基于PLC的冷冻集液干燥装置的电控系统设计.doc

专业学位硕士学位论文基于PLC的冷热集液干燥装置的电控系统设计The Design of Electronic Control System - Heat Liquid Collected - Based on PLC摘要现代社会要求制造业对市场和客户的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，因此生产设备和自动生产线的控制系统应该具备很高的可靠性和灵活性，可编程程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）正是满足这一要求出现的，它是一种以微处理器为基础的通用工业控制装置。S7-200具有极高的可靠性、丰富的指令和内置的集成功能、强大的通讯能力和品种丰富的扩张模块。本文分别通过硬件的选择、设计、使用，软件的选择、编写等方面详细介绍系统各个模块的原理、设计和使用。实验证明，以PLC作为控制器的核心，使用触摸屏作为系统输入来控制PLC，并以动画的形式动态显示控制过程控制，再通过PLC编程控制温度湿度变频器等对象，这种设计方式方式可以方便快捷灵活的设计出符合要求的控制系统。实际仿真结果表明S7-200能较好的实现预设的控制要求。关键词：干燥机；USS协议；触摸屏；变频器；可编程控制器- II -T The Design of Electronic Control System - Heat Liquid Collected - Based on PLCAbstractModern society requires the manufacturing sector to make rapid response to market and customersdemand, to produce a small quantity and variety, multi-standard, low cost and high quality products, in order to meet this requirement, production equipment and automatic production line control system must have a very high reliability and flexibility, programmable process controller (Programmable Logic Controller, PLC) is the response to this request occurs, it is a microprocessor-based general-purpose industrial control devices. S7-200 just has high reliability, extensive instructions and built-in integration capabilities, strong communication skills and rich variety of expansion modules. This paper by the hardware selection, design, use, software selection, preparation of detailed system and other aspects of the principle of each module, the design and use. Experiments show that the core of the PLC as a controller, use the touch screen as the system input to control the PLC, and to control the animation in the form of dynamic display of process control, and through the PLC program control temperature, humidity, inverter and other objects, this design method can be easily fast and flexible design to meet the requirements of the control system. Actual simulation results show that s7-200 can achieve better control of the default requirements.Key Words：drying machine；USS protocol；Touch panel frequency converters；PLC- 52 -目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 