西門子S7-400PLC在造紙過程堿回收車間燃燒工段中的應(yīng)用

SIEMENSS7-400PLC在造紙過程堿回收車間燃燒工段中的應(yīng)用摘要隨著造紙工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，造紙企業(yè)對造紙過程中的自動化程度要求越來越高。在我國，造紙企業(yè)在生產(chǎn)過程中采用的微機(jī)監(jiān)視與控制系統(tǒng)一般為單獨運行且分散在各個設(shè)備處，沒有進(jìn)行對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行集中實時監(jiān)控，使得生產(chǎn)管理人員無法及時全面地了解各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀態(tài)，難以做到及時、準(zhǔn)確地指揮生產(chǎn)。本論文設(shè)計是利用PLC系統(tǒng)對造紙過程中制漿環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，具有平安可靠，通用靈活的特點，從而實現(xiàn)對整個造紙生產(chǎn)流程的自動化監(jiān)控。本論文重點是對堿回收燃燒工段的系統(tǒng)分析與研究，提出了一種平安可靠的控制方案。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中西門子S7-400系列PLC所用到的各種硬件模塊的選型和組態(tài)。關(guān)鍵詞：堿回收，燃燒，PLC，WINCC

SIEMENSS7-400PLCRecoveryWorkshopintheProcessofBurningPaperintheApplicationofSectionABSTRACTAlongwiththeindustrialscaleofpaperspreadingtimeandagain,thepapermakingenterpriseismoreandmorehightointhepapermakingprocessautomaticityrequest.Inourcountry,thepapermakingenterprisethemicrocomputersurveillanceandthecontrolsystemwhichusesintheproductionprocessgenerallyforalonemovesalsodispersesineachequipmentplace,hasnotcarriedontotheentireproductionprocesscarriesonthecentralismtomonitorattimes,causestheproductionmanagementpersonneltobeunablepromptlycomprehensivelytounderstandproducesthelinkonebyonetheproductioncondition,achieveswithdifficultypromptly,accuratelydirectstheproduction.Inthispaper,thedesignistheuseofPLCsystemsinthepulpandpapermanufacturingprocesscontrollinkwithasafe,reliable,universalandflexiblefeatures,theentirepaperinordertoachievetheautomationofproductionprocessmonitoring.ThispaperfocusedontheRecoveryCombustionProcessAnalysisandResearch,asafeandreliablecontrolprogramme.DetailsofthesystemintheSiemensS7-400seriesPLCusedbythevarioushardwaremoduleselectionandconfiguration.KEYWORDS：Sodarecovery，Combustion，PLC，WINCC目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1引言 11.2本論文的工作 12堿回收簡介 22.1堿回收的生產(chǎn)過程 22.2實施堿回收的意義 22.3燃燒工段工藝流程 2黑液的燃燒過程 3影響黑液燃燒的因素 3燃燒工段的工藝流程 5燃燒工段設(shè)備介紹 63DCS系統(tǒng)的簡介 83.1DCS的組成 83.2DCS系統(tǒng)的開展過程 93.3MPI網(wǎng) 103.4PROFIBUS-DP 103.5工業(yè)以太網(wǎng) 114控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 124.1測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計 124.2PLC簡介 144.2.1PLC的根本結(jié)構(gòu) 154.2.2PLC的工作原理 164.2.3PLC的特點 174.2.4PLC的開展 184.3PLC硬件設(shè)計 194.3.1PLC模塊的安裝 194.3.2CPU模塊 194.3.3SM321數(shù)字量輸入模塊 214.3.4SM322數(shù)字量輸出模塊 234.3.5SM331模擬量輸入模塊 234.3.6SM332模擬量輸出模塊 27電源模塊 27機(jī)架 294.4其他硬件 294.5傳感器 305PID算法 315.1PID控制的優(yōu)點 315.2PID的形式 315.3比例調(diào)節(jié)作用 325.4比例積分調(diào)節(jié)作用 335.5微分調(diào)節(jié)作用 345.6PID控制子程序框圖 356STEP7及WinCC軟件簡介 376.1西門子PLC編程軟件STEP7 376.2西門子組態(tài)軟件WinCC 407總結(jié) 43致謝 44參考文獻(xiàn) 451緒論1.1引言造紙工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成局部。近年來，隨著國家對環(huán)境保護(hù)的日益重視，解決造紙廠的廢水排污問題已成為首要課題，特別是對于以麥草為原料的眾多造紙廠來說，麥草漿黑液的處理問題尤為突出。黑液是由堿法制漿蒸煮得到的廢液，其成分主要根據(jù)所采用的植物原料及制漿蒸煮條件不同而有所不同。對黑液采取回收的方法國內(nèi)也做過許多嘗試，但經(jīng)過考核比擬發(fā)現(xiàn)用燃燒法處理黑液回收堿是目前黑液治污中最為成熟和有效的技術(shù)[1]。然而對麥草漿的黑液來說，燃燒絕非易事。首先是因為堿回收的投資本錢較大，使用設(shè)備復(fù)雜，而且麥草漿黑液的燃燒工藝和設(shè)備也仍處在整理與完善中；其次是因為麥草漿黑液屬于一種劣質(zhì)燃料，由于其含灰、含硅量大，燃燒值低，粘度大，濃度低，對燃燒的許多工藝條件要求都很高，因而使黑液燃燒變得比擬困難，極易造成因燃燒不穩(wěn)定而甩不掉油槍，使堿回收本錢大大增加的局面。因此，在麥草漿黑液的堿回收工程中，燃燒工段是最重要的環(huán)節(jié)之一[2]。PLC系統(tǒng)在造紙行業(yè)的廣泛使用，使得造紙的自動化程度越來越高。隨著造紙工業(yè)的不斷開展，廢水污染日益加劇。因此，制漿黑液的堿回收工藝對工廠起著尤為重要的作用，它是變廢為寶、化害為利、效益顯著的綜合利用工程，是造紙廠治理水污染的首要措施。1.2本論文的工作本論文重點在對當(dāng)前堿回收燃燒工段系統(tǒng)分析研究后提出了一種平安可靠的控制方案。堿回收燃燒工段的過程控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜控制系統(tǒng)。國內(nèi)對這方面的系統(tǒng)研究較少，本論文對堿回收燃燒工段的工藝流程和當(dāng)前的繼電器控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機(jī)控制系統(tǒng)及可編程邏輯控制系統(tǒng)(PLC)的特點進(jìn)行系統(tǒng)分析后，結(jié)合具體堿回收燃燒工段工程，采用西門子S7-400PLC設(shè)計了堿回收燃燒工段的過程控制系統(tǒng)。本論文要作以下工作：〔a〕熟練掌握造紙堿回收中燃燒工段的工藝流程?！瞓〕完成燃燒工段控制系統(tǒng)硬件局部的設(shè)計。〔c〕了解STEP7與WINCC之間的通信知識。2堿回收簡介2.1堿回收的生產(chǎn)過程堿回收工程包括四個生產(chǎn)過程：提取、蒸發(fā)、燃燒、苛化。〔a〕提?。罕M量使黑液與漿料別離，把黑液提取出來。〔b〕蒸發(fā)：使黑液濃縮到50%以上的濃度?！瞔〕燃燒：黑液送入燃燒爐，將有機(jī)物燒去，剩下無機(jī)物碳酸鈉和硫化鈉(草漿情況下還有硅酸鈉)。燃燒后的無機(jī)物呈熔融狀態(tài)，經(jīng)溶解澄清后成為綠液。〔d〕苛化:把石灰參加綠液中，使碳酸鈉(草漿情況下包括硅酸鈉)苛化成為氫氧化鈉，并將苛化所產(chǎn)生的碳酸鈣和硅酸鈣(即白泥)沉淀別離，最后得到氫氧化鈉和硫化鈉的混合溶液，通稱白液，可供制漿使用[3]。2.2實施堿回收的意義堿回收系統(tǒng)從堿法制漿黑液中回收了堿和熱能，并實現(xiàn)了工廠企業(yè)自身封閉循環(huán)使用，對于堿法制漿黑液還有其它的治理措施，但會有相應(yīng)的副產(chǎn)品產(chǎn)生，存在運行本錢和市場對其副產(chǎn)品需求變化的問題，因此堿回收對堿法制漿造紙企業(yè)而言是實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境、廢液進(jìn)行廠內(nèi)治理的重要組成局部。堿回收能最經(jīng)濟(jì)有效地削減廢液的污染負(fù)荷，大幅度提高資源回收利用率，再經(jīng)過物化-生化法的綜合處理就可使企業(yè)生產(chǎn)過程中的中段廢水達(dá)標(biāo)排放。對造紙廠的黑液進(jìn)行堿回收有以下好處[2]:(a〕環(huán)境效益:黑液是紙廠主要污染源。其中的固形物約有2/3是有機(jī)物，1/3是無機(jī)物。有機(jī)物是紙漿廠污水中的BOD,COD,SS和色度的主要來源。無機(jī)物中主要是堿。因此每回收一噸堿大約要燒去兩噸以上的污染物，可以大大減輕紙漿廠對江河水質(zhì)的污染。(b〕社會效益:電解法制堿，每噸堿要耗電2700度，食鹽1.6～1.7噸。