钢化玻璃生产线的控制系统

1、沈阳理工大学学士学位论文 i 摘 要 本次设计主要研究钢化玻璃生产线的控制系统。钢化玻璃的生产有严格的工艺要 求，传统的继电器控制系统已无法满足生产工艺对控制系统的要求。本系统采用性能 优越的西门子 s7-300 作为控制系统的中央控制单元控制整个系统的运行。钢化玻璃生 产线的工艺流程包括四个部分，它们分别是：上片工段、加热工段、冷却工段、下片 工段。 本次设计的内容为:分析钢化玻璃生产工艺流程，明确生产线运动过程;设计生产 线各工段电气结构并绘制接线图；对控制系统中的硬件进行选型，硬件选型包括选定 cpu 的型号及所需的输入/输出模块，变频器的选择，传感器的选择，电动机的选择， 工控机的选择

2、；编辑用户程序；设计监控界面。工控机使用 wincc 6.0 组态软件完成 对系统的监控，并利用 mpi 通信协议与 plc 进行连接。 关键词：钢化玻璃；自动控制；plc；mpi；wincc 6.0 沈阳理工大学学士学位论文 ii abstract this designing is mainly about researching the control system of the toughened glass product line. it has the strictly technical requirements of the production; the tradition

3、al relay control system has been unable to meet production technical requirements for the control system. this system utilizes the siemens s7 300 with superior performance as the central control unit to master the operation of the entire system. the technical process of the toughened glass productio

4、n line includes four parts; they are upper section, heating section, cold section and lower section the main content of this designing is anglicizing tempered glass production process, making sure the process of production line, designing electrical constructions of production line and drawing the c

5、onnection diagram. choosing the control systems hardware, it includes the selection of cpu model and necessary the input/output module. transducer, sensor ,motor, ipc; editing the user program and designing the monitoring interface。ipc monitors system uses wincc6.0 software control the system and ma

6、ke use of connection between mpi communication and plc. key words：toughened glass；automatic control；plc ；mpi；wincc 6.0 沈阳理工大学学士学位论文 iii 目目 录录 1 绪 论.1 1.1 项目背景及研究意义.1 1.2 可编程控制器的优点.2 1.3 可编程控制器的现状和发展趋势.3 1.3.1 可编程控制器的现状.3 1.3.2 可编程控制器的发展趋势.4 2 钢化玻璃生产线控制系统的电气设计.5 2.1 风冷法钢化玻璃生产工艺流程.5 2.2 钢化玻璃生产线工艺过程.7

7、2.2.1 上片工段电气设计.7 2.2.2 加热工段电气设计.8 2.2.3 冷却工段电气设计.11 2.2.4 下片工段电气设计.12 3 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的硬件系统.14 3.1 s7-300 系列 plc 介绍.14 3.1.1 s7-300 plc 简介.14 3.1.2 s7-300 cpu 314 介绍.15 3.1.3 plc 机型选择.15 3.2 钢化玻璃生产线 plc 控制系统组成.16 3.3 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的 i/o 地址分配.17 3.4 变频器的应用.21 3.5 压力变送器的应用.22 4 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的软件

8、系统.24 4.1 step7 v 5.4 编程软件介绍.24 4.1.1 step7 的编程.25 沈阳理工大学学士学位论文 iv 4.1.2 wincc 组态软件介绍.27 4.2 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的程序编辑.30 4.2.1 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的硬件组态.30 4.2.2 软件设计.31 5 wincc 与 s7-300 plc 之间的通讯.39 5.1 wincc 与 s7-300plc 通讯的实现.39 5.1.1 wincc 与 plc 之间的通讯结构.39 5.1.2 建立 wincc 与 plc 之间通讯的步骤.40 5.1.3 wincc 与 s

9、7-300 通讯的实现步骤.40 5.2 监控界面.42 5.2.1 主画面.42 5.2.2 运行系统参数设置画面.44 5.2.3 工艺参数设置画面.44 结 论.46 致 谢.47 参考文献.48 附 录.49 附录 a 英文原文.49 附录 b 汉语翻译.53 附录 c 主程序（stl） .56 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪 论 1.1 项目背景及研究意义 钢化玻璃是指经过强化处理，具有良好的机械性能和耐热抗震性能的玻璃。钢化 玻璃按生产方法可分为化学钢化法和物理钢化法两种。化学钢化法又叫离子交换法， 用此法制成的钢化玻璃光学质量好，强度高，适于用在飞机等场合的增强薄壁异形制

