毕业设计（论文）基于PLC控制的自动加工监控系统设计

本科毕业设计（论文）题目：基于PLC控制的自动加工监控系统设计学生姓名学号教学院系专业年级指导教师职称完成日期摘 要随着计算机技术、自动控制技术的发展及现代工业生产过程的需求，越来越多的计算机监控系统正在广泛应用于各种工业生产过程。自动化加工是现代加工生产的主要方式，自动化监控系统可以大大提高加工生产的效率和质量，因此自动化加工监控系统在现代工业中变得十分重要。本设计是以自动生产流水线模型的加工单元为控制对象，基于罗克韦尔可编程控制器的模拟控制系统设计和实现。模拟控制系统硬件采用ControlLogix1756控制器、1756 CNB/E模块、Flex I/O 1794端口和自动生产流水线模型。在模拟控制软件方面，根据加工工艺流程和控制要求，利用RSLogix5000软件编程并通过控制电磁阀驱动气缸带动传送带、机械手、钻杆器、钻绞器，实现工件的传送、钻孔、绞孔的全自动加工过程的控制，利用RSNetwork实现控制网的组态、并利用RSView32编程软件实现自动加工模拟控制系统的组态界面的本地和远程监控。将本系统结合实际工艺要求和条件进一步加以改进及完善后，可以用于实际的自动加工监控控制，因此本系统对实际加工生产的自动监控系统设计具有一定的参考价值。关键字：罗克韦尔自动化；计算机监控系统；自动加工IAbstractWith computer technology, automatic control technology and the needs of modern industrial processes, more and more computer monitoring systems are widely used in various industrial processes. Automated processing is the main form of modern processing, automated monitoring system can greatly improve production efficiency and quality mechanic, so automated processing control system in modern industry has become very important.The design is based on Automation production line model for the control of the object processing unit, Rockwell PLC-based analog control system design and implementation. Analog control system hardware using ControlLogix1756 controller, 1756 Shenzhou Business / E module, Flex I / O ports 1794 and automatic production line model. In the simulation control software, according to the process flow and control requirements, the use of software programming and RSLogix5000 electromagnetic valve cylinder by controlling the drive belt, manipulator, control drill, drill cutter, which realizes transmission parts, drilling, reaming the whole automatic process control to achieve control network using RSNetwork configuration and programming software using RSView32 analog control system for automatic processing of the configuration interface of the local and remote monitoring.The system combines the actual process requirements and conditions to be improved and refined further, automatic processing can be used for monitoring