基于力控和s7-200的换热站系统设计与实现.doc

沈阳理工大学学士学位论文 I 摘 要 集中供热系统中的换热站作为供热网络与热用户之间的连接场所 其供热品质对 热望工况的改善和供热质量的好坏起到重要作用 针对目前供热实际情况 设计了一 款换热站变频调速控制系统 它主要是由 PLC 控制器 变频器和 PID 控制器组成 详细 介绍了系统的整体设计方案 二次供水设定的温度控制 循环泵和补水泵的控制原理及具 体实施 通过PLC和上位机对供水管道的温度 压力和回水管道的温度 压力进行自动监控 从而通过控制循环泵和补水泵的转速来实现恒压 恒温供热 实现了换热站系统的自动 运行与人机交互 换热站控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景 它 不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的 还能够节提高能源的利用使排放 更环保 关键词 PID PLC 变频调速 二次供水 换热站 沈阳理工大学学士学位论文 II ABSTRACT As the connector between heat supplying network and heat consumers in centralized heating system the heat exchange station plays an important role for improving the quality of heat supply and operating status of the network Aiming at current and practical situation a variable frequency speed regulation control system has been designed The system is composed of PLC inverter and PID controller The integral design strategy of the system the temperature control for secondary water supply control principle and implementation of circulating pump and makeup water pump are introduced in detail The result of operation indicates that the strategy increases the quality of heat supply and offers outstanding effect of energy saving PLC and PC through the pipes of water supply temperature pressure and temperature return water pipes pressure automatic control So by controlling the circulating pump and fill the pump speed to achieve constant pressure thermostatic heating The heat transfer station system to achieve automatic operation and human computer interaction Heat exchange station control system has good market prospects for development and investment income It can not only achieve security through the automation of production control purposes Section can also use the emission energy is more environmentally friendly Key words PID PLC Variable frequency speed regulation Secondary water supply Heat exchange station 沈阳理工大学学士学位论文 III 目 录 1 绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 国内外供热现状 2 1 2 1 国外供热现状 2 1 2 2 国内供热现状 3 1 3 课题研究的国内外现状 4 1 3 1 国外控制模式 4 1 3 2 国内控制模式 5 2 系统概述 6 2 1 系统的任务 6 2 2 系统的功能 6 2 3 系统的特点 6 2 4 系统的控制原理 7 2 5 PID 控制 8 3 系统中软硬件设备的介绍 11 3 1 西门子 S7 200 系统 PLC 介绍 11 3 1 1 S7 200PLC 的系统基本构成 11 3 1 2 S7 00PLC 的接口模块 12 3 1 3 S7 200PLC 的扩展模块的数量 14 3 1 4 S7 200PLC 的 I O 地址分配 14 3 1 4 S7 200PLC 