10、品。物理钢化法是目前国内外广泛应用的一种方法，其中按淬冷介质的不同，又可分 为风冷钢化、液冷钢化和冷却板钢化。 钢化玻璃的突出特点是强度高，它比优质的一般民用平板玻璃的强度高 310 倍。 并且破碎时具有安全性能。因此，它被广泛应用于汽车业和建筑业。特别是在高层建 筑上的大块玻璃要承受较强的风压，此时采用钢化玻璃尤为适用。钢化玻璃不仅可以 是无色透明的，也可以生产成彩色的吸热和热反射钢化玻璃。还有彩色釉面钢化玻璃， 钢化夹层防盗玻璃等品种。玻璃的厚度可在 219mm 之间确定。但从减少原材料，消 耗降低造价，降低自重，方便安装等方面考虑，在保证满足应达到的强度的前提下， 钢化玻璃应尽量选择偏薄

11、些的。目前民用建筑常用的钢化玻璃厚度为 46mm。钢化玻 璃在家庭装修还可用于内墙隔断等处。 我国钢化玻璃生产历史并不长，但近几年发展速度十分惊人。目前国内大企业钢 化玻璃自动生产线主要靠引进国外技术，它们具有生产效率高、产品质量稳定等优点， 但其价格非常高。国内一般中小企业只能购买价格相对低的国产生产线。与国外引进 的生产线相比，国产生产线存在生产过程自动化程度低、产品质量不稳定、生产效率 低、产品质量达不到用户要求、能耗高等不足，在质量上与国外同类产品相比存在一 定的差距。 据业内人士对国内市场的调研认为，我国的钢化玻璃潜在市场十分巨大，这些年 的需求量在不断增长。目前，钢化玻璃的主要消费

12、领域为建筑行业，消费比例占到了 总消费量的 65 % - 70 %，汽车行业的使用增长势头也较为强劲。 从建筑市场来看，我国建筑用钢化玻璃一直处于平稳上升态势，钢化玻璃用量占 建筑用玻璃的比例也在逐年上升。 故此，本次以西门子 s7-300 plc 为中央控制单元的钢化玻璃生产线控制系统的设 计，将对我国钢化玻璃潜在市场的开发以及提高与国外企业的竞争力有着不凡的意义。 沈阳理工大学学士学位论文 2 1.2 可编程控制器的优点 plc 用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间 方便，不受环境影响。 1、 功能强，性能价格比高 一台小型 plc 内有成百上千个可供用户使

13、用的编程元件，有很强的功能，可以实 现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程 序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理2。 2、 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件 装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系 统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。plc 有很强 的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 3、 可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触 不良

14、，容易出现故障，plc 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入 和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触不 良造成的故障大为减少。 plc 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时 间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，plc 已被广大用户公 认为最可靠的工业控制设备之一。 4、 系统的设计、安装、调试工作量少 plc 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器 等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 plc 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种

15、编程方法很有规律，很容易掌 握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得 多。 plc 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 plc 上 的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过 程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 沈阳理工大学学士学位论文 3 5、 编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继 电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技 术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户

16、程序。梯形图语言实 际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解 释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。 6、 维修工作量少，维修方便 plc 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。plc 或外部的输入装置和执行 机构发生故障时，可以根据 plc 上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障 的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。 7、 体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用 plc 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器， 小型 plc 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/2- 1/10。 plc 的配线比继电器控

17、制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减 少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。 1.3 可编程控制器的现状和发展趋势 1.3.1 可编程控制器的现状 可编程序控制器（programable logical controller,简称 plc）是一种专为在工业环 境下应用而设计的数字运算操作的电子系统4。它采用一种可编程序的存储器，在其内 部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式 或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及其有 关设备的设计原则使它易于与工业控制系统联成一个整体和具有扩充功能。 从上述定义可以看出，pl

18、c 产品能直接在工业环境中应用，不需专门的空调和恒 温，这是它能广泛应用的原因，是它有别于微机的一个重要特征。 plc 技术是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。近几年来，plc 技术 在各种工业过程控制、生产线自动控制及各类机电一体化设备控制中得到广泛应用， 成为工业控制领域的一项十分重要的应用技术。目前 plc 已广泛应用于石油、化工、 沈阳理工大学学士学位论文 4 冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的 自动控制。随着数字化时代的到来，软件领域不断的向硬件渗透。不断的用软件来代 替硬件，从而实现智能控制和生产自动化。plc 就是计算机技术向继电器

19、等硬件领域 渗透的产物。用软件来代替硬件，用软件程序代替硬件继电器。从而为系统的连接及 改造提供了方便，可以节约成本提高工作效率。plc 可以说是专门为工业严酷的环境 设计的小型计算机。plc 技术已成为工业自动化三大技术（plc 技术、机器人、计算 机辅助设计和分析）支柱之一。 1.3.2 可编程控制器的发展趋势 主要表现为以下几个方面: 1、 微型、小型 plc 功能明显增强 很多有名的 plc 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的 plc.三菱的 fxos14 点(8 个 24vdc 输入,6 个继电器输出),其尺寸仅为 58mm89mm,仅大于信用 卡几个毫米,而功能却有所增强

