面粉生产过程控制系统设计

名徽2Q高住

毕业设计（论文）任务书

课题名称面粉生产过程限制系统设计

学院电气信息学院

专业班级测控技术与仪器081

姓名

学号

指导老师

毕业设计（论文）的主要内容及要求：

1.查阅资料了解面粉生产过程限制系统的发展历史和发呈现状：

2.查阅资料分析面粉生产工艺流程；

3.设计面粉生产过程总体限制方案；

4.选择合适的PLC,完成硬件组态、编写相应的限制程序并进行及仿真;

5.运用组态软件对整个生产过程进行组态；

6.整理论文资料并书写毕业设计论文；

7.查阅英文材料并进行翻译；

起止时间：

2012年2月18日至2012年6月9日共仿周

指导教师系主任院长

签字签字签字

摘要

面粉加工是食品生产的重要原料工业，是粮食生产向人类消费过渡的传统行业。

由于种种缘由，其生产过程的自动化远远落后于同期实现机械化生产的纺织业。进入

九十年头以来，为了降低成本，提高产品质量，适应不断变更的市场经济，我国的大

中型面粉厂相继进行了电气自动化系统的改造，PLC起先被广泛的应用于我国面粉行

业。

可编程限制器(ProgrammableController)简称PLC,是一台有别于一般微机的专

用计算机，它能干脆在工业环境中应用，不须要特地的空调和恒温环境，它专为工业

环境限制而设计制造，具有丰富的输入输出接口和较强的输出驱动实力。由于它具有

许多优点，目前己被广泛应用于全世界工业生产的各个领域。本文先介绍了PLC系统

的硬件组成、工作原理、软件编程等，并具体介绍了利用PLC限制技术实现面粉生产

过程的自动限制。

关键词：自动限制系统，面粉生产，iFIX,PLC

ABSTRACT

Flourprocessingistheimportantmaterialindustryoffoodproducing,andthetradi­

tionalindustryofthetransitofcerealproducingtohumanconsumption.Forvariousrea­

sons,theautomationofitsproductionprocesslagsfarbehindthetextileindustryoverthe

sameperiodtoachievethemechanizedproduction.Sincethe1990s,inordertoreduce

costs,improveproductqualityandadapttothechangingmarketeconomy,Chineselarge

andmedium-sizedflourmillssuccessivelycarriedtransformationofelectricalautomation

system,thePLCbegantobewidelyusedintheflourindustryofChina.

ProgrammablecontrollerreferredasPLC,isadedicatedcomputerdifferentfromor­

dinarycomputer,itcanbedirectlyappliedinindustrialenvironmentswithoutdedicatedair

conditioningandconstanttemperatureenvironment.Ithasbeendesignedforcontrolof

industrialenvironmentalwithrichinputandoutputinterfaceandstrongoutputdrivecapa­

bility.Ithassomanyadvantagesthatithasbeenwidelyusedinvariousareasofindustrial

productionaroundtheworld.Thispaperintroducesthehardwarestructure,workingprinci­

plesandsoftwareprogrammingofthePLCsystem,andthendescribeshowtotakead­

vantageofthetechnologyofPLCtoachievetheautomaticcontroloftheflourproduction

process.

