工学]基于plc和组态技术的锅炉水温串级控制系统设计

工学]基于plc和组态技术的锅炉水温串级控制系统设计内容摘要：

er)是可编程控制器的简称，是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的，采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 的特点 PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造的，这就使 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点。 归纳如下 :(1)可靠性高，抗干扰能力强 (2)配套齐全，功能完善，适用性强 (3)易学易用，伸手工程技术人员欢迎 (4)系统设计周期短，维护方便，改造容易 (5)体积小，重量轻，能耗低 PLC 的基本工作原理 CPU 中的程序分为操作系统和用户程序。 操作系统用来处理 PLC 的起动、刷新输入 /输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。 用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。 STEP7 将用户程序和程序所需的数据放置在块中，功能块 FB 和功能 FC 相当于用户编写的子程序，系统功能 SFC 和系统功能块 SFB 是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。 PLC 采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。 OB1 14 是用于循环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。 PLC 得电或由 STOP 模式切换到 RUN 模式时， CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。 此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块” OB100，完成用户指定的初始化操作。 以后进入周期性的循环运行。 在启动完成后，不断地循环调用 OB1，在 OB1 中可以调用其他逻辑块（ FB、SFB、 FC、 SFC）。 循环程序处理过程可以被某些事件中断。 如果有 中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并调用分配给该事件的组织块。 该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。 S7400 简介 S7400 是模块化的中小型 PLC，适用于中等性能的控制要求。 品种繁多的CPU 模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。 S7400 有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有 350 多条指令，其编程软件 STEP 7 功能强大，可以使用多种编程语言。 S7400 采用紧凑的、无槽 位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。 S7400 的构成模块 S7400 模块式 PLC，主要由机架、 CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。 通过CPU 模块或通信模块上的通信接口， PLC 被连接到通信网络上，可以与计算机、其它 PLC 或其它设备通信。 CPU 模块： CPU 模块主要由微处理器和存储器组成， S7400 将 CPU 模块简称为 CPU。 在 PLC 控制系统中， CPU 模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户 程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。 信号模块：输入（ Input）模块和输出（ Output）模块一般简称为 I/O 模块，开关量输入 /输出模块简称为 DI 模块和 DO 模块，模拟量输入 /输出模块简称为AI 模块和 AO 模块，在 S7400 中统称为信号模块。 输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。 开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀 、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。 功能模块：为了增强 PLC 的功能，扩大应用领域，减轻 CPU 的负担， PLC 15 厂家开发了各种各样的功能模块。 主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。 接口模块： CPU 模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。 接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。 通信处理器：通信处理器用于 PLC 之间、 PLC 与远程 I/O 之间、 PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将 PLC 接入 MPI、 PROFIBUSDP、 ASi和工业以太网，或者用于点对点通信。 电源模块： PLC 一般使用 AC 220V 电源或 DC 24V 电源，电源模块用于将输入电压转换为 DC 24V 和背板总线上的 DC 5V 电压，供其他模块使用。 编程设备： S7400 使用安装了编程软件 STEP7 的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。 程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。 程序可以存 盘或打印，通过网络，可以实现远程编程。 编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。 S7400 的输入输出模块 （ 1）数字量输入模块 SM 421 数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。 数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为 PLC 内部的信号电平。 输入电路中一般设有 RC 滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。 （ 2）数字量输出模块 SM 422数字量输出模块将 S7400的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号电平，同时具有隔离和功率放大的作用。 输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。 输出电流典型值为 ~2A，负载电源由外部现场提供。 （ 3）模拟量输入模块 模拟量变送器：生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用 PLC 来测量或控制。 有的是非电量，例如温度、压力、流量、液位、物体的成分（例如气体中的含氧量）和频率等。 有的是强电电量，例如发电机组的电流 、电压、有功功率和无功功率、功率因素等。 