the actual control, so the actual processing of the system of automatic monitoring system has a certain reference value.Keywords: Rockwell Automation; computer monitoring system; automatic processing;目 录1绪论11.1 国内外现况11.2 设计的目的和意义22控制系统构成方案设计32.1 硬件设计方案32.2 软件设计方案32.3 控制器方案42.4总体设计方案53 编程软件及相关控制工具63.1 RSLogix500063.2 RSView3273.3 RSLinx83.4 RSNetWorx for ControlNet84 系统软件设计104.1 控制程序设计104.1.1 流程图设计104.1.2 程序设计104.2 监控画面设计134.2.1 建立OPC服务器134.2.2 RSView32组态监控软件的操作145 系统调试196 结论23谢辞24参考文献25附录26附录一：自动加工流程图26附录二：梯形图控制程序31II基于PLC控制的自动加工监控系统设计1绪论1.1 国内外现况随着计算机技术、自动控制技术的发展及现代工业生产过程的需求，越来越多的计算机监控系统正在广泛应用于各种工业生产过程。自动化监控系统可以大大提高加工生产的效率和质量，因此自动加工监控系统在现代工业中也变得十分重要。一套好的自动加工模拟控制系统不仅能提高生产效率和经济效益，而且还可以改善工况、节约资源，更能提高工作的安全可靠性。目前，自动控制方式主要有继电器、单片机、PLC和罗克韦尔可编程控制器四种。由于PLC控制系统与继电器控制系统及微机控制系统相比，具有结构灵活，不受环境的限制，有电即可组建网络,传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、 适用面广等一系列优点，因此，已成为国内外自动加工控制的首选控制方案。除PLC外，罗克韦尔可编程控制器也是自动加工的主要控制方式。罗克韦尔构架采用单一的控制平台，基于Logix平台的控制器都采用单一的软件编程。RSLogix5000是ControlLogix系统的专用编程软件，功能强大易用，不仅可以对控制器进行常规的编程，也可以组态和监控，所有的对外交换的信息，不管是I/O刷新信息，还是对外设备的通讯信息，都可以经过编程软件的组态或编程，更重要的是它具有面对系统的监视功能和诊断功能，所有它属下模块的工作状态全在它的监视之下，其诊断结果将明了告知问题所在，可正确迅速地查找原因，这是传统控制器编程软件不能企及的。本校电气信息学院在罗克韦尔自动化实验室有自动生产流水线模型，因此本设计选用罗克韦尔可编程控制器作为自动控制方式。图1.1自动生产流水线模型1.2 设计的目的和意义(1) 设计工件自动加工过程的监控系统；(2) 研究监控系统对自动加工的重要性；(3) 应用罗克韦尔自动化公司的RSLogix5000编程软件和RSView32组态软件对自动生产流水线加工单元进行生产过程的实现和监控，提高流水线自动生产的顺畅性。2控制系统构成方案设计2.1 硬件设计方案本系统的硬件结构如图2.1所示：上位机通过以太网与控制器连接，控制器与加工单元通过控制网连接实现控制作用。上位机采用一般的计算机，而控制器可以采用多个方案。图2.1系统硬件结构示意图2.2 软件设计方案在本设计中，上位机主要负责对加工单元的工作状况进行实时监控和动态模拟，以及通过发出命令对其进行实时控制，提高了工作效率。所以，编写一个合适的操作界面是十分必要的。编写操作界面根据选用不同的编程软件可由多种实现方案，如采用组态软件,Visual Basic（简称VB）、Visual C+（简称VC+）等。方案一：选用C语言C语言的程序简练、紧凑，使用方便、灵活、运算符丰富、数据结构丰富、语法灵活、效率高，可移植性强。方案二：选用VB语言VB语言程序语法较为简单易懂并且参考书籍多，VB是全开放性的，方便程序的修改。发展快速且功能强大。建立监控画面时不需要编写大量的程序代码行来描述和控制界面元素的位置、大小等属性，只需简单的在窗体上增加已经建立好的控件对象。方案三：选用组态软件 组态软件功能强大，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，目前在多种工程领域中得到了广泛的应用。但是它一般价格比较昂贵，它本身不具备直接访问PLC寄存器或其他智能仪表的能力，必须借助I/O驱动程序来实现。经过上面的分析，综合比较上位机编程方案，如表2.1。