Keywords:Automaticcontrolsystem,Flourproduction,iFIX,PLC

书目

摘要-.....-...........-……-.....-...........-.....-.....-.....II

ABSTRACT----------------------------------------------------------------------------------------------III

1.绪论..............................................................--1

1.1国内外面粉加工自动化技术的现状------------------------------------1

1.2本课题探讨主要内容------------------------------------------------2

2.限制系统总体设计---------...---------.....-......---------------------3

2.1面粉生产工艺流程--------------------------------------------------3

2.1.1小麦初清工艺流程.............................................3

2.1.2小麦清理工艺流程---------------------------------------------5

2.1.3小麦制粉工艺流程——.................-......-...............7

2.2可编程限制器PLC及其与DCS比较----------------------------------9

2.3STEP7软件-------------------------------------------------------11

2.4iFIX软件---一——-.....—-----.....-......-...........12

2.5系统限制方案-----------------------------------------------------13

2.5.1限制系统组成及原理..........................................13

252限制系统功能-------------------------------------------------14

2.5.3限制系统爱护….....-......-...........-......-............-15

3.限制系统硬件设计-----------------------------------------------------16

3.1S7-300可编程限制器-----------------------------------------------16

3.1.1工作原理-----------------------------------------------------16

3.1.2硬件组成----------------------------------------------------20

3.1.3模块配置------------......-...........-...........-......-22

3.1.4硬件组态检查------------------------------------------------23

3.1.5MPI通讯....-.....-.....-...........-...........-.....—25

3.2三相异步电动机基本限制电路---------------------------------------26

3.2.1三相异步电动机单向连续运行限制电路-------------------------26

3.2.2三相异步电动机起动限制电路---------------------------------27

3.3生产过程动态参数检测---------------------------------------------30

3.3.1传感器......-.....-..................-...........-......-30

3.3.2常见传感器及参数检测----------------------------------------31

4.限制系统软件设计.....-.....-......-............-...........-......-32

4.1下位限制器软件设计------------------------------------------------32

4.1.1PLC程序设计------------------------------------------------32

4.1.2PLC程序仿真------------------------------------------------34

4.2上位机软件设计---------------------------------------------------38

4.2.1画面介绍------------.....-.....-.....--------------------38

4.2.2设备状态----------------------------------------------------39

4.2.3故障报警....................................................41

总结---------------------------------------------------------------------42

致谢一一.....-...........-……-.....-...........-.....-.....-.....-43

参考文献-----------------------------------------------------------------44

附录45

1.绪论

1.1国内外面粉加工自动化技术的现状

面粉加工是把小麦通过清理、研磨、筛理、分级、提纯，加工成各种不同等级面

粉的系统科学，它主要包含两方面的内容：制粉设备和制粉工艺。20世纪80年头以前,

我国的制粉技术由于受到经济发展水平、制粉设备品种、加工精度以及企业经济实力

的制约，采纳的都是最基本、最简易的设备和工艺。我国改革开放以来，特殊是上世

纪80年头末到90年头初大规模引进国外面粉生产线并进行消化汲取，结合我国蒸煮食

品的特点，现已渐渐形成了具有中国特色的面粉加工技术。

90年头以来，引进生产线的面粉厂以其合理的工艺、先进的设备及自动化技术的

应用，提高了产品质量和整体经济效益。当时引进的面粉生产线主要特点有：(1)

工艺线路、设备及故障自动监控方面。自动限制及监测技术已在一些引进面粉厂中采

纳，国产设备配套安装设计的面粉厂，有的也有工艺模拟屏，也可以显示工艺及设备

运行状况，但绝大部分无PLC限制的程序启停和故障检测。工艺屏的限制操作也仅仅

是将现场限制的方式进行简洁的移位和集中，这样的“自控”只是集中限制而不是自动

程序限制。(2)程序限制技术方面。引进系统大部分采纳继电器联锁限制方式，个

别在配粉车间采纳PLC限制。例如引进的瑞士布勒公司的生产线也只是在制粉车间的

局部工段采纳了PLC限制。

在满意不断变更的市场需求的过程中，制粉行业中的自动化技术以其特殊的工业

方式也在不断地发展。5()多年来，自动化仪表从气动到电动，从现场限制到中心限制,

从仪表屏操作到计算机操作站，从模拟信号到数字信号等等，变更的确惊人。半个世

纪以前，制粉行业已具有确保基本的联锁功能的机电系统，在出现报警或其它故障的

状况下，通过继电相链保证依据预定的平安逻辑依次地停机，限制系统为就地式的简

洁限制装置。随着面粉厂规模增大，设备数量增加，工艺困难，自动仪表采纳电动仪

表，就地限制改为中心仪表限制。中心仪表限制室配有手工绘制的面粉厂的整个工艺

流程图，通过指示灯光表示每台机器的状态，操作员可以直观形象地监视和操作面粉

生产过程。早期自动依次启动系统利用定时转换器，大大简化了面粉厂的启动操作。

以微处理器为核心的集散限制系统(DCS)的出现，代替了原有集中式DDC系统。以可

编程逻辑限制器(PLC)为主体的计算机限制系统满意新的市场要求，确保面粉厂对数

百台设备的监控，实现各种工艺要求。最新的机电系统保证面粉厂联锁功能，平安性

好。

1.2本课题探讨主要内容

本课题主要探讨的是面粉生产车间的自动化限制系统，通过分析生产工艺流程；

分析探讨西门子S7-300PLC硬件组态、编程与通讯，实现iFIX上位机组态，进而完成

现场限制系统的设计。

应用PLC与iFIX相结合综合限制现场设备是本课题的探讨内容，它主要包括以下

几个方面：

(1)探讨面粉生产数据以及故障信息采集

(2)探讨西门子S7-3OOPLC硬件组态

(3)探讨西门子S7-3OOPLC软件编程

(4)探讨GEFanuciFIX4.5组态

(5)探讨西门子S7-300PLC与现场设备和上位机的互联

(6)探讨最终的系统整合，搭建成具有肯定开放系统特性的基本系统。包括PLC限

制系统设计、上位机管理和监控系统设计。

2.限制系统总体设计

2.1面粉生产工艺流程

小麦初清工艺流程

小麦在收获、干燥、运输和储存过程中，不行避开地会混入各种各样的杂质；小

麦在田间生长过程中，难免受自然灾难的影响或病虫害的感染，出现变质或感染病害

的麦粒。小麦中混有杂质或病害麦粒干脆影响制粉的平安生产、成品质量及食品的平

安和卫生。因此，小麦在制粉之前必需将混在其中的各种杂质彻底清理干净。小麦中

的杂质种类许多，不行能用一种设备将各类杂质一次清理干净，必需将各种不同作用

原理的设备组合运用。用筛理设备分别出与小麦体积不同的杂质，用去石机分别出比

麦粒比重大的石子，用精选设备分别出与小麦形态不同的杂质，用磁选器去除磁性杂

质，用打麦机和刷麦机清理小麦表面等等。而且相同的设备还要重复运用，才能达到

志向的清理效果。图2-1是小麦初清流程图。

(a)