20、,使 plc 的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业, 如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等,甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 2、 集成化发展趋势增强 由于控制内容的复杂化和高难度化,使 plc 向集成化方向发展,plc 与 pc 集成、 plc 与 dcs 集成、plc 与 pid 集成等,并强化了通讯能力和网络化,尤其是以 pc 为基 础的控制产品增长率最快.plc 与 pc 集成,即将计算机、plc 及操作人员的人机接 口结合在一起,使 plc 能利用计算机丰富的软件资源,而计算机能和 plc 的模块交互存 取数据。以 pc 机为基础的控制容易编程和维护用户的利益,开放的体系结构

21、提供灵活 性,最终降低成本,提高生产率。 3、 向开放性转变 plc 曾存在严重的缺点,主要是 plc 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的,绝 大多数的 plc 是专用总线、专用通信网络及协议,编程虽多为梯形图,但各公司的组态、 寻址、语法结构不一致,使各种 plc 互不兼容.国际电工协会(iec)在 1992 年颁布了 iec1131-3可编程序控制器的编程软件标准,为各 plc 厂家编程的标准化铺平了道 路。现在开发以 pc 为基础、在 windoes 平台下,符合 iec1131-3 国际标准的新一代开 放体系结构的 plc 正在规划中3。 沈阳理工大学学士学位论文 5 2 钢化玻璃生

22、产线控制系统的电气设计 2.1 风冷法钢化玻璃生产工艺流程 钢化玻璃生产线示意图如图 2.1 所示： 图 2.1 钢化玻璃生产线示意图 玻璃钢化工艺一般采用优质玻璃为原料，以平钢化生产线为主要生产设备。该生 产线分布为上片台，加热段，风栅冷却段，下片台，各工段均有不同材质的辊子运送 玻璃。辅助设备有鼓风机，风道，控制柜等。其生产过程分成上片，自动往复加热， 往复急冷，往复吹风，取片五个工艺阶段。开车前逐步使加热段呈矩阵分布的上下电 炉升温至 650，做好生产准备。在一定的时间段，人工将原料片玻璃在上片台排放好 位置，至前炉门前光电开关止。当确认可以进炉时，启动按钮，前炉门打开，放片段 和加热段

23、按进炉速度同步前进。炉前光电开关与编码器配合，开始测量玻璃长度，同 时加热时间计时开始。当玻璃到进炉距离减速到位，关前炉门并放片停止。加热主传 动按加热往复速度，炉内有效距离，反向行进，如此形成往复摆动。当加热时间剩 20 秒，启动冷却风机到高速。一但加热时间到，打开后炉门，加热主传动和风栅主传动 按出炉速度同步高速出炉，炽热的玻璃快速进入风栅急冷钢化，同加热炉动作类似， 并按往复速度摆动，急冷时间到后，冷却风机改低速继续摆动。直至冷却时间到，风 机减速停，风栅转动和取片转动按取片速度同步出栅，钢化玻璃至后光电开关处自动 沈阳理工大学学士学位论文 6 停止。生产过程周而复始，连续进行。遇到某些

24、工艺情况，对局部阶段需要增加或减 少顶部或底部阀门开闭，改变或跳过一些阶段，系统同时具有多种报警。紧急停时有 安全位置，运行时有安全连锁。 玻璃钢化工艺有三个基本要求，只有满足这些基本要求才能生产出合格的产品： 1、 玻璃必须加热到要求的温度，玻璃表面各个部分的温度要均匀，相差不能太 大，玻璃表面与中间也不能相差太大。 2、 玻璃尽可能以最快的冷却速度进行冷却，冷却速度取决于玻璃厚度和玻璃的 其它性能，玻璃的两个面的冷却要均衡 3、 在钢化过程中玻璃要不停的运动，玻璃表面上不能有划伤及变形留下的痕迹。 钢化玻璃生产线工艺流程图如图 2.2 所示 ： 沈阳理工大学学士学位论文 7 图 2.2 钢

25、化玻璃生产线工艺流程图 综上所述，钢化玻璃系统是一个既有大量开关量和大量 ssr 温度调节回路（数量 达 3060 个温度检测点和调节回路），又有多个编码器和变频器组成的速度距离测量 控制回路，及人机界面和少量仪表模拟量组成的涉及面复杂的控制系统。它是通过人 机界面和现场众多键控，能够灵活多变，适应多种不同钢化工艺需要的顺序控制。画 面要能清楚地显示主要工艺流程，方便灵活地控制大量参数。各阶段距离和时间，速 度，以及不同的玻璃规格工艺指标，要求能在不同情况下灵活调节，连续显示各时间 段，温度值和玻璃动态位置。其主要控制对象有三个要点：其一是各阶段时间设置和 控制；其二是温度检测和调节回路；其三

