基于樣品粉碎模塊及注射泵控制系統(tǒng)設(shè)計

控制學(xué)院氣升XXXX班學(xué)生趙延平畢業(yè)設(shè)計第2頁共63頁濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計專用紙目錄摘要……………….……..…….3Abstract……………………….…41緒論……………51.1課題的內(nèi)容及要求…………………..51.2樣品粉碎模塊及注射泵控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和應(yīng)用領(lǐng)域………..51.3可編程控制器（PLC）的發(fā)展及應(yīng)用……………….51.3.1可編程控制器（PLC）的發(fā)展………………..51.3.2可編程控制器（PLC）的應(yīng)用………………..51.4課題的引進…………….………..52基于樣品粉碎模塊及加液控制系統(tǒng)的總體分析與設(shè)計…………………..52.1控制系統(tǒng)的工藝過程要求……………52.2系統(tǒng)設(shè)計方案…………52.3方案框架與構(gòu)思……………………..53硬件選型及設(shè)計……………..53.1變量的編制……………..53.2系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型……………………54上位機監(jiān)控軟件的選擇……………………..55基于樣品粉碎模塊及加液泵控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計………..55.1可編程控制器（PLC）的程序設(shè)計………………….55.1.1可編程控制器（PLC）主程序設(shè)計……………55.1.2粉碎機控制的子程序設(shè)計…………..……….55.1.3注射泵控制的子程序設(shè)計………………..….55.1.4清洗泵控制的子程序設(shè)計…………………….55.1.5智能步進電機驅(qū)動器的控制程序設(shè)計……….55.2基于組態(tài)王6.53的上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計……….55.2.1組態(tài)王6.53簡介……………..55.2.2S7-200PLC與組態(tài)王6.53的PPI通信…….55.2.3自動樣品提取凈化集成裝置界面設(shè)計………5調(diào)試過程中遇到的問題………………….5設(shè)計總結(jié)………………….5致謝……………………….5參考文獻………………….5控制學(xué)院氣升XXXX班學(xué)生趙延平畢業(yè)設(shè)計第35頁共63頁濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計專用紙基于樣品粉碎模塊及注射泵控制系統(tǒng)設(shè)計摘要當(dāng)今社會，信息技術(shù)迅猛發(fā)展，已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域。隨著全球一體化和食品貿(mào)易國際化，食品安全已經(jīng)成為一個世界性的挑戰(zhàn)和全球重要的公共衛(wèi)生問題。近幾年，重大食品安全事件的頻頻發(fā)生以及消費者對安全食品的需求，使得食品安全問題成為全世界矚目的熱點。應(yīng)用現(xiàn)代化的分析技術(shù)，研究建立快速準確的食品安全分析方法勢在必行。樣品粉碎是樣品制備當(dāng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)手工操作步驟繁瑣，容易產(chǎn)生人工誤差。樣品粉碎及加液泵控制系統(tǒng)是一套全自動，全功能的樣品制備系統(tǒng)，采用標準計算機通過上位機軟件來控制，可以獨立完成樣品的粉碎、加液、抽濾、提取生成的樣品等工作。本課題在分析樣本制備工藝流程和控制要求的前提下，進行硬件控制部分設(shè)計和軟件監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。為了達到可靠穩(wěn)定的控制硬件控制部分選擇S7-200PLC做主控制器。軟件監(jiān)控部分利用組態(tài)王，實現(xiàn)系統(tǒng)控制界面。同時選擇滿足精度要求的注射泵，結(jié)合工藝要求，根據(jù)組態(tài)設(shè)置，自動生成注射泵控制代碼，使食品檢測具有更高的靈敏度、準確度和更小的樣品用量，并且分析方法更快速。利用智能步進電機驅(qū)動控制器，結(jié)合工藝流程編制機械臂控制程序，完成多個工位的加液。配方是機器設(shè)置參數(shù)的一個集合，而對于批處理器，一個配方可能被用來描述批處理過程中的不同步驟。組態(tài)王支持對配方的管理，用戶利用此功能可以在控制過程中得心應(yīng)手，提高效率。比如當(dāng)檢驗過程需要大量的控制變量參數(shù)時，如果一個接一個地設(shè)置這些變量參數(shù)就會耽誤時間，而使用配方，則可以一次設(shè)置大量的控制變量參數(shù)，滿足生產(chǎn)過程的需要。關(guān)鍵詞：粉碎機（均質(zhì)器）；注射泵；組態(tài)王；配方；數(shù)據(jù)庫；AbstractCurrentsociety,theinformationtechnologyisdevelopedrapidly,hasalreadygotdeeplytoeachfield。Withtheglobalizationandtheinternationalizationoffoodtrade,foodsafetyhasbecomeaglobalchallengeandanimportantpublichealthproblem.Inrecentyears,majorfoodsafetyincidentsoccurfrequently,andconsumerdemandforsafefood,makingfoodsafetythefocusofattentionastheworld'shotspots.Applicationofmodernanalyticaltechniquestostudytheestablishmentofrapidandaccurateanalysisoffoodsecurityisimperative.Sampleswerecrushedsamplepreparationisaveryimportant,buttraditionalmanualstepsandcumbersomeandpronetomanualerror.Samplescrushedandaddedapumpcontrolsystemisfullyautomatic,full-featuredsamplepreparationsystem,theuseofstandardcomputersoftwaretocontrolPCcanbecompletedindependentofthecrushedsample,addfluid,leaching,extractionandsoongeneratedsamples.Thisissueintheanalysissamplepreparationprocessandcontrolrequirementsunderthepremiseofcontrolpartofhardwaredesignandsoftwaredesignofmonitoringsystem.InordertoachieveastableandreliablecontrolofthecontrolpartofhardwaretochoosethemasterS7-200PLCcontroller.PartofthesoftwaretomonitortheuseofKingviewtoachievesystemcontrolinterface.Atthesametime,choosetomeettheprecisionrequirementsofinjectionpump,combinedwithtechnologicalrequirements,inaccordancewithconfigurationsettings,automaticallygeneratedcontrolcodeinjectionpump,sothatthefoodhasahigherdetectionsensitivity,accuracyandasmalleramountofsample,andanalysismorequickly.Intelligentsteppermotordrivercontroller,combinedwithprocesscontrolproceduresforthepreparationoftherobotarm,tocompleteanumberofworkersincreasesfluidspaces.Formulaisthemachinesetupacollectionofparameters,andforapprovedprocessors,aformulamaybeusedtodescribethebatchprocessofthedifferentsteps.Kingviewmanagementsupportfortheformula,theusercanusethisfunctionhandyinthecontrolprocessandimproveefficiency.Forexample,whenthetestingprocessrequiresalargenumberofparametersofthecontrolvariable,ifsetuponeaftertheparametersofthesevariableswillbetimedelay,andtheuseofformula,youcansetupalargenumberofcontrolvariableparameters,tomeettheneedsoftheproductionprocess.Keyword：Pulverizer;Injector;KingView;Formula;Database1緒論1.1課題的內(nèi)容及要求本課題主要研究內(nèi)容是將樣品粉碎、加液控制和直角坐標機械臂組成自動化樣品加液粉碎處理模塊單元。