基于400PLC的造纸纸浆控制过程.doc

第1 章 备浆工段工艺过程 1 1备浆工艺简介 本次设计主要是针对备浆工段中废纸的碎解 粗筛 净化 精选 磨浆部分进行DCS设计 我们应用德国西门子公司的 S7系统来进行硬件配置及软件组态 从而完成系统的控制要求 1 废纸的碎解流程一般为 原料进水力碎浆机 高浓除砂器 疏解机 该流程的任务是 废纸碎解成纤维悬浮液 同时去除废纸中的各种轻重杂质 链板机将废纸包送到水力碎浆机 原料被一个一个放到链板机上 包上的捆绑铁丝已 被切断 如果有大块的杂质 铁块应在链板机上及时清理掉 碎浆机的操作是连续的 原 料在碎浆机内被碎解 碎解后被稀释到 4 5 并由泵送到高浓除渣器进行处理 良浆被送到 贮浆塔 浆渣被排出系统外 水力碎浆机的主要功能是混合原料与白水 使原料尽快的分解成可以泵送的浆料 大 部分大块的杂质和重渣被从浆料中分离出 重杂质被收集到渣井中 绞绳机收集打抱的铁 丝和一些绳状物 水力清渣机可去除大片重杂质和塑料片 高浓除渣器的功能是除去像砂子 铁钉 玻璃等杂质 进而减少对下段工序中设备的 磨损 2 经过筛选 浓缩后的浆料还要经过盘磨 以获得适当的纤维特性 进入成浆池 准 备送往造纸车间使用 磨浆是为了提高纸的质量 配浆过程中由于各浆料的浓度 流量 打浆度等参数一直在变 所以人工很难做到各浆料 胶料的精确配比 这样就容易出现配 比不稳定 造成浆浓度波动 各浆池液位波动等相互关联的不利现象 恶化该工段和后续 抄造工段的工艺条件 本次设计采用了比率自动控制方式进行连续配浆 即利用成浆池液 位控制的输出作为主要浆种的流量给定 并通过比率控制器决定其他浆种的流量给定 3 废纸经过水碎 高浓除渣器后进入粗筛系统进行处理 良浆送往下工序 浆渣经过 多次处理后排出系统外 粗筛是为了除掉纸料中相对密度小而体积大的杂质 纸浆的初筛 和精选都要用到压力筛 而压力筛在洗浆过程中一定要保证良浆和尾浆的按比例控制 又 要防止压力筛的堵浆现象的发生 当出现堵浆现象时 必须采取措施进行反冲洗 将堵浆 冲洗干净 保证整个洗浆过程的顺利进行 压力筛的控制参数多 难以控制 其中有进浆 口 白水进水口 良浆出口和尾浆出口的流量控制 浆池液位连锁报警控制 良浆出口和 尾浆出口的流量控制采用等比例控制 当系统稳定时 进出口压差又是与进出口流量成正 比的 同时当压差控制大于某个值 出现堵浆时必须将进浆口阀门全开 良浆出口阀门全 关 尾浆出口全开 形成一个反压反冲 1 3秒去除堵浆 使压差达到要求后进出口阀门恢复 到以前状态 4 净化就是纸浆经筛选后 浆中仍有一部分细小而相对密度较大于纤维的杂质 如原料 中的泥沙 化学药品的沉见物 砂石 飞灰等 这些经粗选和精选后热闹感不能除去 因此还 须净化除砂 进一步除杂 提高纸浆质量 5 给白水部分提供制浆线的所有需要的白水 是制浆线启动的基本前提条件 只有该 系统中充满水时 各设备组才允许启动 6 通用部分包括压缩空气 清水 密封水 该部分是整个制浆造纸车间设备 仪表启 动的基础 只有该部分启动之后 各个设备组才允许启动 7 在整个流程中 应该注意的几个过程是 碎浆后 纸浆经过高浓除渣器进入贮浆塔时要检测出浆管的压力 如果压力过大 就 要打开出浆管压力阀 使一部分浆回流到水力碎浆机中 精选后的浆经过多盘式真空过滤机过滤掉水份 在进入磨前浆池时要进行浆浓度的检 测 如果浓度过大 可以加清白水稀释 如果浓度过小 那就没有办法了 在用双圆盘磨浆机磨浆时 多个双圆盘磨之间的连接可根据具体生产的需要并联或串 联工作 同时还应该注意到 在浆被磨制后 向两个方向流动 一部分又回到双圆盘磨浆机 另一部分进入成浆池 在这两个管道上都各加了一个双盘磨138出浆管流量显示调节阀 而且 这两个阀的开度正好相反 开始在浆没有磨制好之前连接成浆池的管道上的阀开度要小 另个阀开度要大 这样有助于反复的磨浆 慢慢的成降池管道上的阀开度不断增大 另个 阀开度减小 使浆进入成浆池 其流程如图 1 1所示 加白水 次良浆 次浆 次浆 良浆 次 良 浆 次 良 良浆 排出 伪浆 废纸捆 抄选浆池 成浆池 双圆盘磨浆机 磨前浆池 水利碎浆机 二段精选压力筛 一段精选压力筛 浮选筛 四段低浓除砂器 三段低浓除砂器 二段低浓除砂器 一段低浓除砂器 浮选进料池 浆箱 一段粗筛 贮浆塔 高浓除渣机 水利碎浆机 多 盘 式 真 过 虑 空 机 次 浆 次浆 次浆 次浆 良浆 良浆 良浆 良浆 良浆 图 1 1 生产工艺流程图 第2 章 控制要求及方案 2 1设计题目及意义 本次设计的课题是 基于 S7 400PLC的备浆系统过程控制 在本课题的设计过程中 可 以较好的了解生产实际的工作过程 以及各测控点对生产工艺所引起的作用 学会如何根 据工艺要求选择测控仪表设备 如何根据测控点和测控仪表设备的要求选择PLC接口模块 了 解整个测控系统的结构和硬件系统的接线方式 学会软件编程并能深入理解过程控制中相 关环节的控制原理和适用的条件 为以后的工作打下一个坚实的基础 备浆系统市造纸厂 制浆后期 浆料即将上网造纸的一个重要环节 其工作是否正常对纸张质量影响很大 在 此系统中尤其是打浆过程是控制的重点 2 2设计的主要任务 本次设计的主要任务是在熟悉生产工艺流程 了解各对应测控点的作用和目的的 基础上选择对应的控制仪表及设备 列出控制点统计表 并根椐测控点分类选择 