滤池控制系统毕业论文.doc

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘 要水对我们的生命起着重要的作用 ,它是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一。我国是一个水资源较稀缺的国家。城市饮水就成了急需解决的问题。把最先进的技术引入到净水厂生产网络控制系统设计当中，就能造就高新的供水企业，不仅具有良好的经济价值，更具有重大的社会意义。论文针对净水自控系统中滤池系统部分的控制要求，实现PLC的程序的编写。本次设计首先使用工具AutoCAD软件，看懂相关图纸,根据实际情况做出相应修改，然后编写PLC梯形图。本设计的可编程控制器采用SIEMENS 公司的S7_200实现对滤池系统的控制。用PROFIBUS总线实现S7_200与上位机S7_300通信。本文还详细的介绍了净水的工艺流程。使读者更明了滤池系统在整个净水系统中的重要意义。 关键词：净水系统；滤池；可编程控制器；S7_200ABSTRACTWater is very important to our life.It is source of life,also one of the most important matter that we can not survive and develop without.Our country is relative lack of water resources.Urban water supply is the very proplem to sovle. It not only can create the high-tech water supply enterprises but also brings good economic value and great social significance to take the advanced-technology into the design of production networks water purification plant control system.Considering those requirements from filter champer system of the water purification system,the author has worked out the PLC program.Subject of the first to use the design tools AutoCAD software, read the relevant drawings, according to make consequential amendments to the actual situation, and then the preparation of PLC Ladder Diagram.SIEMENS S7_200 is used to the subject to fullfilling control requirements.S7_200 communicates with host computer S7_300 through the PROFIBUS.This design describes process flow of water purification in detials.It makes readers keep track of the importance of filter champer system in the whole water purification system.Keywords: water purification system; filter champer; promgrammable controller; S7_200目 录 引 言11 净水厂自控系统综述21.1 课题背景21.2 国内外净水处理技术的现状21.3 净水厂结构的概述51.4 净水的工艺流程51.5 课题研究的意义61.6 可编程控制器的概述71.6.1 PLC的特点71.6.2 PLC的应用领域81.6.3 PLC的构成91.6.4 PLC的I/O模块92 系统开发工具112.1 AutoCAD软件简介112.2 S7_200 编程软件简介123 系统的总体设计153.1 净水间系统的组成163.2 滤池系统的控制要求163.3 控制实现的原理173.4 总线通信的实现174 滤池控制系统的程序设计194.1 课题概述204.2 PLC控制系统的设计原则204.3 PLC控制系统的设计步骤204.4 设计任务分析214.4.1 PLC自控系统的设计分析步骤214.4.2 滤池系统的设计分析224.5 净水车间S7_200站程序编写234.5.1 PLC端子分配与功能实现234.5.2 控制程序的编写305 调试与仿真385.1 PLC程序的调试385.2 PLC程序的仿真39结束语43致 谢44参考文献45附录A 英文文献46附录B 中文译文58附录C 程序流程图66附录D 程序梯形图6786基于S7-300 PROFIBUS 的净水厂滤池自动控制的编程与实现引 言 我国人口基数大水污染日益严重，健康饮用水的市场容量巨大。水作为人类生存的三大要素之一，没有人能够离开它，而且随着人们生活水平的提高和人们对健康意识的 逐渐重视，人们越来越来关心自己的饮水健康。 随着城市建设的发展，水的供需矛盾日益尖锐，为了缓解这一矛盾，全国大、中城市都新建和扩建了许多水厂项目，其规模、设备和技术都比以往有了显著的提高，新型的现代化水厂日益崛起。 