該處理模塊具備按設(shè)定參數(shù)進行樣品加液功能、樣品均質(zhì)粉碎功能、清洗功能，從而實現(xiàn)同時處理16個樣品的加液均質(zhì)的功能。主要設(shè)備包括粉碎機、注射泵、步進電機、機械臂、空氣隔膜泵、氣體閥等。根據(jù)實驗流程及關(guān)鍵技術(shù)點的研究，本科題設(shè)計出一套操作靈活、控制精度高的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化樣品加液粉碎處理模塊單元的程序控制。本控制系統(tǒng)使用西門子可編程控制器對粉碎機、注射泵、步進電機、機械臂控制實現(xiàn)自動樣品提取凈化組合裝置系統(tǒng)的設(shè)計。建立的系統(tǒng)使用上位機組態(tài)界面對設(shè)備進行控制。其控制過程首先是在上位機組態(tài)界面中對各個設(shè)備的參數(shù)進行設(shè)置，然后通過組態(tài)界面與西門子PLC可編程控制器通信達到對各個設(shè)備控制的目的。實現(xiàn)對樣品的自動提取和凈化。樣品粉碎模塊及注射泵控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和應(yīng)用領(lǐng)域從20世紀60年代末70年代，世界上許多國家都致力于跨學(xué)科、夸行業(yè)的超細粉碎技術(shù)的研究。產(chǎn)生了許多粉碎設(shè)備，主要有機械式、氣動式、電動式粉碎機。機械式粉碎機有振動粉碎機、離心粉碎機、擠壓粉碎機、雷蒙粉碎機、塔式粉碎機、高速粉碎機等。在超細粉碎中，電動式粉碎機技術(shù)是公認的能有效獲得最小微粒的一種高效粉碎技術(shù)，是現(xiàn)在深加工不可缺少的手段。電動式粉碎機的產(chǎn)品，具有顆粒細、粒度分布窄、活性大、分散性能好等一系列特點。廣泛適用于化工、制藥、食品、防疫和商檢、醫(yī)療衛(wèi)生部門。國外對注射泵的研制較早，如日本、美國和德國等國家上世紀80年代末就進行了注射泵的研制。現(xiàn)在市場大多是流行的國外產(chǎn)品，類型多樣性能較好，如美國自然基因公司的HarvardApparatusPHD22/2000型注射泵（控制精度為0.35%，速度范圍0.0001微升/小時到220.82ml/小時）和SP-500型注射泵控制精度為1%，最小流速0.1ml/h、最高流速300ml/h,美國IMED公司GeminiPC-2TX型注射泵，速度范圍0.1ml/h到999ml/l，并且可以實現(xiàn)四路控制，此外還有德國貝朗（B|BRAUN）公司的Multifuse型、PerfusorCompact型（控制精度可達到2%）、Infusomatfms型，型號眾多，以色列也有相應(yīng)產(chǎn)品。但是國外注射泵居高不下的價格，是國內(nèi)醫(yī)療機構(gòu)普及注射泵的只要障礙。國內(nèi)對注射泵的研制起步較晚，大都在90年代中期經(jīng)行研制，市場也有一些注射泵，如北京科力豐高科技發(fā)展有限公司的ZNB系列產(chǎn)品，其中ZNB-XB的控制精度為3%-5%，注射范圍1.0ml/h-1100ml/h,北京思路高公司的恒速注射泵TCI-II產(chǎn)品的控制精度<3%,速度范圍0.1ml/h-600ml/h,深圳康福特公司也有注射泵。相比只下，國內(nèi)產(chǎn)品在價格上有一定的優(yōu)勢，但是在控制精度和最小輸注速度上和國外產(chǎn)品有很大的差距。注射泵發(fā)展將向更小型化、更便攜化、控制更精確、更安全可靠發(fā)展。如用于糖尿病治療的胰島素泵現(xiàn)在可隨聲攜帶而不影響大多數(shù)日常生活，甚至可帶著泵洗澡或游泳，如MiniMed公司的507型產(chǎn)品。注射泵還向更智能化發(fā)展。如以后將在糖尿病患者皮下植入連續(xù)血糖測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個小型傳感器，它每隔一段時間檢測皮下體液并獲得血糖數(shù)據(jù)。當(dāng)血糖過高時，系統(tǒng)將會發(fā)出報警。胰島素泵將會根據(jù)血糖傳感器測得糖尿病患者的血糖水平，然后自動控制泵向患者體內(nèi)注射胰島素，實現(xiàn)真正的只能傳送。總的來說，在歐美國家注射泵研制和應(yīng)用都以進入一個相對成熟和穩(wěn)定的階段，而國內(nèi)注射泵的研制和檢測使用尚落后于歐美國家，只在大的企業(yè)和研究所獲得應(yīng)用，目前仍處于推廣階段，因此注射泵的市場前景很廣闊。通過資料查新和市場調(diào)查，關(guān)于樣品粉碎模塊及注射泵控制系統(tǒng)在國內(nèi)外都有單獨的設(shè)備及研究。但將樣品粉碎模塊及注射泵結(jié)合在一起，形成自動化樣品加液粉碎處理模塊單元，還有相關(guān)報導(dǎo)。市場上樣品粉碎大多是臺式或手持式均質(zhì)器，國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品都有，但是基本是手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和均質(zhì)時間，且多為人工控制。而本課題對現(xiàn)有均質(zhì)器的基礎(chǔ)上加以改進，通過編程控制從而實現(xiàn)對均質(zhì)器的轉(zhuǎn)速和均質(zhì)時間的控制。同時對均質(zhì)器、注射泵控制系統(tǒng)及機械臂進行集成控制編程，從而實現(xiàn)自動化樣品加液粉碎處理模塊單元。可編程控制器（PLC）的發(fā)展及應(yīng)用1.3.1可編程控制器（PLC）的發(fā)展可編程控制器（ProgrammableLogicController,PLC）是隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的進步而發(fā)展起來的一種技術(shù)。由于傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，存在著比較明顯的缺點，如設(shè)備體積大、可靠性差、動作速度慢、功能少、難以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制，到了20世紀60年代末，由于汽車制造業(yè)的激烈競爭，1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司（GM）提出的著名的“GM十條”內(nèi)容的要求研制出第一臺PLC，并在美國通用汽車自動裝配生產(chǎn)線上使用，獲得了成功。雖然PLC問世時間不長，但在PLC誕生不久即顯示出了其在工業(yè)控制中的重要地位，如德國、日本、法國等國家相繼研制成各自的PLC。隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的不斷進步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分為三個階段。（1）早期的PLC早期的PLC（20世紀60年代末至70年代中期）稱為可編程邏輯控制器。這是PLC的主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。它是繼電器控制裝置的替代物，在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，并且它在I/O接口電路上改進以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的要求。PLC裝置中的器件主要采用分立元件和中、小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。在硬件上采取了一定得措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用電氣工程人員所熟悉的繼電器控制線路的方式—梯形圖。