面粉生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)課題名稱(chēng)面粉生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院電氣信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器081姓 名李 赟學(xué) 號(hào)089064013指導(dǎo)教師張英杰 老師畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容及要求：1 查閱資料了解面粉生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀；2 查閱資料分析面粉生產(chǎn)工藝流程；3 設(shè)計(jì)面粉生產(chǎn)過(guò)程總體控制方案；4 選擇合適的PLC，完成硬件組態(tài)、編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序并進(jìn)行及仿真;5 使用組態(tài)軟件對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行組態(tài)；6 整理論文資料并書(shū)寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文;7 查閱英文材料并進(jìn)行翻譯；起止時(shí)間：2012年2月18日至2012年6月9日共16周指 導(dǎo) 教 師簽 字系 主 任簽 字院 長(zhǎng)

2、簽 字摘要面粉加工是食品生產(chǎn)的重要原料工業(yè)，是糧食生產(chǎn)向人類(lèi)消費(fèi)過(guò)渡的傳統(tǒng)行業(yè)。由于種種原因，其生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于同期實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)的紡織業(yè)。進(jìn)入九十年代以來(lái)，為了降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，我國(guó)的大中型面粉廠相繼進(jìn)行了電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的改造，PLC開(kāi)始被廣泛的應(yīng)用于我國(guó)面粉行業(yè)。可編程控制器（Programmable Controller）簡(jiǎn)稱(chēng)PLC,是一臺(tái)有別于普通微機(jī)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，它能直接在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，不需要專(zhuān)門(mén)的空調(diào)和恒溫環(huán)境，它專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境控制而設(shè)計(jì)制造，具有豐富的輸入輸出接口和較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力。由于它具有很多優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于全世界工業(yè)生產(chǎn)的各

3、個(gè)領(lǐng)域。本文先介紹了PLC系統(tǒng)的硬件組成、工作原理、軟件編程等，并詳細(xì)介紹了利用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)面粉生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng)，面粉生產(chǎn)，iFIX， PLCABSTRACTFlour processing is the important material industry of food producing, and the traditional industry of the transit of cereal producing to human consumption.For various reasons, the automation of its product

4、ion processlags far behind the textile industry over the same period to achieve the mechanized production. Since the 1990s, in order to reduce costs, improve product quality and adapt to the changingmarket economy, Chinese large and medium-sized flour mills successively carried transformation of ele

5、ctrical automation system, the PLC began to be widely used in the flour industry of China. Programmable controller referred as PLC, is a dedicated computer different from ordinary computer, it can be directly applied in industrial environments without dedicated air conditioning and constant temperat

6、ure environment. It has been designed for control of industrial environmental with rich input and output interface and strong output drive capability. It has so many advantages that it has been widely used in various areas of industrial production around the world. This paper introduces the hardware

7、 structure,working principles and software programming of the PLC system, and then describes how to take advantage of the technology of PLC to achieve the automatic control of the flour production process .Keywords: Automatic control system, Flour production, iFIX, PLC目錄摘要IIABSTRACTIII1. 緒論11.1 國(guó)內(nèi)外面

8、粉加工自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀11.2 本課題研究主要內(nèi)容22. 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.1 面粉生產(chǎn)工藝流程32.1.1 小麥初清工藝流程32.1.2 小麥清理工藝流程52.1.3 小麥制粉工藝流程72.2 可編程控制器PLC及其與DCS比較92.3 STEP 7軟件112.4 iFIX軟件122.5 系統(tǒng)控制方案132.5.1 控制系統(tǒng)組成及原理132.5.2 控制系統(tǒng)功能142.5.3 控制系統(tǒng)保護(hù)153. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)163.1 S7-300可編程控制器163.1.1 工作原理163.1.2 硬件組成203.1.3 模塊配置223.1.4 硬件組態(tài)檢查233.1.5 MPI通訊253.2 三

9、相異步電動(dòng)機(jī)基本控制電路263.2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)單向連續(xù)運(yùn)行控制電路263.2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制電路273.3 生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)303.3.1 傳感器303.3.2 常見(jiàn)傳感器及參數(shù)檢測(cè)314. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)324.1 下位控制器軟件設(shè)計(jì)324.1.1 PLC程序設(shè)計(jì)324.1.2 PLC程序仿真344.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)384.2.1 畫(huà)面介紹384.2.2 設(shè)備狀態(tài)394.2.3 故障報(bào)警41總結(jié)42致謝43參考文獻(xiàn)44附錄451. 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外面粉加工自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀面粉加工是把小麥通過(guò)清理、研磨、篩理、分級(jí)、提純，加工成各種不同等級(jí)面粉的系統(tǒng)科學(xué)，它主要包

10、含兩方面的內(nèi)容：制粉設(shè)備和制粉工藝。20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)的制粉技術(shù)由于受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、制粉設(shè)備品種、加工精度以及企業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的制約，采用的都是最基本、最簡(jiǎn)易的設(shè)備和工藝。我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，特別是上世紀(jì)80年代末到90年代初大規(guī)模引進(jìn)國(guó)外面粉生產(chǎn)線并進(jìn)行消化吸收，結(jié)合我國(guó)蒸煮食品的特點(diǎn)，現(xiàn)已逐漸形成了具有中國(guó)特色的面粉加工技術(shù)。90年代以來(lái)，引進(jìn)生產(chǎn)線的面粉廠以其合理的工藝、先進(jìn)的設(shè)備及自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和整體經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)時(shí)引進(jìn)的面粉生產(chǎn)線主要特點(diǎn)有：（1）工藝線路、設(shè)備及故障自動(dòng)監(jiān)控方面。自動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)技術(shù)已在一些引進(jìn)面粉廠中采用，國(guó)產(chǎn)設(shè)備配套安裝設(shè)計(jì)的面粉廠，有的也有工

11、藝模擬屏，也可以顯示工藝及設(shè)備運(yùn)行情況，但絕大部分無(wú)PLC控制的程序啟停和故障檢測(cè)。工藝屏的控制操作也僅僅是將現(xiàn)場(chǎng)控制的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的移位和集中，這樣的“自控”只是集中控制而不是自動(dòng)程序控制。（2）程序控制技術(shù)方面。引進(jìn)系統(tǒng)大部分采用繼電器聯(lián)鎖控制方式，個(gè)別在配粉車(chē)間采用PLC控制。例如引進(jìn)的瑞士布勒公司的生產(chǎn)線也只是在制粉車(chē)間的局部工段采用了PLC控制。在滿(mǎn)足不斷變化的市場(chǎng)需求的過(guò)程中，制粉行業(yè)中的自動(dòng)化技術(shù)以其特殊的工業(yè)方式也在不斷地發(fā)展。50多年來(lái)，自動(dòng)化儀表從氣動(dòng)到電動(dòng)，從現(xiàn)場(chǎng)控制到中央控制，從儀表屏操作到計(jì)算機(jī)操作站，從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)等等，變化確實(shí)驚人。半個(gè)世紀(jì)以前，制粉行業(yè)已具

