毕业设计（论文）碱回收燃烧工段DCS控制系统设计.doc

碱回收燃烧工段DCS控制系统设计摘 要燃烧是造纸过程的一个重要环节，旧的燃烧工段存在许多的缺点。本设计是利用DCS系统对造纸过程中碱回收燃烧工段进行控制。工业实时监控系统是目前研究的热点问题之一，其中生产数据采集的方法和生产数据发布系统的稳定性和高效性更是研究的重点。在该系统中采用西门子的S7300系列CPU模块内置的MPI 接口，PLC来对燃烧工段进行控制，并用WinCC5.0来组态一个HMI平台，对该控制系统进行监控。WinCC是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单过程监控，也可以用来完成复杂的应用。本文详细介绍了如何构建一个高效的基于WinCC软件的工业实时监控系统，本设计运用WinCC组态软件制作出了碱回收燃烧工段的上位机监控画面，通过控制画面可对碱回收燃烧工段的设备进行控制。本设计体现出WinCC软件的多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。在控制画面中还可以看见趋势曲线等，通过趋势曲线可了解工厂的生产状况，为操作者提供了直观的操作环境。不仅了解了工厂生产线状态，而且提高了工作效率。WinCC能够用于多种用途的控制系统，同时提供嵌入式C语言编程，用户可以通过编辑项目函数和行为来实现特殊的功能。关键词:HMI，燃烧，WinCC，DCSThe Design of DCS Control System on Alkali Recovery Combustion Workshop SectionABSTRACTThe combustion is an important link of the deckle process, the old burnable work segment exists much weakness.This design is to make use of the DCS system to carry on a control to the alkali recovery combustion work segment in the deckle process，Supervised and control system when industry was solid heat be currently to study to order one of the problems，Produce the method and the production data that the data collect to release the stability of the system among them and efficiently is also the point of the research.Adopt the S7300 series CPU mold piece of Siemens in that system to connect inside the MPI place，The PLC comes to the work segment to carry on a control to the combustionCounteract Wincc5.0 come to set HMI terrace， carry on supervision to that control system.The WinCC is a function strong overall liberal supervision system,since can use to the simple process supervision of complete the small scale,also can use to complete a complicated application.This design make use of WinCC software work alkali the recovery burn the work segment of the place of honor machine control appearance,The equipments that control appearance