项目的背景、现状11.2 未来干燥机的发展趋势11.3 干燥机控制系统应用PLC的意义21.4 本课题的研究内容32 可编程控制器、触摸屏、变频器及通信基础知识42.1 可编程控制器的基础42.1.1 可编程控制器的由来与发展42.1.2 可编程控制器的结构42.2 触摸屏（人机界面HMI）52.3 变频器62.4 通讯网络73 干燥机的功能原理83.1 干燥机的结构介绍93.2 干燥机的工作方式104 PLC硬件系统设计124.1 系统设计的基本原则124.2 PLC控制系统的硬件选型方法124.2.1 CPU型号的选择124.2.2输入输出模块的选型124.3 选择PLC机型124.4 分布式 I/O特点134.5 SIMATIC ET 200S特点154.6 选择CPU型号及扩展模块型号和数量164.6.1 CPU的选择164.6.2 模拟量输入模块的选择194.6.3模拟量输出模块的选择214.6.4 通信模块型号214.7 传感器225 PLC程序设计255.1 编程软件的介绍255.2 以太网265.2.1以太网的工作原理265.2.2以太网分类265.2.3以太网的连接275.3 工业以太网295.3.1 现场工业总线305.4 I/O点数的分配305.5 冷冻状态工作方式编程326 触摸屏组态346.1 触摸屏的应用346.1.2 触摸屏的发展346.1.3 触摸屏的优点356.1.4 触摸屏的特征356.1.5 触摸屏的组成366.2 组态软件WinCC flexible 的简介366.3 组态前的问题分析386.3.1 触摸屏的界面设计396.3.2 输入输出量的分析406.3.3 各种工作模式以及换气选项406.4 触摸屏组态过程416.4.1 创建项目416.4.2 创建画面426.4.3 各个画面的变量组态466.5 PLC通讯网络476.6 PLC与变频器和触摸屏通讯48结论49致 谢50参 考 文 献51大连理工大学学位论文版权使用授权书521 绪论1.1 项目的背景、现状本课题属于干燥技术领域，涉及一种多用途节能型干燥技术设备，特别是一种双循环冷冻内热式集液干燥一体化装置，可在低温-35至中高温100区间内，按预先设定的温度以稳定的状态集取各种动、植物及纺织品等被加工物料中含有的水分，从而高能效、低损耗、高品质的实现被加工物料脱水干燥和蒸发物质的收集。工作过程中基本没有热能和废弃物的排放。该装置还可以实现无氧化操作。目前，通常使用的干燥方法一般分为热风、冷风、辐射、真空冷冻等干燥方法并采用其相应的设备装置。这些设备装置有的过于简单，不易操控，不能保证产成品的质量，有的过于复杂，价格昂贵，操作使用繁杂。这些设备装置大部分为开环式结构，其结构特点导致干燥过程中大量的热能连同加工物料中的水份被直接排放到大气中，普遍存在着能耗高、效率低、浪费大、有污染等缺陷，一些价值较高的物质成分也在脱水干燥的过程中被排放掉了。近年来干燥方法和设备装置在不断改进，但上述问题和缺陷未得到有效地解决。所以寻求设计一种能耗低、效率高、价格便宜、操作简单、使用方便、用途广泛，产品质量容易得到保证，运行中无热能和废弃物排放的干燥技术方法及设备装置势在必行，特别是寻求设计制造一种能有效的集取被加工物料的蒸发物质如玫瑰花细胞液、西洋参细胞液等具有较高使用价值的有限的天然资源得到充分回收和利用的设备装置更是业界研究者努力追求的目标。针对不同物料的最佳的操作环境下，设计最优的干燥机的前题条件是深入研究物料的干燥机理好干燥特性。当下，干燥机的发展趋势是提高干燥机对原材料的适应性和干燥质量，另外，干燥机系统也向着大型化、高经济和高强度方向发展。微波干燥机、远红外干燥机和组合式干燥机将是未来深入研究和开发的高效、适应性特殊要求的干燥机。1.2 未来干燥机的发展趋势烘干机的发展应该考虑节能和能源的综合利用，通过使用共同加热方式，移植热泵和热管技术和太阳能干燥器的发展，但同时自动控制技术的发展也是在纵深方向发展，以确保最佳操作条件的实现;此外，人类环保的认意识增强，将研究能改善和保护环境的的烘干机，以减少粉尘和废气泄漏。干燥设备市场和国际大市场和目前需求的传统的干燥系统的制造都在中国，这意味着出口烘干机到中国的历史已经结束。1.3 干燥机控制系统应用PLC的意义由于PLC的应用面十分广泛，而且使用简单方便，尤其是与传统的继电器控制相比较控制功能强大，适于完成精确复杂的任务，因此，在各种工业设备和工厂生产过程自动控制系统中得到普遍应用，深受用户的欢迎。PLC目前仍处于不断的发展中，功能不断增强，也更为开放。国际电工委员会(IEC)对PLC做了如下定义：“PLC是专为在工业环境下应用而设计的数字运算电子系统。在其可编程的存储器内部可执行逻辑运算、定时、算数运算和计数等操作指令，运算后的结果通过数字量、模拟量输入或输出，控制各种执行机构。”因此，与传统的继电器控制相比，PLC控制系统有十分显著的优势和特点1：(1)可靠性高随着微电子技术的日臻完善和成熟，在PLC的控制过程中接通断开等动作都是由无触点的半导体电路来实现，这可以大幅度提高工业生产对生产设备的安全可靠性。