天涯在线书库《www.tianyabook.com》 《基于PLC控制的大型地秤》 摘要 当今社会飞速发展伴随计算机技术、通信技术以及电子技术的不断创新新技术在很大程度上改变了的生活和工作习惯。物流、交通、运输流程中涉及许多测重的环节，地磅在其中发挥着主角的地位。传统的地磅在称重、输入设备、及其精确性上都存在极大的不足，适应不了快速发展的社会需求，产生极大的不便捷。本设计以PLC控制为核心，通过利用称重传感器和变送器来实现地秤控制系统的设计要求，系统能够实现对重量的实时显示、能够实现对称量数据的记录、能够实现对测量数据的打印清零等。这些设计指标在此设计中都通过紫金桥组态软件和STEP7-Micro/WIN编程软件来实现。此控制系统系统的精度高，稳定性好，能耗低是未来地磅称重领域的必然选择。 The rapid development of modern society with the continuous innovation of computer technology,communication technology and electronic technology has greatly changed the living and working habits.The logistics,transportation and transportation process involve a lot of measurement,and the ground pound plays the leading role in it.The traditional weighing,input device,and accuracy of the weigh-in is not enough to adapt to the rapid development of social demands, which can produce great inconvenience.This design with PLC as the core,by taking advantage of the weighing sensor and tran**itter to achieve design requirements of the control system of truck scale,the system can achieve the real time display of weight,can realize to weigh the data records,can be printed in the implementation of the measurement data,etc.These design indexes are implemented in this design by zijin bridge configuration software and step 7-Micro/WIN programming software.The control system has high precision,good stability and low energy consumption. Keywords：ground pound；sensor；weighing；PLC 第1章绪论 1.1　课题背景 地称是电子称衡器中的一种，衡器是我国法定的称量物体重力的仪器，是国民经济、振兴工业、科技探索、对外贸易不能缺少的计算物体重量的设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高，所以研究出一款性能稳定、精度高的称量设备是当今社会发展的必然选择。称重系统作为工业控制装置和商业管理系统的重要组成部分，加快了工业自动化的发展和管理的现代化，它展现了减少工作时间、改变工作环境、减少能源消耗和节约成本、增强产品质量以及增强企业管理、完善经营理念等多方面的作用。 随着现代社会的发展,称重技术在人们的日常生活中是很常见的。尽管中国的称重技术飞速发展，且相关技术成就相对较好。然而，我国的衡器产品的测量精度和种类与西方发达国家相比还是存在着相当大的差距，因此，我们需要加强衡器产品的研究与发展，争取在最短的时间内赶上西方的发达国家。面对着与国际上发达国家的差距和我国马上全面步入小康社会的发展情况，我们的奋斗目标应该是一致的，首先要在思想上、技术上和管理上有所改变，找准探索研究的突破口加强创新、准确定位、做到与时俱进以此来提高我国的技术水平和生产水平。准确度高，稳定性好，节约成本等是我们在研究设计中应该注意的问题，我们要克服一切困难，使我国的民衡器产品在自动化领域走向全球、走向世界。 1.2　国内外研究现状 国内电子称重技术已经初步达到了国际上20世纪90年代中期的研究成果, 在称重传感器领域,我国电子衡器产品的种类和精度近年来也有所提高,生产出来的衡器产品的质量不断提高，部分产品的研究成果已经发展到国际的领先水平。