1、9.1 控制系统功能简介与PLC程序设计 1系统功能与结构 某物料控制系统按一定的比例将24种颗粒状的物料混合在一起，4种物料放在4个金属仓内，每个仓的底部安装了一个气缸控制的插板阀，电磁阀线圈通电时插板阀打开，物料流出。断电时插板阀关闭，物料停止流出。秤斗是一个底部为圆锥形的金属料斗，用称重传感器测量物料和秤斗的总重量。混合仓也是一个底部为圆锥形的金属料斗，搅拌器的搅浆搅动混合仓内的物料颗粒。秤斗和混合仓底部的插板阀用于放出物料。第9章 人机界面应用实例 2创建项目 打开名为“HMI综合应用”的项目，PLC_1为CPU 315-2PN/DP，HMI_1为KTP400 Comfort。在网络视
2、图中创建HMI连接。添加一块DI 16/DO 16模块和一块2AI 模块。3主程序的设计 主程序根据自动/手动开关I0.0的状态，在OB1中调用自动程序FC2或手动程序FC1。起动自动运行的条件如下：各电磁阀关闭和搅拌器电动机停机（Q0.2Q1.0均为0状态）；秤斗和混合仓中的物料均被排空（变量“总重量”和“混合仓料位”的值为0）。满足上述条件时变量“起动条件”为1状态。在手动模式时如果满足自动运行的起动条件，将顺序功能图的初始步对应的变量“初始步”（M5.0）置位为1，允许起动自动运行。反之将M5.0复位为0，禁止起动自动运行。从自动模式切换到手动模式时（即自动/手动开关的下降沿），用字逻辑
3、与指令（AND）将顺序功能图中各步对应的M5.0M5.7清零，同时用AND指令将Q0.2Q1.0清零，关闭各电磁阀，搅拌器电动机停机。为了在仿真调试时模拟进料过程，按下主画面或手动画面中的“进料”按钮，变量“进料标志”（M6.7）被置位，释放该按钮时M6.7被复位。打开任意一个进料阀时，每单击一次该按钮，变量“总重量”的值如果小于600（其单位为0.1kg），它将增大1kg。为了累加物料值，在手动模式和自动模式相互切换时，和在自动模式关闭“放成品阀”时，将4种物料的重量值分别与其累加值相加，并将4种物料的重量值清零。从手动模式切换到自动模式时，将手动模式用于显示操作时间的C0C2的当前值清零。
4、在出现缺料信号、外部故障信息，和出现搅拌器电动机转速过高的故障时，关闭各阀门和电动机，复位顺序功能图中的活动步，将连续标志清0，并通过报警视图发出报警信号。4实际的物料总重量的计算 “总重量”仅用于程序的模拟调试。实际的程序应删除前一页“总重量”的控制电路。假设电子秤的量程为060kg，AI模块的量程为DC 10V。将AI模块输出的数字值N转换为秤斗总重量（单位为0.1kg）的公式为秤斗总重量600N/27648 秤斗总重量减去秤斗本身的重量，得到物料总重量。当前物料总重量减去进上一种料结束时的物料总重量，得到正在进的料的重量。5自动程序的设计 物料混合系统的自动控制程序属于典型的顺序控制程序
5、，用下一页的顺序功能图和顺序控制设计法来设计自动控制程序。具体的设计方法见廖常初主编的PLC教材。满足起动条件时，初始步M5.0为1状态。单击主画面中的“起动”按钮M1.0或外接的起动按钮I0.1，“连续标志”M6.6变为1状态，从初始步切换到步M5.1。主画面中的1号进料阀变为红色，该阀打开。进料达到配方设定的值时，1号料停止进料，自动改为进2号料，直到进完所有的料。所有的料进料结束后，秤斗底部的秤放料阀自动打开，将物料放入秤斗下面的混合仓。与此同时定时器T0开始定时。定时结束时T0的常开触点闭合，切换到步M5.6，秤放料阀关闭，搅拌器搅拌混合仓内的物料。经过T1设定的时间后，搅拌器停止运行