其次，由于PLC控制是依靠存储在内部的程序实现的，编程人员可以在程序的设计本身就从各个方面来避免和预防故障的发生。另外，PLC能依靠自身完善的自诊断功能及时发现存在于软件和硬件中的故障，保证整个系统的工作安全性。(2)灵活通用首先，在PLC的高速发展过程中，为满足不同层次客户的不同要求，产品向着系列化方向发展，结构形式和功能也多种多样。其次，PLC为用户提供了多种不同类型的输入输出模块和特殊功能模块，用户可以根据控制系统的需要灵活选择不同的模块来组成合适的硬件结构，以完成用户的控制任务。再者，PLC的编程语言很容易掌握，程序的编制具有很强的灵活性，可以实现复杂的控制过程。(3)环境实用性强为实现在恶劣的工业现场稳定工作，PLC采取了多种隔离措施，能抵抗强电磁场的干扰，因而它的环境适用性很高，甚至在电源瞬间断电的情况下仍可正常工作。(4)使用方便、维护简单PLC的模块化为用户连接不同模块操作提供了方便，技术研究人员把输入、输出模块、特殊功能模块设计成即插即卸式使PLC的硬件连接十分简单。为了便于实现网络通讯，PLC上提供标准的通讯接口。在计算机上运行的PLC专用编程软件用户界面友好，程序的编制和调试也十分容易，最为常用的梯形图与继电器语言类似，工程技术人员能很快掌握。PLC还具有监控功能。利用编程器能实现对运行状态、内部数据的监视和修改。1.4 本课题的研究内容本课题用西门子PLC系列产品S7-200代替传统的继电器实现干燥机控制系统的设计，主要内容有：(1) 介绍干燥机的结构，并按照任务书的要求，确定在不同工作方式下如何实现对温度和湿度的控制。(2) 分析系统的控制规模及数字量和模拟量输入输出点数，据此来选择合适的硬件型号和扩展模块的数量。(3) 采用STEP7-MicroWINV4.0编程软件编写控制过程的梯形图。(4) 研究PLC与触摸屏及变频器的通讯。(5) 用触摸屏来动态显示运行参数的变化2 可编程控制器、触摸屏、变频器及通信基础知识可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic Controller），它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。2.1 可编程控制器的基础2.1.1 可编程控制器的由来与发展现代化生产过程中，几乎所有的控制装置采用自动化方式，电气控制系统越来越多的应用于自动生产线中。信号可以分为数字量和模拟量。像按钮、开关等属于数字量，因其只有通断两个状态，而温度、压力、湿度等连续变化的量称之为模拟量。过去的电气装置主要是电子元器件，电气装置不仅体积大，接线复杂，故障率高，必须经常定时对电气系统进行检查和维修，而且一旦系统功能有所改变相应的接线同时要改变，功能柔性差。为了避免复杂的接线变化就可以轻松实现功能改变，人们提出制造一种更经济、更可靠、更通用灵活的装置来代替原有的电气控制。随着人们需求的增加生产工艺要不断更新适应新的变化，于是在1968年美国的通用汽车公司(GM）提出要研制一种新控制器，这种新型控制器比传统继电器更加可靠、响应速度更快、功能也更强大。不久，美国的数字设备公司（DEC）于1969年研发成功世界上第一代可编程控制器。这种新型控制装置简化了计算机的编程方法，同时面向对象的编程语言使没有计算机基础的人能够很快掌握。第一代在可编程控制器成功应用在汽车的自动生产线上，极大提高了生产效率和控制精度，生产线的自动化程度更高，这项技术在工业界产生了深远影响。现代PLC一方面向着小型、简易、价格低廉方向发展，另一方面向着大型、多功能、高速和多层次分布式全自动网络化方向发展。2.1.2 可编程控制器的结构PLC的组成与计算机完全相同，它就是一台适合于工业现场使用的专业计算机，它的硬件组成有六个部分，如图2.1输入接口中央处理单元CPU输出接口电源存储单元图2.1 可编程控制器的组成Fig. 2.1 composition of PLC2.2 触摸屏（人机界面HMI）工业的发展使得人们对自动化水平要求越来越高，对控制装置的操作也越来越复杂，用户对控制系统的监控变得越来越重要，为此人机界面(HMI)顺应这一要求而出现。人机界面在全面监控领域有很强的优势，能够同时实现工业控制系统的参数检测、信息处理、在线优化、数据处理、报警提示等功能，用户可以方便地知道系统实时状态，使控制系统简单易懂、操作人性化。随着人机界面在自动控制领域发挥的作用日益显著，带来的效益越来越大，人机界面(HMI)已经成为工业生产制造走向成功的必要因素2。触摸屏一诞生，就以其独特的优势和市场效应，引起了众多商家的关注。对触摸屏的研究在世界上如雨后春笋地开展起来，新技术不断涌现。一些类型的触摸屏由于其局限性或性能缺陷，现已退出了历史的舞台，如应力型、矢量压力型触摸屏等。目前广泛使用的触摸屏技术有四种基本类型：红外线扫描技术触摸屏、表面声波技术触摸屏、电容感应技术触摸屏（模拟式）和电阻技术触摸屏（4, 5, 6, 8线）。下面将从触摸屏的发展、特点以及组成等方面简要介绍触摸屏的相关背景知识。