S7 300PLC 各种模块 种类 数量 完成整个硬件系统的配置 再通过对开发平面 STP7 WINCC 以及各种应用软件的掌握完成该系统的软件组态 以实现对备将过程的 DCS 控制 2 3总体设计方案 2 3 1 PLC 应用系统设计的基本内容 确定系统的构成形式 择定系统运行方式与控制方式 选择用户输入设备 输出设备 及由输出设备驱动的控制对象及 PLC的选择 保证整个控制系统的技术经济指标 包括机型 选择 容量选择 I O模块选择 电源模块的选择 分配 I O点 绘制I O连接图 设计控制程 序 为了系统能够安全可靠运行 应反复调试 修改 必要时还需设计控制柜 编制控制 系统技术文件 如 说明书 电气原理图 电气元件明细表 I O连接图 I O地址分配表以及 控制软件 PLC 应用系统设计的一般步骤如图 2 1 所示 了解工艺过程 分析控制要求 确定系统构成方案 确定用户 I O 设备 确定控制方式及运行方式 选择 PLC 分配 I O 点 设计 I O 连接图 编制流程图设计控制柜 设计梯形图 现场连接 输入程序并检查 调试 满足要求 联机调试 满足要求 编制技术文件 交付使用 图2 1 系统设计流程图 2 3 2 PLC 控制系统选型 一般来说 由PLC构成的控制系统有四种类型 单机控制系统 集中控制系统 分布控制 系统及远程I O控制系统 由PLC构成的单机控制系统 适用于一台机器或一条生产线的小系统 由PLC构成的集中控制系统 适用于控制对象所处的地埋位置比较接近 且相互之间 的动作有一定联系的场合 他的控制对象是有限的 其缺点是当某一控制对象的控制程序 需改变或PLC出现故障时 必须停止整个系统工作 由PLC构成的分布式控制系统 被控对象比较多 分布在一个较大区域内 相互之间 距离较远 且各被控对象之间要求经常地交换数据和信息 多用于多台机械生产线的控制 各生产线之间有数据连接 用PLC构成远程I O控制系统 实际上是集中式控制系统的特殊情况 其I O模块不与 PLC放在一起 而是远距离在放在被控设备附近 远操I O通道与PLC之间通过同轴电缆传递 信息 适用于被控对象远离集中控制的场合 远程I O通道数目受对象分散程度和距离 PLC驱 动能力 总体考虑备浆系统的工艺流程和工艺要求 我们采用由 PLC 构成的分布式计算机控制系统 DCS 现场信号通过变送器送到 PLC PLC 再与计算机进行通信 各种信号通过存储在 PLC 里 的程序来控制 各种参数又通过计算机进行监控 2 3 3 择定系统运行方式 系统运行方式一般有自动 半自动 手动三种 自动运行方式 系统在工作过程中 按给定的程序自动地完成被控对象的动作 不需要人工干预 设计中我们采用全自动控制 方式 半自动运行方式 系统在启动和运行过程中的某些步骤需要人工干预才能进行下去 多用于检测手段不完善 需要人工判断或某些设备不具备自控条件 需人工干涉的场合 手动运行方式 不是控制系统的主要运行方式 而是用于设备调试 系统调整和特殊情况 下的运行方式 是自动运行方式的辅助方式 2 3 4 系统硬件设计 系统硬件设计主要根据控制对象而定 工艺要求是系统设计的主要依据 也是控制系 统所需实现的最终目的 了解工艺要求之后还要掌握控制对象的设备状况 既要掌握设备 的种类 数量 还要掌握设备的新旧程序 根据工艺要求和设备状况就可提出控制系统应 实现的控制功能 只有掌握了要实现的控制功能 才能据此设计系统的类型 规模 机型 模块 软件等内容 根据工艺要求 设备状况和控制功能 可以对系统硬件设计形成一个 初步的方案 但要进行详细设计 则要对系统的I O点数和种灯有一个精确的设计 以便确定 系统的规模 各种电压电流等级 智能模板要求 当然 在设计 PLC 组成的控制系统时 要考虑到所组成的控制方案的先进性 1 S7300 400的组成 S7 300 400PLC功能强 速度快 扩展灵活 它具有紧凑的 无槽位限 制的模块化结构 其系统结构如图2 2所示 图 2 2 S7 300PLC 系统构成框图 它的主要组成部分有导轨 电源模块 中央处理单元 接口模块 信号模块 功能模 块等 通过MPI网的接口直接与编程器 PG 操作员面板OP和其它S7PLC相连 导轨是安装S7 300 400各模块的机架 它是特制不许钢导型板 其长度有 160 482 530 830 2000毫米五种可根据实际情况选择 电源模块 CPU及其它信号模块都 可方便的安装在导轨上 除CPU模块外每块信号模块都有总线连接器 安装时先将总线连接器装在CPU模块并固定 在导轨上 然后依次将各模块装入 2 I O 点数量统计 我们的设计是针对宁波的海山纸业的备浆过程而设计的 其工艺流程我们在第一章已 介绍过 根据整个工段的工艺要求 列出该项目的 I 0统计清单 见附页 据统计 在此过程 中共128个控制点 数字输入98点 数字输出48点 模拟量输入68个通道 模拟量输出 33 个通道 知道了数字量的点数和模拟量的通道数后我们就要考虑那种型号的信号模块 进 一步再选择模块的个数 对于模拟量模块来说 为了缩短循环时间 应使用STEP7组态工具屏 蔽掉不用的模拟量通道 使其不占用循环时间 制浆部各测控点仪表统计如表 2 1所示 名称数量名称数量 浓度 4 液位 11 流量 18 调节阀 33 压力 31 切断阀 14 电机起停 34 表 2 