每回收一噸堿，大廠耗電400～600度，小廠1000噸左右，不用鹽只用石灰。因此每回收一噸堿比電解法節(jié)電1700～2300度，且不必由外廠運來30～40%的堿液，每噸固堿可節(jié)約運力255噸以上。(c〕經(jīng)濟(jì)效益:外購堿到廠價在2000元/噸左右?；厥諌A本錢小廠約1000元/噸，大廠只要400—600元/噸，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。2.3燃燒工段工藝流程我國堿法化學(xué)漿產(chǎn)量約占全國化學(xué)漿總產(chǎn)量的90%，而堿法制漿產(chǎn)生黑液的污染負(fù)荷大，約占制漿造紙生產(chǎn)產(chǎn)生廢水總污染負(fù)荷的90%左右。由此可見，制漿造紙工業(yè)水污染的防治，首先必須解決對制漿黑液的源頭治理。國內(nèi)外實踐證明，黑液治理最正確技術(shù)是堿回收，它是削減堿法蒸煮黑液最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑[2]。2.3.1黑液的燃燒過程黑液的燃燒過程根本上可分三個彼此相關(guān)的階段[5]：第一階段：黑液的蒸發(fā)枯燥階段。經(jīng)過多效蒸發(fā)和直接蒸發(fā)后，送入堿回收爐的黑液濃度，草漿約50%，木漿約60%~65%，這樣的濃度的黑液還不能直接燃燒。因此，黑液送入爐內(nèi)之后，要利用燃燒產(chǎn)生的熱量增大濃黑液，使其枯燥成含水10%~15%的黑灰，才能燃燒，并發(fā)生一系列化學(xué)反響，使全部游離的氫氧化鈉和大局部硫化鈉轉(zhuǎn)化為碳酸鈉、硫酸鈉和硫化鈉等，黑液中有機(jī)化合的堿也生成亞硫酸鈉和硫酸鈉。第二階段：黑液的熱裂解及燃燒階段。經(jīng)過枯燥的黑灰落在墊層上，有機(jī)物快速分解，同時放出大量的熱。第三階段：無機(jī)物的熔融及芒硝復(fù)原階段。此階段除有機(jī)物繼續(xù)燃燒外，主要是無機(jī)物熔融及芒硝復(fù)原。此階段溫度高達(dá)1000℃以上。黑液燃燒系統(tǒng)是制漿廠整個堿回收過程中最復(fù)雜也是最關(guān)鍵的工段。燃燒工沒的最主要設(shè)備為堿回收鍋爐，目前國內(nèi)外普通使用的堿回收鍋爐類型為噴射爐，噴射爐作為整個硫酸鹽制漿廠體積最大，造價也最高的設(shè)備，其作用一方面是回收黑液中大量有機(jī)質(zhì)〔脫木素〕中的有效熱值，以產(chǎn)生蒸汽供全廠發(fā)電或造紙枯燥之用；另一方面使黑液中的無機(jī)堿鹽〔，〕經(jīng)復(fù)原反響后回收供制漿蒸煮重復(fù)使用。2.3.2影響黑液燃燒的因素〔1〕影響黑液燃燒的因素很多，主要有以下幾個方面：〔a〕黑液的組成和性質(zhì)這是影響黑液燃燒的一個主要因素，應(yīng)根據(jù)黑液的不同組成和性質(zhì)，確定適宜的工藝和燃燒條件?！瞓〕黑液濃度黑液流量一定時，濃度低，會降低堿回收爐效率，如濃度太低，會使?fàn)t溫下降，爐襯脫落，滅火，甚至?xí)l(fā)生爆炸。黑液濃度太高時，輸送和霧化就困難，流量不穩(wěn)定，會影響正常燃燒?！瞔〕黑液噴射量和粘度最好能保持黑液噴射量保持一定，并使黑液粘度保持在一定范圍內(nèi)?！瞕〕燃燒所需的空氣量根據(jù)燃燒工藝的要求，燃燒所需的空氣量分二次或三次送入爐內(nèi)。其中燃燒所需要的空氣量也是黑液利用的一個參考點，這里先討論一下燃燒所需要的空氣量的分配問題以及風(fēng)的作用問題?！?〕空氣分配與燃燒〔a〕硫的復(fù)原與燃燒溫度有關(guān)。如圖2-1所示，在爐底溫度高，復(fù)原率就高。適合的復(fù)原條件是通過調(diào)整分配一次風(fēng)和二次風(fēng)空氣流通的壓力和位置來獲得。圖2-1燃燒室的溫度立面圖〔b〕當(dāng)燃燒的黑液濃度為70%～75%時，燃燒空氣的分配如下圖：一次風(fēng)量30%，二次風(fēng)量60%，三次風(fēng)量10%。在爐子底完全碳化的墊層上方，適合于二次空氣的燃燒?！瞔〕黑液向下噴射在爐底碳化的墊層上方，但不是噴射在爐壁上。相應(yīng)高度的黑液噴嘴分布在爐壁四周，噴嘴數(shù)量與堿爐的蒸汽產(chǎn)量和規(guī)格相適應(yīng)?！?〕一、二、三次風(fēng)的作用一次風(fēng)的作用：一次風(fēng)位于爐底450～1000mm處。主要供應(yīng)墊層中游離碳燃燒所需的氧氣，使墊層中有足夠的熱量，保證無機(jī)鹽和芒硝的復(fù)原反響。假設(shè)一次風(fēng)量過大，會造成墊層燃燒過快，難以保持適當(dāng)高度的墊層，供應(yīng)芒硝復(fù)原的碳量和CO量減少，不利于芒硝的復(fù)原，而且促使鈉鹽升華或熱分解，降低芒硝的復(fù)原率和堿回收率。但也不能過小，否那么會使揮發(fā)性的硫損失加大、爐溫過低和硫化鈉復(fù)原率降低。一般將一次風(fēng)量控制在總風(fēng)量的45％～50％之間。一次風(fēng)風(fēng)壓可低些，一般在784～1176Pa。二次風(fēng)的作用：二次風(fēng)位于黑液噴槍口上下，主要是為了加速黑液中水分汽化和固形物枯燥與上升的煙氣流產(chǎn)生較強(qiáng)烈的混合作用，在爐膛內(nèi)產(chǎn)生充分的旋轉(zhuǎn)，并保持爐床墊層高度之完整形成；三次風(fēng)的作用：三次風(fēng)位于黑液噴槍以上，主要是用于可燃的揮發(fā)性氣體及少量未完全燃燒產(chǎn)物的進(jìn)一步完全燃燒，以提高煙氣熱含量，同時起到封閉爐膛出口，捕集煙氣中所帶堿塵的作用。三次風(fēng)進(jìn)爐要送到爐膛中心空間與上升的煙氣產(chǎn)生較強(qiáng)烈的混合作用，在爐膛產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，使黑液和氣體燃燒均勻一致，風(fēng)壓要高一些，一般控制在0.78～2.45KPa[6]。墊層墊層的作用：①把墊層中不燃燒的無機(jī)鹽類不斷地熔融出來；②保存較多的游離碳將芒硝在熔融狀態(tài)下復(fù)原為硫化鈉；③保持墊層中有機(jī)物氣化并不斷移出；④使游離碳不斷燃燒，穩(wěn)定爐床墊層溫度。因此，燃燒過程中保持適當(dāng)高溫的完整均勻的墊層是良好燃燒的根底。2.3.3燃燒工段的工藝流程主要工藝流程如圖2-2所示。一二次風(fēng)機(jī)將空氣鼓入，一二次風(fēng)經(jīng)空氣加熱器加熱，使風(fēng)溫提高到150℃左右，一、二次風(fēng)再經(jīng)堿回收噴射爐的尾部的板式空氣加熱器再使進(jìn)堿回收爐的一、二次風(fēng)風(fēng)溫到達(dá)280℃左右，以此提高了爐瞠的枯燥區(qū)、燃燒區(qū)的環(huán)境溫度和熔融區(qū)溫度。經(jīng)過一二次風(fēng)風(fēng)管門調(diào)節(jié)，一二次風(fēng)的按照一定的比例分配后，分別從不同高度鼓入堿回收爐。三次風(fēng)機(jī)將三次風(fēng)送往空加器后送入堿回收爐。蒸發(fā)工段送來的濃黑液首先送往濃黑液槽，再經(jīng)黑液泵進(jìn)入圓盤蒸發(fā)器。在這里，黑液與堿回收爐出來的煙氣相接觸，使黑液再次濃縮，且可以吸收煙氣的堿灰，減少了堿飛失，提高了堿回收率。而后圓盤蒸發(fā)器中的黑液自然溢流出來，進(jìn)入入爐黑液槽，入爐黑液泵再將濃黑液泵往黑液加熱器。經(jīng)黑液加熱器的加熱后，經(jīng)黑液噴槍高壓噴入高溫狀態(tài)下的堿回收爐。在堿回收爐中，黑液經(jīng)霧化、枯燥后進(jìn)行燃燒。局部燃燒后的黑液落到堿回收爐的墊層上，在墊層上，黑液中的無機(jī)物不斷熔融，局部有機(jī)物熱裂解成氣體從墊層排出，局部有機(jī)物炭化為元素碳，供燃燒和復(fù)原硫酸鈉之用，芒硝復(fù)原成硫化鈉，局部有機(jī)物熱裂解能更完全燃燒，含硅量高的熔融物能順利流出。在硫酸鹽法木漿堿回收工藝流程中，堿灰溶解槽中的堿灰液被送入芒硝黑液混合器，然后送入燃燒爐。麥草制漿那么多采用燒堿法，假設(shè)黑液堿回收沿用上述這樣的流程，會形成大量堿灰液在燃燒爐、堿灰溶解槽及黑液中間槽內(nèi)循環(huán)、沉淀，造成能源損耗，影響工藝流程的暢通。根據(jù)麥草漿黑液燃燒特性，讓堿回收爐燃燒產(chǎn)生的堿灰直接進(jìn)入綠液溶解槽。靜電除塵器排出的堿灰進(jìn)入堿灰溶解槽形成堿灰液，然后泵入綠液溶解槽。溶解槽中的綠液送苛化工段進(jìn)行苛化，從而回收麥草漿中的堿[5]。圖2-2燃燒工段工藝流程2.3.4燃燒工段設(shè)備介紹[7]整個堿回收燃燒工段涉及的設(shè)備較多，且有一些諸如堿回收噴射爐，圓盤蒸發(fā)器等大型設(shè)備，有必要對此作以介紹。2.3.4.1堿回收爐堿回收爐與一般工業(yè)蒸汽鍋爐有所不同。工業(yè)蒸汽鍋爐是以煤為燃料進(jìn)行燃燒的壓力容器，它的成品是蒸氣，而堿爐是以黑液形物為燃料進(jìn)行燃燒的壓力容器，它不但具備了工業(yè)鍋爐的危險性條件，還具備了工業(yè)鍋爐所沒有的更強(qiáng)烈的危險性〔如水與融物接觸發(fā)生爆炸、未燃?xì)怏w爆炸〕。堿爐不僅處在高溫、高壓的條件下，而且還處于強(qiáng)堿及高灰塵的堿性介質(zhì)中，堿性黑液及高溫熔融物對鍋爐有強(qiáng)烈的腐蝕作用。因此，堿回收噴射爐無論設(shè)計結(jié)構(gòu)上，還是材料選取上及制造要求上都比普通蒸汽鍋爐復(fù)雜得多。本設(shè)計采用全水冷壁噴射爐〔也稱作方形噴射爐〕，它是漿廠黑液堿回收的重要設(shè)備。它由爐膛燃燒室和鍋爐兩大局部組成燃燒室的爐壁、爐頂和爐底都由水冷壁管組成，故由此而得名。其燃燒室為黑液固形物燃燒和進(jìn)行化學(xué)反響的場所，作用是枯燥、燃燒、復(fù)原和熔融，由爐底及四面水冷壁組成的密封方形空室。燃燒室根據(jù)工藝的不同，大致可分為三次風(fēng)口處的煙氣完全燃燒區(qū)、黑液噴口附近的黑液枯燥區(qū)，二次風(fēng)口以下至一次風(fēng)口的黑液燃燒區(qū)、一次風(fēng)口以下的熔融區(qū)，其鍋爐是吸收燃燒過程中釋放的熱量而產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，與燃燒室連成一體。由上下汽包、水冷屏管束、省煤器、以及爐墻、構(gòu)架、管件等組成。這種噴射爐的主要特點是生產(chǎn)能力大，便于實現(xiàn)自動控制，操作簡便，廢熱利用率可達(dá)60％，芒硝復(fù)原率可達(dá)90％以上。缺點是構(gòu)造復(fù)雜，造價高，投資大，修理更換爐管不方便，適用于大型紙廠的堿回收使用。2.3.4.2靜電除塵器靜電除塵的原理在電場的負(fù)極加上負(fù)的直流高壓電源，而將正極接地，在負(fù)極周圍形成“電暈〞產(chǎn)生帶電離子，灰塵顆粒被帶電離子充電后，向正極運行而吸附在接地的正極板上，再通過震打落下而收集起來。