我国净水厂的自动化工作起步较晚，但发展很快，从六十年代简单的水位自动控制发展到七十年代采用热工仪表和集中巡检装置，八十年代以后随着国家工业水平的整体提高，使水厂进入了大规模的发展年代，特别是随着外资的引入，大量国外先进的自动化控制技术与设备进入我国，建成了一批全引进的水厂，使我国水厂自动化进程大大加快，自动化水平也快速提高。目前，现场总线技术已经用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络中。作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场与控制设备之间的联系外，还连接着更高控制管理层。因此，它不仅是一个基层网络, 而且还可构成一种开放式、新型全分布控制系统, 即集智能、传感、控制、计算机、数字通信技术于一身的控制系统。正由于这些特点，以现场总线作为技术支撑的fcs在工业自动化领域有明显的优势，如很高的精确性、设计组态简单、扩展安装方便、易于维护、节省软硬件投资等。它被公认为第五代控制系统，成为当今工业自动化发展的必然趋势。因此总线技术在净水厂自控系统中也得到了广泛的应用。 1 净水厂自控系统综述1.1 课题背景中国水资源现状不容乐观，中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的14、美国的15，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。 据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对中国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。我国虽然采用水厂自动化控制较晚，但近几年来，水厂自动化控制有了很大的提高。但是系统自动控制的提高，也给传统的设计、施工、使用带来了一系列问题。由于设备元件的质量问题、施工问题、及管理水平多方面因素，使得一些早期投入使用的全自动系统改为手动控制状态。部分自动自控系统最终只能是监而不控，不仅没能达到减员增效的目的，而且还增加了一些辅助部门。众所周知，自控系统是大量人力和财力的投入，随着我国工业化水平的提高，水厂自动控制技术将得到进一步推广。但是如何使自控技术在净水厂的应用变得更加完善就是这次课题的主要目标。滤池自控系统是净水自控系统中的重要环节，也是净水技术的关键部分。随着净水自控技术的不断进步，滤池部分的自动化程度也越来越高。节约了大量的人力同时大幅度的提高了净水效率和净水效果。 1.2 国内外净水处理技术的现状1) 国内净水处理技术的现状我国净水厂的自动化工作起步较晚，但发展很快，从六十年代简单的水位自动控制发展到七十年代采用热工仪表和集中巡检装置，八十年代以后随着国家工业水平的整体提高，使水厂进入了大规模的发展年代，特别是随着外资的引入，大量国外先进的自动化控制技术与设备进入我国，建成了一批全引进的水厂，使我国水厂自动化进程大大加快，自动化水平也快速提高。 由于历史和现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。大中城市的水厂特别是发达地区的大型水厂，自动化程度很高，而小城市和城镇的水厂特别是落后地区的小型水厂，自动化程度较低，甚至还是空白。而且，在一些已实现自动化的水厂中，虽然其自动化系统和设备与其他行业如化工、电力等相比并不差甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态;有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。综合来看，我国城市水处理厂自动控制系统有以下的特点和不足： (1)各种类型、不同等级的控制系统和控制方式并存。 (2)开始大量采用可靠性高、维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表，为进一步提高水处理厂自动控制水平提供了基础条件。但目前使用的大多是进口仪器、仪表，在使用和维护方面仍存在许多问题。 (3)水处理工艺不断的推成出新，单元控制系统、加药絮凝沉淀系统等，逐渐开始采用自动控制方式，各种控制理论开始得到广泛应用。 (4)水处理厂控制系统的监控和通讯功能在硬件和软件开发利用方面存在极大不足，妨碍了处理过程的高效、经济运行。 (5)许多控制系统的设计和实际工艺不相符，软件汉化比较差，给系统正常运行造成困难。 (6)国产自控系统、仪表、设备的质量、成套和系列化急需进一步提高，特别是国内一些复杂高效新工艺的出现，对相应的自动化控制设备提出了更高的要求。 (7)从国内城市净水处理厂计算机系统的现状来看，目前还没有能够实现工艺过程全部自动控制的范例。造成这种情况的原因一方面因为水处理工艺和生产管理水平不高。另一方面是由于控制系统完全进口，在软件修改、计算机联网上存在困难，影响一了系统的合理性和统一性。从某些水处理厂的实际运行情况来看，引进设备由于水源水质的不同和维护、备件不足而不能正常运行，由于软件和控制系统全面引进，也使工艺改进无法实施。自控系统越运行范围越小，自动改手动，手动改人工，严重影响了处理工艺的正常运行。 (8)对水厂实施自动化的根本目的认识不够全面或出现偏向，是造成一些水厂自动化系统未能充分发挥作用的一个原因。水厂实现自动化的根本目的是提高生产的可靠性和安全性，实现优质、低耗和高效供水，获得良好的经济效益和社会效益。