多軸數(shù)控工具磨床電氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于 擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。” PLC 的特點(diǎn) (1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) (2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) (3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 (4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 (5）體積小，重量輕，能耗低 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 目前， PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類 : 1)開關(guān)量的邏輯控制 2)模擬量控制 3)運(yùn)動(dòng)控制 4)過程控制 5)數(shù)據(jù)處理 6)通信及聯(lián)網(wǎng) 5 移動(dòng)數(shù)據(jù)通信模塊簡(jiǎn)介 移動(dòng)數(shù)據(jù)通信模塊又稱 GSM（ Global System for Mobile Communications）模塊，是將 GSM 射頻芯片、基帶處理芯片、 存儲(chǔ)器 、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的 操作系統(tǒng) 、 GSM 射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。因此， GSM 模塊具有發(fā)送 SMS 短信，語音通話， GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)然?GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能。簡(jiǎn)單來講， GSM 模塊加上鍵盤、顯示屏和電池，就是一部手機(jī)。 開發(fā)人員使用 ARM 或者 單片機(jī) 通過 RS232 串口與 GSM 模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令 來控制 GSM 模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能，例如：發(fā)送短信，撥打電話，GPRS 撥號(hào)上網(wǎng)等。基于 GSM 模塊產(chǎn)品的開發(fā)往往都是基于 ARM 平臺(tái)，使用 嵌入式系統(tǒng) 進(jìn)行開發(fā)。有些 GSM 模塊具有 “ 開放內(nèi)置平臺(tái) ” 功能，可以讓客戶將自己的程序嵌入到模塊內(nèi)的軟件平臺(tái)中。 由于工作年限、環(huán)境要求等因素，目前， GSM模塊依然在廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域使用，在各行各業(yè)都 能看到 GSM 模塊應(yīng)用的產(chǎn)品。例如，在車載監(jiān)控領(lǐng)域，使用 GSM 模塊將車輛行駛的 GPS 數(shù)據(jù)傳輸回車輛管理中心；在電力、水務(wù)系統(tǒng)，通過 GSM 模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能抄表，可以 實(shí)時(shí)監(jiān)控 用戶的用電和用水量；在測(cè)繪行業(yè)，為很多偏僻的測(cè)繪點(diǎn)安裝了 GSM 模塊實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不必再人工收集數(shù)據(jù)；在家庭，可以安裝無線 報(bào)警系統(tǒng) ，一旦發(fā)生火情或盜竊行為，可以立即通知戶主和報(bào)警；在國(guó)外，很多老人小孩帶了個(gè)人 跟蹤器 ，防止老人和小孩走失或意外發(fā)生，里面也是集成了 GSM 模塊。可以說，隨著 GSM 的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的完善， GSM模塊的應(yīng)用范圍也越來越廣。 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 本設(shè)計(jì)的課題名稱是多軸數(shù)控工具磨床電氣 監(jiān)控 系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 其主要內(nèi)容是：了解多軸數(shù)控工具磨床的電氣控制原理，完成該磨床電氣 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試 。三菱 FX3U PLC 編程口通信應(yīng)用的研究 移動(dòng)通信模塊的 使用。 設(shè)計(jì)要求及主要技術(shù)指標(biāo)是電氣 監(jiān)控 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速的遠(yuǎn)程監(jiān)控 。 本章小結(jié) 6 本章闡述了選題背景 和該課題研究的意義 ，對(duì)多軸數(shù)控工具磨床的整個(gè)控制系統(tǒng) 、監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)通信模塊 做了簡(jiǎn)單的介紹。 