系统功能概述 15 3 1 5 S7 200PLC 的通讯和网络功能 15 3 2 STEP 7 V4 0 编程工具简介 16 3 2 1 STEP7 V4 0 基本功能 16 3 3 STEP 7 指令简介 19 3 4 力控组态软件的简介 20 沈阳理工大学学士学位论文 IV 3 4 1 概述 20 3 4 2 图形开发系统 20 4 控制系统的硬件设计 24 4 1 系统主要配置的选型 24 4 1 1 系统所需要的主要硬件包括 24 4 1 2 人机界面 HMI 的选择 24 4 2 硬件控制配电图 26 4 2 1 控制箱配电图 26 4 2 2 EM235 接线图 26 4 2 3 CPU224 接线图 27 5 控制系统软件的设计 29 5 1 S7 200DE 符号表 29 5 2 S7 200 控制程序的设计 30 5 2 1 主程序 30 5 2 2 测量值转换为工程值程序 31 5 2 3 数据处理程序 32 5 2 4 PID 算法程序 33 5 2 5PID 调节 36 5 3 人机界面 HMI 38 5 3 1 过程换面的创建 38 结 论 41 致 谢 42 参考文献 43 附 录 44 附录 A 英文原文 44 附录 B 汉语翻译 49 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 在我国北方广大地区 冬季城市供热是人们普遍关注的问题 随着社会的发展 节能 降耗 环保意识的增强 特别是工业自动化技术水平的提高 供热方式也在发生深 刻的变化 供热正逐步有集中供热取代以往的分散供热方式 在减少城市环境污染 节约能源方面起到重要作用 当前能源和环保问题越来越多的受到关注 能源节约 环境保护 经济可持续发展已 成为我国的基本国策 取暖是寒冷地区生活的必要条件 所以供热行业成为了对国民 经济发展有着全局性 先导性影响的基础产业 与人们的生活息息相关 目前 对城市 供热的要求 已不仅仅在于对规模的不断扩大 而是对供热系统的合理性 经济性特别 是对供热系统的能源有效利用率及供热可靠性提出咯更高的要求 集中供热这种供热模式逐渐为许多城市所接受 集中供热是指以热水作为热源 利用一个或多个热源通过供热管网 热交换站 向一个城市或城市中较大区域的各热用 户提供热能的方式 集中供热是相对于分散小联片锅炉房供热而言的 1 集中供热之所以得到迅速发展 是与其自身特点分不开的 集中供热与分散供热 比较 有很多优势 首先 减少大气污染 用一个集中的热源 热电厂或集中供热锅炉房 代替众 多的分散锅炉用一个高烟囱代替数百个小烟囱 变面源排放为点源排放 大大的减少 咯环境污染 其次 大大节约能源 利用热电厂大容量 高效率的锅炉 代替小容量 低效率的锅 炉 达到节约能源的目的 其三 提高供热质量 分散供热是间断供热 供一段 停一段 供热不稳定 集中 供热是连续供热 并根据负荷及时调整 无论室外如何变化 试问始终保持一定 其四 低噪音 扰民少 分散供热热源点靠近居民区 产生的噪音直接影响居民 集中供热热源点远离居民区 可以有效防止噪音对居民的影响 减少扰民 其五 自动化程度高 集中供热的供热温度调节采用自动控制 能够实时地随室 外的温度变化而自动调节供热参数 以满足用户的需求 同时亦可以减轻工人操作上 的劳动强度 沈阳理工大学学士学位论文 2 其六 设备故障率低 由于集中供热可以选用供热专用设备 其设备质量高于一 般的工业设备 故运行安全可靠 故障率低 所以 城市集中供热是节能 环保的重要途径 是城市现代化主要基础设施之一 也是经济发展 改善人民群众物质生活的重要标志之一 1 2 国内外供热现状 1 2 1 国外供热现状 第二次世界大战以后 集中供热随着城市的发展而不断发展 上个世纪 70 年代后 北欧各国由于地处寒冷气候地区 也开始按照自己的实际情况 来选择合适的集中供 热方式 一般以垃圾焚烧厂和热电站承担负荷 以烧煤的供热锅炉为二级负荷 以燃 油锅炉为尖端负荷 是焚烧厂 热电站和锅炉房在同一供热网上协同工作 大大提高了 供热效率 减少了热损失 前苏联 丹麦 芬兰 瑞典 德国等国是集中供热发展很快的国 家 从设备 技术 管理等诸多方面都居世界领先水平 2 丹麦集中供热占总需求热量的 50 其中热电联产占 30 集中供热作为城市基 础设施的组成部分 与电力 电话 燃气 给排水系统等受到同等重视和发展 1979 年丹 麦议会通过咯 供热法 该法要求各城市政府在分析本是能源供应的基础上制定供 热的总体规划 积极推进集中供热 并最大可能地发展热点联产 他们按大 小城市不 同规模因地制宜 大城市建设了世界上大型高效热电联产 集中供热系统 首都哥本哈 根有四座热电厂 装机总容量达 764MW 总供热能力为 3582GJ H 在小城市迅速发展 小型热电联产 区域供热系统 这些小型热电厂的燃料为天然气 垃圾 稻草 沼气等 技 术方案在燃气发动机 燃气轮机和蒸汽轮机等联合循环 小型热电联产成为丹麦能源政 策的重要组成部分 芬兰集中供热占总需求热量的 45 其中热电联产占 70 芬兰 70 的热少能源依 赖进口 因此对能源的经济使用和运输政策特别重视 集中供热的能源 煤占 41 天 然气 25 泥煤 20 石油 9 其他 5 首都赫尔辛基集中供热率已达 90 以上 瑞典集中供热占总需求热量的 34 集中供热热力网总长 6500Km 1600 万栋公 寓和 11 万小型建筑与集中供热热力网相连 说明集中供热在瑞典的城市和人口密集区 