電暈電流的大小是決定除塵率的主要因素，因而靜電除塵也可稱為電暈除塵。然而電暈電流的大小除與介質(zhì)有關(guān)外，主要由電壓值的大小決定，所以，當(dāng)電壓越高時那么除塵效率也越高。可是，電壓的升高有一定限度，當(dāng)升到電暈的極限情況下，就發(fā)生“閃絡(luò)〞而不是電暈現(xiàn)象了，閃絡(luò)的極限情況就出現(xiàn)電弧，電弧是靜電除塵器除塵不允許出現(xiàn)的危險現(xiàn)象。2.3.4.3圓盤蒸發(fā)器從堿爐尾部出來的煙氣進(jìn)人圓盤蒸發(fā)器，黑液與煙氣直接接觸蒸發(fā)，濃度由43％濃縮至45％～48％。同時降低了煙氣溫度，除掉了煙氣中較大顆粒的灰塵。由于麥草漿黑液具有較高的粘度，圓盤蒸發(fā)器的優(yōu)點：操作簡單，動力消耗低，可以單獨使用，也可以與靜電除塵器串聯(lián)使用，特別是對最初含塵量高的煙氣，與靜電除塵器串聯(lián)使用時，可以提高靜電除塵效果。圓盤蒸發(fā)器的缺點是因圓盤蒸發(fā)器中黑液沒有霧化，接觸表而積小，因此無論除塵、降溫及黑液增濃的效果并不理想。2.3.4.4引風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)能有效控制堿爐的爐膛負(fù)壓，是燃燒工段的主要輔機(jī)。爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是引風(fēng)控制系統(tǒng)，它的任務(wù)是調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口靜葉，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，從而維持爐膛內(nèi)的壓力在允許范圍內(nèi)，確保鍋爐平安運行。引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要通過變頻器調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)堿回收爐的引風(fēng)量，借以控制爐膛負(fù)壓。監(jiān)測堿回收爐出口煙氣的壓力、溫度，了解爐膛燃燒的情況。引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是整個燃燒過程投入自動的根底，可以說是鍋爐側(cè)首個投入自動的控制系統(tǒng)。3DCS系統(tǒng)的簡介多級計算機(jī)分布控制系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)〔DCS，distributedcontrolsystem〕是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它是根據(jù)分布設(shè)計的根本思想，實現(xiàn)功能上別離，位置上分散，到達(dá)以分散控制為主，集中管理為輔。3.1DCS的組成集散控制系統(tǒng)DCS〔DistributedControlSystem〕是基于“4C〞技術(shù)〔ComputerControlCommunicationCRT〕在20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的新型工業(yè)控制系統(tǒng)。采用分布式的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目的是為了減少風(fēng)險，提高系統(tǒng)可靠性。它將整個控制系統(tǒng)按照區(qū)域、功能和回路作適當(dāng)分解，再通過總線或通訊網(wǎng)絡(luò)將它們連接為有機(jī)整體。1975年Honey-well公司推出了第一套DCS控制系統(tǒng)，首先被應(yīng)用于石油化工行業(yè)。自1975年以來，DCS控制系統(tǒng)的硬件和軟件功能不斷完善和強(qiáng)化，已經(jīng)經(jīng)歷了三代，但從根本結(jié)構(gòu)來看特性相同，可分解為三大根本局部?！?〕現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站是集散控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成。系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標(biāo)也都要依靠現(xiàn)場控制站保證，因此對它的設(shè)計、生產(chǎn)及安裝都有很高的要求?，F(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計算機(jī)系統(tǒng)，其中除了計算機(jī)系統(tǒng)所必需的運算器〔即主CPU〕、存儲器外，還包括了現(xiàn)場測量單元、執(zhí)行單元的輸入/輸出設(shè)備，即過程量I/O或現(xiàn)場I/O。在現(xiàn)場控制站內(nèi)部，主CPU和內(nèi)存等用于數(shù)據(jù)的處理、計算和存儲的局部被稱為邏輯局部，而現(xiàn)場I/O那么稱為現(xiàn)場局部，這兩個局部是需要嚴(yán)格隔離的，以防止現(xiàn)場的各種信號，包括干擾信號對計算機(jī)的處理產(chǎn)生不利的影響。〔2〕操作站操作站是操作人員與集散控制系統(tǒng)的界面，操作人員通過操作站了解生產(chǎn)過程的運行狀況，并通過他發(fā)出操作指令。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)在操作站上顯示，以便于操作人員監(jiān)視和操作。〔3〕通訊系統(tǒng)通訊系統(tǒng)是過程控制站與操作站之間完成數(shù)據(jù)之間的傳遞和交換的橋梁。有些集散控制系統(tǒng)在過程控制站內(nèi)又增加了現(xiàn)場裝置級的控制裝置和現(xiàn)場總線的通訊系統(tǒng)，有些集散控制系統(tǒng)那么在操作站內(nèi)增加了綜合管理級的控制裝置和相應(yīng)的通訊系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)常采用總線型、環(huán)形等計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同的裝置有不同的要求。3.2DCS系統(tǒng)的開展過程[9]DCS系統(tǒng)大體可分為三個開展階段：第一階段：1975-1980年。在這個階段采用微處理器為根底的過程控制單元〔ProcessControlUnit〕，實現(xiàn)了分散控制，有各種控制功能要求的算法，通過組態(tài)〔Configuration〕獨立完成回路控制，具有自診斷功能；在信號處理時，采用抗干擾措施，它成功使分散控制系統(tǒng)在控制過程中確立了地位。還采用CRT屏幕顯示器的操作站與過程控制單元的別離。采用了先進(jìn)的冗余通訊技術(shù)，用同軸電纜作傳輸介質(zhì)，將過程控制單元的信息送到操作站和上位計算機(jī)，從而實現(xiàn)了分散控制和集中管理。這一時期典型的產(chǎn)品有HONEYWEL公司的TDC2000，F(xiàn)OXBORO公司的SPECTROM；西門子公司的TELEPERM；肯特公司的P-4000。第二階段：1980-1985年。主要的技術(shù)重點表現(xiàn)為：產(chǎn)品的換代周期愈來愈短，在過程控制單元增加了批量控制功能和順序控制功能，在操作站及過程控制單元采用16位的微處理器，使系統(tǒng)性能增強(qiáng)，工廠級數(shù)據(jù)向過程級分散，高分辨率的CRT，更強(qiáng)的圖畫顯示，報表生成和管理能力；強(qiáng)化系統(tǒng)功能，通過軟件和組織規(guī)模不同的系統(tǒng)；在計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開展的情況下，強(qiáng)化了系統(tǒng)信息的管理，加強(qiáng)了通信系統(tǒng)。這一時期典型的產(chǎn)品有HONEYWEL的TDC3000，BAILEY的NETWORK-90，西屋公司的WDPF，ABB公司的MASTER。第三階段：1985年以后。在這一時期中集散系統(tǒng)的技術(shù)特點是：采用開放式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，符合國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO開放系統(tǒng)互聯(lián)的參考模型，開發(fā)了中、小規(guī)模的集散系統(tǒng)；采用32位微處理器和捉摸式屏幕等便于操作和指導(dǎo)，完全實現(xiàn)CRT化操作，采用實時多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)向大型化的CIMS〔計算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔ComputerIntegratedManufacturingSystem〕和小型及微型化開展。DCS開展到第三代，盡管采用了一系列新技術(shù)，但是生產(chǎn)現(xiàn)場層仍然沒有擺脫沿用了幾十年的常規(guī)模擬儀表。DCS從輸入輸出單元以上各層均采用了計算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對模擬信號傳輸，多臺模擬儀表集中于輸入輸出單元。生產(chǎn)現(xiàn)場層的模擬儀表與DCS各層形成極大的反差和不協(xié)調(diào)，并制約了DCS的開展。電子信息產(chǎn)業(yè)的開放潮流和現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟與應(yīng)用，造就了新一代的DCS，其技術(shù)特點包括全數(shù)字化、信息化和集成化。DCS是計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施局部。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)〔MIS系統(tǒng)〕，作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國內(nèi)應(yīng)用這一系統(tǒng)的行業(yè)較少。