人机界面主要由HMI硬件和画面组态软件两部分组成，不同的生产厂家的硬件必须使用相应的画面组态软件，它们都是用来连接PLC的。通用的组态软件(Wincc flexible)运行在计算机上可以组态出丰富多彩的画面，可视化操作可以方便用户使用PLC产品。HMI广义的解释是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。一般而言，HMI系统必须有几项基本的能力： (1) 实时参数显示把系统的参数变化以动画的形式立即显示在屏幕上，让操作人员及时掌握系统变化趋势。(2) 自动记录资料系统自动将资料储存至数据库中，方便便日后查看和再次应用。(3) 图形接口控制操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。警报的产生与记录使用者可以定义一些警报产生的条件当系统出现问题时通知操作人员及时解决系统故障。2.3 变频器变频器主要功能使实现对电动机软启动、变频提速等，还可以实现提高运转精度、过流/过压/过载保护的功能。(图2-2和图2-3分别为变频器的实物图和操作面板)其主要原理是利用电力半导体器件的通和断两个状态将工频电源变换为另一频率的电源。变频器的主电路可以分为电压型和电流型。电压型变频器的原理是将直流电压源变换为交流电压源，在回路中起到滤波作用的器件是电容。电流型变频器的工作原理是在直流回路中采用大储能元件电感来滤波，扼制电流的变化，将直流电流源变换为交流电流源。整流器、平波回路和逆变器构成了变频器主电路的主要部分。整流器可以利用二极管或两组晶体管构成的变流器把工频电源转换为直流电源。经整流器整流后的电压中存在脉动成分，这是需要使用电容或电感构成地平波回路吸收脉动电流或电压。逆变器的作用和整流器的作用正好相反，是把直流功率变换为交流功率。图2.2 西门子变频器实物图 图2.3 变频器通用操作面板Fig. 2.2 The physical map Fig. 2.3 Operation panel变频器采用电子控制技术和高电压功率晶体管技术变换交流电动机供电的频率和幅值，从而实现电动机转速的控制。变频器可以提高传动效率，缩小传动装置的体积，优化电动机运行，也可以减少能源浪费，起到节能作用。根据全球著名变频器生产商ABB的估算，仅该集团在世界范围内已经生产并且安装的变频器每年能够节省1150亿千瓦时电力，相当于减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量6。2.4 通讯网络S7-200PLC可以插入CP243-2通讯处理器构成AS-I主站，进一步扩大I/O点数。S7-200也可以通过EM 227模块构成MPI主站，成MPI网络中一员，或成为PROFIBUS-DP从站成为DP网络中一员，还可以利用内部集成的PPI接口进行PPI方式、自由口方式等组成通讯网络1。S7-200CPU支持多种通讯协议。第一种是点到点（Point-to-point）接口，即PPI方式。第二种是多点（Multi-Point）接口，即MPI方式。第三种是通过过程现场总线技术PROFIBUS,即DP方式。第四种是用户自由定义协议，即自由口方式。图2.4为西门子PROFIBUS-DP网络4。图2.4 西门子PROFIBUS-DP网络Fig. 2.1 Network3 干燥机的功能原理木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形，陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。另外干燥后的物料也便于运输和贮存，如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下，以防霉变。由于自然干燥远不能满足生产发展的需要，各种机械化干燥机越来越广泛地得到应用。近代干燥机开始使用的是间歇操作的固定床式干燥机。19世纪中叶，洞道式干燥机的使用，标志着干燥机由间歇操作向连续操作方向的发展。回转圆筒干燥机则较好地实现了颗粒物料的搅动，干燥能力和强度得以提高。一些行业则分别发展了适应本行业要求的连续操作干燥机，如纺织、造纸行业的滚筒干燥机。 20世纪初期，乳品生产开始应用喷雾干燥机，为大规模干燥液态物料提供了有力的工具。40年代开始，随着流化技术的发展，高强度、高生产率的沸腾床和气流式干燥机相继出现。而冷冻升华、辐射和介电式干燥机则为满足特殊要求提供了新的手段。60年代开始发展了远红外和微波干燥机。 用于进行干燥操作的机械设备类型很多，根据操作压力可分为常压和减压（减压干燥机也称真空干燥机）。根据操作方法可分为间歇式和连续式。根据干燥介质可分为空气、烟道气或其他干燥介质。根据运动（物料移动和干燥介质流动）方式可分为并流，逆流和错流。 按操作压力，干燥机分为常压干燥机和真空干燥机两类，在真空下操作可降低空间的湿分蒸汽分压而加速干燥过程，且可降低湿分沸点和物料干燥温度，蒸汽不易外泄，所以，真空干燥机适用于干燥热敏性、易氧化、易爆和有毒物料以及湿分蒸汽需要回收的场合，它的优势： (1) 设计精良的吸附塔体 (2)高性能的活性氧化铝吸附剂 (3) 效果良好的消音器 (4) 独具功率大和耐用两大特点的进口气动控器 (5) 可精确调节流量的再生气调节阀按加热方式，干燥机分为对流式、传导式、辐射式、介电式等类型。