已广泛使用 沈阳理工大学学士学位论文 3 德国集中供热总热量为 1961 万 GJ 其中西德地区热电联产占 67 愿东德地区 热电联产占 41 因此 德国也是集中供热发展较好的国家之一 韩国发展城市集中供热的历史与我国相当 也是始于七十年代末 八十年代中期 进入快速发展阶段 令热刮目相看 韩国集中供热的规模 设计 施工 运行 管理全面引 进芬兰供热先进技术 从实际出发 扬长避短 使供热系统更先进 完善 北欧诸国从 70 年代末开始 热用户均按热计量收费 发展到现在技术与设备水平 十分先进 俄罗斯的集中供热规模和普及率居世界首位 目前俄罗斯拥有世界上最大的集中 供热系统 最大输送管径达到 DN140 同时 俄罗斯还在全国范围内大力发展集中热 水供应用户 实行 24h 连续供应生活热水 1 2 2 国内供热现状 集中供热在我国起步晚 上个世纪 80 年代以前发展速度比较缓慢 技术设备和经 营管理都比较落后 我国的集中供热始于第一个五年计划期间 当时供热工程的设计 施工和运行管理工作 主要是以学习原苏联的供热技术为依据 十一届三中全会以后 随着改革开放的深入发展 城市集中供热事业才受到了社会的重视并有了一定程度的 发展 近几年来我国的城市供热事业有了较大规模的发展 我国集中供热发展到今天 经历了从无到有 从小到大 从弱到强 艰苦奋斗 竞争发展的历程 我国传统的集中供热 主要采取热电联产 区域联合供热和小区锅炉房供暖等几种方式 从 20 世纪 40 年代至今 60 多年的历史大致分为 4 个阶段 单纯利用阶段 单 纯管理阶段 基础建设阶段 综合发展阶段 20 世纪 80 年代以前 从北方采暖地 区大城市来看 以分散锅炉房供暖比重最大 进入 90 年代以来 人们对于冬季供暖的要求及质量提出了更高的要求 我国各地 方的集中供热规模越来越大 热望的覆盖面积越来越广 热网结构也逐步从小规模的 枝状热望向大规模的多热源联合运行的环状网方向发展 至 2011 年底 全国城市蒸汽 集中供热能力 72242 吨 h 全国城市热水集中供热能力 126249MW 1996 年至 2001 年 平均每年增加 4457 8MW 年均递增 6 58 全国集中供热地区的城镇集中供热面积为 146328 万平方米 其中住宅 95799 万平方米 约占 65 5 集中供热在我国的发展将越来越快 不但在北方城市逐渐普及 而且在很多南方 城市地区也开始进行推广 集中供热技术将朝市场化 普及化和现代化的方向发展 沈阳理工大学学士学位论文 4 2005 年 12 月 8 日 建设部 国家发改委等八部委联合下发 关于进一步推进城镇供热 体制改革的意见 要求各地用两年左右的时间实现供热的商品化 货币化 停止由房 屋产权单位或职工所在单位统包的福利用热制度 改为由居民采暖用户直接向供热企 业交纳采暖费 其中 大城市的集中供热系统还向多热源联合供热 复杂环形管网 热网 自动化等方面发展 并逐步提高供热质量 以适应市场的发展和按热量收缴热费的形 势需要 其中住宅 95799 万平方米 约占 65 5 如今 我国城市集中供热已具备一定的规模 至 1998 年有 286 个城市有集中供热 设施 供热面积达 8 6 亿平方米 供热管网约为 3 5 万公里 华北 东北 西北 山东 河南 等采暖地区实有房屋面积 319372 万平方米 达到总体面积的 1 4 以上 其中住宅面积 占 60 以上 用热人口达 3000 万 作为城市基础设施之一的城市集中供热工程除了已 有的供热功能以外 还具有很大的潜力 如北京在充分发挥现有热源和以立项建设热 源的供热能力的条件下 新增供热面积 4000 万平方米 制定合理供热范围就能充分发 挥已建供热网的供热能力 从而能尽快的满足房屋建设速度增长和人民生活水平不断 提高的需要 又能为改善城市的大气环境做出贡献 1 3 课题研究的国内外现状 1 3 1 国外控制模式 欧洲国家的集中供热技术发展已经比较成熟 如丹麦 芬兰 瑞典 德国 他们广泛采 用的控制模式是 3 一次网 根据热负荷的大小来确定热源投入运行的时序 在供暖的初期和末期 热负荷比较低 只启动热电厂主热源供热 随着气温变冷 热负荷增加再起动调峰热源 主热源利用温度控制调节循环水泵的运转 控制供水温度的恒定 调峰热源监控最不 利工况处热力站的压差 当主热源供热不足时 近端有利工况处的热力站 通过开大 一次网供水管上的控制阀 使之达到要求的负荷 远端不利工况处的热力站 由于得 不到要求的水量而出现供热不足 资用压差减小 此时启动调峰热源 向热网补充热 量 当电厂主热源与调峰热源之间热负荷的调配方法不同时 最不利工况的位置可能 是移动的 则需要对预先选定热力站进行巡检以获得真正的最不利工况点 然后将所 监测结果反馈到调峰热源处 控制调峰热源循环泵的转速 以保证最不利热力站获得 足够大的资用压差 沈阳理工大学学士学位论文 5 二次网 通过调节一次网供水管的控制阀来改变一次侧的流量 保证二次网供水 为设定值 上述控制模式中 一次网采用量调节 二次网采用质调节 这样做的优点是 既保 证一次网的节能运行 变水量控制 又简化了对二次网的控制 1 3 2 国内控制模式 与国外的控制模式不同 国内的控制模式分热源和热网两部分 热网部分保证热 量的分配 以均匀分配总供热量 实现各热力站供热效果一致为调节目标 不涉及具 体的供热指标 而热网总需热量是通过对热负荷的动态预测 并对热源部分直接调节 而实现 