【正文】 6 傳感器及其工作原理 16 轉(zhuǎn)換器及其工作過程 17 系統(tǒng)的功能及工作過程 18 程序?qū)崿F(xiàn)方法及詳解 19 20 數(shù)據(jù)采集子程序的分析與理解 20 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與運算子程序的分析與理解 21 數(shù)據(jù)比較子程序的分析與理解 23 閃爍電路子程序的分析與理解 23 報警子程序的分析與理解 24結(jié)語 28感謝 29參 考 文 獻(xiàn) 3030第一章 緒論 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述“數(shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的過程。 　　從嚴(yán)格意義上說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該是用計算機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實行存儲、處理、分析計算，以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，具體地說，就是傳感器從被測對象獲取有用信息，并將其輸出信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得出所需的數(shù)據(jù)。 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。數(shù)據(jù)存儲與管理要用存儲器把采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行管理和調(diào)用。另外，就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以便于檢索：或者把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來的物理量形式，以可輸出的形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，如打印、顯示、繪圖等。 在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集過程主要指下位機(jī)從傳感器和其它設(shè)備中獲取電壓、電流、溫度、壓力或聲音等各種外界的物理現(xiàn)象， 并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)則的電信號傳送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。比如在生產(chǎn)過程中，對生產(chǎn)中的工藝參數(shù)進(jìn)行實時采集、監(jiān)測，并以此判斷當(dāng)前設(shè)備的運行狀況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施，便可以為提高效率，降低成本。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外對數(shù)據(jù)采集的方法有很多，比如基于ARM，單片機(jī)，F(xiàn)PGA等方式，而這些方式又都有其各自的優(yōu)缺點：(1)基于ARM的數(shù)據(jù)采集： 優(yōu)點：功能強大，與傳統(tǒng)的8位微處理器相比速度更快，性能更強，資源豐富；缺點：價格相對比較貴，開發(fā)也有些難度，在低端應(yīng)用時ARM性價比較低，開發(fā)難度也更大，新手入門較困難。單片機(jī)技術(shù)含量高，使用靈活但是工作量很大。因此，實時性更好。適合用于小批量系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和集成度；缺點：功耗大，編程語言熟悉時間長，不容易熟練掌握。 本文主要研究內(nèi)容本文研究以西門子S7200系列PLC做下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理過程，主要有以下幾個方面的內(nèi)容：（1）從PLC的I/O輸入模擬量和數(shù)字量（本身端口不足的話加入擴(kuò)展模塊），并利用傳送指令將這些數(shù)據(jù)傳送的指定的存儲空間；（2）按照要求對存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算和處理，使其能夠完成代碼轉(zhuǎn)化、蜂鳴器報警、警示燈閃爍、計時器計時等功能；（3）將運算處理的數(shù)據(jù)通過有效地通訊方式與以LabVIEW為上位機(jī)的PC機(jī)通信，使之可以向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)以及接受上位機(jī)的指令。 在現(xiàn)代控制領(lǐng)域占有越來越重要的地位，本系統(tǒng)選用德國西門子公司生產(chǎn)的S7200系列PLC，該系列PLC具有體積小、軟硬件設(shè)計合理、編程簡單、數(shù)據(jù)處理功能強、指令系統(tǒng)豐富、抗干擾能力強、可與PC 機(jī)通訊、使用方便靈活等特點。 編程軟件STEP7 Micro為用戶提供了界面友好而功能強大的開發(fā)工具，其配套的E2PROM存儲卡也使修改和調(diào)試程序、維護(hù)設(shè)備十分方便和可靠。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性更高。 PLC的基本概念　早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，它主要用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)實物繼電器實現(xiàn)邏輯控制。但是為了避免與個人計算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC，PLC自1966年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強大。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。 (4) 輸入輸出接口電路： ① 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道；② 現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用是使PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 (6) 通信模塊：如以太網(wǎng)、RS48ProfibusDP通訊模塊等。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 (1) 輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映像區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。 