对流式干燥机又称直接干燥机，是利用热的干燥介质与湿物料直接接触，以对流方式传递热量，并将生成的蒸汽带走；传导式干燥机又称间接式干燥机，它利用传导方式由热源通过金属间壁向湿物料传递热量，生成的湿分蒸汽可用减压抽吸、通入少量吹扫气或在单独设置的低温冷凝器表面冷凝等方法移去。这类干燥机不使用干燥介质，热效率较高，产品不受污染，但干燥能力受金属壁传热面积的限制，结构也较复杂，常在真空下操作；辐射式干燥机是利用各种辐射器发射出一定波长范围的电磁波，被湿物料表面有选择地吸收后转变为热量进行干燥；介电式干燥机是利用高频电场作用，使湿物料内部发生热效应进行干燥，优势是：(1)采用高性能蒸发器，超大换热面积，传热温差小，蒸发器出口空气温度更稳定。(2) 采用高效气水分离结构，油水分离效率高； 按湿物料的运动方式，干燥机可分为固定床式、搅动式、喷雾式和组合式；按结构，干燥机可分为厢式干燥机、输送机式干燥机、滚筒式干燥机、立式干燥机、机械搅拌式干燥机、回转式干燥机、流化床式干燥机、气流式干燥机、振动式干燥机、喷雾式干燥机以及组合式干燥机等多种。3.1 干燥机的结构介绍干燥机的功能结构图见图3.1，主体结构包括：1托盘、2蒸发室、3集液罐、4冷凝集液器、5冷凝集液排、6风管、7风机、8控风器、9平衡器风扇、10平衡器（排）、11压缩机、12贮液罐、13换向阀、14回热器、15回热排、16加热器、17换气阀。图3.1 干燥机结构原理Fig.3.1 Structural principle of the dryer功能结构分为机箱和蒸发室2两个部分，蒸发室2是密闭容器，可以是箱盒结构，也可以是房屋、隧道或其他可以利用的密闭空间，内置若干上下分层的能够穿过气流的网状托盘；先将加热器16、蒸发室2、冷凝集液器4、风机7、控风器8和回热器14通过风管6依次串联构成一个闭路循环系统，称为主循环回路；再将冷凝集液排5、压缩机11、换向阀13、回热排15、平衡器10和贮液罐12依次用充有冷媒的管道串接构成一个闭路循环系统，称为次循环回路；其中冷凝集液排5、回热排15和平衡器10中的平衡排均能穿透过气体；将次循环回路中的冷凝集液排5和回热排15分别置于主循环回路中的冷凝集液器4和回热器14中，形成交叉结构；次循环回路中的换向阀13安装在压缩机11和回热器14进出口之间，在换向阀13的作用下使从压缩机11流出的冷媒流经回热器14，然后进入平衡器10，形成回热状态，以提高热效率；或使冷媒绕过回热器14，直接进入平衡器10构成旁路，形成冷冻状态；换向阀13的切换状态视被加工的物料的干燥特性设定，整体构成功能强、用途广、高能效的双循环冷冻内热式集液干燥一体式装置。干燥机原理图中冷凝集液器4为密闭容器，内置可以通过气流的冷凝集液排5和集液导出管及防止冷凝集液排结冰的除霜装置，冷凝集液排5两端通过冷媒管道分别与次循环回路中的贮液罐12和压缩机11连接，集液导出管与集液罐3连通，之间装有水阀；风机7由变频器控制，运行中为无极调速；控风器8为密闭结构，内部设有调控气体流量的叶片，安装在控风器8出口处，外壁设置可以开合的排气装置，使主回路中的气体排向大气；回热器14为密闭容器，内置可以通过气流的回热排15，回热排15一端通过冷媒管道与次循环回路中换向阀的13一个出口连接，另一端与换向阀13的另一个出口和平衡器10连接形成三通结点；加热器16是一个密闭结构，内部设有可以通过气流的电加热管，电加热管与电源相连接；蒸发室2为密闭容器，内置若干上下分层的可以通过气流的网状托盘；换向阀13为电磁阀，控制冷媒的流向，其进口端通过冷媒管道与次循环回路中的压缩机11连通，一个出口与次循环回路中回热排15的进口连通，另一个出口与回热排15的出口和平衡器10进口通过三通连接，构成三通结点，形成旁路；压缩机11为变频式结构，两端分别通过冷媒管与次循环回路中的冷凝集液排5和换向阀13的进口连通；平衡器10是由裸露与大气中的平衡排和风扇组成，平衡排的一端通过冷媒管与次循环回路中的回热管及换向阀13的一个出口的三通结点连通，另一端与次循环回路中的贮液罐12连通；贮液罐12为密闭容器，两端分别通过冷媒管与次循环回路中平衡器10中的平衡排和主循环回路中冷凝集液器4中的冷凝集液排5连通。3.2 干燥机的工作方式本装置在运行中可实现冷冻、冰体升华和热风循环集液干燥三种基本工作状态，其中冷冻状态是关闭加热器16电源，关闭控风器8外壁进排气装置，开通控风器8叶片使通过的气体流量为最大，切换换向阀13置次循环回路处于旁路状态，使通过换向阀13的冷媒直接流向平衡器10，开启风机7和压缩机11，此时装置处于冷冻状态，蒸发室2中的温度迅速达到-35，工作中可根据集液冷凝器4的结冰状况，适时开闭除霜装置；冰体升华状态是关闭压缩机11，关闭加热器16电源，关闭控风器8叶片，开启控风器8外壁排气装置，调整控风器8外壁进气装置使少量气体通过，加热器16适当加热，开启风机7，此时蒸发室2处于微负压和微热状态，冰体升华达到冻干目的；热风循环集液干燥状态是开启风机7，开启加热器16电源，切换换向阀13，使流经换向阀13的冷媒流向回热器14，开启压缩机11，关闭控风器8外壁进排气装置，开通控风器8叶片，使通气量为最大，根据物料的干燥特性，冷凝集液器4在015设定温度，蒸发室2在15100设定温度，此时装置处于热风循环集液干燥状态，调整风机7转速和冷凝集液器4及蒸发室2温度使集液和干燥达到最佳状态；可以根据不同物料的干燥特性单一选择或交替选择装置的不同工作状态。