在国内的电子称重领域,量程在1009范围内的电子秤精度通常是0.019即10mg。在工作流程上,电子称重系统的工作原理通常是将称重物体放在电子秤的承载面上,然后通过压力传感器将重物的质量转换为相应的电压信号,在通过变送器把电压信号转换放大后传送给上位机等设备，最终完成测量物体质量的目的。根据对我国地磅称重产品的发展特点、技术水平以及相关市场需求变化等，地磅称重技术的发展方向主要是模块化、智能化、集成化和小型化。它在生产技术方面主要是向控制精度高、稳定性好、反应快和操作简单等方向发展，其应用性趋向于综合性、组合性。我国的衡器制造业想要打进世界领先水平还需进一步的努力。 现如今在世界上西方发达国家在电子称重领域已经达到了特别领先的技术水平。尤其是在精度和稳定性等方面已经发展达到了极高的技术水平。国外部分国家的研究成果举例如下： 美国Revere公司发明出依靠大气压力作为补偿的PUS型称重传感器，此传感器能够实现拉压两用来测量重量,如果使用误差极小的称重平台 ,精度可以达到5000d。 德国HBM公司成功的发明出了C2A和C16A两种1-100t称重传感器。这两种传感器的组成结构虽然不同，但它们都配有高强度的抗压外壳且都具有防爆功能,它们的防爆指标均符合欧洲规定的等级标准。 新一代高精度不锈钢F6Ox系列5-5000kg重传感器新一代高精度不锈钢F6Ox系列，精度6000d。用于高湿度，腐蚀性环境，防水。 德国seteel公司研究出弹性体由青铜组成的弹性原件，该弹性体具有灵敏度极高的特性，能够用于200型称重传感器计量物体的质量。其特点是线性好，自然频率高，动态响应快。原有的油阻尼装置与过载保护装置相结合，保证了速度和长寿命。装配3-30kg的电子台秤精度。 1.3　课题研究现状 自20世纪中期以来，地磅称重技术已经广泛用在自动化行业的称重环节，称重技术的快速发展在很大程度上加快了我国衡器产品在自动化行业的发展。同时,我国的科学家在经过半个世纪的研究与努力是我国的衡器产品在地磅称重领域已经有了相当大的进步,在这期间我国从比较落后的机电、电气相结合的地磅控制系统发展到今天的数字化、智能化、自动化的地磅控制系统。当今控制系统具有功能强大、稳定性好、操作简单、控制精度高等特点。近年来我国地磅称重技术发展迅速，而且在称重行业的部分领域有了突出的研究成果，从起初静态称重发展到现如今的动态称重，尤其是在地磅称重测量领域,从原来的模拟测量方式发展到当今的数字化、自动化测量形式。当今的测量结果也叫原始的测量方式有了突破性的提高，无论是测量的准精确度方面还是使用稳定性方面。地磅称重技术的不断发展和改进可以更好地应用于交通运输、科学研究等领域。然而同发达国家比较，我国地磅称重的研究成果还是有许多不足的地方。因此，在地磅称重技术的发展过程中，需要从技术上，观念上和管理上与时俱进、开拓创新，努力赶上世界先进水平。 1.4　课题的基本内容 地秤在我国早期也被人们叫做“地磅秤”或“地磅”。用来测量大型的货车或比较重地货物的重量的计量器具。安装在地上，放物体的台面跟地一般平。多用于仓库和车站。本设计主要以PLC为控制核心，首先采用称重传感器检测出来的压力信号转换为相应的电压信号，在通过称重变送器把电压信号处理放大传送给PLC的CPU处理后转换为和输入电压对应的数字量传输给上位机，最后利用上位机把测量数据显示出来。本次设计有如下设计指标： （1）能够实现对重量的实时显示； （2）能够实现对重量的记录； （3）能够实现对重量的打印； （4）能够实现对重量的超重报警； 第2章方案设计 我们想要设计出完善的基于PLC控制的大型地秤控制系统，首先需要制定出一套完整的研究方案。在此设计中我们了解地秤的工作原理和特点，其次我们需要了解此次设计用到的传感器、变送器以及PLC的工作原理和选型，因为对于一个好的设计元器件的选型是非常重要的。 2.1　研究方案 本课题主要设计一个以PLC控制为核心的大型地秤控制系统，系统包括按钮、称重传感器好、称重变送器、PLC、和上位机组成。在此系统中当有物体放在传感器上它把压力信号转换为较小的电压信号，然后通过称重变送器把信号接收放大传输给PLC的CPU经过数模转换后，最终在电脑上的组态软件上显示出来重物具体的重量。大型地秤的控制系统还有实时记录数据，打印数据的功能。其结构框图如图2-1所示。 图2-1　结构框图 2.2　地秤简介 地磅，英文为truck scales ，也被称为汽车衡是设置在地面上的大磅秤，是用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，通常用来称卡车的载货吨数。地秤是人们在日常生活中用来称量比较重的物体的称重设备。在二十世纪80年代的时候生产的地磅基本上都是依据杠杆原理发明制造出来的，因此也被人们称作机械地磅。 随着称重行业的全民化发展，人们对地磅的配置也有所提高。