基于PLC控制的自動加工監(jiān)控系統設計

1、 本科畢業(yè)設計（論文）題目：基于PLC控制的自動加工監(jiān)控系統設計學生姓名學號教學院系專業(yè)年級指導教師職稱完成日期摘 要隨著計算機技術、自動控制技術的發(fā)展及現代工業(yè)生產過程的需求，越來越多的計算機監(jiān)控系統正在廣泛應用于各種工業(yè)生產過程。自動化加工是現代加工生產的主要方式，自動化監(jiān)控系統可以大大提高加工生產的效率和質量，因此自動化加工監(jiān)控系統在現代工業(yè)中變得十分重要。本設計是以自動生產流水線模型的加工單元為控制對象，基于羅克韋爾可編程控制器的模擬控制系統設計和實現。模擬控制系統硬件采用ControlLogix1756控制器、1756 CNB/E模塊、Flex I/O 1794端口和自動生產流水線模

2、型。在模擬控制軟件方面，根據加工工藝流程和控制要求，利用RSLogix5000軟件編程并通過控制電磁閥驅動氣缸帶動傳送帶、機械手、鉆桿器、鉆絞器，實現工件的傳送、鉆孔、絞孔的全自動加工過程的控制，利用RSNetwork實現控制網的組態(tài)、并利用RSView32編程軟件實現自動加工模擬控制系統的組態(tài)界面的本地和遠程監(jiān)控。將本系統結合實際工藝要求和條件進一步加以改進及完善后，可以用于實際的自動加工監(jiān)控控制，因此本系統對實際加工生產的自動監(jiān)控系統設計具有一定的參考價值。關鍵字：羅克韋爾自動化；計算機監(jiān)控系統；自動加工AbstractWith computer technology, automatic

3、 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 m

4、echanic, 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

5、 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 co

6、ntrolling 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

7、 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

8、 system has a certain reference value.Keywords: Rockwell Automation; computer monitoring system; automatic processing;目 錄1緒論11.1 國內外現況11.2 設計的目的和意義22控制系統構成方案設計32.1 硬件設計方案32.2 軟件設計方案32.3 控制器方案42.4總體設計方案53 編程軟件及相關控制工具63.1 RSLogix500063.2 RSView3273.3 RSLinx83.4 RSNetWorx for ControlNet84 系統軟件設計104.1 控

9、制程序設計104.1.1 流程圖設計104.1.2 程序設計104.2 監(jiān)控畫面設計134.2.1 建立OPC服務器134.2.2 RSView32組態(tài)監(jiān)控軟件的操作145 系統調試196 結論23謝辭24參考文獻25附錄26附錄一：自動加工流程圖26附錄二：梯形圖控制程序311緒論1.1 國內外現況隨著計算機技術、自動控制技術的發(fā)展及現代工業(yè)生產過程的需求，越來越多的計算機監(jiān)控系統正在廣泛應用于各種工業(yè)生產過程。自動化監(jiān)控系統可以大大提高加工生產的效率和質量，因此自動加工監(jiān)控系統在現代工業(yè)中也變得十分重要。一套好的自動加工模擬控制系統不僅能提高生產效率和經濟效益，而且還可以改善工況、節(jié)約資源

10、，更能提高工作的安全可靠性。目前，自動控制方式主要有繼電器、單片機、PLC和羅克韋爾可編程控制器四種。由于PLC控制系統與繼電器控制系統及微機控制系統相比，具有結構靈活，不受環(huán)境的限制，有電即可組建網絡,傳輸質量高、速度快、帶寬穩(wěn)定、范圍廣、成本低、 適用面廣等一系列優(yōu)點，因此，已成為國內外自動加工控制的首選控制方案。除PLC外，羅克韋爾可編程控制器也是自動加工的主要控制方式。羅克韋爾構架采用單一的控制平臺，基于Logix平臺的控制器都采用單一的軟件編程。RSLogix5000是ControlLogix系統的專用編程軟件，功能強大易用，不僅可以對控制器進行常規(guī)的編程，也可以組態(tài)和監(jiān)控，所有的對

