基于组态软件的触摸屏数据采集系统设计 - 图文

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摘要

白色污染对环境的危害越来越严重，用一个绿色环保的去代替塑料袋一时大势所趋,在这样需求情况下，以纸质代替塑料的呼声变得越来越高。一个方便控制生产的系统显得那样的重要，触摸屏是目前一种比较新潮的输入设备，是目前最方便、自然、简单而又不依赖于传统键盘和鼠标的人机交流。触摸屏有很广泛使用范围特别是那些终端机方面，受到热烈的欢迎。

本论文介绍纸袋生产的过程，是用编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC（后同），结合人机界面、触点开关的纸袋生产系统设计。而我个人主要研究控制系统中触摸屏的人机界面设计其中包括如何与PLC和HMI的结合通讯。重点介绍致远触摸屏HMI软件使用，通过此软件设计过程进而清晰的的介绍整个系统的框架。在软件上完成后，编译离线模拟成功，通过下载工程至MiniHMI-501C触摸屏来实现对设计的监测，还能对现场数据进行采集与处理。

关键字 触摸屏、人机界面、PLC、纸袋生产线

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Abstract

Facing the increasingly serious white pollution problems, people want to find a substitute for the current performance, plastic bags and do not cause white pollution substitutes, in such circumstances demand, with paper as the mainstream got vigorously the development of green packaging industry. A convenient control of production system is as important, touch screen, as a relatively new input devices, is the most convenient, natural, simple and do not rely on traditional keyboard and mouse way of human-computer interaction. Touch screen using range is very wide, especially in the field of terminals, market prospect is good. This topic design goal is to design a simple, low cost, is suitable for the touch screen in the field of industrial control application and the corresponding configuration system, make its can run in most of the industrial automation system.

This paper introduces a paper bag production process, is to use Programmable Logic Controller (Programmable Logic Controller), hereinafter referred to as PLC (with), the man-machine interface, the contact switch paper bag production system design. But personally I main research in the control system touch screen man-machine interface design, including how to commune with the combination of PLC and HMI. Zhiyuan, emphasis on using touch-screen HMI software, through the software design process and clear introduction to the framework of the whole system. On the software, after the completion of compilation of offline simulation successfully, by downloading the software engineering to MiniHMI - 501 - c implementation to the design of online monitoring, field data acquisition and processing.

Key words touch screen, man-machine interface, PLC, paper bag production line

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摘要 ......................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. II 第1章 绪论 ............................................................. 1

1.1 课题研究的背景、意义和目的 ............................................................................. 1 1.2 纸袋生产国内外发展情况及趋势 ......................................................................... 1 1.3 本课题研究的主要内容 ......................................................................................... 2 1.4 本章小结 ................................................................................................................. 2 第2章 基本原理 ......................................................... 3

2.1 可编程控制器技术 ................................................................................................. 3

2.1.1 可编程控制器概述 ...................................................................................... 3 2.1.2 PLC的基本组成及工作原理 ....................................................................... 3 2.1.3 西门子PLC及编程软件 ............................................................................. 6

2.1.4 网络通信与连接 .......................................................................................... 7 2.2 人机界面 ................................................................................................................. 8

2.2.1 触摸屏原理 .................................................................................................. 8 2.2.2 触摸屏特性 .................................................................................................. 9 2.2.3 组态软件 .................................................................................................... 10 2.2.4 致远组态软件HDS（HMI Developer Suit） .......................................... 10 2.3 本章小结 ............................................................................................................... 12 第3章 纸袋生产设计内容及实验结果 ...................................... 13

3.1 系统规划 ............................................................................................................... 13

3.1.1 PLC的选型 ................................................................................................. 13 3.1.2 触摸屏选型 ................................................................................................ 14 3.2 纸袋生产线与执行元件 ........................................... 16

3.2.1 编码器KSA3806 ....................................................................................... 16

3.2.2 接近开关 .................................................................................................... 17 3.3 硬件设计 ............................................................................................................... 18 3.4 软件设计 ............................................................................................................... 19