and cans recover the burnable work segment to the alkali carries on a control.The body appears various automation equipmentses and the control software integration of the WinCC software，Have abundant constitution item Can the Windows options with single fixed menu in restaurant,Use a way vivid，The function is well-found.Can also see trend curve etc. in the control the appearance，Pass the operation environment that the appearance can understand the production condition of the factory to provide to keep a view for the operation.Not only understood to produce period,And raise a work efficiency.Provide the built-in C language plait distance in the meantime， the customer can pass to edit the item function and behavior to carry out special function. KEY WORDS：HMI，Combustion，WinCC，DCS目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论12 DCS系统的简介22.1 DCS的组成22.2 DCS系统的发展过程22.3 MPI网32.4 PROFIBUS-DP网络43 燃烧工段的工艺流程53.1 燃烧工段的工艺流程53.1.1 燃烧工段工艺流程53.1.2 现代碱回收炉控制系统的目标63.2 燃烧工段设备介绍63.2.1 碱回收炉63.2.2 静电除尘器73.2.3 圆盘蒸发器73.2.4 引风机73.2.5 一、二、三次风的作用73.3 本设计采用的方案84 PLC硬件设计94.1 可编程控制器PLC94.1.1 可编程序控制器的基本结构94.1.2 可编程控制器的工作原理104.1.3 可编程序控制器的特点104.2 硬件设计114.2.1 PLC模块的安装114.2.2 CPU模块114.2.3 SM321数字量输入模块134.2.4 SM322数字量输出模块134.2.5 SM331模拟量输入模块134.2.6 SM332模拟量输出模块144.2.7 电源模块144.3 传感器154.4 PID算法155 WinCC组态部分175.1 西门子WinCC简介175.1.1 WinCC的主要功能175.1.2 WinCC选件185.2 WinCC组态195.2.1 创建新项目195.2.2 添加驱动程序与组态变量205.2.3 创建变量225.2.4 画面的创建245.2.5 创建动态265.3 组态报警315.3.1 模拟量报警315.3.2 离散报警335.3.3 报警画面345.4 数据归档和存盘355.4.1 变量的归档355.4.2 创建记录显示365.5 流量累计程序的设计365.6 用户登陆程序的设计375.7 用户登录权限的设定385.7.1 设置安全保护管理385.7.2 设定组态设定服务器的属性385.7.3 创建热键调用登录和退出对话框386.1 过程通讯原理406.1.1 过程通讯术语406.1.2 WinCC通讯原理406.2 通讯协议的组态407 总 结42致 谢43参考文献441 绪 论造纸工业是国民经济的重要组成部分。近年来，随着国家对环境保护的日益重视，解决造纸厂的废水排污问题已成为首要课题，特别是对于以麦草为原料的众多造纸厂来说，麦草浆黑液的处理问题尤为突出。黑液是由碱法制浆蒸煮得到的废液，其成分主要根据所采用的植物原料及制浆蒸煮条件不同而有所不同。