原粮一卸粮坑一斗提机一初清筛一高效振动筛(2)一垂直吸风道

I

毛麦仓一刮板输送机一斗提机一磁选器一垂直吸风道

(b)

图2-1小麦初清流程图

注：括号内数字表示设备数量。

原粮倒入卸粮坑后由斗式提升机送入初清筛清除大杂。清理过的小麦自动流入高

效振动筛，由头道筛去除中杂，筛下小麦流过二道筛去掉草籽等小杂。完成后小麦自

动流入垂直吸风道，吸除麦糠等轻型皮壳类杂质。经磁选后，由斗式提升机、刮板输

送机等设备输送入毛麦仓储存待用。全部的麦仓出口均安装配麦器，用于不同品种小

麦的搭配加工。混入小麦中的灰尘等微小杂质由风机从各设备中吸除，经布筒式脉冲

除尘器和沙克龙除尘器高效分别后，经关风器送入灰房密闭保存

初清的目的是去除小麦中的大杂，如砖头、瓦块及绳头等，并尽可能地去掉部分

的小杂和轻杂，以避开这些杂质影响机器的正常工作及物料的流淌和出仓，并削减物

料中的灰尘含量。

小麦清理工艺流程

小麦清理流程共设了三筛，两打，两去石，两精选，一洗麦，三磁选，四风选，

三着水，两润麦。具体流程如图2-2所示。除杂方法组合的基本原则是先易后难、先

粗后精、先危害大的后危害小的。依据这样的原则，首先采纳高效振动筛除大中杂、

小杂和轻杂，然后采纳比重分级去石机去除石子，再用精选机去除与麦粒大小、比重

相近的球形或瘦长形杂质。之后再进行小麦表面清理，先利用打麦机对小麦进行打击,

通过撞击和摩擦作用使麦粒表面和腹沟内的尘二、部分的麦毛和麦皮脱落，接着用其

次道筛将这些杂质筛出，并同时筛出比麦粒略大的中型杂质。在打麦的过程中还可将

一些泥块、炉渣打碎并筛出。这样即完成了毛麦清理过程。在小麦着水和润麦之后，

再重复以上过程进行光麦清理，以达到除杂尽净的目的。在小麦清理流程中运用洗麦

机清洗麦粒表污，去石洗麦机还可以去除麦中的石子。流程中智能化的着水限制仪可

以精确地限制物料的水分。在小麦清理过程完成即将入磨前，乂设了一道喷雾着水机。

这道工序是以雾化水使麦粒表面潮湿，使麦皮的韧性增加，降低麦皮在研磨过程中的

破裂。喷雾着水之后设了净麦仓，使麦粒表面水分被汲取。同时该仓还起到平衡、缓

冲流量的作用，保证清理和制粉工段的流量稳定。

（a）

毛麦仓f配麦器（10）f毛麦出仓绞龙（3）f斗式提升机一高效振动筛一循环分离器

I

高效振动筛+卧式双筒打麦机一磁选器（2）+组合滚筒精选机（2）一比重分级去石机

I

垂直吸风道一去石洗麦甩干机（2）一斗式提升机+着水控制仪一三叶着水机

I

斗式提升机一一次润麦出仓绞龙+配麦器（7）一一次润麦仓（7）------次润麦入仓绞龙

I

着水控制仪—强力着水机一一次润麦入仓绞龙一一次润麦仓（3）f配麦器（3）

I

平面回转筛+卧式双筒打麦机+磁选器（2）一斗式提升机一二次润麦出仓绞龙

I

养子抛车（3）一循环风分级比重去石机（2）一斗式提升机一圆筒吸风分离器

I

净麦仓+磁选器“喷雾着水机（2）

（b）

图2-2小麦清理流程图

注：括号内数字表示设备数量。

小麦制粉工艺流程

制粉工段是面粉生产系统的核心，其技术水平的凹凸与整个系统的生产效率、产

品质量的关系最为亲密，所以制粉工艺流程多年来始终是人们探讨制粉技术的重点。

最早且最简洁的工艺流程只设4〜5道磨，中间物料不进行粗细分级，连续地进行“磨-

筛.磨■筛..」的过程，即所谓的“一条龙”。其后的发展是在流程中增加了心磨系统，将

中间物料进行粗细分级，粗的物料入皮磨系统，细的物料入心磨系统。这样粗细不同、

质量不同的物料分别进行研磨筛理，提高了工艺效果和产品质量。再后来乂增加了渣

磨和尾磨，使物料的分级更加细致，并且在系统中运用了清粉机，将心磨的物料进一

步提纯，心磨系统运用光辐和松粉机，减低数星的产生，这就是现代的制粉工艺。世

界上制粉技术先进的国家如瑞士、英国、意大利等国家如今采纳的都是这样的工艺。

