组态王与PLC构成的流体计量系统.doc
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1、1 组态软件1.1工业组态软件的概念 工业组态软件简称为组态软件,是一个快速建立计算机监控系统界面的软件工具,组态软件通常运用与个人计算机平台,并与各类控制设备一起组成计算机监控系统。其中,各类控制设备通称为下位机,而运行组态软件的计算机称为上位机。组态软件支持的下位机设备包括:PLC,PC板卡,仪表,变频器,模块等设备。1.2工业组态软件的产生及国内发展状况 在工业组态软件出现之前,要实现某一监控任务,往往通过手工编写程序来实现。编写程序不但工作量大,开发时间长,效率低,而且可靠性差,程序的通用性差,很难与其系统进行数据的交互,往往不能满足系统升级的要求。随着工业计算机控制系统的应用普及,在
2、面临规模更大,控制更复杂的控制系统时,人们逐渐认识到原有的上位机的弊端。同时,管理信息系统和计算机集成制造系统的大量应用,要求工业现场为企业的生产,经营,决策提供了更多更详细更深入的数据,以便优化企业经营中的各个环节。组态软件产品诞生于20世纪80年代初期,并在80年代末进入我国,在90年代中后期以来,组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。随着组态软件技术的快速发展,实时数据库,实时控制,通信及连网,开放数据接口,对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容,在工业自动化领域得到越来越广泛的应用。国际比较典型的组态软件有,美国Wonderware公司的InTouch组态软件,Intellution
3、公司的iFIX组态软件,德国西门子公司的WinCC组态软件。国内第一家较有影响力的是亚控科技推出的组态王(KINGVIEW),后来陆续出现了通态软件公司的MCGS组态软件以及大庆三维公司的力控(ForceControl)等一系列产品。1.3工业组态软件的基本结构特点组态软件产品具有类似的功能,比如几乎所有的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构,并且对工业控制系统中的各种资源(设备,变量,画面等)进行配置和编辑;都提供多种数据驱动程序;都使用脚本语言提供二次开发的功能等。从形式上看,各种组态软件提供实现这些功能的方式方法却各不相同。1.4工业组态软件的功能及发展方向组态软件的主要功能:l 数据
4、采功能l 组态软件提供多种数据采集程序,用户可以进行应用配置。l 脚本语言编写功能l 脚本语言是扩充组态软件功能的重要手段。例如支持:C语言,Basic语言,VB 等。l 组态软件的可扩展性功能l 组态软件在不改变原有系统的情况下,向系统内增加新的功能,这种功能的增加由组态软件的开发商提供第三方软件,用户自身开发。l 对Internet的支持功能l 现代企业的生产已经趋向国际化,分布式的生产方式。Internet将是实现分布式生产的基础。l 组态软件的控制功能l 如软PLC功能,先进过程控制等。组态软件的发展方向: 未来的组态软件将能提供更强大的分布式环境下的组态功能,全面支持过程控制,嵌入技
5、术等,工业标准,控制功能强,并能通过Internet进行访问的开放式系统。1.5工业组态软件的在自动控制系统中所处地位 在自动监控系统中,投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心,远程监视中心和数据转发中心,处于运行状态的监控软件与各种控制,检测设备(如智能能仪表,DCS等)共同构成快速响应的控制中心。1.6组态王(KINGVIEW)软件介绍1.6.1组态王的基本组成组态王软件包括有工程管理器,工程浏览器和画面运行系统三部分组成。其中,工程浏览器内嵌组态王画面开发系统,生成人机界面工程。界面开发系统中的组态设计的界面工程将在画面系统中运行。1.6.2组态王的版本类型组态王包括五种类型,多
6、个规格。l 开发版开发版分为64点,128点,256点,512点,1024点,不限点共六种规格;内置编程语言;支持网络功能;内置高速历史库;内置WEB浏览器;支持运行在线8小时。l 运行版运行版分为64点,128点,256点,512点,1024点,不限点共六种规格;支持网络功能,可选用通信驱动程序。l NetView版有512点,不限点两种规格;支持网络功能,可选用通信驱动程序。l For Internet应用版有5用户,10用户20用户,50用户,无限用户五种;l 演示版支持64点;内置编程语言;在线运行2小时;可选用通讯驱动程序。1.6.3组态王的软PLC功能KingACT是基于PC建立的
7、实时性控制软件,他以Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系统做为操作平台。符合IEC标准的PLC编程语言。KingACT分为开发系统和运行系统两部分,可以实现PLC的部分功能。2 可编程序控制器2.1可编程序控制器的概念可编程控制器(PROGRAMMABLE CONTROLLER,简称PC)。与个人计算机的PC相区别,用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立柔性的程控系统。国际电工委员会(IEC)颁布了对PLC的规定:可编程
8、控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料:在工业控制领域中,PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。PLC程序既有生产厂家的系统程序,又有用户自己开发的应用程序,系统程序提供运行平台,同时,还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的
9、公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。2.2可编程序控制器的结构及功能一般讲,PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的,对箱体式PLC,有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,当然按CPU性能分成若干型号,并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC,有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无论哪种结构类型的PLC,都属于总线式开放型结构,其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下:接口部件输出输入接口部件 中央处理单元 CPU板 接受 驱动 现场信号 受控元件 电 源 部 件 图2.1 PLC的基本结构框图 2.2.1 CPU的构成
10、PLC中的CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每台PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路, 与通用计算机一样,主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及地址总线构成,还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少
11、的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由振荡信号控制。 CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。 CPU的寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分,但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器,由于电路的高度集成,对CPU内部的详细分析已无必要,我们只要弄清它在PLC中的功能与性能,能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲,CPU模块总要有相应的状态指示灯,如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显