对黑液采取回收的方法国内也做过许多尝试，但经过考核比较发现用燃烧法处理黑液回收碱是目前黑液治污中最为成熟和有效的技术。然而对麦草浆的黑液来说，燃烧绝非易事。首先是因为碱回收的投资成本较大，使用设备复杂，而且麦草浆黑液的燃烧工艺和设备也仍处在整理与完善中；其次是因为麦草浆黑液属于一种劣质燃料，由于其含灰、含硅量大，燃烧值低，粘度大，浓度低，对燃烧的许多工艺条件要求都很高，因而使黑液燃烧变得比较困难，极易造成因燃烧不稳定而甩不掉油枪，使碱回收成本大大增加的局面。因此，在麦草浆黑液的碱回收工程中，燃烧工段是最重要的环节之一。DCS系统在造纸行业的广泛使用，使得造纸的自动化程度越来越高。随着造纸工业的不断发展，废水污染日益加剧。因此，制浆黑液的碱回收工艺对工厂起着尤为重要的作用，它是变废为宝、化害为利、效益显著的综合利用工程，是造纸厂治理水污染的首要措施1。碱回收生产过程大致包括黑液的提取，黑液的蒸发，黑液的燃烧，绿液的苛化及石灰的回收五个工段。2 DCS系统的简介多级计算机分布控制系统又称为集散控制系统（DCS，distributed control system）是网络技术和控制技术结合的产物。它是根据分布设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，达到以分散控制为主，集中管理为辅。2.1 DCS的组成 集散控制系统DCS（Distributed Control System）是基于“4C” 技术（Computer Control Communication CRT）在20世纪70年代中期出现的新型工业控制系统。采用分布式的计算机系统结构，目的是为了减少风险，提高系统可靠性。它将整个控制系统按照区域、功能和回路作适当分解，再通过总线或通讯网络将它们连接为有机整体。1975 年Honey-well 公司推出了第一套DCS控制系统，首先被应用于石油化工行业2。自1975年以来，DCS控制系统的硬件和软件功能不断完善和强化，已经经历了三代，但从基本结构来看特性相同，可分解为三大基本部分。（1）过程控制站过程控制站是集散控制系统与生产过程之间的截面，生产过程的各种过程变量和状态信息通过过程控制站转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过过程控制站送到执行机构。在过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种控制算法的运算，以及对输入和输出量的数据处理等运算。（2）操作站操作站是操作人员与集散控制系统的界面，操作人员通过操作站了解生产过程的运行状况，并通过他发出操作指令。生产过程的各种参数在操作站上显示，以便于操作人员监视和操作。（3）通讯系统通讯系统是过程控制站与操作站之间完成数据之间的传递和交换的桥梁。有些集散控制系统在过程控制站内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通讯系统，有些集散控制系统则在操作站内增加了综合管理级的控制装置和相应的通讯系统。通讯系统常采用总线型、环形等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。2.2 DCS系统的发展过程DCS系统大体可分为三个发展阶段：第一阶段：1975-1980年。在这个阶段采用微处理器为基础的过程控制单元（Process Control Unit），实现了分散控制，有各种控制功能要求的算法，通过组态（Configuration）独立完成回路控制，具有自诊断功能；在信号处理时，采用抗干扰措施，它成功使分散控制系统在控制过程中确立了地位。还采用CRT屏幕显示器的操作站与过程控制单元的分离。采用了先进的冗余通讯技术，用同轴电缆作传输介质，将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机，从而实现了分散控制和集中管理。这一时期典型的产品有HONEYWEL公司的TDC2000，FOXBORO 公司的SPECTROM；西门子公司的TELEPERM；肯特公司的P-4000。第二阶段：1980-1985年。主要的技术重点表现为：产品的换代周期愈来愈短，在过程控制单元增加了批量控制功能和顺序控制功能，在操作站及过程控制单元采用16位的微处理器，使系统性能增强，工厂级数据向过程级分散，高分辨率的CRT，更强的图画显示，报表生成和管理能力；强化系统功能，通过软件和组织规模不同的系统；在计算机局域网络技术的发展的情况下，强化了系统信息的管理，加强了通信系统。