26、是速度测量控制和距离测量控制。由于过程 中含有大量的工艺指标，运动速度高，如出错，导致大量的废品，甚至损害设备，因 此对安全性要求极高，控制必须准确无误，极为可靠。强、降低了能耗，提高了生产 效率。 2.2 钢化玻璃生产线工艺过程 钢化玻璃生产线控制系统主要分为控制与监控两个部分。控制部分通过可编程控 制器西门子 s7-300 来执行。工艺过程主要包括：上片工段、加热工段、冷却工段、下 片工段这四道工序 。 2.2.1 上片工段电气设计 上片工段回路图如图 2.3 所示： 沈阳理工大学学士学位论文 8 图 2.3 上片工段回路图 该部分的输入电压为 220v，通过变频器加到电机上的线电压也为

27、220v，变频器 为 2.2kw 小功率变频器。首先闭合隔离开关 qf1，按下步进按钮 sb3，系统进入有电 状态，此时线圈 ka38 开始充电，开关 ka38 吸合，上片电机给定信号以电流的形式 对变频器进行频率给定，此时电机运行，开始进行上片工作，当玻璃运行到加热炉前 安全距离时，遇到上片工段光电开关，此时停止上片，其中 sb4 为全程上片按钮，可 以连续的上片。 2.2.2 加热工段电气设计 该工段的主回路和控制回路如图 2.4、图 2.5、图 2.6、图 2.7 所示。加热工段是生 产钢化玻璃的主要的工段，该工段也是最复杂的一个部分，该部分包括了 20 个加热炉 丝，它们是加热的主体，

28、所以在设计的时候就要考虑到它们的统一性和独立性。统一 性就要求加热时能够同时的工作，独立性就是要求在出现故障时可以方便的查出是哪 条加热炉丝出现了故障，以至于不会严重的影响生产，所以在每根加热炉丝上都设有 隔离开关，这样在进行手动调试的时候可以很快的知道那根炉丝坏掉。 加热工段主回路图如图 2.4、图 2.5 所示： 沈阳理工大学学士学位论文 9 图 2.4 加热工段主回路图 1 图 2.5 加热工段主回路图 2 加热工段控制回路如图 2.6、图 2.7 所示： 沈阳理工大学学士学位论文 10 图 2.6 加热工段控制回路图 1 图 2.7 加热工段控制回路图 2 沈阳理工大学学士学位论文 1

29、1 该部分给定电压仍然是 220v，通过变频器加到电机上的线电压也同样是 220v， 变频器为 2.2kw 小功率变频器，为了使加热的玻璃受热均匀，所以该部分电机设有正 转和反转，原理是一样的。当图 2.4 中隔离开关 qf28 闭合，按下图 2.6 中的按钮 sb1，主传动转速给定以电流的形式给定变频器信号，主传动启动，这时图 2.7 中的 ka1 至 ka26 和 ka34 至 ka39 的继电器线圈开始充电，使得图 2.7 中的 ka1 至 ka26 和 ka34 至 ka39 的开关吸合，进而 km1 至 km26 的继电器线圈充电，这样闭 合 qf1 至 qf26 的隔离开关，这样，

30、km1 至 km26 的开关吸合，因此上部炉丝，下部 炉丝和局部炉丝开始加热工作。 因为加热需要一定的加热时间，不能让受热玻璃静止在加热炉中，这样会受热不 均匀，生产出残次品，为了避免这个问题，所以要保证受热玻璃在加热炉中处于运动 状态，当运行到加热炉尽头时，加热时间还未到，这时，图 2.6 中的 ka40 线圈充电 ka39 线圈放电，所以图 2.6 中的 ka39 开关断开 ka40 开关闭合，电机开始反转。就 这样周而复始，当加热时间一到，炉门后门打开，玻璃继续向前运行，进行下一道工 序。 其中图中，有一个主传动编码器输入，该部分的作用是检测加热玻璃的运行距离， 当达到设定值时，加热过程

31、结束，将进行下以工段。此时和加热设定时间是相符合的。 2.2.3 冷却工段电气设计 该部分的主回路及控制回路如图 2.8 和图 2.9 所示： 冷却工段分为冷却传动和风机控制两个主要部分。冷却传动同加热工段一样为了 散热均匀也分为正转和反转，直到到达冷却时间，再进行下一道工序。在冷却传动过 程中控制电压依然为 220v，变频器为 2.2kw 小功率变频器。闭合图 2.8 中的隔离开关 qf3，按下图 2.9 中的按钮 sb7 系统开始通电，通过冷却传动转速给定以电流的形式给 变频器加频率信号，此时各个线圈开始充电，ka41 吸合冷却传动开始，同时风机控制 电机也以同样的原理开始工作，运用风压控

32、制改变风速大小，但是有一点不同的是此 时的控制风机电压为 380v，变频器也变为 90kw 大功率的变频器。根据设定值，风速 固定，进行冷却，为了冷却时散热的均匀，在冷却风栅段也要进行周而复始的工作， 直到到达冷却时间。同样在此处也有冷却传动编码器，来记录冷却玻璃的传动距离。 同样，在图 2.9 中有光电开关 sk2，它的作用也是控制玻璃的运行。 沈阳理工大学学士学位论文 12 图 2.8 冷却工段主回路图 沈阳理工大学学士学位论文 13 图 2.9 冷却工段控制回路图 在图 2.8 中中间两个电机为控制起弧提弧变弧的电机，在控制回路图中也都有相应 的控制，其控制原理和其他的都基本相似，该部分