表2.1 上位机界面编程方案对比方案采用VB编程采用VC+编程组态软件开发效率较高较低较高通信连接较难较难简单图形界面功能一般繁杂良好2.3 控制器方案方案一：控制器采用可编程逻辑控制器（PLC） PLC即可编程控制器是一种以微处理器为核心, 并综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制器。它的最大特点就是体积小, 功能强, 响应速度快，可靠性高。随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性。方案二： 控制器采用DSP数字信号处理器是一门涉及数学 、网络理论、信号处理、控制论、通信理论等许多学科且广泛应用于通信、语音、图象、雷达、生物医药、工业控制、仪器仪表、智能传感器等许多领域的新兴学科。用DSP芯片实现数字信号处理具有很强的通用性和灵活性，因为DSP芯片体积小、运算速度极快、精度高、接口方便，特别适合处理复杂的数字信号处理算法。控制器方案对比PLC具有较好的的稳定性和抗干扰性，这一点对工业控制来说很重要。并且PLC用梯形图编程比较简单。PLC多用于是电气设备处理的芯片，DSP多用于是数字信号处理的芯片。而本课题是一种工程实际的研究，课题中的机械手应用于工业控制现场，综合多方面因素，选用可编程逻辑控制器（PLC）来实现控制要求。表2.2 控制器对比控制器编程成本可靠性PLC简单高高DSP复杂高高2.4总体设计方案通过以上硬件和软件方案的比较和选择，本设计最终选用罗克韦尔可编程控制器来控制加工单元，包括机械手的动作、传送带的启停和步进电机的动作等，在上位机上采用组态软件RSView32实现对控制对象的实时仿真监控。因此，硬件装置可利用ControlLogix1756系列PLC构成，上位机与控制器之间通过以太网连接并实现其通信，控制器与加工单元现场设备之间通过控制网实现连接及通信。控制器程序采用RSLogix5000编程软件进行控制程序的编写。因此系统的总体方案如图2.2所示。图2.2 系统结构图3 编程软件及相关控制工具加工单元控制系统实现通信的软件：Control Logix系统、编程软件RSLogix5000、监控软件RSView32、组态软件RSNetwork for Controlnet和通信软件RSLinx。其控制网络的总体通讯连接结构如图3.1所示：图3.1 加工单元通讯连接结构图3.1 RSLogix5000RSLogix5000是ControlLogix系统的专用编程软件，功能强大易用，不仅可用与对控制器进行常规的编程，也可用于组态和监控，所有的对外交换的信息，不管是I/O刷新信息，还是对外设备的通讯信息，都要经过编程软件的组态或编程，更重要的是它面对系统的监视功能和诊断功能，所有它属下模块的工作状态全在它的监视之下，其诊断结果将明了告知问题所在，可正确迅速地查找原因，这是传统控制器编程软件不能企及的。(1) RSLogix5000编程方式：梯形图、功能块图、顺序功能图和结构文本。本设计采用梯形图编程。(2) RSLogix5000编译环境本设计梯形图编译环境如图3.2所示：图3.2 梯形图编译环境3.2 RSView32RSView32是基于组态集成并用于监视和控制自动化设备和过程的人机界面监控软件。RSView32可以使用直接驱动器连接A-B通讯设备，直接驱动器在RSLinx中建立。如果与ControlLogix控制器通讯，只能采用OPC或DDE方式连接，直接驱动的连接方式不支持。OPC是OLE for Process Control的简称，OPC是连接现场总线信号与监控软件的桥梁，可以通过生产商特定的OPC服务器将RSView连接到通讯设备，RSView支持OPC-DA2.0 规范。RSView32工程管理器工作环境如图3.3所示：图3.3 RSView32工程管理器工作环境3.3 RSLinx 通讯工具软件是为计算机将设备配置、网络组态信息及程序传送至现场设备而使用的软件，它可以将组态或程序信息根据总线协议/规范的通讯要求进行处理，再从计算机通过网络接口传送至现场设备，同样也可以采集现场设备的数据。RSLinx软件可以为所有Allen-Bradley网络提供完整的驱动程序，通过该软件，用户可以通过一个窗口查看所有活动网络，也可以通过一个或多个通讯接口同时运行任何所支持的应用程序的组合，并且RSLinx提供快速的OPC, DDE和Custom C/C+的接口，可与第二方软件通信。在RSLinx中集成了众多设备配置和监视工具，仅需要用鼠标选取和点击所需设备就可以完成相应的操作。3.4 RSNetWorx for ControlNetRSNetWorx for ControlNet是罗克韦尔自动化公司提供的ControlNet设置配置软件，提供网络组态和监控，可用于在线配置和离线配置。 RSNetWorx for ControlNet的运行需要依赖于RSLinx通信软件。