但是，有的水厂实现自动化是为了赶时髦，将其作为一种点缀;有的水厂是迫于形势，在大批水厂纷纷实现自动化的情况下，自己也不能不上;有的水厂使用的自动化功能过于复杂，特别是在考察自动化水平较高的水厂后，更是盲目地提高标准;有的水厂则自动化功能过于简单，主要是对自动化不熟悉，缺乏必要的信心，怕造成麻烦;有的水厂是为了凑合贷款数，不得已而配置自动化系统和设备。这些不正确想法的存在，使水厂实现自动化的根本目的发生了偏向，造成了自动化设计不切合水厂实际，不注重生产过程特别是关键工艺环节的自动化，并忽略了在运行和管理模式方面的相应改革，从而导致自动化未能充分发挥作用，甚至建成后处于闲置状态。2) 国外净水处理技术的现状现代化水厂重要标志是实现水处理的自动化控制和管理。如欧、美、日等发达国家在这方面起步较早，由于采用先进的检测仪表，计算机系统及高可靠性的执行设备。水处理过程实现了无人化，中心控制室集中检测和控制，极大的提高了企业经济需要效益。如美国爱荷华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20，并且提高了管理水平和稳定了水质。此外，俄罗斯的莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制水厂生产，取得较理想效果。现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实现多环路控制，其中包括沉淀、过滤和反冲洗、化学药剂投放等。设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中搜集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、设备故障报警等。在计算机自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。 絮凝控制技术是净水处理的重要环节，因此如果控制不好，既不能达到预定的水质要求，又导致药剂的浪费。国外经历了化验室烧杯搅拌试验确定投加量与经验投加相结合的方式(即人工操作投加)、模拟滤池法控制混凝药剂的投加、建立前馈数学模型实现计算机自动控制投加、建立前馈与后馈数学模型实现计算机优化自动控制投加几个阶段后，目前国外投药控制发展趋势已由多参数控制向单因子控制方向发展，因为单因子控制不要求建立较复杂的数学模型，连续检测传感器单一，管理维护方便。近几年来这一技术发展很快，比较有代表性的是:流动电流投药控制系统和絮凝控制在线检测仪。 在西方发达国家，大力提倡污水的零排放。但实际上真正实现零排放的很少，原因是零排放所采取的终端废水处理方式是蒸馏、浓缩、干燥，这种方式不仅投资大，而且运行能耗大、成本高。如果考虑不同系统水质要求的差异，通过优化控制系统的引导，及时分配污水处理和回用的目的，降低污水处理成本，则能大量降低污水排放量，充分提高水资源的利用价值。1.3 净水厂结构的概述净水厂控制系统总体分为两大系统其一为控制系统其二为监控系统。控制系统可分为取水泵房、加药间（加氯间）PLC控制站、净化间PLC控制站、加氯间PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各个控制站相对独立工作，通过PROFIBUS总线网络进行通讯，将所有的数据信息送到水厂调度室进行处理，或将一部分数据通过调度系统以总线通讯及以太网通信的方式送到城市的调度中心。监控系统主要由各工作站采集数据再通过通讯网络把数据传送给上位机组态监控软件Wincc实现监控。在水厂内部根据生产管理的要求、生产工艺流程的复杂程度、信息量的大小和控制设备的多少来划分水厂监控分站，如：取水泵房分站、反应沉淀池分站、滤站、送水泵房分站或水厂配电室分站等。每一个监控分站采集现场数据信息并上传至水厂控制中心，同时接受水厂控制中心发出的控制命令，控制现场的各种工业设备。本次课题的研究内容为净水厂滤池部分自动控制设计，下面介绍滤池系统的结构。本工程的净化间共有两座反应沉淀池及絮凝池，8格滤池。每格滤池共有4个阀门参与控制，F1： 滤池进水阀， F2：滤池出水阀， F3：反冲洗进水阀， F4： 反冲洗排水阀。1.4 净水的工艺流程1) 第一道生产工序反应，其过程包括“原水混合槽反应池”。原水是指未经加工的自来水生产用水，可分为两大类：地下水源和地表水源。通常原水中都带有诸如藻类、腐殖质、泥沙之类的轻微颗粒。通过投加絮凝剂，可使水中呈胶体状态存在的污染物互相凝聚，形成大而重的絮凝体，以利于在重力作用下在沉淀池中去除；通过投加氯来杀灭水中藻类。2) 第二道生产工序沉淀，包括“沉淀池”。这时，原水从反应池流入沉淀池，在水中较大的颗粒团在通过沉淀池的斜板时，附着并沉淀到斜板的底层。3) 第三道生产工序过滤，其过程包括“滤池清水池”。沉淀池出水流入滤池，水中的细微杂质被滤池中的过滤材料过滤和吸附之后，清洁的滤后水流入清水池进行贮存，并在清水中再次投加入液氯进行一段时间消毒，对水体的细菌、大肠杆菌等病菌进行杀灭，整个净水处理过程到此就已完成。4) 第四道工序加压供水，其过程包括“送水泵房供水管网”。经消毒后的自来水贮存在清水池中，通过水厂二级泵房的水泵加压之后，进入供水管网。图1.1 净水厂结构图1.5 课题研究的意义水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直至九十年代，随着可编程控制器(PLC)的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方使、以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为：由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。