3.4.1 流程图和结构图设计 ................................................................................ 19 3.4.2 人机界面设计 ............................................................................................ 20 3.4.3 触摸屏与西门子PLC的通讯设置 ........................................................... 26 3.5 系统调试 ............................................................................................................. 27

3.5.1 硬件调试 .................................................................................................... 27 3.5.2 软件调试 .................................................................................................... 27 3.6 本章小结 ............................................................................................................... 29 第4章 结论及发展展望 .................................................. 30

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4.1 结论 ....................................................................................................................... 30 4.2 发展展望 ............................................................................................................... 30 总结 ................................................................... 31 参考文献 ............................................................... 32 致谢 .................................................................. 333

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、意义和目的

白色污染已成为我们人类生活环境恶化的重要原因。虽然塑料袋能带给人们生活上的很多便利，但也意味着人们的生活环境水平也会大大的降低。随灾难片的热播，世界各国更深切的呼吁共同努力解决白色污染问题。从另外一个角度出发看——能源。塑料袋原材料主要来源于日渐枯竭的石油资源，再加上目前要回收利用塑料的是会亏很多的。所以基本没厂家会回收塑料。这样一来塑料袋就会越来越多，污染就相应的越来越严重，所以人们都在努力能够替代找到塑料的材料，于是便提出了以使用纸袋包装的绿色包装的产业。 在这样的背景与趋势下，各个制袋生产厂家都急需解决的主要问题便是如何提高纸袋的效率、质量，操作的便利与安全性。纸袋行业是工业的一个重要分支，纸袋已成为人民生活必不可小的用品。

触摸屏是计算机的输入设备中的一种，相对于目前来说是一种很方便的人机交互方式，它能够化简使用计算机过程。多数触摸屏都坚实、体积相对较小。这更为方便了那些不懂电脑操作的用户。所以研究基于组态软件的触摸屏数据采集系统设计是有着深远意义的。

1.2 纸袋生产国内外发展情况及趋势

过去的一段时间里全球科研组织探讨了纸袋的改良。由于人们的画报意识越来高, 纸袋用品的需求量会有一大段的提高。纸袋以其环保的特性在世界市场站稳了阵脚。现在还大部分人都比较把手纸袋当手提包使用,因为它价廉物美。并且纸袋的种类或类型很多复合多数人的贪新鲜心理可以天天换。最重要的是他环保，回收利用方便，再生时所需要耗费的价值比塑胶低得多。基本没什么空气污染，所以，成为目前最受欢迎最有用途的绿色产品。

现在出去行使用纸袋的人街随处可见，人们生活范围是会变化的，所以人们对纸袋的要求会变高。针对市场竞争的需要，企业应该应该提高产品的质量，这才能占领更多的市场份额，那些全自动的生产设备必须要高效和准确堵要高使，这样才能提高产品的需求和提高总利润，满足不同种类用户的需求，提高产品的竞争能力。所以必须对那些原来的机械设备进行适当的改造和更换。

如今，纸袋机械发展趋势是多功能合一。生产产品要能节省资源，能够回收利用。这也是我国纸袋机械的发展方向。.但我国产品品种有点单一, 成套设备比较少，国内就是欠缺成套的设备，多数厂家的机器的功能都单一, 外国则刚刚好相反。大多数机器都是配套

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生产销售，小销售单机。我国产品质量粗糙，首先表现在产品的可靠性较差，技术更新缓慢, 同时在新机制造融入新技术、新工艺、新材料的地方也较少。现在我国的纸袋机械厂商正奋力追赶国外的先进技术，学习他们的技术并结合国内的需求关系，努力研发出效率更高，消耗更小，销路更广的设备，考虑到现在我国大部分的纸袋生产放心都都是采用胶印方式的情况，那么就更逼切于开要开发出适合广大需求的生产纸袋纸袋设备，并且要注重纸袋机的更新换代，毕竟创新才是生产力发展的动力。

1.3 本课题研究的主要内容

本课题是基于组态软件的触摸屏数据采集系统的设计开发，利用组态软件，在致远MiniHMI 501C触摸屏上完成纸袋生产线数据采集系统的设计。能够自动实现生产线的纸袋产量，进纸速度采集与记录，并可以进行手动控制。实现纸袋生产线的数据采集。