11、外交換的信息，不管是I/O刷新信息，還是對外設備的通訊信息，都可以經過編程軟件的組態(tài)或編程，更重要的是它具有面對系統的監(jiān)視功能和診斷功能，所有它屬下模塊的工作狀態(tài)全在它的監(jiān)視之下，其診斷結果將明了告知問題所在，可正確迅速地查找原因，這是傳統控制器編程軟件不能企及的。本校電氣信息學院在羅克韋爾自動化實驗室有自動生產流水線模型，因此本設計選用羅克韋爾可編程控制器作為自動控制方式。圖1.1自動生產流水線模型1.2 設計的目的和意義(1) 設計工件自動加工過程的監(jiān)控系統；(2) 研究監(jiān)控系統對自動加工的重要性；(3) 應用羅克韋爾自動化公司的RSLogix5000編程軟件和RSView32組態(tài)軟件對自

12、動生產流水線加工單元進行生產過程的實現和監(jiān)控，提高流水線自動生產的順暢性。2控制系統構成方案設計2.1 硬件設計方案本系統的硬件結構如圖2.1所示：上位機通過以太網與控制器連接，控制器與加工單元通過控制網連接實現控制作用。上位機采用一般的計算機，而控制器可以采用多個方案。圖2.1系統硬件結構示意圖2.2 軟件設計方案在本設計中，上位機主要負責對加工單元的工作狀況進行實時監(jiān)控和動態(tài)模擬，以及通過發(fā)出命令對其進行實時控制，提高了工作效率。所以，編寫一個合適的操作界面是十分必要的。編寫操作界面根據選用不同的編程軟件可由多種實現方案，如采用組態(tài)軟件,Visual Basic（簡稱VB）、Visual

13、C+（簡稱VC+）等。方案一：選用C語言C語言的程序簡練、緊湊，使用方便、靈活、運算符豐富、數據結構豐富、語法靈活、效率高，可移植性強。方案二：選用VB語言VB語言程序語法較為簡單易懂并且參考書籍多，VB是全開放性的，方便程序的修改。發(fā)展快速且功能強大。建立監(jiān)控畫面時不需要編寫大量的程序代碼行來描述和控制界面元素的位置、大小等屬性，只需簡單的在窗體上增加已經建立好的控件對象。方案三：選用組態(tài)軟件 組態(tài)軟件功能強大，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、工程報表、數據與曲線等諸多強大功能于一身，目前在多種工程領域中得到了廣泛的應用。但是它一般價格比較昂貴，它本身不具備直接

14、訪問PLC寄存器或其他智能儀表的能力，必須借助I/O驅動程序來實現。經過上面的分析，綜合比較上位機編程方案，如表2.1。表2.1 上位機界面編程方案對比方案采用VB編程采用VC+編程組態(tài)軟件開發(fā)效率較高較低較高通信連接較難較難簡單圖形界面功能一般繁雜良好2.3 控制器方案方案一：控制器采用可編程邏輯控制器（PLC） PLC即可編程控制器是一種以微處理器為核心, 并綜合了計算機技術，自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制器。它的最大特點就是體積小, 功能強, 響應速度快，可靠性高。隨時可依生產工藝的不同要求而隨機修改，還具有可擴展性。方案二： 控制器采用DSP數字信號處理器是一門