1 制浆部各测控点仪表统计 3 现场仪表选型 在整个工段 液位控制中一般的液位都是几米到几十米 流量控制中 我们选用电磁 流量计 压力控制中 由于生产工段中的压力不是很大 选用一般的压力变送器足够 浓 度控制中 因为要控制的浓度不大 所以还是选用一般的浓度变送器 具体的仪表如表2 2所示 序 号名 称型 号数 量生产厂家 1 浓度计 MBT 23004 BGT 公司 2 电磁流量计 AE220MG AS1 LSG A1N BR DN22018 上海横河 4 液位变送器 EJA210A DMSG2D5A 92NN11 横河川仪 5 压力变送器 EJA438W DASG2A AA03 92DA31 横河川仪 6 气动 V 型调节球阀 2SSV 167K 200YPDZD DV2008 瑞安 7 耐震电接点压力表 YNXC100III MF3 3M 316 0 6MPa1 江苏海天 8 电节点压力表 YXC100I 0 0 6 1 江苏海天 9 ABB 变频器 ACS401 006 3 X1ABB 10 电功率变频器 WB2P414AR11 西南所 表 2 2 现场仪表选型 4 CPU 模块的选择 在我们这次的设计中 由于 S7 400 的 CPU 功能更为强大 而且更易于组建网络 所以我们在系统中选择 S7 400 的 CPU S7 400 的 CPU 有许多种可供选择 具体的有 以下几种 CPU412 1 和 CPU412 2 用于中等性能范围的小型安装 CPU414 2 和 CPU414 3 适用于中等性能范围 它们满足对程序规模和指令处理速度以及复杂通讯的 更高要求 CPU416 2 和 CPU416 3 安装于高性能范围中的各种高要求场合 CPU417 4DP 适用于更高性能范围的最高要求场合 它主要的 CPU 类型 性能如表 2 3 所示 CPU 用户程序 DI DOAI AO 位存储器计数 计时器通讯接口 412 12 48KB8K 8K512K 512K4Kbit256 256MPI DP PROFIBUSDP 412 22 72KB8K 8K512K 512K4Kbit256 256MPI DP PROFIBUSDP IFMSS 414 22 128KB16K 16K1K 1K8Kbit256 256MPI DP PROFIBUSDP IFMSS 414 32 384KB32K 32K2K 2K8Kbit256 256MPI DP PROFIBUSDP IFMSS 416 22 0 8MB32K 32K4K 4K16Kbit512 512MPI DP PROFIBUSDP 416 32 1 6MB64K 64K4K 4K16Kbit512 512MPI DP PROFIBUSDP 417 42 2MB128K 128 K 512K 512K16Kbit512 512MPI DP PROFIBUSDP IFMSS 表 2 3 CPU 模块选型 对于PLC选型方面 首先要准备两方面的内容 1 PLC的I O点数估算 在统计后得出的I O点数基础上 增加 10 到15 的裕量 考虑裕量后的 I O总点数即为 I O点数的估计值 该估算值是 PLC选型的主要技术依据 选定的PLC机型的I O能力极限值必须大于 I O点数估算值 并应尽量避免使 PLC能力接 近饱和一般应留有 30 的余量 所以将以上方法应用于本次设计中 据统计本次设计中总的I O点数为246个 所以其估 算值按最大裕量来计算应为 246 1 15 286 为了不使PLC能力不接近饱和 PLC机型 能力的极限值应为 286 1 30 370 2 储器容量估算值 PLC的I O点数估算值太小 很大程度上反映了 PLC系统的功能要求 因此可以在 I O点 数估算制的基础上计算对 PLC存储容量的要求 目前大多用统计经验公式进行存储器容量估 算 这种方法是以 PLC处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验值为依据 乘以信息 量数再考虑一定的裕量 计算得到存储器需要容量 例 作为一般应用下的一种经验公式 所需存储容量 KB 1 1 1 25 DI 10 DO 5 AI O 100 1024 3 1 式中 DI为数字量输入点数 DO为数字量输出点数 AI O为模拟量I O通道总数 根据上面式3 1的经验公式得到的存储器容量估算值具有参考价值 但在明确对PLC要求 容量时 还应依据其他因素对其修正 需要考虑的因素有 经验公式进对一般应用系统 而且主要针对设备的直接控制功能而言的 特殊的应用或功能可能需要更大的存储器容量 不同型号的PLC对存储器的使用规模与管理方式的差异 会影响存储器需求量 程序编写 水平对存储器的需求量有较大的影响 实际选型时参考此值采用就高不就低的原则 在本设计中依据上面的经验公式得出所需存储容量 再最大情况下 为 1 25 98 10 48 5 101 100 1024 13 8KB 所以根据以上的依据得出选用 S7 400的416 2型CPU 最为合适 它集成的 PROFIBUS DP接 口 使它能作为主站直接连接到 PROFIBUS现场总线 CPU416 2执行一条二进制指令仅需要 0 08 s 最多可以有262144个数字量输入 输出 16384个模拟量输入 输出 最多可有44个站 点 