板框式压滤机控制系统的PLC设计

SHANDONG 毕业设计说明书 板框式压滤机控制系统 的 PLC 设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 岳海路 学 号： 0812206759 指导教师： 刘丽娜 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 随着全球经济的迅速发展，能源行业、环保行业也在迅猛发展，在食品、 煤炭、冶金、医药制造、生物生产、生活工业污水、江河治理、化工等高品位、 高纯净的生产中，过滤与分离机械工业越来越受到全球的重视，分离与过滤机 械进入了高速发展的轨道，而压滤机作为一种间歇性的过滤分离装置设备，主 要进行固液分离操作。同时，压滤机最大的优越性就是正压、高强压脱水，使 滤饼水分低、能耗少，金属流失少，滤液更清晰透明。固液分离装置起源甚早， 历史悠久，近几十年科技进步快速，固液分离装置更新换代也相当迅速。我国 工业制造业也在快速发展，各种先进的压滤机影响了工业的一次次的创新。 本此设计主要介绍了板框式压滤机的结构和工作原理，对 PLC 及其 S7-200 系列 PLC 做了简单概述，就采用 S7-200 系列 PLC 控制压滤机的设计方法进行 了描述。分析了系统的工作原理，详细的说明了电气控制系统的流程图、PLC 的 I/O 地址分配和程序梯形图的绘制。 这种控制方法大大提高了系统的自动化程 度和设备的生产效率，具有较大的推广价值。 关键词关键词关键词关键词：压滤机，PLC，工作原理，控制系统 Abstract II Abstract With the rapid development of the global economy, with the energy industry, the environmental protection industry also in rapid development in food, coal, metallurgy, medicine manufacture, biological production, life sewage, industrial management, chemical and other rivers high grade, high pure production, filtering and separating machinery industry has been more and more importance of the global, separation and filtration machinery into a high-speed development of the track, and filter press as a kind of intermittent filtration separation devices, the main solid-liquid separation operation. At the same time, pressure filter is the greatest advantage of the positive pressure, high crush dehydration, make water filter cake low, less energy consumption, metal loss less, filtrate more clear and transparent. Solid-liquid separation device very early origin, has a long history, science and technology progress rapidly in the past few decades, solid-liquid separation equipment renewal is also quite quickly. Our industrial manufacturing industry is rapidly developing, various kinds of advanced filter press affected industrial and innovation. Our industrial manufacturing industry is rapidly developing, various kinds of advanced filter press affected industrial and innovation. This design mainly introduced the plate and frame type filter press the structure and the working principle of PLC and its series S7-200 PLC made a brief overview, use series S7-200 PLC control pressure filter design method are described. The analysis of system working principle, the details of the electrical control system, PLC flow chart of the I/O address assignment and process