7 2 方案選擇與論證 系統(tǒng)方案選擇與比較 方案 (1)： 因選用的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信模塊為 RS232 通信，故可與 PLC 直接相連（如若 PLC 為 RS485 或 RS422 只需中間加一個(gè)轉(zhuǎn) RS232 模塊即可），直接在PLC 端編寫程序?qū)νㄐ艛?shù)據(jù)進(jìn)行解讀并執(zhí)行相應(yīng)功能 。 優(yōu)缺點(diǎn)：該方案外接設(shè)備簡(jiǎn)單明了，但是因?yàn)橐獙?duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，若要實(shí)現(xiàn)較為多功能的遠(yuǎn)程監(jiān)控那么在 PLC 端程序會(huì)變得很復(fù)雜，占用大量 PLC 內(nèi)存，對(duì)于程序量大的控制系統(tǒng)尤為不合適。 方案 (2)： 使用目前通用的上位機(jī)組態(tài)軟件，如組態(tài)王、 InTouch、 WinCC、力控等，來實(shí)現(xiàn) 移動(dòng)數(shù)據(jù)通信模塊與 PC 機(jī)的通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn) PLC 與 PC 機(jī)的互連通信 ，進(jìn)而 達(dá) 到遠(yuǎn)程通信模塊與 PLC 的互連通信 。組態(tài)軟件以其功能強(qiáng)大、界面友好、開發(fā)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)目前在 PC 監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。 優(yōu)缺點(diǎn)：該方案 減少 了 PLC 端程序的編寫量，使 PLC 不必花費(fèi)大量的精力去處理通信數(shù)據(jù) ，移動(dòng)數(shù)據(jù)通信模塊雖可通過 PC 機(jī)串口與組態(tài)王實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，但受限與組態(tài)王薄弱的串口數(shù)據(jù)處理能力， 因此 在 與 GSM 通信過程中的數(shù)據(jù)仍然是無法方便的進(jìn)行處理 。 方案 (3)： 在使用組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，在 PC 端增加使用 VB 開發(fā)平臺(tái)， Visual Basic 是一種由 微軟 公司開發(fā)的包 含協(xié)助 開發(fā)環(huán)境 的 事件驅(qū)動(dòng) 編程語言 ，其具有相當(dāng)強(qiáng)大的串口通訊功能，同時(shí)還擁有出色的數(shù)據(jù)處理功能，故用其與遠(yuǎn)程控制模塊通信再通過 DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換） 將 其與組態(tài)王互連，而組態(tài)王與控制現(xiàn)場(chǎng)的 PLC 通信，這樣就實(shí)現(xiàn)了控制現(xiàn)場(chǎng)與移動(dòng)通信模塊的互通。 優(yōu)缺點(diǎn)：該方案雖所涉及的軟件較多，看似復(fù)雜繁瑣，但是基于 VB出色的開發(fā)能力，可以輕松的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)，同時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)具有更廣闊的二次開發(fā)空間。 綜上所述，選擇方案（ 3）為最終使用方案。 選定方案論證 由 VB 和組態(tài)王混合編程完成的監(jiān)控系統(tǒng)，以組態(tài)王完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控界面的開 發(fā)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)在 VB 界面完成數(shù)據(jù)通信及 8 復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，而 VB 與組態(tài)王之間可通過 DDE 或以文件的形式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，其中 DDE 的方式調(diào)用簡(jiǎn)便，但是適合數(shù)據(jù)量不大的場(chǎng)合，而文件的形式可用于數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合 ，但是組態(tài)王必須設(shè)置實(shí)時(shí)讀取作為中間量的文本文件設(shè)置不如 DDE 方便。 因?yàn)樗钄?shù)據(jù)量不大，因此 VB與組態(tài)王之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換采用組態(tài)王自帶的 DDE 方式，監(jiān)控系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 如下 圖 21 所示 ： 本章小結(jié) 本章主要說明了 PLC 與移動(dòng)通信模塊互連方式 的選擇 ， 通過對(duì)比每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，再聯(lián)系實(shí)際，確定最終的控制方案 。 