6、，混合仓底部的放成品阀打开，放出混合好的物料。经过T2设定的时间后，关闭放成品阀。因为“连续标志”M6.6为1状态，转换条件M6.6*T2满足，返回步M5.1，开始下一工作周期的工作。单击触摸屏上的“停止”按钮或外部的停止按钮后正常停机，“连续标志”M6.6变为0状态，但是不会马上停止运行，要等到完成最后一次的流程（包括进料、秤斗放料、搅拌和混合仓放料），步M5.7之后左边的转换条件满足时，返回初始步M5.0后停机。6显示秤斗与搅拌仓中料位的程序 秤斗与搅拌仓中的物料料位用棒图功能来显示，秤斗中的料位与变量“总重量”成正比。因为没有检测混合仓中的料位，用程序来计算混合仓的料位。双击项目树的文件
7、夹“PLC_1”中的“设备组态”，打开PLC的设备视图，选中CPU模块后，再选中巡视窗口中的“属性 常规 时钟存储器”，勾选复选框“时钟存储器”，设置“存储器字节”为4，即设置MB4为时钟存储器。其中的M4.1的周期为200ms，M4.5的周期为1s。主画面中秤斗和混合仓的高度相同，棒图满量程对应的物料重量为60kg。在秤斗向混合仓放料的过程中，秤斗中物料大于等于1kg时，每200ms令秤斗中的物料减少1kg，混合仓中的物料增加1kg，就能保持两个仓料位之间的协调变化。7定时器时间预设值的设置和当前值的显示 HMI不能直接使用S7-300定时器的数据类型S5Time，只能使用数据类型为32位的
8、Time，在I/O域中Time被视为单位为ms的双整数。以搅拌定时器为例，需要用下图左边的T_CONV指令，将S5Time格式的“搅拌剩余时间”，转换为数据类型为Time的“搅拌当前值”，用HMI画面中的输出域显示。右边的T_CONV指令将用I/O域输入的数据类型为Time的“搅拌预设值”，转换为S5Time格式的“搅拌预设时间”，供搅拌定时器使用。数据类型为Time的时间以ms为单位，用HMI变量的线性标定功能，将PLC中的“搅拌当前值”缩小100倍后用于HMI的显示。缩小后时间的单位为0.1s。时间的显示格式为xx.x s（见主画面“实际值”列的时间显示值）。8手动程序设计 在手动模式时单
9、击手动画面中的“进1号料”按钮，手动程序中的变量“进1号料按钮2”变为1状态，“进1号料阀”的线圈通电并自保持，该阀门打开，画面中该阀门变为红色。单击“停止”按钮，变量“停止按钮2”的常闭触点断开，“进1号料阀”的线圈断电，画面中的阀门变为灰色。4个进料阀和秤放料阀之间有连锁，同时只能打开一个阀门。刚打开进1号料阀时，用MOVE指令将当时的物料总重量记忆在变量“初始总重量”中。在进1号料的过程中，用减法指令SUB计算出来的当前总重量与初始总重量之差即为1号料的重量。其余3种料的进料控制程序与1号料的类似。S7-300/400的定时器为减定时器，定时期间其当前值不断减1。为了显示出手动时各段时间
10、从零逐渐增大的值，分别用计数器C0C2和1s 时钟脉冲来累计3段时间，它们使用加计数器线圈指令CU（见下图）。C0C2的符号地址分别为“秤放料计数器”“搅拌计数器”和“放成品计数器”。单击画面中的“秤放料”按钮，“秤放料阀”的线圈通电。电路中有连锁。“1s时钟”（M4.5）的常开触点每秒钟通、断一次，使秤放料计数器C0的当前值加1，C0的当前值的单位为1s。在手动画面中，以秒为单位用输出域显示C0的当前值（即秤放料经过的时间）。在秤放料阀打开时，“200ms时钟”每200ms将秤斗中物料的总重量减1kg（见下图），将混合仓中物料的重量加1kg，使两个仓中的物料协调变化。程序中重量的单位为0.1
11、kg。单击“放成品”按钮，“放成品阀”的线圈通电。“200ms时钟”每200ms将混合仓中物料的总重量减1kg。打开放成品阀时，将各种料的重量清零。打开秤放料阀时，将各操作时间值清零。9.2 触摸屏画面组态9.2.1 画面的总体规划画面的总体规划 1确定需要设置的画面 开机时显示的初始画面；自动运行画面（主画面）；进行手动操作的手动画面；设备状态画面用于显示各主要变量的当前值和4种物料的累加值；用户管理画面用于用户的登录、注销和用户的管理；配方画面用于选择和增减配方的数据记录，修改配方条目，打印配方报表；报警画面用于查看报警的历史记录，和打印报警报表；趋势视图画面用于显示搅拌器电动机转速的趋势