ladder chart drawing. This control method has greatly improved the system automation degree and equipment production efficiency, which have great applied value. KeyWords: Filter press，PLC，Working principle，Control system 目 录 III 目 录 摘 要.I ABSTRACT .II 目 录.III 第一章 引 言.1 1.1 设计的目的及意义.1 1.2 压滤机的发展历程.1 1.3 本设计的主要内容.5 第二章 板框式压滤机的结构和工作原理.6 2.1 板框式压滤机的结构.6 2.2 板框式压滤机的工作原理.8 2.3 压滤机的工作过程.8 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述10 3.1 PLC 概述11 3.1.1 PLC 的产生与发展11 3.1.2 PLC 的特点12 3.1.3 PLC 的分类及应用14 3.1.4 PLC 的工作过程15 3.1.5 PLC 的组成15 3.1.6 PLC 的编程语言15 3.2 S7-200 系列 PLC 概述 18 3.2.1 S7-200 系列 PLC 的型号 18 3.2.2 S7-200 系列 PLC 系统构成 19 3.2.3 S7-200 型 PLC 的软件特点 21 3.2.4 S7-200 系列的 PLC 编程器 22 3.2.5 S7-200 系列 PLC 的内部继电器 22 第四章 板框式压滤机控制系统的 PLC 设计23 4.1 板框式压滤机的 PLC 控制系统的构成与工作原理.23 4.1.1 压滤机电气控制系统的构成.23 4.1.2 压滤机的电气系统的工作原理.23 4.2 压滤机 PLC 电气控制系统的工艺流程24 4.3 板框式压滤机的主电路设计.24 4.4 板框式压滤机的 PLC I/O 连线图24 4.5 CPU224 及数字量扩展模块 EM223 外围接线图 .28 目 录 IV 4.6 系统程序30 结 论.33 参考文献.34 致 谢.35 第一章 引 言 -1- 第一章 引 言 1.1 设计的目的及意义 随着现代科技的进一步增长，经济也迅猛发展，人们对全球选矿工业、化 工、医药等部门的技术要求越来越高，广泛运用于食品、医药、冶金、煤矿的 压滤机也越来越普及，在工业中发挥的作用也越来越重要。 本设计所研究的压滤机是金矿氰化所用的板框式压滤机。冶金的过程中， 大型的压滤设备可有效地降低滤饼水分，但传统的压滤机通常采用继电器式的 控制设备，这种控制系统结构复杂，触点多，容易出现故障等存在好多缺点， 这样就使工作周期长，劳动强度大，不利于人工操作。在公司，压滤机主要用 于三方面：一是对经球磨磨矿后的矿浆实现固液分离，再经调浆水及氰化钠调 浆后泵送至浸出；二是将氰化、洗涤后的矿浆实现固液分离，再经调浆后泵送 至多元素车间；三是将多元素车间泵送来的矿浆实现固液分离，所得滤饼为公 司最终产物硫铁矿。所以压滤机在该公司发挥着至关重要的作用，节约人 力，降低生产成本，提高公司效益是很有必要性的。 PLC 自产生至今只有 40 多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为 当代工业自动化的主要支柱之一。PLC 具有通讯能力强，可以挂在各种工业总 线上，节省了大量的硬接线，减少了故障率发生，并且 PLC 具有丰富的功能指 令、完善的抗干扰措施，较高的可靠性。鉴于 PLC 的先进性和可靠性，用 PLC 控制压滤机不仅在很大程度上提高了系统的自动化程度，同时也减轻了工人的 劳动强度，节约大量人力物力，降低生产成本，提高经济效益。学习了解压滤 机，研究压滤机的电气控制系统，对从事生产工作有着相当重要的作用。 1.2 压滤机的发展历程 压滤机最早是在十八世纪初应用于化工生产，至今在冶金、炼油、染料、 食品、化工、酿造、陶瓷、制药、污水处理等行业仍广泛应用。随着我国工业 制造的发展，我国的压滤机已经经过了几个阶段的发展。随着我国科技技术的 发展，各种先进的压滤机影响了工业的一次次的创新。从单一形式的压滤机到 第一章 引 言 -2- 现在我国市场出现很多过滤设备，根据不同的过滤需要，设计制造出了各种压 滤机类型，根据外形来分，可以分为卧室压滤机、立式压滤机、带式压滤机， 而带式压滤机可以分为真空带式压滤机、压力带式压滤机，同样卧室压滤机也 可以分为厢式压滤机、板框压滤机等。 这些不同类型的压滤机设备都是要实现固液分离，将混合物流经过滤介质 （滤布），固体停留在虑介质上，并逐渐在滤介质上堆积形成过滤泥饼，而滤 液部分则渗透过滤介质成为不含固体的清夜，从而实现固液分离的一种机械设 备。 谈到压滤机的发展，起源要从国内和国外两方面说起： 一、国内 最早用到压榨过滤是在酿酒工艺上，山东诸城凉台出土的一副汉代的画像 有一幅庖厨图，图中的一部分为酿酒情形的描绘。酒的过滤大概是用绢袋，并 用手挤干。虽然所用过滤器材简单，但也实现了固液分离。直到 1965 年我国介 绍和推广了气模市板框式压滤机，同时具有压榨和过滤的功能，传统的人力压 榨过滤方式结束了。 二、国外 谈到瓷器的历史和文化，世人每每言及中国；讲到啤酒，人们则往往提起 德国。世界首台板框式压滤机就是由爱酒的德国发明的。不仅提高了工作效率， 还提高了过滤质量。压滤机一直延续并发展，现在工业生产中起到了相当重要 的作用。 