这一时期典型的产品有HONEYWEL的TDC3000，BAILEY的NETWORK-90，西屋公司的WDPF，ABB公司的MASTER。第三阶段：1985年以后。在这一时期中集散系统的技术特点是：采用开放式系统网络，符合国际标准组织ISO开放系统互联的参考模型，开发了中、小规模的集散系统；采用32位微处理器和捉摸式屏幕等便于操作和指导，完全实现CRT化操作，采用实时多用户多任务的操作系统。DCS系统向大型化的CIMS（计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）和小型及微型化发展。DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结构上划分，DCS 包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS 系统），作为DCS 更高层次的应用，目前国内应用这一系统的行业较少2。DCS 的关键技术在于网络，从上到下是树状拓扑和并行连续的链路结构，中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。2.3 MPI网 MPI用于连接多个不同的CPU或设备。MPI符合RS-485标准，具有多点通信的性质，MPI的波特率常设定为187.5kbps，接入到MPI网的设备称为一个节点，不分段的MPI网（无RS-485中继器的MPI网）可以最多有32个网络节点，仅用MPI接口构成的网络，称为MPI分支网（简称MPI网），两个或多个MPI分支网，用网间连接器或路由器连接起来，就能构成较复杂的网络结构，实现更大范围的设备互连，MPI分支网能够连接不同区段的中继器。每个MPI分支网有一个分支网络号，以区别不同的MPI分支网，分支网上的每个节点有一个网络地址，这里称为MPI地址，节点MPI地址号不能大于给出的最高MPI地址，这样才能使每个节点正常通信。 用PC可以分配需要的MPI地址，修改最高MPI地址，分配MPI地址要遵守这样的规定：一个分支网络中，各节点要设置相同的分支网络号；在一个分支网络中MPI地址不能重复，并且不超过设定的最大MPI地址；同一分支网中，所有的节点都应设置相同最高MPI地址；为提高MPI网节点通信速度，最高MPI地址应该当较小，如果机架上安装有功能模块和通信模块，它们的地址由CPU的MPI地址顺序加1构成。2.4 PROFIBUS-DP网络PROFIBUS-DP总线是现场总线的一种，它一般用于现场层的高速传送。在这一级，中央处理器（PLC）通过高速串行线同分散的现场设备（I/O单元、驱动器等）进行通讯。一般情况下，DP构成主站系统，主站周期地读取并周期的向外发送输出信息。总线循环时间必须比主站（PLC）循环时间短。除周期性用户数据传输外，PORFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信，以进行组态、诊断和报警处理。目前，PROFIBUS现场总线技术通过多年的实际应用，实现了不同设备的数字网络互联，使得设计、制造、应用等方面都获得方便和好处，因而成为更大范围上的协议-欧洲标准EN50170，这就说明了它的成熟性和规范能力。3 燃烧工段的工艺流程我国碱法化学浆产量约占全国化学浆总产量的90%，而碱法制浆产生黑液的污染负荷大，约占制浆造纸生产产生废水总污染负荷的90% 左右。由此可见，制浆造纸工业水污染的防治，首先必须解决对制浆黑液的源头治理。国内外实践证明，黑液治理最佳技术是碱回收，它是削减碱法蒸煮黑液最经济、最有效的途径3。造纸企业通常采用分布式控制系统即采用西门子CPU41-2DP为核心的DCS控制系统实现对现场信息的采集和控制。同时，采用基于WinCC的上位机对现场的数据进行监测和即时控制。但有时各工段间需要相互调用数据，这就牵涉到网络通讯问题。例如在造纸碱回收蒸发和燃烧工段中，负责监控蒸发工段的主机需要调用燃烧工段的数据，这时如果采用在燃烧工段增加一个变送器的方法，那么相应地就必须在蒸发工段的控制站中增加AI模块，这样大大增加了成本。