因此，早期的PLC的性能優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂、便于安裝、體積小、功耗低、有故障指示及能重復(fù)使用等。其中PLC特有的編程語言—梯形圖，一直沿用至今。（2）中期的PLC從20世紀70年代中期到20世紀80年代中、后期，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。此時的PLC產(chǎn)品以使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理。通信技術(shù)使PLC的應(yīng)用得到了進一步的發(fā)展。這樣使PLC的功能大大增強。在硬件方面，在保留了原有的開發(fā)模塊的基礎(chǔ)上，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲器，使PLC的應(yīng)用范圍得以擴大。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、記數(shù)等功能外，還增加了算數(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通信、自診斷等功能。（3）近期的PLC從20世紀80年代中、后期至今，PLC技術(shù)已非常成熟。由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理器價格的大幅下降，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能得到進一步的提高。如今，PLC技術(shù)已非常成熟，其中世界上生產(chǎn)PLC產(chǎn)品的廠家就多大200多個。比較著名的廠家有美國的AB、通用(GE)、莫迪康（MODICON），日本的三菱（MITSBISHI）、歐姆龍（OMRON）、富士電機（FUJI）、松下電工、德國的西門子（SIEMENS）、法國的TE、施耐德（SCHNEIDER）、以及韓國的三星（SUMSUNG）、LG等。1.3.2可編程控制器（PLC）的應(yīng)用由于微處理器芯片及有關(guān)元件的價格大大下降和PLC功能的不斷完善及增強兩方面的原因，目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、汽車、機械制造、冶金工業(yè)、化工、電力、交通、采礦、建材、輕工、造紙、環(huán)保、食品等各行各業(yè)。既可以用于舊設(shè)備的技術(shù)改造，又可以用于新產(chǎn)品的開發(fā)和機電一體化設(shè)計。早期的PLC大多作為繼電器控制系統(tǒng)的升級換代產(chǎn)品，只要實現(xiàn)簡單的邏輯控制。隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)也得到了很好的發(fā)展，其功能遠遠超出早期PLC的邏輯控制，更多的具有了強大的網(wǎng)絡(luò)通信能力。使用情況大體可歸納為以下6種類型。（1）開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，也是PLC最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。它取代最傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制。PLC可用于單臺設(shè)備的控制、多機群控制及生產(chǎn)自動化流水線控制等，如印刷機、注塑機、訂書機械、組合機床、切紙機械、磨床、包裝機械、電鍍流水線及電梯控制等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，會經(jīng)常遇到許多諸如溫度、壓力、流量、液位和速度等模擬量。為了使PLC處理模擬量、必須實現(xiàn)模擬量（Ａｎａｌｏｇ）和數(shù)字量（Ｄｉｇｉｔａｌ）之間的轉(zhuǎn)換（Ａ／Ｄ及Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換），PLC廠家都生產(chǎn)配套的Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換模塊，使PLC用于模擬量控制。（3）運動控制早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)完成運動控制，現(xiàn)在一般使用PLC制造商提供的拖動步進電機或私服電機的單軸或多軸的位置專業(yè)的位置控制模塊完成運程控制。如可驅(qū)動步進電機或私服電機的單軸或多軸位置控制模塊。PLC把描述目標位置的數(shù)據(jù)，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，確保運動平滑。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運程控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。（4）過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等閉環(huán)模擬量的控制，PLC能夠控制大量的過程控制總的參數(shù)。PID模塊的調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用的較多的調(diào)節(jié)方法，大、中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。（5）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算的功能，可以完成數(shù)據(jù)采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參數(shù)值進行比較，完成一定得控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的裝置。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品等制造行業(yè)的控制。在機械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統(tǒng)，可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。（6）通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信包含PLC之間的通信、主機與遠程I/O口之間的通信以及PLC與其它智能設(shè)備（如計算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PLC與其他職能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。1.4課題的引進根據(jù)項目工藝要求設(shè)計樣品粉碎模塊及加液泵控制系統(tǒng)。研究下位機的控制設(shè)計與實施及上位機的監(jiān)控系統(tǒng)，主要對粉碎和加液部分進行主要分析和描述，并且把在分析中用到的資料和軟硬件進行必要的引述，而且把要用到的一些編程軟件、組態(tài)監(jiān)控軟件的功能和應(yīng)用進行了系統(tǒng)的引述。在本論文中主要應(yīng)用的是可編程控制器PLC、MCGS組態(tài)監(jiān)控軟件，對研究的課題進行詳細的描述。2基于樣品粉碎模塊及加液控制系統(tǒng)的總體分析與設(shè)計2.1樣品制備流程為檢測試樣中是否含有特定物質(zhì)，需要將該物質(zhì)萃取提純以利于檢測。一般的樣品制備過程是：將試樣放入有機溶劑中粉碎，濾去殘渣；將溶解了試樣的溶劑濃縮吹干后，再加入一定量的溶劑將樣品溶解定容；還需要根據(jù)檢測物質(zhì)的溶解特性，利用XX小柱，凈化清洗掉溶劑中其他雜質(zhì)，得到檢測樣品。一般手工進行樣本制備，先將試樣切碎，放入試管加入溶劑后，手持均質(zhì)器將試樣粉碎，接上真空泵，經(jīng)濾紙抽出溶劑，濾去固體殘渣；將溶劑放入xx設(shè)備吹干后，加入定量溶劑再次溶解，將溶劑通過xx小柱洗凈雜質(zhì)，完成樣品制備。制備過程要求加入和抽取準確體積的溶劑，多次清洗均質(zhì)器、取樣針，操作繁復(fù)，過程很長，人工制備效率很低容易污染樣品。為提高樣品制備效率，提高樣本質(zhì)量，希望進行自動的樣品制備。2.2樣品自動制備系統(tǒng)設(shè)計為實現(xiàn)樣品的自動制備，需要自動完成以下操作過程：均值器的清洗；試樣的粉碎；溶劑的添加；自動抽濾；自動吹干；自動凈化萃?。蛔詣佣ㄈ?。因此設(shè)計采用機械臂帶動均質(zhì)器和加液管，自動定位試管和清洗槽位置；采用注射泵完成試劑的自動添加和定容。設(shè)計如下樣品粉碎模塊。該模塊包括機械臂。。。。圖2.1樣品粉碎系統(tǒng)的工藝要求為提高樣品制備效率，設(shè)計系統(tǒng)一次完成最多16個樣本的制備。