从手动压滤机到机械式压滤机，再到自动压滤机，整个过程就是从简单到 复杂，从低端到高端，从人工到信息化的演变过程。从压滤机的发展历程上看 压滤机共经过四代的更替直至现在自动化压滤机设备。下面从整体上认识下压 滤机的发展。 我国第一代压滤机大量使用是在上个世纪七十年代前后，由于当时科学技 术的限制，第一代压滤机基本上能够满足了工业市场对过滤设备的要求，但应 用相对比较狭窄，有明显的不足之处。它适用于高灰分，细粒度，高粘度的煤 第一章 引 言 -3- 泥和尾煤的脱水，也适用于精煤的脱水。产品的水分约为百分之二十到百分之 二十二之间，滤液浓度为 0.1 克每升到 0.03 克每升。第一代压滤机相对来说有 很多不足之处：一、由于技术的落后，第一代压滤机机体笨重，占用空间大， 相对今天压滤机来说简直就是庞然大物；二、第一代压滤机采用全机械式的控 制方式，操作复杂，且对操作者的技能要求也很高，操作成本高；三、效率低， 处理能力小，压滤时间长，间歇而不能连续作业；四，滤板的抗氧化性不好， 寿命短，滤布要定时更换耗量高，维修频繁，维修成本高。 针对第一代压滤机的缺点，压滤机厂家做出很多的改进，发展为第二代压 滤机。压滤机厂家做出了很多改进，主要体现在以下几个方面。 (1) 在滤板材质上，除了铸铁的，还出现了新的化工合成材料，增加了滤板 的片数和面积，增加了处理能力，加大了过滤面积； (2) 在滤板结构上，采用了钢制加固滤板,在滤板表面膜压一层橡胶薄膜和橡 胶周边，使得滤板不仅质量轻，易于维修，而且防腐性较好； (3) 在滤板支撑方面，有的厂家依然采用铸铁材料的滤板，由于压滤面积增 加，使得滤板质量增加，所以由滤板两边的支撑结构改成了上部悬挂的结构， 降滤板吊挂在上部大梁上； (4) 在进料方面，改为了多路进料的方式，这样不仅加快了进料时间，而且 可以使物料均匀分布在整个滤面上，使得压力不平衡的现象大为减少； (5) 由于滤板加大，过滤面积增加，单液压缸紧压在滤板中心，使得四周压 力不足，尺寸也太大，因此改成了多缸结构； (6) 滤板的拉开装置也进行了改进，装置不仅更加简单，而且更加可靠，大 大缩短了了取拉板的时间，卸饼时间减少了； (7) 采用光电安全屏蔽设施，来监控和保障安全，有的厂家研制出来了可以 连续生产的全自动压滤机。 第二代压滤机最主要的特点是滤板的改变，采用了增加了“挤压过程”。 这种新的化工材质滤板为薄膜滤板，其形成滤室，厚度可以改变。不但滤板材 质有所改进，滤板结构也有改变。采用新的钢制加固板，在其表面膜压一层橡 第一章 引 言 -4- 胶薄膜和橡胶周边，这种滤板重量轻，防腐性好。采用多路进料，加快了进料 时间，使浆体均匀分布在整个滤板上，减少压力不平衡现象。第二代压滤机的 处理量大，产品水分也有所降低。 科学技术在不断发展，第三代压滤机也随着产生了。美国丹佛撒拉公司研 制的 VPA 型压滤机便是第三代压滤机的代表。与第二代压滤机相比，它有着更 有优势的方面。首先经过长期运转比较坚固耐用才是最应具备的，尽管钢芯滤 板成本高，但第三代压滤机还是大多采用钢制滤板。其次该代压滤机向大型化 方向发展。另外为了加快卸料，采用一次打开一组滤板的开启装置，并使过率 压力加大，一般情况下压力控制在 0.8 到 1 兆帕之间。此外减少了循环时间，缩 短为 8 到 15 分钟。然而与第二代相比最明显的改进在于挤压滤饼后增加了“吹 气过程”，这样使滤饼的水分再次降低。 从目前最新情况看，最新一代的压滤机是第四代压滤机APN 型压滤机 （西班牙 TH 公司生产的）。它采用高压隔膜泵压滤,然后利用高压吹气对滤饼 进行置换脱水,最后用机械方法进行挤压压缩滤室实现固液分离。与先前三代压 滤机相比较，第四代压滤机最显著的不同点为结构不复杂、机体较小、占用空 间小、循环时间短。并且第四代压滤机使用寿命延长、耗能降低，可靠性提高。 四代压滤机的比较如表 1-1 所示。 表 1-1 四代压滤机的比较 第一章 引 言 -5- 总体归纳来看。从第一代压滤机仅有压滤过程，第二代增加挤压过程，第三 代增加吹气过程且缩短循环时间到第四代机体减小，循环时间更短，生产效率 更高，压滤机技术层层突破，越来越能更好的应用到工业发展中，为社会谋福 利1。 1.3 本设计的主要内容 本设计分为四章，每一章的内容安排如下： 第一章 绪论。在该章主要介绍了课题的研究目的和意义，压滤机的起源， 以及压滤机的发展历程。 第二章 板框式压滤机的结构和工作原理。首先就板框式压滤机的基本结构 进行分析，然后介绍了其工作原理，分析了工作过程。 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 的概述。 鉴于板框式压滤机的传统式与现在 自动式控制系统的比较，说明 PLC 控制系统有着相当明显的优势。对 PLC 做了 相关介绍， 公司板框式压滤机采用S7-200系列PLC控制， 所以分析介绍了S7-200 系列 PLC 基本情况。 第四章 板框式压滤机的控制系统。本章介绍了板框式压滤机的电气控制系 统的构成、工作原理，绘制电气控制系统的流程图、指出 PLC 的 I/O 地址分配、 CPU 外围接线图和程序梯形图。 第二章 板框式压滤机的结构和工作原理 -6- 第二章 板框式压滤机的结构和工作原理 2.1 板框式压滤机的结构 板框式压滤机的共有板框压滤机由压滤机过滤装置、液压系统、压滤机框、 拉板四部分组成，其大致布局框架如图 2-1。 图 2-1 板框式压滤机的框架图 一、压滤机框 压滤机框也称机架是板框式压滤机的基础部件，包括静板（止推板）、动 板（压紧板）、大梁、活动滤板四大部分组成。 (1) 两侧有大梁，将动静板连接起来，大梁用于支撑动静板和动静板之间的 活动滤板的作用，与底座一同坐落在地基上。 (2) 静板又称止推板，静板与支座连接将压滤机的一端坐落在地基上，中间 第二章 板框式压滤机的结构和工作原理 -7- 是进料孔。 (3) 动板又称压紧板，动板与液压泵站相连，用于压紧滤板，动板两侧分别 由两个滚轮支撑且坐落在大梁的轨道上，可来回滚动。 (4) 活动滤板两侧有把手，也落至在大梁上。 二、压滤机过滤装置 压滤机的过滤装置主要包括滤板、滤布、滤框三大部分。 (1) 板框式压滤机的滤板的两侧由滤布覆盖，其表面设计有凹槽，其凸出部 分用来安装、支撑滤布，并引导过滤液的流向，在滤板和滤框组装后构成液体 流通通道，用以引出滤液，同时在需要洗涤时可通入洗涤水。 (2) 板框式压滤机所安装的滤布，一方面起过滤作用，另一方面还起到密封 垫片的作用。 (3) 由交替排列的滤板和滤框构成板框式压滤机的滤室。板框式压滤机的滤 板和滤框即活动滤板，由压紧板利用压紧装置压紧，同时在滤板和滤框的部位 设有把手，坐落在大梁导轨上，用于支撑整个滤室结构。物料从静板入料口进 入滤板形成的滤室，通过滤布实现固液分离。固体颗粒留在滤室，液体则经滤 板下方的出液孔流出。压滤机的滤液流出方式分为明流过滤和暗流过滤，中矿 集团所用板框式压滤机采用明流过滤方式，即每块滤板底部两侧出液孔上装有 水管，滤液直接从水管流出。 三、液压系统 液压系统即液压压紧机构主要由液压泵站、油缸、活塞、活塞杆，活塞杆 与动板，即压紧板相连接。液压泵站的结构有：电机、油泵、溢流阀、换向阀、 压力表、油管、油箱。液压泵是泵的一种，是为液压传动提供加压液体的一种 液压元件。其功能是把电动机或内燃机的机械能转换成液体的压力能。压紧时， 液压站提供高压油是油缸与活塞所形成的腔体充满油液，由溢流阀设定压力值， 压力表显示压力值，当压紧力大于压力值时，推动压紧板将滤板压紧，溢流阀 卸荷，电机电源切断，压紧动作完成。松开时，通过换向阀换向，压力油进入 油缸的油杆腔，当压紧板的摩擦阻力小于油压时，压紧板开始退回。压紧力由 第二章 板框式压滤机的结构和工作原理 -8- 电接压力表控制，压力上下限根据工艺要求设定，当压紧力达到压力上限时， 电源自动切断，油泵停止供电。达到下限时，电源接通，油泵供油。这样来回 循环，使物料填充时能够将将滤板压紧并保证足够的压紧力2。 四、拉板部分 在大梁上设有小火车（拉板小车）导轨，可自动拉板，也可手动拉板。拉 板部分由液压马达、传动机构、小火车（拉板小车）、操控装置等组成。液压 马达带动传动链条从而带动拉板小车运动，讲滤板依次拉开。拉板小车的自动 换向由时间继电器所设定的时间控制。操控装置可随时控制拉板过程中的停进 动作，以保证卸料的顺利实现3。 2.2 板框式压滤机的工作原理 首先人工按下启动按钮开启机器，给料泵将物料由静板中心进料孔给入各 个滤室，料浆在滤室经过滤装置作用实现固液分离。压滤机的种类有很多，但 过滤装置的原理是一样的，万变不离其中，就是利用一种特殊介质，板框式压 滤机所用介质为滤布，其特殊性质就是对固体和液体的处理方法不同，只允许 液体分子从滤布微笑地缝隙中通过，而体积比缝隙大的固体就被拦截在了滤布 上，这样在交替排列的滤板和滤框所形成的滤室内固体积少成多就形成了滤饼， 而液体则通过滤板上的小孔导出，这样就帮压滤机设备实现了固液分离的过滤 作用4。 2.3 压滤机的工作过程 压滤机的工作过程如图 2-2 所示。 (1) 压紧滤板：通过油压传动系统，利用油压推动动板（压紧板）移动，将 所有的滤板及动板压紧到静板（止推板），并且提供足够大密封压力，通过电 接点压力表保压指示，是压力处于一定设置好的范围。 (2) 加压过滤过程：利用渣浆泵将物料有静板中心的入料孔给入，通过泵的 压力将物料（矿浆）送至每个滤室中，当滤室充满矿浆后，加压过滤开始，由 液压站提供助力，使矿浆在两侧滤板间进行一定的挤压，实现固液分离。加压 第二章 板框式压滤机的结构和工作原理 -9- 过滤所需要的时间根据矿浆的过滤特性和工艺要求而确定。时间到后，入料泵 停止给料，完成加压过滤过程。 图 2-2 压滤机的工作过程 (3) 保压过程：液压保压过程分两个阶段，压紧（前进），保压时和放松（后 退）。压紧时，液压站向油腔内提供高压抗压油，油腔内有活塞元件，当推出 油腔的压力大于压滤机滤板的阻力时，活塞相连的丝杆伸出，慢慢向压滤机滤 板提供压力。保压时，当压力到达压滤机设计的压力值时，溢流阀开始泄压， 设备自动断电，保持压力，当压力缓慢释放后，压力表的指针回落，再次启动 液压站电机电源，继续施压，这样重复进行。 (4) 松开滤板：一段时间后，观察流出液体情况判断成饼状况，根据生产需 要，成饼后，停入料泵，按下松开按钮，通过液压系统，将动板（压紧板）复 位。 (5) 拉板卸料：开动拉板装置，自动手动拉板结合，相继将拉板拉开，滤饼 自助落下，为防止喷柜，需要人工协助将滤饼卸料，然后由下部输送机送走。 上述四个过程完成后就完成了一个压滤周期5。 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -10- 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 传统的压滤机通常都是采用继电器-接触器是的控制系统。 PLC 作为一种专为 工业环境下应用而设计的计算机出现后，压滤机都采用 PLC 控制。PLC 控制与 继电器控制有着突出的有点，主要表现在以下几个方面。 1. 