12、有確保基本的聯(lián)鎖功能的機(jī)電系統(tǒng)，在出現(xiàn)報(bào)警或其它故障的情況下，通過(guò)繼電器鏈保證按照預(yù)定的安全邏輯順序地停機(jī)，控制系統(tǒng)為就地式的簡(jiǎn)單控制裝置。隨著面粉廠規(guī)模增大，設(shè)備數(shù)量增加，工藝復(fù)雜，自動(dòng)儀表采用電動(dòng)儀表，就地控制改為中央儀表控制。中央儀表控制室配有手工繪制的面粉廠的整個(gè)工藝流程圖，通過(guò)指示燈光表示每臺(tái)機(jī)器的狀態(tài)，操作員可以直觀形象地監(jiān)視和操作面粉生產(chǎn)過(guò)程。早期自動(dòng)順序啟動(dòng)系統(tǒng)利用定時(shí)轉(zhuǎn)換器，大大簡(jiǎn)化了面粉廠的啟動(dòng)操作。以微處理器為核心的集散控制系統(tǒng)(DCS )的出現(xiàn)，代替了原有集中式DDC系統(tǒng)。以可編程邏輯控制器(PLC)為主體的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)滿(mǎn)足新的市場(chǎng)要求，確保面粉廠對(duì)數(shù)百臺(tái)設(shè)備的監(jiān)控，

13、實(shí)現(xiàn)各種工藝要求。最新的機(jī)電系統(tǒng)保證面粉廠聯(lián)鎖功能，安全性好。1.2 本課題研究主要內(nèi)容本課題主要研究的是面粉生產(chǎn)車(chē)間的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)分析生產(chǎn)工藝流程；分析研究西門(mén)子S7-300 PLC硬件組態(tài)、編程與通訊，實(shí)現(xiàn)iFIX上位機(jī)組態(tài)，進(jìn)而完成現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。應(yīng)用PLC與iFIX相結(jié)合綜合控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是本課題的研究?jī)?nèi)容，它主要包括以下幾個(gè)方面：（1）研究面粉生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及故障信息采集（2）研究西門(mén)子S7-300 PLC硬件組態(tài)（3）研究西門(mén)子S7-300 PLC軟件編程（4）研究GE Fanuc iFIX 4.5組態(tài)（5）研究西門(mén)子S7-300 PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和上位機(jī)的互聯(lián)（6）研究最終

14、的系統(tǒng)整合，搭建成具有一定開(kāi)放系統(tǒng)特性的基本系統(tǒng)。包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、上位機(jī)管理和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2. 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 面粉生產(chǎn)工藝流程 小麥初清工藝流程小麥在收獲、干燥、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中，不可避免地會(huì)混入各種各樣的雜質(zhì)；小麥在田間生長(zhǎng)過(guò)程中，難免受自然災(zāi)害的影響或病蟲(chóng)害的感染，出現(xiàn)變質(zhì)或感染病害的麥粒。小麥中混有雜質(zhì)或病害麥粒直接影響制粉的安全生產(chǎn)、成品質(zhì)量及食品的安全和衛(wèi)生。因此，小麥在制粉之前必須將混在其中的各種雜質(zhì)徹底清理干凈。小麥中的雜質(zhì)種類(lèi)很多，不可能用一種設(shè)備將各類(lèi)雜質(zhì)一次清理干凈，必須將各種不同作用原理的設(shè)備組合使用。用篩理設(shè)備分離出與小麥體積不同的雜質(zhì)，用去石機(jī)分離

15、出比麥粒比重大的石子，用精選設(shè)備分離出與小麥形狀不同的雜質(zhì)，用磁選器去除磁性雜質(zhì)，用打麥機(jī)和刷麥機(jī)清理小麥表面等等。而且相同的設(shè)備還要重復(fù)使用，才能達(dá)到理想的清理效果。圖2-1是小麥初清流程圖。（a）原糧 卸糧坑 斗提機(jī) 初清篩 高效振動(dòng)篩（2） 垂直吸風(fēng)道毛麥倉(cāng)刮板輸送機(jī)斗提機(jī)磁選器垂直吸風(fēng)道（b）圖2-1 小麥初清流程圖注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示設(shè)備數(shù)量。原糧倒入卸糧坑后由斗式提升機(jī)送入初清篩清除大雜。清理過(guò)的小麥自動(dòng)流入高效振動(dòng)篩，由頭道篩去除中雜，篩下小麥流過(guò)二道篩去掉草籽等小雜。完成后小麥自動(dòng)流入垂直吸風(fēng)道，吸除麥糠等輕型皮殼類(lèi)雜質(zhì)。經(jīng)磁選后，由斗式提升機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備輸送入毛麥倉(cāng)儲(chǔ)存待

16、用。所有的麥倉(cāng)出口均安裝配麥器，用于不同品種小麥的搭配加工。混入小麥中的灰塵等細(xì)微雜質(zhì)由風(fēng)機(jī)從各設(shè)備中吸除，經(jīng)布筒式脈沖除塵器和沙克龍除塵器高效分離后，經(jīng)關(guān)風(fēng)器送入灰房密閉保存初清的目的是去除小麥中的大雜，如磚頭、瓦塊及繩頭等，并盡可能地去掉部分的小雜和輕雜，以避免這些雜質(zhì)影響機(jī)器的正常工作及物料的流動(dòng)和出倉(cāng)，并減少物料中的灰塵含量。 小麥清理工藝流程小麥清理流程共設(shè)了三篩，兩打，兩去石，兩精選，一洗麥，三磁選，四風(fēng)選，三著水，兩潤(rùn)麥。具體流程如圖2-2所示。除雜方法組合的基本原則是先易后難、先粗后精、先危害大的后危害小的。按照這樣的原則，首先采用高效振動(dòng)篩除大中雜、小雜和輕雜，然后采用比重分

17、級(jí)去石機(jī)去除石子，再用精選機(jī)去除與麥粒大小、比重相近的球形或細(xì)長(zhǎng)形雜質(zhì)。之后再進(jìn)行小麥表面清理，先利用打麥機(jī)對(duì)小麥進(jìn)行打擊，通過(guò)撞擊和摩擦作用使麥粒表面和腹溝內(nèi)的塵土、部分的麥毛和麥皮脫落，接著用第二道篩將這些雜質(zhì)篩出，并同時(shí)篩出比麥粒略大的中型雜質(zhì)。在打麥的過(guò)程中還可將一些泥塊、爐渣打碎并篩出。這樣即完成了毛麥清理過(guò)程。在小麥著水和潤(rùn)麥之后，再重復(fù)以上過(guò)程進(jìn)行光麥清理，以達(dá)到除雜盡凈的目的。在小麥清理流程中使用洗麥機(jī)清洗麥粒表污，去石洗麥機(jī)還可以去除麥中的石子。流程中智能化的著水控制儀可以精確地控制物料的水分。在小麥清理過(guò)程完成即將入磨前，又設(shè)了一道噴霧著水機(jī)。這道工序是以霧化水使麥粒表面濕