还可以通过换气阀17在主循环回路中换充非氧气体如氮气等，实现无氧化操作。具体的换充方法是把输气管连接到换气阀17进气端，关闭控风器8叶片和外壁进气装置，开启控风器8外壁排气装置，打开换气阀17。使用专用仪器仪表在控风器8外壁排气装置处检测排出气体，达到要求后关闭换气阀，关闭控风器外壁排气装置，开启控风器8叶片，至此换充气体操作完成。装置处于无氧化状态。4 PLC硬件系统设计在掌握了PLC硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造干燥机的控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，详细介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的设定。4.1 系统设计的基本原则(1) 满足要求：最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计控制系统的首要前提。(2) 安全可靠：控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，是设计控制系统的重要原则。(3) 经济实用：这就要求，不仅应该使该系统简单、经济而且要是控制系统的使用和维护既方便又成本低。(4) 适应发展：在控制系统的设计时要考虑到今后的发展、完善。这就要求在选择PLC机型和输入输出模块使，要适应发展的需要适当留有余量。4.2 PLC控制系统的硬件选型方法4.2.1 CPU型号的选择S7-200不同的CPU模块的性能有着很大的差别，在选择CPU模块时，应考虑开关量、模拟量模块的扩展能力，通信接口的个数，程序存储器与数据存储器的容量，本机输入输出点的个数，最重要的是考虑性能价格比，在满足要求的前提下尽量降低硬件的成本。4.2.2输入输出模块的选型在选择输入输出模块之前，应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载有控制器驱动，哪些量是开关量，哪些量是模拟量，选择电流量还是电压量，以及电压的等级等；是否有特殊要求，例如快速响应。4.3 选择PLC机型PLC按控制点数的规模可以分为大型机、中型机和小型机。部分中型机的技术指标见表4.15。表4.1 中型机分类指标Tab. 4.1 Classification index system公司机型1k字处理速度/ms存储器容量、KBI/O点数美国MODICON984-48X34161024984-68X128161024984-78X1.516321024日本OMRONC200H0.752.256.61024C1000H0.42.43.81024CV1000H0.1250.375621024日本富士电机HDC-1002.5481792德国SIMEMENSS5-115U2.5421024S7-3000.30.6121621024本产品从控制规模上属于小型机，因此可选德国西门子S-200系列产品，S7-200的特点是4：(1) 功能强 S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展点数到24点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间。(2) 先进的程序结构 S7-200的程序结构简单清晰，在编程软件中，主程序、程序和中断程序分页存放。使用各种程序模块中的局部变量，易于将程序块移植到别的项目中。(3) 编程软件使用方便 编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0可以使用包括中文在内的多种语言，有梯形图、语句表和功能块图。(4) 通信功能强 S7-200的CPU模块有一个或两个标准的RS-485接口，可用于编程或通信，不需要增加硬件就可以与别的S7-200、S7-300/400PLC、变频器和计算机通信，通过不同的通信模块，S7-200可以连接到以太网和现场总线PROFIBUS-DP。(5) 人机界面丰富 S7-200有配套的用编程软件组态的文本显示器。K-TP178micro是为S7-200量身定做的5.7in(英寸)触摸屏。4.4 分布式 I/O特点ET 200 系统易于组装，具有各种结构类型（模块化或块），可以满足任何自动化系统的要求。对于模块化结构，采用导轨安装。背板总线组装自动完成。预装式背板总线即使是以后的模块化系统扩展，也非常简便，无需采取特殊措施。