各热力站之间的热量分配是通过各站自己独立的控制单元实现的 即根据室 外温度确定二次侧供水温度值 在通过温控阀来改变一次测流量来保证二次测供水温 度为设定值 为了使温控阀工作稳定 动作准确和免受大网压力波动影响 需加一个自 力式压差流量调节阀来控制温度调节阀两端的压差为恒定值 在热源供热充足的情况 下 每个热力站都可通过自身的自动调节满足热负荷的要求变化 当热源供热不足的 情况下 各站的自力式压差流量限制阀就会起到限制各站的最大流量的作用 从而限 制各站的热用量 实现均匀分摊热量不足的作用 沈阳理工大学学士学位论文 6 2 系统概述 2 1 系统的任务 1 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 了解并掌握西门子 S7 200 PLC 编程软件以及力控组态软件的使用方法 3 编写 S7 200 PLC 程序 实现一次网蒸汽调节阀的自动控制 通过调节阀控 制蒸汽流量 从而达到二次网供水温度的控制 以及二次网自动补水功能 4 编写 S7 200 PLC 程序 实现一次网蒸汽流量 温度 压力以及二次供回水温度 压力等信号采集 5 编写上位机监控画面 显示各参数值以及循环泵补水泵等设备状态 2 2 系统的功能 该换热站自动控制系统主要适用城市市民和小区居民供暖 在天气温度变化不同 的情况下保持母管处水压压力恒定的要求 该系统可实现下列功能 手动 自动工作功能 启动功能 可编程控制器根据给定信号和反馈信号的大小 输出相应的控制信号给变频器 变频器依据输入的电流信号的大小 控制水泵进行调速运行 系统的工作状态通过力控组态界面进行显示 2 3 系统的特点 本系统驱动主要由两台循环泵和两台补水泵组成的系统 在二次网供水侧一台循 环水泵采作为调速泵 给热用户供热水 其他的一台循环水泵作为备用泵 在二次网 回水侧的补水泵主要是用来对管道进行补水使回水压力保持稳定 实现一定范围的恒 压供水 沈阳理工大学学士学位论文 7 2 4 系统的控制原理 在一次网侧 由热水厂恒压向一次网供水管道供热水流经换热板换器将热水的温 度经热传递给二次网 管道中热水经热传递后温度下降 下降后的低温水经由一次网 回水管道回到热水厂进行加热 再对一次网供水管道供水 如此反复循环 一次网管道上的调节阀的开度和二次网供水温度成正比 当二次网供水温度低的 时候 调节阀开度变大 当二次网供水温度高的时候 调节阀开度减小 在二次网侧 二次网供水管道将换热板换器中的热水向用户恒压供热水 热水经 热用户使用后温度下降 下降后的低温水经二次网回水管道流回换热板换器进行加热 如此不断循环 二次网侧有两台循环泵和两台补水泵 两台循环泵的利用是 一台变频调速给二 次网恒压供水 另一台是当一台泵出现故障的时候做为备用泵启用给二次网恒压供水 两台补水泵的利用也和循环泵一样 一用一备 补水泵的功能是因为在供 回水的过程 中管道中的水会有损耗 这样在回水管道中的水会出现不足就不能恒压回水 这时候 回水泵就对回水管道进行补水 变频调速的循环泵的频率和二次网供水压力成正比 当二次网供水压力小的时候 循环泵频率增大加快泵的转速使供水压力上升到设定压力并保持恒速转动 当供水压 力大于设定压力时 就降低循环泵的频率使泵的转速减小让供水压力下降到设定值压 力 二次网供回水闭环控制系统如图 2 1 所示 沈阳理工大学学士学位论文 8 图 2 1 二次网供回水闭环控制系统原理 2 5 PID 控制 送水泵房所完成的功能主要是对送水泵的变频恒压控制 然而变频恒压控制的核 心是恒压控制 它是根据水压的给定值与供水管道实际压力的压差大小 控制变频器 输出频率 使变频器实时调节水泵电机转速以适应管路中压力的变化 PID 控制和模 糊控制 本文不涉及 是目前使用的两种主要方法 4 PID 控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一 它的原理如 图 2 2 所示 图 2 2 PID 控制原理图 通过对被控制对象的传感器等检测控制量 反馈量 将其与目标值 温度 流 量 压力等设定值 进行比较 若有偏差 则通过此功能的控制动作使偏差为零 也 就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式 它比较适用于流量控制 压力控 制 温度控制等过程量的控制 4 1 PID 控制算法的一般形式 PID 控制器根据目标值 设定值 与反馈值 测量值 构成的控制偏差 tr tc 2 1 tctrte 将偏差的比例 P 积分 I 和微分 D 通过线性组合构成控制量 对受控对 象进行控制 其控制规律为 2 2 式中 调节器的比例系数 p K 调节器的积分时间 i T 调节器的微分时间 d K 1 0 t d i p td tde Tte T teKtU 沈阳理工大学学士学位论文 9 调节器的偏差信号 te 输出 tU 简单来说 PID 控制器各校正环节的作用是这样的 比例环节 即时成比例地反应控制系统的偏差信号 偏差一旦产生 控制器 te 立即产生控制作用以减少误差 积分环节 主要用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱取决于积 分时间常数 越大 积分作用越弱 反之则越强 i T i T 微分环节 能反应偏差信号的变化趋势 并能在偏差信号值变得太大之前 系 统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的动作速度 