根據(jù)食品檢測要求，首先需要將送檢樣品在特定的溶劑中粉碎，使得被檢測物充分溶解在溶劑中。其基本步驟是：將樣本切割后放入試管，試管中根據(jù)樣本特征及檢測項目加入不同溶劑，使用粉碎器，將試管中的樣本粉碎。之后，將固體殘渣濾掉，利用真空泵和濾網(wǎng)抽取溶劑。該溶劑，是樣本制備的中間產(chǎn)品。目前，通常采用人工操作，實驗測試人員，手工加入溶劑、手持粉碎器，將樣本粉碎后，抽濾出中間樣本。人工操作不僅效率低而且檢驗的效果也不準確。本系統(tǒng)要求自動加液、自動粉碎、自動清洗，自動抽濾，為提高效率，系統(tǒng)設(shè)計，一次進行4個樣本的制備。詳細工藝見工藝流程圖1-1所示。圖圖圖圖圖2.2控制系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)粉碎和加液系統(tǒng)的要求，現(xiàn)擬定一下設(shè)計方案：方案一：控制器選用單片機。優(yōu)點：技術(shù)含量高、易上手、使用靈活、成本低廉。缺點：抗干擾能力低、模塊化擴展能力低。方案二：控制器采用可編程控制器(PLC)。優(yōu)點：對于防干擾、設(shè)備接口、聯(lián)網(wǎng)、模塊化都有完善的技術(shù)支撐，使用更簡單。缺點：成本高。單片機前期投入過大，周期較長，而且不易改動流程，抗干擾能力較PLC差一些。但其成本低廉，應(yīng)用廣泛。特別適合于開發(fā)消費電子、商業(yè)應(yīng)用的電子、玩具、家電等等。在外接設(shè)備時連線較多，只適用于小型的控制電路。PLC是專為工業(yè)自動化設(shè)計的，在控制電路這一塊，功能的強大是前者無法比擬的，通過多種多樣的擴展模塊，使外部接線量小、內(nèi)部工作性能的可靠性高，易學(xué)易懂，雖然單個CPU貴，但性價比是最高的。從系統(tǒng)穩(wěn)定性和開發(fā)時間的角度考慮，最終方案確立選擇控制器為可編程邏輯控制器（PLC）。圖2.3方案框架與構(gòu)思（1）硬件控制部分根據(jù)樣品粉碎及加液控制系統(tǒng)的硬件裝置（可編程邏輯控制器（PLC）、粉碎機、注射泵、智能步進電機驅(qū)動器、機械臂），確定可編程邏輯控制器（PLC）和智能步進電機驅(qū)動器需要控制I/O點數(shù)（具體分為數(shù)字量和模擬量）通過選用合適的PLC型號及所需外擴模塊，并通過接收上位機界面的數(shù)據(jù)來完成樣品粉碎和加液的邏輯控制。（2）軟件控制部分上位機采用組態(tài)軟件完成現(xiàn)場工作狀況的實時監(jiān)控，及時獲得現(xiàn)場I/O數(shù)據(jù)，適時下傳控制命令。利用上位機組態(tài)軟件完成設(shè)備參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的存儲、配方、報表。該系統(tǒng)具有良好的人機界面。為操作人員提供了方便，并設(shè)置了報警顯示，以便工作人員及時發(fā)現(xiàn)并處理故障。3硬件選型及設(shè)計樣品粉碎及加液控制系統(tǒng)有一個注射泵（注射泵與PLC之間通過通信來連接）、粉碎機（通過模擬量模塊來控制，所以PLC應(yīng)具有模擬量模塊）、智能步進電機驅(qū)動器（該驅(qū)動器控制步進電機是靠在智能驅(qū)動器中編寫程序來完成對步進電機的控制）其具有4個輸入，8個輸出。要實現(xiàn)復(fù)雜控制采樣對輸入進行編碼的形式實現(xiàn)。共兩個智能步進電機驅(qū)動器，兩個這智能驅(qū)動器之間通過輸入/輸出點連接。所以要占用4個PLC輸入點。機械臂的運動是由步進電機控制的。每臺步進電機有備妥、驅(qū)動、報警、應(yīng)答四個信號。為了準確的定位機械臂上需要安裝位置傳感器。3.1變量的編制具體變量表如表3-1所示。表3-1輸入輸出地址分配表變量名輸入地址對應(yīng)的外部設(shè)備Zero_xI0.0機械臂傳感器1Zero_zI0.1機械臂傳感器2Limit_Position_1I0.2機械臂傳感器3Limit_Position_2I0.3機械臂傳感器4Limit_Position_3I0.4機械臂傳感器5Limit_Position_4I0.5機械臂傳感器6Work_position_1I0.6機械臂傳感器7Work_position_2I0.7智能步進電機驅(qū)動器Work_position_3I1.0智能步進電機驅(qū)動器Work_position_4I1.1智能步進電機驅(qū)動器Add_liquor_positionI1.2智能步進電機驅(qū)動器Shatter_positionI1.3智能步進電機驅(qū)動器Cleanout_position_1I1.4智能步進電機驅(qū)動器Cleanout_position_2I1.5智能步進電機驅(qū)動器Cleanout_position_3I1.6智能步進電機驅(qū)動器Prepare_for_workI1.7智能步進電機驅(qū)動器Filtrate_positionI2.0智能步進電機驅(qū)動器Clean_pumpI2.1智能步進電機驅(qū)動器變量名輸出地址對應(yīng)的外部設(shè)備Prepare_for_workQ1.0智能步進電機驅(qū)動器Filtrate_positionQ1.1真空泵Clean_pumpQ1.2清洗泵DisintegratorAQW0EM2323.2系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型控制器三菱普及，松下不常見，歐姆龍實用，西門子全面。綜上所述選擇西門子的PLC。SIMATIC

S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。CPU226:本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O

點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248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。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。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。粉碎機粉碎機一般有機械式粉碎機（machinemill）、氣流粉碎機（pneumaticcracker）、研磨機（grindingmachine）和低溫粉碎機（low-temperaturemill）四個大類。本系統(tǒng)考慮到體積、重量、和轉(zhuǎn)速，選用在世界范圍內(nèi)專業(yè)從事設(shè)計和制造各種實驗室產(chǎn)品、分析儀器和工業(yè)混合分散設(shè)備的世界著名集團—德國IKA?公司的IKA-T10基本型粉碎機，處理量為0.5-100ml的高性價比粉碎機，即使是很小的轉(zhuǎn)子也能保持很好的線性度。125W高效馬達，即使攪拌不同的溶液，轉(zhuǎn)速也能保持極高的穩(wěn)定性。采用快速易拆式接口，易于更換分散頭，不銹鋼分散頭(直徑為5mm、8mm、10mm)無需工具即可拆卸、易于清洗。無極調(diào)速可慢速不同速度要求的場合。同時具有過載保護。于其他類型的粉碎機相比體積小、控制方便、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定。注射泵注射泵大的方面分有醫(yī)用注射泵和工業(yè)用注射泵。例如有微量注射泵、單通道注射泵、多通道注射泵等等。本系統(tǒng)采用采用蘭格公司（中美合資）自主研發(fā)的高性能、高可靠性適合工業(yè)自動化應(yīng)用的精密注射泵（工業(yè)用注射泵）。它通過外部計算機后臺軟件實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)微處理器的精準控制，完成復(fù)雜而廣泛的操作任務(wù)。它的任務(wù)可編程、存儲功能大大提高了其自動化程度，使其非常適合高自動化應(yīng)用領(lǐng)域。使MSP1-C1輕松實現(xiàn)自動化的高精度和高準確性的流體傳輸、稀釋、分配等廣泛應(yīng)用。與其他注射泵相比其優(yōu)點如下：加液速度隨機控制、加液體積可以選擇、狀態(tài)檢測等。其編程特點更易于對加液泵的人性化控制。步進電機驅(qū)動器二/四相微步驅(qū)動器、三相混合式驅(qū)動器、五相混合式驅(qū)動器、二/四相整、半步動器、智能可編程驅(qū)動器等等。本系統(tǒng)機械臂要運動的工位較多且機械臂的運動控制是由步進電機控制的，為了分擔(dān)PLC的CPU的負擔(dān)和控制精度本系統(tǒng)選用智能可編程驅(qū)動器。AMP公司ST系列驅(qū)動器采用新技術(shù)研發(fā)出來的智能型驅(qū)動器，參數(shù)由軟件進行設(shè)置，可編程控制，直觀，方便，準確，操作簡單，優(yōu)秀的性能、良好的質(zhì)量和較高的性價比可以幫助您成功的完成運動控制項目。