33、控制为加热和冷却工段公用部分， 该控制电机为 380v 的输入电压。其工作的目的是实现了各种形状的玻璃都可适用于该 生产线。其中在控制时也设计了具体的微调，使工艺更加的精益求精。这样的设计也 为该生产线实现生产更多元化的产品做了很好的准备。 2.2.4 下片工段电气设计 该部分设计比较简单，其回路图如图 2.10 所示： 下片过程操作简单，闭合隔离开关，按下按钮 sb5，线圈 ka44 充电，使开关 ka44 吸合，进而，线圈 km37 充电，使电机控制开关 km37 吸合，电机开始传动， 沈阳理工大学学士学位论文 14 进行下片工作。该部分还设有脚踏下片按钮,可以间断的下片。该部分也设有光电

34、开关 来控制玻璃的运行。 图 2.10 下片工段回路图 沈阳理工大学学士学位论文 15 3 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的硬件系统 3.1 s7-300 系列 plc 介绍 s7-300 系列 plc 硬件设备组成图如图 3.1 所示： 1. 负载电源 (选项) 2. 后备电池 (cpu 313 以上) 3. 24v dc 连接 4. 模式开关 5. 状态和故障 指示灯 6. 存储器卡 (cpu 313 以上) 7. mpi 多点接口 8. 前连接器 9. 前门 图 3.1 s7-300 系列 plc 硬件设备组成图 3.1.1 s7-300 plc 简介 s7-300 由多种模块部件所组

35、成，各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控 制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。各模块安装在 din 标准导轨上，并用螺 丝固定。这种结构形式即可靠，又能满足电磁兼容要求。背板总线集成在各模块上， 通过将总线连接器插在模块的背后使背板总线联成一体。在一个机架上最多可并排安 装 8 个模块（不包括 cpu 模块和电源模块） s7-300 有各种不同性能档次的 cpu 模块可供使用。标准 cpu 提供范围广泛的基 本功能，如指令执行，i/o 读写，通过 mpi 和 cp 模块的通讯，紧凑型 cpu 本机集成 i/o，并带有高速计数，频率测量，定位和 pid 调节等技术功能。部分 cpu 还

36、集成了 点到点或 profibus 通讯接口。 s7-300 的指令包含 350 多条指令，包括了位指令，比较指令，定时指令，计数指 令，整点和浮数运算指令等。cpu 的集成系统功能提供了例如中断处理和诊断信息等 这样一类的系统功能，由于它们是集成 cpu 的操作系统中，因此也省了很多 ram 空 间。 沈阳理工大学学士学位论文 16 s7-300 的模块种类： 1、 数字量和模拟量 i/o 模块，几乎对所有类型的现场信号都适用，包括具有中 断处理和诊断功能的模块。 2、 数字量和模拟量 ex i/o 模块，可用于危险防爆场所。 3、 功能模块，供计数，测量，各种定位控制，凸轮控制和闭环控制使

37、用。 4、 通讯模块，供点对点的链接，或通过 profibus 和工业以太网进行通讯。 5、 电源模块，提供 24v 直流工作电压。 6、 接口模块，当用于 s7300 多层机架配置时，连接主机架和扩展机架。 7、 信号模块，用于 simatic s7300 和生产过程之间的接口。有各种不同类 型的数字量和模拟量模块可供选择，因此可以按控制功能所需的输入和输出的要求做 出正确的选择。 3.1.2 s7-300 cpu 314 介绍 cpu314 一个机架上最多只能再安装八个信号模块或功能模块，最多可以扩展为四 个机架。中央处理单元总是在 0 机架的 2 号槽位上，1 号槽安装电源模块，3 号槽

38、总是 安装接口模块，槽号 4 至 11，可自由分配信号模块、功能块。 中央处理单元 cpu 的主要特性，包括存储器容量、指令执行时间、最大 i/o 点数、 各类编程元件（位存储器、计数器、定时器、可调用块）数量等。 s7-300 可编程控制器 cpu314 的技术数据表如表 3.1 所示，参见参考文献7。 3.1.3 plc 机型选择 1、结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，应该用整体式结构 的 plc；否则，选用模块式结构的 plc。 2、功能强、弱适当 对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，则一般选用抵挡的 plc，如 西门子 s7-200 系列。 对于