RSLinx为ControlNet网卡提供驱动，并且为RSNetworx for ControlNet软件和ControlNet网卡之间的数据交换提供接口。ControlNet是一种高度确定性网络，因为它能够可靠地预测数据传递完成的时间。同样，ControlNet也因其可重复特性而闻名，该特性保证了传输时间为可靠的常量，且不受网络上节点的增加或减少的影响。这些都是保证实现可靠、高度同步和高度协调的实时性能的至关重要的要求。不同于其他基于双绞线的网络。ControlNet使用光纤介质的最远距离可达30公里，并且速度都始终保持在5Mbps而不会随距离衰减，并可在噪声环境中使用。这些都使得ControlNet当之无愧地成为连接远程I/O和对等PLC主站的最理想的网络。4 系统软件设计4.1 控制程序设计4.1.1 流程图设计本设计中，加工单元主要负责对工件进行钻孔绞孔加工，整个流程可以简述为：在检测加工平台复位后，首先检测到传送带送来需要加工的工件后，四自由度机械手开始工作，将工件从传送带运送至加工平台；然后加工平台开始向加工区移动，到达钻孔区时停止，由钻孔器件对工件进行钻孔；钻孔完成后，加工平台继续向绞孔区移动，到达绞孔区停止，让绞孔器件对工件进行绞孔加工；加工完成后，加工平台返回至初始位置；最后，由四自由度机械手把成品运回到传送带，由传送带将其传送至下一个流水线单元。加工单元具体工作流程图见附录一所示。4.1.2 程序设计根据加工单元自动加工模拟控制系统所设计的工序流程图，用RSLogix5000编程软件进行梯形图程序的编写。首先，在RSLogix5000编程软件工作环境下，它自带主程序，若要编写子程序，则要建立新的任务和子程序例程，相关设置根据实际情况而定。接着在任务栏的I/O Configuration中按照RSLinx的控制器网络连接方式进行组态，其中需要特别注意设备所对应的槽号和编号要分别对应。本设计中所建立的I/O组态如图4.1所示：图4.1 加工单元的I/O组态然后在Program Tags中对中间过程量建立标签，并注意数据类型，可以在描述栏对其进行标签，这些标签只能用于主程序中，而在Controler Tags中建立的标签可以运用于所有的程序。对自动加工的加工单元编写梯形图程序，可建立标签如图4.2所示：图4.2 主程序中间量标签设置在对系统进行I/O组态后，根据RSLinx添加相应的控制器、控制网络和相应的1794 Flex I/O输入输出端口或者本地I/O口。则会在Controler Tags中系统自动生成标签，如图4.3所示。用户可以在相应端口进行标签设置，从而方便梯形图的编写，如图4.4所示。图4.3 Controler Tags 图4.4 控制器标签设置加工单元生产流程梯形图程序,结果如附录二所示。4.2 监控画面设计“组态” （configuration）的概念也是伴随着DCS而发展起来的，其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，达到使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。监控组态软件就是用于监控生产等自动化过程的组态软件。监控组态软件最早出现时，HMI（human machine interface）或MMI(man machine interface)是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着监控技术的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持等已成为监控组态软件的主要内容。本设计采用RSView32组态监控软件。4.2.1 建立OPC服务器使用RSLinx软件，点击DDE/OPC，选择Topic Configuration，在左边窗口中新建一个标题名称，在右边窗口选择相应的处理器（注意：连接对象是处理器，不是其他的模块），点击Apply就建立好了，如图4.5所示：图4.5 OPC服务器的建立4.2.2 RSView32组态监控软件的操作（1）打开RSView32软件，建立一个加工单元的project，将会出现一个工程管理器，如图3.2所示。在 System树形结构下对通道Channel、节点Node进行设置，如图4.6和图4.7所示：图4.6 RSView32监控软件通道的设置图4.7 RSView32监控软件节点的设置（2）建立标签并用文件夹管理如图4.8中的xin_tag为加工单元的标签管理文件夹。选择某一个标签，标记类型选择“数字量”，数据源类型选择“设备”，节点名选择前面所建立的节点“node” ，在数据源地址Adress项选择对应的OPC地址，使得与RSLogix5000中的变量相连接，保证RSView32的运行情况如实反映硬件设备的运行情况，如图4.11所示。