12、视图。2画面切换关系与初始画面 因为画面个数不多，以初始画面为中心，采用星形切换方式。开机后显示初始画面，通过画面切换按钮，可以从初始画面切换到所有的其他画面，其他画面用固定窗口的“初始画面”切换按钮返回初始画面。初始画面之外的画面不能相互切换，需要经过初始画面的“中转”来切换。3组态固定窗口 在固定窗口放置各画面共享的日期时间域、切换到初始画面的按钮，和连接变量“自动/手动开关”的符号I/O域。设置符号I/O域的模式为“双状态”，自动/手动开关为1状态时显示“自动模式”，为0状态时显示“手动模式”。9.2.2 画面组态画面组态 1自动画面 监控自动模式运行的画面称为自动画面，它使用得最多，又
13、称为主画面。开机后进入初始画面，单击“主画面”按钮，进入主画面，永久性窗口中的符号I/O域显示“手动模式”。主画面给出了系统的示意图，用两种颜色显示各插板阀的通、断状态，用棒图显示秤斗内和混合仓内物料的高度，画面中的I/O域均为输出模式。在画面中显示来自配方的各物料的值和定时时间的设定值。“总重量”是电子秤秤斗内物料的总重量。“起动”和“停止”按钮用于起动和停止自动运行，“进料”按钮用于仿真调试。2生成阀门的图形I/O域 将工具箱“图形”窗格中的某个阀门（Valve）拖拽到画面上，复制、粘贴到Windows的“画面”工具中，用“填充”功能替换为不同深浅的红色。生成图形I/O域，它连接的位变量为
14、1状态时，阀门为红色，反之为灰色。3手动画面 令自动/手动开关I0.0为0状态，永久性窗口中的符号I/O域显示“手动模式”。运行时切换到手动画面。在手动模式，可用手动画面中的按钮分别打开6个阀，和启动搅拌器电动机。用PLC的程序实现操作的保持功能。按“停止”按钮将停止当前被起动的操作。各按钮左侧的指示灯用来显示PLC对应的输出信号的状态，按钮右侧的输出域是进料的重量和各段运行时间的当前值，操作人员用这些输出域的值来判断应该在什么时候用停止按钮停止当前正在执行的操作。“进料”按钮用于仿真调试。4设备状态画面 设备状态画面除了显示4种物料的当前重量和3段运行时间的值之外，还显示4种物料的累加值和搅
15、拌器的转速。“清累加值”按钮用于清除4种物料的累加值。单击该按钮，用系统函数“设置变量”分别将4种物料的累加值清零。5用户管理画面 用户管理画面组态了用户视图，和“登录用户”“注销用户”按钮。在组态用户组时，设置了“访问配方画面”和“清累加值”权限。在用户组编辑器中，设置各组用户的权限。管理员组拥有所有的权限，操作员组仅有清累加器的权限，班组长组有访问配方画面和清累加值权限。在组态用户时，设置操作员组的LiMing的密码为1000，班组长组的WangLan的密码为2000，管理员组的Admin的密码为9000。选中初始画面的“配方画面”按钮，再选中巡视窗口的“安全”，将访问配方画面的权限“Mo
16、nitor”分配给该按钮。在组态“设备状态”画面时，选中“清累加值”按钮，再选中巡视窗口的“安全”，将清累加器的权限“Operate”分配给该按钮。6组态配方和配方画面 物料混合系统用配方来提供生产工艺参数。打开配方编辑器，查看它的配方元素和数据记录。物料的重量为零表示产品不使用该物料。除此之外，配方中还有单位为ms的秤斗放料、搅拌和放成品的时间预设值。选中配方“1号产品”，再选中巡视窗口的“同步”，只选中“同步配方变量”复选框。在配方画面中组态了配方视图，和“打印配方报表”按钮。7组态报警画面与报警窗口 秤斗上的14号料的料斗无料时，PLC发出缺料报警消息，将“事故信息”字MW2的第0位第3