我国在20世纪70年头之前，小麦加工以生产标准粉为主，对面粉质量的要求不高，而

要求有较高的单产，所以运用的工艺比较简洁，大致上都是四皮(或五皮)、四心、二

渣，全部用齿短，不设清粉机。到了70年头中后期，粮食购销渐渐放开，面粉供应足

够，对面粉质量的要求也随之提高，制粉工艺也随之发生了变更。本课题所探讨的制

粉流程设计了四道皮磨(B)、八道心磨(M)、一道渣磨⑸和两道尾磨(T),另外还配置

了八道清粉(P)、四道打效(Br)和一道刷数。这是一个路途长度适中、功能齐全的工艺

流程。

(1)皮磨系统

皮磨的作用是剥开麦粒，刮下大粒状的胚乳送往渣磨和心磨系统，并逐道地刮净

数皮上残存的胚乳。同时还要尽量保持数片的完整，避开麦皮过碎而混入面粉中。2

皮不分粗细，3皮和4皮分粗细，有利于提高研磨效果。虽然未设5皮，但在系统的后

路配备了四道打数和一道刷数，足以保证对数片的处理效果。各道皮磨的磨下物料，

分别用平筛进行筛理分级，分出大小数片、粗粒、粗粉及面粉。数片送往下道皮磨或

打裁机处理；粗粒送往清粉机进一步精选，以分出纯净的麦心送往心磨研磨成粉，其

余的带皮颗粒则送往渣磨系统接着研磨剥刮，组数片则去细皮磨或尾磨处理；粗粉是

特别细的胚乳颗粒，纯度较高，干脆送往心磨系统。

(2)渣磨系统

从皮磨系统分级出来的粗粒物料，多是粘有麦皮的胚乳粒，这部分物料粒度较小,

不宜送入皮磨系统，但又不是纯净的胚乳，也不宜送入心磨系统。所以在流程中设置

了渣磨系统，用磨辐将这些物料稍微地研磨，使麦皮与胚乳分开，经过筛理分级后提

取质量好的胚乳粒送往心磨系统。

(3)心磨和尾磨系统

心磨系统的作用是将皮磨系统、渣磨系统、清粉系统提取的不同粒度的胚乳粒研

磨成粉，同时最小限度地磨碎麦皮和麦胚。尾磨的作用是处理从皮磨、渣磨、心磨和

清粉系统提出的细数屑，经研磨和筛理后分出组数和次麦心。心磨系统中经光辐研磨

后的物料，部分胚乳会成为粉片或粉团，这些粉片和粉团如不刚好粉碎，便不能用平

筛将其作为面粉提出，而被推往后路心磨重复研磨，降低了磨粉机的生产率，增加了

动力消耗。为此，心磨系统经光辐研磨后的物料，再进入撞击松粉机或打板松粉机通

过撞击形式进行粉碎，然后进入平筛筛理。尾磨和渣磨的物料含胚乳少，麦皮多，磨

辐研磨力度小，不易形成粉片，所以采纳了柔软的粉碎设备一打板松粉机。

（4）清粉系统

清粉的目的是将皮磨、渣磨提出的麦渣、麦心和硬粗粉进行精选，按质量分成麦

皮、带有麦皮的胚乳和纯胚乳粒。这样，将纯净的胚乳粒单独地送往心磨系统研磨，

就可获得高质量的面粉。清粉机的原理是风、筛结合，空气自下而上从筛面穿过，使

筛上物料产生分级，重的物料在下从而穿过筛孔，轻的物料则留在筛面上。这样即可

将物料按比重的不同进行分级。

2.2可编程限制器PLC及其与DCS比较

可编程限制器是一台有别于一般微机的专用计算机，它能干脆在工业环境中应

用，不须要特地的空调和恒温环境，它专为工业环境限制而设计制造，具有丰富的输

入、输出接口和较强的输出驱动实力。

PLC的最小系统有以下四部分组成：①微处理器（CPU）②存储器（RAM、RO

M）③输入输出单元（I/O接口）④电源，其结构框图如图2-3所示。

图2-3PLC的基本结构框图

PLC和DCS是当前自动限制领域两大限制系统。PLC即可编程限制器，英文全称

为ProgrammableConiroller,早期的PLC主要用来代替继电器实现逻辑限制，其功能随

着技术的发展已大大超出了逻辑限制的概念。DCS即分布式限制系统，英文全称为

DistributedControlSystem,在国内自动化行业又习惯称之为集散限制系统，它是以集

中式限制系统为基础结合现代4c技术发展而来的。其二者主要的特点概括如下：（1）