39、开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，则可选用带 a/d 转换的模 拟量输入模块和带 d/a 转换的模拟量输出模块，具有加减乘除运算，数据传送功能的 抵挡 plc，如西门子 s7-300 或 s7-400。 沈阳理工大学学士学位论文 17 表 3.1 s7-300 可编程控制器 cpu314 的技术数据 特征数值特征数值 装载存储器 - - 随机存储器 位操作执行时间 字执行时间 定点加执行时间 符点加执行时间 最大数字量 i/o 点数 最大模拟量 i/o 点数 最大配置 内置 40kb ram 最大可扩展 512kb 存储卡 24kb 0.3-0.6 us 1 us 2 us 60 u

40、s 512 64 4 个机架 32 个模块 定时器 计数器 位存储器 组织块 功能块 功能调用 数据块 系统数据块 系统功能块 时钟 128 64 2048 bit 13 128 128 127 9 34 硬件时钟 更多关于 plc 机型选择的内容见参考文献7。 3.2 钢化玻璃生产线 plc 控制系统组成 系统结构框图如图 3.2 所示： 图 3.2 系统结构框图 控制系统主要由检测元件、控制装置、执行机构、加热设备、冷却设备和传动机 构组成。常用的组件有： 沈阳理工大学学士学位论文 18 检测元件：温度传感器； 控制装置：wincc 人机界面； 执行机构：plc； 加热设备：电阻丝； 冷却

41、设备：风栅； 传动机构：电机和变频器。 3.3 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的 i/o 地址分配 cpu ai，di 接线图如图 3.3 所示： 图 3.3 cpu ai、di 接线图 这部分 314cpu 的 40 个接口中接口 2-15 对应连接的是 pewx+0 到 pewx+8，接 口 16、17 对应的是 pawx +0，接口 18、19 对应的是 pawx +2。接口 22-27 对应的地 址是 di2.0 到 di2.7。 沈阳理工大学学士学位论文 19 接口 3、4 连接的是压力开关 sp 的正负极。 接口 22 连接主传动电机开关 sb1。 接口 23-28 连接的是电解

42、电容 uf1 到 uf6。 sm332ao 接线图如图 3.4 所示： 图 3.4 sm332ao 接线图 sm332 的接口 3 和接口 6 连接的是 u1 的正负极。 接口 7 和接口 10 连接的是 u2 的 正负极。接口 11 和接口 14 连接 的是 u3 的正负极。接口 15 和接 口 18 连 接的是 u4 的正负极。 sm331ai 接线图如图 3.5 所示： 系统中使用三块 sm331ai 模块接收来自 20 个加热炉丝的温度信号，温度信号由 温度传感器变送过来。 第一块 sm332 模块的接口 3 和 6、7 和 10、11 和 14、15 和 18、23 和 26，27

43、和 沈阳理工大学学士学位论文 20 30、31 和 34、35 和 38 分别连接 1#8#炉丝上的温度传感器；第二块 sm332 模块利用 的接口号与第一个相同，它们分别连接 9#16#炉丝上的温度传感器；第三块 sm332 模 块的接口 3 和 6、7 和 10、11 和 14、15 和 18 分别连接 17#18#炉丝上的温度传感器。 图 3.5 sm331ai 接线图 沈阳理工大学学士学位论文 21 cpu di、do 接线图如图 3.6 所示： 图 3.6 cpu di、do 接线图 这部分 cpu 接口 2 到 19 的地址是 di0.0 到 di1.7。接口 22 到 29 的地

44、址是 do0.0 到 do0.7。接口 32 到接口 38 的地址是 do1.0 到 do1.7。 接口 26 到接口 29 连接的是继电器 ka33 到 ka36。 接口 32 到 38 连接的是继电器 ka37 到 ka43。 接口 2 和接口 3 连接加热主传动编码器 沈阳理工大学学士学位论文 22 接口 5 和接口 6 连接冷却主传动编码器 接口 8 和接口 9 连接 1#变弧电机编码器 接口 13 和借口 14 连接 2#变弧电机编码器 sm321 di、sm322do 接线图如图 3.7 所示： 图 3.7 sm321 di、sm322do 接线图 sm322 接口 2 到 9 、

45、12 到 19、22 到 29、32 到 39 分别和 ka01 到 ka08、ka09 到 ka16、ka17 到 ka24、 ka25 到 ka32 相连接完成的功能是控制加热炉中的加热 炉丝。 sm321 接口 2 到接口 9 依次连接到加热主传动启动开关、加热主传动停止开关、 步进上片开关、全程上片开关、脚踏下片开关、冷却主传动开关、1#变弧电机正传开 关、1#变弧电机反转开关；接口 12 到接口 19 依次连接上片光电开关、冷却光电开关、 下片光电开关、加热炉前门限位开关、加热炉后门限位开关、sp1、2#变弧电机正转开 沈阳理工大学学士学位论文 23 关、2#变弧电机反转开关。 3.

