混料灌PLC控制实训

成绩评定表

课程设计任务书

摘要

MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。

可编程序控制器（Programmable Controller，英文缩写为PC,后又称为PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体集成技术，自动控制技术，数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，是现代工业控制的支柱之一。

随着现代工业技术的快速发展，物料混合的应用更加的广泛，对于物料体混合控制技术的研究有着广泛的经济价值。普通的人工操作和半自动化控制难以达到较高要求的控制目的，基于MCGS的混料罐PLC控制系统可以达到更加可靠的控制目的。

本次实训的题目为基于MCGS的混料罐PLC控制实训，系统针对两种物料按比例的混合进行设计，此系统由上位机和下位机两部分组成，采用PLC作为下位机进行直接控制设备和获取设备状况，在PC上利用组态软件MCGS模拟PLC的控制对象制作上位机监控界面显示各种信号变化。主要内容包括混料罐PLC控制系统问题描述、系统电气图、PLC的输入输出分配表、PLC程序（梯形图）、MCGS组态过程、MCGSD 的运行画面、MCGS和PLC的通讯等。

关键字：MCGS；混料罐；PLC；实训

目录

1 绪论 (1)

2 混料罐PLC控制系统设计 (2)

2.1 混料罐PLC控制系统问题概述 (2)

2.2 混料罐PLC控制系统设计 (3)

2.2.1 控制器选择 (3)

2.2.2 PLC I/O地址分配 (3)

2.2.3 混料罐PLC控制系统电气图 (4)

2.2.4 PLC程序（梯形图）设计 (4)

3 MCGS工程组态软件简介 (9)

3.1 MCGS组态软件整体结构 (9)

3.2 MCGS组态软件五大组成部分 (10)

3.3 MCGS组态软件的工作方式 (11)

3.4 MCGS组态软件的主要特点 (12)

4 混料罐PLC控制系统监控界面设计 (13)

4.1 新建MCGS工程 (13)

4.2 设计画面 (14)

4.2.1 新建用户窗口 (14)

4.2.2 编辑画面 (15)

4.3 定义数据变量 (15)

4.4 动画连接 (16)

4.5 编写控制流程 (18)

4.6 PLC与MCGS通讯 (20)

4.6.1 设备连接 (20)

4.6.2 串口设备属性设置 (21)

5 混料罐PLC控制系统整体运行和综合测试 (22)

结束语 (24)

参考文献 (25)

基于MCGS的混料罐PLC控制实训

1绪论

在现代工业中，尤其是在炼油、化工、制药等行业中，多种物料混合是必不可少的工序。而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。但由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。另外，生产要求该系统要具有配料精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。以往常采用传统的继电器接触控制，使用到的硬件连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。

20世纪80年代以来随着微处理器、计算机和数据通信技术的飞速发展，计算机控制技术发展日益成熟，应用也已控制扩展到很多工作领域。如基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)、可编程控制器（PLC）等。其中，可编程控制器是应用面最广，功能最强大，使用方便的通讯工业控制装置。而应用PLC作为主控制器的混合液体装置控制系统，电路结构简单，可以较好的实现工业生产中的控制要求，做到可靠控制，配料精确，电路结构简单，提高了产品质量的同时，缩短了生产周期，降低成本，为企业提供了更可靠的生产保障。

利用计算机技术和网络技术用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断，使系统更加安全可靠。在这方面，各种组态软件提供强有力的软件支持。其中MCGS就是其中一种工程组态软件。

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一款基于windows平台的，用于快速构造生成上位机监控系统的组态软件系统。可稳定运行于Windouws95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。

2混料罐PLC控制系统设计

2.1混料罐PLC控制系统问题概述

本次实训的混料罐为两种液体混合装置，SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅匀电机。

混料罐PLC控制系统控制要求如下：

初始状态:

装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开20秒将容器放空后关闭。

启动操作:

按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作：

液体A阀门打开，液体A流入容器。液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅匀电机开始搅匀。搅匀电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。

停止操作:

按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。

液体混合装置控制的模拟实验面板如图1所示：

图1 液体混合装置控制的模拟实验面板

2.2混料罐PLC控制系统设计

2.2.1控制器选择

本次实训题目为基于MCGS的混料罐PLC控制，故采用PLC为系统的控制器进行相关设计。

选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。目前国内生产PLC的产家很多，如西门子、三菱、松下、欧姆龙LG、ABB公司等。而同一产家生产的PLC产品又有不同的系列，同一系列中又有不同的CPU型号。选择合适的PLC机型至关重要。

本次实训采用西门子公司的S7-200型PLC做为系统的主控制器，S7-200能够控制各种设备以满足自动化控制要求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑，计数器，定时器，复杂数学运算以及其他智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制的目的，紧凑的结构，灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。