PLC的主要特点：程序编制及生成简洁，运行速度快，能够很好地完成条件、依次、

计数、步进等限制功能，同时能够实现数据处理、通讯联网、实时监控等功能。（2）

DCS的主要特点：功能全，采纳网络通讯技术，完备的开放系统，牢靠性高，具有综

合性和专业性，实现了人机对话，扩展敏捷，管理实力强，具有集中管理、分散限制

的特点。

PLC和DCS有很大的不同，首先PLC和DCS的设计原理区分较大。PLC是从仿照

继电器限制原理发展起来的，它存储执行逻辑运算、依次限制、定时、计数和运算等

操作指令，并通过输入和输出操作来限制各类机械或生产过程。用户编制的限制程序

表达了生产过程的工艺要求，将其存入PLC的用户程序存储器，运行时按存储的程序

逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的，

把全部的函数和过程变量之间的关系都做胜利能块。PLC和DCS表现的主要差别是在

开关量和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是仍旧有区分。80年头以

后，PLC除逻辑运算外，也增加了一些限制回路算法，但要完成一些困难运算还是比

较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在

解算逻辑方面，表现出快速的优点。而DCS运用功能块封装模拟运算和逻辑运算，无

论是逻辑运算还是困难模拟运算表达形式都特别清楚，但相对PLC来说逻辑运算的表

达效率较低。

在接地电阻方面，对PLC要求不高，但对DCS肯定要在儿欧姆以下（通常在4欧

姆以下）。

对于相同I/O点数的系统来说，用PLC比用DCS好，其成本要低一些（大约能省40%

左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS

要低许多。假如被控对象主要是设备连锁、回路相对很少，采纳PLC较为合适。假如

被控对象主要是模拟量限制、并且函数运算许多，最好采纳DCS。另外PLC由于采纳

通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要简洁一些。

2.3STEP7软件

STEP7是基于西门子公司为配置S7-300/400PLC及编程的标准软件包，它的主要

功能包括：建立和管理项目、对硬件和通信作组态和参数赋值、管理符号、创建程序、

下载程序到可编程限制器、测试自动系统、诊断设备故障。STEP7SIMATIC管理器

是用户组态和编程的基础。另外，STEP7还供应了硬件诊断(向用户供应PLC状态状

况，指示各部分是否工作正常及故障推断)功能，

为了适应用户程序设计的要求，STF.P7为S7-300/400PIC供应了3种程序设计的

方法，或者说3种用户程序结构，即线性编程、分块编程和结构化编程。

(1)线性编程。所谓线性编程就是将整个用户程序都放在0B1(循环限制组织块)

中。这种方法对处理一些简洁的自动限制任务是可以的，适于一个人进行程序编写。

(2)分块编程。将用户程序分隔成一些相对独立的部分，每部分就是一个平艮制分块”,

每个块中包含一些指令，完成肯定的功能。这些块执行依次由放置在组织块0B1中的

程序来确定，

(3)结构化编程。在设计一个困难的自动限制任务时，我们会发觉部分限制逻辑经

常被重复运用。这种状况便可采纳结构化编程方法来设计用户程序。编一些通用的指

令块来限制那些相同或相像的功能，这些块就是功能块(FB)或功能(FC)o在功

能块中编程用的是“形参”，在调用它时要给“形参”赋"实参”，依靠赋给不同的“实参”,

便可完成对多种不同设备的限制，这是一个功能块能多处运用的道理。

STEP7为用户供应了三种标准化的PLC编程语言：梯形图(LAD),语句表(STL)