要实现的主要功能包确定纸袋生产线数据采集系统的整体控制系统框图；统计纸袋生产速度，每分钟统计一次，显示为N件/分钟；统计当前生产纸袋的累计产量，当天总产量；统计当前原料纸进纸速度，输出为每分钟长度数同时统计当前原料纸进纸总量；

1.4 本章小结

本章首先阐述纸袋生产线改进背景和意义，然后介绍了纸袋机在国内外的发展状况，并提出了本课题所研究的内容和目的。

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第2章 基本原理

2.1 可编程控制器技术

2.1.1 可编程控制器概述

传统的生产机械自动控制系统采用的是继电器控制，但随着工业的高速发展，市场竞争加剧，产品跟新换代的周期变短，传统的继电器慢慢不能满足现在工业高速发展的要求。1969年第一台PLC在美国出生，是由数字设备公司研发的，它兼有继电器控制的外部特性，同时也有计算机的特点。20世纪，因为微型计算机技术和大规模集成电路技术的进步，多个国家都开始把微处理器带入PLC，PLC便开始以微处理器为核心，结合了自动化，计算机、通信等技术成为了新一代自动控制装置。并且编写语言是面向用户的，不必一点具有计算机知识才能使用，促使广大的工程技术人员和有一定电工知识的人乐于接受和应用，从而得到了广泛而迅速的推广。

PLC的特点有：

1.可靠性强，抗干扰能力较高。PLC在一个具有很强的机械振动、电磁干扰、电噪声和极端温湿度的工业环境下也能正常工作。

2.编程简洁。因为其编程是面向用户的，所以没有采用繁琐复习的汇编语言，而是使用简单明了的梯形图。

3.控制能力强。PLC具有较强的算术逻辑运算能力还能进行控制计数并定时，而这只是基本功能，PLC还兼有特殊功能模块。

4.结构简单、维修轻易。PLC安装方便，其体积比传统的控制小一半，节省了很多空间。其内部的功能元器件都能分模块，修理时有时只需更换一个小部件。

2.1.2 PLC的基本组成及工作原理

1.基本组成

PLC主要由中央处理器（CPU)、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几部分组成。

中央处理器是具有运算和控制功能的大规模集成电路，是控制其他部件操作的核心部件。中央处理器的作用是：能够从自带程序赋予的功能接收和记忆由编程器健输入的用户数据，还能诊断电源和PLC内部电路的工作状态是否良好和编程的过程中有没有出现的错误。还有以扫描方式来工作。同样是监控现场所输入的信号，在存储器中逐慢慢提取PC程序，执行用户程序所取用的逻辑或算术等基本功能，结构由运算得出。

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存储器是具有记忆功能的半导体集成电路，用于存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。PLC中常用到的存储器有ROM、RAM和EPROM。1.只读存储器ROM。只读存储器基本都是存放在系统程序了，它能进行程序监控、程序解释，PLC有什么样的功能就是ROM所决定的。系统程序用户是不能直接存取、更改。2.随机存储器RAM。又称可读可写存储器。读取时RAM中的内容保持不变。写入时，新写入的信息覆盖了原来的内容。因此即可读取又需要经常修改的内容就存放在RAM。因为RAM断开电源时会丢失数据，因此使用RAM作为用户存储器的PLC，都要为其准备好后备电源保护RAM，防止电源掉电时，丢失用户数据，若经常负载可维持3到5年。调试通过并需要长期使用的用户程序，可通过专用EPROM写入器把程序固化在EPROM芯片中。

输入输出单元（I/O单元）是被控对象与PC间必须要有的传递信号的接口部件。PLC要与现场相联系就要经过I/O单元。它的输入端兼有光电耦合、输入电路和微处理器输入接口电路。光电耦合能够截断输入电路，进而防止电器件扰乱微机，变压器和继电器和光电耦合一样具有阶段信号的能力。当主机发出信息时，输出接口就要接收那些信号，还要按要求进行相应的放大或者隔离。功率放大电路和隔离电路还有微型PC的接口是组成输出接口的主体部分。