一、先進的技術(shù)1）先進的電流控制技術(shù)，電流大小由高速DSP芯片通過軟件控制，精度可達0.01A2）輸入信號平滑處理，自動微步計算，即使在低細分下也能保證運行平滑3）抗共振算法，抑制系統(tǒng)中頻共振4）低速波形平滑算法，抑制低速力矩波動二、模式1）脈沖/方向2）雙脈沖3）正交相位脈沖（編碼器跟隨）4）速度模式，速度軟件設(shè)定或模擬量調(diào)節(jié)5）命令控制模式。通過RS-232串口通信接收運動控制命令，實現(xiàn)實時控制。6）程序駐留模式。可使用QProgrammer編寫運動控制程序，并下載到DSP閃存中，獨立運行。7）MisProgrammer使用圖形化編程界面，簡單方便，僅ST5-I/ST10-I可用。三、RS232串口通信。四、2個模擬輸入，2個光隔數(shù)字輸入，4個光隔數(shù)字輸出五、自檢和自動設(shè)置，檢驗系統(tǒng)狀態(tài)六、強大的保護功能：過壓、欠壓、過熱和過流保護七、24-48VDC（ST5）/24-80VDC(ST10)八、輸出相電流（峰值）0.1-5A(ST5)/0.1-10A(ST10)，軟件設(shè)定九、微步方式200-51200步/轉(zhuǎn)，2的倍數(shù)，軟件設(shè)定十、自動減流至0~90%之間的任意百分比，軟件設(shè)定十一、RS422/485總線控制，配合siNet;Hub實現(xiàn)多軸控制，最多可同時控制32軸（可選模塊）十二、編碼器反饋模塊，堵轉(zhuǎn)檢測/堵轉(zhuǎn)預(yù)防（可選模塊）十三、外形尺寸小十四、CE和RoHS。（5）機械臂由德國百格拉公司提供型號。標準化WSM系列機器人。機器人通常是掛壁式結(jié)構(gòu)和龍門式結(jié)構(gòu)。掛壁式結(jié)構(gòu)的X軸由兩根龍門式導(dǎo)軌上下排布組成，其跨度按Y軸行程而定，做水平運動。X軸通常固定在機器人支架上，也可固定在墻壁上。Y軸由兩根龍門式導(dǎo)軌并排組成，其跨度大約100到600mm，Y軸固定在X軸上，做上下運動。龍門式結(jié)構(gòu)的X軸由兩根龍門式導(dǎo)軌水平并列排布組成，其跨度按托盤尺寸而定，做水平運動。X軸通常固定在機器人支架上。Y軸由兩根龍門式導(dǎo)軌并排組成，其跨度大約100到600mm，Y軸固定在X軸上，做上下運動。定位精度為±0.1mm。（6）步進電機步進電機根據(jù)機械臂來選配。4上位機監(jiān)控軟件的選擇本設(shè)計要求上位機監(jiān)控軟件不僅能夠?qū)φ紫到y(tǒng)的設(shè)備進行控制，而且還可以監(jiān)控各設(shè)備的運行狀態(tài)及報警處理?，F(xiàn)在市面上位機監(jiān)控軟件有MCGS、力控、組態(tài)王、WinCC、IFIX等。MCGS6.2是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件技術(shù)有限公司生產(chǎn)的，最大的特點就是易學(xué)易用。MCGS的數(shù)據(jù)庫訪問功能是通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)的，MCGS具有訪問數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部函數(shù)，腳本語法采用類BASIC的結(jié)構(gòu)，可以快速訪問數(shù)據(jù)庫，如添加、修改或刪除記錄。但是MCGS6.2沒有自帶的能夠訪問數(shù)據(jù)庫的控件，很難實現(xiàn)顯示記錄數(shù)不定的數(shù)據(jù)表的全部內(nèi)容的功能。力控5.0是由北京三維力控科技有限公司生產(chǎn)的，是國內(nèi)比較有名的國產(chǎn)組態(tài)軟件。MCGS的數(shù)據(jù)庫訪問功能也是通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)的，也具有訪問數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部函數(shù)，其腳本語法采用類BASIC的結(jié)構(gòu)，可以很方便的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢，但是力控5.0也沒有自帶的訪問數(shù)據(jù)庫的控件，也很難實現(xiàn)顯示記錄數(shù)不定的數(shù)據(jù)表的全部內(nèi)容的功能。組態(tài)王6.51是由北京亞控科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的，也是國內(nèi)比較有名的國產(chǎn)組態(tài)軟件。組態(tài)王的數(shù)據(jù)庫訪問功能是通過腳本和控件實現(xiàn)的，也具有訪問數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部函數(shù)，其腳本語法采用類C的結(jié)構(gòu)，可以很方便的編寫訪問數(shù)據(jù)庫的腳本程序。同時組態(tài)王還自帶了能夠訪問數(shù)據(jù)庫的控件，只須通過簡單設(shè)置就可顯示數(shù)據(jù)表的全部內(nèi)容。WinCC是SIEMENS與Microsoft公司合作開發(fā)的、開放的過程可視化系統(tǒng)。WinCCV6.0使用MicrosoftSQLServer2000作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫，可以使用ODBC，DAO，OLE-DB，WinCCOLE-DB和ADO方便的訪問歸檔數(shù)據(jù)。但是WinCC的控件和內(nèi)部腳本函數(shù)只能訪問SQLServer2000中的歸檔數(shù)據(jù)，而無法讀出或?qū)懭肫渌鼣?shù)據(jù)。另外，WinCC自帶的SQLServer2000數(shù)據(jù)庫與我們?nèi)粘Ｊ褂玫腟QLServer2000還有所區(qū)別，不能向訪問日常使用的SQLServer2000那樣訪問WinCC的SQLServer2000數(shù)據(jù)庫。比較各種組態(tài)軟件并考慮性價比，最終選擇使用國內(nèi)組態(tài)軟件中最穩(wěn)定的組態(tài)軟件—組態(tài)王作為上位機監(jiān)控系統(tǒng)。5基于樣品粉碎及加液控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計在大多數(shù)控制系統(tǒng)中，緊緊實現(xiàn)控制是不夠的。在許多情況下也需要組態(tài)監(jiān)控界面對系統(tǒng)經(jīng)行監(jiān)控。通過監(jiān)控可以增加人機交互的能力，使操作人員實時的監(jiān)控系統(tǒng)，并使系統(tǒng)操作變的方便。系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機監(jiān)控組態(tài)界面的設(shè)計，以及智能步進電機驅(qū)動器程序、注射泵動作程序和PLC程序的設(shè)計。本文采用組態(tài)王設(shè)計樣品粉碎及加液控制系統(tǒng)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)包括粉碎機、注射泵操作參數(shù)設(shè)定、動作和狀態(tài)監(jiān)控界面和機械臂工作監(jiān)控界面。以及報警指示、報表打印、配方和故障處理功能。5.1可編程序控制器(PLC)的程序設(shè)計PLC的控制程序主要在西門子公司的STEP7MicroWINSP6軟件環(huán)境中完成。STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標準軟件包。它是SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。創(chuàng)建一個項目結(jié)構(gòu)。項目就像一個文件夾，所有數(shù)據(jù)都以分層的結(jié)構(gòu)存于其中，任何時候都可以使用。在創(chuàng)建了一個項目后，所有其他任務(wù)都在這個項目下執(zhí)行。本系統(tǒng)在STEP7中的新建項目如圖1-1所示。圖1-1新建項目界面（2）創(chuàng)建程序在這里對PLC進行編程，首先使用梯形邏輯圖（LAD）作為編程語言。梯形邏輯圖是編程語言的圖形表達形式，它的指令語法與繼電器的梯形邏輯圖相似，當(dāng)電信號通過各個觸點、復(fù)合元件以及輸出線圈時，使用梯形圖可以追蹤電信號在電源示意線之間的流動。首先根據(jù)工藝及控制要求給出程序的流程圖如圖1-2所示。機械臂（X軸）返回機械臂（Z軸）返回機械臂到達加液工位（Z軸）結(jié)束加液初始化機械臂到達設(shè)定工位（X軸）是否按設(shè)定參數(shù)均質(zhì)完成均質(zhì)加液是否完成注射泵清洗均質(zhì)器機械臂（X軸）返回機械臂（Z軸）返回機械臂到達加液工位（Z軸）結(jié)束加液初始化機械臂到達設(shè)定工位（X軸）是否按設(shè)定參數(shù)均質(zhì)完成均質(zhì)加液是否完成注射泵清洗均質(zhì)器否否是是否否是是圖1-2整體工藝流程圖（3）具體程序如下：主程序通過梯形圖進行編程。