2.2.2PLC I/O地址分配

本次课设选择的是CPU226模块。CPU226模块的I/O总数为40点，其中输入点24点，输出点为16点。可带7个扩展模块。具有PPI通信协议，MPI通信协议和自由口协议的通信能力。CPU226为扩展I/O提供的DC+5V电源的最大电流为1000mA。

基于MCGS的混料罐PLC控制系统的I/O分配表如下：

表1 基于MCGS的混料罐PLC控制系统的I/O分配表

2.2.3混料罐PLC控制系统电气图

图2 混料罐PLC控制系统电气图

2.2.4PLC程序（梯形图）设计

SIMATIC 指令集是SIEMENS公司为S7-200 PLC设计的编程语言，该指令集符合IEC1131-3标准。SIMATIC不支持系统完全数据类型检查。使用SIMATIC 指令，可以使用梯形图(LAD)、功能块和语句表编程语言编程。

本次实训我们采用的是梯形图(LAD)对系统进行编程。

梯形图(LAD)是与电气控制电路图相呼应的图形语言。它沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。梯形图是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。梯形图信号流向清楚、简单、直观、易懂，很适合电气工程人员使用。梯形图（LAD）在PLC中使用得非常普遍，通常各厂家，各型号PLC都把它作为第一用户语言。

混料罐PLC控制系统程序梯形图：

通过内部标志位寄存器，存放中间操作状态和其他相关数据，扫描记录液面传感器SL1、SL2、SL3和开始停止按钮SB1,、SB2的状态。

开始按钮SB1动作，PLC内部标志寄存器M10.0变为1，Q0.4置位，液体A阀门打开，液体A流入，液面上升；当液体混合结束并流出，液面下降至SL3时，定时2S 后，Q0.4同样被置位，开始A液体流入。

液面上升至SL2时，PLC内部标志寄存器M10.1变为1，Q0.5置位，Q0.4复位。液体A阀门关闭，液体B阀门打开，液体B流入，液面继续上升。M10.0记录停止按钮SB2状态，停止按钮SB2动作时，Q0.4复位。

液面上升至SL1时，PLC内部标志寄存器M10.2变为1，Q0.7置位，Q0.5复位。液体B阀门关闭，YKM电磁阀动作，搅拌器开始搅拌，同时启动T37定时6S。定时时间到，Q0.7复位，搅拌器停止搅拌。停止按钮SB2动作时，Q0.7复位。

T37定时时间到，Q0.7复位，M11.4状态变为1，Q0.6置位，混合液体阀打开，混合液体流出，液面开始下降，当也为下降至SL3传感器位置时，M20.1状态变为1，T38定时启动，定时2S，定时时间到。返回初始状态，Q0.4置位，A液体阀打开。停止按钮SB2动作时，Q0.6置位。

图3 混料罐PLC控制系统程序梯形图

3MCGS工程组态软件简介

MCGS以工控PC机为主控上位机，利用人机接口的智能软件包-MCGS组态软件在PC机上建立工控的对象，完成对多台PLC(下位机)的控制，由于上位机只需要完成对监控信息的收集和处理而不需要对设备的运行进行具体控制，上下位机处理同时进行，可以以最少的人员配备对远程监控的管理，提供较为直观、清晰、准确的现场状态信息，进而为维修和错误诊断提供多方面可能性，减少维修人员路上往返时间，整体提高远程监控系统的运行速度。

现代远程监控技术采取的是实时在线监控方式，它借助于计算机网络和通信技术，通过安装在现场各种监控设备以及软件实现监控者在异地对现场工业设备的实时监控、诊断与控制。当系统运行时，现场的下位机需要安排有人值守，这样实际上并没有实现真正意义上远程监控。为解决这一问题，文中通过开发相关的程序，配合必要的硬件设施来实现远程监控，完全可以通过网络来监控现场的运行。

3.1MCGS组态软件整体结构

MCGS软件包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户所有组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”文件。MCGS运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS体系结构图如图4所示。

图4 MCGS

体系结构图

MCGS组态软件的组态环境和运行环境两个部分相互独立，又紧密相关。MCGS系统整体框图如图5所示。

图5 MCGS系统整体框图

3.2MCGS组态软件五大组成部分

MCGS组态软件建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分都成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。如图6所示。

◆主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和

多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程名称，编制工程名单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动

画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

◆设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控

制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。

◆用户窗口：本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面，诸如：生成各种动画

显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。

◆实时数据库：是工程各部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部

分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同的类型和名称的变量，作为数据采

集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（if...then 脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输

出等。

图6 MCGS组态软件组成

3.3MCGS组态软件的工作方式

MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。

MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应

的对应关系，MCGS称之为动画连接。当工业现场中测控对象的状态（如：储油罐的液面高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如大小变化）。现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如储油罐的液面的升高和降低）。用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。