5 电源模块的选择 电源模块通过背板总线向 SIMATIC S7 400提供5VDC和24VDC电源 每个机架均需要 电源模块 除了包含有电源传输的接口 中央控制器中的电源模板也向扩展单元中的所有 模板供电 传感器和执行器用的负载电源应单独提供 PS307是西门子公司为S7 300专配的24VDC电源 PS307系列模块输出额定电流不同外 有 2A 5A 10A 三种 工作原理和各种参数都一样 1 在输入输出之间有可靠的隔离 2 正常输出额定电压 24V则绿色LED点亮 3 如果过载 则LED闪烁 4 输出电流长期在10A 13A之间时 输出电压下降 电源寿命缩短 5 输出电流长期在13A以上 电压跌落 跌落后可自动恢复 6 如果输出短路 输出电压为0 LED变暗 在短路消失后 电压自动恢复 PS307 2A 的主要技术规范如表 2 4所示 额定值120 230VAC输入电压 允许范围93 132VAC 187 264VDC 额定值50 60HZ线性电压频率 允许范围47 65HZ 输入电流230V 时的额定值0 5A 120V 时的允许范围0 8A 额定值240VDC输出电压 允许范围 24V 39 输出电流额定值2A 工作温度 0 60 功率损耗10W 表 2 4 PS307 2A 的主要技术规范 PS307 除了给 CPU 拱电 也可给 I O 模块提负载电源 由于在本设计中 采用了 S7 400 的 CPU 它耗电量大 因此又用了 PS407 电源专为 CPU 拱电 PS407 电源的主要技术规范如表 2 5 所示 DC120 230V 额 定 值 110 230V AC88 300VDC 输 入 电 压 允许范围85 264VAC 110 230VDC1 2 0 6A 输入电流额定值 120 230VDC1 2 0 6A 额定值 5 1VDC 24VDC 5VDC 0 3 0 5 输出电压 允许范围 24VDC 25 20 5VDC 10A 输出电流额定值 24VDC 1A 功 耗 105W 功率损失 29 7W 需要的槽位数 2 有隔离 表 2 5 PS407 电源的主要技术规范 电源模块通过背板总线向 SIMATIC S7 400 提供 5VDC 和 24VDC 电源 每个机架 均需要电源模块 除了包含有电源传输的接口 中央控制器中的电源模板也向扩展单 元中的所有模板供电 传感器和执行器用的负载电源应单独提供 本设计中需要两个 电源 一个 PS307 给各模块提供工作电压 一个 PS407 给 CPU 提供工作电源 6 数字量输入模板的选择 开关量输入模板将外部过程的开关量信号转换成可编程序控制器 CPU 模板所需的 信号电平 并传送到系统总线上 模板种类 按电压分有直流 5 12 24 48 60V 和 交流 110 220V 按保护型式分为 隔离何不隔离 按点数分有 8 12 32 64 点 1 根据现场监测元件与模板之间的距离来选择电压的等级 一般5 12 24V属低压 其 传输距离不易太远 距离较远的设备选用较高电压的模板比较可靠 以免信号衰减后造成误差 2 根据分散各处信号的多少和信号动作的时间选择模板的密度 集中在一处的输入信 号进可能集中在一块或几块模板上 以便于电缆安装和系统调试 对于高密度模板 如32点或 64点 一般来讲 同时接通点数最好不超过模板总点数的70 3 为了提高系统的可靠性 必须考虑门坎电平的大小 门坎电平值约大抗干扰能力越 强传输也就越远 4 根据系统抗干扰性能的要求 选择光电隔离或不带光电隔离的输入模板 5 根据背控设备与可编程序控制器 CPU所安装位值之间的距离来设计本地输入模板还 是远程输入模板 6 备用输入电的设计考虑 在设计总输入点数时要留有一定的裕量这些备用点的分配 应分别考虑到每块输入模板的上 最好分配到每组输入点上 例如 以具有32点输入的模板 他们每8点一组 在设计时每 8点留一个备用点 一旦其余 7点有一个发生故障 只要把接线 从故障点改接到备用点 相应地址在一修改 系统就可恢复正常 SM321数字量输入模块 有四种型号可以选择 即直流 16点输入直流32点输入交流16点输 入交流8点输入 其中SM321 DI 32X24VDC它具有32个输入点 带隔离 16点为一组 额定输入电压为 24VDC 适用于开关和2 3 4线BERO 接近开关 可接非屏蔽电缆长度最长为 600m 屏蔽电缆 长度为1000m 通道与背板之间以及每组通道之间有光电隔离 从背板总线输出最大15Ma电流 SM321 DI 16X24VDC它是16点输入 带隔离 16点为一组 额定输入电压为 24VDC 适用 于开关和2 3 4线BERO 接近开关 通道预背板总线之间有光隔 SM321 DI 16X24VDC带硬件和诊断中断 它是 16点输入 带隔离 16点为一组 额定输 入电压为24VDC 适用于开关和2 3 4线BERO 接近开关 具有量各防短路的传感器电源 对 传感器可适用外部荣誉电源 组故障 LED 可编程的诊断 可编程的诊断中断 可组态的硬 件中断 可编程的输入延迟 这是几种常用的模块 它们的主要参数如表 2 6所示 SM321 数字输入模块直流 16 点输入模块直流 32 点输入模块 输入点数 1632 额定负载电压 L 24VDC24VDC 负载电压范围 20 4 28 8V20 4 28 