DCS的關(guān)鍵技術(shù)在于網(wǎng)絡(luò)，從上到下是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，中間站聯(lián)接計算機(jī)、現(xiàn)場儀器儀表和控制裝置。3.3MPI網(wǎng)MPI用于連接多個不同的CPU或設(shè)備，MPI符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)，具有多點通信的性質(zhì)，MPI的波特率常設(shè)定為187.5kbps，接入到MPI網(wǎng)的設(shè)備稱為一個節(jié)點，不分段的MPI網(wǎng)(無RS-485中繼器的MPI網(wǎng))可以最多有32個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，僅用MPI接口構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，稱為MPI分支網(wǎng)(簡稱MPI網(wǎng))，兩個或多個MPI分支網(wǎng)，用網(wǎng)間連接器或路由器連接起來，就能構(gòu)成較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更大范圍的設(shè)備互連，MPI分支網(wǎng)能夠連接不同區(qū)段的中繼器。每個MPI分支網(wǎng)有一個分支網(wǎng)絡(luò)號，以區(qū)別不同的MPI分支網(wǎng)，分支網(wǎng)上的每個節(jié)點有一個網(wǎng)絡(luò)地址，這里稱為MPI地址，節(jié)點MPI地址號不能大于給出的最高M(jìn)PI地址，這樣才能使每個節(jié)點正常通信。對于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，應(yīng)該注意RS-485的使用。如果RS-485中繼器所在段中的所有節(jié)點都是以接地電位方式運行的，那么其是接地的；如果RS-485中繼器所在段中的所有節(jié)點都是以不接地電位方式運行的，那么其是不接地的。用PG可以分配需要的MPI地址，修改最高M(jìn)PI地址，分配MPI地址要遵守這樣的規(guī)定：一個分支網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點要設(shè)置相同的分支網(wǎng)絡(luò)號；在一個分支網(wǎng)絡(luò)中MPI地址不能重復(fù)，并且不超過設(shè)定的最大MPI地址；同一分支網(wǎng)中，所有的節(jié)點都應(yīng)設(shè)置相同最高M(jìn)PI地址；為提高M(jìn)PI網(wǎng)節(jié)點通信速度，最高M(jìn)PI地址應(yīng)該當(dāng)較小，如果機(jī)架上安裝有功能模塊和通信模塊，它們的地址由CPU的MPI地址順序加1構(gòu)成。3.4PROFIBUS-DPPROFIBUS是一種國際的、開放的、不依賴于生產(chǎn)廠商的總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS-DP以其較快的傳輸速度和較強(qiáng)的抗干擾能力,廣泛應(yīng)用于設(shè)備級的控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通信。它由互相兼容的3局部組成；①PROFIBUS-DP，主站和從站之間采用輪換查詢的方式通訊，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)和分散式I/O的通訊；②PROFIBUS-PA，電源和通訊數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，可使得傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過一根總線相連接，主要用于單元級和現(xiàn)場級通訊；③PROFIBUS-FMS，用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主站網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS-DP總線是現(xiàn)場總線的一種，它一般用于現(xiàn)場層的高速傳送。在這一級，中央處理器(PLC)通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備I/O單元、驅(qū)動器等)進(jìn)行通訊。一般情況下，DP構(gòu)成主站系統(tǒng)，主站周期地讀取并周期的向外發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須比主站(PLC)循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PORFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信，以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。目前，PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)通過多年的實際應(yīng)用，實現(xiàn)了不同設(shè)備的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使得設(shè)計、制造、應(yīng)用等方面都獲得方便和好處，因而成為更大范圍上的協(xié)議-歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170。這就說明了它的成熟性和標(biāo)準(zhǔn)能力。3.5工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計的，它是遵循國際標(biāo)準(zhǔn)IEEEE802.3，傳輸速率為10Mb/s的開放式、高性能的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于控制網(wǎng)絡(luò)的最高層，為PC和工作站提供同機(jī)種和異機(jī)種通信，并有向控制網(wǎng)絡(luò)的中間層和底層〔現(xiàn)場層〕開展的趨勢。采用工業(yè)以太網(wǎng)，它是工控界最為流行的局域網(wǎng)技術(shù)，用以太網(wǎng)把2個工段的上位機(jī)連接成一個局域網(wǎng)，但是普通的雙絞線有效距離為100m，這樣就滿足不了實際的需要,就必須采用光纖。這些都需要用光纖電氣轉(zhuǎn)換模塊，把終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)部件的100Mb/s全雙工雙絞線接口轉(zhuǎn)換成纖維光纜接口接入工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開展越來越分散化，同時系統(tǒng)越來越復(fù)雜，內(nèi)部的連接越來越高速化緊密化。更多的是系統(tǒng)細(xì)分成了獨立的控制孤島。對驅(qū)動器和用戶接口的要求越來越多。但是傳統(tǒng)的可編程控制器PLC不適應(yīng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的分散化需求。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)主要由以下4類網(wǎng)絡(luò)部件組成。PG/PC的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器：用于將PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。SIMATICPLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器：用于將PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。通信介質(zhì)：普通雙絞線、工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖。連接部件：快速連接(FC)插座、電氣鏈接模塊、電氣交換模塊、光纖交換模塊和光纖電氣轉(zhuǎn)換模塊。分布式實時控制的前提及其確定性的概念是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其性能至少要高于現(xiàn)行的現(xiàn)場總線。這也是為什幺傳統(tǒng)的PLC技術(shù)不能滿足這一要求，現(xiàn)場總線技術(shù)也不能提供相關(guān)的性能。工業(yè)以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。在所有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以太網(wǎng)技術(shù)是至今最理想的選擇。雖然以太網(wǎng)采用的是帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議(CSMA/CD)，一般認(rèn)為這種協(xié)議不能滿足控制系統(tǒng)的實時性要求。但100Mb/s的以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品也已出現(xiàn)。而且以太網(wǎng)交換技術(shù)的出現(xiàn)，通過全雙工交換技術(shù)，可以完全防止CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便地實現(xiàn)優(yōu)先級機(jī)制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好的實時性能。目前，以太網(wǎng)只適合于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息層應(yīng)用，而將以太網(wǎng)用于現(xiàn)場I/O級，這是目前工控領(lǐng)域研究的熱點之一。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的開展使其在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用成為可能。