15、涉及數學 、網絡理論、信號處理、控制論、通信理論等許多學科且廣泛應用于通信、語音、圖象、雷達、生物醫(yī)藥、工業(yè)控制、儀器儀表、智能傳感器等許多領域的新興學科。用DSP芯片實現數字信號處理具有很強的通用性和靈活性，因為DSP芯片體積小、運算速度極快、精度高、接口方便，特別適合處理復雜的數字信號處理算法?？刂破鞣桨笇Ρ萈LC具有較好的的穩(wěn)定性和抗干擾性，這一點對工業(yè)控制來說很重要。并且PLC用梯形圖編程比較簡單。PLC多用于是電氣設備處理的芯片，DSP多用于是數字信號處理的芯片。而本課題是一種工程實際的研究，課題中的機械手應用于工業(yè)控制現場，綜合多方面因素，選用可編程邏輯控制器（PLC）來實現控制要

16、求。表2.2 控制器對比控制器編程成本可靠性PLC簡單高高DSP復雜高高2.4總體設計方案通過以上硬件和軟件方案的比較和選擇，本設計最終選用羅克韋爾可編程控制器來控制加工單元，包括機械手的動作、傳送帶的啟停和步進電機的動作等，在上位機上采用組態(tài)軟件RSView32實現對控制對象的實時仿真監(jiān)控。因此，硬件裝置可利用ControlLogix1756系列PLC構成，上位機與控制器之間通過以太網連接并實現其通信，控制器與加工單元現場設備之間通過控制網實現連接及通信。控制器程序采用RSLogix5000編程軟件進行控制程序的編寫。因此系統的總體方案如圖2.2所示。圖2.2 系統結構圖3 編程軟件及相關控

17、制工具加工單元控制系統實現通信的軟件：Control Logix系統、編程軟件RSLogix5000、監(jiān)控軟件RSView32、組態(tài)軟件RSNetwork for Controlnet和通信軟件RSLinx。其控制網絡的總體通訊連接結構如圖3.1所示：圖3.1 加工單元通訊連接結構圖3.1 RSLogix5000RSLogix5000是ControlLogix系統的專用編程軟件，功能強大易用，不僅可用與對控制器進行常規(guī)的編程，也可用于組態(tài)和監(jiān)控，所有的對外交換的信息，不管是I/O刷新信息，還是對外設備的通訊信息，都要經過編程軟件的組態(tài)或編程，更重要的是它面對系統的監(jiān)視功能和診斷功能，所有它屬下

18、模塊的工作狀態(tài)全在它的監(jiān)視之下，其診斷結果將明了告知問題所在，可正確迅速地查找原因，這是傳統控制器編程軟件不能企及的。(1) RSLogix5000編程方式：梯形圖、功能塊圖、順序功能圖和結構文本。本設計采用梯形圖編程。(2) RSLogix5000編譯環(huán)境本設計梯形圖編譯環(huán)境如圖3.2所示：圖3.2 梯形圖編譯環(huán)境3.2 RSView32RSView32是基于組態(tài)集成并用于監(jiān)視和控制自動化設備和過程的人機界面監(jiān)控軟件。RSView32可以使用直接驅動器連接A-B通訊設備，直接驅動器在RSLinx中建立。如果與ControlLogix控制器通訊，只能采用OPC或DDE方式連接，直接驅動的連接方

19、式不支持。OPC是OLE for Process Control的簡稱，OPC是連接現場總線信號與監(jiān)控軟件的橋梁，可以通過生產商特定的OPC服務器將RSView連接到通訊設備，RSView支持OPC-DA2.0 規(guī)范。RSView32工程管理器工作環(huán)境如圖3.3所示：圖3.3 RSView32工程管理器工作環(huán)境3.3 RSLinx 通訊工具軟件是為計算機將設備配置、網絡組態(tài)信息及程序傳送至現場設備而使用的軟件，它可以將組態(tài)或程序信息根據總線協議/規(guī)范的通訊要求進行處理，再從計算機通過網絡接口傳送至現場設備，同樣也可以采集現場設備的數據。RSLinx軟件可以為所有Allen-Bradley網絡提

