【正文】 端子上的地址分配是進行PLC控制系統(tǒng)設計的基礎。對軟件設計來說，I/O地址分配以后才可以進行編程；對控制柜以及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖。根據(jù)本設計需要實現(xiàn)的功能來看，可選用西門子S7200系列中的CPU 224，本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，通過擴展單元，可以滿足本設計需要的15個輸入點和14個輸出點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可以很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。本設計用到的I/O輸入輸出表如表21所示。表21 I/O輸入輸出分配表輸入信號輸出信號自動開始按鈕SB1上行指示燈紅外感應開關下行指示燈推送物料到工作臺SB2加熱指示燈立軸上升按鈕SB3冷卻指示燈立軸下降按鈕SB4 淬火立軸上限開關SQ1感應加熱立軸下限開關SQ2冷卻立軸旋轉按鈕SB5立軸上升軸向固定開關SB6立軸下降加熱開關SB7立軸旋轉淬火開關SB8固定電磁閥冷卻開關SB9推送物料液壓閥推出加工好的工件SB10推出物料液壓閥 停止按鈕SB11手動開始按鈕SB12根據(jù)I/O輸入輸出表可以做出I/O接線圖如圖24所示。圖24 I/O接線圖 RS485 智能儀表是隨著80年代初單片機技術的成熟而發(fā)展起來的，現(xiàn)在世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數(shù)據(jù)模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個問題。觸摸屏和PLC之間通需要通過RS485接口連接，485通訊接口一個對通訊接口的硬件描述，它只需要兩根通訊線，既可以在兩個或兩個以上的設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接，是半雙工的通訊方式。在某一個時刻，一個設備只能進行發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。硬件通訊接口建立后，在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬x表之間需要約定一個數(shù)據(jù)協(xié)議，以使接收端能夠解析收到的數(shù)據(jù)，這便是“協(xié)議”的概念。通訊協(xié)議有統(tǒng)一標準的協(xié)議格式，如“ModBus”協(xié)議，標準的協(xié)議內容全面，包含的內容很多，但不易理解。由此，可以定義一種協(xié)議，簡單實用，這便是“自定義協(xié)議”。RS485各引腳及其功能介紹如表22所示。表22 RS485引腳介紹RS485接口面板引腳號信號含義1屏蔽屏蔽2M2424V輸出電壓參考點3RXD/TXDP*接收/發(fā)送數(shù)據(jù)P4CNTRP中繼器控制信號P5DGND*數(shù)據(jù)參考點6VP*中端電阻供電電壓（5V）7P2424V輸出電壓8RXD/TXDN*接收/發(fā)送數(shù)據(jù)N9CNTRN中繼器控制信號N 感應加熱器 感應加熱頻率的選擇：根據(jù)熱處理及加熱深度的要求選擇頻率，頻率越高加熱的深度越淺。高頻(10KHZ以上), 一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等；中頻(1~10KHZ)加熱深度為210mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱；工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為1020mm，一般用于較大尺寸零件的透熱，大直徑零件（直徑amp。Oslash。300mm以上，如軋輥等）的表面淬火。感應加熱淬火表層淬硬層的深度，取決于加熱的厚度，而加熱的厚度又取決于交流電的頻率，一般是頻率高加熱深度淺，淬硬層深度也就淺。頻率f與加熱深度δ的關系，有如下經驗公式：δ=20/√f(20176。C)；δ=500/√f(800176。C)。式中：f為頻率，單位為Hz；δ為加熱深度，單位為毫米（mm）。 A/D、D/A轉換器A/D轉換器：A/D轉換就是模數(shù)轉換，也可以是整流。顧名思義，就是通過一定的電路將模擬量轉變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在A/D轉換前，輸入到A/D轉換器的輸入信號必須經各種傳感器把各種物理量轉換成電壓信號。A/D轉換后，輸出的數(shù)字信號可以有8位、10位、12位、14位和16位等。其主要技術指標有6條：1. 