和功能图(FBD)。每种语言各有优点：LAD和FBD编辑那简洁输入并且供应如拖放、

复制、粘贴等功能，直观便利，且可在连接库口应用成型的困难功能模块实现方案。

STL运用户干脆面对机器存储和限制单元，运用过程语言干脆编程，更加专业直观，

用户可以随时检查每个输入的正确性，又允许用户用简洁的文本编辑落实现离线编

程。此外，STEP7还支持集中高级语言软件包，下面进行一下简洁说明：1)与C和

PASCAL语言相像的S7SCL高级文本语言，符合IEC61131.3标准；2)适用于依次限制

的S7GRAPH；3)以状态图形式描述异步、非依次过程的S7HiGRAPH；4)适用于S7

及M7,以图形方式连接已有功能的CFC语言。

2.4iFIX软件

iFIX是全球领先的HMI/SCADA自动化监控组态软件，是当今世界工业限制领

域最为流行的上位机监控软件之一。它集人机界面技术、限制技术、数据库技术、网

络技术于一身，可实现数据采集、实时过程监控、报表查询打印、报警和报警管理、

趋势分析等功能。由于该软件具有较强的通用性和开放性，功能强大，牢靠性高，己

被广泛应用于电力、医药、冶金、化工、食品、石油等行业的计算机监控与数据采集

系统中。

iFIX工作台(Workspace)是iCore的主要组件，它供应了单点组态的功能，能够把

系统的一切组件都集成在一个开发环境中，运行人员能够特别便利地访问与运用这些

组件。iFIX工作台(workspace)包含编辑环境及运行环境两个完整的集成环境。编辑

环境供应了一切必需的开发工具,而运行环境是为操作员而设计的。在运行环境下，

操作员能够通过显示画而来监控生产过程。iFIX组念软件采纳了基于节点的结构形

式。对于iFIX系统来说，一台运行iFIX软件的计算机就称为一个节点，节点能够单独

工作或者与其它节点相连。

不管是客户端还是服务器都可以被看作是基于节点的iFIX网络中的一个节点，从

而为iFIX供应真正的分布式以及客户/服务器结构，为系统供应最大的可扩展性。不

管是Server与Client功能运行在单一计算机，实现简洁的单机人机界面，还是网络较为

困难的分布式多Sverer与多Client的数据采集及限制系统，iFIX都能够满意各种应用类

型及应用规模的需求。

iFIX组态软件主要以监控与数据采集(SupervisoryControlAndDataAcquisition,

SCADA)为核心，供应了数据采集、数据管理及人机界面三种最基本的功能。数据采

集通常是指系统从现场获得数据并将其加工成可利用的某种形式。iFIX组态软件不需

运用特殊的硬件就能获得数据，它能够通过I/O驱动器的软件接口与现场I/O设备干脆

通信来读取数据并将其传送到驱动程序映象表(DriverImageTable,DIT)中。另外，

通过iFIX组态软件还可以向现场写数据，从而建立限制软件所需的双向连凄。数据管

理就是指各子应用软件依据需求对iFIX获得的数据进行处理及传送的过程。数据管理

包括由扫描、报警、限制程序(ScanAlarmControl,SAC)从DIT中读取数据、将其进

行处理并传送至过程数据库(PDB)中，内部数据库访问软件从过程数据库(PDB)中读

取数据，并将其传送至须要的应用中等内容。另外，iFIX组态软件还能够将数据依据

与上述流程相反的依次写入过程硬件。

在传统方法中，操作员都是通过限制室的面板来操作设备的，而iFIX组态软件把

传统的限制面板变成了计算机与一个图形屏幕，即人机界面，取代或增加了传统限制

室的功能，如监控、报警与报表等功能。

2.5系统限制方案

2.5.1限制系统组成及原理

限制系统以PLC为中心，终端计算机通过通讯电缆与PLC的CPU相连以实时监控

其工艺流程中的设备，而PLC的I/O模块又通过限制柜的执行潜件限制现场设备。系

统监控管理软件为GEFanuc自动化北美公司的组态系统IFIX4.5软件。图2-4为限制系

统的结构框图。

显示器

上位机——打印机

PLC

MCC柜

现场设备

（电动机、电磁阀、传感器、限位开关、模拟量、脉冲量）

图2-4限制系统原理示意图

限制系统通过对现场敏感元件或传感器（如高、低料位器，限位开关，速度监测

器，感温热敏电阻，电接点压力表等）的检测，将测量信号送入PLC输入模块（模拟

量须要A/D转换），由CPU进行分析、运算，再将限制信号（数字量需经D/A转换）

通过输HI模块送至现场限制单元，如电磁阀、气动闸门、变频器等，或经e间继电器

限制各电机的起停。

2.5.2限制系统功能

限制系统主要用于工艺设备的启动、停车操作，设备运行状态的动态显示，故障

信息提示、记录和查询等。

限制系统共有3种操作方式：

（1）限制室自动程序限制方式；

（2）限制室鼠标点动限制方式；

（3）现场开关手动限制方式。

PLC限制主要用于流程中自动限制；限制室鼠标点动限制方式主要用于当自动程

序出现故障时；现场开关手动限制方式用于设备调试和单机修理保养。其具体限制过

程为：

（1）流程启动。启动时流程按匚艺依次逆物料流方向延时启动，即由后路向前路依

次启动最终打开进料闸门（进仓时）或出料阀门（出仓时），保证设备都开启后才可

进料或出料；

（2）流程停止。①正常停车，由前路向后路依次停车，以保证停机时设备内不存粮;