如果利用西门子S7300系列的CPU模块内置的MPI接口，把多个工段的控制站组成一个MPI 网络，那么就可以实现多个工段之间数的传送。3.1 燃烧工段的工艺流程3.1.1 燃烧工段工艺流程主要工艺流程如图3-1所示3。一二次风机将空气鼓入，一二次风经空气加热器加热，使风温提高到150左右，一、二次风再经碱回收喷射炉的尾部的板式空气加热器再使进碱回收炉的一、二次风风温达到280左右，以此提高了炉瞠的干燥区、燃烧区的环境温度和熔融区温度。经过一二次风风管门调节，一二次风的按照一定的比例分配后，分别从不同高度鼓入碱回收炉。三次风机将三次风送往空加器后送入碱回收炉3。蒸发工段送来的浓黑液首先送往浓黑液槽，再经黑液泵进入圆盘蒸发器。在这里，黑液与碱回收炉出来的烟气相接触，使黑液再次浓缩，且可以吸收烟气的碱灰，减少了碱飞失，提高了碱回收率。而后圆盘蒸发器中的黑液自然溢流出来，进入入炉黑液槽，入炉黑液泵再将浓黑液泵往黑液加热器。经黑液加热器的加热后，经黑液喷枪高压喷入高温状态下的碱回收炉。在碱回收炉中，黑液经雾化、干燥后进行燃烧。部分燃烧后的黑液落到碱回收炉的垫层上，在垫层上，黑液中的无机物不断熔融，部分有机物热裂解成气体从垫层排出，部分有机物炭化为元素碳，供燃烧和还原硫酸钠之用，芒硝还原成硫化钠，部分有机物热裂解能更完全燃烧，含硅量高的熔融物能顺利流出。在硫酸盐法木浆碱回收工艺流程中，碱灰溶解槽中的碱灰液被送入芒硝黑液混合器，然后送入燃烧炉。麦草制浆则多采用烧碱法，若黑液碱回收沿用上述这样的流程，会形成大量碱灰液在燃烧炉、碱灰溶解槽及黑液中间槽内循环、沉淀，造成能源损耗，影响工艺流程的畅通。根据麦草浆黑液燃烧特性，让碱回收炉燃烧产生的碱灰直接进入绿液溶解槽。静电除尘器排出的碱灰进入碱灰溶解槽形成碱灰液，然后泵入绿液溶解槽。溶解槽中的绿液送苛化工段进行苛化，从而回收麦草浆中的碱3。图3-1 燃烧工段工艺流程3.1.2 现代碱回收炉控制系统的目标a）用少量的过剩空气使黑液中的有机物完全燃烧，这是最关键的。b）尽量提高炉膛内的燃烧温度，降低燃烧速度。c）燃烧速度应保持稳定，碱炉操作要求送入炉内的热量稳定。d）黑液喷嘴产生的黑液液滴的粒度范围是一项重要因素。e）粒度适中的、活性的、多孔性的黑灰垫层也很关键。f）黑灰垫层应产生足够的烟雾，避免发生SO2，形成粒性粉尘和酸性腐蚀。g）提高碱回收炉的生产能力严格控制SO2排放。3.2 燃烧工段设备介绍整个碱回收燃烧工段涉及的设备较多，且有一些诸如碱回收喷射炉，圆盘蒸发器等大型设备，有必要对此作以介绍。3.2.1 碱回收炉碱回收炉与一般工业蒸汽锅炉有所不同。工业蒸汽锅炉是以煤为燃料进行燃烧的压力容器，它的成品是蒸气，而碱炉是以黑液形物为燃料进行燃烧的压力容器，它不但具备了工业锅炉的危险性条件，还具备了工业锅炉所没有的更强烈的危险性（如水与融物接触发生爆炸、未燃气体爆炸）。碱炉不仅处在高温、高压的条件下，而且还处于强碱及高灰尘的碱性介质中，碱性黑液及高温熔融物对锅炉有强烈的腐蚀作用。因此，碱回收喷射炉无论设计结构上，还是材料选取上及制造要求上都比普通蒸汽锅炉复杂得多。本设计采用全水冷壁喷射炉（也称作方形喷射炉），它是浆厂黑液碱回收的重要设备。它由炉膛燃烧室和锅炉两大部分组成燃烧室的炉壁、炉顶和炉底都由水冷壁管组成，故由此而得名。其燃烧室为黑液固形物燃烧和进行化学反应的场所，作用是干燥、燃烧、还原和熔融，由炉底及四面水冷壁组成的密封方形空室。燃烧室根据工艺的不同，大致可分为三次风口处的烟气完全燃烧区、黑液喷口附近的黑液干燥区，二次风口以下至一次风口的黑液燃烧区、一次风口以下的熔融区，其锅炉是吸收燃烧过程中释放的热量而产生蒸汽的设备，与燃烧室连成一体。由上下汽包、水冷屏管束、省煤器、以及炉墙、构架、管件等组成。这种喷射炉的主要特点是生产能力大，便于实现自动控制，操作简便，废热利用率可达60，芒硝还原率可达90以上。缺点是构造复杂，造价高，投资大，修理更换炉管不方便，适用于大型纸厂的碱回收使用3。3.2.2 静电除尘器静电除尘的原理是在电场的负极加上负直流高压电源，并将正极接地。在负极周围形成“电晕”产生带电离子，灰尘颗粒被带电离子充电后，向正极运行而吸附在接地的正极板上，再通过震打、落下而收集起来。电晕电流的大小是决定除尘率的主要因素，因而静电除尘也可称为电晕除尘3。3.2.3 圆盘蒸发器从碱炉尾部出来的烟气进人圆盘蒸发器，黑液与烟气直接接触蒸发，浓度由 43浓缩至4548。