46、4 变频器的应用 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制 装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（vvvf 变频或矢量控制变频） ，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电 压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆 变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 igbt 三相 桥式逆变器，且输出为 pwm 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 启/停时变频器加速时间与减速时间的匹配：由于风机和泵的负载转动惯量比较大， 其启动和停止时与变频器的加速时间和减

47、速时间匹配是一个非常重要的问题。在变频 器选型和应用时，应根据负荷参数计算变频器的加速时间和减速时间来选择最短时间， 以便在变频器启动时不发生过流跳闸和变频器减速时不发生过电压跳闸的情况。但有 时在生产工艺中，对风机和泵的启动时间要求很严格，如果上述计算的时间不能满足 需求时，应该对变频器进行重新设计选型。 避免共振：由于变频器是通过改变电动机的电源频率来改变电机转速实现节能效 果的，就有可能在某一电机 转速下与负荷轴系的共振点、共振频率重合，造成负荷轴 系不能容忍的振动，有时会造成设备停运或设备损坏，所以在变频器功能参数选择和 预置时，应根据负荷轴系的共振频率，通过设定跳跃频率点和宽度，避免

48、系统发生共 振现象。 此系统选用的是风机类变频器 5000p11s。其部分主要参数列表如表 3.2 表 3.2 风机类变频器 5000p11s 主要参数表 功能代码名称用户参数功能代码名称用户参数 沈阳理工大学学士学位论文 24 f01 f02 f03 f04 f07 f08 f15 频率设定 运行操作 最高输出频率 基本频率 1 加速时间 1 减速时间 1 上限频率 2 1 50 50 20 20 50 f16 e05 h04 h05 h07 h08 h21 下限频率 x5 端子功能 自动复位（次数） 复位间隔 速度曲线 反向旋转禁止 pid 控制 15 7 3 5 3 1 1 3.5 压力

49、变送器的应用 压力变送器从一般意义上往往指压力变送器和差压变送器，主要由测压元件传感 器、测量电路和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准 的电流信号(420madc)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、 指示和过程调节。 压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001mpa20mp3）和微差压 变送器（01.5kpa），负压变送器三种 压力变送器的主要作用:把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。 其原理大致是： 将风压这种压力的力学信号转变成 电流（4-20ma） 这样的电子信 号。压力和电压或电流 大小成线性关系，一般是正比。所以，变

50、送器输出的电压或电 流 随压力增大而增大。 由此得出一个压力和电压或电流的关系式。 沈阳理工大学学士学位论文 25 4 钢化玻璃生产线 plc 控制系统的软件系统 4.1 step7 v 5.4 编程软件介绍 在 step75.4 中，一个自动化应用方案的所有数据是以项目（project）的形式来组 织和管理的。一个项目包含了以下三类数据： 1、硬件结构的组态数据及模块参数 2、通讯网络的组态数据 3、可编程模块的程序 上述数据以对象的形式存储，step7 采用目录式的层次结构管理项目中的所有对 象。对象从上到下有如下的三个层次。 第一层：项目。 第二层：通讯子网，plc 站或者 s7 程序。

51、 第三层：第而层下面的具体对象，视第二层而定。 使用 step7 的基本步骤： 第一步：要根据要求设计一个自动化解决方案； 第二步：在 step7 中创建一个项目（project）； 第三步：在项目中，可以选择先组态硬件在编写程序（1），或者先编写程序再组 态硬件（2）； 第四步：硬件组态和程序设计完成后，通过编程电缆将组态信息和程序下载到硬 件设备中； 第五步：进行在线调试并最终完成整个自动化项目。 沈阳理工大学学士学位论文 26 在大多数情况下，建议先组态再编写程序，尤其是对于 i/o 点数比较多，结构复 杂的项目（例如有多个 plc 站的项目）来说，应该先组态硬件再编写程序。这样做有 以

52、下优点： 1、step7 在硬件组态窗口中会显示所有的硬件地址，硬件组态确定后，用户编写 程序的时候就可以直接使用这些地址，从而可以减少出错的机会。 2、一个项目中包含多个 plc 站点的时候，合理的做法是在每个站点下编写各自 的程序，这样就要求先做好各站点的硬件组态，否则项目结构就显得混乱，而且下载 时候也容易出错。 step7 v5.4 的编程环境如图 4.1 所示： 图 4.1 step7 v5.4 的编程环境 1、菜单栏 （1）、file 可完成如新建，打开，关闭，保存，打印，删除等操作。 （2）、edit insert 可以剪切，复制，粘贴，全选，打开硬件组态，插入模块， 等操作。

53、沈阳理工大学学士学位论文 27 （3）、plc 可以查看 cpu 信息，进行程序下载将程序保存到记忆卡等操作。 （4）、view 可以进行视图的查看与编辑。 2、工具栏 可以对模块进行编程，下载程序，模拟仿真等操作。 4.1.1 step7 的编程 1、step7 的程序机构 cpu 中的程序：s7 系列 plc 的 cpu 中运行着两种程序：操作系统程序和用户程序。 操作系统程序是固化在 cpu 中的程序，它提供了一套系统运行和调度的机制。操 作系统主要完成以下工作： 处理启动（暖启动和热启动） 刷新输入过程映像表和输出过程映像表 调用用户程序 检测中断并调用中断程序 检测并处理错误 管理存