其硬件產(chǎn)品的研究開發(fā)將極大的促進(jìn)其在工業(yè)控制中的應(yīng)用[10]。4控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計測控系統(tǒng)主要通過上位機(jī)〔兩臺計算機(jī)〕和下位機(jī)〔SIEMENS控制站〕實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控與控制。整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含三層通信網(wǎng)絡(luò)。最上層的工業(yè)以太網(wǎng)〔ETHERNET〕﹑中間的MPI〔MultPointInterface〕網(wǎng)絡(luò)下層的PROFIBUS-DP〔ProcessFieldbus-DP〕網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)兩臺上位機(jī)之間的通信；MPI網(wǎng)實現(xiàn)上位機(jī)、SIMATICS7-400和SIMATICS7-300間的信；PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)SIMATICS7414-2DP,SIMATICS7-300及控制柜內(nèi)各輸入輸出I/O單元的的通信。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖燃燒工段測控:該工段包括AI為64個，AO為76個，見測控點一覽表4-1。表4-1燃燒工段測控點表4.2PLC簡介可編程控制器(ProgrammableLogicController)簡稱為PLC，它以微處理器為根底的、高度集成化的新型工業(yè)控制裝置，是計算機(jī)技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。1976年美國電氣制造商協(xié)會〔NEMA〕經(jīng)過4年的調(diào)查工作，與1980年正式命名可編程控制器為PC〔ProgrammableController〕，并給了如下定義[13]：PC是一個數(shù)字的電子裝置，他使用了可編程程序的記憶體來儲存指令，用以執(zhí)行諸如邏輯、順序、定時、記數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模件，來控制各種機(jī)械或工作程序。1987年2月國際電工委員會公布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿。該草案對PLC的定義為：可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器。他采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入/輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。可編程控制器及其外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體。易于擴(kuò)充其功能的原那么設(shè)計。PLC之所以高速開展，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，還有許多獨特的優(yōu)點，它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、平安、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。其主要特點如下：1〕可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；2〕適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活；3〕編程方便，易于使用；4〕功能強(qiáng)，擴(kuò)展能力強(qiáng)；5〕PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便；6〕維修方便，維修工作量少；7〕PLC體積小，重量輕，易于實現(xiàn)機(jī)電一體化。目前，PLC在國內(nèi)外己廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保以及文化娛樂等各行各業(yè)。隨著PLC性能價格比地不斷提高，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，大致可歸納為如下幾類：1〕開關(guān)量邏輯控制；2〕位置控制；3〕過程控制；4〕數(shù)據(jù)處理；5〕通信聯(lián)網(wǎng)；6〕在計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)中的應(yīng)用。4.2.1PLC的根本結(jié)構(gòu)PLC是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的用作控制的特殊計算機(jī)，因此它的組成局部與一般的微機(jī)裝置類似。如圖5-2所示:它主要由中央處理單元(CPU),輸入電路、輸出電路、通信接口等部件組成。其中CPU是PLC的核心。輸入輸出電路是連接現(xiàn)場設(shè)備與CPU之間的接口電路。通信接口用于與編程器和上位機(jī)連接。PLC有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)，整體式PLC的所有部件都裝在同一個機(jī)殼內(nèi)；模塊式PLC的各功能部件獨立封裝，其各部件稱為模塊或模板，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?。模塊式PLC具有功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、無槽位限制等優(yōu)點。故本控制系統(tǒng)中所用的硬件為Siemens公司生產(chǎn)的SimaticS7系列可編程序控制器(PLC)的模塊式結(jié)構(gòu)(邏輯圖如圖4-2所示)，并采用ET200M將現(xiàn)場I/O站通過PROFIBUS-DP接到中控室[13]。圖4-2PLC的邏輯圖4.2.2PLC的工作原理最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的:1〕繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(包括其常開或常閉觸點)在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作；2〕PLC的CPU那么采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機(jī)的運行方式--掃描技術(shù)。這樣在對于I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什幺區(qū)別了[16]。如圖4-3所示，當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。圖4-3PLC掃描過程簡圖a〕輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，那么該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。b〕用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài):或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的但凡用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。c〕輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖4-4所示[17]，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。圖4-4PLC掃描周期的示意圖4.2.3PLC的特點PLC的主要特點是[18]：a〕編程方法簡單易學(xué)。PLC配備了梯形圖語言進(jìn)行程序設(shè)計，梯形圖語言的表達(dá)方式與繼電器電路原理圖中電路符號的表示法極為相似，且某些僅有開關(guān)量邏輯控制功能的PLC只有十幾條指令[8]。工程技術(shù)人員能夠很快熟悉并掌握梯形圖語言的使用方法并用它來編制用戶程序，這就為使用者能快速地編制出本單位所需要的控制程序提供了非常有利的條件。b〕PLC的硬件配套齊全，接線端子一目了然，便于用戶使用。由于PLC的設(shè)計和生產(chǎn)大多是系列化和模塊化的，其硬件配置相當(dāng)靈活，可以組合成多種規(guī)模的，滿足用戶各種控制要求的控制系統(tǒng)。c〕PLC可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。它采用了一系列硬件和軟件的抗干擾措施，能夠適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場惡劣的使用環(huán)境，為控制系統(tǒng)工作的可靠性、持久性提供了有力的保障。d〕PLC系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小。PLC因用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，其控制柜盤的安裝、接線工作量大為減少。而PLC梯形圖程序一般采用的是順序控制設(shè)計法。這種編程方法有規(guī)律、易于掌握、便于閱讀。對于復(fù)雜的控制方案，PLC的梯形圖程序較之傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)電路圖在設(shè)計上簡便的多。另外，PLC的輸出節(jié)點設(shè)計有一一對應(yīng)的發(fā)光二極管用來指示輸出的狀態(tài)，這在程序模擬調(diào)試和故障診斷時非常直觀，在現(xiàn)場應(yīng)用中能幫助用戶及時地判斷并找出故障點的位置。PLC的開展[17]1〕開展概況PLC自問世以來，經(jīng)過20年的開展，在許多興旺國家己成為一種重要產(chǎn)業(yè)，世界的PLC年平均銷售額己達(dá)55億美元以上，我國約占1%，為5500萬美元。