同时降低了烟气温度，除掉了烟气中较大颗粒的灰尘。由于麦草浆黑液具有较高的粘度，圆盘蒸发器的优点：操作简单，动力消耗低，可以单独使用，也可以与静电除尘器串联使用，特别是对最初含尘量高的烟气，与静电除尘器串联使用时，可以提高静电除尘效果。圆盘蒸发器的缺点是因圆盘蒸发器中黑液没有雾化，接触表而积小，因此无论除尘、降温及黑液增浓的效果并不理想3。3.2.4 引风机引风机能有效控制碱炉的炉膛负压，是燃烧工段的主要辅机。3.2.5 一、二、三次风的作用一次风的作用：一次风位于炉底4501000mm处。主要供给垫层中游离碳燃烧所需的氧气，使垫层中有足够的热量，保证无机盐和芒硝的还原反应。若一次风量过大，会造成垫层燃烧过快，难以保持适当高度的垫层，供给芒硝还原的碳量和CO量减少，不利于芒硝的还原，而且促使钠盐升华或热分解，降低芒硝的还原率和碱回收率。但也不能过小，否则会使挥发性的硫损失加大、炉温过低和硫化钠还原率降低。一般将一次风量控制在总风量的4550之间。一次风风压可低些，一般在7841176Pa。二次风的作用：二次风位于黑液喷枪口上下，主要是为了加速黑液中水分汽化和固形物干燥与上升的烟气流产生较强烈的混合作用，在炉膛内产生充分的旋转，并保持炉床垫层高度之完整形成；三次风的作用：三次风位于黑液喷枪以上，主要是用于可燃的挥发性气体及少量未完全燃烧产物的进一步完全燃烧，以提高烟气热含量，同时起到封闭炉膛出口，捕集烟气中所带碱尘的作用4。三次风进炉要送到炉膛中心空间与上升的烟气产生较强烈的混合作用，在炉膛产生强烈的旋转，使黑液和气体燃烧均匀一致，风压要高一些，一般控制在0.782.45KPa。3.3 本设计采用的方案本设计在该系统中采用用西门子的S7300系列，CPU模块内置的MPI接口，PLC来对燃烧工段进行控制，并用WinCC5.0来组态一个HMI平台，对该控制系统进行监控，如图3-2所示。图3-2 系统MPI 网络4 PLC硬件设计PLC可编程逻辑控制器（Programmable Controller）是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 具有功能强、可靠性高、编程简单易学、使用方便、体积小巧等优点，可根据工艺流程和控制要求，实现生产过程的顺序逻辑控制和模拟量的自动控制。因此，在工业控制现场中得到了广泛应用并取得了良好的控制效果。4.1 可编程控制器PLC4.1.1 可编程序控制器的基本结构PLC 主要由CPU（中央处理单元）、存贮器、输入/输出模块、可编程器和电源五大部分组成。通常工业上使用的开关量PLC 的硬件构成，如图4-1 所示6。 图4-1 可编程控制器的基本结构PLC 的CPU 采取扫描方式工作，每一次扫描完成以下工作：a）将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映象寄存器和数据寄存器。b）逐条读入后解释用户程序，产生相应的控制信号去控制相关电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。c）将输出映象寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。PLC的存储器分为系统存储器和用户程序储存器。系统存储器使PLC 具有基本的功能，来完成PC设计和实现宏的各种工作，达到使用者所要的控制效果。实际上就是PLC的输入信号与输出信号之间的具体关系。用户程序存贮器的容量一般以字（每个字用16 位二进制表示）为单位，有的PLC 将字称为步。I/O模块是联系外部现场与CPU模块之间的桥梁。输入模块用来接收和采集现场开关量或某些模拟量信号；输出模块则通过PLC自带的继电器控制外部的接触器、电磁阀、电气联锁等执行器。编程器是用户与PLC进行交互的设备，它可以输入和编辑用户程序，还可以用来监视PLC运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器一般只在程序输入、调试阶段和系统检修时使用。4.1.2 可编程控制器的工作原理PLC的CPU是以分时操作方式处理各项任务的。由于运算速度高，从PLC的外部输入、输出关系来看，处理过程几乎是瞬时完成的。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存贮器中按步序号顺序排列。