水处理工业自动化领域的发展趋势是管理一控制的一体化。实现水厂生产过程自动控制的目的是：通过提高水厂的自动化程度来提高水厂的现代化管理水平与生产过程调控能力，从而提高水厂生产的社会效益和经济效益。本次设计的水厂的整个自控系统采用（PC+PLC）的组成形式。滤池控制在水厂自动化中属于较难设计的环节，主要表现在反冲洗过程中开、关阀顺序和开、关阀条件的复杂上。滤池系统是净水厂自控系统中的重要环节，滤池系统自控程度的高低直接影响着净水的效果和效率。本次设计的净水间滤池系统采用基于PROFIBUS总线的控制系统。上位机为S7_300通过总线系统与8个S7_200通信。8个PLC分别实现对8格滤池的控制。1.6 可编程控制器的概述PLC即可编程控制器，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1.6.1 PLC的特点a 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低,此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。b 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合.除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。c 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事打开了方便之门。d 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种,小批量的生产场合。e 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.6.2 PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。a 开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。b 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。c 运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。d 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热炉控制等场合有非常广泛的应用。e 数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。f 通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接接口,通信非常方便。1.6.3 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定置。1.6.4 PLC的I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2 系统开发工具2.1 AutoCAD软件简介AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320200到20481024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。1) AutoCAD软件的特点AutoCAD软件具有如下特点：(1)具有完善的图形绘制功能。 (2)有强大的图形编辑功能。 (3)可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。 (4)可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。 (5)支持多种硬件设备。 (6)支持多种操作平台。(7)具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善。2) AutoCAD软件的基本功能平面绘图：能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。CAD基本功能：绘图辅助工具。AutoCAD提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等绘图辅助工具。正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可 帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变得更加容易。编辑图形：AutoCAD具有强大的编辑功能，可以移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。 标注尺寸。可以创建多种类型尺寸，标注外观可以自行设定。 书写文字。能轻易在图形的任何位置、沿任何方向书写文字，可设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。 图层管理功能。图形对象都位于某一图层上，可设定图层颜色、线型、线宽等特性。三维绘图：可创建3D实体及表面模型，能对实体本身进行编辑。 网络功能。可将图形在网络上发布，或是通过网络访问AutoCAD资源。 数据交换。AutoCAD提供了多种图形图像数据交换格式及相应命令。3) AutoCAD软件的应用领域工程制图：建筑工程、装饰设计、环境艺术设计、水电工程、土木施工等等。 