逻辑控制 继电器控制采用硬接线逻辑，利用机械触点的串联和并联，以及时间继电器 等组合成为控制逻辑，其接线多而复杂且体积大、功耗大，一旦系统构成，若 改变或增加功能都很困难。另外，物理继电器触点数目有限，每个触点只有 4-8 对触点，因此灵活性和扩展性差。还有传统的压滤机的故障率高，维修成本大， 经济效益不好。可编程控制器（PLC）采用存储器逻辑，其控制逻辑一程序方式 存储在内存中，要改变逻辑控制，只需改变程序即可，故称为“软接线”。PLC 中的每一个继电器对应一个内部的一个寄存器位，由于可无限次的读取某位寄 存器的内容，所以认为 PLC 的继电器触点个数为无限个。 2.工作方式 电源接通时，继电器控制线路中各继电器线圈同时都处于受控状态，即该吸 合的都应吸合，不该吸合的应受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。 而在 PLC 的逻辑控制中，各内部器件全部处于周期性的循环扫描过程中，各种 逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中前后顺寻计算得出的，所以属于串行 工作方式。 3.控制速度 继电器控制逻辑是靠着触点的机械动作来实现控制的，工作频率低，触点的 分合和动作一般都在几十毫秒数量级。此外，机械触点一般会出现抖动问题。 然而 PLC 实现控制是通过程序指令来控制半导体电路的，属于无触点控制，速 度极快，在一般情况下一条用户指令的执行时间，是在微秒数量级，而 PLC 内 部还有严格的同步，不会出现抖动的问题。 4.可靠性和可维护性 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -11- 继电器控制逻辑中使用了很多的机械接触点，连接附件也多，电弧会影响 触点的分合，并且会有机械摩擦损坏，使用寿命短，所以可维护性和可靠性不 好。但是采用了微电子技术的 PLC，大量的开关运动是通过非接触式半导体电 路完成，继电器的控制逻辑不仅体积较小、可使用时间长，而且可靠性很高。 另外，PLC 还配有自我检查、监督的功能，能够检查出本身所存在的故障，并 且操作人员可以随时看到，并且还能动态地监控控制程序的执行情况，能够为 现场调试和维护提供方便。 5.设计和施工 使用继电器控制逻辑来完成一项工程时，它的设计、施工和调试必须是依次 来进行的，不仅周期长，并且修改起来困难，工程越大，这些缺点就越突出。 而依靠 PLC 来完成一项控制工程，在系统设计完成以后，控制逻辑和现场施工 的设计（包括程序设计）也可以同时进行，不仅周期短，而且调试和修改起来 也更加方便。 从以上几个方面比较来看，PLC 在性能上比继电器控制逻辑优越，其可靠性 高、通用性强、设计施工周期短、使用维护方便。用 PLC 来控制压滤机不仅大 大提高了系统的自动化程度，同时减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率， 增加了经济效益。下面从几个方面介绍可编程控制器（PLC）的情况6。 3.1 PLC 概述 3.1.1 PLC 的产生与发展 在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位。但继电 器、接触器控制系统有明显的缺点，即设备体积大、可靠性差、动作速度慢功 能弱，难以实现复杂的控制；特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线 复杂繁琐，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线图和控制柜就要更换， 所以通用性和灵活性较差。 1969 年美国数字设备公司研制出世界上那个第一台可编程控制器， 当时开发 PLC 的目的是用来取代继电器逻辑控制系统，只能实现计数、定时以及开关量 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -12- 的逻辑控制，所以通常称之为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称 PLC。 随着微电子技术的发展， 20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机， 人们将微机技术应用到 PLC 中，使它能更多发挥计算机的功能，不仅用逻辑编 程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为 一种电子计算机工业控制设备。在 1980 年由国外工业界命名为可编程控制器 （Programmable Controller） ， 简称 PC， 为了区分个人计算机 （Personal Computer） ， 现任将可编程控制器简称为 PLC。 PLC 技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发 展成为了 8 位机。自从进入 20 世纪 80 年代以来，超大规模和大规模集成电路 等微电子技术迅猛发展，以 16 位和 32 位微处理器所构成的微机化 PLC 以惊人 速度发展着，使得 PLC 在其概念、设计、性能价钱比以及应用的方面都有了新 的突破。其功能增强，体积减小，功耗降低，成本下降，可靠性也得到提高， 在编程和故障检测这些方面也更加灵活方便，并且远程 IO、通信和数据处理 以及人机界面也有了长足发展。现在 PLC 不仅运用于制造业的自动化系统，而 且还可以应用于连续生产的过程控制。