在編程過程中，根據(jù)工藝要求進行編程，下面將介紹一下不同工藝段在程序中的作用，也就是說實際工程是怎樣通過程序來實現(xiàn)的。首先介紹實現(xiàn)工藝的幾個主要的控制編程過程：5.1.1主程序設(shè)計為了程序的閱讀和修改方便，將采用模塊化編程。在主程序中調(diào)用各個功能子程序，來達到控制的目的。5.1.2粉碎機控制的子程序設(shè)計（模擬量控制）粉碎機的速度是由可編程控制器（PLC）來控制的，具體控制是PLC通過模擬量模塊控制單向直流調(diào)壓模塊來控制粉碎機的轉(zhuǎn)速。控制的關(guān)鍵點在于量程的轉(zhuǎn)換，例如：輸入量為電流信號其對應(yīng)關(guān)系是電流0-20mA(0~32000),4-20mA(6400~32000)。模擬量的輸出方式有很多，視用途而定。但最終還是給出0-32000的工程值的數(shù)值給AQW。一下程序的功能是對應(yīng)粉碎機的5個不同的轉(zhuǎn)速。粉碎機速度控制程序（粉碎機的控制是由PLC通過模擬量模塊通過單向直流調(diào)壓模塊來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。）模擬量的處理是由模擬量模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬信號，其對應(yīng)關(guān)系是電流0~20mA(0~32000）,4~20mA(6400~32000)模擬量的輸出方式很多，但是最終還是給出0~32000的工程值給AQW0。注射泵控制的子程序設(shè)計跟據(jù)工藝要求，在控制過程中需要進行多次加液。首先繪制工藝流程圖如下，見圖1-3所示。初始化完成中斷30調(diào)用初始化子程序活塞過載否（N）是（N）調(diào)用發(fā)送加液子程序0發(fā)送完成中斷00定時器開始定時0定時時間到調(diào)用發(fā)送查詢狀態(tài)子程1序0初始化完成中斷30調(diào)用初始化子程序活塞過載否（N）是（N）調(diào)用發(fā)送加液子程序0發(fā)送完成中斷00定時器開始定時0定時時間到調(diào)用發(fā)送查詢狀態(tài)子程1序0忙（N）閑（Y）結(jié)束主程序主程序開始發(fā)送完成中斷20調(diào)用接收子程序2接收完成中斷10判斷泵的狀態(tài)圖1-3注射泵控制流程圖SP1-C1是一款結(jié)構(gòu)緊湊，用于精密流體傳輸?shù)腛EM產(chǎn)品。通過計算機或微處理器對其進行控制，自動完成移液、稀釋和分配功能。SP1-C1有強大的指令系統(tǒng)，用戶可設(shè)置參數(shù)。大多數(shù)的命令參數(shù)有默認值；針對不同應(yīng)用默認值不一定是最優(yōu)設(shè)置。泵可接受單命令或命令串。例如：-單命令 如[A6000R]移動活塞位置到6000。-命令串 如[IA6000OA0R]移動閥到輸入口位置，移動活塞位置到6000，然后旋轉(zhuǎn)閥到輸入口位置，最終返回活塞位置到0。程序舉例：Z25IS30A1195OS12A0R注射量為5mlZ25IS20A5630OS20A0IS20A4510OS20A0R注射量為45mlZ25gIS20A5630OS20A0G3R注射量為75mlZ25gIS20A5630OS12A0G3IS20A4510OS12A0R注射量為95mlS7-200PLC與注射泵之間采用RS-485的通信方式，考慮到通信協(xié)議的問題，采用S7-200PLC的自由口通信協(xié)議，將注射泵程序轉(zhuǎn)換為PLC程序如下：主程序：所有的功能全都寫成子程序的形式，方便程序的閱讀和修改。在主程序中調(diào)用發(fā)送加液子程序、中斷程序、發(fā)送狀態(tài)查詢子程序、接收加液泵狀態(tài)子程序、初始化子程序等。目的是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化編程。方便日后查詢和修改。（2）發(fā)送加液子程序:本系統(tǒng)中利用S7-200通信，來達到對注射泵的程序控制。利用S7-200PLC的自由口通信協(xié)議，通信協(xié)議可由用戶根據(jù)需要通信的設(shè)備自己編寫。首先，設(shè)置通信的波特率（如果選擇PLC通信口是port0口，則在SMB30中設(shè)置，如果選擇的通信口是port1口，則在SMB130中設(shè)置。）在VB210中設(shè)置發(fā)送的字節(jié)數(shù)，本次加液一共發(fā)送26個字節(jié)，發(fā)送的數(shù)值從VB211~VW235。在ATCH中設(shè)置發(fā)送完成中斷，最后開全局中斷。發(fā)送查詢狀態(tài)子程序：注射泵的運行的過程中會不斷的往PLC返回數(shù)據(jù)，通過對注射泵返回數(shù)據(jù)分析可以獲知注射泵的運行狀態(tài)。加液過程中注射泵可能會出現(xiàn)錯誤狀態(tài)，例如活塞不允許移動、加液泵堵塞、活塞驅(qū)動過載、閥過載、活塞不允許移動、命令溢出等等。通過該子程序可以試試查看泵的狀態(tài)并在上位機界面中做出報警指示，通知操作者采取相應(yīng)的處理措施。發(fā)送初始化命令:當(dāng)注射泵出現(xiàn)活塞驅(qū)動能力過載、閥驅(qū)動能力過載、活塞不允許移動時只能接收初始化命令。通過初始化命令可以將活塞移動到頂端0位，閥的位置到0位。5.1.4清洗泵控制的子程序設(shè)計加液完成后為了防止交叉污染需要對加液針進行清洗，本系統(tǒng)采用單作用式氣動隔膜泵（內(nèi)置電磁閥型/氣控型）。清洗泵的控制過程是，先導(dǎo)入氣源壓力0.2~0.7Mpa,再通過脈沖信號來控制，輸入脈沖的最高頻率為10HZ，幅值為24V。編寫具體的PLC程序如下：清洗泵控制子程序是由兩個定時器來實現(xiàn)脈沖輸出的，輸出點定義為Q0.3。本程序為2HZ的脈沖輸出。5.1.5智能步進電機驅(qū)動器的控制過程（1）智能步進電機驅(qū)動器的硬件設(shè)置見圖2-1。智能步進電機驅(qū)動器可以通過軟件設(shè)置配置的驅(qū)動器的細分、輸入輸出端口、模擬步進電機的運行曲線、步進電機的型號、每相的電流、通過在智能驅(qū)動器中編程實現(xiàn)步進電機的加、減速控制、位置反饋信號等等。圖2-1驅(qū)動器硬件設(shè)置界面(2)程序舉例單擊程序功能選擇對話框中的彈出如下對話框，見圖2-2所示。圖2-2FeedtoLength設(shè)置界面這條命令的功能是：使電機移動到一個固定的位置。在上面的對話框中設(shè)置電機要走的距離、速度、加速度、減速度、正反向等等，設(shè)置完參數(shù)后通過選擇Analysis選項卡，可以查看電機的運行曲線。見圖2-3所示。圖2-3模擬運行曲線界面在此對話框中你可以查看電機的加速時間，減速時間、勻速運行時間、指令總的運行時間、總的運行距離等。單擊程序功能選擇對話框中的彈出如下對話框。見圖2-4所示。圖2-4Feed/SetOutput參數(shù)設(shè)置界面本條指令的功能是移動到設(shè)定位置后使一個I/O輸出，設(shè)置完參數(shù)后，選擇Analysis選項卡，可以查看電機運行曲線、加/減速度時間、總的運行時間，總的運行距離等。見圖2-5所示。圖2-5模擬運行曲線界面選擇outputparameters選項卡可以設(shè)置到達位置后I/O點的輸出形式。見圖2-6所示圖2-6OutputParameters設(shè)置界面5.2基于組態(tài)王6.53的上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計5.2.1組態(tài)王6.53簡介“組態(tài)王”是在PC機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包，它以Windows98/Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺，具有圖形功能完備，界面一致友好，易學(xué)易用的特點。該軟件包由工程管理器(ProjManager)、工程瀏覽器(TouchExplorer)、畫面運行系統(tǒng)(TouchVew)三部分組成。ProjManager用于新建工程、工程管理，并能對已有工程進行搜索、備份及有效恢復(fù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)字典的導(dǎo)入和導(dǎo)出。TouchExplorer是“組態(tài)王”軟件的核心部分和管理開發(fā)系統(tǒng)，是應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境，內(nèi)嵌畫面開發(fā)系統(tǒng)，可完成對畫面的設(shè)計、動畫的連接等工作。