束语随着社会的发展和工业控制的需求，新型的控制策略逐渐走进人们的生活并成为众多领域的主导。论文对U型折板机的PLC控制系统和组态监控系统进行了设计，主要的研究内容包括以下几个方面：（1） 介绍了U型折板机的工作原理、组成结构和加工工艺流程，分析了U型折板机所需要的控制要求。（2） 根据U型折板机的控制要求进行I/O点的统计，并选用三菱FX2N-16MR继电器型PLC作为U型折板机的控制器，设计出了PLC的外部接线图。（3） 进行了U型折板机控制系统的软件设计，设计了程序控制流程图和程序，并采用GX Developer仿真软件对控制程序进行了仿真和调试。（4） 利用MCGS嵌入版组态仿真软件对U型折板机的控制系统进行了组态设计，以实现对控制程序进行监控，更加形象直观的展现出U型折板机的动作过程。在对U型折板机的设计过程中，由于没能到工厂参观学习U型折板机的具体动作过程和原理，初次设计时对U型板材进行保压定型和取板的过程没有预留时间，其结果很可能导致U型板材制作不合格或工作人员取板时被机器误伤。意识到问题的存在和严重性，在程序的调试过程中增加了保压定型和取板的计时程序，通过使用GX Developer仿真软件对控制程序进行了仿真和调试，实验结果验证了程序的可行性和正确性。在设计过程中还使用了组态监控软件MCGS对控制程序进行监控和控制，由于之前没有接触过MCGS组态仿真软件，对于设计中组态仿真的建立，有许多地方设计的还不是很合理。动画组态窗口中，仅使用指示灯来演示模板或左右折板的动作过程，并用按钮来控制演示模板或左右折板的限位状态。在对按钮和指示灯的属性设置时存在很多不理解不明确的地方。通过多次对程序的调试和改进，终于达到了预期的目标。论文所设计的U型折板机组态监控设计满足设计思路，符合系统的控制要求，但在程序设计方面还有可以改进的空间，例如：（1） 可以添加手动和自动切换功能，这个功能可以方便系统的调试和应用。（2） 在MCGS组态仿真的应用上，动画组态窗口中的设计可以使用U型折板机工作原理图来作为动画的演示，能够更加直观形象的展现出U型折板机的动作过程。通过折板机PLC控制系统及组态监控的设计，系统的掌握了PLC编程和软件调试的基本方法，对PLC梯形图、指令表、外部接线图和PLC的设计原理都有了更深刻的理解。随着社会的发展和科学技术的不断进步，PLC和仿真软件的应用必将在各个领域得到广泛的学习和应用。参考文献1 胡毅，于东，刘明烈工业控制网络的研究现状及发展趋势J.计算机科学，2010，1(23)：2327 Hu Yi,Yu Dong, Liu Minglie. 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