用户程序采取扫描工作方式运行，在没有跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后程序返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环，典型的PLC扫描过程,如图4-2所示6。PLC扫描一次所花的时间称扫描周期，扫描周期与用户程序的长短和PLC的扫描速度有关，通常典型的PLC扫描周期为1100ms7。RUN STOP内部处理通讯服务输入处理输出处理图4-2 经典的PLC扫描过程4.1.3 可编程序控制器的特点可编程序控制器主要特点是：a）编程方法简单易学。PLC配备了梯形图语言进行程序设计，梯形图语言的表达方式与继电器电路原理图中电路符号的表示法极为相似，且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令8。工程技术人员能够很快熟悉并掌握梯形图语言的使用方法并用它来编制用户程序，这就为使用者能快速地编制出本单位所需要的控制程序提供了非常有利的条件。b）PLC的硬件配套齐全，接线端子一目了然，便于用户使用。由于PLC的设计和生产大多是系列化和模块化的，其硬件配置相当灵活，可以组合成多种规模的，满足用户各种控制要求的控制系统。c）PLC可靠性高，抗干扰能力强。它采用了一系列硬件和软件的抗干扰措施，能够适应工业控制现场恶劣的使用环境，为控制系统工作的可靠性、持久性提供了有力的保障。d）PLC系统的设计、安装、调试工作量小。PLC因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，其控制柜盘的安装、接线工作量大为减少。而PLC梯形图程序一般采用的是顺序控制设计法。这种编程方法有规律、易于掌握、便于阅读。对于复杂的控制方案，PLC的梯形图程序较之传统的继电器系统电路图在设计上简便的多。另外，PLC的输出节点设计有一一对应的发光二极管用来指示输出的状态，这在程序模拟调试和故障诊断时非常直观，在现场应用中能帮助用户及时地判断并找出故障点的位置。4.2 硬件设计在这里主要介绍要用到的S7-300的主要模块。在该设计中用到的模块主要有CPU315-2DP、电源PS307、SM321、SM322、SM331、SM332、机架。4.2.1 PLC模块的安装CPU总是安装在0号机架的2号槽位上，1号槽安装电源模块，3号槽总是安装接口模块。槽号4到11，可自由安装信号模块、功能模块和通讯模块，需要注意的是，槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位。模块与CPU、模块与模块之间用背部总线来连起来，组成一个完整的PLC。4.2.2 CPU模块CPU有几种不同的型号，他们分别是：CPU312IFM、CPU314、CPU315、CPU315-2DP。根据经验公式可以计算出PLC需要的存储器的大小。所须存储器容量的经验公式为9： （4-1）其中DI为数字量输入的总点数。DO 为数子量输出的总点数。AI/AO为模拟量通道总数。具统计该设计中DI个数为2个，DO也为2个，AI为9个，AO为7个。所以须存储器容量 （4-2）在这里取系数为1.25所以须存储器容量（KB）=2048/1024=2KB。在该设计中选择CPU为CPU315-2DP。它出了具有314、315的特点外还有每执行1000个二进制指令只许0.3ms，最大可扩展1024。点数字量和128个模拟量通道。另外还具有8个指示灯，其中的SF-DP和BUS-DF用于现场总线及DP接口的错误。CPU 有四种工作方式，他们分别是：a）RUN-P：可编程运行方式。CPU扫描用户程序，即可以用编程装置从CPU中读出，也可以由编程装置装入CPU中。用编程装置可监控程序的运行。在此位置钥匙不能拔出。b）RUN：运行方式。CPU扫描用户程序，可以用编程装置读出并监控PLC CPU中的程序，但不能改变装载存储器中的程序。在此位置钥匙可以拔出，以防止程序在正常的运行时被改变操作方式。c）STOP：停机方式。CPU不扫描用户程序，可以通过编程装置从CPU中读出，也可以下载程序到CPU，在此位置钥匙可以拔出。d）MRES：该位置瞬时接通，用于清出CPU的存储器。CPU还有一些LED指示灯，显示运行状态和故障，如表4-1所示10。 