20、供完整的驅動程序，通過該軟件，用戶可以通過一個窗口查看所有活動網絡，也可以通過一個或多個通訊接口同時運行任何所支持的應用程序的組合，并且RSLinx提供快速的OPC, DDE和Custom C/C+的接口，可與第二方軟件通信。在RSLinx中集成了眾多設備配置和監(jiān)視工具，僅需要用鼠標選取和點擊所需設備就可以完成相應的操作。3.4 RSNetWorx for ControlNetRSNetWorx for ControlNet是羅克韋爾自動化公司提供的ControlNet設置配置軟件，提供網絡組態(tài)和監(jiān)控，可用于在線配置和離線配置。 RSNetWorx for ControlNet的運行需要依賴于

21、RSLinx通信軟件。RSLinx為ControlNet網卡提供驅動，并且為RSNetworx for ControlNet軟件和ControlNet網卡之間的數據交換提供接口。ControlNet是一種高度確定性網絡，因為它能夠可靠地預測數據傳遞完成的時間。同樣，ControlNet也因其可重復特性而聞名，該特性保證了傳輸時間為可靠的常量，且不受網絡上節(jié)點的增加或減少的影響。這些都是保證實現可靠、高度同步和高度協調的實時性能的至關重要的要求。不同于其他基于雙絞線的網絡。ControlNet使用光纖介質的最遠距離可達30公里，并且速度都始終保持在5Mbps而不會隨距離衰減，并可在噪聲環(huán)境中使用

22、。這些都使得ControlNet當之無愧地成為連接遠程I/O和對等PLC主站的最理想的網絡。4 系統軟件設計4.1 控制程序設計4.1.1 流程圖設計本設計中，加工單元主要負責對工件進行鉆孔絞孔加工，整個流程可以簡述為：在檢測加工平臺復位后，首先檢測到傳送帶送來需要加工的工件后，四自由度機械手開始工作，將工件從傳送帶運送至加工平臺；然后加工平臺開始向加工區(qū)移動，到達鉆孔區(qū)時停止，由鉆孔器件對工件進行鉆孔；鉆孔完成后，加工平臺繼續(xù)向絞孔區(qū)移動，到達絞孔區(qū)停止，讓絞孔器件對工件進行絞孔加工；加工完成后，加工平臺返回至初始位置；最后，由四自由度機械手把成品運回到傳送帶，由傳送帶將其傳送至下一個流水線

23、單元。加工單元具體工作流程圖見附錄一所示。4.1.2 程序設計根據加工單元自動加工模擬控制系統所設計的工序流程圖，用RSLogix5000編程軟件進行梯形圖程序的編寫。首先，在RSLogix5000編程軟件工作環(huán)境下，它自帶主程序，若要編寫子程序，則要建立新的任務和子程序例程，相關設置根據實際情況而定。接著在任務欄的I/O Configuration中按照RSLinx的控制器網絡連接方式進行組態(tài)，其中需要特別注意設備所對應的槽號和編號要分別對應。本設計中所建立的I/O組態(tài)如圖4.1所示：圖4.1 加工單元的I/O組態(tài)然后在Program Tags中對中間過程量建立標簽，并注意數據類型，可以在描

24、述欄對其進行標簽，這些標簽只能用于主程序中，而在Controler Tags中建立的標簽可以運用于所有的程序。對自動加工的加工單元編寫梯形圖程序，可建立標簽如圖4.2所示：圖4.2 主程序中間量標簽設置在對系統進行I/O組態(tài)后，根據RSLinx添加相應的控制器、控制網絡和相應的1794 Flex I/O輸入輸出端口或者本地I/O口。則會在Controler Tags中系統自動生成標簽，如圖4.3所示。用戶可以在相應端口進行標簽設置，從而方便梯形圖的編寫，如圖4.4所示。圖4.3 Controler Tags 圖4.4 控制器標簽設置加工單元生產流程梯形圖程序,結果如附錄二所示。4.2 監(jiān)控畫面