17、位中的对应位置1。出现外部故障时，“事故信息”字MW2的第4位变为1状态。打开“HMI报警”编辑器，在“离散量报警”选项卡中组态5个离散量报警。搅拌器电动机用变频器驱动，在“模拟量报警”选项卡组态“转速过高”报警，转速测量值大于1500转/min时发出“转速过高”报警。打开报警画面，选中报警视图，再选中巡视窗口的“常规”，用单选框选中“报警缓冲区”，启用报警类别Error、Warning和System，报警视图将显示所选报警类别当前的和过去的报警。在全局画面中放置一个报警窗口和一个报警指示器，选中报警窗口后再选中巡视窗口的“常规”，用单选框选中“当前报警状态”，用复选框选中“未决报警”和“未确
18、认的报警”，仅启用了报警类别Error。9.3 系统的仿真调试9.3.1 使用变量仿真器调试使用变量仿真器调试 比较复杂的系统可以首先用变量仿真器调试，检查HMI设备的某些功能。1检查画面切换功能 启动“使用变量仿真器”，打开仿真面板。在初始画面单击各画面切换按钮，观察是否能切换到对应的画面。在非初始画面单击永久性窗口中的“初始画面”按钮，观察是否能返回初始画面。2检查用户管理功能 单击初始画面的“用户管理”按钮，打开用户管理画面。单击“登录用户”按钮，输入管理员Admin的用户名和密码9000，确认后用户视图应出现所有用户的用户信息。观察管理员此时是否能修改其他用户的名称和密码，修改后的密码
19、是否起作用。退出登录后，检查“设备状态”画面的“清累加值”按钮的保护功能，具有“清累加器”权限的用户Liming（密码为1000）登录成功后，才能对该按钮进行操作。3检查配方功能 具有相应权限的用户Wanglan（密码为2000）登录成功后，单击初始画面的“配方画面”按钮，打开配方画面。选中某一条配方数据记录，返回初始画面后切换到主画面，观察画面左边的I/O域是否是选中的配方数据记录中的值。4检查趋势视图 趋势视图画面用来记录搅拌机转速的测量值，它大于1500转/min时，将会出现报警窗口，影响对趋势曲线的观察。在变量仿真器中将搅拌机转速测量值的“模拟”方式设置为“增量”，最大值和最小值分别为
20、1200转/分和1400转/分，周期为10s，其波形为锯齿波。9.3.2 集成仿真调试集成仿真调试 本例的某些功能需要用集成仿真来调试。打开Windows的控制面板，切换到“所有控制面板项”显示方式。双击打开“设置PG/PC接口”对话框，设置应用程序访问点为“S7ONLINE(STEP 7)-PLCSIM.TCPIP.1”。选中项目树中的“PLC_1”，启动S7-PLCSIM，将程序下载到仿真PLC，将CPU切换到RUN-P模式。选中项目树中的“HMI_1”，单击工具栏的“开始仿真”按钮，编译成功后，出现仿真面板，显示初始画面。此时I0.0为0状态，系统处于手动模式。切换到主画面，因为满足了起
21、动条件，顺序功能图的初始步M5.0为1状态，主画面中的“初始步”指示灯亮。1配方画面的调试 勾选S7-PLCSIM中I0.0对应的小方框，令自动/手动开关为1状态，系统处于自动模式，调试自动程序。首先需要将HMI中的某个配方数据记录传送到PLC。为此返回初始画面，单击“配方画面”按钮，出现登录对话框，输入用户名“Wanglan”和密码2000后确认。再次单击“配方画面”按钮，打开配方画面，选择一个配方数据记录。在组态配方的“同步”属性时，只勾选了“同步配方变量”复选框，配方视图、配方变量和PLC都是直接连通的。用S7-PLCSIM监视1号原料配方值（MW28），用配方视图选中某个配方数据记录后