减小调节时间 PID 调节器的传递函数是 2 3 式中 比例带 比例系数的倒数 p K 当上述控制算法公式只包含第一项时 称为比例 P 作用 只包含第二项时 称 为积分 作用 但只包含第三项的单纯微分 D 作用是不采用的 因为它不能起到使 被控变量接近设定值的效果 只包含第一 二项的是 PI 作用 只包含第一 三项的是 PD 作用 同时包含这三项的是 PID 作用 仅用 P 动作控制 不能完全消除偏差 为了消除残留偏差 一般采用增加 I 动作 的 P I 控制 用 PI 控制时 能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差 但 是 I 动作过强时 对快速变化偏差响应迟缓 对有积分元件的负载系统可以单独使用 P 动作控制 对于 PD 控制 发生偏差时 很快产生比单独 D 动作还要大的操作量 以此来抑 制偏差的增加 偏差小时 P 动作的作用减小 控制对象含有积分元件的负载场合 仅 P 动作控制 有时由于此积分元件的作用 系统发生振荡 在该场合 为使 P 动作 的振荡衰减和系统稳定 可用 PD 控制 换言之 该种控制方式适用于过程本身没有制 动作用的负载 利用 I 动作消除偏差作用和用 D 动作抑制振荡作用 在结合 P 动作就构成了 PID 控制 本系统就是采用了这种方式 采用 PID 控制较其它组合控制效果要好 基本上 能获得无偏差 精度高和系统稳定的控制过程 这种控制方式用于从产生偏差到出现 响应需要一定时间的负载系统 即实时性要求不高 工业上的过程控制系统一般都是 此类系统 本系统也比较适合 PID 调节 效果比较好 4 1 1 1 sT sT sGS d i 沈阳理工大学学士学位论文 10 2 离散 PID 控制算法 在用计算机 单片机 PLC 等作为控制装置进行直接数字控制 DDC 时 对各 个被控制变量的处理在时间上是离散进行的 DDC 控制方式的特点是采样控制 每个 被控制变量的测量值间隔一段时间与设定值比较一次 按照预定的控制算法得到输出 值 通常把它保留到下一采样时刻 4 目前离散 PID 控制算法主要有两类 第一类叫做位置式算法 即对 2 2 式进行差 分后直接给出 第二类叫做增量算法 目前有比较广泛的应用 在这种情况下计 ke 算机的输出是增量 ku 2 4 1 kukuku 位置算法如下 2 5 上式可改写为 2 6 1 0 kekeKjeKkeKku k j dip 增量算法如下 1 kukuku 2 7 2 1 2 1 kekekeKkeKkekeK dip 各式中 第次采样的误差值 kek 第次采样的误差值 1 ke1 k 积分系数 ipi TTKK 微分系数 TTKK dpd 采样周期 T 比例系数 p K 考虑到变频调速恒压供热系统的控制对象是一个时变的 线性的 滞后的 模型 稳定 调节时间较长 超调量比较大 存在一定的动态超调的对象 并且系统的压力 是人为给定的一个大概范围 故系统允许有一定的偏差 同时考虑到系统的经济性和 系统投入方便等因素 采用离散的 PD 算法对水压进行恒定控制 1 0 keke T T je T T keKku k j d i p 沈阳理工大学学士学位论文 11 3 系统中软硬件设备的介绍 可编程序控制器 Programmable Controller 英文缩写为 PC 后又称为 PLC 是以 微处理器为基础 综合饿计算机技术 半导体集成技术 自动控制技术 数字控制技 术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置 它面向控制过程 面向用 户 适应工业环境 操作方便 可靠性高 成为现代工业控制的三大支柱 PLC 机 器人和 CAD CAM 之一 PLC 控制技术代表着当前程序控制的先进水平 PLC 装置 已成为自动化系统的基本装置 5 3 1 西门子 S7 200 系统 PLC 介绍 3 1 1 S7 200PLC 的系统基本构成 1 基本单元 S7 200CPU 模块 基本单元 S7 200 CPU 模块 也称主机 由中央处理器 CPU 电源以及数字量输 入输出单元构成 这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中 基本单元可以构成一个 独立的控制系统 在 CPU 模块的顶部端子盖内有电源及输出端子 在底部端子盖内有输入端子及传 感器电源 在中部右侧前盖内有 CPU 工作方式开关 RUN STOP 模拟调节电位器和 扩展 I O 连接接口 在模块的左侧分别有状态 LED 指示灯 存储器卡 及通信口 2 个人计算机 PC 或编程器 个人计算机 PC 或编程器装上 STEP7 Micro WIN32 编程软件后 即可供用户进 行程序的编制 编辑 调试和监视等 要求个人计算机 PC 的配置 CPU 为 80586 或更高的处理器 16MB 内存 VGA 显示器 分辨率 1024 768 像素 硬盘空间至少 50MB 3 STEP7 Micro WIN32 编程软件 STEP7 Micro WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件 它支持 32 位 Windows95 Windows98 和 WindowsNT4 0 使用环境 它的基本功能是创建 编辑 调试 用户程序 组态系统等 4 通信电缆 