18、潤(rùn)，使麥皮的韌性增加，降低麥皮在研磨過(guò)程中的破碎。噴霧著水之后設(shè)了凈麥倉(cāng)，使麥粒表面水分被吸收。同時(shí)該倉(cāng)還起到平衡、緩沖流量的作用，保證清理和制粉工段的流量穩(wěn)定。（a）（b）圖2-2 小麥清理流程圖注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示設(shè)備數(shù)量。 小麥制粉工藝流程制粉工段是面粉生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，其技術(shù)水平的高低與整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系最為密切，所以制粉工藝流程多年來(lái)一直是人們研究制粉技術(shù)的重點(diǎn)。最早且最簡(jiǎn)單的工藝流程只設(shè)45道磨，中間物料不進(jìn)行粗細(xì)分級(jí)，連續(xù)地進(jìn)行“磨-篩-磨-篩”的過(guò)程，即所謂的“一條龍”。其后的發(fā)展是在流程中增加了心磨系統(tǒng)，將中間物料進(jìn)行粗細(xì)分級(jí)，粗的物料入皮磨系統(tǒng),細(xì)的物料入心磨系

19、統(tǒng)。這樣粗細(xì)不同、質(zhì)量不同的物料分別進(jìn)行研磨篩理，提高了工藝效果和產(chǎn)品質(zhì)量。再后來(lái)又增加了渣磨和尾磨，使物料的分級(jí)更加細(xì)致，并且在系統(tǒng)中使用了清粉機(jī)，將心磨的物料進(jìn)一步提純，心磨系統(tǒng)使用光輥和松粉機(jī)，減低麩星的產(chǎn)生，這就是現(xiàn)代的制粉工藝。世界上制粉技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家如瑞士、英國(guó)、意大利等國(guó)家如今采用的都是這樣的工藝。我國(guó)在20世紀(jì)70年代之前，小麥加工以生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)粉為主，對(duì)面粉質(zhì)量的要求不高，而要求有較高的單產(chǎn)，所以使用的工藝比較簡(jiǎn)單，大致上都是四皮(或五皮)、四心、二渣，全部用齒輥，不設(shè)清粉機(jī)。到了70年代中后期，糧食購(gòu)銷(xiāo)逐漸放開(kāi)，面粉供應(yīng)充足，對(duì)面粉質(zhì)量的要求也隨之提高，制粉工藝也隨之發(fā)生了變化

20、。本課題所研究的制粉流程設(shè)計(jì)了四道皮磨(B)、八道心磨(M)、一道渣磨(s)和兩道尾磨(T)，另外還配置了八道清粉(P)、四道打麩(Br)和一道刷麩。這是一個(gè)路線長(zhǎng)度適中、功能齊全的工藝流程。 （1）皮磨系統(tǒng)皮磨的作用是剝開(kāi)麥粒，刮下大粒狀的胚乳送往渣磨和心磨系統(tǒng)，并逐道地刮凈麩皮上殘存的胚乳。同時(shí)還要盡量保持麩片的完整，避免麥皮過(guò)碎而混入面粉中。2皮不分粗細(xì)，3皮和4皮分粗細(xì)，有利于提高研磨效果。雖然未設(shè)5皮，但在系統(tǒng)的后路配備了四道打麩和一道刷麩，足以保證對(duì)麩片的處理效果。各道皮磨的磨下物料，分別用平篩進(jìn)行篩理分級(jí)，分出大小麩片、粗粒、粗粉及面粉。麩片送往下道皮磨或打麩機(jī)處理；粗粒送往清粉

21、機(jī)進(jìn)一步精選，以分出純凈的麥心送往心磨研磨成粉，其余的帶皮顆粒則送往渣磨系統(tǒng)繼續(xù)研磨剝刮，細(xì)麩片則去細(xì)皮磨或尾磨處理；粗粉是非常細(xì)的胚乳顆粒，純度較高，直接送往心磨系統(tǒng)。（2）渣磨系統(tǒng)從皮磨系統(tǒng)分級(jí)出來(lái)的粗粒物料，多是粘有麥皮的胚乳粒，這部分物料粒度較小，不宜送入皮磨系統(tǒng)，但又不是純凈的胚乳，也不宜送入心磨系統(tǒng)。所以在流程中設(shè)置了渣磨系統(tǒng)，用磨輥將這些物料輕微地研磨，使麥皮與胚乳分開(kāi)，經(jīng)過(guò)篩理分級(jí)后提取質(zhì)量好的胚乳粒送往心磨系統(tǒng)。（3）心磨和尾磨系統(tǒng)心磨系統(tǒng)的作用是將皮磨系統(tǒng)、渣磨系統(tǒng)、清粉系統(tǒng)提取的不同粒度的胚乳粒研磨成粉，同時(shí)最小限度地磨碎麥皮和麥胚。尾磨的作用是處理從皮磨、渣磨、心磨和清

22、粉系統(tǒng)提出的細(xì)麩屑，經(jīng)研磨和篩理后分出細(xì)麩和次麥心。心磨系統(tǒng)中經(jīng)光輥研磨后的物料，部分胚乳會(huì)成為粉片或粉團(tuán)，這些粉片和粉團(tuán)如不及時(shí)粉碎，便不能用平篩將其作為面粉提出，而被推往后路心磨重復(fù)研磨，降低了磨粉機(jī)的生產(chǎn)率，增加了動(dòng)力消耗。為此，心磨系統(tǒng)經(jīng)光輥研磨后的物料，再進(jìn)入撞擊松粉機(jī)或打板松粉機(jī)通過(guò)撞擊形式進(jìn)行粉碎，然后進(jìn)入平篩篩理。尾磨和渣磨的物料含胚乳少，麥皮多，磨輥研磨力度小，不易形成粉片，所以采用了柔和的粉碎設(shè)備打板松粉機(jī)。（4）清粉系統(tǒng)清粉的目的是將皮磨、渣磨提出的麥渣、麥心和硬粗粉進(jìn)行精選，按質(zhì)量分成麥皮、帶有麥皮的胚乳和純胚乳粒。這樣，將純凈的胚乳粒單獨(dú)地送往心磨系統(tǒng)研磨，就可獲得高

23、質(zhì)量的面粉。清粉機(jī)的原理是風(fēng)、篩結(jié)合，空氣自下而上從篩面穿過(guò)，使篩上物料產(chǎn)生分級(jí)，重的物料在下從而穿過(guò)篩孔，輕的物料則留在篩面上。這樣即可將物料按比重的不同進(jìn)行分級(jí)。2.2 可編程控制器PLC及其與DCS比較可編程控制器是一臺(tái)有別于普通微機(jī)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，它能直接在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，不需要專(zhuān)門(mén)的空調(diào)和恒溫環(huán)境，它專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境控制而設(shè)計(jì)制造，具有豐富的輸入、輸出接口和較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力。 PLC的最小系統(tǒng)有以下四部分組成：微處理器（CPU）存儲(chǔ)器（RAM、ROM）輸入輸出單元（I/O接口）電源，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。圖2-3 PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖 PLC和DCS是當(dāng)前自動(dòng)控制領(lǐng)域兩大控制系統(tǒng)。P