连接和电子系统被相互分开离，这样就可以进行固定接线。因此，可以防止灵敏部件受到损坏，从而减少了调试时间。另外，在发生故障时，可在设备带电的情况下在正常运行中轻松更换电子模块（热插拔）。操作员站保持功能正常，无需进行费用昂贵的停机和装置调试。更换部件过程中，连线完整无损。模块编码还可防止装配错误。独立接线：连接模块与电子模块相互分离使用FastConnect 技术进行简单的总线连接保持正确的总线物理结构是装置无故障运行的基本要求。由于插头组装不佳是造成装置停机的常见原因，因此安装过程中要特别注意。PROFIBUS 快装接头、易于使用的工具、总线电缆和接头，在几分钟之内即可完成无错误组装。(1) 集成组态和诊断STEP 7 还可用于组态和诊断。组态可从系统中的任何一点开始：装置本地，或者中央工程师站。使用 STEP 7 进行组态和参数设置如果 ET 200 通过 PROFIBUS 在非西门子 PLC 上运行，则需使用所提供的 GSD 文件（设备主文件）。此文件包含标准格式的组态和参数设置数据，可用于非西门子主站的组态工具。在设备正常运行阶段，可将停产时间缩减到最少。SIMATIC ET 200 I/O系统提供功能强大的诊断系统，可实现多级诊断，可诊断系统中发生的所有故障。这些系统可以自动检测系统故障，并由一个可编辑的异常故障处理程序加以捕获。用户还可以在调试之前，就可以使用总线测试装置 BT 200 在 PROFIBUS 上检查总线电缆、接口和部件的可用性。通过诊断中继器，可以在正常运行过程中检查接线情况。监控所连接站和模块的状态，并以纯文本的形式对其进行显示。在调试和运行过程中，带有 ET200 站的自动化系统的拓扑结构可用于总览诊断。通过模块诊断，可提供相应模块的详细信息，包括对编码器电源和输出进行的短路测试。具有诊断功能的模块可监视各个通道的短路和断线情况。这样就可以对各种异常情况和过程事件立即做出反应。通过 STEP 7，还很容易地对控制器的响应进行编程。(2) 开放的通讯标准PROFIBUS 和 PROFINET 可以确保部件之间的快速数据传输以及自动化解决方案的一致性分布。具有开放性的通讯标准，可实现灵活的系统接口。PROFIBUS 已成为业内头号现场总线，这已经被世界范围内安装的 1300 万个节点加以证实。(3) 采用等时同步模式快速控制过程采用等时同步模式的分布式解决方案，可确保极高精度的快速、可靠加工过程。尤其是驱动器控制。为控制高速机器以及生产和加工过程，加工循环必须同步运行。这意味着生产工序循环必须统一，而且时间间隔固定，即系统时钟。加工工序应具有连续性，并能快速、可靠地进行处理。为此，就需要具有可重复的固定过程响应时间。这意味着 I/O信号必须以等间隔时间通过用户程序完成读入、输出和同步。另外，从分布式 I/O 记录信号到执行器上做出相应响应，这之间的时间间隔必须尽可能短暂，并具有精确的重复性。系统时钟适用于整个自动化结构对时钟精度具有极高要求的设备，这一要求可通过在等距 DP 循环、I/O 模块和用户程序之间进行直接连接而得到满足。将 SIMATIC 自动化解决方案同步连接到等距 PROFIBUS，即为“同步等时”模式，具有以下优点：(1) 对重复性（严格的实时要求）要求较高的同步快速过程也可通过分布式 I/O 实现自动化。(2) 等时模式开辟了无限可能的应用空间，不仅仅局限于驱动应用场合。ET 200S 和 ET 200M都支持等时同步模式。4.5 SIMATIC ET 200S特点提供有丰富的模块，功能性强SIMATIC ET 200S 是一种多功能、高度模块化的 I/O 系统，可精确满足自动化控制的需要。由于具有坚固的结构，所以它可在高机械应力条件下使用。各种接口模块可用来接入 PROFIBUS总线系统和/ 或 PROFINET 总线系统。它们分担了中央控制器的负荷，缩短了紧急信号的响应时间。全新高性能的接口模块、快速 I/O模块、等时同步模式和快速的内部数据传输，都显著改进 ET200S 的性能。并且还可与高速控制器配套使用。越来越多的分布式自动化解决方案不仅涉及数字量和模拟量信号，还涉及技术功能、电机起动器、变频器或气动接口。按位模块化 ET 200S 提供了功能全面的模块系列：(1) 技术功能模块可用于执行计数和定位任务、凸轮控制或闭环控制任务。(2) 使用电机起动器，可以连接功率高达 7.5 KW 的三相负载。电机起动器有几种设计形式，包括故障安全设计。(3) 变频器（也带有集成安全技术）可提供功率达 4 kW 的异步电机的无级转速控制。(4) 气动接口使用 Brkert 公司提供的模块。(5) IQ-Sense 传感器模块可连接智能传感器，如 Sonar BERO。(6) 故障安全型 I/O 模块用于带有 SIMATIC 安全集成功能的安全相关装置的输入和输出。配有 PROFINET 接口、I/O 模块、电机起动器和变频器的 ET 200S正常运行过程中的诊断功能和模块更换提高了工厂可用性：(1) 丰富的诊断报警功能，可显示模块状态和通道分布式信息。