新的PLC生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，新品層出不窮，在1988年，就美國而言，就有70多個PLC生產(chǎn)廠家，共300多個品種，其中著名的有AB(Allen-Brandly)公司、歌德(GouldModicon)公司等，日本的PLC廠家也很多，其小型PLC市場占有率很高，著名的有三菱、歐姆龍(OMRON)等公司。歐洲著名的公司有德國的西門子公司、BBC公司等。當(dāng)前，PLC在國際市場上己成為最受歡送的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)己成為一種潮流。2〕現(xiàn)代PLC的開展趨勢隨著技術(shù)的開展和市場需求的增加，PLC的結(jié)構(gòu)和功能也不斷改良，生產(chǎn)廠家不斷的推出功能更強(qiáng)的PLC新產(chǎn)品，平均3～5年就更新一次，如西門子公司在S5系列PLC的根底上又推出了S7系列的PLC，性價比越來越高。如S7-300屬中小型PLC，就有很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字量運算能力，用戶程序存儲容量達(dá)24KB，具有許多過去大型PLC才有的功能，它掃描速度為1000條指令0.3ms，超過了過去的大型PLC.現(xiàn)代的PLC有兩個主要趨勢:其一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)、價格更低的微小型PLC方向開展；其二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性、多功能方向開展。4.3PLC硬件設(shè)計在這里主要介紹要用到的S7-300的主要模塊。在該設(shè)計中用到的模塊主要有CPU315-2DP、電源PS307、SM321、SM322、SM331、SM332、機(jī)架。4.3.1PLC模塊的安裝CPU總是安裝在0號機(jī)架的2號槽位上，1號槽安裝電源模塊，3號槽總是安裝接口模塊，這里PS307置1號槽位，CPU315-2DP置2號槽位，SM361模塊置3號槽位。槽位號4到11，可自由安裝信號模塊、功能模塊和通訊模塊，需要注意的是，槽位號是相對的，每一機(jī)架的導(dǎo)軌并不存在物理的槽位。模塊與CPU、模塊與模塊之間用背部總線來連起來，組成一個完整的PLC。4.3.2CPU模塊與普通計算機(jī)一樣，PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，是由大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路微處理芯片構(gòu)成，主要完成運算和控制任務(wù)。每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的存放器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進(jìn)入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路，主要由運算器、控制器、存放器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。CPU的運算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。CPU的存放器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的顯示、接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一般講，CPU模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還有通訊口用于進(jìn)行通訊。CPU模塊上還有許多設(shè)定開關(guān)，用以對PLC作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。CPU有幾種不同的型號，他們分別是：CPU312IFM、CPU314、CPU315、CPU315-2DP。根據(jù)經(jīng)驗公式可以計算出PLC需要的存儲器的大小。所須存儲器容量的經(jīng)驗公式為[17]：〔4-1〕其中DI為數(shù)字量輸入的總點數(shù)。DO為數(shù)子量輸出的總點數(shù)。AI/AO為模擬量通道總數(shù)。具統(tǒng)計該設(shè)計中DI個數(shù)為2個，DO也為2個，AI為9個，AO為7個。所以須存儲器容量〔4-2〕在這里取系數(shù)為1.25所以須存儲器容量〔KB〕=2048/1024=2KB。在該設(shè)計中選擇CPU為CPU315-2DP。它出了具有314、315的特點外還有每執(zhí)行1000個二進(jìn)制指令只許0.3ms，最大可擴(kuò)展1024。點數(shù)字量和128個模擬量通道。另外還具有8個指示燈，其中的SF-DP和BUS-DF用于現(xiàn)場總線及DP接口的錯誤。CPU執(zhí)行一條二進(jìn)制指令僅需要0.1μs，CPU414-2的RAM容量為256KB〔程序和數(shù)據(jù)各128KB〕。最后的故障和中斷事件保存在FIFO緩存器中，供診斷使用。存入的信息數(shù)目可以通過參數(shù)化確定。CPU414-2DP還配有：PROFIBUS-DP接口和組合的MPI/DP接口；PROFIBUS-DP主站接口能夠被用來建立一個高速的分布式自動化系統(tǒng)，并且使得操作大大簡化。從用戶的角度來看，分布式I/O的處理與集中式I/O沒有區(qū)別〔相同的配置，尋址及編程〕。CPU有四種工作方式，他們分別是：a〕RUN-P：可編程運行方式。CPU掃描用戶程序，即可以用編程裝置從CPU中讀出，也可以由編程裝置裝入CPU中。用編程裝置可監(jiān)控程序的運行。在此位置鑰匙不能拔出。b〕RUN：運行方式。CPU掃描用戶程序，可以用編程裝置讀出并監(jiān)控PLCCPU中的程序，但不能改變裝載存儲器中的程序。在此位置鑰匙可以拔出，以防止程序在正常的運行時被改變操作方式。c〕STOP：停機(jī)方式。CPU不掃描用戶程序，可以通過編程裝置從CPU中讀出，也可以下載程序到CPU，在此位置鑰匙可以拔出。d〕MRES：該位置瞬時接通，用于清出CPU的存儲器。CPU還有一些LED指示燈，顯示運行狀態(tài)和故障，如表4-2所示[11]。表4-2S7-300PLCCPU模塊面板上LED指示燈功能表發(fā)光二極管LED顏色含義SF紅色系統(tǒng)出錯/故障指示BATF紅色電池故障指示DC5V綠色+5V電源指示FRCE黃色強(qiáng)制信號指示RUN綠色運行方式指示STOP黃色停止方式指示4.3.3SM321數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊的輸入方式有直流輸入和交流輸入方式兩種。輸入信號進(jìn)入模塊后，一般都經(jīng)過光電隔離濾波，然后才送入緩沖器等待CPU的采樣。采樣時，信號經(jīng)過背部總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。以下為數(shù)字量輸入模塊選擇的一般原那么：a)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測元件與模板之間的距離來選擇電壓的等級。一般5、12、24V屬低壓，其傳輸距離不易太遠(yuǎn)。距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選用較高電壓的模板比擬可靠，以免信號衰減后造成誤差。b)根據(jù)分散各處信號的多少和信號動作的時間選擇模板的密度。集中在一處的輸入信號盡可能集中在一塊或幾塊模板上，以便于電纜安裝和系統(tǒng)調(diào)試。對于高密度模板，如32點或64點，一般來講，同時接通點數(shù)最好不超過模板總點數(shù)的70%。c)為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門坎電平的大小，門坎電平值越大抗干擾能力越強(qiáng)傳輸也就越遠(yuǎn)。d)根據(jù)系統(tǒng)抗干擾性能的要求，選擇光電隔離或不帶光電隔離的輸入模板。e)根據(jù)被控設(shè)備與可編程序控制器CPU所安裝位置之間的距離來設(shè)計本地輸入模板還是遠(yuǎn)程輸入模板。f)備用輸入點的設(shè)計。在設(shè)計總輸入點數(shù)時要留有一定的裕量，這些備用點的分配應(yīng)分別考慮到每塊輸入模板上，最好分配到每組輸入點上。例如，以具有32點輸入的模板。他們每8點一組，在設(shè)計時每8點留一個備用點，一旦其余7點有一個發(fā)生故障，只要把接線從故障點改接到備用點，相應(yīng)地址再一修改，系統(tǒng)就可恢復(fù)正常[17]。SM321數(shù)字量輸入模塊是用來將現(xiàn)場送過來的數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)化成S7-400內(nèi)部信號電平。它有四種型號可以選擇，即直流16點輸入、直流32點輸入、交流16點輸入、交流8點輸入。其中SM321DI32×24VDC它具有32個輸入點，帶隔離、16點為一組。額定輸入電壓為24VDC，適用于開關(guān)和2/3/4線BERO(接近開關(guān))，可接非屏蔽電纜長度最長為600m，屏蔽電纜長度為1000m，通道與背板之間以及每組通道之間有光電隔離，從背板總線輸出最大15mA電流。SM321DI16×24VDC它是16點輸入，帶隔離，16點為一組，額定輸入電壓為24VDC,適用于開關(guān)和2/3/4線BERO(接近開關(guān)),通道與背板總線之間有光隔。SM321DI16×24VDC帶硬件和診斷中斷，它是16點輸入，帶隔離，16點為一組，額定輸入電壓為24VDC，適用于開關(guān)和2/3/4線BERO(接近開關(guān))，對傳感器可使用外部冗余電源，組故障LED，可編程的診斷，可編程的診斷中斷，可組態(tài)的硬件中斷，可編程的輸入延遲。這是幾種常用的模塊。他們的主要參數(shù)見表4-3：表4-3SM321數(shù)字輸入模塊主要參數(shù)表SM321數(shù)字輸入模塊直流16點輸入模塊直流32點輸入模塊輸入點數(shù)1632額定負(fù)載電壓L+24VDC24VDC負(fù)載電壓范圍20.4~28.8V20.4~28.8V額定輸入電壓24VDC24VDC輸入電壓“1〞范圍13~30V13~30V輸入電壓“0〞范圍-3~+5-3~+5V模塊的每一個輸入點有一個綠色發(fā)光二極管顯示輸入狀態(tài)，輸入開關(guān)閉合即有輸入電壓時，二極管亮。