通信电缆是 PLC 用来与个人计算机 PC 实现通信的 可以用 PC PPI 电缆 使 沈阳理工大学学士学位论文 12 用通信处理器 PC 时 可用多点接口 MPI 电缆 使用 MPI 卡时 可用 MPI 卡专 用通信电缆 5 人机界面 人机界面主要指专用操作员界面 例如操作员面板 触摸屏 文本显示器等 这些设 备可以使用户通过友好的操作界面轻松地完成各调整和控制的任务 3 1 2 S7 00PLC 的接口模块 1 数字量模块 1 数字量输入模块 数字量输入模块的每一个输入点可接受一个来自用户设备的离散信号 ON OFF 典型的输入设备有 按钮 限位开关 选择开关 继电器触点等 每个输入点与一个且仅与 一个输入电路相连 通过输入接口电路把现场开关信号变成 CPU 能接受的标准信号 数字量输入模块可分为直流输入模块和交流输入模块 以适应实际生产中输入信号电 平的多样性 直流输入模块 EM221 8 DC24V 有 8 个数字量输入端子 分成两组每组需用户 提供一个 DC24V 点源 交流出入模块 EM221 8 AC120V 230V 有 8 个分隔式数字量输入端子 交流输 入模块端子每个输入点占用两个接线端子 它们各自使用 1 个独立交流电源 2 数字量输出模块 数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散型 ON OFF 负载 典型 的负载包括 继电器线圈 接触器线圈 电磁阀线圈 指示灯等 每一个输出点与一个且仅 与一个输出电路相连 通过输出电路把 CPU 运算处理的结果转换成驱动现场执行机构 的各种大功率的开关信号 由于现场执行机构所需电流是多种多样的 因而 数字量 输出模块分为直流输出模块 交流输出模块 交直流输出模块三种 直流输出模块 EM222 8 DC24V 有 8 个数字量输出点 分成两组每组需用户 提供一个 DC24V 的电源 交流输出模块 EN222 8 AC120V 230V 有 8 个分割式数字量输出点 每个输出 点占用两个接线端子 且它们各自都有用户提供一个独立的交流电源 这些电源可以 不相同 交直流输出模块 EM222 8 继电器 有 8 个输出点 分成两组 每组需用户提供 沈阳理工大学学士学位论文 13 一个外部电源 3 数字量输入输出模块 数字输入输出模块 EM223 在一块模块上既有数字量输入点又有数字量输出 点 这种模块称为组合模块或输入输出模块 数字量输入输出模块的输入电路及输出 电路的类型与上述介绍的相同 在同一块模块上 输入 输出电路的类型的组合有多种 多样 用户可根据控制需求选用 有了数字量组合模块可使系统配置更加灵活 2 模拟量模块 1 模拟量输入模块 A D 模拟量信号是一种连续变化的物理量 如电流 电压 温度 压力等 工业控制中 要 对这些模拟量进行采集并送给 PLC 的 CPU 必须先对这些模拟量进行模 熟 A D 转 换 模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成 PLC 所能接受的数字信号 模拟量输入模块设有电压和电流输入端 输入信号经滤波 放大 模 数转换得到数字 信号 在经过光耦合器进入 PLC 内部电路 模拟量输入模块 EM231 具有 4 个模拟量输入通道 每个通道占用存储器 AI 区 域 2 个字节 该模块模拟量的输入值为只读数据 电压输入范围 单极性 0 10V 0 5V 双极性 5 5V 2 5 2 5V 电流输入值范围 0 20mA 模拟量 到数字量的最大转换时间为 250 s 该模块需要直流 24V 供电 可由 CPU 模块的传感 器电源 DC24V 400mA 供电 也可由用户提供外部电源 2 模拟量输出模块 D A 在工业控制中 有些现场设备需要用模拟信号控制 如电动阀门 液压电磁阀等执 行机构 需要用连续变化的模拟信号来控制或驱动 这就要求把 PLC 输出的数字量转 换成模拟量 以满足设备的需求 模拟量输出模块的作用就是把 PLC 输出的数字信号转换成相应的模拟量信号 以 适应模拟量控制需求 PLC 输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入 端 经光耦和后的数字信号 再进入数 模 D A 转换器 转换后的直流模拟量信号经运 算放大器放大后驱动输出 通常模拟量输出模块提供电压输出和电流输出 模拟量输出模块 EM232 具有 2 个模拟量输出通道 每个输出通道占用存储器 AQ 区域 2 个字节 该模块输出的模拟量可以是电压信号 也可以是电流信号 输出信 号的范围 电压输出 10 10V 电流输出为 0 20mA 电压输出的设置时间为 100 s 电流输出的设置时间为 2ms 用户程序无法读取模拟量输出值 该模块需要 DC24V 供 沈阳理工大学学士学位论文 14 电 可有 CPU 模块的传感器 DC24V 400mA 供电 也可由用户外部供电 3 模拟量输入输出模块 S7 200 配有模拟量输入输出模块 EM235 EM235 具有 4 个模拟量输入通道 1 个模拟量输出通道 该模块的输入功能同 EM231 模拟量输入模块 技术参数基本相同 只是电压输入范围有所不同 该模块的模拟量输出功能和 EM232 模拟量输出模块 技术参数基本相同 该模块需要 DC24V 供电 可有 CPU 模块的传感器电源 DC24V 400mA 供电 也 可由用户提供外部供电 3 能模块 