8 V 额定输入电压 24VDC24VDC 输入电压 1 范围 13 30V13 30V 输入电压 0 范围 3 5V 3 5V 隔离 与背板总线 光耦光耦 表 2 6 SM321 模块参数设置 根据以上模块的选择方法 以及各模块的性能选取DI模块 因本次设计中的备浆系统中 有98个数字量输入点 为了尽量减少模块的个数 采用具有32点的数字量输入模块 需要的 个数为98 32 3 1 因此 应选择四个数字量输入模块 32点 它们每8点一组 在设计时可 依据具体情况 每 8点留一个备用点 一旦其余 7点有一个发生故障 只要把接线从故障点 改接到备用点 相应地址在一修改 系统就可恢复正常 7 数字量输出模块的选择 有晶体管输出 继电器输出 在选择电压等级模板密度 备用点设计等方面与开关量模板一样 1 对一般的负荷 选择何种输出方式都可以 对开闭频繁的 电感性 地功率因数的 负荷 建议使用晶体管和晶闸管元件的开关量输出模板 对于电压范围变化较大 且各种 电压等级集中在一块模板上 则使用继电器输出模板更加方便 2 输出功率的选择 在选择模板时要注意手册上给出的输出功率要大于实际负荷所需 的功率 如果负荷要求的功率很大 开关量输出模板以不能满足需要 此时采用中间继电 器 开关量输出驱动中间继电器的线圈 中间继电器驱动负荷这种方法也可用于多个负荷 的并联驱动 3 针对负荷要注意 对象电磁闸这类负荷 虽然电磁负荷很小 但匝数多 断电瞬间 起反向电压很高 有时会使输出模板的输出三极管击穿 此时要在负荷两端并接电容和电 阻抑制反向电压 对于等负荷一般启动电流位额定电流的十倍 SM322将S7 300内部信号电平转化成过程所需的外部信号电平 可以直接驱动电磁阀 接触器 小型电动机 其中SM322 DO32 24VDC 0 5A此模块为32点输出带隔离 8点为一组输出0 5A电流 24V额定负载电压 适用于电磁阀 直流接触器和指示灯 SM322 DO16 24VDC 0 5A 此模块为 16 点输出 带隔离 8 点为一组 其余功能 均与 SM322 DO16 24VDC 0 5A 相同 SM322DO8 24VDC 2A 为 8 点输出 带隔离 4 点为一组 2A 电流输出 其余功 能均与SM322 DO16 24VDC 0 5A相同 SM322DO8 24VDC 0 5A带诊断 中断 此模块亦为 8点输出 带隔离 4点为一组 所不同的是它是输出 0 5A电流每个输出右两个端子 分别为不带二极管输出和带二极管输 出 用于冗余负载控制 这些均为数字量输出常用模块 同样根据数字量输出模块的选择方法及其性能选择此模块 系统中有48个数字量输入点 同 样也是为了尽量减少模块的个数 采用具有 32点的数字量输出模块 需要的模块个数为 48 32 1 6 由此得到系统需要两个数字量输出模块来控制各数字量输出点 输出模块接受 ON OFF或开 关设备信号 开关可以是直流或是交流 8 模拟量输入模板的选择 模拟量的输出模块 SM331是将外部生产过程缓慢变化的模拟量信号转换乘客编程控制其 内部的数字信号 它的 主要由转换部件 模拟切断开关 补偿电路 恒流源 光电隔离部件 逻辑电路组成 A D转换器是模块的核心 其转换原理采用积分方法 积分时间越长 被测值的 精度越高 SM331的8个模拟量通道共用一个积分式 A D转换器 某一通道从开始转换模拟量输入 值起 一直持续到下次开始转换的时间称为 A I模块的循环时间 它是模块中所有活动的模 拟量输入通道的转换时间的总和 实际上 循环时间是对外部模拟量信号的采样间隔 为 了缩短循环时间 应使用 STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道 使其不占用循环时间 SM331与传感器 变送器的连接如图 2 3 2 4所示 图2 3 SM331与二线制仪表的接法 图 2 4 SM331与四线制仪表相连接 SM331模块每个相邻通道共用一个量程快 构成一个通道组 不同的量程位置 适 用不同的测量方法和测量范围 如表2 7所示 表 2 7 SM331模块参数设置 系统中有68个模拟量输入通道 我们选用 SM331 8 12模拟量输出模块 故所需 SM331 68 8 8 5 故需模拟量输出模块九个 9 模拟量输出模块 它将可编程序控制器内部的数字结果转换成外部生产过程的模拟量信号 1 输出范围和输出类型 模拟量输出范围包括 0 10V 4 20mA等 输出类型有电压输 出和电流输出 2 对符合要求 在电流输出方式下 一般给出最大负荷阻抗 在电压输出方式下 则 给出最小负荷阻抗 系统中有33个模拟量输入点 我们选用 SM332 4 12模拟量输出模块 因此所需个数为 33 4 8 1 故需模拟量输出模块九个 选择所有I O模块的主要依据可参见表 2 8所示 量程块设定测 选择测量方式及范围缺省设置 电压 1000mA 电阻 150 300 600 Pt100 Ni100 A 热电偶 N E J K 各型 电压 1000mA B 电压 10V电压 10V C 电流 20mA电流 四线 4 20mA D 电流 4 20mA电流 二线 4 20mA 表 2 8 I O 模块与外部设备的配置 10 RS 485中继器 RS485是计算机或终端与 MODEN之间的标准接口 