在這里我們考慮到模塊的性價比和控制系統(tǒng)的具體要求，故使用16點輸入24VDC的SM321。16×2個=32﹥27。其電氣原理圖如圖4-5所示：圖4-5數(shù)字量輸入模塊SM321的電氣原理圖4.3.4SM322數(shù)字量輸出模塊SM332數(shù)字量輸出模塊將S7-400內(nèi)部的信號電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號電平，可直接用于驅(qū)動電磁閥\接觸器\小型電動機(jī)\燈和電動機(jī)的啟動等。以下為數(shù)字量輸出模塊選擇的一般原那么：a)對一般的負(fù)荷，選擇何種輸出方式都可以，對開閉頻繁的，電感性、電功率因數(shù)大的負(fù)荷，建議使用晶體管和晶閘管元件的開關(guān)量輸出模板。對于電壓范圍變化較大，且各種電壓等級集中在一塊模板上，那么使用繼電器輸出模板更加方便。b)輸出功率的選擇，在選擇模板時要注意手冊上給出的輸出功率要大于實際負(fù)荷所需的功率。如果負(fù)荷要求的功率很大，開關(guān)量輸出模板已不能滿足需要，此時采用中間繼電器，開關(guān)量輸出驅(qū)動中間繼電器的線圈，中間繼電器驅(qū)動負(fù)荷這種方法也可用于多個負(fù)荷的并聯(lián)驅(qū)動。c)針對負(fù)荷要注意：對象為電磁閥這類負(fù)荷，雖然電磁負(fù)荷很小，但匝數(shù)多，斷電瞬間其反向電壓很高。有時會使輸出模板的輸出三極管擊穿，此時要在負(fù)荷兩端并接電容和電阻抑制反向電壓。對于燈負(fù)荷一般啟動電流為額定電流的十倍[17]。S7系列的PLC所具有的數(shù)字量輸出模塊中SM322DO32×24VDC/0.5A此模塊為32點輸出帶隔離，8點為一組輸出0.5A電流，24V額定負(fù)載電壓，適用于電磁閥，直流接觸器和指示燈。晶體管型輸出模塊具有輸出短路保護(hù)功能，適用于驅(qū)動電磁閥和直流接觸器。所以本設(shè)計采用晶體管型輸出模塊SM322。SM322個數(shù)：16×2個=32﹥27。其電氣原理圖如入4-6所示：圖4-6數(shù)字量輸出模塊的電氣原理圖4.3.5SM331模擬量輸入模塊=1\*ALPHABETICA=9\*ALPHABETICI是用來將模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC所能接收的數(shù)字信號，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量輸入的采樣值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，然后再把輸入通道號及其它信息一起送到系統(tǒng)的內(nèi)部總線上。1)主要性能指標(biāo) 輸入通道數(shù)：4路、8路、16路輸入信號：電壓：-10～10V，1～5V；電流：4～20ｍAA/D轉(zhuǎn)換位數(shù)：8位、10位、12位或14位〔均為二進(jìn)制〕轉(zhuǎn)換精度：0.01%～0.05%線性質(zhì)〔滿量程〕：+0.05%(環(huán)境溫度＋25℃)轉(zhuǎn)換時間：≤50ｍS2)主要組成主要由A/D轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源，、光電隔離部件、邏輯電路等組成。A/D轉(zhuǎn)換一般采用積分法，積分時間直接影響A/D轉(zhuǎn)換精度一般有如下對應(yīng)關(guān)系：積分時間：2.5ms、16.7ms、20ms、100ms；對應(yīng)精度：9位、12位；最正確噪聲抑制：400Hz、60Hz、50Hz、10Hz；根本轉(zhuǎn)換時間：3ms、17ms、22ms、102ms。電阻測量的附加轉(zhuǎn)換時間為1ms，斷線監(jiān)視附加轉(zhuǎn)換時間為10ms，電阻測量和斷線監(jiān)視都有的附加轉(zhuǎn)換時間為16ms。AI模塊循環(huán)時間：某一通道從開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起，一直持續(xù)到再次開始轉(zhuǎn)換的時間，它是模塊中所有的活動的模擬量輸入通道的轉(zhuǎn)換時間的總和，是對外部模擬量信號的采樣間隔。為了縮短循環(huán)時間，應(yīng)屏蔽掉不用的模擬量通道，使其不占用循環(huán)時間。SM331每兩個輸入通道構(gòu)成一個輸入通道組，可以按通道組任意選擇測量方法和測量范圍。SM331個數(shù)：8×4個=32﹥24。其電氣原理圖如圖4-7所示：圖4-7SM331，AI812位模塊的電氣原理圖圖4-8模擬量輸入模塊與電壓傳感器的連接圖4-9模擬量輸入模塊與變送器電流輸入的連接圖4-10模擬量輸入模塊與4線變送器電流輸入的連接S7-315CPU用16位的二進(jìn)制的補(bǔ)碼來表示模擬量，其中最高位為符號位S，0表示正值，1表示負(fù)值。S7-300模擬模塊的輸入模塊測量范圍很寬，他可以直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號。模擬量輸入模塊SM331目前有兩種規(guī)格型號，一種是8×12位模塊，另一種是2×12位的模塊。前面的是8個通道的模塊，后面的是2個通道的模塊，兩個模塊除了通道的數(shù)目不一樣外，其他的工作原理、性能、參數(shù)設(shè)置等各方面都完全一樣[18]。SM331模擬量輸入模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換器、模擬量切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。通過設(shè)置SM331的測量參數(shù)可以選擇測量的方法和測量的范圍，但必須保證SM331的硬件結(jié)構(gòu)與之相適應(yīng)，模擬量模塊都裝有量程模塊，調(diào)整量程模塊的插入方位可以改變模塊的硬件結(jié)構(gòu)。兩個模擬量通道配有一個量程塊。量程塊是一個正方形的小塊，在上方有ABCD四個標(biāo)記想對應(yīng)，如表4-4所示[18]。表4-4SM331×12模塊缺省設(shè)定量程塊的設(shè)定可選擇的測量方式缺省設(shè)置A電壓≤±1000電阻;熱電偶:N，E，J，K各型熱電偶的各種測量方法電壓B電壓:≤±10V電壓/±10VC電流:≤±20mA電流〔4線〕/4-20mAD電流:4-20maA電流〔2線〕/4-20mA在該設(shè)計中有9個模擬量的輸入，在考慮余量的情況下選擇一個8通道的輸入模塊和一個2通道的模擬兩輸入模塊。4.3.6SM332模擬量輸出模塊SM332有2×12位和4×12位兩種形式的模塊。前面的是2通道的模擬量輸出模塊，后面的是4通道的模擬量輸出模塊，除了通道數(shù)不同外，兩種模塊的工作原理、特性、參數(shù)等完全一樣。模擬量輸出模塊的轉(zhuǎn)換時間包括內(nèi)部存儲器傳送數(shù)字輸出值的時間和數(shù)模轉(zhuǎn)換的時間。模擬量輸出各通道的轉(zhuǎn)換是順序進(jìn)行的。模塊的循環(huán)時間是活動的模擬量輸出通道的轉(zhuǎn)換時間的總和，模塊的響應(yīng)時間是一個重要的指標(biāo)，響應(yīng)時間就是在內(nèi)部存儲器中出現(xiàn)數(shù)字量輸出值開始到模擬量輸出到達(dá)規(guī)定值所須時間的總和。它與負(fù)載特性有關(guān)，負(fù)載不同，響應(yīng)時間不同。在該設(shè)計中有7個模擬量的輸出，故需要兩個4×12位的模擬量輸出模塊SM332。4.3.7電源模塊S7-400模塊使用的電源由S7-400背板總線提供。一些模塊還需從外部負(fù)載電源供電在組建S7-400應(yīng)用系統(tǒng)時，考慮每塊模塊的電流耗量和功率損耗是非常必要的，所有S7-400模塊使用的從S7-400背板總線提供的總電流不能超過1.2A。一個實際的S7-400PLC系統(tǒng)，確定所有的模塊后，要選擇適宜的電源模塊。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、各種智能模塊等總消耗功率之和。并且要留有30%左右余量。以下是本控制系統(tǒng)的電流、功率計算：各模塊從背板總線吸取的電流=60×4+25×2+60×2=410mA。由于我們選用的是CPU414-2DP，所以：各模塊從24V電源上吸取的電流=1000+200×4+1×2+240×2=2282mA。各模塊的功率損耗=8+2.6×4+2.5×2+3×2=29.4W。從上面的計算可知，信號模塊從S7-300背板總線吸取的電流是410mA，沒超過CPU414提供的電流1.2A。各模塊從24V負(fù)載電源吸取的電流大約2282mA，沒超過電源模塊PS407－10A的10A，且留有一定余量。又因為PS407-10A的功率損耗為18W，所以該S7-400結(jié)構(gòu)總的功率損耗是：29.4+18=47.4W。該功率不應(yīng)超過機(jī)柜所能散發(fā)的最大功率，在確定機(jī)柜的大小時要確保這一點除了各自的特性外，電源模塊還有以下共同特性：a〕采用封裝式設(shè)計，以在S7-400系統(tǒng)的安裝機(jī)架中使用b〕通過自然對流冷卻c〕插入式連接供電電壓，帶AC/DC編碼d〕保護(hù)等級I〔帶有保護(hù)導(dǎo)線〕e〕短路保護(hù)輸出f〕監(jiān)視兩種輸出電壓。如果其中一種電壓失效，電源模塊將向CPU報告故障g〕兩種輸出電壓〔5VDC和24VDC〕共享一個公用接地h〕主時鐘控制i〕備用電池作為選件。通過背板總線備份CPU和可編程模塊中的參數(shù)設(shè)置和存儲器內(nèi)容(RAM)。另外，備用電池可用來執(zhí)行CPU的重啟動。電源模塊和被備份的模塊都會監(jiān)視電池電壓j〕前面板上的操作和故障/錯誤LED綜上所述選擇PS407-10A-105W電源模塊是適宜的，滿足要求的。圖4-11PS407電源模塊根本電路原理圖4.3.8機(jī)架1)結(jié)構(gòu)機(jī)架由以下部件組成：a)用螺栓固定模板并用橫向切口安裝機(jī)架的鋁安裝導(dǎo)軌b)將模板滑入到其位置用的塑料件c)一個背板總線，一個I/O總線，如果需要，還有一個帶總線連接器的通訊總線d)用于局部接地2)機(jī)架的功能a)固定模板b)提供模板工作電壓c)通過信號總線將不同模板連接在一起模塊總數(shù)：4+2+2=8個。由于一個機(jī)架最多能裝8個模塊,故共需要一個機(jī)架。