12、示。它的总线接口,用于接I/O模板或底板,有内存接口,用于安装内存,有外设接口,用于接外部设备,有的还有通讯接口,用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关,用以对PLC作设定,如设定起始工作方式、内存区等。2.2.2 I/O单元PLC的对外功能,主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的,按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。2.2.3电源模块有些PLC中的电源,是与CPU模块合二为一的,有些是分开的,其主要用途是为
13、PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有:交流电源,加的为交流220VAC或110VAC,直流电源,加的为直流电压,常用的为24V。2.2.4 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是:电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。2.2.5 外部设备 外部设备是PLC系统不可分割的一部分,它有四大类:编程设备:有简易编程器和智能图形编程器,用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的
14、器件,但它不直接参与现场控制运行。监控设备:有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。存储设备:有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器,用于永久性地存储用户数据,使用户程序不丢失,如EPROM、EEPROM写入器等。输入输出设备:用于接收信号或输出信号,一般有条码读入器,输入模拟量的电位器,打印机等。2.2.6 网络功能 PLC具有通信联网的功能,它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能,它和计算机一样具有RS-232接口,通过双绞线、同轴电缆或光缆,可以在几公
15、里甚至几十公里的范围内交换信息。 当然,PLC之间的通讯网络是各厂家专用的,PLC与计算机之间的通讯,一些生产厂家采用工业标准总线,并向标准通讯协议靠拢,这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。了解了PLC的基本结构,为购买可编程控制器(PLC)时就有了一个基本配置的概念,做到既经济又合理,尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。2.3可编程序控制器的发展方向及国内发展状况PLC自问世以来,经过40多年的发展,在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前,世界上有200多
16、个厂家生产PLC,较有名的:美国:AB通用电气、莫迪康公司;日本:三菱、富士、欧姆龙、松下电工等;德国:西门子公司;法国:TE 施耐德公司;韩国:三星、LG公司等。技术发展动向:1) 产品规模向大、小两个方向发展大: I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、 扫描 速度高速化。 小: 由整体结构向小型模块化结构发展,增加了配置的灵活性,降低了成本。2) PLC在闭环过程控制中应用日益广泛3) 不断加强通讯功能4) 新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外,还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块
17、等专用化模块。5) 编程工具丰富多样,功能不断提高,编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件,采用梯形图、功能图、语句表等编程语言,亦有高档的PLC指令系统。6) 发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。7) 追求软硬件的标准化。国内发展及应用概况:我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段:顺序控制器(19731979)一位处理器为主的工业控制器(19791985)8位微处理器为主的可编程序控制器(1985以后)。在对外开放政策的推动下,国外PLC产品大量进入我国市场,一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了500多套,还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂
18、等。现在,PLC在国内的各行各业也有了极大的应用,技术含量也越来越高。3 Modbus通讯协议3.1 Modbus协议Modbus协议最初由Modicon公司开发出来,在1979年末该公司成为施耐德自动化(Schneider Automation)部门的一部分,现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备,包括PLC,DCS,智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。 当在网络上通信时,Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的
19、设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。 Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等,并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式,数据通讯采用Maser/Slave方式,Master端发出数据请求消息,Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求;Master端也可以直接发消息修改Slave端
20、的数据,实现双向读写。 Modbus协议需要对数据进行校验,串行协议中除有奇偶校验外,ASCII模式采用LRC校验,RTU模式采用16位CRC校验,但TCP模式没有额外规定校验,因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外,Modbus采用主从方式定时收发数据,在实际使用中如果某Slave站点断开后(如故障或关机),Master端可以诊断出来,而当故障修复后,网络又可自动接通。因此,Modbus协议的可靠性较好。 下面我来简单的给大家介绍一下,对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说,其中TCP和RTU协议非常类似,我们只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉,然后在RTU协议的开始
21、加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。所以在这里我仅介绍一下Modbus的ASCII和RTU协议。 下表是ASCII协议和RTU协议进行的比较: 表3.1 ASCII协议与RTU协议比较协议开始标记结束标记校验传输效率程序处理ASCII:(冒号)CR,LFLRC低直观,简单,易调试RTU无无CRC高不直观,稍复杂通过比较可以看到,ASCII协议和RTU协议相比拥有开始和结束标记,因此在进行程序处理时能更加方便,而且由于传输的都是可见的ASCII字符,所以进行调试时就更加的直观,另外它的LRC校验也比较容易。但是因为它传输的都是可见的ASCII字符,RTU传输的数据每一个字节
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