它使用最少的信号连接来完成通信的 接口总线 它仅支持半双工通信 分时使用一对信号线发送或接受 在采用RS495互联的网络 中 某一时刻两个站只有一个站可以发送数据 而另一个站只能接受数据因此其发送电路 是由使能端来控制 对于MPI网络两点间的距离是有限的从第一个接点到最后一个接点最长 只有50米对于一个较长区域的信号传输或分散控制系统采用两个中继器可以将两个接点的 距离扩大到1000米但两个接点间不应有其它接点 中继器的使用可以放大信号 扩展接点间的连接距离也可以用作抗干扰隔离 如 用 于连接不接地的接点和接地的 MPI编程装置的隔离器 11 ET200M ET200M是高密度配置的模块化 I O站 同时ET200M也是一种模块式结构的远程 I O站 ET200M远程I O站由IM153PROFIBUS DP接口模块 电源 各 种I O模块组成 它 可使用 S7 300系列所有 I O模块 SM321 322 323 331 332 334 EX FM350 1 351 352 353 354 最 多可扩展到8个I O模块 保护等级为IP20 它可用S7 300可编程序控制器的信号 功能和通讯 模块扩展 由于模块的种类众多 ET200M尤其适用于复杂的自动化任务 可插入模拟量HART 的输入和输出模块 意味着 ET200M适用于过程工程 它也适宜于与冗余系统一起使用 I O 模块类型现场设备或操作说明 开关输入模块选择开关 按扭 光电开关 限位 开关 电路短路器 接近开关 液 位开关 电动机启动器触点 继电 器触点 拨盘开关 输入模块接受 ON OFF 或开 关信号 开关信号可以是直流的 也可以是 交流 开关输出模块报警器 控制继电器 风扇指示灯 扬声器 阀门 电动机 启动器 电磁线圈 输出模块接受 ON OFF 或开 关设备信号 开关可以是直流 或是交流 模拟量输入模块温度变送器 压力变送器 湿度变 送器 电动机驱动器 电位器 将连续的模拟量信号转换成 PLC 处 理器可接受的输入值 模拟量输出模块模拟量阀门 执行机构 图表记录 器 电动机驱动器 模拟仪表 将 PLC 处理器的输出转为现场设备 使用的模拟量信号 由变送器进行 特种 I O 模块编码器 流量计 I O 通信 ASCII RF 型设备 称重计 条形 阅读器 标签阅读器 显示设备 通常用作位置控制 PID 和外部设 备通信等专门用途 ET200M是在PROFIBUS DP上的被动站 从站 最大数据传输速率为 12M位 S ET200M也可 以在运行过程中 在有电源情况下配置 S7 300 I O模块的有源总线模块 其余模块仍继续运行 最大数据传输速率 12M 具有集中和分散式的诊断数据分析 由于它具有很强的运算能力 分 担了CPU的一部分运算任务 以及它具有以上所列的显著特点 在本次的设计中 采用 ET200M 12 硬件设计的基本原则 在具体PLC应用系统设计时我们必须把握以下基本原则 用以减少不必要的浪费 同时也 为纸张的质量提供了可靠的保障 1 最大限度地满足被控对象的控制要求 制定合理控制方案 协同解决设计中出现的 各种问题 2 满足控制要求的前提下 力求使控制系统计简单 经济 实用及维护方便 3 控制系统的安全 可靠 4 考虑到生产发展和工艺的改进 选择 PLC容量时 应适当留有余量 13 信号模块与现场仪表的连接 在硬件组态方面另一个值得注意的地方就是信号模块选型时 AI模块与外部仪表的连接方 式 以下具体介绍 信号模块与现场仪表的接法 1 模拟量输入模块SM331与变送器的连接 如下所示 S SM M3 33 31 1 C CH H 量量程程模模块块 C CH H N N L L 流流 量量 计计 I I I I C C A AC C2 22 20 0V V K K 图 2 5 SM331 与流量变送器的接法 S SM M3 33 31 1 C CH H 量量程程模模块块 C CH H N N L L 浓浓 度度 计计 I I I I C C A AC C2 22 20 0V V K K 图 2 6 SM331 与浓度变送器的接法 S SM M3 33 31 1 C CH H C CH H 量量程程模模块块 D D I I 液液 位位 I I 计计 图 2 7 SM331 与液位传送器的接法 S SM M3 33 31 1 C CH H C CH H 量量程程模模块块 D D I I 压压 力力 I I 计计 图 2 8 SM331 与压力变送器的接法 下面给出模拟量输出模块 SM332 与电气阀门之间的接线图 使大家可以更好的了 解模拟量输出模块 SM332 的接线原理 S SM M3 33 32 2 C CH H C CH H I I 电电 气气 阀阀 I I 门门 图 2 9 模拟量输出模块 SM332 与阀门的接线图 2 数字量模块与排渣阀的接线原理 1 1L L S SM M3 32 22 2 C CH H1 1 1 1M M J J1 1 2 24 4V V N N 电电磁磁阀阀 L L 排排渣渣阀阀 2 22 20 0A AC C J J1 1 C CH H1 1 S SM M3 32 21 1 C CH H2 2 M M 2 24 4V V 接接 近近 O OU UT T 开开 关关 G GN ND D 2 24 4V V 接接 O OU UT T 近近 开开 