PLC 已经成为现代工业自动化的三大技 术支柱之一。经过四十年的发展，PLC 在机械、冶金、化工、轻工、纺织等部 门得到了广泛的应用7。 3.1.2 PLC 的特点 现代工业生产过程复杂多样，对控制的要求也各不相同，为了适应工业环境 的使用，PLC 具有以下特点。 1.抗干扰能力强、可靠性高 针对现代工业现场恶劣的环境因素，为了提高抗干扰能，PLC 在主要模块均 采用大规模与超大规模集成电路；I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调整电 路；在结构上对耐热、防潮、抗震等有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、 滤波、接地等以适应电网电压波动和过电压、欠电压的影响；在软件上设置实 时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障诊断、 处理、报警显示及保护功能。所有的这些都使 PLC 具有较强的抗干扰能力。 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -13- 2.控制系统的结构简单，通用性强 PLC 及其扩展模块种类较多，可以比较灵活的组合成大小不同和要求不同的 控制系统。在 PLC 控制系统中只是需要在其端子上接入相应的输入/输出的信号 线便可，不需要像继电器这类的物理电子器件，也不需要大量而又繁杂的硬接 线的线路。PLC 的输入/输出可直接与交流 220V、直流 24V 等负载相连，有较 强的带负载能力。同一 PLC 装置用于不同的控制对象，只需在程序上做一简单 修改，在硬件部分稍作改动即可，具有极高通用性。 3.编程简单，易于使用 PLC 的编程采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，不需要专门的 计算机知识和语言，只要具有一定的电器和工艺知识的人员都可以在短时间内 学会。近年来有发展成面向对象的顺控流程图，又称功能图，使编程简单、方 便。 4.功能强大、适应面广 目前，PLC 几乎能满足所有的工业控制领域的需要。PLC 控制系统规模可大 可小，能轻松完成单机控制系统、批量控制系统、制造业自动化中的复杂顺序 控制、流程工业中大量的模拟量控制，以及组成通信网络、进行数据处理和管 理等任务。 5.控制系统设计、施工、调试的周期短 目前 PLC 以实现了产品的系列化、标准化和通用性，用 PLC 组成的控制系 统，在设计、安装、调试和维修等方面，表现了明显的优越性。由于 PLC 是采 用软件来替代继电器控制系统中大量的时间继电器、中间继电器和计数器等器 件，另外，控制柜设计安装工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，PLC 的 用户程序可以在实验室内模拟调试，模拟调试通过后再到生产现场进行联机调 试，减少了现场的调试工作量，大大缩短了设计、试验周期。 6.维护方便 PLC 的输出/输入端子能够直接反映现场信号的变化状态，通过编辑工具（装 有编程软件的计算机等）可以直接观察程序和控制系统的运行状态，如内部工 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -14- 作状态、通信状态、I/O 点状态、异常状态和电源状态等，极大地方便了维护人 员查找故障，缩短对系统的维护时间。并且，由于 PLC 的低故障率即很强的监 视功能和模块化设计结构，是维修也极为方便8。 3.1.3 PLC 的分类及应用 PLC 的发展很快，类型很多，比较常见的按其控制规模和结构进行分类。 1.按控制规模分类 控制规模主要指 PLC 可控制的最大 I/O 点数。通常而言，PLC 能控制的 I/O 点数越多，其控制对象就越复杂，控制系统的规模也越大。根据 PLC 的控制规 模，可以将 PLC 分为小型、中型、大型三类。 (1) 小型 PLC（含微机型）可控制的 I/O 点数在 256 点以下。一般以处理开 关量逻辑控制为主，其特点就是价格低廉、体积小巧，适用于机电一体化设备 或各种自动化仪表的单机控制。 (2) 中型 PLCI/O 可控制的点数为 256-2048 点之间，不仅具有较强的开关量 逻辑控制功能，其通信联网功能和模拟量处理能力更强大。中型机比小型机的 指令丰富，中型机适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制场合。 (3) 大型 PLC 的 I/O 点数在 2048 点以上，其性能与工业控制计算机相当，具 有计算、控制、调节功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些大型 的 PLC 还具有冗余能力。大型机适用于设备自动化控制，过程自动化控制盒过 程监控系统。 2.按结构形式分类 根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。 (1) 整体式 PLC。 微型和小型 PLC 一般为整体式结构。 即将 PLC 的基本部件， 如电源、CPU、存储器、I/O 接口等部件都集中在一个机箱内，其基本单元上设 置有扩展端口，通过扩展电缆可与扩展单元相连。整体式 PLC 结构紧凑、体积 小、价格低、安装方便。 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -15- (2) 模块式 PLC。