25、設計“組態(tài)” （configuration）的概念也是伴隨著DCS而發(fā)展起來的，其含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到使計算機或軟件按照預先設置，自動執(zhí)行特定任務，滿足使用者要求的目的。監(jiān)控組態(tài)軟件就是用于監(jiān)控生產等自動化過程的組態(tài)軟件。監(jiān)控組態(tài)軟件最早出現時，HMI（human machine interface）或MMI(man machine interface)是其主要內涵，即主要解決人機圖形界面問題。隨著監(jiān)控技術的快速發(fā)展，實時數據庫、實時控制、SCADA、通信及聯網、開放數據接口、對I/O設備的廣泛支持等已成為監(jiān)控組態(tài)軟件的主要內容。本設計采用RSView32組

26、態(tài)監(jiān)控軟件。4.2.1 建立OPC服務器使用RSLinx軟件，點擊DDE/OPC，選擇Topic Configuration，在左邊窗口中新建一個標題名稱，在右邊窗口選擇相應的處理器（注意：連接對象是處理器，不是其他的模塊），點擊Apply就建立好了，如圖4.5所示：圖4.5 OPC服務器的建立4.2.2 RSView32組態(tài)監(jiān)控軟件的操作（1）打開RSView32軟件，建立一個加工單元的project，將會出現一個工程管理器，如圖3.2所示。在 System樹形結構下對通道Channel、節(jié)點Node進行設置，如圖4.6和圖4.7所示：圖4.6 RSView32監(jiān)控軟件通道的設置圖4.7 R

27、SView32監(jiān)控軟件節(jié)點的設置（2）建立標簽并用文件夾管理如圖4.8中的xin_tag為加工單元的標簽管理文件夾。選擇某一個標簽，標記類型選擇“數字量”，數據源類型選擇“設備”，節(jié)點名選擇前面所建立的節(jié)點“node” ，在數據源地址Adress項選擇對應的OPC地址，使得與RSLogix5000中的變量相連接，保證RSView32的運行情況如實反映硬件設備的運行情況，如圖4.11所示。圖4.8 標簽管理圖4.9 標簽的數據源選擇（3）編輯加工單元監(jiān)控畫面并組態(tài)圖形對象在Graphics（圖形）文件夾中選擇Display（顯示），建立兩個新的顯示窗口：登陸畫面和監(jiān)控畫面，繪制結果如圖4.10和

28、圖4.11所示： 圖4.10 登陸界面圖4.11 自動加工監(jiān)控畫面按鈕對象組態(tài)時會用到RSView32系統指令，指令集合如圖4.12所示： 圖4.12 RSView32系統指令選擇System中的Startup設置開始畫面，如圖4.13所示： 圖4.13 設置開始畫面5 系統調試控制網絡與1974 Flex I/O的實物連接圖如圖5.1。圖5.1 控制網絡結構連接實物圖 首先，RSLinx與下位機的控制器進行連接，讀取控制器中各模塊的位置及相互的連接等信息，如圖5.2所示：圖5.2 加工單元RSLinx通訊網絡配置圖其次，RSNetWorx for ControlNet通過RSLinx在線讀取

29、控制器部分的信示，如圖5.3所示：圖5.3 加工單元RSNetWorx for ControlNet配置圖然后，在RSLogix5000中按照RSLinx中模塊的順序進行加載，加載時槽號Slot必須與在RSLinx中讀取的一致，在配置ControlNet時，需要加載RSNetWorx for ControlNet軟件中配置好的文件，所有的這些配置結束后，就可以編寫自己的程序，從而對自動生產流水線加工單元進行控制。 最后，監(jiān)控軟件RSView32通過RSLinx與RSLogix5000中的變量等信息綁定，在上位機上可以實時的顯示加工單元設備的變化過程以及輸入/輸出控制器中的各種控制命令，使得對加