24、LC即可編程控制器，英文全稱(chēng)為Programmable Controller，早期的PLC主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，其功能隨著技術(shù)的發(fā)展已大大超出了邏輯控制的概念。DCS即分布式控制系統(tǒng)，英文全稱(chēng)為Distributed Control System，在國(guó)內(nèi)自動(dòng)化行業(yè)又習(xí)慣稱(chēng)之為集散控制系統(tǒng)，它是以集中式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)結(jié)合現(xiàn)代4C技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。其二者主要的特點(diǎn)概括如下：（1）PLC 的主要特點(diǎn)：程序編制及生成簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，能夠很好地完成條件、順序、計(jì)數(shù)、步進(jìn)等控制功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。（2）DCS的主要特點(diǎn)：功能全，采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，完備的開(kāi)放系統(tǒng)，

25、可靠性高，具有綜合性和專(zhuān)業(yè)性，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話(huà)，擴(kuò)展靈活，管理能力強(qiáng)，具有集中管理、分散控制的特點(diǎn)。PLC和DCS有很大的不同，首先PLC和DCS的設(shè)計(jì)原理區(qū)別較大。PLC是從模仿繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，它存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作指令,并通過(guò)輸入和輸出操作來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶(hù)編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，將其存入PLC的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器，運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)的程序逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。DCS是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的，把所有的函數(shù)和過(guò)程變量之間的關(guān)系都做成功能塊。PLC和DCS表現(xiàn)的主要差別是在開(kāi)關(guān)量和模擬量的運(yùn)算上，即使后來(lái)兩者相互有些

26、滲透，但是仍然有區(qū)別。80年代以后，PLC除邏輯運(yùn)算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些復(fù)雜運(yùn)算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運(yùn)算在編程時(shí)不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)。而DCS使用功能塊封裝模擬運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，無(wú)論是邏輯運(yùn)算還是復(fù)雜模擬運(yùn)算表達(dá)形式都非常清晰，但相對(duì)PLC來(lái)說(shuō)邏輯運(yùn)算的表達(dá)效率較低。在接地電阻方面，對(duì)PLC要求不高，但對(duì)DCS一定要在幾歐姆以下（通常在4歐姆以下）。對(duì)于相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，用PLC比用DCS好，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒(méi)有專(zhuān)用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多

27、。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路相對(duì)很少，采用PLC較為合適。如果被控對(duì)象主要是模擬量控制、并且函數(shù)運(yùn)算很多，最好采用DCS。另外PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。2.3 STEP 7軟件STEP 7是基于西門(mén)子公司為配置S7-300/400 PLC及編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它的主要功能包括：建立和管理項(xiàng)目、對(duì)硬件和通信作組態(tài)和參數(shù)賦值、管理符號(hào)、創(chuàng)建程序、下載程序到可編程控制器、測(cè)試自動(dòng)系統(tǒng)、診斷設(shè)備故障。STEP 7 SIMATIC管理器是用戶(hù)組態(tài)和編程的基礎(chǔ)。另外，STEP 7還提供了硬件診斷(向用戶(hù)提供PLC狀態(tài)情況，指示各部分是否工作正常及故障判斷)功

28、能。為了適應(yīng)用戶(hù)程序設(shè)計(jì)的要求，STEP 7為S7-300/400 PLC提供了3種程序設(shè)計(jì)的方法，或者說(shuō)3種用戶(hù)程序結(jié)構(gòu)，即線性編程、分塊編程和結(jié)構(gòu)化編程。（1）線性編程。所謂線性編程就是將整個(gè)用戶(hù)程序都放在OB1（循環(huán)控制組織塊）中。這種方法對(duì)處理一些簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制任務(wù)是可以的，適于一個(gè)人進(jìn)行程序編寫(xiě)。（2）分塊編程。將用戶(hù)程序分隔成一些相對(duì)獨(dú)立的部分，每部分就是一個(gè)“控制分塊”，每個(gè)塊中包含一些指令，完成一定的功能。這些塊執(zhí)行順序由放置在組織塊OB1中的程序來(lái)確定， （3）結(jié)構(gòu)化編程。在設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)控制任務(wù)時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)部分控制邏輯常常被重復(fù)使用。這種情況便可采用結(jié)構(gòu)化編程方法來(lái)設(shè)

29、計(jì)用戶(hù)程序。編一些通用的指令塊來(lái)控制那些相同或相似的功能，這些塊就是功能塊（FB）或功能（FC）。在功能塊中編程用的是“形參”，在調(diào)用它時(shí)要給“形參”賦“實(shí)參”，依靠賦給不同的“實(shí)參”，便可完成對(duì)多種不同設(shè)備的控制，這是一個(gè)功能塊能多處使用的道理。STEP 7為用戶(hù)提供了三種標(biāo)準(zhǔn)化的PLC編程語(yǔ)言：梯形圖(LAD)，語(yǔ)句表(STL)和功能圖(FBD)。每種語(yǔ)言各有優(yōu)點(diǎn)：LAD和FBD編輯器容易輸入并且提供如拖放、復(fù)制、粘貼等功能，直觀方便，且可在連接庫(kù)中應(yīng)用成型的復(fù)雜功能模塊實(shí)現(xiàn)方案。STL使用戶(hù)直接面向機(jī)器存儲(chǔ)和控制單元，使用過(guò)程語(yǔ)言直接編程，更加專(zhuān)業(yè)直觀，用戶(hù)可以隨時(shí)檢查每個(gè)輸入的正確性，

30、又允許用戶(hù)用簡(jiǎn)單的文本編輯器實(shí)現(xiàn)離線編程。此外，STEP 7還支持集中高級(jí)語(yǔ)言軟件包，下面進(jìn)行一下簡(jiǎn)單說(shuō)明：1)與C和PASCAL語(yǔ)言相似的S7 SCL高級(jí)文本語(yǔ)言，符合IEC 61131.3標(biāo)準(zhǔn)；2)適用于順序控制的S7 GRAPH；3)以狀態(tài)圖形式描述異步、非順序過(guò)程的S7 HiGRAPH；4)適用于S7及M7，以圖形方式連接已有功能的CFC語(yǔ)言。2.4 iFIX 軟件iFIX是全球領(lǐng)先的HMISCADA自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件，是當(dāng)今世界工業(yè)控制領(lǐng)域最為流行的上位機(jī)監(jiān)控軟件之一。它集人機(jī)界面技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控、報(bào)表查詢(xún)打印、報(bào)警和報(bào)警管理、

31、趨勢(shì)分析等功能。由于該軟件具有較強(qiáng)的通用性和開(kāi)放性，功能強(qiáng)大，可靠性高，己被廣泛應(yīng)用于電力、醫(yī)藥、冶金、化工、食品、石油等行業(yè)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。iFIX工作臺(tái)(Workspace)是iCore的主要組件，它提供了單點(diǎn)組態(tài)的功能，能夠把系統(tǒng)的一切組件都集成在一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境中，運(yùn)行人員能夠非常方便地訪問(wèn)與使用這些組件。iFIX工作臺(tái)(wrorkspace)包含編輯環(huán)境及運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)完整的集成環(huán)境。編輯環(huán)境提供了一切必需的開(kāi)發(fā)工具,而運(yùn)行環(huán)境是為操作員而設(shè)計(jì)的。在運(yùn)行環(huán)境下，操作員能夠通過(guò)顯示畫(huà)面來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。iFIX組念軟件采用了基于節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于iFIX系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一臺(tái)運(yùn)行iFI