TouchVew是“組態(tài)王”軟件的實時運行環(huán)境，用于顯示畫面開發(fā)系統(tǒng)中建立的動畫圖形畫面，并負責(zé)數(shù)據(jù)庫與I/O服務(wù)程序的數(shù)據(jù)交換,通過實時數(shù)據(jù)庫管理從一組工業(yè)控制對象采集到的各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式形象地表示出來，同時完成報警、歷史記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能，并可生成歷史數(shù)據(jù)文件。在TouchExplorer的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計開發(fā)的畫面應(yīng)用程序必須在TouchVew運行環(huán)境中才能運行。組態(tài)王6.53是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。使用組態(tài)王6.53，用戶無須具備計算機編程的知識，就可以在短時間內(nèi)輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)定，功能全面，維護量小并且具備專業(yè)水準的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。組態(tài)王6.53具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。5.2.2S7-200PLC與組態(tài)王6.53的PPI通信在制作PLC的監(jiān)控畫面之前，我們需要將組態(tài)王與PLC連接起來。組態(tài)王的通訊機制是組態(tài)王把每一臺與之通訊的設(shè)備看作是外部設(shè)備，為實現(xiàn)和外部設(shè)備的通訊，組態(tài)王內(nèi)置有大量的設(shè)備驅(qū)動作為外部設(shè)備的通訊接口。在開發(fā)過程中，只需根據(jù)工程瀏覽器提供的“設(shè)備配置向?qū)А?，一步步完成連接過程，即可實現(xiàn)組態(tài)王和相應(yīng)外部設(shè)備驅(qū)動的連接。在運行期間，組態(tài)王可以通過驅(qū)動接口和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)或指令。組態(tài)王的驅(qū)動程序采用ActiveX技術(shù)，每一驅(qū)動都是一個COM對象，這種方式使驅(qū)動和組態(tài)王構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，從而保證運行系統(tǒng)的高效率，如圖4-14所示。因此，組態(tài)王可以與一些常用I/O設(shè)備直接進行通訊，如可編程控制器(PLC)、智能模塊、板卡、智能儀表等。組態(tài)王與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換采用五種方式:串行通訊方式、DDE方式、板卡方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點方式、人機接口卡方式。見圖3-1所示。組態(tài)王組態(tài)王COM組件計算機外部設(shè)備動畫顯示線程驅(qū)動設(shè)備4驅(qū)動設(shè)備3驅(qū)動設(shè)備2驅(qū)動設(shè)備1數(shù)據(jù)采集線程歷史記錄線程其他線程模塊PLC智能儀表其他工控設(shè)備圖3-1組態(tài)王與外部設(shè)備通訊示意圖組態(tài)王和PLC200的通訊有多種方式，比如：自由口協(xié)議、PPI協(xié)議、Modbus協(xié)議、MPI協(xié)議；使用自由口方式進行通訊時，亞控公司（組態(tài)王）提供了自由口通訊的初始化程序（組態(tài)王光盤中提供此程序）；使用PPI協(xié)議相對最簡單，這也是國產(chǎn)軟件中最多的驅(qū)動；S7200使用Modbus協(xié)議進行通訊時，亞控公司提供了PLC(MODBUS)通訊的初始化程序（組態(tài)王光盤中提供此程序）；上述三種都需要使用PC/PPI硬件電纜，經(jīng)濟上比較實惠；當(dāng)然具體配置可以參考在線幫助；使用MPI協(xié)議需要上位機安裝MPI通訊卡（CP5611或者CP5613），成本相對高一些；當(dāng)然還可以使用DP協(xié)議，那PLC還需要配置EM277作為DP從站來配置，價格也相對更高。如果是簡單的小系統(tǒng)，使用PPI協(xié)議就足夠了。因此本系統(tǒng)采用組態(tài)王6.53與PLC200的PPI通訊協(xié)議。(1)用組態(tài)王6.53和PLC200建立PPI通訊PPI(Point-to-Point)是西門子專為S7-200系列開發(fā)的一個通訊協(xié)議，為主/從協(xié)議，PC機為主站，S7-200為從站。該方式下有兩種硬件連接方法，一種是使用PPI電纜將PC機串口和S7-200的通訊口相連，采用串行通訊方式。另一種是PC機通過CP5611通訊卡與S7-200相連。在第一種方式下，使用PLC編程軟件STEP7-Micro/WIN32安裝通訊硬件，在“SETPG/PCInterface”對話框中配置PC/PPIcable,選擇InterfaceParameterAssignment為PPI，并設(shè)置PPI參數(shù)默認值,雙擊通訊框中得刷新圖標后建立與S7-200的通信連接。在第二種方式下，將CP5611卡安裝在PC機的插槽中，用連接帶纜將CP5611卡與S7-200的PORT口相連，安裝STEP7-Micro/WIN32和STEP7V5.0+ServicePack5(或STEP7V5.1+ServicePack2)，運行PG/PC-interfaceparameterisation，將用戶界面配置為CP5611(PPI)方式。這兩種方式的上位機組態(tài)王的設(shè)置基本相同，首先使用“設(shè)備配置向?qū)А倍x外部設(shè)備，分別選擇西門子S7-200系列PPI通信和西門子S7-200系列通訊卡通信，并設(shè)定如下通信參數(shù):波特率9600bps,數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗。在設(shè)定PLC地址時，兩種方式有所不同，前者將PLC地址設(shè)為默認地址2。后者采用“PLC地址.2”地址格式，小數(shù)點前的數(shù)字為有效地址PLC的地址(即站號)，小數(shù)點后為數(shù)字2，所設(shè)定的地址范圍為2.2～126.2，其中PLC的地址可通過編程軟件STEP7-Micro/WIN設(shè)置來實現(xiàn)。在組態(tài)王的“數(shù)據(jù)字典”中定義相關(guān)變量，選擇變量類型為I/O型，并選擇連接設(shè)備，指定所訪問的寄存器名及寄存器類型。注意，組態(tài)王只支持V寄存器，如果要監(jiān)控Q、I、M寄存器，可以先在PLC程序中將Q、I、M寄存器傳至V寄存器，組態(tài)王通過對V寄存器的操作來實現(xiàn)對Q、I、M寄存器的監(jiān)控。另外，組態(tài)王不支持直接以I/O離散變量的定義，需以字節(jié)(BYTE)形式存取，每一BYTE類型(8個BIT位)對應(yīng)8個開關(guān)量的輸入或輸出狀態(tài)，即BYTE的0~7位分別對應(yīng)輸入或輸出的0~7開關(guān)量通道，如果要顯示或控制某一開關(guān)量通道的狀態(tài)，可以使用組態(tài)王提供的BIT()或BITSET()函數(shù)進行取位或置位。在制作好的監(jiān)控畫面中，將畫面的圖素與定義的變量建立“動畫連接”，在TouchVew中運行，即可建立實時通信，得到一個反映工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控畫面。按照上述過程，結(jié)合本次設(shè)計內(nèi)容，把建立PPI通訊的過程通過圖片一步步加以詳細說明。打開組態(tài)王6.53后，將西門子PLC200上電，用RS232通過PLC200的編程口，把電腦和PLC連接起來，定義組態(tài)王設(shè)備PLC\西門子\S7200系列\(zhòng)PPI。主界面如圖3-2所示。圖3-2組態(tài)王定義設(shè)備按照組態(tài)王定義設(shè)備的要求進行設(shè)置，將所選設(shè)備設(shè)置為：生產(chǎn)廠家：西門子；設(shè)備名稱：S7-200系列；通訊描述：PPI。然后對所安裝設(shè)備進行邏輯名稱設(shè)置；如圖3-3所示。圖3-3對設(shè)備進行邏輯名稱設(shè)定設(shè)定好設(shè)備邏輯名稱后，單擊“下一步”選擇串口號，電腦一般采用COM1口通訊，PLC與電腦相連接的RS232也是通過COM1口經(jīng)行通訊的，因此本機通訊設(shè)定為COM1，不使用虛擬串口（GPRS）因此不用設(shè)定。如圖3-4所示。