54、储区域 与编程设备和其他通讯设备通讯 用户程序是为了完成特定的自动化任务，由用户自己编写的程序。一般来说，用 户程序需要完成以下工作： 暖启动和热启动时的初始化工作 处理过程数据（数字信号，模拟信号） 对中断响应 对异常和错误处理 操作系统处理的是底层的系统级任务，它为 plc 应用搭建了一个平台，提供了一 套用户程序的调用机制；而用户程序则在这个平台上完成了用户自己的自动化任务。 操作平台的特点： 沈阳理工大学学士学位论文 28 (1)、 循环执行用户主程序：操作系统在上电后首先执行启动程序，然后就进入一 个主循环，在每次循环中执行的是用户的主程序。只要 cpu 在正常运行，这个循环就 会一

55、直进行下去。 (2)、事件驱动的程序结构：把所有的控制任务都放在用户主程序里处理是非常不 经济的，对于一些出现次数相对较少的信号（例如某个液位传感器达到上限值的报警 信号），合理的做法是，只在需要的时候才处理，这就是事件驱动程序结构的思想。 事件驱动的程序结构通过中断来实现。当一个时间发生时，会产生一个中断（例如硬 件中断，时钟中断，错误中断等），操作系统会自动调用这个中断处理程序。 (3)、结构化的用户程序：用户程序由启动程序，主程序和各种中断响应程序等不 同的程序模块构成，操作系统已经搭好了调用这些模块的结构框架，用户要做的就是 向这些结构框架中填写内容，因此 s7 的用户程序是一种结构化

56、的程序。 2、step7 中的块 在 step7 软件中，结构化的用户是以“块”的形式实现的。块是一些独立的程序或 者数据单元。step7 中主要有：组织块-ob，功能-fc，功能块-fb，系统功能-sfc，系 统功能块-sfb，背景数据块-背景 db，共享数据块-共享 db。其中 ob，fc，fb，sfc 和 sfb 中包含由 s7 指令构成的程序代码，因此称为程序块或者逻 辑块。背景 db 和共享 db 中不包含 step7 的指令，他们用于存放用户数据，称为数 据块。上述各类块的主体由两部分组成：变量声明部分和程序部分（对程序块而言） 或者数据部分（对数据块而言）。 组织块 ob：在 c

57、pu 中，用户程序由启动程序，主程序和各种中断响应程序等不 同的程序模块构成，这些模块在 step7 中的实现形式就是 ob，ob 是直接被操作系统 调用的用户程序块，ob 与不同的 cpu 类型有关，某一型号的 cpu 支持哪些 ob 是确 定的。因此用户只能编写目标 cpu 支持的 ob。 功能（fc）和功能块（fb）：fc 和 fb 都是由用户自己编写的程序模块，可以被 其他程序块（ob，fc 和 fb）调用。与其他语言中的“函数”相似，fc/fb 也带有参 数，以名称的方式给出的参数称作形式参数（形参），在调用时给形式参数赋的具体 值就是实际参数（实参）。 系统功能（sfc）和系统功能

58、块（sfb）：sfc 和 sfb 是预先编写好的可供用户 程序调用的 fc 和 fb，他们已经固化在 s7 的 cpu 中因此称为“系统功能”和“系统 功能块”。通常 sfc 和 sfb 提供一些系统级的功能调用，例如通讯功能等。需要注意 沈阳理工大学学士学位论文 29 的是，虽然 sfb 已经固化在 cpu 中，但是 cpu 中并不包含背景 db，因此 sfb 和 fb 一样，在调用之前需要由用户生成相关的背景 db。 背景 db 和共享 db：db 分为背景 db 和共享 db 两种类型。如前所述，背景 db 是和 fb 相关联的，因此在创建背景 db 时，必须指定它所属的 fb，而且该

59、fb 必须 已经存在。在调用一个 fb 的时候，也必须指明一个与之对应的背景 db。 4.1.2 wincc 组态软件介绍 wincc-人机界面 wincc 是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它 提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模块。高性能的过程偶合、 快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的实用性。 wincc 是基于 windows nt 32 位操作系统。windows nt 具有的抢先多重任务的 特性确保了对过程事件的快速反映并提供可多种防止数据丢失的保护。windows nt 同 样提供了安全方面的功能。wincc 软件本身是 32

60、 位的应用程序，开发使用调制解调 器、面向对象的软件编程技术。 wincc 编译器 图形编译器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以用包含在对 象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动 态添加到单个图形对象上。向导提供了自动生成的动态支持并将他们链接到对象。也 可以在库中存储自己的图形对象。 报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择消息块、消 息级别、消息类型、消息显示以及报表。系统向导和组态对话框杂组态期间提供相应 的支持。为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编译器的对象选项板中的报警 控件。 变量记录被用来从运行过程中采