为了满足更加复杂的控制功能的需要 PLC 还配有多种智能模块 以适应工业控 制的多种需求 智能模块由处理器 存储器 输入输出单元 外部设备接口等组成 只能模块都有其自 身处理器 它是一个独立的自治系统 不依赖于主机的运行方式而独立运行 只能模 块在自身系统程序的管理下 对输入的控制信号进行检测 处理和控制 并通过外部设 备接口与 PLC 主机实现通信 主机运行时每个扫描周期都要与智能模块交换信息 以 便综合处理 这样 只能模块用来完成特定的功能 而 PLC 只是对智能模块的信息进 行综合处理 以便使 PLC 可以处理其他更多的工作 3 1 3 S7 200PLC 的扩展模块的数量 各类主机可待扩展模块的数量是不同的 CPU221 模块不允许带扩展模块 CPU222 模块最多可带 2 个扩展模块 CPU224 模块 CPU226 CPU226XM 模块最多可带 7 个扩展模块 且 7 个扩展模块中最多只能带 2 个智能扩展模块 3 1 4 S7 200PLC 的 I O 地址分配 CPU226 模块可带 7 块扩展模块 CPU226 模块提供的主机 I O 点有 24 个数字量输 入点和 16 个数字输出点 模块 0 是一块具有 8 个输出点的数字量扩展模块 模块 1 是一块 4IN 4OUT 的数字量扩展模块 实际上它却占用了 8 个输入店地址 和 8 个输出店地址 即 I4 0 I4 7 Q2 0 Q2 7 其中输入店地址 I4 0 I4 7 输出 店地址 Q2 0 Q2 7 由于没有提供相应的物理点与之相对应 那么与之对应的输入 沈阳理工大学学士学位论文 15 映像寄存器 I4 0 I4 7 输出映像寄存器 Q2 0 Q2 7 的空间就被丢弃了 且不能 分配给 I O 链中的后续模块 由于输入映像寄存器 I4 0 I4 7 在每次输入更新时都 被清零 因此不能用作内部标志位存储器 而输出影像寄存器 Q2 0 Q2 7 可以作 为内部标致存储器使用 模块 2 模块 3 是具有 4 个输入通道和 1 个输出通道的模拟量扩展模块 由于模拟 量扩展模块是以 2 个通道递增的方式来分配空间 因而他们却分别占用了 4 个输入通 道的地址和 2 个输出通道鹅地址 3 1 4 S7 200PLC 系统功能概述 S7 200 PLC 系列是一种紧凑型可编程序控制器 系统的硬件构架由构成系统的 CPU 模块和丰富的扩展模块组成 它能够控制各种设备以满足自动化控制需求 S7 200 除具有 PLC 基本的控制功能外 更在以下方面具有独到之处 这些也是 S7 200 PLC 普遍受欢迎的原因 6 1 功能强大的指令集 指令内容包括位逻辑指令 计数器 定时器 复杂运算指令 PID 指令 字符串 指令 时钟指令 通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等 2 丰富强大的通讯功能 S7 200 PLC 提供了近 10 种通讯方式以满足不同的应用需求 从简单的 S7 200 之 间的通讯到 S7 200 通过 Profibus DP 网络通讯 甚至到 S7 200 通过以太网通讯 3 编程软件的易用性 STEP7 Micro WIN32 编程软件为用户提供了开发 编辑和监控的良好环境 全中 文的界面 中文的在线帮助信息 Windows 的界面风格以及丰富的编程向导 能使用 户快速进入状态 得心应手 4 不断地创新 创新是西门子公司的一贯风格 在 S7 200 上更是体现得淋漓尽致 永不停歇地推 出新品 是更多的需求梦想成为现实 这正是 S7 200 成为市场佼佼者的原动力 3 1 5 S7 200PLC 的通讯和网络功能 S7 200 提供了多种通讯和网络功能 包括 PPI 网络通讯功能 OPC 网络通讯功能 自由口通讯功能 以太网通讯功能和 Modem 远程通讯功能 S7 200 编程软件 STEP7 沈阳理工大学学士学位论文 16 Micro WIN32 V3 2 以上版本提供了 USS 和 Modbus RTU 从站指令库 USS 和 Modbus RTU 从站指令库都使用 S7 200 CPU 的自由口通讯模式编程实现 S7 200 支持的 PPI OPC 自由口通讯模式都需要建立在 RS 485 串行通信接口的 硬件基础之上 3 2 STEP 7 V4 0 编程工具简介 3 2 1 STEP7 V4 0 基本功能 STEP7 MICRO WIN32 的基本功能是协助用户完成应用软件的开发任务 例如创 建用户程序 修改和编辑原有的用户程序 利用该软件可设置 PLC 的工作方式和参数 上载和下载用户程序 进行程序的运行监控 他还具有简单语法的检查 对用户程序 的文档管理和加密得到那个功能 并提供在线帮助 6 上载和下载以后程序指的是用 STEP7 Micro WIN32 编程软件进行编程时 PLC 主 机和计算机之间的程序 数据和参数的传送 上载和用户程序时将 PLC 中的程序和数据通过通信设备 如 PC PPI 电缆 上载到 计算机中进行程序的检查和修改 下载用户程序是将编制好的程序 数据和 CPU 组态 参数通过通信设备下载到 PLC 中以进行运行调试 程序编辑中的语法检查功能可以避免一些语法和数据类型方面的错误 软件给你的实现可以子啊联机工作方式 在线方式 下进行 部分功能的实现也 可以在离线工作方式下进行 联机方式是指带编程软件的计算机或编程器与 PLC 直接连接 此时可实现该软件 的大部分基本功能 