系統(tǒng)的硬件組態(tài)圖如圖4-12所示[19]。圖4-12PLC硬件組態(tài)圖4.4其他硬件所有PCS7自動化系統(tǒng)都有集成在CPU上的一個PROFIBUSDP接口。而且，智能I/O設(shè)備可以直接連接到PROFIBUS-DP上。ET200MI/O正是基于PROFIBUS的分布式自動化系統(tǒng)。分布式現(xiàn)場站以ET200M為核心，是PROFIBUS—DP的被動從站，最大傳輸速率為12Mbit/s。ET200MI/O站包括IM153接口模塊，電源模塊，最多可插8個S7-400模塊，它們通過PROFIBUS現(xiàn)場總路線與自動化系統(tǒng)相連接。S7-400系列模塊種類齊全，性價比高，針對不同的環(huán)境和功能，都有相應(yīng)的模塊可以選用。為了方便維修，提高系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)中所有的S7-400模塊都是可熱插撥的。它允許帶電插拔模塊，而不必停止系統(tǒng)的運行。更換模塊不需要中斷運行，老模塊仍保持運行，新模塊插入時能自動啟動。另外，ET200M有一個突出的優(yōu)點，那就是S7-400模擬量模塊。一個模擬量模塊可以覆蓋所有測量范圍。通過軟件可以單獨設(shè)置多達(dá)40個不同的測量范圍，每個通道的測量范圍都可以不同。混合方式也可以。這些極大的增加了靈活性。不僅如此，ET200M還降低了后勤和庫存的費用，因為對于所有測量范圍只需一種模塊作庫存?zhèn)溆谩?.5傳感器濃度傳感器我們可以選用DBNZ-1200，它是動刀式紙漿濃度傳感器，直接安裝在漿泵出口處〔為了盡量減少調(diào)節(jié)系統(tǒng)的滯后，濃度傳感器距離漿泵口最遠(yuǎn)不得超過2米〕，連續(xù)地檢測輸漿管的紙漿濃度，濃度控制器將濃度傳感器檢測的濃度信號與工藝要求的設(shè)定濃度值相比擬，根據(jù)偏差大小，自動調(diào)節(jié)給水閥門的開度，從而調(diào)節(jié)稀釋水量，到達(dá)穩(wěn)定輸漿管出口紙漿濃度的目的[17]。流量傳感器選用LDG－150S，它是電磁流量傳感器，是基于法拉第電磁感應(yīng)定律而制成的，只是其中切割磁力線的導(dǎo)體不是一般的金屬，而是具有一定電導(dǎo)率的液態(tài)流體或液固兩相流體[9]。被測量的導(dǎo)電介質(zhì)在磁場中作切割磁力線運動時、導(dǎo)電介質(zhì)中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢由一對電極檢測。該電壓信號V，可用下式表示：V=KBDV(4-3)其中K：比例常數(shù)。B：磁感應(yīng)強(qiáng)度。D：測量管內(nèi)徑。v：測量槽截面內(nèi)的平均流速。信號V經(jīng)轉(zhuǎn)換儀處理后，輔出與流量成線性關(guān)系的頻宰信號(O—5VDC)以供后位儀表積算或控制。

5PID算法從前面介紹的系統(tǒng)設(shè)計來看，有許多的功能是重復(fù)的。因此我們采用分布式編程。將該用戶程序分成相對獨立的指令塊。每個塊包含給定的部件或作業(yè)組的控制邏輯。各分塊的執(zhí)行由組織塊中確實指令決定。工業(yè)控制中最常用的控制算法是PID算法。PID控制是比例積分微分控制的簡稱。對大多數(shù)控制對象，采用PID控制，均可到達(dá)滿意地控制效果。按偏差的比例、積分微分控制中應(yīng)用最廣泛確實控制規(guī)律。由實際的經(jīng)驗及道理分析證明。這是控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)對象進(jìn)行控制時能取得比擬滿意的結(jié)果，在PLC控制系統(tǒng)中也首先采用這種形式的控制方式。在常規(guī)的控制系統(tǒng)中，為了改善系統(tǒng)性能，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，除了按偏差的比例調(diào)節(jié)外，還要引入偏差的微分以克服系統(tǒng)的慣性滯后，提高抗干擾的能力[19]。5.1PID控制的優(yōu)點a〕原理簡單，使用方便。b〕適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。即使目前最新式的過程控制計算機(jī)，其根本的控制功能也仍然是PID控制。c〕魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。5.2PID的形式位置式：模擬儀表的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的，任何瞬時的控制量輸出u都對應(yīng)于，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。由：〔5-1〕可知，數(shù)字PID控制器的輸出也和閥位對應(yīng)，故稱為位置式。計算機(jī)實現(xiàn)位置式不夠方便，這是因為累加偏差e〔j〕，不僅要占用較多的存儲單元，還不便于編程。增量式：根據(jù)控制理論不難寫出N時刻控制量的增量u(n)為：〔5-2〕其中：稱為比例系數(shù)稱為積分系數(shù)稱為微分系數(shù)在上式中u(n)對應(yīng)于第N時刻閥位的增量。故N時刻的實際控制量為：U(n)=u(n-1)+u(n)〔5-3〕圖5-1PID控制框圖其中N為第N-1時刻的控制量。綜上所述，計算u(n)和u(n)要用到第(n-1)\(n-2)時刻的歷史數(shù)據(jù)，采用遞歸法保存那些數(shù)據(jù)，如圖5-2所示[19]e〔n-1〕e〔n-2〕e〔n〕u〔n〕u〔n-1〕

圖5-2數(shù)據(jù)的傳輸其中u(n-1)把數(shù)據(jù)傳送給u(n)，e(n)把數(shù)據(jù)傳送給e(n-2)，e(n-2)把數(shù)據(jù)傳送給e(n-1)。用該形式的優(yōu)點是，編程簡單，歷史數(shù)據(jù)可以遞推使用，并占用存儲單元少，運算速度快。為了方便編程，把u(n)整理成：u(n)=u(n)-u(n-1)〔5-4〕5.3比例調(diào)節(jié)作用比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：〔5-5〕式中調(diào)節(jié)器輸出比例系數(shù)調(diào)節(jié)器輸入偏差其表達(dá)式為。由上式可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。因此，只要偏差出現(xiàn)，就能及時地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點。比例調(diào)節(jié)器的特性曲線，如圖5-3所示。圖5-3比例調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)動圖5-3比例調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)動比例控制為有差控制，不能使輸出完全跟隨輸入變化。一般不單獨用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。5.4比例積分調(diào)節(jié)作用積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用。其方程表達(dá)式為：〔5-6〕積分調(diào)節(jié)為無差調(diào)節(jié)，其表達(dá)式說明只有當(dāng)被調(diào)量e為0時I調(diào)節(jié)器才會保持不變但通常其調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較比例調(diào)節(jié)要差。該點可由奈氏判據(jù)來證明，對于非自衡的被控對象，采用比例調(diào)節(jié)時只要加大比例帶，系統(tǒng)就可以進(jìn)入穩(wěn)定，而采用積分調(diào)節(jié)卻不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖5-4所示。積分時間常數(shù)愈小，調(diào)節(jié)閥的動作愈快，愈容易引起和加劇振蕩。與此同時，振蕩頻率將愈來愈高，動態(tài)偏差減小，形成無差調(diào)節(jié)。圖5-4積分作用階躍響應(yīng)曲線圖5-4積分作用階躍響應(yīng)曲線PI調(diào)節(jié)器由于有積分調(diào)節(jié)器的參與，形成無差調(diào)節(jié)，但由于受到現(xiàn)場儀表的飽和特性的限制，在現(xiàn)場使用中PI調(diào)節(jié)器的輸出并不能完全跟隨輸入的變化。圖4-15所示的為比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線，調(diào)節(jié)器輸出反響了e(t)在比例、積分共同作用下的階躍響應(yīng)曲線。最終的響應(yīng)曲線并沒有完全跟隨輸入的變化。y為在積分作用下以一定速度變化的輸出，由于受到使用儀器的限制最終的曲線沒跟隨輸入的變化，但不是積分飽和現(xiàn)象。5.5微分調(diào)節(jié)作用微分調(diào)節(jié)屬于超前調(diào)節(jié)，其微分方程式為：〔5-7〕單純的微分調(diào)節(jié)器不能工作，并且在實際生產(chǎn)控制過程中也沒有單獨的微分控制器，微分作用一般與比例，積分控制作用串聯(lián)使用，形成PD，PID控制。微分作用階躍響應(yīng)曲線如圖5-6所示。圖5-6微分作用單位階躍響應(yīng)圖5-5PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)圖5-6微分作用單位階躍響應(yīng)圖5-5PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)4〕PID調(diào)節(jié)作用理想的模擬式PID調(diào)節(jié)器的微分方程式為：〔5-8〕圖5-7PID控制框圖圖5-7PID控制框圖其控制框圖如圖5-7所示。在實際的生產(chǎn)控制過程中有：位置式PID調(diào)節(jié)器、增量式PID調(diào)節(jié)器。增量式PID算法只需保持當(dāng)前時刻以前三個時刻的誤差即可，它與位置式PID相比，有以下優(yōu)點：〔a〕位置式PID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去誤差的累加值，因此，