机械式地磅在出现误差小、实用性好、功能强大的模拟式地磅和数字式地磅之后慢慢地被它们所淘汰。 2.2.1地秤的结构 大型地秤一般由承重面、称重传感器、称重变送器、信号线、接线盒和上位机组成。它不仅能够为人们达到称重的目的,还能够根据人们的需要实现对称重数据的保存记录和数据的打印等，但实现这些功能需要使用者自行安装打印机、电脑等外部设备。地秤总体来说是以称重传感器为核心，当有物体放在传感器上是它把压力信号转换为相应的电压信号。传感器的准确度直接关系到整个地磅的测量值。当然称重变送器和其他的一些器件在称重系统中也是必不可少的。 2.2.2 地秤的分类 地秤按原理可以分为电子地磅秤、机械秤、机电结合秤；按功能分为计数秤、计价秤、计重秤；按用途分工业秤、商业秤、特种秤。地磅按传感器输出信号分类可分为模拟式地磅和数字式地磅；按秤体结构可分为工字钢地磅、T型梁地磅、L梁地磅、U型钢地磅、槽钢地磅、钢筋混凝土地磅；按称量方式分为静态汽车衡和动态地磅；按安装方式可分为地上衡和地中衡；按秤台结构分为钢结构台面和混凝土台面；按使用环境状况可分为防爆地磅和非防爆地磅；按地磅的自动化程度可分为非自动地磅和自动地磅。当今社会随着人们生活水平不断提高，全自动的不需要人为操作的地磅控制系统也成为将来地磅发展的必然选择。在生产地磅的时候最重要的就是要注意地磅的结构性能，地磅的选材和生产质量在很大程度上会影响其测量的精度和使用时间的长短。 2.2.3 地秤的工作原理 当有物体或汽车等称重物体在地秤的承重面上时，在物体压力作用下，利用承重面将物体的压力信号传输给称重传感器，此时称重传感器发生弹性形变，传感器的弹性体电桥失去平衡，称重传感器将按照一定的比例将压力信号转换为电压信号，在经过称重变送器将信号转换放大为数字信号或模拟信号。由上位机的CPU对变送器输出的数据进行处理然后显示物体的质量,物体的质量可以在液晶屏幕上直接显示，也可以在上位机的组态软件上显示出来。 2.3　PLC简介和选型 PLC是一种电子装置，用于工业环境中的数字操作。当今社会只有加快自动化产业的发展才能够满足市场需求，所以必须生产出控制精度高、稳定性好、品种、价格低廉和实用性好的自动化产品，为了满足这一要求，自动化设备和流水线的控制系统应该拥有良好的稳定性和实用性，可编程控制器就是遵循这样的原理研发出来的，它是在微处理器的基础上开发来的适用于大多数自动化工业控制装置。PLC的功能非常全面，可以连接到计算机网络实现分层控制。基于综合特性，大型地秤控制系统将采用西门子S7-200系列PLC为下位机。 西门子S7-200系列PLC是专门为小型的控制系统而设计的,S7-200具有控制精度高、稳定性好、较好的通信功能、硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强等特点。能够独立运行，可以使用在继电器控制系统，也可以使用在自动化控制系统。因为它的通信能力较高，在网络控制系统中也占有者比较重要的地位。S7-200凭借稳定性好、使用方便等特性在许多自动化领域都有所应用。西门子S7-200系列PLC的CPU有六种基本类型，分别为CPU221,CPU222,CPU224,CPU224XP / CPU224XPsi,CPU226。每个电源电压分为交流电压和直流电压，输出类型有晶体管输出(DC)、晶间输出(AC)和继电器(DC/AC)输出。CPU221不具有扩展能力，能够用于小型的控制器。CPU222具有扩展功能，CPU224控制器具有强大的控制功能，有24个数字量点(14点输入/10点输出),具有7扩展模块可以连接，最大能够扩展到168数字量I/O点或35路模拟量I/O点。12KB的程序内存容量和8KB的数据存储容量。CPU224XP集成有2路模拟输入(10位DC +10V)，1路模拟输出(10位，DC0-10V，或0-20mA)，有2个RS-485通信端口，高速脉冲输出频率高达100kHz，高速计数器频率高达200kHz。另外，它有2个RS485通信编程端口。它具有PPI通信协议、MBI通信协议和自由模式通信能力。采用PC/PPI通信电缆，通过西门子提供的STEP7-Micro/WIN编程软件编写程序。程序被下载到PLC，相关操作由PLC进行。根据所学知识和现有的实验设备大型地秤控制系统最终 选择CPU224XP型PLC。 2.4　传感器简介 传感器是一种以一定精确度把被测量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量的测量装置。以满足对测量信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制要求。在一般情况下，传感器由敏感元件、检测器、转换器和发讯器等组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分，传感器的工作方式有很多种，它在许多的科学领域都有涉及，生产种类多，所以研究者们也给出了不同的分类方法，按照物理原理可以分为电参量式、压电式、气电式、磁电式、半导体式传感器。 