②紧急停车，当限制室的急停按钮按下时，全部设备马上停止，只有急停按钮复原后,

方能再次开启设备。

（3）故障报警和处理。当设备发生故障时，计算机响铃报警，并自动在计算机显示屏

上以红色显示故障设备的具体位置、设备名称、故障类型等。同时进行必要的自动单

机停机或局部停机。如主流程中有设备报警，不但该设备自动停机，而且此设备前面

相关的设备均自动停机，以防“憋堵”。

（4）记录和查询。信息窗口自动记录系统启动和运行时与PLC进行通讯时的状况，报

警信息窗口自动记录系统设备报警和操作员应答及设备故障解除，便于分析系统运行

状况和设备运用状况。

2.5.3限制系统爱护

限制系统实行周密的平安措施，以确保整套设备牢靠、平安地运行。

(1)警告

以下状况，计算机画面和PLC柜面板指示灯会出现红色警告：

①PLC柜或MCC柜中任一风扇发生故障

②PLC电池掉电或电压不足

③PLC与计算机联接的通讯线路(或接口)发生故障

④PLC柜任一22()VAC和24VDC电源断路器跳闸

(2)报警

报警是在不正常的状况下产生的，会导致加工过程的中断。这时就要求修理人员

依据计算机屏幕给出的出错信息快速地解除故障，以保证生产的正常运行。以下状况

会发生喇叭报警，有时甚至会停车：

①脉冲除尘器工作压力低于设定值、正压输送压力超出设定范围

②绞龙中物料发生堵塞

③斗式提升机失速或停转

④某设备因堵料导致电机停转或电机自身出现故障

⑤仓空料时，低料位器显示蓝色

⑥仓满料时，高料位器显示红色

⑦其他

(3)紧急停车

以下状况，会发生全部设备停转或生产线无法启动：

①按下车间内任一急停开关

②任一电机配电柜(MCC柜)及PLC柜三相电源异样

3.限制系统硬件设计

3.1S7-300可编程限制器

SIMATICS7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年接连推出

的性能价格比较高的PLC系统。其中微型的有S7-200系列，针对低性能要求的小型

PLC,可扩展2-7个模块。中小型的有S7-300,最多可以扩展32个模块。中高档性能的

有S7-4（X）系歹lj,可以寸展300个模块。S7-300系列是模块化中型PLC系统，它能满意中

型限制系统的性能要求。高电磁兼容性和强抗震性，使S7-300具有很高的工业环境适

应性。温度适应范围从0℃〜60℃,特殊条件下可达-25℃〜60℃,具有很强的耐受振

动和污染特性。模块化，无排风扇结构，易于实现分布等的特点使得S7-300成为各种

中等规模限制任务既便利又经济的解决方案。

工作原理

1）初始化

PLC上电后，首先进行系统初始化，其中检查自身完好性是起始操作的主要工作。

初始化的内容有：①对I/O单元和内部继电器清零，全部定时器（含T0）复位，以消

退各元件状态的随机性；②检查I/O单元连接是否正确；③检查自身完好也：即启动

监控定时器TO（就是通常说的看门狗WatchDogTimer,WDT）,用检查程序（即

一个涉及到各种指令和内存单元的专用检查程序）进行检查。若不超时，则可证明自

身完好，假如超时，用TO的触点使系统关闭。

在初始化阶段，PLC不输入、不输出，也不执行用户程序。

PLC运行时，虽然用户程序中可能有众多的操作需求，但PLC是不行能同时执行

多个操作的，它只能按分时操作的方式逐一去执行各个操作。由于CPU的运算和处理

速度很高，从外部执行结果看来，几乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU

对程序的扫描。初始化后，PLC按扫描形式执行用户程序，并依据所编程序的次序，

从左到右、从上到下进行扫描。先扫描到的先检查、先执行。PLC的工作流程见图3-1。

初始化处理

系统自诊断

通信与外设服务

输入采样

执行用户程序

输出刷新

图3-1PLC系统工华流程图

2）循环扫描

依据PLC的工作方式，假如运行正常，通信服务暂不考虑,PLC对用户程序进行循

环扫描的过程可分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新。PLC的循环扫描

过程如图3・2所示。

含输入调理电路（包括电平含输出骐动电路（包括

转换、光电橘合、遽波等）光电^合、功率放大等）

其内容等待采样

CPU读出数据

JMIOO(上)

输

输

X内

_入

出

部

2输<Y,)—

映

接

现

一

映

入L

场

输

像

写入数据二？元

Tx,CPU像

缓

件

电

入

存

存

冲

—|H-------------(MKK))—存

霸

储

器M

———储

器

一

I器

器Q

」M7（下）出二

T削「一

L____I

输入采样程序执行输出刷新（输出传送）

图3-2PLC的输入、输出和程序执行过程图

（1）输入采样

当CPU执行输入操作时，现场输入信号经PLC的输入端子由输入缓冲器进入输入

映像存储器，这就是输入采样。

在程序执行前，PLC首先扫描各输入模块，将全部外部输入信号的状态读入到输

入映像存储器中，随后转入程序执行阶段并关闭输入采样。

（2）程序执行

PLC在程序执行阶段，按“从上到下、先左后右”的次序从输入映像存储器I、内部

元件存储器（如存内部协助继电器状态的位存储器M、定时器T、计数器C等）和输

出映像存储器Q中将有关元件的状态读出，经逻辑推断和算术运算，将每步的结果马

上写入有关的存储器（如位存储器M、输出映像存储器Q）中。

（3）输出刷新

CPU的运算结果也不是干脆送到实际输出点，而是存放在输出映像存律器中。在

执行完全部用户程序后，CPU将输出映像存储器Q的内容通过输出锁存器输出到输出

端子上，去驱动外部负载。这步操作过程就称为输出刷新。

PLC工作时，重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个扫描周期。

PLC在一个扫描周期内，对输入信号的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入用户

程序执行阶段后，输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状

态进行重新采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入信号进行采样，这种方

式称为集中采样。同时，在一个扫描周期内，PLC也只在输出刷新阶段才将输出状态

从输出映像存储器中输出，对输出端子进行刷新。在其他阶段，输出状态始终保存在

输出映像存储器中，这种方式称为集中输出。PLC采纳这种集中采样、集中输出的“串

行”工作方式，可以避开继电-接触器限制中触点竞争和时序失配的问题，这是PLC的

抗干扰实力强、牢靠性高的缘由之一。但是这也导致了输出对输入在时间上的滞后，

这是PLC的缺点之一

3.1.2硬件组成

S7-300PLC的组成主要有：中心处理单元(CPU)、信号模块(SM)、通讯处理器(CP)、

功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等。

(1)电源模块(PS)

S7-300PLC有多种电源模块可供选择，PS305为户外型电源模块，PS307为一般型

电源模块，输入电压为沟通AC120/230V,输出电压为直流DC24V,比较适合大多数

应用场合，

一个实际的S7-3D0PLC系统，在确定全部的模块后，要选择合适的电源模块。所

选定的电源模块的输出功率必需大于CPU模块、全部I/O模块、各种智能模块等消耗

功率之和，并且要留有30%左右的裕量。当同一电源模块既要为主机单元供电又要为

扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必需小于0.25V。

(2)中心处理单元(CPU)