圖 21 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 9 3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件簡(jiǎn)介 組態(tài) 軟件 ，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文 SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用 軟件 。它們處在 自動(dòng)控制系統(tǒng) 監(jiān)控層一級(jí)的 軟件 平臺(tái)和 開發(fā)環(huán)境 ，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的 軟件 工具。 組態(tài) 軟件 的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于 電力 系統(tǒng)、 給水系統(tǒng) 、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在 電力 系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng) (RTU System,Remote Terminal Unit)。 組態(tài)王 介紹 做為這次設(shè)計(jì)使用的組態(tài)軟件 —— 組態(tài)王 ， 其 是亞控科技根據(jù)當(dāng)前的自動(dòng)化 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，面向低端自動(dòng)化市場(chǎng)及應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)一體化為目標(biāo)開發(fā)的一套產(chǎn)品。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為目標(biāo)，集成了對(duì)亞控科技自 主研發(fā)的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（ KingHistorian）的支持，可以為企業(yè)提供一個(gè)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺(tái)，使企業(yè)能夠及時(shí)有效地獲取信息，及時(shí)地做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。 組態(tài)王保持了其早期版本功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定且使用方便的特點(diǎn)，并根據(jù)國(guó)內(nèi)眾多用戶的反饋及意見，對(duì)一些功能進(jìn)行了完善和擴(kuò)充。組態(tài)王 提供了豐富的、簡(jiǎn)捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時(shí)也為用戶創(chuàng)建圖庫精靈提供了簡(jiǎn)單易用的接口；該款產(chǎn)品的歷史 曲線 、報(bào)表及web 發(fā)布功能進(jìn)行了大幅提升與改進(jìn)， 軟件 的功能性和可用性有了很大的提高。 組態(tài)王在保留了原報(bào)表所有功能的基礎(chǔ)上新增了報(bào)表向?qū)Чδ埽軌蛞越M態(tài)王的歷史庫或 KingHistorian 為數(shù)據(jù)源，快速建立所需的班報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表和年報(bào)表。此外，還可以實(shí)現(xiàn)值的行列統(tǒng)計(jì)功能。 組態(tài)王集成了對(duì) KingHistorian 的支持，且支持?jǐn)?shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)到組態(tài)王歷史庫和工業(yè)庫，極大地提高了組態(tài)王的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，能夠更好地滿足大點(diǎn)數(shù)用戶對(duì)存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)速度的要求。 KingHistorian 是亞控新近推出的獨(dú)立開發(fā)的工 10 業(yè)數(shù)據(jù)庫。具有單個(gè)服務(wù)器支持高達(dá) 100 萬點(diǎn)、 256 個(gè)并發(fā)客戶同時(shí)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)、每秒檢索單個(gè)變量超過 20,000 條記錄的強(qiáng)大功能。能夠更好地滿足高端客戶對(duì)存儲(chǔ)速度和存儲(chǔ)容量的要求，完全滿足了客戶實(shí)時(shí)查看和檢索歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的要求。 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 監(jiān)控界面 設(shè)計(jì) 總體概述 整個(gè)監(jiān)控界面如下圖所示： 圖 31 監(jiān)控界面 如圖 31 所示， 監(jiān)控界面只做了簡(jiǎn)單的 I/O 狀態(tài)監(jiān)控、主軸調(diào)速的控制面板以及 DDE 交互數(shù)據(jù)的顯示 。 圖 32為 PLC IO 接線圖，也是做監(jiān)控界面的參考依據(jù)。 11 圖 32 PLC IO接線圖 12 監(jiān)控系統(tǒng)變量建立 在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的 橋梁；在 數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當(dāng)前值，變量包括系統(tǒng)變量和用戶定義的變量。 