称重传感器的工作原理是将检测到的质量信号转换成相应的便于测量的电信号的称重设备。使用传感器的时候首先要注意传感器的工作地点，它会影响到传感器的测量精度、使用时间和稳定性。称重传感器的定义在新旧国标的解释下有所差异。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁型、电容型、电阻应变式等,称重传感器具有操作简单、精度高、反应快、等特点。当今社会大部分的称重产品是使用的传感器都是电阻应变式。电阻应变式称重传感器稳定性好、精度高、使用范围广、能够在较差的环境下工作。因此，在大多数自动化工厂的称重设备都使用电阻应变式称重传感器。 2.4.1传感器选型 电阻应变式称重传感器具有可靠性高、测量范围广、持久耐用、稳定性好等特性，能够在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、潮湿等恶劣环境下正常工作。结构简单、体积小、质量好、价格低廉、产品种类多、有多种使用频率可供选择，不仅能够实现静态测量也可以实现动态测量。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，也就是说在金属应变片在受到拉力或压力时发生机械形变，此时其内部的电阻值会随着拉力或压力的改变而发生相应的变化。电阻应变片一般由金属或半导体两种材料组成，金属应变片主要有金属丝式、箔式、薄膜式等几种类型。半导体应变片具有测量精度高（一般是丝式、箔式的几十倍）、体积较小等优点。本设计采用大洋传感系统工程有限公司生产的S型称重传感器，型号为DYLY-102。此传感器具有高精度、底温漂、拉压双向测量且具有多种量程。采用40CR合金钢抗机械疲劳性能强淬透性好，5.6mm外径导线信号稳定抗干扰强，防水接头且带弹簧缓冲防止导线拉扯断裂，黄铜镀镍加强型防水接头。 2.4.2传感器技术参数 我们想要很好的使用称重传感器除了要了解它自身的特点和工作原理，还需要详细的了解其技术参数，在一个控制系统中了解使用元器件的技术参数是非常重要的，因为如果不了解其技术参数有可能在使用时出现预想不到的错误，影响到整个测量系统的稳定性和测量精度甚至是整个系统的安全性。DYLY102称重传感器的技术参数如表2-1所示。 表2-1　技术参数表 参数 单位 技术指标 灵敏度 Mv/v 1.0-3.0±0.05 非线性 ≤%F.S ±0.03 滞后 ≤%F.S ±0.03 重复性 ≤%F.S ±0.03 工作温度范围 ℃ -20℃~+80℃ 输入电阻 Ω 350±20Ω 输出电阻 Ω 350±5Ω 零点输出 ≤%F.S ±1 零点温度系数 ≤%F.S/10℃ ±0.3 推荐激励电压 V 24v 绝缘电阻 MΩ ≥5000 2.5　称重变送器简介 称重变送器又被称为重量转换器，是一种将压力信号变换成电压信号，把传感器输出的较小的电压或电流信号经隔离放大转换成标准直流信号的变送器。称重变送器大多数采用国际领先的SMT技术制造完成，是为了电阻应变式称重传感器而研究发明的，能够适配市场上大多数称重传感器。 2.5.1称重变送器选型 本设计采用上海铠安自动化有限公司生产的TW1系列称重变送器，此称重变送器采用先进的SMT技术生产、体积小、控制精度高、能耗低、采用直流24V电压供电，即可以输出0-10V电压信号也可以输出4-20mA电流信号供上位机使用，能够适配市场上不同的应变电阻传感器。输出、输入、电源三端全隔离，DIN导轨独立式安装方式。称重变送器在当代自动化工厂的称重环节是必不可少的一种数据转换器件，通常应用在数据转换、信号转换、集散式控制系统和液体配料系统中，主要应用在沙子、钢筋、木材、汽车、造铁、建筑、交通运输等行业的称重环节，能够很好地实现拉压力的转换和放大。 2.5.2称重变送器技术参数 此变送器具有大面积散热孔，电源工作指示灯，并且外壳采用优质ASB耐火阻燃材料等优点。其技术参数如表2-2所示。 表2-2　技术参数表 输入端输出端 传感器类型:所有电阻应变测力传感器输出信号：4-20mA；0-10v 传感器灵敏度:1mv/v; 2mv/v; 3mv/v输出负载电阻：RL≤500Ω（电流信号） RL≤500Ω（电压信号） 传感器激励电压：DC10v 传感器驱动能力:180mA传感器驱动能力:180mA（可带350Ω传感器最多6只） 电源：DC24v 基本精度：0.1%F.S消耗电流：≤100mA（24v供电，输入接350Ω传感器，20mA输出时） 工作温度范围：-20~+55℃ 绝缘电阻：大于等于100MΩ电磁兼容性：符合GB/T18262 响应时间：≤50ms(0-90%)(TYP)绝缘强度：1500v AC/1min(输入,输出,电源之间 本章小结 本章首先介绍了地秤控制系统的整体研究设计方案，画出了此设计的结构框图，其次分析了地秤的结构、分类及其工作原理。