表4-1 CPU上的发光二极管发光的含义发光二极管LED含义说明SF（红色）系统错误/故障硬件故障固件出错编程出错参数设置错误算术运算出错定时器出错存储器卡故障（只在CPU313和314）输入/输出的故障或错误用编程装置读出诊断缓冲器的内容，确定错误/故障的原因。BATF（红色，只在CPU313和314上有）电池故障电池失效未装入DC5（绿色）用于CPU和S7-300总线的5V DC电源如果5VDC电源正常，则等亮FRCE（黄色）保留专用4.2.3 SM321数字量输入模块数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转成S7-300内部电平，数字量输入模块的输入方式有直流输入和交流输入方式两种。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离滤波，然后才送入缓冲器等待CPU的采样。采样时，信号经过背部总线进入到输入映像区10。数字量输入模块SM321有四种型号的模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块。在该设计中选择直流16点输入。模块的每一个输入点有一个绿色发光二极管显示输入状态，输入开关闭合即有输入电压时，二极管亮。4.2.4 SM322数字量输出模块SM322数字量输出模块将S7-300内部的信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机的启动等。数字量输出模块SM322有七种型号输出模块可供选择，即16点晶体管输出、32点晶体管输出16点可控硅输出。8点晶体管输出、8点可控硅输出、8点继电器输出和16点继电器输出模块10。在该设计中，只有12个数字量的输出，并是用来控制电动机的启停。而可控硅输出模块可以用于驱动交流电磁阀、接触器、电动机启动器和灯，故选择16点可控硅输出模块。4.2.5 SM331模拟量输入模块S7-315CPU 用16位的二进制的补码来表示模拟量，其中最高位为符号位S，0表示正值，1表示负值。S7-300模拟模块的输入模块测量范围很宽，他可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。模拟量输入模块SM331目前有两种规格型号，一种是8×12位模块，另一种是2×12位的模块。前面的是8个通道的模块，后面的是2个通道的模块，两个模块除了通道的数目不一样外，其他的工作原理、性能、参数设置等各方面都完全一样10。SM331模拟量输入模块主要由A/D转换器、模拟量切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。通过设置SM331的测量参数可以选择测量的方法和测量的范围，但必须保证SM331的硬件结构与之相适应，模拟量模块都装有量程模块， 调整量程模块的插入方位可以改变模块的硬件结构。两个模拟量通道配有一个量程块。量程块是一个正方形的小块，在上方有A B C D四个标记想对应，如表4-2所示10。 表4-2 SM331×12模块缺省设定量程块的设定可选择的测量方式缺省设置A电压±1000电阻;热电偶:N，E，J，K各型热电偶的各种测量方法电压B电压:±10V电压/±10VC电流:±20mA电流（4线）/4-20mAD电流:4-20maA电流（2线）/4-20mA在该设计中有9个模拟量的输入，在考虑余量的情况下选择一个8通道的输入模块和一个2通道的模拟两输入模块。4.2.6 SM332模拟量输出模块SM332有2×12位和4×12位两种形式的模块。前面的是2通道的模拟量输出模块，后面的是4通道的模拟量输出模块，除了通道数不同外，两种模块的工作原理、特性、参数等完全一样。模拟量输出模块的转换时间包括内部存储器传送数字输出值的时间和数模转换的时间。模拟量输出各通道的转换是顺序进行的。模块的循环时间是活动的模拟量输出通道的转换时间的总和，模块的响应时间是一个重要的指标，响应时间就是在内部存储器中出现数字量输出值开始到模拟量输出到达规定值所须时间的总和。它与负载特性有关，负载不同，响应时间不同10。在该设计中有7个模拟量的输出，故需要两个4×12位的模拟量输出模块SM332。4.2.7 电源模块PS307是西门子公司为S7-300专配的24V DC电源.S7-300的模块使用的电流是由S