32、X軟件的計(jì)算機(jī)就稱(chēng)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)能夠單獨(dú)工作或者與其它節(jié)點(diǎn)相連。不管是客戶(hù)端還是服務(wù)器都可以被看作是基于節(jié)點(diǎn)的iFIX網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而為iFIX提供真正的分布式以及客戶(hù)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)提供最大的可擴(kuò)展性。不管是Server與Client功能運(yùn)行在單一計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的單機(jī)人機(jī)界面，還是網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜的分布式多Sverer與多Client的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，iFIX都能夠滿(mǎn)足各種應(yīng)用類(lèi)型及應(yīng)用規(guī)模的需求。 iFIX組態(tài)軟件主要以監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)為核心，提供了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理及人機(jī)界面三種最

33、基本的功能。數(shù)據(jù)采集通常是指系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)并將其加工成可利用的某種形式。iFIX組態(tài)軟件不需使用特別的硬件就能獲得數(shù)據(jù)，它能夠通過(guò)I/O驅(qū)動(dòng)器的軟件接口與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備直接通信來(lái)讀取數(shù)據(jù)并將其傳送到驅(qū)動(dòng)程序映象表(Driver Image Table，DIT)中。另外，通過(guò)iFIX組態(tài)軟件還可以向現(xiàn)場(chǎng)寫(xiě)數(shù)據(jù)，從而建立控制軟件所需的雙向連接。數(shù)據(jù)管理就是指各子應(yīng)用軟件根據(jù)需求對(duì)iFIX獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及傳送的過(guò)程。數(shù)據(jù)管理包括由掃描、報(bào)警、控制程序(Scan Alarm Control，SAC)從DIT中讀取數(shù)據(jù)、將其進(jìn)行處理并傳送至過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)(PDB)中，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)軟件從過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)(

34、PDB)中讀取數(shù)據(jù)，并將其傳送至需要的應(yīng)用中等內(nèi)容。另外，iFIX組態(tài)軟件還能夠?qū)?shù)據(jù)按照與上述流程相反的順序?qū)懭脒^(guò)程硬件。在傳統(tǒng)方法中，操作員都是通過(guò)控制室的面板來(lái)操作設(shè)備的，而iFIX組態(tài)軟件把傳統(tǒng)的控制面板變成了計(jì)算機(jī)與一個(gè)圖形屏幕，即人機(jī)界面，取代或增強(qiáng)了傳統(tǒng)控制室的功能，如監(jiān)控、報(bào)警與報(bào)表等功能。2.5 系統(tǒng)控制方案 2.5.1 控制系統(tǒng)組成及原理控制系統(tǒng)以PLC為中心，終端計(jì)算機(jī)通過(guò)通訊電纜與PLC的CPU相連以實(shí)時(shí)監(jiān)控其工藝流程中的設(shè)備，而PLC的I/O模塊又通過(guò)控制柜的執(zhí)行器件控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。系統(tǒng)監(jiān)控管理軟件為GE Fanuc自動(dòng)化北美公司的組態(tài)系統(tǒng)IFIX 4.5軟件。圖2-4

35、為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2-4 控制系統(tǒng)原理示意圖控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)敏感元件或傳感器( 如高、低料位器，限位開(kāi)關(guān)，速度監(jiān)測(cè)器，感溫?zé)崦綦娮?，電接點(diǎn)壓力表等)的檢測(cè)，將測(cè)量信號(hào)送入PLC 輸入模塊( 模擬量需要A/ D 轉(zhuǎn)換) , 由CPU 進(jìn)行分析、運(yùn)算, 再將控制信號(hào)( 數(shù)字量需經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換) 通過(guò)輸出模塊送至現(xiàn)場(chǎng)控制單元, 如電磁閥、氣動(dòng)閘門(mén)、變頻器等, 或經(jīng)中間繼電器控制各電機(jī)的起停。2.5.2 控制系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)主要用于工藝設(shè)備的啟動(dòng)、停車(chē)操作，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示，故障信息提示、記錄和查詢(xún)等。控制系統(tǒng)共有3種操作方式：（1）控制室自動(dòng)程序控制方式；（2）控制室鼠標(biāo)點(diǎn)動(dòng)控制方式；

36、（3）現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制方式。PLC控制主要用于流程中自動(dòng)控制；控制室鼠標(biāo)點(diǎn)動(dòng)控制方式主要用于當(dāng)自動(dòng)程序出現(xiàn)故障時(shí)；現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制方式用于設(shè)備調(diào)試和單機(jī)維修保養(yǎng)。其具體控制過(guò)程為：（1）流程啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)流程按工藝順序逆物料流方向延時(shí)啟動(dòng)，即由后路向前路依次啟動(dòng)最后打開(kāi)進(jìn)料閘門(mén)（進(jìn)倉(cāng)時(shí)）或出料閥門(mén)（出倉(cāng)時(shí)），保證設(shè)備都開(kāi)啟后才可進(jìn)料或出料；（2）流程停止。正常停車(chē)，由前路向后路依次停車(chē)，以保證停機(jī)時(shí)設(shè)備內(nèi)不存糧；緊急停車(chē)，當(dāng)控制室的急停按鈕按下時(shí)，所有設(shè)備立即停止，只有急停按鈕恢復(fù)后，方能再次開(kāi)啟設(shè)備。(3)故障報(bào)警和處理。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算機(jī)響鈴報(bào)警，并自動(dòng)在計(jì)算機(jī)顯示屏上以紅色顯示故障設(shè)

37、備的具體位置、設(shè)備名稱(chēng)、故障類(lèi)型等。同時(shí)進(jìn)行必要的自動(dòng)單機(jī)停機(jī)或局部停機(jī)。如主流程中有設(shè)備報(bào)警，不但該設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，而且此設(shè)備前面相關(guān)的設(shè)備均自動(dòng)停機(jī)，以防“憋堵”。(4)記錄和查詢(xún)。信息窗口自動(dòng)記錄系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)與PLC進(jìn)行通訊時(shí)的情況，報(bào)警信息窗口自動(dòng)記錄系統(tǒng)設(shè)備報(bào)警和操作員應(yīng)答及設(shè)備故障排除，便于分析系統(tǒng)運(yùn)行情況和設(shè)備使用情況。2.5.3 控制系統(tǒng)保護(hù)控制系統(tǒng)采取周密的安全措施, 以確保整套設(shè)備可靠、安全地運(yùn)行。（1）警告以下情況, 計(jì)算機(jī)畫(huà)面和PLC柜面板指示燈會(huì)出現(xiàn)紅色警告:PLC柜或MCC柜中任一風(fēng)扇發(fā)生故障PLC電池掉電或電壓不足PLC與計(jì)算機(jī)聯(lián)接的通訊線路(或接口)發(fā)生故障P