在最后介绍了PLC、传感器、变送器的选型和特点，还简单的介绍了一下传感器和变送器的技术参数。 第3章硬件设计 我们在完成了系统的方案设计之后开始对系统的硬件电路进行设计，一个PLC的控制系统能否进行正常工作主电路及各个分电路的设计是非常重要的，想要画出工作电路的电气原理图系统的I/O分配表又是不可缺少的一部分。 3.1　系统I/O分配表 本设计采用的西门子S7-200PLC对大型地秤进行控制，在设计PLC硬件接线图之前，我们需要对要用到的I/O点进行地址分配，以明确PLC芯片I/O接口以及有助于后面要进行的PLC程序设计。根据地秤控制系统的控制要求，我们可以得出控制系统的PLC控制输入量：启动按钮SB1、停止按钮SB2、打印按钮清零按钮；控制输出量启动指示灯，打印指示灯，报警指示灯。并对它们进行I/O点分配，如表3-1 所示为控制系统I/O点分配表。 表3-1　系统I/O分配表 输入输出 I0.0启动按钮Q0.0启动指示灯 I0.1停止按钮Q0.1打印指示灯 I0.2打印按钮Q0.2报警指示灯 I0.3清零按钮 3.2　电压转换电路 本设计给传感器和变送器以及PLC的供电电压都为24V，实验室的实验台供电电压为220V或380V，为了保护传感器及变送器能够正常工作不被损坏，所以此处利用电压模块把实验室AC220V电压转换为DC24V电压。 3.3　硬件系统组成 本设计采用西门子S7-200 CPU224型号PLC进行地秤控制系统的设计，根据CPU224型号PLC的外部结构及地秤控制系统的控制要求画出PLC的硬件接线图。基于PLC的大型地秤控制系统主电路图如图3-1所示。在地秤控制系统中、用称重传感器首先接收重量信号，然后将信号传输给称重变送器，PLC接收识别变送器发出的信号，最终通过紫金桥组态显示出来。具体操作为接通电源后按下SB1整个系统启动开始记录数据，同时启动指示灯亮，在重量达到30.0KG,50.0KG,70.0KG时系统自动记录数据并保存，当重量达到60.0KG时报警器报警,同时报警指示灯亮，当按下SB3系统开始打印先前记录的数据同时打印指示灯亮，在SB1不闭合的情况下系统不能打印。最后按下SB2整个电路关闭系统停止工作。在此情况下按下SB4系统先前记录的数据全部清零，系统不关闭的情况下不能清零。 图3-1　主电路图 3.4　称重传感器接线图 大洋传感系统工程有限公司生产的DYLY-102称重传感器检测出来的重量经转换输出为很小的毫伏级差动电压信号很难进行数模转化使PLC无法准确识别，所以必须经过变送器将电压信号转换放大为0-10V的电电压信号PLC才能准确识别。如图3-2所示为传感器接线图。 图3-2　传感器接线图 3.5　称重变送器接线图 本设计采用的TW1系列称重变送器接线方法非常简单，非常适合初学者使用，此变送器需外接24V交流电源使用，输出0-10V电流信号给PLC接收，SIG+端接传感器信号输入正极，SIG-端接传感器信号输入负极，EX+端接激励电压输出正极，EX-端接激励电压输出负极，变送器内部接线图如图3-3所示。输出端直接和PLC的模拟量端口进行连接。 图3-3　变送器接线图 3.6　系统硬件连接方式 建立上位机计算机和下位机之间的通信是地秤控制系统的重要环节。西门子S7-200系列PLC能够选择许多通信协议，适合大多数工业自动化设备的控制系统。根据地秤控制系统的要求，在这里我们选择点对点的通信方式作为此控制系统的通信协议。PPI通信协议是西门子公司自主研发的适用于S7-200系列PLC，通过此通信协议上位机和下位机之间能过完成梯形图程序的上载与下载。PPI通信协议可以根据系统需要设置不同波特率，在通信的时候应该先在计算机上进行相关设置。现在市面上有很多国产的与西门子产品兼容的USB电缆，它们绝大多数是USB/RS-232转换器和PC/PPI适配器的组合，将USB端口映射为一个RS-232C端口（俗称为COM口）本设计用到的就是这种通信电缆，需要注意的是低档的产品不能在Windows7操作系统下使用，不支持187.5kbit/s的波特率。 3.7　断电数据保持 3.7.1S7-200保存数据方法 S7200中央处理器的数据存储被归类为不稳定的内存存储区域，以及EEPROM存储区域，后者的数据可以在不需要电源的情况下永久存储。前者的电源消失后，存储的数据将会丢失。后者的电源消失后，存储的数据不会丢失。CPU在工作时，V、M、T、C、Q、等存储区的数据都保存在RAM中。S7-200用内置的EEPROM永久保存程序块，数据块、系统快、强制值、组态为断电保持的存储区，和在用户程序控制下写入EEPROM的指定值。配方和数据记录配置保存在一个内存卡中。当从CPU模块上传用户程序时，CPU将从EEPROM中加载数据块和系统快速程序块，以及从内存卡中获得的配方和数据记录配置。通过S7-200的资源管理器上载数据记录中的数据。S7-200提供了多种方法来保存数据。用CPU的超级电容器保存RAM中的V、M、T、C存储区的数据。