PLC內(nèi)部運作方式雖然PLC所使用的階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計時器與計數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實體控制。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運作。說明如下：步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點開關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關(guān)），并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對應(yīng)之位置；步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入CPU 中運算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕觥?此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時間稱為PLC 的反應(yīng)時間，PLC 輸入訊號的時間若小于此反應(yīng)時間，則有誤讀的可能性。 系統(tǒng)硬件選擇SIMATIC S7200 PLC是超小型化的PLC [2]，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7200PLC可提供4個不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用。CPU221集成6輸入/4輸出共10個數(shù)字量I/O點。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，CPU 221屬于小型PLC，價格低廉，能滿足多種集成功能的需要。CPU222集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。通過可連接的擴(kuò)展模塊，即可處理模擬量?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。224系列的CPU具有更多的輸入、輸出點及更大的存儲器。可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。此CPU是S7200中功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。 系統(tǒng)硬件配置圖21： CPU226 外觀圖西門子S7200 CPU226型PLC（如圖21）的主機(jī)容量為26KB， I/ O點數(shù)為40 (輸入點數(shù)24，輸出點數(shù)16)，2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。根據(jù)實際生產(chǎn)需要可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，與其它型號PLC相比，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴(kuò)展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。此系統(tǒng)設(shè)計為對四路模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此只需一臺模擬量輸入模塊(EM231)即可，設(shè)計中模擬量輸入模塊的地址排列依次為：AIW 0（轉(zhuǎn)速），AIW 2（滑油壓力），AIW 4（滑油溫度），AIW 6（冷卻水溫度）。EM231和PLC主機(jī)通過專門的總線聯(lián)接器直接相聯(lián)。對于本系統(tǒng)，我們已經(jīng)根據(jù)要求選擇了I/O點較多的CPU 226作為下位機(jī)的模塊。 系統(tǒng)軟件介紹SIMATIC STEP7作為一個平臺可以集成各種控制設(shè)備的軟件[4]，所有設(shè)備的編程、配置、調(diào)試、數(shù)據(jù)路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成，從而實現(xiàn)一個項目中所有控制任務(wù)的集成。STEP 7Micro/WIN是在Windows平臺上運行的SIMATIC S7200 PLC編程軟件，簡單、易學(xué)，能夠解決復(fù)雜的自動化任務(wù)。支持IL、LAD、FBD三種編程語言，可以在三者之間隨時切換。STEP 7Micro/WIN提供軟件工具幫助操作人員調(diào)試和測試程序。為了方便編程人員的使用，STEP 7Micro/WIN擁有豐富的指令向?qū)Чδ埽篜ID自整定界面；PLC內(nèi)置脈沖串輸出(PTO)和脈寬調(diào)制(PWM)指令向?qū)?；?shù)據(jù)記錄向?qū)В慌浞较驅(qū)?；支持TD 200和TD 200C 文本顯示界面 (TD 200向?qū)?。 (1) 運動控制：S7200提供有開環(huán)運動控制的三種方式：脈寬調(diào)制（PWM）內(nèi)置于S7200，用于速度、位置或占空比控制；脈沖串輸出（PTO）內(nèi)置于S7200，用于速度和位置控制；EM253位控模塊用于速度和位置控制的附加模塊，對于位控模塊，STEP 7Micro/WIN還提供了一個控制面板，可以控制、監(jiān)視和測試程序員的運動操作。該調(diào)制解調(diào)模塊還支持Modbus從站RTU協(xié)議，該模塊與S7200之間的通訊通過擴(kuò)展I/O總線便可以實現(xiàn)。(3) USS協(xié)議庫：STEP 7Micro/WIN指令庫，該指令庫包括預(yù)先組態(tài)好的子程序和中斷程序，這些子程序和中斷程序都是專門為通過USS協(xié)議與驅(qū)動通訊而設(shè)計的。也可以在STEP 7Micro/WIN指令樹的庫文件夾中找到這些指令。(4) Modbus從站協(xié)議指令：STEP 7Micro/WIN指令庫包含有專門為Modbus通訊設(shè)計的預(yù)先定義的子程序和中斷服務(wù)程序，使得與Modbus主站的通訊簡單易行?？梢栽赟TEP 7Micro/WIN指令樹的庫文件夾中找到這些指令。當(dāng)選擇一個Modbus從站指令時，會有一個或多個相關(guān)的子程序自動添加到項目中。配方存在存儲卡中，而不是PLC中。由于所有配方存在存儲卡中。(6) 使用數(shù)據(jù)歸檔：STEP 7Micro/Win提供數(shù)據(jù)歸檔向?qū)?，將過程測量數(shù)據(jù)存入存儲卡中。(7) PID自整定和PID整定控制面板：S7200PLC已經(jīng)支持PID自整定功能，STEP 7Micro/WIN中也添加了PID整定控制面板?？梢允褂貌僮鲉T面板中的用戶程序或者PID整定控制面板來啟動自整定功能。PID自整定算法主要包括增益值、積分時間值和微分時間值。用PID整定控制面板，可以啟動自整定過程，取消自整定過程和在圖表中監(jiān)視結(jié)果。它也允許將自整定后得到的增益值、積分時間值和微分時間值應(yīng)用到實際控制中去。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和為減輕管理者的巡視勞動強度、改善勞動條件并及時發(fā)現(xiàn)運行故障，提高柴油機(jī)的運行可靠性。