中、大型 PLC 多采用模块式结构。模块式 PLC 由一些模块单 元构成，这些标准模块有 CPU 模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功 能模块等。其特点为配置灵活，故障诊断、安装、调试与维修方便。 初期的 PLC 主要在开关量具多的电气顺序控制系统中使用，随着 PLC 性能 价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。PLC 的主要应用范围大致可分为中 小型单机电气控制、制造业自动化、运动控制和流程工业自动化四方面9。 3.1.4 PLC 的工作过程 PLC 工作的全过程可分为三部分：上电处理、扫描过程和出错处理。整个过 程可由下运行框图 3-1 来表示。当 PLC 处于正常运行时，它将不断重复图中的 扫描过程，如果对远程 I/O 特殊模块、更新时钟和其他通信系统暂不考虑，这样 扫描过程就只剩下“输出采样” 、 “程序执行” 、 “输出刷新”三个阶段。这三阶 段是 PLC 工作过程的核心内容，也是 PLC 工作原理的实质所在。PLC 典型扫描 周期如图 3-2 所示。 3.1.5 PLC 的组成 PLC 主要由 CPU、存储器、专门设计的 I/O 模块、电源、扩展接口、通信接 口、智能模块、编程设备等主要部件组成，还可配备存储器卡、电池卡等外部 设备。如图 3-3 所示。其中中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存 器组成；存储器由系统存储器和用户存储器两部分组成，用户存储器由用户数 据存储器和用户程序存储器两部分组成，用户存储器的大小关系到用户程序容 量的大小，是反映 PLC 性能的重要指标之一，厂家编写的程序存放在系统存储 器中，并固化在 ROM 内，用户不能更改10。 3.1.6 PLC 的编程语言 国际电工委员会提供了五种 PLC 的标准编程语言，其中三种图形语言，即梯 形图（LD） 、功能块图（FBD）和顺序功能图（SFC） ；两种文本语言，即结构 化文本（ST）和指令表（IL） 。在我国，对梯形图、指令表和顺序功能图较常用。 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -16- 上面了解到 PLC 的特点，应用领域，又根据公司生产需要，板框式压滤机的 电气控制系统功能要求并不高，又考虑到生产成本，生产复杂程度和性能可靠 性，选择 S7-200 系列 PLC 就完全能够实现。 图 3-2 PLC 扫描工作过程 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -17- 图 3-1 PLC 工作过程 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -18- 图 3-3 PLC 结构框图 根据生产需要及生产成本考虑，选择 S7-200 就完全满足。下面介绍 S7-200 系列 PLC。 3.2 S7-200 系列 PLC 概述 S7-200 系列 PLC 是西门子公司生产的最小型的系列可编程控制器， 它具有体 积小、质量轻、结构紧凑等特点，适用于各种生产场合的检测、监控及控制自 动化，具有极高的性能价格比。S7-200 系列可编程控制器的突出特点表现在一 些几个方面：可靠性很高、指令集丰富、操作简单、通信能力强、扩展模块种 类多、具有实时性、容易学习掌握。 在结构上它有 24 个直流输出点、16 个继电器输出点、40 个定时输出器和 16 个三位数减一计数器，8 个四位数减一计数器。S7-200 系列可编程控制器具有五 种不同型号的 CPU。其优越的特点对压滤机想着大型、自动化操作方向发展起 着促进作用11。 3.2.1 S7-200 系列 PLC 的型号 S7-200 系列 PLC 的基本型号通过基本单元（CPU 模块）进行区分，共有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226 五种基本规格。其规格如下 表 3-112。 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -19- 表 3-1 S7-200 CPU 的型号 3.2.2 S7-200 系列 PLC 系统构成 S7-200 系列 PLC 系统构成主要包括基本单元、 扩展单元、 相关设备和工业软 件等设备。 一、基本单元 五种型号的 PLC 的基本单元的输入输出点数分配表 3-2 所示。 表 3-2 基本单元的输入输出点数分配表 型号 输入点 输出点 可扩展模块数 CPU221 本 机 数 字量 6 4 - CPU222 本 机 数 字量 8 6 2 本 机 数 字量 14 10 7 CPU224 模 拟 数 14 10 7 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -20- 字量 CPU224XP 本 机 数 字量 2 1 7 CPU226 本 机 数 字量 24 16 7 二、扩展单元 当 CPU 得 I/0 点数不够或需要完成某种特殊的功能时，就需要连接扩展单 元模块。S7-200 系列数字扩展模块、模拟量扩展模块一览表见表 3-313。 