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1、S-100实训装置实验监控系统设计DESIGN OF S-100 TRATINING DEVEICE EXPERIMENT MONITORING SYSTEM专 业：测控技术与仪器摘 要S-100实训装置是以工业过程控制为设计蓝本；以PLC为核心的实验装置。通过该装置，学生可以进行传感、检测、控制系统的实验，提高学生的动手能力，分析、解决问题的能力。通过设计S-100实训装置实验监控系统，学生在实验过程中，能够了解系统的实时信息，掌握工业控制的基本流程和控制方法，对培养学生的工程认知和实践能力具有重要意义。本课题通过设计S-100实训装置实验监控系统，了解PLC构成的控制系统；训练S7-200
2、PLC模块与其他装置的电气接线；学会利用组态王开发软件开发设计监控系统的人机界面；学会用上位机软件监视PLC运行状况；学会用上位机监控软件进行系统投运；学会用上位机监控软件进行PID控制，学会基于组态王与PLC监视控制的运行操作方法设计开发的内容包括：登陆界面，趋势曲线界面，报表界面等。对开发的实验监控系统进行实际调试，结果表明，实验监控系统与PLC通信成功，进入View运行模式下PLC正常运行，能够对实验进行管理，能够进行系统投运实验，能够进行PID控制系统实验，实现了开发要求的相应功能。关键词：S-100实训装置；实验监控系统；组态王；PID；PLCAbstractKey words: 天
3、津科技大学2013届本科生毕业设计第一章 绪论第一节 引言S-100实训装置是以工业过程控制为设计蓝本；系统包含了PLC控制系统、储/实训水箱、水管管件、监测系统、执行器系统等模块。利用各种工业检测装置及执行器实现对水温、液位、流量、压力四大热工参数的监控实训。S-100实训装置在具备PLC编程、安全配线、组态、电器调节、管路搭建、变频调速、可控硅调压控制的同时，重点突出流体过程控制传感器的配线、信号转换、变送、采集、PID控制、组态控制的主要实训功能。S-100实训装置涵盖了扩散硅压力变送器、超声波非接触式液位变送器、涡轮式流量传感器、PT100温度变送器、磁浮球液位开关等常用传感器，覆盖开
4、关量、模拟量、脉冲等三种信号类别。除此之外系统还扩展安全配线、多钟实训模拟式切换功能1。本课题利用S-100实训装置，可以分别对液位、压力等参数设计检测和控制实验。检测变送器将被控量转换为420 mA信号，通过PLC 模拟量输入通道A /D 转换为数字量，PLC 控制程序对输入信号采样、滤波，与设定值比较后进行PID 运算输出操作量，经D /A转换为4 20 mA 信号给变频器( 液位、压力、流量控制、 温度控制)。目前我国引进的组态软件有：美国的FIX32、Ifix,德国的WinCC等。国产的组态软件有组态王、开物、世纪星、力控、FameView、MCGS等，其中亚控公司开发的组态王是一个非
5、常优秀的软件。它提供了一个良好开发环境，如：提供许多绘图元素、控件、报表格式、方式等，使开发人员不必把精力集中在绘制人机界面上，而专心考虑如何实现系统的功能，使开发工作变得轻松容易、简单、高效。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件面板构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。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
6、的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能2。本课题用组态王开发软件开发设计S-100实训装置的实验监控软件，通过RS-232 /RS-485 和下位机PLC串口通信，用STEP7-MicroWin 编程软件对下位机PLC进行编程，达到对液位/流量等参数的检测与控制等目的。第二节 监控系统的现状目前有大量的关于下位PLC+上位PC机的自动化系统研究成果。赵航3利用组态王与PLC，设计水位监控系统。本实验系统的主要内容是对一个单容水箱的液位进行控制。利用水箱、阀门、管道、水泵、CY30011A型水位传感器、PLC控制器、RS232通讯接口和上位机，构建单容水箱液位控制系统。根据监控对象的特性，
7、开发PID调节器。要求能实时检测水箱液位的高度，并与设定值做比较，由PLC控制水泵的转动进行液位的调整，最终达到液位的设定值。在“组态王”中组态，实现报警、实时趋势、历史趋势、参数修改、手自动切换等功能。李奎4利用组态王软件实现组态应用教学、三菱PLC 的远程监控系统，构建了虚拟监控系统网络,实现了单套实训设备的监控管理功能，设计了基于FX2N-128MR PLC 和组态王软件的溶液混合设备虚拟控制系统，通过IE 浏览器实现了远程监控的功能,减少了设备硬件损耗。赵丹丹5研究的工业以太网温控系统以西门子S7-200P LC 作为控制器实现PID 控制, 并利用以太网通讯模块CP243 一l 通过
8、工业以太网实现与上位机之间的通讯, 实现了对该大滞后、强非线性系统温度的有效自动控制。张静之6等研究基于组态技术的教学实验开发是以具体的控制对象，利用组态软件具有的数据采集、数据处理、数据存储、系统故障或事故报警、现场动态图形等功能，真实地反映现场生产过程或实时状态，以计算机信息图形界面为人机交互界面，采用PLC 进行控制。目前，随着自动控制技术的应用领域迅速扩张、自动控制技术应用型人才的匮乏，包括职业院校在内的各类学校开设了可编程序控制器控制技术课程。但难以解决的关键问题是PLC 的控制对象模拟。PLC 的控制对象可以是实物模型，但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处。但如果将PLC 的控