超级电容器可以保存几天，保持的时间与CPU模块的型号有关。CPU上电后超级电容器开始充电。MB0-MB13如果在系统块中被设置为断电保持，在CPU模块断电时被永久保存在EEPROM中。数据块被使用给V存储区赋初值，通过S7-200的资源管理器，可以将文件存储在存储卡中。以上只是S7-200的部分保存数据的方法。 3.7.2设置PLC断电保持 双击编程软件左下角的“系统快”，然后点击“断电数据保持”出现设置对话框。选择从通电切换到断电时希望保存的存储区。最多可以定义6个在电源掉电时需要保存的存储区范围，如图3-4所示为初始值。能够设置的存储区域有V、M、T、C。它们只能够保存TONR和计数器的当前值，不能保存定时器位和计数器位，电源打开时他们将被消除。单击“默认值”按钮，将采用STEP-Micro/WIN推荐的设置值。本设计用到了V区和M区。需要用断电保持保存VD6输出的重量数据。 图3-4　断电保持初始值图 3.7.3数据的恢复 通电后，CPU会自动的从EEPROM中恢复程序块和系统快。如果能够顺利的恢复，数据存储器的保存区将不会改变。EEPROM中数据块的内容被复制到V存储器的非保持区，RAM中的其他非保持区被清零。如果断电时间非常长数据有可能没有保存下来那么CPU将会清楚所有的用户存储区。 本章小结 本章首先介绍了地秤控制系统的I/O分配和主电路的硬件接线以及硬件的连接方式，其次分析了电路如何变压以及称重传感器和变送器的硬件接线图。最后介绍了如何使整个系统实现断电保持和断电保持的设置方法。 第4章软件设计 我们在完成了系统的硬件设计之后还需要对系统的软件进行设计，首先我们可以通过系统的程序流程图和PLC的编程语言编辑出系统的梯形图运行程序，然后我们可以通过组态软件、编程软件实时监控地秤控制系统的工作情况。 4.1　程序流程图 图4-1　程序流程图 通过对地秤控制系统运行流程的简要分析，我们对系统的工作及控制要求有了进一步的认识，由此不难得出地秤系统的运行流程图。如图4-1 所示为地秤控制系统运行流程图。本设计的最终目的主要是利用PLC控制大型地秤来实现实时显示重物质量、记录重物数据、打印重物数据。 根据程序流程图可知系统启动后第一步是开始初始化，然后选择是否闭合系统开关，如果闭合开关系统开始处理数据，否则系统继续初始化，数据处理后系统判断重物是否超重，如果超重系统发出报警信号，若不超重系统直接记录数据之后判断是否按下停止按钮结束控制，如果系统判断没有按下停止按钮系统将会执行数据处理到判断是否停止系统之间循环执行。若按下停止按钮系统可以直接按下清零按钮，系统停止结束。 4.2　PLC编程语言 PLC编程是一种在工业环境中应用的数字操作电子系统。PLC采用“连续扫描，连续循环”的工作方式。PLC编程的方法简单易学不像其它编程软件那样非常繁琐，现如今PLC编程不仅应用在许多生产技术先进的自动工厂，还应用在许多其他工业生产领域。梯形编程是PLC编程中较为常见的编程方法。随着科学技术的发展，梯形程序设计语言得到了广泛的应用。编程出来的梯形图与电气原理图相对应是它的与众不同之处，在很大程度上减少了电气工程师的工作量。本设计采用的就是梯形图语言。 4.3　STEP7-Micro/WIN编程软件的使用 STEP7-Micro/WIN是西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是在Windows操作系统的基础上开发的编程软件，操作简单，不仅能够开发用户程序，又能够准确的监控程序的运行状态。STEP7-Micro/WIN的编程语言有非常丰富的指令集，容易编程. STEP7-Micro/WIN用文件形式管理用户编写的程序。用户程序储存在不同的程序块中，如果这些块是子程序，能够利用通用语句将它们简化成结构化的用户程序。这种结构化的程序载很大程度上简化了PLC程序结构。 STEP7-Micro/WIN编程软件能够支持中文和其它一些外国语言。有梯形图、语句表和功能块图编程语言，以及SIMATIC、IEC61161-3两种编程模式。STEP7-Micro/WIN的监控功能形象直观、使用方便，能够使用三种编程语言监控程序的运行状态。STEP7-Micro/WIN编程软件内可以查找中文帮助，可以通过在线帮助、也可以通过鼠标右键选择帮助功能、指令和子程序的拖放功能使编程软件的使用非常方便。STEP7-Micro/WIN能够自动保存特定的时间和特定的事件，遵循“后进先出”的方式存储保存的事件和事件。PID控制与数据记录的编程在编写程序中是比较困难的，使用常规的编程方法对它们进行编程很容易出现错误。利用STEP7-Micro/WIN提供的编程向导可以很好地解决编程困难的问题，我们只要在编程向导中设置相应的参数就可以顺利的自动生成相应的用户程序。 4.3.1创建新项目 我们想要使用STEP7-Micro/WIN软件编程，首先应该创建一个新的项目，第一步单击软件左上角的“文件”然后选择“新建”，第二部单击“文件”后选择“另存为”可以设置新建项目的名称和存储位置。