分辨率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2^n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。2. 轉換速率(Conversion Rate) 是指完成一次從模擬轉換到數(shù)字的AD轉換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率 (Sample Rate)必須小于或等于轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表 示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。3. 量化誤差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率AD的階梯狀轉移特性曲線與無限分辨率AD（理想AD）的轉移特 性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。4. 偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。5. 滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。6. 線性度(Linearity) 實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。其他指標還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調性和無錯碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。D/A轉換器介紹：D/A轉換器即數(shù)模轉換器。簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉變成模擬的器件。D/A轉換器基本上由4個部分組成，即權電阻網(wǎng)絡、運算放大器、基準電源和模擬開關。模數(shù)轉換器中一般都要用到數(shù)模轉換器，模數(shù)轉換器即A/D轉換器，簡稱ADC，它是把連續(xù)的模擬信號轉變?yōu)殡x散的數(shù)字信號的器件。同樣的D/A轉換器的主要特性指標包括以下幾方面：1. 分辨率 指最小輸出電壓(對應的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”)與最大輸出電壓(對應的輸入數(shù)字量所有有效位全為“1”)之比。如N位D/A轉換器，其分辨率為1/(2^N1)。在實際使用中，表示分辨率大小的方法也用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示。2. 線性度 用非線性誤差的大小表示D/A轉換的線性度。并且把理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分數(shù)定義為非線性誤差。3. 轉換精度 D/A轉換器的轉換精度與D/A轉換器的集成芯片的結構和接口電路配置有關。如果不考慮其他D/A轉換誤差時，D/A的轉換精度就是分辨率的大小，因此要獲得高精度的D/A轉換結果，首先要保證選擇有足夠分辨率的D/A轉換器。同時D/A轉換精度還與外接電路的配置有關，當外部電路器件或電源誤差較大時，會造成較大的D/A轉換誤差，當這些誤差超過一定程度時，D/A轉換就產生錯誤。在D/A轉換過程中，影響轉換精度的主要因素有失調誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。A/D和D/A轉換器的工作原理圖如圖25所示。圖25 A/D和D/A工作原理圖17第3章 軟件設計 軟件順序功能圖順序功能圖是根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設計的，可以依據(jù)順序功能圖設計順序控制程序。在順序功能圖中，實現(xiàn)轉換時使前級步的活動結束而使后續(xù)步的活動開始，步之間沒有重疊。這使系統(tǒng)中大量復雜的連鎖關系在步的轉換中得以解決。而對于每一步的程序段，只需處理簡單的邏輯關系。本設計的順序功能圖如圖31所示。圖31 順序功能圖在初始狀態(tài)，將工件傳送到工作臺；等待一秒后上升到感應加熱區(qū)，到達上限后，固定好工件，開始旋轉，開始旋轉的同時工件感應加熱，加熱時間由配方給出，此處記做60S；加熱完成后工件開始淬火，淬火時間也由配方給出，此處記做30S：淬火完成開始冷卻，冷卻時間也由配方給出，此處記做30S：冷卻完成后，立軸下降推出工作區(qū)，達到下限后，旋轉停止，固定閥打開，將加工好的工件傳送出來，然后開始紅外檢測是否有工件，如果有工件則直接上升到感應加熱區(qū)，如果沒有則重復第一步驟。 