离线方式是指带编程软件的计算机或编程器与 PLC 断开连接 此 时只能实现部分功能 如编辑 编译及系统组态等 沈阳理工大学学士学位论文 17 3 2 2 主界面各部分功能 启动 STEP7 Micro WIN32 编程软件 其主界面外观如图所示 图 3 1 编程软件主界面 界面一般可分以下几个区 菜单条 包含 8 个主菜单项 工具条 快捷按钮 引导条 快捷操作窗口 指令树 快捷操作窗口 输出窗口 状态条和程序编辑 器 局部变量表等 可同时或分别打开 5 个用户窗口 除菜单条外 用户可根据需 求决定其他窗口的取舍和样式设置 菜单条 菜单条使用鼠标单击或采用对应热键操作 打开各项菜单 各主菜单项功能如下 1 文件 File 文件操作可完成如新建 打开 关闭 保存文件 上载和下载程 序 文件的打印预览 打印设置和操作等 2 编辑 Edit 编辑菜单能完成选择 复制 剪切 粘贴程序块或数据块 同 时提供查找 替换 插入 删除 快速光标定位等功能 沈阳理工大学学士学位论文 18 3 检视 View 可以设置软件开发环境的风格 如决定其他辅助窗口 引导条 窗口 指令树窗口 工具条按钮区 的打开与关闭 执行引导条窗口的任何项 选择 不同语言的编程器 包括 LAD STL FBD 三种 设置三种程序编辑器的风格 如 字体 指令盒大小等 4 可编程序控制器 PLC 可建立于 PLC 联机时的相关操作 如改变 PLC 的工作 方式 在线编译 查看 PLC 的信息 清除程序和数据 时钟 储存器卡操作 程序比 较 PLC 类型选择及通信设置等 还可提供离线编译的功能 5 排错 调试 Debug 主要用于联机调试 在离线方式下 该菜单的下 拉菜单呈现灰色 表示此下拉菜单不具备执行条件 6 工具 Tools 可以调用复杂指令向导 包括 PID 指令 NETR NETW 指令和 HSC 指令 使复杂指令的编程工作大大简化 安装 TD200 文本显示器 改变界面风 格 如设置按钮及按钮样式 并可添加菜单项 用 选项 子菜单也可以设置三种 程序编程编辑器的风格 如语言模式 颜色 字体 指令盒的大小等 7 视窗 Window 可以打开一个或多个窗口 并可进行窗口之间的切换 可以 设置窗口的排放形式 如层叠 水平 垂直等 8 帮助 Help 通过帮助菜单上的目录和索引项可以检阅几乎所有相关的使用帮 助信息 帮助菜单还提供网上查询功能 而且在软件操作过程中的任何步或任何位置 都可以按 F1 键来显示在线帮助 大大方便了用户的使用 2 工具条 提供简便的鼠标操作 将最常用的 STEP7 Micro WIN32 操作以按钮形式设定到工 具条中 可用 检视 菜单的 工具栏 项自定义工具条 可添加和删除三种按钮 标准 调试和指令 1 引导条 引导条提供按钮控制的快速窗口切换功能 可用 检视 菜单的 浏览栏 项选 择是否打开 引导条包括程序块 Program Block 符号表 Symbol Table 状态图 表 Status Chart 数据块 Data Block 系统块 System Block 交叉索引 Cross Reference 和通讯 Communications 七个组件 一个完整的项目 Project 文件通常 包括前六个组件 2 指令树 指令树提供编程时用到的所有快捷操作命令和 PLC 指令 可用 检视 菜单的 沈阳理工大学学士学位论文 19 指令树 项决定是否将其打开 3 输出窗口 用来显示程序编译的结果信息 如程序的各块 主程序 子程序的数量及子程序 号 中断程序的数量及中断程序号 及各块的大小 编译结果有无错误编码和位置等 4 状态条 也称任务栏 显示软件执行状态 编辑程序时 显示当前网络号 形号 列号 运行时 显示运行状态 通信波特率 远程地址等 5 程序编辑器 可用梯形图 语句表或功能图表编辑器编写用户程序 或在联机状态下从 PLC 上 载用户程序进行程序的编辑或修改 6 局部变量表 每个程序块都对应一个局部变量表 在带参数的子程序调用中 参数的传递就是 通过局部变量表进行的 3 3 STEP 7 指令简介 程序是由基本的指令系统构成的 LAD 指令系统 位编辑指令 Bit Logic 位逻辑指令处理布尔值 1 和 0 在 LAD 表示的 接点和线圈中 1 表示动作或通电 0 表示未动作或未通电 比较指令 Comparator 比较指令是对两个输入 IN1 和 IN2 进行比较 比较的 内容可以是相等 不等 大于 大于等于和小于等于 如果比较结果为真 则 RLO 为 1 比较指令有三类 分别用于整数 双整数和实数 转换指令 Converter 转换指令可以将参数 IN 的内容进行转换或更改符号 其 结果可以输出到参数 OUT 赋值指令 Move MOVE 赋值指令 将在输入端 IN 的特定值复制到输出端 OUT 上的特定地址中 MOVE 只能复制 BYTE 字节 WORD 字 或 DWORD 双字 数据对象 此外还有计数器指令 数据块调用指令 逻辑控制指令 整数算数运算指令 浮 点算数运算指令 程序控制指令 移位和循环指令 状态位指令 定时器指令 字逻 沈阳理工大学学士学位论文 20 辑指令 沈阳理工大学学士学位论文 21 3 4 力控组态软件的简介 3 4 1 概述 典型的计算机控制系统通常可以分为设备层 控制层 监控层 管理层四个层次 结构 构成了一个分布式的工业网络控制系统 其中设备层负责将物理信号转换成数 字或标准的模拟信号 控制层完成对现场工艺过程的实时