38、LC柜任一220VAC和24VDC電源斷路器跳閘（2）報(bào)警報(bào)警是在不正常的情況下產(chǎn)生的, 會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程的中斷。這時(shí)就要求維修人員根據(jù)計(jì)算機(jī)屏幕給出的出錯(cuò)信息迅速地排除故障, 以保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。以下情況會(huì)發(fā)生喇叭報(bào)警, 有時(shí)甚至?xí)＼?chē):脈沖除塵器工作壓力低于設(shè)定值、正壓輸送壓力超出設(shè)定范圍絞龍中物料發(fā)生堵塞斗式提升機(jī)失速或停轉(zhuǎn)某設(shè)備因堵料導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)或電機(jī)自身出現(xiàn)故障倉(cāng)空料時(shí), 低料位器顯示藍(lán)色倉(cāng)滿(mǎn)料時(shí), 高料位器顯示紅色其他（3）緊急停車(chē)以下情況, 會(huì)發(fā)生所有設(shè)備停轉(zhuǎn)或生產(chǎn)線無(wú)法啟動(dòng):按下車(chē)間內(nèi)任一急停開(kāi)關(guān)任一電機(jī)配電柜(MCC柜)及PLC柜三相電源異常3. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 S7

39、-300可編程控制器SIMATIC S7系列PLC是德國(guó)西門(mén)子公司在S5系列PLC基礎(chǔ)上于1995年陸續(xù)推出的性能價(jià)格比較高的PLC系統(tǒng)。其中微型的有S7-200系列，針對(duì)低性能要求的小型PLC，可擴(kuò)展2-7個(gè)模塊。中小型的有S7-300，最多可以擴(kuò)展32個(gè)模塊。中高檔性能的有S7-400系列，可以擴(kuò)展300個(gè)模塊。S7-300系列是模塊化中型PLC系統(tǒng)，它能滿(mǎn)足中型控制系統(tǒng)的性能要求。高電磁兼容性和強(qiáng)抗震性，使S7-300具有很高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。溫度適應(yīng)范圍從O60，特殊條件下可達(dá)-2560，具有很強(qiáng)的耐受震動(dòng)和污染特性。模塊化，無(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布等的特點(diǎn)使得S7-300成為各種中

40、等規(guī)模控制任務(wù)既方便又經(jīng)濟(jì)的解決方案。 工作原理1)初始化PLC上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其中檢查自身完好性是起始操作的主要工作。初始化的內(nèi)容有：對(duì)I/O單元和內(nèi)部繼電器清零，所有定時(shí)器（含T0）復(fù)位，以消除各元件狀態(tài)的隨機(jī)性；檢查I/O單元連接是否正確；檢查自身完好性：即啟動(dòng)監(jiān)控定時(shí)器T0（就是通常說(shuō)的看門(mén)狗Watch Dog Timer ，WDT），用檢查程序（即一個(gè)涉及到各種指令和內(nèi)存單元的專(zhuān)用檢查程序）進(jìn)行檢查。若不超時(shí)，則可證實(shí)自身完好，如果超時(shí)，用T0的觸點(diǎn)使系統(tǒng)關(guān)閉。 在初始化階段，PLC不輸入、不輸出，也不執(zhí)行用戶(hù)程序。PLC運(yùn)行時(shí)，雖然用戶(hù)程序中可能有眾多的操作需求，但PL

41、C是不可能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作的，它只能按分時(shí)操作的方式逐一去執(zhí)行各個(gè)操作。由于CPU的運(yùn)算和處理速度很高，從外部執(zhí)行結(jié)果看來(lái)，幾乎是同時(shí)完成的。這種分時(shí)操作的過(guò)程稱(chēng)為CPU對(duì)程序的掃描。初始化后，PLC按掃描形式執(zhí)行用戶(hù)程序，并根據(jù)所編程序的次序，從左到右、從上到下進(jìn)行掃描。先掃描到的先檢查、先執(zhí)行。PLC的工作流程見(jiàn)圖3-1。圖3-1 PLC系統(tǒng)工作流程圖2）循環(huán)掃描 根據(jù)PLC的工作方式，如果運(yùn)行正常，通信服務(wù)暫不考慮,PLC對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行循環(huán)掃描的過(guò)程可分為三個(gè)階段，即輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新。PLC的循環(huán)掃描過(guò)程如圖3-2所示。圖3-2 PLC的輸入、輸出和程序執(zhí)行過(guò)程圖（1）輸入采

42、樣當(dāng)CPU執(zhí)行輸入操作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)經(jīng)PLC的輸入端子由輸入緩沖器進(jìn)入輸入映像存儲(chǔ)器，這就是輸入采樣。 在程序執(zhí)行前，PLC首先掃描各輸入模塊，將所有外部輸入信號(hào)的狀態(tài)讀入到輸入映像存儲(chǔ)器中，隨后轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段并關(guān)閉輸入采樣。（2）程序執(zhí)行PLC在程序執(zhí)行階段，按“從上到下、先左后右”的次序從輸入映像存儲(chǔ)器I、內(nèi)部元件存儲(chǔ)器（如存內(nèi)部輔助繼電器狀態(tài)的位存儲(chǔ)器M、定時(shí)器T、計(jì)數(shù)器C等）和輸出映像存儲(chǔ)器Q中將有關(guān)元件的狀態(tài)讀出，經(jīng)邏輯判斷和算術(shù)運(yùn)算，將每步的結(jié)果立即寫(xiě)入有關(guān)的存儲(chǔ)器（如位存儲(chǔ)器M、輸出映像存儲(chǔ)器Q）中。 （3）輸出刷新CPU的運(yùn)算結(jié)果也不是直接送到實(shí)際輸出點(diǎn)，而是存放在輸出映像

43、存儲(chǔ)器中。在執(zhí)行完所有用戶(hù)程序后，CPU將輸出映像存儲(chǔ)器Q的內(nèi)容通過(guò)輸出鎖存器輸出到輸出端子上，去驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。這步操作過(guò)程就稱(chēng)為輸出刷新。PLC工作時(shí)，重復(fù)地執(zhí)行上述三個(gè)階段，每重復(fù)一次的時(shí)間就是一個(gè)掃描周期。PLC在一個(gè)掃描周期內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)的采樣只在輸入采樣階段進(jìn)行。當(dāng)PLC進(jìn)入用戶(hù)程序執(zhí)行階段后，輸入端將被封鎖，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行重新采樣，即在一個(gè)掃描周期內(nèi)，集中一段時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，這種方式稱(chēng)為集中采樣。同時(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)，PLC也只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映像存儲(chǔ)器中輸出，對(duì)輸出端子進(jìn)行刷新。在其他階段，輸出狀態(tài)一直保存在輸出映像存儲(chǔ)