电源单元是将交流电压信号转换成微处理器、存储器及输入、输出部件正常工作所需要的自流电源。由于PLC主要用于工业现场的自动控制、直接处于工业干扰的影响之中，所以为了保证PLC内主机可靠工作，电源单元对供电电源采用了滤波功能。

我们所熟知的PC它最重要的外围设备便是编程器。编程器能够将用户自己编写的程序送入PC相应的存储器中，编程器还可以对程序进行检测、修改和调试；PC的工作状态还必须得到编程的监视。在市面上看到的编程器大概能分成两种：简易型编程器和智能型编程器。简易编程器比较适合小型的PC，价钱合理，功能基本齐全。而大型PC就要使用智能型CRT编程器。逐个

2.工作原理

PLC的两种基本的工作状态分别是运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。运行状态就是PLC历经特出监控请求的用户程序来体现其能力。为了让PLC的输出时要无误差地反映不停改变的输入信号，用户程序一定是要运行多次，一直到PLC为关机后者是暂停。

在PLC运行后，程序多数会进行重置操作，包括有对工作区的内存重置，归零所有的定时器和继电器的数据，还有检查I/O单元有没有烧坏，一旦有不正常的地方便报警。在初始化后就系统便自动进入到周期扫描过程，运行过程如下图所示。PLC的工作过程分为4个阶段。

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图2-1 PLC的工作流程

公共处理：其中有PLC自我检查、看看外设有没有传来指令、重置监视定时器。PLC自我检查，顾名思义就是它的CPU检测自己各器件的状态，如异常会诊断并发出故障信号。自检完就会检测是否有外设指令，如果有就开始工作。重置监视定时器是为了不让防止PLC运行死循环。

输入采样：是指数据采集。凡是是输入端所带的数据信号都会被PLC按顺序地逐个的收集，输入端接线与否都不会影响到CPU按顺序读取全部的输入端。最后是将收集到的数据信号存放在寄存器。

用户程序执行：就是用户程序来控制的阶段。在这个执行用户程序时间中，CPU便开始对用户程序实行监控。假如被监控的程序是梯形图，CPU是先从上面开始扫描，在同一行了是先从左的开始进行扫描。每当扫描的到指令时，从输入映像寄存器中去读取所需要输入信息的状态。至于还有其它信息，就只能从PLC的另外的一个元件映像寄存器中读取。但执行用户程序时，映像寄存器每次都会写进运算期间的结果，所以元件的状态是会立马被得知，并且会被后面的指令扫描和利用。

输出刷新：在CPU实现完其功能后，不会立刻就发出命令去运行新的外部负载，而是通过将结果写进元件映像寄存器同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经过输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。在输出刷新阶段结束后，CPU就会到进入下一个扫描周期。

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2.1.3 西门子PLC及编程软件

S7-200 PLC是西门子公司开发的，它包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选择的扩展模块，能够十分方便地组成规模不同的控制器。其能控制的规模可小可大。S7-200 PLC能够组成PLC—PLC网络和计算机—PLC网络，从而完成规模较大的控制工程。

西门子公司专门为S7-200系列可编程序控制器而设计开发了编程组态软件 STEP 7，STEP 7具有清晰易懂、普及方便的特色，能够为上位机控制监控提供功能强大的软件平台。是受到用户热爱的开发工具。

S7-200 PLC的用户程序中所包括的逻辑运算指令，定时器、计数器、智能模块通信、逻辑判断等方面的指令，还有不同功能的程序编辑工具，都集成在STEP7-Micro/WIN编程软件中。通过软件可以进行程序编辑、状态监控以及强制改变输入输出状态，来满足用户控制过程中各种需要。

即使采用SIMATIC指令系统，STEP7-Micro/WIN软件中所包括的全部指令，并非可以用于S7-200系列的全部PLC，它与PLC的CPU模块的型号选择有关，某些功能指令只能在特定的CPU模块中使用。对于上述两种情况，STEP7-Micro/WIN软件可以进行自动识别不同CPU模块的型号。而那些无法达到的功能与指令，将在显示时被标记。

图2-2 STEP7-Micro/WIN编程软件的主界面

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