30、工單元的監(jiān)控更形象、簡捷、實用。本設計的系統調試主要為軟件調試。為了使軟件與硬件配合達到控制要求，采用了 PLC的符號梯形圖方式編程，這種方式直觀，便于監(jiān)控和局部修改。當使用RSNetWorx for ControlNet網絡組態(tài)軟件將控制網完成優(yōu)化以后，就可以將程序下載到對應的控制器里邊進行程序的運行調試了，看看1974 Flex I/O接口工作指示燈顯示結果是否滿足程序邏輯順序，邏輯的錯誤是否存在，否則進行修改和調試。如圖5.4所示。圖5.4 梯形圖運行狀態(tài)程序調試結果通過以后，就可以將現場輸入輸出接口與1974 Flex I/O進行連接，進一步調試梯形圖程序，直到加工單元現場設備按照規(guī)定

31、的邏輯順序完成相應的動作，達到滿意的加工單元設計效果為止。注意：I/O接口的序號與梯形圖程序中要保持一致，現場I/O設備端口也要相對應。當硬件設備可以按照邏輯動作后，可對程序做深一層次的改進和完善。接下來就是監(jiān)控畫面的調試。當使用RSView32監(jiān)控軟件設計好監(jiān)控畫面及相應的連接以后，加工單元的設備動作時，運行監(jiān)控畫面，根據實際的設備動作過程修改和完備監(jiān)控畫面的設計。 最后使得監(jiān)控畫面不僅可以同步于硬件設備的運行情況，并且能夠盡量客觀地反映出實際效果。6 結論本設計針對自動生產流水線加工單元進行了實驗研究。利用羅克韋爾自動化三層網絡中的以太網和控制網對其實現了網絡控制。并且，選用性能遠遠超過傳

32、統的PLC的ControlLogix控制系統，集處理能力、靈活性及易于使用于一身，對自動生產流水線加工單元起著很好的遠程控制作用。本自動加工控制系統由ControlLogix控制系統（1756-L61）、輸入輸出擴展1794 Flex I/O接口和PC機組成，其控制對象是機械加工生產單元。同時，本設計采用羅克韋爾自動化公司的ControlLogix相關軟件，如：RSLogix5000編程軟件、RSView32組態(tài)監(jiān)控軟件、RSLinx通信軟件和RSNetWorx for ControlNet網絡組態(tài)軟件。利用RSLogix5000編程軟件完成了機械手、傳送帶、鉆孔器、絞孔器，實現工件的傳送、鉆

33、孔、絞孔的全自動加工過程的控制程序的編寫；利用RSNetWorx for ControlNet網絡組態(tài)軟件完成了控制網的組態(tài)；利用RSView32組態(tài)監(jiān)控軟件完成了PC機對加工過程的監(jiān)控組態(tài)界面的設計。從而實現了加工單元的正常工作運行。將本系統結合實際工藝要求和條件進一步加以改進及完善后，可以用于實際的自動加工監(jiān)控控制，因此本系統對實際加工生產的自動監(jiān)控系統設計具有一定的參考價值。謝辭參考文獻1張培志. 電氣控制與可編程序控制器. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.92嚴盈富主編 . 監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門.北京：人民郵電出版社，2006.113甘永梅等編著現場總線技術及其應用北京：機械工業(yè)出

34、版社，20044RockWell Automation.RSView32 UserGuideM.RockWell Inc,1999.5鄧李編著ControlLogix系統實用手冊北京：機械工業(yè)出版社，20086韓兵. 現場總線系統監(jiān)控與組態(tài)軟件. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.67李建偉等. 監(jiān)控組態(tài)軟件的設計與開發(fā). 北京：冶金工業(yè)出版社，2007.68陽憲惠. 現場總線技術及其應用. 北京：清華大學出版社，1999.69RockWell Automation.RSLinx ClassicM.RockWell Inc,August,2007.10AB軟件功能11 Controllogix系統實用手冊12 1756系列控制器過