G GN ND D 关关 G 2 24 4V V GND 排排渣渣阀阀接接线线原原理理图图 P PN NP P型型 K K K K 图 2 11 数字量模块与排渣阀的接线原理图 3 数字量输入模块 SM321 通过光隔离与阀门之间的连接图 其中的电阻 R 是限流 电阻 电流 10 15mA 主要起限流作用 光隔离的作用主要是防止数字量模块 SM321 烧 坏 阀阀门门 2 24 4V V S SM M3 32 21 1 2 24 4V V 光光隔隔 2 24 4V V R R R R C CH H1 1 C CH H2 2 图 2 10 数字量模块 SM321 与阀门的接线图 最后我们主要再介绍一下宁波海山纸业工艺流程中的排渣环节 在这里我们介绍排渣 过程所用到的排渣阀 其接线图如图 2 11所示 此原理图中 我们要选择的电子器件主要的两个 输出模块和接近开关 其中输出模 块有两种类型 一种是晶体管型 一种是数码管型的 数码管型输出模块控制准确性很高 但是不宜反复起停 而晶体管型输出模块虽然控制的准确性没有数码管型高 但是一般的 控制足以 最主要的是允许多次起停 在选择接近开关时 我门也得认真选择 接近开关也分两种类型 一种是NPN型 一种是 PNP型 NPN型是进信号的 即信号输入型的 而 PNP型则正好相反 是信号输出型 正好与 数字量输入模块连接 2 3 5 系统软件设计 1 软件设计的主要内容 软件设计的内容包括 参数表的定义 程序柜图绘制 程序的编制 程序说明书编写 1 参数表的定义 按一定格式对系统各接口参数进行规定和整理 为编制程序做准备 主要内容包括 输入信号表 输出信号表 中间标志表和存储单元表的定义 便于使用 尽量详细 I O信号表 模块位置 信号端子 线号 I O地址号 信号别名 信号名称和信号 有效状态 中间标志表 信号地址 信号别名 信号处理和信号的有效状态 存储单元表 信 号地址和信号名称 2 程序柜图的绘制 是指依据工艺流程而绘制的控制过程方框图 包括程序结构框图 和控制功能框图 程序结构框图是一台 PLC的全部应用程序中各功能单元在内存中先后顺序 的缩影 功能框图是描述某一控制功能在程序中的具体实现方法及控制信号流程 先结构 框图 后功能框图 3 程序的编制 采用编程语言对控制功能框图的程序实现 4 程序说明书的编写 是对整个程序内容的注释性的结合说明 使读者了解程序的基 本结构和某些问题的处理方法 程序阅读方法及注意事项 还包括程序中使用的注释符号 文字综写的含义说明及程序的测试情况 5 PLC程序的主要品质指标 可靠性指标 指程序从算法到实施 能否在各种条件下可靠地有效地完成规定的功能 要求 评价程序或算法的严密性 正确性及有效性的衡量指标 简洁性指标 以占用尽量少的内存以及尽可能短的指令执行时间 这是衡量编程人员 技巧和素质的指标 可读性指标 要求编程十分注意条理性 采用规范化的程序结构 保证运算在指令上 的流畅性和连续性 可测试性指标 考虑如何证明程序确实能够准确地完成系统的功能要求 考虑恰 当的调试接口 可维护性指标 PLC程序要求有良好的适应性 可扩充性和可校正性 2 SIMATICS7300 400PLC的编程语言简介 S7 300PLC的编程语言是STEP7 用文件块的形式管理用户编程的程序及程序运行所需 的数据 如果这些文件块是子程序 可以通过调试用语句 将它们组成结构化的用户程序 1 用户程序组成 PLC的程序可分为系统程序 操作系统 及用户程序 系统程序由PLC的生产厂家提供 支持用户程序的运行 用户程序是用户完成特定的控制任务而编写的应用程序 户程序由 组织块OB 功能块 FB FC 和数据块DB构成 OB 是系统程序与用户程序在各种条件下的接口界面 用于控制程序的运行 OB模块根据操作 系统调用的条件分成几种类型 规定有不同的优先级 高优先级OB可以中断低优先级 OB 不同 OB块执行各自特定的功能 如 OB1是主程序循环块 在任何情况下 它都是需要的 可以将所有程序放入OB1中进行线 性编程 或将程序用不同的逻辑块加以结构化 通过OB1调用这些逻辑块 OB35 是一个以固定间隔循环 定时中断 的组织块 时间间隔由编程工具设置或修 改 缺省值为100ms 范围从1ms 1min 当允许循环中断时 OB35以固定的间隔循环运行 当OB100调用OB1时 由启动态转入运行态 循环中断过程开始 时间一到 OB35第一次 启动 以后循环运行 使用OB35特性时 应保证设置的间隔值比 OB35中程序的运行时间长 否则造成系统异常 启动特性OB100 每当CPU由停止状态转入运行态时 不论是用 CPU面板上的开关 还是 用Step7软件包在编程器上的软开关实现状态切换 操作系统都调用OB100 当OB执行的特 性 可以为用户程序的运行准备环境变量或参数 FB是功能块 带记忆 实际上是用户子程序 有一个数据结构与该功能块的参数表完 全相同的数据块DB属附于该功能块 随 FB的调用而打开 随之结束而关闭 其中的数据将 继续保持 这里的数据库叫背景数据库 FC是功能块 不带记忆 没有背景数据库 当 FC完成操作后数据不能保持 DB是用户定义的用于存取数据的存储区 可以被打开或关闭 可以是属于某FB的背景数 据块 也可以是通用的全局数据块 用于 FB或FC SFB SFC是预先编好的 经过测试集成在 