9、制对象在计算机上应用组态软件全真模拟， 那么可以弥补上述不足， 还可以采用动画的形式直观地演示PLC 控制对象的工作过程。组态软件的电脑仿真模拟大大降低教学成本，免去了频繁的维护，丰富了被控对象的种类，加速了组态技术的推广，迎合了现代控制技术对信息化人才的需求。任俊杰7以S7200PLC 为控制器，小型电热锅炉为被控对象，构成了过程控制实验系统，上位机采用组态王设计人机画面，实现对过程的监控并提供过程控制实验面板。锅炉的液位、出水温度、进水压力、流量通过测量变送接至PLC 的模拟量输入，经数据处理和相应的控制运算，结果由模拟量输出给执行器，执行器为变频器和可控硅。描述了系统的组成、控制功能以及
10、监控功能的实现。该装置充分模拟工业控制现场，可以方便地组合成多种过程控制实验，人机界面友好，操作简单，将过程控制领域的理论知识与工程实践得到很好的结合，加强了对学生工程应用能力的培养。借鉴以上成功经验，设计以组态王作为上位机开发组态软件开发S-100实训装置的实验监控系统，通过上位机的操作能对下位机的参数（液位/流量等）进行监控。第三节 本课题的设计内容及要求本课题针对S-100实训装置设计实验监控系统。了解S-100实训装置的构成和原理；认识S-100实训装置的硬件组成；了解S-100实训装置的配置，了解S-100装置配置的检测机构、控制机构和执行机构。确定检测点和控制点；设计S-100实训
11、装的监控系统总体框架。设计基于S-100实训装置的实验总体方案；设计各实验内容和系统构成图。学习S7-200西门子可编程控制器原理，进行PLC控制系统设计。通过了解西门子S7-200PLC CPU226 CN和模拟量输入模块EM231，并进行硬件接口设计，画出CPU226 CN和EM231的硬件接线图；了解CPU组态并对各输入模块进行编址；学习子程序的，系统组态，参数的检测与传送程序设计等 。利用组态王开发面板进行实验监控软件开发，包括上位机流程主界面，实时参数设置与显示、报警，历史趋势曲线查询等；上位机与PLC联机，在S-100实训装置上进行程序调试第二章 S-100实训装置实验监控系统总体
12、方案第一节 S-100实训装置及控制流程图一、S-100实训装置的工作流程S-100实训装置实物如图2-1所示，根据图2-1所示，可以看出S-100实训装置是由上/下位水箱，磁力泵，电磁阀，电动调节阀，PLC控制装置，传感器检测装置，管件等组成。它的工作过程是：先在下位水箱中加入水，通过磁力泵，将水抽入上位水箱中，而在水从下位水箱抽入上位水箱的过程中，有两管道条通路，一条是电动调节阀控制的管道，一条是手动阀门控制的管道（防止电动调节阀出现故障），水从上位水箱回流到下位水箱有两条管道，都是手动阀控制，还有两条是溢流管道，防止上位水箱中的液位过高溢出水箱，一条是电磁阀控制，一条是手动阀控制（防止电
13、磁阀出现故障）。图2-1 S-100实训装置整体实物图二、S-100实训装置的检测和执行机构配备1.下位水箱S-100实训装置的下位水箱中配备有加热装置和温度变送器（PT100）。加热装置如图2-2a所示，加热管采用可控硅调压（工作电压AC220V、功率1000W、调压控制输入010V）；通过调压模块改变加热装置的频率从而对下位水箱中的水进行加热，使水温发生变化，改变下位水箱中水的温度；温度变送装置如图2-2 b所示，敏感元件采用PT100热电阻，带数显仪表，量程0100C，精度1级，温度变送器将采集的信号转换成420mA的电信号，送到PLC中，从而将检测到的下位水箱中水的温度显示在上位机中。
14、下位水箱中还配备浮球开关如图2-2c所示，当下位水箱中水位过低时，可以将信号送入PLC中，由PLC控制变频器，再通过变频器控制磁力泵可以关闭磁力泵，对装置进行保护。 a b c图2-2 下位水箱中的器件2.连接管路在磁力泵将水抽入上位水箱的连接管道上装有扩散硅压力变送器、涡轮式流量传感器、磁力泵、电动调节阀和手动调节阀等。扩散硅压力变送器如图2-3a所示，量程0-1bar，精度0.5级，扩散硅压力变送器，可以测量供水管路中的压力，将压力信号转换成420mA的电信号送到PLC中。涡轮式流量计传感器如图2-3b所示，量程3.838LPM、精度0.5级、脉冲输出，流量传感器将采集的信号转换成脉冲信号
15、，送到PLC中。磁力泵如图2-3c所示，磁力泵采用变频调速，功率0.37KW、排量20LPM，通过磁力泵，将下位水箱中的水送入上位水箱中，是整套系统中重要的执行机构。电动调节阀如图2-3d所示，1/2内螺纹，工作电压24VDC/AC，控制输入010V、开度范围090，通过PLC控制电动调节阀的开度，可以对压力、流量液位等参数进行控制。 a b c d手动调节阀，手动调节阀的作用是起到一种保护作用，当电动调节阀出现故障时，可以调节手动调节阀。图2-3 供水管路上的器件3.上位水箱在上位水箱内，装有超声波非接触式液位变送器，保护装置的浮球液位开关，和电磁阀。超声波非接触式液位传感器如图2-4a所示，量程501200mm、精度1级，液位变送器将采集来的液位信号转换成420mA的电信号，将电信号送入PLC中。 a b浮球液位开关如图2-2c中所示，在这里浮球液位开