3.4MCGS组态软件的主要特点

MCGS的主要特点有：

1)延续性和可扩充性。使用MCGS工控组态软件开发的应用程序，当现场（包括

硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；

2)封装性（易学易用），MCGS工控软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的

方法包装起来，对于用户，不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好的完成一个复杂工程所要求的所有功能；

3)通用性和可扩充性，每个用户根据工程实际情况，利用MCGS工控组态软件提

供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、网卡、变频器等）的设备驱动、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有网络功能的工程，不受行业限制。

4)全中文可视化组态软件，简洁、使用方便，完善的中文在线帮助系统和多媒体

教程，真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行于Win95/98/NT/2000平台。

5)提供近百种绘图工具和基本图符，快速构造图形界面，提供渐进色、旋转动画、

透明位图、流动块等多种动画方式，可以达到良好的动画效果，上千个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画效果。

6)支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等700多

种国内外常用设备；支持温控曲线、计划曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线；支持ODBC接口，可与SQL Server、Oracle、Access等关系型数据库互联；支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联。

7)功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结合，完

善的网络体系结构，可以支持最新流行的各种通讯方式，包括电话通讯网，宽带通讯网，ISDN通讯网，GPRS通讯网和无线通讯网。

4混料罐PLC控制系统监控界面设计

4.1新建MCGS工程

在Windows系统桌面上，通过以下三种方式中的任一种，都可以进入MCGS组态环境：

a)鼠标双击Windows桌面上的“MCGS组态环境”图标。

b)选择“开始”→“程序”→“MCGS组态软件”→“MCGS 组态环境”命令。

c)按快捷键“Ctrl + Alt + G”。

进入MCGS组态环境后，选择工具条上的“新建”按钮，或执行“文件”菜单中的“新建工程”命令，系统自动创建一个名为“新建工程X.MCG”的新工程（X为数字，表示建立新工程的顺序，如1、2、3等）。由于尚未进行组态操作，新工程只是一个“空壳”，一个包含五个基本组成部分的结构框架，如图7所示：

图7 新建MCGS工程

执行“文件”菜单中的“另存为”命令，将新建的MCGS工程命名为“混料罐PLC 控制系统”并保存。

4.2设计画面

4.2.1新建用户窗口

在“工作台”中的“用户窗口”栏目下单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。如图8。

图8 新建用户窗口

选中“窗口0”点击“窗口属性”进入用户窗口属性编辑，将“窗口名称”改为：物料混合，将“窗口标题”改为：物料混合，在在窗口位置中选中“最大化显示”，其他不变，点击“确认”。即可完成用户窗口新建。如图9所示。

图9用户窗口属性编辑

4.2.2编辑画面

MCGS提供了三类图形对象供用户选用，即图元对象、图符对象和动画构件。这些图形对象位于常用符号工具箱和动画工具箱内，用户从工具箱中选择所需要的图形对象，配置在用户窗口内，可以创建各种复杂的图形。

图形对象创建完成后，要对图形对象进行各种编辑工作，如：改变图形的颜色和大小，调整图形的位置和排列形式，图形的旋转及组合分解等项操作，MCGS提供了完善的编辑工具，使用户能快速制作各种复杂的图形界面，以图形方式精确表示外部物理对象。

利用工具箱和编辑条可完成混料罐PLC控制系统监控界面的绘制。绘制后的界面图10如下：

图10混料罐PLC控制系统监控界面

4.3定义数据变量

实时数据库是MCGS工程数据交换和数据处理中心。数据变量是构成实时数据库是基本单元，简历实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。定义数据变量的内容包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘有关的参数，如存盘周期、存盘时间范围和保存期限等。

在“工作台”中的“实时数据库”栏目下单击“新建对象”按钮，添加需要的数据变量，如“阀门A”，“阀门B”，“混合阀门”，“搅匀电机”，“液位1”，“液位2”，“液位3”，设置为开关量，初始值为0，其他不变。变量“液位”则设置为数值变量。“阀门A”、“阀门B”和“混合阀门”分别保存阀门A、B和混合阀门的开关状态，“搅匀电机”保存搅匀电机的开关状态，液位1，液位2，液位3分别记录液位传感器SL1、SL2、SL3的液位感应情况。“液位”用来保存混料罐具体液位高低值。

定义后的数据变量结果如图11所示：

图11 数据变量

4.4动画连接

由图形对象搭建而成的图形界面是静止不动的，需要对这些图形的对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的，MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性的连接，并设置相应的动画属性。在系统的运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集驱动，从而实现了图形的动画效果。

在用户窗口中的动画组态界面下分别对混料罐，阀门A、B，混合阀门，搅拌电机，指示灯1、2、3，旋转仪表，流动块进行动画组态属性设置，并与实时数据库中的相应变量连接完成。下面以混料罐为例介绍具体的动画组态属性设置的操作。

在动画组态界面下，双击混料罐，则会弹出单元属性设置窗口，如图12所示，在