圖3-4選擇串口號串口號選擇好后，單擊“下一步”進行設(shè)備地址設(shè)置，設(shè)備地址格式為：由于S7-200系列PLC的型號不同，設(shè)備地址的范圍不同，所以對于某一型號設(shè)備的地址范圍，請見相關(guān)硬件手冊。組態(tài)王的設(shè)備地址要與PLC的PORT口設(shè)置一致.PLC默認地址為2。如圖3-5所示。圖3-5設(shè)備地址設(shè)定設(shè)備地址設(shè)定為2，單擊“下一步”進行通訊參數(shù)設(shè)定，在組態(tài)王中的添加的設(shè)備為S7-200，設(shè)備地址為2，嘗試恢復(fù)間隔為30秒，最長恢復(fù)時間24小時，使用動態(tài)優(yōu)化。如圖3-6所示。圖3-6通訊參數(shù)設(shè)定通訊參數(shù)設(shè)置完后，單擊“下一步”就出現(xiàn)您所設(shè)定的所有通訊信息，如圖3-7所示。圖3-7信息總結(jié)所有通訊信息設(shè)置完畢后，可以對此次通訊設(shè)置經(jīng)行測試，右擊組態(tài)王中的S7-200設(shè)備選擇進行測試：在通訊參數(shù)選項中：設(shè)備地址2，波特率9600，數(shù)據(jù)位8，偶校驗，停止位1，通訊超時1000毫秒，采樣頻率1000毫秒。如圖3-8所示。圖3-8串口設(shè)備測試：通訊參數(shù)設(shè)置通訊參數(shù)設(shè)置完畢后，選擇設(shè)備測試選項，如圖3-9所示。圖3-9串口設(shè)備測試：設(shè)備測試將設(shè)備測試中的寄存器選為M，數(shù)據(jù)類型選為Bit，單擊“添加”加入你所要測試的組態(tài)變量，就可以測試出現(xiàn)在的設(shè)置是否已經(jīng)將組態(tài)與西門子PLC200通過PPI協(xié)議連接起來。組態(tài)軟件中的硬件驅(qū)動參數(shù)設(shè)置完成后，在數(shù)據(jù)變量中添加組態(tài)和硬件相連接的變量，形成變量數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫的方式：單擊數(shù)據(jù)詞典，在單擊新建則出現(xiàn)圖4-9所示，在對話框中輸入變量名，以及變量屬性，連接的設(shè)備以及數(shù)據(jù)類型，和數(shù)據(jù)的開放性即DDE接口，以及數(shù)據(jù)的安全設(shè)置。見圖3-10所示。圖3-10組態(tài)監(jiān)控變量數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分。在運行時，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送達生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)。因此，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細信息。在組態(tài)王軟件中數(shù)據(jù)庫分為實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。5.2.3自動樣品提取凈化集成裝置系統(tǒng)控制界面設(shè)計本監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成對樣品制備系統(tǒng)的監(jiān)控，通過生動、形象的組態(tài)畫面來實時監(jiān)控設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，系統(tǒng)中某些設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)圖表的繪制會需要用腳本來完成。（1）“登陸系統(tǒng)”畫面該監(jiān)控系統(tǒng)一方面完成對設(shè)備和運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，另一方面還要完成對操作人員信息的采集，如登陸時間、登陸者姓名、所做實驗等。登陸畫面如圖3-11所示。圖3-11登陸系統(tǒng)界面(2)點擊控制系統(tǒng)進入按鈕，進入設(shè)備狀態(tài)畫面，見圖3-12。在設(shè)備狀態(tài)畫面顯示有整個樣品粉碎和注射泵控制系統(tǒng)主要設(shè)備，包括粉碎機、注射泵、機械臂等，可監(jiān)視它們實時的工作狀態(tài)以及液位和流量變化；在遠程模式下可在此畫面直接對設(shè)備如粉碎機、加液泵、機械臂等進行上位控制。圖3-12設(shè)備狀態(tài)界面試管設(shè)置界面本系統(tǒng)實現(xiàn)對16個試管中的樣品經(jīng)行批處理，通過本界面可以選擇需要樣品處理的試管，見圖3-13所示。圖3-13試管設(shè)置界面方法編輯界面方法是一個參數(shù)集合，而對于批處理器，一個方法可能被用來描述批處理過程中的不同步驟。用戶利用方法可以在控制過程中得心應(yīng)手，提高效率。比如當(dāng)檢驗過程需要大量的控制變量參數(shù)時，如果一個接一個地設(shè)置這些變量參數(shù)就會耽誤時間，而使用方法，則可以一次設(shè)置大量的控制變量參數(shù)，滿足生產(chǎn)過程的需要。在此界面中可以為選擇的試管編輯新方法、調(diào)用以前保存的方法、試管中的樣品、操作人等。見圖3-14所示。圖3-14方法編輯界面方法操作界面可以進行配方的處理，包括配方的設(shè)定、配方的信息的編輯及裝載、保存，還有前一條配方的信息及后一條配方的信息的處理。菜單功能本操作系統(tǒng)就有Windows標準的菜單操作功能，用戶能很快的使用本操作系統(tǒng)。用戶可以通過菜單完成按鈕完成的功能。見圖3-15所示。圖3-15系統(tǒng)菜單功能參數(shù)設(shè)置界面系統(tǒng)設(shè)備的運行參數(shù)是通過上位機組態(tài)界面來設(shè)置。通過組態(tài)界面與PLC的連接達到遠程控制的目的。見圖3-16所示。圖3-16參數(shù)設(shè)置界面（7）報表界面數(shù)據(jù)報表是反應(yīng)運行過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)進行記錄的一種重要形式。是控制過程必不可少的一個部分。它既能反映系統(tǒng)實時的生產(chǎn)情況，也能對長期的生產(chǎn)過程進行統(tǒng)計、分析，使管理人員能夠?qū)崟r掌握和分析生產(chǎn)情況。見圖3-17所示。圖3-17報表界（8）設(shè)備運行狀態(tài)報警界面通過報警界面可以判斷每個設(shè)備的運行狀態(tài)及故障點和故障原因。見圖3-18所示。圖3-18報警界面（9）打印界面在打印界面中可以設(shè)置打印的格式、紙張類型及打印預(yù)覽等等。見圖3-19所示。圖3-19打印界面（10）模擬系統(tǒng)運行界面模擬系統(tǒng)運行界面可以模擬實際設(shè)備的運行狀態(tài)、運行時的參數(shù)等等。通過模擬系統(tǒng)運行界面操作人員可以方便的控制整套系統(tǒng)的運行狀況。見圖3-20所示。圖3-20模擬系統(tǒng)運行界面調(diào)試過程中遇到的問題本次畢業(yè)設(shè)計完成的設(shè)計調(diào)試內(nèi)容較多，為了能在畢業(yè)設(shè)計中圓滿的完成設(shè)計任務(wù)，所以從工程開始到做畢業(yè)設(shè)計，這段時間就一直在做相關(guān)的設(shè)備調(diào)試和編程工作。總體來看這次畢業(yè)設(shè)計完成了硬件選型、各種設(shè)備的調(diào)試工作、上位機操作數(shù)據(jù)庫的調(diào)試工作、以及整套系統(tǒng)的運行調(diào)試。由于此次工程涉及到注射泵、步進電機、均質(zhì)器和西門子S7系列PLC以及上位機對ACCESS數(shù)據(jù)庫的添加查詢操作問題以及配方的問題，所以在整個畢業(yè)設(shè)計期間遇到的軟硬件調(diào)試問題比較多，但在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下均得到了解答?，F(xiàn)將系統(tǒng)調(diào)試過程中所遇到的問題陳列如下：硬件選型中遇到的問題粉碎機在選型是選擇的是手動操作，在控制中需要實現(xiàn)自動控制，擴展單項全控整流模塊，實現(xiàn)通過PLC對粉碎機的模擬量控制。（2）組態(tài)界面編輯中遇到的問題組態(tài)王中的內(nèi)部變量也占用點數(shù)，這就造成很大的自己浪費。組態(tài)王中的配方不能另存為另一個文件，這給用戶使用造成很大的局限性。組態(tài)王自身所帶數(shù)據(jù)庫，用戶在查詢時，比較麻煩。相比之下用控件操作相對容易。（3）注射泵調(diào)試中遇到的問題注射泵調(diào)試時由于試管與閥密封有問題存在漏水現(xiàn)象。注射泵運行時，加速度過快容易造成泵堵塞。這種情況需要根據(jù)實際應(yīng)用稍作調(diào)整。注射泵調(diào)試時，由于注射泵系統(tǒng)本身的問題，在注射泵程序的末尾必須加一空格才能正常完成