S7CPU中的功能程序库 用户可直接调用它们 高效地编制自己的程序 由于它们是操作系统的一部分 不需将其作为用户程序下载到PLC SDB是为存放PLC参数所建立的系统数据存储区 用 STEP的S7组态软件可以将PLC组态 数据和其它操作参数存放于 SDB中 2 数据类型 数据类型分为三大类 基本数据类型 复式数据类型 参数类型 基本数据类型有确 定的位数 如 布尔数据类型 BOOL 为一位 字节是 8位 字是16位 双字是32位 4字节 数据类型决定了你用什么方式或格式理解或访问存储区的数据 3 状态字 状态字用于表示CPU执行指令时所具有的状态 一些指令是否执行或以何方式执行可能 取决于状态字的某些位 执行指令时可能改变状态字中的某些位 你也能在位逻辑指令或 字逻辑指令中访问并检测它们 下图显示了状态字的结构 检测位FC位 状态字的位0称为首次检测位 若FC位的状态为0 则表明一个梯形逻辑网络的开始 或指令为逻辑串的一条指令 CPU对逻辑串第一条指令的检测 成为首次检测 产生的结果 直接保存在状态字的RLO位中 经过首次检测存放在 RLO中的0或1被称为首次检测结果 FC 位在逻辑的开始总是0 在逻辑串指令过程中 FC位为1 输出指令或逻辑运算有关的转移指 令将FC清0 逻辑操作结果 RLO 状态字的位1称为逻辑操作结果RLO Result of logic operation 该位存储逻辑指令 或算术比较指令的结果 在逻辑串中 RLO位的状态能够表示有关信息流的信息 RLO的状态 为1 表示有信号流 通 为0 表示无信号流 断 可用RLO触发跳转指令 状态位 STA 状态位的位2称为状态位 状态位不能用指令检测 它只是在程序测试中被CPU解释并 使用 如果一条指令是对存储区操作的逻辑指令 则无论是对该位的读或写操作 STA总是与 该位的值取得一致 对不访问存储区的逻辑指令来说 STA位没有意义 此时它总被置 1 或位 OR 状态字的位3称为或位 OR 在先逻辑 与 后逻辑 或 的逻辑串中 OR位暂存逻辑 与 的操作结果 以便进行后面的逻辑 或 运算 其他指令将OR位清0 溢出位 OV 状态字的位4称为溢出位 溢出位被置 1 表明一个算术运算或浮点数比较指令执行时 出现错误 后面的算术运算或浮点数比较指令执行结果正常的话OV位就被清0 溢出状态保持位 OS 状态字的位5称为溢出状态保持位 OV被置1时OS也被置1 OV被清0时OS仍保持 所以它保存了OV位 可用于指明先前的一些指令执行中是否产生错误 条件码1 CC1 和条件码0 CCO 状态字的位7和位6称为条件码1和条件码0 这两位结合起来用于表示在累加器 1中产 生的算术运算或逻辑运算结果与 0的大小关系 比较指令的执行结果或移位指令的移出位状 态 二进制结果位 BR 状态字的为8称为二进制结果位 它将字处理程序与位处理联系起来 在一段既有位 操作又有字操作的程序中 用于表示字操作的程序中 用于表示字操作结果是否正确 异常 将BR位加入程序后 无论字操作结果如何 都不会造成二进制逻辑链中断 在用户编写的FB 和FC程序中 必须对BR位进行管理 当功能块正确运行后使 BR位为1 否则使其为0 使 用STL指令SAVE或LAD指令 SAVE 可将RLO存入BR中 从而达到管理BR位的目的 当FB或FC执行无错误时 使RLO为1并存入BR 否则 B R中存入0 第3 章 控制算法及系统整定 3 1 制算法 PID PID控制是比例积分微分控制的简称 在生产过程控制的发展历程中 PID是控制是历史 最悠久生命力最强的基本控制方法 直到现在 PID控制由于它滋生的优点仍然是得到最广泛 的应用的基本控制方法 PID控制具有原理简单 使用方便 适应性强 鲁棒性好等特点 因此他它被广泛应 用于化工 热工 冶金 炼油以及造纸 建材等各种生 产部门 目前最新式的过程控制计算 机 其基本的控制功能也仍然是 PID控制 PID控制是一种负反馈控制 在反馈控制系统中 自动调节器和被空对象构成一个闭 合回路 在连接成闭合回路时 可能出现两种情况 正反馈和负反馈 正反馈作用加剧被 控对象流入量与流出量的不平衡 从而导致控制系统不稳定 负反馈作用则缓解对象中的 不平衡 这样才能正确的达到自动控制的目的 为了适应不同对象实现负反馈作用 工业调节器都设有正反作用开关 一边根据需要 将调节器置于正作用或反作用 所谓正作用是调节器的输出信号u随着被调量y的增大而减 大 此时称整个调节器的增益为 处于反作用方式下 u随着被调量y的增大而减小 调 节器的增益为 这样负反馈就可以通过正确选择调节器的作用来实现 理想PID调节器的动作规律是 3 1 02 0 t C de uK eSedt S dt 或 3 2 0 1 t CD I de uKeedt T Tdt 它综合了以上几种算法 因而它的控制效果最佳 而它有三个参数需要整定 如果这 些参数整定不合适 则不仅不能发挥各种调节动作应有的调节作用 反而适得其反 比例积分微分调节器是功能最全的调节器 适用于条件复杂 调节质量要求有高的场 合 如对象的动态响应慢的温度调节系统 PH等成分参数的调节 PID控制框图 如3 1所示 对象 p k p i k TS Pd K T S R S E S U S 图 3 1 PID控制框图 3 2 控制系统的整定 系统整定的实质就是通过调整调节器的