在这里我们命名为“基于PLC控制的大型地秤控制系统”。在PLC编程界面点击其正上方的“PLC”然后点击“类型”，选择CPU224XP后点击确定，如图4-2所示。 图4-2　PLC类型图 4.3.2程序设计 本控制系统首先将所用到的各个寄存器开机初始化，这么做是为了防止系统在运行过程中出现各种未知的错误。梯形图程序如图4-3所示。 图4-3　初始化程序 如图4-4所示为地秤控制系统的启动程序，此程序是一个典型的单点触发单状态的电路，用两个控制点控制整个系统的启停。 图4-4　启动程序 在此控制系统中称重变送器将0-10的电压信号的形式传输给PLC后经过其转换成0-32000的数字值，为了适应人们在实际生活中应用习惯必须将0-32000的数字值转换，编程梯形图如图4-5所示。 图4-5　转换程序 系统的报警功能应用于系统称重的超重状态，以保护地秤不被超重物体所损坏，本设计的超重值范围为60-100kg，梯形图如图4-6所示。 图4-6　报警程序 此系统中为了让使用者能够方便的取出称重记录的数据还添加了打印功能，只有当系统启动之后才能进行打印功能，闭合I0.2之后系统开始打印数据Q0.1有输出。梯形图如图4-7所示。 图4-7　打印程序 此控制系统为了增加大型地秤的实用性和独特性，在系统中加入了记录称重物体质量的功能。当称重物体达到30kg,50kg,70kg时系统自动记录数据。如图所示。在梯形图程序中，当达到设置值时，其对应的标志位全部置1，标志位置1之后寄存器记录的相应的数值。如图4-8所示 图4-8　数据记录程序 因为大型地秤在日常生活中非常实用，为了保证记录数据不**作人员误删，在此系统中设计要想进行数据清零必须等到系统没有输出才能进行清零。设计梯形图如图4-9所示。 图4-9　清零程序 4.5　紫金桥简介及组态画面 紫金桥组态软件是由紫金桥公司在长时间的研究和探索中开发的一款工业自动化监控软件，此软件支持中英文操作系统,支持windows7操作系统。紫金桥组态软件能够实时的监控PLC等设备传输出来的数据，以其高精度、安全性、和实用性的功能在许多的自动化工厂都得到了广泛的应用。使用组态软件后可以有效地减少设计上位机程序的工作量，只需设置少量的通信参数就可以实现计算机与现场设备的通信，这样做缩短开发周期，又提高了系统的可靠性。组态软件可以通过通信从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要加工后，一方面以图形的方式直观的显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态的要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。 4.5.1创建新项目 双击桌面上的“紫金桥组态软件”图标，启动工程管路器，如图4-10所示。然后输入工程名“基于PLC控制的大型地秤控制系统”，选择工程保存的路径。单击确定建立工程完毕。 图4-10　新建工程图 4.5.2建立新画面 双击窗口将新画面命名为“基于PLC控制的大型地秤控制系统”点击确定新画面建立完毕如图4-11所示。 图4-11　新建画面图 4.5.3地秤控制系统组态画面 本设计的组态画面由启动按钮,停止按钮，打印按钮，清零按钮，启动指示灯，打印指示灯，报警指示灯，仪表盘和数据记录表格组成。其组态画面如图4-12所示。 图4-12　组态画面图 4.5.4系统数据库和设备组态 点击组态软件的“数据库”图标，双击点组态建立数据库，鼠标右键新建，建立完成的数据库如图4-13所示包含四个模拟量和两个数字量变量。然后将各个变量定义到相应的元器件即可。设备组态的定义是设置组态软件必不可少的一步，双击“设备组态”后单击“PLC”选择西门子接着选择S7-200（PPI）点击确定即可。完成上述操作组态软件的设置基本完成。 图4-13　设备组态图 本章小结 本章首先介绍了地秤控制系统的程序流程图，简单明了的描述了本系统的工作流程和实现的指标。接着介绍了PLC的编程语言及STEP7-Micro/WIN编程软件和紫金桥组态软件的使用方法以及梯形图程序。最后还详细的说明了两种软件的使用操作步骤。 第5章系统调试 在软件设计完成之后还需要对系统进行一系列的调试，首先系统调试是建立在系统能够正常连接的基础上的才能进行的，其次需要对组态软件和编程软件设置相应的技术参数，还需要注意调试过程中发现的问题并制定出良好的解决方案。 5.1　连接设置 设计完PLC程序和紫金桥组态画面后，如果想要上位机和PLC能正常通信，我们还需要对STEP和紫金桥组态软件进行通信端口的参数设置。在这里我们先介绍STEP7的通信端口设置。首先双击STEP7-Micro/WIN打开编程软件，在软件左下角双击指令树中的“通信”，打开“通信对话框”。在将新的设置下载到S7-200之前，应设置远程站（即S7-200）的地址，CPU默认的地址为2。