工业制图：精密零件、模具、设备等。 服装加工：服装制版。 电子工业：印刷电路板设计。 广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、服装鞋帽、航空航天、轻工化工等诸多领域。 本次课题的硬件设计图纸就是用AutoCAD软件制作的，应了解并掌握AUTOCAD相关技术，理解并能设计修改西门子S7-200 PLC模块接线图及相关工程图纸。2.2 S7_200 编程软件简介STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务， 适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程， 支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。 STEP7MICRO/WIN 编程软件是强大的基于标准的Windows的工控编程组态软件。在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200软件简单、易学，能够解决复杂的自动化任务，可以快速进入，节省编程时间而且具有扩展功能。 STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。 1) 基本功能 STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程。支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。具有密码保护功能。 STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。指令向导功能：PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出(PTO)和脉宽调制(PWM)指令向导；数据记录向导；配方向导。支持TD 200和TD 200C 文本显示界面 (TD 200向导)。2) 其他功能 （1）运动控制 S7-200提供有开环运动控制的三种方式： 脉宽调制（PWM）-内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制。 脉冲串输出（PTO）-内置于S7-200，用于速度和位置控制。 EM253位控模块-用于速度和位置控制的附加模块。 为了简化您应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制。对于位控模块，STEP 7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试您的运动操作。（2）创建调制解调模块程序 使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200与STEP 7-Micro/WIN的通讯。该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。STEP 7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助您设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。（3）USS协议库 STEP 7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。通过USS指令，您可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。当您选择一个USS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。（4）Modbus从站协议指令 STEP 7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。使用Modbus从站协议指令，您可以将S7-200组态作为Modbus RTU从站，与Modbus主站通讯。 可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到您的项目中。（5）使用配方 STEP 7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。配方存在存储卡中，而不是PLC中。 STEP 7-Micro/WIN软件和S7-200 PLC已经支持配方功能。STEP 7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。所有配方存在存储卡中。因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。要查阅关于存储卡的更多信息。（6）使用数据归档 STEP 7-Micro/Win提供数据归档向导，将过程测量数据存入存储卡中。将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V存储区中。（7）PID自整定和PID整定控制面板 S7-200PLC已经支持PID自整定功能，STEP 7-Micro/WIN中也添加了PID整定控制面板。这就大大增强了S7-200PLC的功能，并且使这一功能的使用变得更加容易。 可以使用操作员面板中的用户程序或者PID整定控制面板来启动自整定功能。