(2) 可在正常运行过程中更换电子模块、电机起动器和变频器，无需使用工具（热插拔）。更换过程中，SIMATIC ET 200S可继续运行，应用程序在许多情况下都可继续工作。如果使用电机起动器和变频器，甚至无需对系统进行强制隔离。现场控制系统构成一个PLC系统包括：(1) 电源模板(PS)：将SIMATIC S7-400连接到24 V DC或120/230 V AC电源上。(2) 中央处理单元（CPU）：有多种CPU 可供用户选择。(3) 各种信号模板(SM)：用于DI/DO以及 AI/AO。(4) 通讯模板(CP)：用于总线的连接和点对点的连接。如CP443。(5) 功能模板(FM)：专门用于计数、定位等控制。如FM450，FM451。(6) 接口模板(IM)：用于机架扩展。(7) 存贮器卡：用于扩展装载存贮区。存储器卡种类包括RAM卡和FEPROM卡。4.6 选择CPU型号及扩展模块型号和数量4.6.1 CPU的选择S7-200的CPU有5种不同的型号，可以满足不同的控制要求，不同的CPU型号的技术指标如表4.21。表4.2 不同型号CPU指标Tab. 4.2 Indicators of different models of CPU特性CPU 221CPU 222CPU 224CPU 224XPCPU 226本机I/O数字量6入/4出8入/6出14入/10出14入/10出24入/16出本机I/O模拟量-2入/1出-最大扩展模块数量0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块掉电保持时间50小时50小时100小时100小时100小时程序存储器：可在运行模式下编辑4096字节4096字节8192字节12288字节16384字节程序存储器：不可在运行模式下编辑4096字节4096字节12288字节16384字节24576字节数据存储区2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节脉冲输出（DC）2路20KHz2路20KHz2路20KHz2路100 KHz2路20KHz模拟电位器11222实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置I/O映象区128入/128出128入/128出128入/128出128入/128出128入/128出通讯口1RS-4851RS-4851RS-4852RS-4852RS-485浮点数运算有有有有有布尔指令执行速度0.22s /指令0.22s /指令0.22s /指令0.22s /指令0.22s /指令外形尺寸（mm）908062908062120.5806214080621908062由于本产品数字量输入均通过触摸屏输入所以并不占用输入端口，数字量输出为水阀、电加热管、换向阀、平衡器上的风扇、除霜装置总共5个，同时还需要模拟量输入五路：蒸发室中的温度、蒸发室中的压力、蒸发室出口处的湿度、冷凝集液器中的温度、控风器外壁排气装置处气体成分检测，模拟量输出三路：控风器出气侧外壁上的开合式排气装置、控风器进气侧外壁上的开合式进气装置、控风器叶片。具体数量见表4.3。因此，需要多个模拟量扩展模块，综合考虑选择CPU型号为CPU 224。由上表可知CPU 224本机集成了14点输入/10点输出，共有24点数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O。CPU224配有一个RS-485通信/编程口，具有PPI、MPI通信和自由方式通信能力，是具有较强的控制能力的小型控制器。实物图见图4.1 。表4.3 输入输出点数统计Tab. 4.2 Input and output points Statistics名称数量数字量输入数字量输出5模拟量输入5路模拟量输出3路图4.1 CPU224实物图Fig.4.1 CPU224 physical map4.6.2 模拟量输入模块的选择CPU224本身没有集成模拟量输入输出模块，因此需要外部扩展模块，前面已知需要模拟量输入5路，本设计选择EM 231模拟量输入模块，此模块有4路模拟量输入，因此需要两块EM 231。.输入信号可以是电压也可以是电流，其输入与PLC具有隔离。输入信号的范围可以由SW1、SW2和SW3设定。具体的技术指标见表4.4和表4.55。表4.4 EM231技术指标Tab. 4.4 EM231 technical indicators型号EM 231模拟量输入模块总体特征外形尺寸：71.2mmX80mmX62mm功耗：3W输入特征本机输入：4路模拟量电源电压：标准DC24V/4mA输入类型：010V、05V、正负5V、正负2.5V、020mA分辨率：12bit转换速度：250s隔离：有耗电从CPU的DC5V(I/O总线)耗电10mA接线端子M为DC24V电源负极端，L+为电源正极端RA、A+A-;RB、B+B-;RC、C+C-;RD、D+D-分别为第14路模拟量输入端电压输入时，“+”为电压争端，“-”为电压负端电流输入时，需要将“R”与“+”短接后作为电流的进入端，“-”为