表 3-3 S7-200 系列数字量、模拟量扩展模块 型号 名称 主要参数 8 点，DC24V 输入 8 点，AC120/230V 输入 EM221 数字量输入 16 点，DC24V 输入 8 点，DC24V/0.75A 输出 8 点，2A 继电器接点输出 8 点，AC120/230V 输出 4 点，DC24V/5A 输出 EM222 数字量输出 4 点，10A 继电器接点输出 4 输入/4 输出。DC24V 4点DC24V输入/4点继电器接点输出 8 输入/8 输出。DC24V 8 点 DC24V 输入/8 点继电器输出 16 输出/16 输入，DC24V EM223 数字量输入/数字 量 输出混合模块 16 点 DC24V 输入/16 点继电器输出 4 点，DC(0-10V/0-20mA)输入，12 位 2 点。 ，热电阻输入，16 位 EM231 模拟量输入 4 点，热电偶输入，16 位 EM232 模拟量输出 2 点，12 位 EM235 模拟量输入/模拟 量 输出混合模块 4 输入/1 输出 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -21- 3.2.3 S7-200 型 PLC 的软件特点 S7-200 型 PLC 的软件特点主要体现在下面几个方面。 (1) 数据存放的方式 S7-200 系列的 PLC 的数据类型可以是 BOOL （0 或 1） 、 整数、实数和字符串。PLC 指令大多是对数据进行操作的，以加强处理能力， 数据以多种不同的方式进行存放的，所以对于数据存储的方法必须是预先约定 好的，S7-200 系列 PLC 与计算机采用一样的存储方式，按照位、字节、双字存 储数据。现在，广大技术工程人员已经很好地了解并运用这种数据存放的方法， 该方式更容易理解，更加直接。 (2) 寻址方式 a. 直接寻址 S7-200 系列的 PLC 中的每个存储单元都有唯一的地址， 在指令中直接指出存 储单元的地址（元件名称）的寻址方式称作直接寻址。它可以按照位、字节、 双字格式存储数据。 b. 间接寻址 间接寻址是指数据存放在存储单元中，而在指令中给出的是存储数据所在存 储单元地址的地址，存储单元的地址的地址又叫指针。指针以双字的形式存储 其他存储区的地址。只能用变量存储器、局部变量存储器或者累加寄存器作为 指针。要建立一个指针必须以双字的形式，将需要间接寻址的存储器地址移动 到指针中。 (3) 结构化程序设计 S7-200 系列 PLC 采用结构化的程序设计方法使得占用 的空间少，执行程序的时间短，编写调试时间短、程序易读、易于移植。 (4) 数据的运算与处理 S7-200 系列的 PLC 通过指令可以方便的进行码制转 换，整数运算，浮点运算。在实际控制系统中，利用 PLC 的运算能力，可以成 功的满足许多复杂的控制要求。 (5)通信功能 数据通信就是将数据信息将数据信息通过适当的传输线路从 一台设备传送到另外一台设备，数据通信的任务就是把地理位置不同的计算机、 第三章 PLC 及 S7-200 系列 PLC 概述 -22- PLC、和其他数字设备连接起来，高效率的完成数据的传送、信息交换和通信处 理三项任务。S7-200 系列 PLC 的一个重要特点就是通信功能强大。PPI （Point-to-Point）是西门子 S7-200 系列 PLC 的基本通信方式，它是 S7-200 系列 PLC 与 STEP7-Micro/WIN 之间的默认通信协议，不需要扩展模块，通过内置的 RS-485 串行接口（也称为 PPI 口）即可实现。利用 PPI 通信协议进行通信非常 方便14。 3.2.4 S7-200 系列的 PLC 编程器 编程器是用来编制、存储和管理用户程序，并且把用户程序送入 PLC，在调 试的过程中，监督控制和检测故障。S7-200 系列 PLC 有多种编程器，一般情况 下将它们分为智能型和简易型。简易型的编程器很小，不仅简单实用，而且价 格低廉，但是显示功能比较差，输入时只能用指令表的方法，使用起来不方便。 通过计算机编程的属于智能型，把专门应用的编程软件装入计算机，直接采用 梯形图编程即可，非常得直观，并且功能十分强大，S7-200 系列的 PLC 的通用 编程的软件是 STEP7-Micro/WIN15。 3.2.5 S7-200 系列 PLC 的内部继电器 S7-200 系列 PLC 数据区可分为输入继电器区 I、输出继电器区 Q、变量寄存 器区 V、辅助继电器区 M、特殊标志位 SM、定时器 T、计数器 C、高速计数器 HSC、累加器 AC、顺序控制继电器 S、模拟量输入/输出（AIW/AQW） 、局部存 储器 L，共十三个区。S7-200 系列 PLC 将信息存入不同的存储器单元中，每个 单元都有唯一的地址。只要明确指出要存取的存储器地址，用户程序便可直接 存取这个信息16。 考虑到板框式压滤机的电气控制系统有较多的输入输出口，选择 CPU224 作 为控制系统的主机，主机提供一定数量的数字量 I/O，但 I/O 点数不够，就必须 加 I/O 扩展模块，对 I/O 点数进行扩充，根据表 3-3 中 S7-200 系列数字量扩展模 块一览表比较，选择 EM223。 第四章 板框式压滤机控制系统的 PLC 设计 -23- 第四章 板框式压滤机控制系统的 PLC 设计 4.1 板框式压滤机的 PLC 控制系统的构成与工作原理 公司所用板框式压滤机电控系统以先进的模块化可编程控制器位核心，辅 以完善可靠的软硬件设计，是整个控制系统具有工作可靠、易操作、易维护等 特点，有效地提高了压滤机的维护和管理水平。 4.1.1 压滤机电气控制系统的构成 压滤机 PLC 控制柜是以 S7-200 系列 PLC 的 CPU224 型可编程控制器位核 心，辅以高质量的输入输出器件组成自动控制