梯形圖根據(jù)此順序功能圖可以做出自動控制的梯形圖如圖32所示。第4章 觸摸屏設計 仿真軟件介紹臺達DOP觸摸屏的組態(tài)軟件為Screen Editor，它能對三種不同型號的觸摸屏進行組態(tài)，它內置有豐富的組態(tài)圖庫和自建圖庫功能，支持文字與圖形的編輯工具。Screen Editor通過多功能庫和Windows操作界面，能日益滿足工業(yè)領域的各種需求。 觸摸屏模塊功能設計要設計系統(tǒng)的各畫面時，首先要在工作界面畫出所需要的控件，然后進行大小比例調整，然后調整顏色，屬性連接，因為畫面上的屬性數(shù)據(jù)由下位機PLC提供，所以人機界面模擬制作起來非常簡便快捷，實際運行中，就需要添加一些開關選擇內容了。觸摸屏人機界面要求整個控制界面流暢簡潔，能夠讓使用者直觀的得到PLC反饋的數(shù)據(jù)，或者對于制作工藝對控制淬火參數(shù)的下達要看到控制結果，這就要求對整個控制過程能夠在線或者離線模擬調試，制作過程中就要有動畫效果使使用者能看到操作流程。 用戶登錄界面設計歡迎畫面使開啟觸摸屏的第一個界面，需要簡便大方，能夠讓使用者一目了然的明白你需要控制的是什么。具體制作方法如下：1. 雙擊Screen Editor圖標進入觸摸屏界面。2. 單擊新建項目按鈕，會自動彈出新方案的對話框，在人機界面種類上選擇DOPA10THTD1 65536 Colors選項，控制器選擇S7200然后點擊確定。3. 在圖形庫中匯入選擇好的圖片，在Screen1畫面選擇此圖片作為歡迎畫面，在畫面上方添加走馬燈信息顯示，顯示出控制的的題目“通用感應加熱裝置控制及參數(shù)管理系統(tǒng)設計”。左下角添加登陸密碼（其宏指令見附錄）限制一些非專業(yè)人員的誤操作。做出如圖41所示的畫面。 菜單畫面設計在Screen1畫面做好以后，點擊設置新畫面，命名為Screen2，其具體設計步驟如下：1. 在Screen2頁面上方添加靜態(tài)文字“菜單界面”，并可以根據(jù)喜好設置不同的背景顏色。2. 在此頁面繼續(xù)添加七個換畫面按鈕，以此命名為：參數(shù)設定、系統(tǒng)設置、監(jiān)控畫面、報警信息、機床操作、流程畫面和歷史數(shù)據(jù)。具體換畫面的頁數(shù)可以根據(jù)做好以后的仿真畫面選擇。另外可以更改外觀來使使用者用著更舒服。3. 在右下角再設置一個換畫面按鈕，命名為返回，改變畫面的編號設置為Screen1，使使用者可以退出系統(tǒng)。4. 右上角可以設置時間日期顯示框，讓使用者可以知道具體日期。通過以上步驟最后做出如圖42所示的畫面。圖42 仿真菜單畫面 機床操作畫面設置完菜單界面以后添加兩個子畫面Screen3和Screen4，分別是登陸界面密碼正確和錯誤后的提示。然后是ScreenScreen6和Screen7。做的是參數(shù)配方功能（后面詳解）。接著是Screen8，機床操作畫面。機床操作界面是用來代替鍵盤控制的，用交替型屏幕按鈕代替實際鍵盤，簡化了操作界面并且可以適應更多的環(huán)境，防止一些復雜環(huán)境對設備的損壞。這個過程應用相當廣泛，而且此觸摸屏操作界面省去了操作人員操作復雜的編程器的麻煩，使不熟悉電腦的操作人員也可以勝任，另外，它操作簡便，使用靈活，輸入速度快，接觸分辨率高，可靠性高，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場。具體實現(xiàn)步驟如下：1. 在Screen8畫面下，更改背景顏色，是畫面看起來更輕快。2. 加入選擇配方，和交替型的自動控制、人工控制按鈕，選擇配方以后才可以開始加工，另外設置一個交替型的開始按鈕，一個ON型的停止按鈕，再多種復制六個交替型按鈕，分別實現(xiàn)工件上升、工件旋轉、開始加熱、開始噴液、工件下降、注冷卻水等功能。分別做指示燈顯示工作狀態(tài)。3. 做一個檢測工作狀態(tài)的報警按鈕，當感應器工作不正常時彈出報警信息，提示工作人員注意。4. 最后做一個操作說明，一個時間顯示，一個換畫面按鈕返回菜單界面。最后實現(xiàn)的操作畫面如圖43所示。圖43 機器操作界面 監(jiān)控畫面在操作過程中，需要檢測某個數(shù)據(jù)參數(shù)是否達到標準，當不滿足時可以及時的知道并且人為設置更改。具體的設置步驟如下：1. 首先在畫面設置一個X/Y軸曲線圖，設置X軸為時間，Y軸為溫度，并設置其水平讀取地址為C100，豎直讀取地址為C105。采樣點為五個。2. 設置一個數(shù)值輸入按鈕，寫入地址設置為C100并多重復制為一行五個，在C100下面設置一個寫入地址為C105的數(shù)值輸入按鈕，也復制為一行五個，用來模擬采樣點的數(shù)值。3. 最關鍵的一點就是設置一個寫入地址為C2的常數(shù)值按鈕，此按鈕是PLC寄存器中用來采樣的，正好實現(xiàn)曲線的繪制。4. 設置溫度報警和換頁面按鈕。溫度監(jiān)控畫面仿真如圖44所示。圖44 仿真監(jiān)控畫面 報警信息與測試畫面該畫