第二章 系统的总设计及人机界面
硫化是轮胎生产过程中的一个重要环节。温度和压力是本轮胎硫化的两个重要因素。本系统上位机是组态画面，硫化过程中，上位机完成数据传递，绘制图形，数据存储，产量统计等功能。本系统采用接在一个计算机上的两台PLC 可独立的实现对两套硫化系统的控制。硫化中的温度数据有热电阻Pt100采集来后，经EM231转换，再送到CPU224。压力数据由扩散硅式压力变送器采集后，经EM235转换，送CPU224。
2.1 系统总原理图
Pt100热电阻 工业PC被控对象压力变送器 PLC执行机构1 执行机构2 图2.1 设计原理框图
2.2 人机界面介绍
2.2.1 人机界面概述
随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面（HMI Human Machine Interface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。
2.2.2 人机界面定义
人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。 2.2.3 人机界面产品的组合及工作原理
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如组态王等）。用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行[18]。
2.2.4 人机界面产品的特点 (1) 系统运行过程清晰化
控制过程可以动态地显示在HMI设备上。例如：硫化罐加热、降压的通断可以通过指示灯亮灭来显示，硫化罐的温度、压力的大小可以用实时曲线来显示等等，使整个控制系统变得形象易懂，也更加清晰。 (2) 系统操作简单化
操作员可以通过监控界面来控制过程。可从监控界面上启动和停止系统、设定温度上下限、设定时间、设置PID参数等。 (3) 显示报警
控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如:当硫化罐温度超出温度上下限时自动触发报警。 (4) 数据归档
HMI系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。 (5) 报表系统
HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据。
第三章 硬件配置
3.1 设备生产线要求
设备要满足硫化时间、温度、压力曲线，硫化曲线中各段时间及温度可调。数据与曲线可同时显示在上位机上，并可同时实现现场控制和远程控制。上位机采用组态王组态软件制作并完成工艺监视界面、设定值输入、报表输出和趋势曲线显示。下位机则用了PLC S7-200实现对硫化温度、压力的自动化控制。整个硫化过程的数据以报表形式生成、存储。
3.2 实验配置
3.2.1 西门子 S7-200
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是CUP224。它具有24个输入点和16个输出点[23]。S7-200系列的基本单元如表3.1所示。
表3.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型 号 S7-200CPU221 S7-200CPU222 S7-200CPU224 6 8 14 输入点 输出点 4 6 10 16 16 可带扩展模块数 0 2个扩展模块 7个扩展模块 7个扩展模块 7个扩展模块 S7-200CPU224XP 24 S7-200CPU226
24 3.3 可编程控制器PLC概述
可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了[1]。
自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用, 尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格, 使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步, 也使PLC的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网)说明PLC的应用现状。
PLC 在冶金行业的市场将持续增加2003 年中国的工业出现了快速增长, 工业产值同比增长在12%以上, 而且中国的最大钢铁出口对象—美国在2003 年下半年取消了钢铁附加税, 中国钢材对其出口也将迅速回升。这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。据调查, 中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。冶金设备的大量增长带动了PLC在该行业的增长, 2003年PLC 在冶金行业的市场达到216亿元, 2004 年有望达到3亿元[10]。 3.3.1 PLC特点 （1）实时性
●由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。 ●基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。 ●更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。 （2）高可靠性
●所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。
●各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms。 ●各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。 ●采用性能优良的开关电源。 ●对采用的元器件进行严格的筛选。
●良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。
●大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、I/O模块冗余，使可靠性更进一步提高。 （3）系统配置简单灵活
●控制器 产品种类繁多，规模可分大、中、小等。
●I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。 ●满足控制工程需要前提下，I/O卡件可灵活组合[3]。
3.4 PLC的结构
从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/0板、显示而板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 3.4.1 CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套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，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后冉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。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。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。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。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速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模[14]。 3.4.2 I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/0)完成的。I/0模块集成了PLC的I/0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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。
开关量是指只有开和关(或I和O)两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下:
开关量:按电压水平分，有220VAC, 110VAC, 24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量:按信号类型分，有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10--10V)等，按精度分，有12 bit,14bit,16bit等。
[3]
基于组态王-PLC的轮胎硫化温度、压力控制系统设计