22、，它的配方元素值马上传送到PLC对应的地址。修改配方视图中1号原料的值以后，需要单击配方视图中的“写入PLC”按钮，才能将它传送到PLC。修改S7-PLCSIM中的1号原料的值以后，需要单击配方视图中的“从PLC读取”按钮，才能将它传送到配方视图。返回初始画面后，打开主画面，可以看到画面左边“配方值”区域的输出域中的配方元素的值。2主画面的仿真调试 如果调试时使用硬件PLC，可以用AI模块外接的可调直流电压，来模拟称重过程秤斗中物料总重量的变化。如果采用集成仿真，为了模拟调试自动程序，在程序中用变量名为“总重量”的MW60来替代模拟量输入的转换值，在主画面和手动画面中临时增设“进料”按钮，按下
23、该按钮，变量“进料标志”（M6.7）被置位，释放该按钮M6.7被复位。每按一次“进料”按钮，“总重量”增加1kg。单击画面中的“起动”按钮，“连续标志”（M6.6）指示灯亮，1号进料阀打开（变为红色）。多次单击“进料”按钮，变量“总重量”和“1号料”的值不断增大。1号料进入料斗的重量达到配方给出的设定值时，1号进料阀自动关闭（变为灰色），2号进料阀自动打开。4种料都按设定值进完后，秤斗放料阀自动打开，“秤放料”定时器开始定时，其剩余时间值不断减小。程序中的“200ms时钟”（M4.1）使变量“总重量”的值每200ms减1kg，混合仓中的物料每200ms加1kg，画面上秤斗中的物料“流入”混合仓
24、。“秤放料”定时器定时时间到时，秤放料阀关闭，开始搅拌。“搅拌”定时器定时时间到时，打开放成品阀，“放成品”定时器开始定时。变量“混合仓料位”的值每200ms减1kg，画面中混合仓的物料不断减少。混合仓的物料放完后，又开始进1号料。单击画面中的停止按钮后正常停机，“连续标志”指示灯熄灭。但是不会马上停止运行，要等到完成最后一次的流程后停机。最后返回初始步，“初始步”指示灯亮。正在自动运行时，如果出现故障信号，立即将各输出点清零，将代表各步的MB5和“连续标志”清零，同时出现报警窗口。3手动运行的仿真调试 令I0.0为0状态，系统处于手动模式。在手动画面中也临时添加了一个增加物料总重量的“进料”
25、按钮。单击“进1号料”按钮，1号进料阀变红，按钮左边的指示灯亮。单击一次“进料”按钮，按钮右边的输出域显示的1号料的重量增加1kg。按下“停止”按钮，指示灯熄灭，1号进料阀断电。单击“秤放料”按钮，它左边的指示灯亮，秤斗放料阀变红。时钟脉冲每200ms将秤斗中的物料减1kg，混合仓中的物料加1kg。秤斗中的物料放完时，单击“停止”按钮，秤放料阀关闭，放料计数器停止加1。可以对“搅拌”和“放成品”做同样的操作。打开放成品阀时，各种料的重量被清零。打开秤放料阀时，原有的各操作时间值被清零。4报警功能的仿真调试 返回初始画面后切换到报警画面，可以看到报警视图中的系统报警消息。在S7-PLCSIM中生
26、成变量“事故信息”MW2的低位字节MB3的视图对象，和变量“搅拌转速测量值”（MW10）的视图对象。勾选M3.0对应的小方框，出现报警窗口和闪动的报警指示器，报警消息为“到达 缺1号料”。单击报警窗口右下角的确认按钮，报警指示器停止闪动，报警状态变为“到达确认”。将M3.0复位为0，报警消息“缺1号料”消失，报警窗口和报警指示器同时消失。打开报警视图，可以看到“缺1号料”的事件出现（到达）、被确认（到达）确认）和消失（到达确认）离开）的报警消息。在S7-PLCSIM中先后设置变量“搅拌转速测量值”MW10的值为1501转/min，和1500转/min，然后单击报警窗口中的确认按钮，观察出现的报警窗口、报警消息和报警指示器，以及报警画面的报警视图中的报警消息。在自动模式出现故障报警时，可以看到当前步被驱动的阀门或搅拌电动机关闭，连续标志M6.6和MB5中当前的活动步对应的位被清0。出现故障后，应切换到手动模式，用手动完成当时剩余的操作，满足自动运行的起动条件后，主画面中的“初始步”指示灯亮，再切换到自动模式。