CPU内的元件封装在一个坚固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示

LED、模式选择开关和通信接口。存储器插槽可以插入多达数兆字节的FlashEPROM

微存储器卡(简称为MMC),用于掉电后程序和数据的保存。

S7-300PLC的CPU模块大致可以分为5类：标准型、紧凑型、故障平安型、技术

功能型、户外型。其中CPU313为具有扩展程序存储区的低成本的CPU,比较适用于

须要高速处理的小型设备；CPU314可以进行高速处理以及中等规模的I/O配置，用于

安装中等规模的程序以及中等指令执行速度的程序；CPU315具有中到大容量程序存

储器，比较适用于大规模的I/O配置。CPU模块的存储容量、指令执行速度、可扩展

的I/O点数、计数器/计时器的数量、功能软件块数量等指标是随着型号中数字序号的

递增而增加。

(3)接口模块(IM)

接口模块用于S7-300PLC的中心机架到扩展机架的连接，S7-300有三种规格的接

口模块，即IM360、】M361、IM365等。IM365接口模块专用于S7-300PLC的双机架系

统扩展，由两个IM365配对模块和一个368连接电缆组成。IM360和IM361接口模块必

需协作运用，用于S7-3OOPLC的多机架连接。

(4)信号模块(SM)

S7-300的信号模块有数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、以及连接爆

炸等危急场合的输入/输出模块。

(5)功能模块(FM)

S7-300PLC有大量的功能模块。功能模块自身带有CPU,并能实现特定的功能，

可为PLC的CPU模块分担大量的任务。用户可削减大量的编程工作量。

(6)通讯处理器(CP)

S7-300PLC有多种通信模块可供选择。例如，CP340用于建立点对点(Pointto

Point)低速连接,最大传输速率为19.2kbit/s。有3种通信接口,即RS-232、RS-422、

RS-485,可通过ASCII、3964(R)通信协议及打印机驱动软件，实现S7-300系列PLC

与其他厂商的限制系统、机器人限制器、条形码阅读器、扫描仪等设备通信连接。

3.1.3模块配置

依据前面所探讨的面粉生产车间的设备配置和设计的限制方案，本限制系统须要

依据表3-1统计进行模块配置由于面粉生产限制系统的困难性，为了便于系统的拓

展，在设计时是依据中型规模的PLC限制系统设计的。其中，电源模块(PS)与中心

处理单元(CPU)和其它信号模块之间是通过电缆连接方式将各模块从物理上和电气

上连接起来。

表3-1S7-300的模块配置表

单

序名称型号数量模块功能及用途

位

号

1电源模块PS307（5A）块4将输入电压(120-230VAC或

24VDC)转换成PLC所需的工

作电压

2CPU模块CPU314块1执行用户程序；借助MPI与上

位机通讯

3数字量输入SM321（32路）块13SM321(DI32*24VDC)；可供应

模块32路开关量输入通道

4数字量输出SM321（32路）块13SM322(DO32*24VDC/0.5A)；

模块可供应32路开关量输出通道

5模拟量输入SM331（8路）块6SM331(AI32*24VDC);总共

模块可供应32路模拟量输入通

6接口模块IM360块1用于PLC的多机架连接

IM3613

7存储卡6ES7块1存储PLC程序

953-8LJOO-OAAO

8机架UR块4为S7的各模块之间供应机械

和电器的连接

3.1.4硬件组态检查

在完成了S7-300PLC限制系统的硬件配置后即可在S7-300的编程软件STEP7上

完成系统的硬件组组态，其步骤是：

(1)双击SIMATICManager图标，打开STEP7主画面。

(2)点击文件夹'新建，输入文件名(面粉生产车间)和文件夹地址，然后点击OK,系

统将自动生成工程项目。

(3)点亮项目名称，点击右键，选中插入新对象，点击SIMATIC300站点，将生成

一个S7-300的项目o

(4)把面粉生产车间左面的十点开，选中SIMATIC300(1),然后选中硬件尹双击'或右

键点打开对象，硬件组态画面即可打开。

(5)双击SIMATIC300\RACK300,然后将Rail拖入到左边空白处，在窗口即可生成

空机架，生成空机架的操作界面，如图3-3所示，

(6)双击SIMATIC300,双击CPU314,双击6ES7314-1AG14-0AB0,选中V3.0,将

其拖到机架RACK的第2个槽；。然后分别在(0)UR、(1)UR、(2)UR和(3)UR中的槽添

加IM360、IM361、SM321、SM322模块。

(7)检查组态，点击站点'一样性检查，弹出NOerrors窗口，则表示没有错误产生。

说明本设计的方案是可行的。国3-4为组态胜利的界面。

图3-3操作界面图

的HWConfig-[SIMATIC300站点，配置)--mianfen]回亶回

则8站点⑸的(E)插入(1：PLC视图(V)选项(O)SfCJ(W)踞助(H)

口髭319雕昌电鼠而备朋口髅%?

ojjcJ

0(0)UR