变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如 DC0~10V 和 4~20mA。 16 SM 431 模拟量输入模块的基本结构：模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为 CPU 内部处理用的数字信号，其主要组成部分是 A/D（ Analog/Digit）转换器。 SM 431 也可以直接连接不带附加放大器的温度传感器（热电偶或热电阻），这样可以省去温度变送器，不但节约了硬件成本，控制系统的结构也更加紧凑。 （ 4）模拟量输出模块 模拟量输出模块的基本结构： S7400 的模拟量输出模块 SM 432 用于将 CPU送给的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是 D/A 转换器。 模拟量输出模块的技术参数： SM 432 的 4 种模拟量输出参数均有诊断功能，用红色 LED 指示故障，可以读取诊断信息。 额定负载电压均为 DC24V。 模块与背板总线有光隔离，使用屏蔽电缆时最大距离为 200m。 都有短路保护，短路电流最大 25mA,最大开路电压 18V。 其它器件介绍 调节阀： 采用 SIEMENS 带 PROFIBUSPA 通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回 路流量的调节。 它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。 由 CPU 直接发送的数字信号控制阀门的开度 ， 本气动调节阀自动进行零点校正， 使用和校正 都 非常方便。 电磁阀： 在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。 电磁阀型号为： ZS15； 工作压力：最小压力为 0Kg/㎝ 2，最大压力为 10Kg/㎝ 2 ； 工作温度：－ 5～ 80℃。 水泵： 本装置采用磁力驱动泵，型号为 16CQ8P，流量为 32 升 /分，扬程为8 米，功率为 180W。 泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长， 为三相 380V 恒压驱动。 三相移相 调压装置： 采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为 4～ 20mA标准电流信号。 输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 控制器 ： 采用 SIEMENS 公司的 S7400 CPU，型号为 4123H，本 CPU 既具有能进行多点通讯功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUSDP 通讯功能的 DP 通讯接口。 流量传感器、转换器： 流量传感器用来对调节阀支路的流量进行测量。 调节阀支路的流量检测采用 SIEMENS 带 PROFIBUSPA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 温度传感器： 本系统 采用 2 个 Pt100 传感器，分别用来检测锅炉 内胆、锅炉夹套。 2 个 Pt100 传感器 的检测信号中检测锅炉内胆温度的到 SIEMENS 带PROFIBUSPA 通讯协议的 温度变送器 ，直接转化成数字信号。 Pt100 传感器精 17 度高，热补偿性能较好。 模拟锅炉： 此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。 做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。 冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。 管道： 整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能 性。 有效提高了实验装置的使用年限。 其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。 静音式空气压缩机 ： 用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。 空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降 到额定排压以下 时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。 18 4 STEP 7 简介及组态硬件、程序编写 STEP 7 简介 STEP 7 编程软件用于 SIMATIC S M C7 和基于 PC 的 WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。 STEP 7 具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。 在STEP 7 中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。 STEP 7 用 SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览 SIMATIC S M C7 和 WinAC的数据。 实现 STEP 7 各种功能所需的 SIMATIC 软件工具都集成在 STEP 7 中。 STEP 7 的硬件接口 PC/MPI适配器用于连接安装了 STEP 7的计算机的 RS232C接口和 PLC的 MPI接口。 计算机一侧的通信速率为 kbit/s 或 kbit/s， PLC 一侧的通信速率为 kbit/s~。 除了 PC 适配器，还需要一根标准的 RS232C通信 电缆。 使用计算机的通信卡 CP 561 CP 5511 或 CP 5512，可以将计算机连接到 MPI 或 PROFIBUS 网络，通过网络实现计算机与 PLC 的通信。 也可以使用计算机的工业以太网通信卡 CP 1512 或 CP 1612，通过工业以太网实现计算机与PLC 通信。 在计算机上安装好 STEP7 后，在管理器中执行菜单命令“ Option”→“ Setting the PG/PC Interface”，打开如图 所示对话框，在中间的选择框中，选择实际使用的硬件接口。 点击 “选择” 按钮，打开“ Install/Remove Interfaces”对话框，可以安装选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。 点击“属性” 按钮，可以设置计算机与 PLC 通信的参数。 19 图 硬件接口选择 STEP 7 的 编程功能 STEP 7 的标准版只配置了 3 种基本的编程语言，梯形图（ LAD）、功能块图（ FDB）和语句表（ STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。 语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输入时间和存储区域，并且“更接近硬件”。 STEP 7 专业版的编程语言包括 S7SCL（结构化控制语言）、 S7GRAPH（顺序功能 图语言）、S7 HiGraph 和 CFC，这四种语言对于标准版是可选的。 STEP 7 用符号表编辑器工具管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。 使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。