44、器中，這種方式稱(chēng)為集中輸出。 PLC采用這種集中采樣、集中輸出的“串行”工作方式，可以避免繼電-接觸器控制中觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問(wèn)題，這是PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的原因之一。但是這也導(dǎo)致了輸出對(duì)輸入在時(shí)間上的滯后，這是PLC的缺點(diǎn)之一3.1.2 硬件組成S7-300 PLC的組成主要有：中央處理單元(CPU)、信號(hào)模塊(SM)、通訊處理器(CP)、功能模塊(FM)、電源模塊(PS)、接口模塊(IM)等。（1）電源模塊(PS)S7-300PLC有多種電源模塊可供選擇，PS305為戶(hù)外型電源模塊，PS307為普通型電源模塊，輸入電壓為交流AC120/230V，輸出電壓為直流DC24V，比較適

45、合大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，一個(gè)實(shí)際的S7-300PLC系統(tǒng)，在確定所有的模塊后，要選擇合適的電源模塊。所選定的電源模塊的輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各種智能模塊等消耗功率之和，并且要留有30%左右的裕量。當(dāng)同一電源模塊既要為主機(jī)單元供電又要為擴(kuò)展單元供電時(shí),從主機(jī)單元到最遠(yuǎn)一個(gè)擴(kuò)展單元的線路壓降必須小于0.25V。（2）中央處理單元(CPU)CPU內(nèi)的元件封裝在一個(gè)牢固而緊湊的塑料機(jī)殼內(nèi)，面板上有狀態(tài)和故障指示LED、模式選擇開(kāi)關(guān)和通信接口。存儲(chǔ)器插槽可以插入多達(dá)數(shù)兆字節(jié)的Flash EPROM微存儲(chǔ)器卡（簡(jiǎn)稱(chēng)為MMC）,用于掉電后程序和數(shù)據(jù)的保存。 S7-300PLC的CPU模塊大致

46、可以分為5類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)型、緊湊型、故障安全型、技術(shù)功能型、戶(hù)外型。其中CPU 313為具有擴(kuò)展程序存儲(chǔ)區(qū)的低成本的CPU，比較適用于需要高速處理的小型設(shè)備；CPU 314可以進(jìn)行高速處理以及中等規(guī)模的I/O配置，用于安裝中等規(guī)模的程序以及中等指令執(zhí)行速度的程序；CPU 315具有中到大容量程序存儲(chǔ)器，比較適用于大規(guī)模的I/O配置。CPU模塊的存儲(chǔ)容量、指令執(zhí)行速度、可擴(kuò)展的I/O點(diǎn)數(shù)、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器的數(shù)量、功能軟件塊數(shù)量等指標(biāo)是隨著型號(hào)中數(shù)字序號(hào)的遞增而增加。（3）接口模塊（IM）接口模塊用于S7-300PLC的中央機(jī)架到擴(kuò)展機(jī)架的連接，S7-300有三種規(guī)格的接口模塊，即IM360、IM361、

47、IM365等。IM365接口模塊專(zhuān)用于S7-300PLC的雙機(jī)架系統(tǒng)擴(kuò)展，由兩個(gè)IM365配對(duì)模塊和一個(gè)368連接電纜組成。IM360和IM361接口模塊必須配合使用，用于S7-300PLC的多機(jī)架連接。（4）信號(hào)模塊（SM）S7-300的信號(hào)模塊有數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、以及連接爆炸等危險(xiǎn)場(chǎng)合的輸入/輸出模塊。（5）功能模塊（FM） S7-300PLC有大量的功能模塊。功能模塊自身帶有CPU，并能實(shí)現(xiàn)特定的功能，可為PLC的CPU模塊分擔(dān)大量的任務(wù)。用戶(hù)可減少大量的編程工作量。（6）通訊處理器(CP)S7-300PLC有多種通信模塊可供選擇。例如，CP340用于建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

48、（Point to Point）低速連接，最大傳輸速率為19.2kbit/s。有3種通信接口，即RS-232、RS-422、RS-485，可通過(guò)ASCII、3964（R）通信協(xié)議及打印機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件，實(shí)現(xiàn)S7-300系列PLC與其他廠商的控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制器、條形碼閱讀器、掃描儀等設(shè)備通信連接。3.1.3 模塊配置根據(jù)前面所研究的面粉生產(chǎn)車(chē)間的設(shè)備配置和設(shè)計(jì)的控制方案，本控制系統(tǒng)需要按照表3-1統(tǒng)計(jì)進(jìn)行模塊配置。由于面粉生產(chǎn)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，為了便于系統(tǒng)的拓展，在設(shè)計(jì)時(shí)是按照中型規(guī)模的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。其中，電源模塊（PS）與中央處理單元（CPU）和其它信號(hào)模塊之間是通過(guò)電纜連接方式將各模塊

49、從物理上和電氣上連接起來(lái)。表3-1 S7-300的模塊配置表序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)單位數(shù)量模塊功能及用途1電源模塊PS 307(5A)塊4將輸入電壓(120-230VAC或24VDC)轉(zhuǎn)換成PLC所需的工作電壓2CPU模塊CPU 314塊1執(zhí)行用戶(hù)程序；借助MPI與上位機(jī)通訊3數(shù)字量輸入模塊SM321(32路)塊13SM321(DI32*24VDC)；可提供32路開(kāi)關(guān)量輸入通道4數(shù)字量輸出模塊SM321(32路)塊13SM322(DO32*24VDC/0.5A)；可提供32路開(kāi)關(guān)量輸出通道5模擬量輸入模塊SM331(8路)塊6SM331(AI32*24VDC); 總共可提供32路模擬量輸入通6接口模塊I

50、M360IM361塊13用于PLC的多機(jī)架連接7存儲(chǔ)卡6ES7953-8LJ00-0AA0塊1存儲(chǔ)PLC程序8機(jī)架UR塊4為S7的各模塊之間提供機(jī)械和電器的連接3.1.4 硬件組態(tài)檢查在完成了S7-300 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置后即可在S7-300的編程軟件STEP 7上完成系統(tǒng)的硬件組組態(tài)，其步驟是：（1)雙擊SIMATIC Manager圖標(biāo)，打開(kāi)STEP 7主畫(huà)面。（2)點(diǎn)擊文件夾新建，輸入文件名(面粉生產(chǎn)車(chē)間)和文件夾地址，然后點(diǎn)擊OK，系統(tǒng)將自動(dòng)生成工程項(xiàng)目。（3)點(diǎn)亮項(xiàng)目名稱(chēng)，點(diǎn)擊右鍵，選中插入新對(duì)象，點(diǎn)擊SIMATIC 300站點(diǎn)，將生成一個(gè)S7-300的項(xiàng)目。（4)把面粉生產(chǎn)

51、車(chē)間左面的+點(diǎn)開(kāi)，選中SIMATIC 300(1)，然后選中硬件并雙擊或右鍵點(diǎn)打開(kāi)對(duì)象，硬件組態(tài)畫(huà)面即可打開(kāi)。（5)雙擊SIMATIC 300RACK 300，然后將Rail拖入到左邊空白處，在窗口即可生成空機(jī)架，生成空機(jī)架的操作界面，如圖3-3所示。（6)雙擊SIMATIC 300，雙擊CPU 314，雙擊6ES7 314-1AG14-0AB0，選中V3.0，將其拖到機(jī)架RACK的第2個(gè)槽；。然后分別在(0)UR、(1)UR、(2)UR和(3)UR中的槽添加IM360、IM361、SM321、SM322模塊。（7)檢查組態(tài)，點(diǎn)擊站點(diǎn)一致性檢查，彈出NO errors窗口，則表示沒(méi)有錯(cuò)誤產(chǎn)生。