在同一时间，不仅仅只有一个PID回路可以进行自整定，如果需要的话，所有8个PID回路可以同时进行自整定。PID自整定算法向您推荐增益值、积分时间值和微分时间值。您也可以为您的调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或者极慢速响应等调节类型。 用PID整定控制面板，您可以启动自整定过程，取消自整定过程和在图表中监视结果。控制面板会显示所有可能发生的错误和警告信息。它也允许您将自整定后得到的增益值、积分时间值和微分时间值应用到实际控制中去。下面的图为STEP 7-Micro/WIN的操作界面：图 2.1 STEP 7-Micro/WIN的操作界面3 系统的总体设计3.1 净水间系统的组成本次课题是对净化间中的滤池实现自动控制，净水间的组成如下：A 工艺参数检测本工程共有两座反应沉淀池及絮凝池，8格滤池。在每系列絮凝池出口处设1台碱度计;每系列沉淀池出口处各设1台污泥界面计; 在滤池进水出水总管各设1个浊度变送器， 在每格滤池设液位计测滤池有效水深，控制滤池恒定液位及反冲洗， 出口管设压力测量，信号均以420mA标准信号送入PLC控制站。B设备控制反应沉淀池：一组沉淀池总共2个贮泥斗，每台刮泥机对应2个贮泥斗，2个贮泥斗作为一组，统一排泥，总共1组。排泥按时间控制，即：贮泥斗排泥3min后（03min内可调），停止排泥。（共2组，并联运行）反应池共2组，每组5个排泥阀，分2组排泥，排泥方式同沉淀池。刮泥机的控制根据时间进行， 由刮泥机自带控制箱完成， 但要把刮泥机运行停止等状态信号送往PLC控制站。滤池：共有8格滤池，每格滤池共有4个阀门参与控制，F1： 滤池进水阀， F2：滤池出水阀， F3：反冲洗进水阀， F4： 反冲洗排水阀。反冲洗泵房： 在反冲洗泵房设两台反冲洗水泵， 并在附近设一座反冲洗水池， 在水池设一台液位计， 根据液位高低控制反冲洗泵的开停， 2台泵交替运行，互为备用。3.2 滤池系统的控制要求1) 各个滤池的控制保持独立性，互不干扰。整个系统按滤池的生产工艺要求控制。2) 滤池的控制分为：自动、半自动、手动三种方式。自动时滤池的反冲、过滤、停止全过程由系统控制；半自动时滤池的反冲、过滤、停止过程由人工选择，相应的过程由系统控制；手动时可通过工作站控制滤池的所有设备。3) 正常过滤时：未达到反冲洗条件时滤池处于过滤状态，滤池液位需保持在0.50.03 m。4) 反冲洗准备时：当一格滤池达到反冲洗条件时，就进入反冲洗准备状态直至反冲洗开始。5) 反冲洗状态：只允许8格滤池中的某一个处于反冲洗状态。其他格滤池如有处于反冲洗准备状态，只有等待处于反冲洗状态的滤池结束反冲洗再对其进行处理。3.3 控制实现的原理滤池反冲洗按水头损失(滤池水位与滤池出水压力读数差值)或时间进行控制，既可手动又可自动，当上述两个参数有一个达到设定值时，滤池开始反冲洗，同一时间只能冲洗一格滤池。正常过滤时：F1开，F2开，F3关，F4关；并且F2与测滤池水位变化的液位变送器滤池水位联动，当液位变送器数值高于设计恒水位(0.5m)3cm时，开始微调开大F2至正常水位；当液位变送器数值低于设计恒水位(0.5m)3cm时，开始微调开小F2至正常水位；反冲洗准备时：当水头损失(滤池水位与滤池出水压力读数差值)=0.6m（可调）或过滤时间6h（可调）时，关闭进水阀门F1，准备反冲洗，待滤池水面降至滤料面以上0.2m时(滤池水位为0.2m)，F2关，开始反冲洗。反冲洗时：反冲洗时间取310min，水洗时，F1关，F2关，F3开，F4开，反冲洗泵阀开。3.4 总线通信的实现PROFIBUS是一种国际性、开放式的现场总线，符合EN50170 欧洲标准，广泛用于离散型、流程型自动化系统以及楼宇、交通、电力等自动化领域。PROFIBUS现场总线分为报文规范PROFIBUS-FMS、分布设备PROFIBUS-DP、过程自动化PROFIBUS-PA三个相互兼容的版本。本次课题探讨了在净水厂滤池系统中如何利用现场总线PROFIBUS-DP组建数据通信网络，实现数据通信。PROFIBUS-DP总线的通讯原理：PROFIBUS-DP总线采用了OSI 参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层和用户自己定义的用户层来实现通信的。A 物理层PROFIBUS-DP的物理层与OSI参考模型的第一层相同，主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，透明地传送比特流，它采用EIA RS-485协议，半双工通信方式，根据最大传输速率的不同，可选用双绞线和光纤等传输介质。在该柔性制造系统中物理传输介质采用的是PROFIBUS-DP总线专用的通信电缆。B 数据链路层PROFIBUS-DP现场总线数据链路层采用的总线存储协议为令牌总线(TokenBus) 方式和主-从方式的混合存取方式。令牌总线方式与LAN的IEEE802.4的规约一致，它规定了主站之间的介质存取控制方式。当系统中有两个以上的主站时，各主站在传输数据时拥有相同的总线控制权，因此必须保证在事先定义的时间间隔中某主站有充足的时间完成通信任务。令牌是在主站之间传递总线控制权的一种特殊报文。当某个主站得到令牌时，它将在一个规定的时间段内获得总线控制权，在这段时间内该主站可依照与主站或从站的关系表和所有的主站或从站发送所需要发送的帧，当该主站的控制时间结束时，它就将令牌传递给下一个主站。主-从方式符合高级数据链路协议HDLC的非平衡正常响应模式，主站与从站之间采用HDLC帧的格式进行数据传送。在主-从方式下，一个主站控制多个从站，主站发出命令( Command)，从站给出响应( Response)，