图4.8 标签管理图4.9 标签的数据源选择（3）编辑加工单元监控画面并组态图形对象在Graphics（图形）文件夹中选择Display（显示），建立两个新的显示窗口：登陆画面和监控画面，绘制结果如图4.10和图4.11所示： 图4.10 登陆界面图4.11 自动加工监控画面按钮对象组态时会用到RSView32系统指令，指令集合如图4.12所示： 图4.12 RSView32系统指令选择System中的Startup设置开始画面，如图4.13所示： 图4.13 设置开始画面5 系统调试控制网络与1974 Flex I/O的实物连接图如图5.1。图5.1 控制网络结构连接实物图 首先，RSLinx与下位机的控制器进行连接，读取控制器中各模块的位置及相互的连接等信息，如图5.2所示：图5.2 加工单元RSLinx通讯网络配置图其次，RSNetWorx for ControlNet通过RSLinx在线读取控制器部分的信示，如图5.3所示：图5.3 加工单元RSNetWorx for ControlNet配置图然后，在RSLogix5000中按照RSLinx中模块的顺序进行加载，加载时槽号Slot必须与在RSLinx中读取的一致，在配置ControlNet时，需要加载RSNetWorx for ControlNet软件中配置好的文件，所有的这些配置结束后，就可以编写自己的程序，从而对自动生产流水线加工单元进行控制。 最后，监控软件RSView32通过RSLinx与RSLogix5000中的变量等信息绑定，在上位机上可以实时的显示加工单元设备的变化过程以及输入/输出控制器中的各种控制命令，使得对加工单元的监控更形象、简捷、实用。本设计的系统调试主要为软件调试。为了使软件与硬件配合达到控制要求，采用了 PLC的符号梯形图方式编程，这种方式直观，便于监控和局部修改。当使用RSNetWorx for ControlNet网络组态软件将控制网完成优化以后，就可以将程序下载到对应的控制器里边进行程序的运行调试了，看看1974 Flex I/O接口工作指示灯显示结果是否满足程序逻辑顺序，逻辑的错误是否存在，否则进行修改和调试。如图5.4所示。图5.4 梯形图运行状态程序调试结果通过以后，就可以将现场输入输出接口与1974 Flex I/O进行连接，进一步调试梯形图程序，直到加工单元现场设备按照规定的逻辑顺序完成相应的动作，达到满意的加工单元设计效果为止。注意：I/O接口的序号与梯形图程序中要保持一致，现场I/O设备端口也要相对应。当硬件设备可以按照逻辑动作后，可对程序做深一层次的改进和完善。接下来就是监控画面的调试。当使用RSView32监控软件设计好监控画面及相应的连接以后，加工单元的设备动作时，运行监控画面，根据实际的设备动作过程修改和完备监控画面的设计。 最后使得监控画面不仅可以同步于硬件设备的运行情况，并且能够尽量客观地反映出实际效果。6 结论本设计针对自动生产流水线加工单元进行了实验研究。利用罗克韦尔自动化三层网络中的以太网和控制网对其实现了网络控制。并且，选用性能远远超过传统的PLC的ControlLogix控制系统，集处理能力、灵活性及易于使用于一身，对自动生产流水线加工单元起着很好的远程控制作用。本自动加工控制系统由ControlLogix控制系统（1756-L61）、输入输出扩展1794 Flex I/O接口和PC机组成，其控制对象是机械加工生产单元。同时，本设计采用罗克韦尔自动化公司的ControlLogix相关软件，如：RSLogix5000编程软件、RSView32组态监控软件、RSLinx通信软件和RSNetWorx for ControlNet网络组态软件。利用RSLogix5000编程软件完成了机械手、传送带、钻孔器、绞孔器，实现工件的传送、钻孔、绞孔的全自动加工过程的控制程序的编写；利用RSNetWorx for ControlNet网络组态软件完成了控制网的组态；利用RSView32组态监控软件完成了PC机对加工过程的监控组态界面的设计。从而实现了加工单元的正常工作运行。将本系统结合实际工艺要求和条件进一步加以改进及完善后，可以用于实际的自动加工监控控制，因此本系统对实际加工生产的自动监控系统设计具有一定的参考价值。谢辞参考文献1张培志. 电气控制与可编程序控制器. 北京：化学工业出版社，2007.92严盈富主编 . 监控组态软件与PLC入门.北京：人民邮电出版社，2006.113甘永梅等编著现场总线技术及其应用北京：机械工业出版社，20044RockWell Automation.RSView32 UserGuideM.RockWell 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