双击“通信”对话框中的“双击刷新”如图5-1所示， STEP7-Micro/WIN将会自动搜索连接在网络上的S7-200，并用图标显示搜索到的S7-200。这一步不是建立通信连接必须的操作。不能确定PLC端口的波特率时，可以选中“通信”对话框中的多选框“搜索所有波特率”。 图5-1　连接设置图 5.2　设置PG/PC接口 双击指令树的“通信”文件夹中的“设置PG/PC接口”，选中打开的对话框中的“PC/PPI cable (PPI)”,单击“属性”按钮，打开属性对话框的“本地连接”选项卡。在这里我们使用的USB/PPI多主站编程通信电缆，直接设置连接到USB即可。如图5-2所示。 图5-2 5.2运行调试 图5-2　通信接口设置图 5.3.1下载程序 计算机与PLC建立起通信连接后，可以将程序下载到PLC中去。单击工具栏上的“下载”按钮，或者执行菜单命令“文件”→“下载”，将会出现下载对话框，单击“选项”按钮，可以打开或关闭该按钮下面的选项区。用户可以用多选框选择是否下载程序块，数据块，系统快，存储卡中的配方和数据记录配置，打钩表示要下载。单击“下载”按钮，开始下载。如果设置的PLC型号与PLC实际型号不一致，将会出现提示信息。单击出现的“改动项目”按钮，自动修改PLC的型号后，提示信息消失，在进行下载操作。下载开始时CPU应该改变到停止状态，下载结束后CPU自行改变到运行状态。 5.3.2调试 如果紫金桥组态软件与PLC连接后能够正常通信，在紫金桥组态软件工程浏览器打开已经创建好了的地秤控制系统的组态画面，然后系统进入运行状态准备开始运行调试。进入紫金桥组态软件运行系统后，将PLC的运行状态切换到运行状态，根据地秤控制系统的控制要求，按照控制系统的程序流程图依次的对系统进行调试，确保系统的所有功能及控制要求都符合设计指标。如图5-3所示地秤控制系统启动停止，打印，报警组态画面图。 图5-3　系统组态运行画面 5.3.3程序状态监控 在运行STEP7-Micro/WIN的计算机与PLC之间建立起通信连接，并将程序下载到PLC后，在程序编辑器中打开需要监控的梯形图，单击编程软件正上方的“程序状态监控”按钮，就实现了梯形图程序的监控。如图5-4所示. 图5-4　程序状态监控图 5.3.4调试注意事项 对于本设计，在调试时要注意一定要验证地秤控制系统各部分是否都符合本次设计要求的性能指标。每次的调试都应认真对待，不要弄错一步否则会影响整个系统。调试的时候我们首先验证地秤控制系统的启动和停止，接下来验证系统显示和记录数据，然后是验证系统的打印功能和清零功能。 5.3.5调试结果 本设计的地秤控制系统经过多次的运行调试后，系统能够实现对重物的实时显示，记录重物的质量，打印所记录的数据以及清除数据等。并且能够清楚地在紫金桥组态画面显示出来。 5.4　研究遇到问题 我在本次设计中我遇到了一些困难和问题。例如不了解量地秤的工作原理以及它如何与PLC进行连接、不太了解称重变送器的使用方法、不完全了解地秤的结构组成，但是我通过自己努力的阅读了与本设计相关的大量文献书籍、在互联网上查找与该设计相关的内容、当有不明白的问题时及时向指导老师请教等方法把这些问题都及时的解决了。 本章小结 本章首先介绍了上位机和下位机如何进行连接设置，其次说明了如何进行系统的运行调试下载以及调试过程中的应注意的事项和调试结果，最后指出了地秤控制系统设计过程中所遇到的困难和解决措施。 结论 本设计在西门子S7-200PLC和STEP7-Micro/WIN编程软件以及紫金桥组态软件的基础上，成功的实现了地秤控制系统的设计。通过紫金桥组态软件软件，系统变得更加直观易懂，操作更加简单方便。整个地秤控制系统运行效果达到设计指标，能够实现对重量的实时显示，对重量的记录，对记录数据的打印以及清零，由此可以证明此设计方案可行。但此地称控制系统也存在一些不足之处，比如所用的传感器为应变式传感器它只能测出压力信号并且动态响应慢，这样会影响到测量精度，组态画面不够美观等，这些都是有待改进之处。在整个系统的调试过程中，虽然遇到了一些自己解决不了的问题，但在指导老师的帮助下都顺利的解决了。基于PLC的地秤控制系统具有稳定性好、控制精度高、体积小、能耗低特性，在实际生活中许多自动化工厂的称重环节都可以运用此控制系统。 伴随自动化技术的不断发展和人们生活水平的逐渐提高，人们对地磅称重控制系统的要求也越来越高，当代社会大多数自动化工厂的称重环节也将采用以PLC为核心的控制系统来控制传感器和变送器，设备自动化程度越来越高。因此，高精度、稳定性好、能耗低的地磅称重控制系统一定是今后国内外发展的趋势。然而对设备的维护是非常重要，对于维护检修工作者的技术要求也将有所提高。作为一名当代大学生，我们需要学习掌握更多的技能，这样做不仅是为了满足当今社会自动化行业快速发展的需要，也是为了让我国的衡器制造业在技术方面用最快的速度赶上国际领先水平。 天涯在线书库《www.tianyabook.com》