變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息 。 根據(jù)相應(yīng)的 PLC IO 口， 需在組態(tài)王建立相應(yīng)的 IO 變量 ， 這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動(dòng)態(tài)的，就是說：在“組態(tài)王”系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每當(dāng) I/O變量的值改變時(shí)，該值就會(huì)自動(dòng)寫入下位機(jī)或其它應(yīng)用程序；每當(dāng)下位機(jī)或應(yīng)用程序中的值改變時(shí)，“組態(tài)王”系統(tǒng)中的變量值也會(huì)自動(dòng)更新。 同時(shí)還需設(shè)置內(nèi)存變量，其 是指那些不需要和其它應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)、也不需要從下位機(jī)得到數(shù)據(jù)、只在“組態(tài)王”內(nèi)需要的變量 ，我們用這類變量 做“容器”對(duì)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，畫面的程 序編程等做中間銜接。 組態(tài)王變量表如下圖 33所示： 圖 33 組態(tài)王變量表 變量包含 PLC 的輸入口 X、輸出口 Y、輔助繼電器 M、內(nèi)部存儲(chǔ)器 D 13 DDE（ 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 ）的建立 DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換） “組態(tài)王”支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 （ DDE： Dynamic Data Exchange），能夠和其他支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序方便地交換數(shù)據(jù)。通 過 DDE，工程人員可以利用PC機(jī)豐富的軟件資源來擴(kuò)充“組態(tài)王”的功能。 而組態(tài)王和 VB 的組合 數(shù)據(jù)流向如下圖所示 ： 圖 34 數(shù)據(jù)流向圖 在 Visual Basic 可視化編程工具中， DDE 連接是通過控件的屬性和方法來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于作“顧客”的文本框、標(biāo)簽或圖片框，要設(shè)置 LinkTopic、 LinkItem、LinkMode 三個(gè)屬性。 =服務(wù)器程序名 |主題名=項(xiàng)目名其中， control 是文本框、標(biāo)簽或圖片框的名字。 有四種選擇： 0=關(guān)閉 DDE； 1=熱連接； 2=冷連接； 3=通告連接 。如果“組態(tài)王”作為“顧客”向 VB請(qǐng)求數(shù)據(jù)，需要在定義變量時(shí)說明服務(wù)器程序的三個(gè)標(biāo)識(shí)名，即：應(yīng)用程序名設(shè)為 VB 可執(zhí)行程序的名字，把話題名設(shè)為 VB中窗體的 LinkTopic 屬性值，項(xiàng)目名設(shè)為 VB控件的名字。 VB 端 DDE 設(shè)置 VB作為數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端的設(shè)置是分開的， 做 為數(shù)據(jù)發(fā)送端的設(shè)置如下圖： 圖 35 VB接收數(shù)據(jù)端 DDE設(shè)置代碼 LinkTopic 屬性為“ view|tagname”組態(tài)王畫面 14 LinkItim 屬性“多功能數(shù)控磨床 .D0”為組態(tài)王工程里變量 LinkMode 屬性設(shè)置的是無 DDE 連接或連接方式為自動(dòng) 對(duì) VB 內(nèi)控件的這三個(gè)屬性設(shè)置后該控件就可以 做為從組態(tài)王接收數(shù)據(jù)的容器了。 而做為數(shù)據(jù)接收端的設(shè)置如下圖： 圖 36 VB發(fā)送數(shù)據(jù)端窗口屬性設(shè)置 該處的設(shè)置是和組態(tài)王處的設(shè)置息息相關(guān)的，兩者必須相吻合才能完成對(duì)接，即 LinkTopic： Form1 這個(gè)屬性將在組態(tài)王中被調(diào)用，同時(shí)所涉及到的 text 控件的名稱也將在組態(tài)王中被調(diào)用 。 組態(tài)王端 DDE 設(shè)置 組態(tài)王要調(diào)用 DDE 需要先創(chuàng)建 DDE，創(chuàng)建過程如下： 在工程瀏覽器中，從左邊的工程目錄顯示區(qū)中選擇“設(shè)備 \DDE”，然后在右邊的內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建”圖標(biāo)，則彈出“設(shè)備配置向?qū)А保?DDE 設(shè)備的配置請(qǐng)參見第六章 I/O 設(shè)備管理），已配置的 DDE設(shè)備的信息總結(jié)列表框如圖 所示。定義 I/O 變量時(shí)要使用定義的連接對(duì)象名 VBDDE（也就是連接設(shè)備名）。如 創(chuàng)建結(jié)果 下圖： 15