52、說(shuō)明本設(shè)計(jì)的方案是可行的。國(guó)3-4為組態(tài)成功的界面。圖3-3 操作界面圖圖3-4 檢查組態(tài)界面圖3.1.5 MPI通訊MPI(Multi Point Interface)是多點(diǎn)接口的簡(jiǎn)稱(chēng)，是當(dāng)通信速率要求不高，通信數(shù)據(jù)量不大時(shí)可以采用的一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的通信方式。西門(mén)子公司的S7系列PLC可以通過(guò)CPU模塊上的MPI接口組成MPI網(wǎng)絡(luò),通過(guò)它可實(shí)現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。通過(guò)全局?jǐn)?shù)據(jù)通信,一個(gè)CPU 可以訪問(wèn)另一個(gè)CPU的數(shù)據(jù)塊、存儲(chǔ)位和過(guò)程映像等。MPI網(wǎng)絡(luò)的全局?jǐn)?shù)據(jù)通信不需要額外的硬件和軟件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,端口管理與布線容易,裝置連接成本低。每個(gè)S7-300 CPU都集成了MPI通信協(xié)議,MPI的物理層是R

53、S-485。通過(guò)MPI，PLC可以同時(shí)與多個(gè)設(shè)備建立通信連接，這些設(shè)備包括編程器PG或運(yùn)行STEP7的計(jì)算機(jī)PC、人機(jī)界面（HMI）及其它SIMATIC S7，M7和C7。同時(shí)連接的通信對(duì)象的個(gè)數(shù)與CPU的型號(hào)有關(guān)。接入MPI網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備均稱(chēng)作節(jié)點(diǎn), S7-300 PLC MPI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的最大值為32個(gè)。MPI網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)號(hào),在組建MPI 網(wǎng)絡(luò)之前, 要為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)MPI地址和1個(gè)最高M(jìn)PI地址,使所有通過(guò)MPI連接的節(jié)點(diǎn)能夠相互通信。STEP 7的用戶(hù)界面提供了通信組態(tài)功能,使得通信的組態(tài)比較簡(jiǎn)單。連接MPI網(wǎng)絡(luò)常用到兩種部件：網(wǎng)絡(luò)插頭和網(wǎng)絡(luò)中繼器。網(wǎng)絡(luò)插頭是節(jié)點(diǎn)的MPI與網(wǎng)絡(luò)電纜

54、之間的連接器。網(wǎng)絡(luò)中繼器用于放大信號(hào)以及光電隔離，可用于擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)間的連接距離(最多增大20倍)；也可用作抗干擾隔離，如用于連接接地的節(jié)點(diǎn)和接地的MPI編程裝置的隔離器。對(duì)于MPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在接地的設(shè)備和不接地的設(shè)備之間連接時(shí)，應(yīng)該注意RS485中繼器的連接與使用。3.2 三相異步電動(dòng)機(jī)基本控制電路 在交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)主要是三相異步電動(dòng)機(jī)。 三相異步電動(dòng)機(jī)單向連續(xù)運(yùn)行控制電路三相異步電動(dòng)機(jī)單向連續(xù)運(yùn)行控制線路如圖3-5所示。圖中由電源開(kāi)關(guān)QS、熔斷器FU、接觸器K

55、M的主觸點(diǎn)、熱繼電器FR的熱元件和電動(dòng)機(jī)M構(gòu)成主電路。由起動(dòng)按鈕SB1、停止按鈕SB2、接觸器KM的線圈及其常開(kāi)輔助觸點(diǎn)、熱繼電器FR的常閉觸點(diǎn)和熔斷器FU2構(gòu)成控制電路。圖3-5 單向連續(xù)運(yùn)行控制電路圖起動(dòng)時(shí)，合上電源開(kāi)關(guān)QS，按下起動(dòng)按鈕SB1，接觸器KM線圈得電，其在主電路中的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)在全壓下直接起動(dòng)。同時(shí)與SB1并聯(lián)的接觸器輔助常開(kāi)觸點(diǎn)也閉合，實(shí)現(xiàn)自鎖。停車(chē)時(shí)，按下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈失電，其在主電路中的常開(kāi)主觸點(diǎn)斷開(kāi)復(fù)位，三相電源被切除，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。同時(shí)，接觸器在控制電路中的輔助觸點(diǎn)也復(fù)位，斷開(kāi)自鎖。松開(kāi)SB2后，SB2復(fù)位，但與起動(dòng)按鈕SB1并聯(lián)的常開(kāi)觸點(diǎn)KM

56、已經(jīng)斷開(kāi)，這時(shí)，接觸器線圈不能再依靠它來(lái)構(gòu)成通電電路，只有再次按下起動(dòng)按鈕SB1，電動(dòng)機(jī)才能重新起動(dòng)運(yùn)行。在電路中，熔斷器FU1、FU2起短路保護(hù)作用，但不能起過(guò)載保護(hù)作用；熱繼電器FR對(duì)電動(dòng)機(jī)起過(guò)載保護(hù)作用；依靠接觸器的電磁機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的零壓（失壓）與欠壓保護(hù)作用。 三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制電路三相異步電動(dòng)機(jī)在全壓下起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很大，可達(dá)其額定電流的4-7倍，過(guò)大的起動(dòng)電流一方面會(huì)使電網(wǎng)電壓顯著降低，影響鄰近設(shè)備的正常運(yùn)行；另一方面，會(huì)在供電線路和電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生損耗而引起發(fā)熱。因此，電動(dòng)機(jī)容量在10KW以上時(shí)，通常采用降壓起動(dòng)。常見(jiàn)的降壓起動(dòng)方式有：定子繞組串電阻（或電抗）降壓起動(dòng)、Y

57、-降壓起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)。 （1）定子繞組串電阻降壓起動(dòng)控制電路定子繞組串電阻降壓起動(dòng)控制電路如圖3-6所示。圖中KM1為串電阻降壓起動(dòng)接觸器，KM2為短接電阻全壓運(yùn)行接觸器，KT為時(shí)間繼電器，R為降壓起動(dòng)電阻。 圖3-6 定子繞組串電阻降壓起動(dòng)控制電路圖合上電源開(kāi)關(guān)QS，按下起動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM1線圈得電并自鎖，其主觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)定子串電阻降壓起動(dòng)，同時(shí)時(shí)間繼電器KT線圈得電。經(jīng)過(guò)時(shí)間繼電器整定的延時(shí)時(shí)間后，其通電延時(shí)的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM2線圈得電，KM2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，KM1線圈失電，起動(dòng)電阻R被短接，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入全電壓正常運(yùn)行。定子繞組串電阻降壓起動(dòng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。但因電阻消耗功率大，這種起動(dòng)方式一般是在中小容量電動(dòng)機(jī)且非頻繁起動(dòng)的