高炉上料控制系统毕业设计论文 (2)

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1、河北联合大学轻工学院毕业设计说明书 摘要钢铁行业是我国重工业之一，是我国的支柱产业。高炉上料是炼铁生产的重要环节，可靠完美的上料自动控制及数据采集对于高炉的顺利稳产、降低焦化、提高产量质量起着重要的作用。现在国内外钢铁企业都非常关注高炉产量如何提高的问题，也都在积极应用高炉上料自动化系统。高炉上料自动化系统主要解决以下几方面的问题：在工艺上要保证自动化系统能够正确的按照料单进行配料，并且能安规定的顺序把料送进高炉；在电气设计上要保证系统有一定数目的检测点，以保证给控制器能够对输入的信号作出准确的处理并进行对外控制；在软件上要保证监控系统的准确可靠性。现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电

2、气控制系统和过程及管理用的计算机。即高炉“三电”一体化。本系统主要设计的内容包括：（1）用STEP7编程软件对S7-300 PLC进行编程、下载和调试。STEP7是一个功能强大的编程软件，尤其是v5.4这个版本支持梯形图、语句表、功能块图编程语言，并采用类似于高级语言的编程模式，把主程序、子程序和中断程序进行了模块化，增加了程序的可读性，使编程人员和现场调试人员一目了然。另外STEP7支持便量表调试，把程序下载到PLC后可以利用便量表认为赋值的方式来模拟现场数据的输入。（2）利用所学电器与PLC控制技术、电路、数字电子技术、模拟电子技术、电力电子技术、工厂供电、电机拖动以及传感器技术在图纸上绘

3、制出可行性的电气连接图。关键词：高炉上料；S7-300 PLC；自动控制AbstractIron and steel industry is one of Chinas heavy industry, is Chinas pillar industries. Blast furnace iron production is an important part of the perfect feeding reliable control and data acquisition for the smooth stable blast furnace to reduce coke, improv

4、e yield and quality play an important role. Domestic and foreign steel companies are very concerned about the issue of how to increase blast furnace production, are also active in Blast Furnace Automation System applications. The main blast furnace automation system to solve the following problems:

5、In the process, we should ensure that automated systems can feed a single to right in accordance with the ingredients, and safety requirements can be sent in order to feed blast furnaces; in electrical system design to ensure a certain number of test points to ensure that the input to the controller

6、 to make an accurate signal processing and for the external control; the software to ensure the accurate and reliable monitoring system. Modern blast furnace automation mainly refers to the instrumentation and control systems, electrical control systems and process and management of the computer use

7、d. The blast furnace, Three integration.This system is mainly designed to include: (1) with STEP7 programming software on the S7-300 PLC programming, download and debug. STEP7 is a powerful programming software, in particular, v5.4 This version supports ladder diagram, statement list, function block

8、 diagram programming language, and uses similar to high-level language programming modes, the main program, subroutine and interrupt procedures were modular, increase the readability of the program, so programmers and field testing workers at a glance. In addition STEP7 will scale to support debuggi

9、ng, after the program to the plc scale that can be assigned to emulate the way the input field data. (2) use established electrical and PLC control technology, circuits, digital electronics, analog electronics, power electronics, power plants, motor and sensor technology in the drawing drag to draw

10、the feasibility of the electrical connection diagram. Key words: blast furnace；S7-300 PL；automatic controII河北联合大学轻工学院毕业设计说明书 目录摘要IAbstractII引言11 高炉上料控制系统概述21.1 高炉自动化介绍21.2高炉上料系统在高炉的地位与作用21.3高炉上料系统工艺简介31.4上料系统的工艺与设备41.5高炉卷扬的基本结构71.6高炉卷扬机的工作特点81.7控制系统的实现81.8高炉上料控制系统设计方案91.8.1 系统功能及性能指标91.8.2 系统结构102 可

11、编程逻辑控制器（PLC）的应用122.1 step7 编程软件介绍122.2编程方法介绍142.2.1经验编程法介绍142.2.2 顺控编程法介绍152.3 可编程控制器的结构152.4 PLC的工作原理162.5 可编程控制器（PLC）的特点162.6 可编程控制器（PLC）的主要功能和应用182.7 PLC与其他工业控制的比较183 PLC的选型和其他硬件配置223.1 PLC的选型223.2 西门子S7-300系列PLC特性及主要模块介绍233.3 配料部分给料机的配置293.4 称量斗的电器配置293.5 高炉卷扬部分电器配置313.5.1 交流调速系统313.5.2 西门子MICRO

12、MASTER 440 系列通用变频器介绍323.5.3 本系统的变频控制电路333.5.4 卷扬电机的选型343.6 高炉探尺353.6.1直流调速简介353.6.2 高炉探尺系统363.6.3 直流电机选型373.7其它电器元件的配置374 系统设计394.1 系统硬件设计394.1.1 系统设计原理394.1.2 通道分配404.1.3变频器线路设计414.1.4 变频器主要参数设置414.1.5 PLC外部接线434.2 系统软件设计434.2.1 工艺要求434.2.2 PLC程序设计444.2.3 系统工作过程51结论53参考文献54谢辞55II河北联合大学轻工学院毕业设计说明书 第

13、 55 页 共55页引言 与国外先进水平相比，我国炼铁技术还存在较大差距，主要表现：（1）工艺装备水平落后，首先是炉容方面大型高炉少。（2）风温比国外低150-200，顶压低 80-100Kpa，检测技术和自动控制差的更多。特别在高炉长寿方面， 我们的差距尤为突出。生产技术指标较低，原因除工艺装备和生产管理落后外，主要是料不精。日本精料最先进，品位高，烧结矿的品位一般为 56-58%，质量好，尤其是还原性好。钢铁厂建有中和料场，原料成分十分稳定。而我国钢铁厂大多数无中和料场，原料成分波动大，烧结矿还原性差，品位只有 52%左右。尤其是燃料消耗高，无论在节焦上， 还是在余热余能回收上都有很大差距

14、。300 立方米级以下的高炉由于劳动生产率偏低、能耗高、污染环境等缺点越来越不适应当今社会的发展。根据国家的技术政策，限制建设 1000 立方米以下高炉，逐步淘汰 300 立方米级以下的高炉。目前我国 300立方米级高炉还较多，特别是 300 立方米级高炉其许多指标优于大高炉，加上较低的 投资、区域资源和市场的优势使这些在成本上有一定的竞争力。企业的生产规模和合理的高炉座数(34 座为宜)也是当前制约高炉扩容的一个客观因素。要全部淘汰 300 立方米估计 5-10 年内很难实现。因此，对 300-1000 立方米高炉进行大修改造就成为近期探讨的一个紧迫而重要的课题。 在新世纪初，检测技术的现代

15、化和高炉自动控制发展到一个新的阶段。高炉的技术进步与检测技术进步密切相关，特别是要实现高炉自动控制，没有良好的检测技术是不可想象的。由于高炉是一个封闭的冶炼设备，而且是连续生产，因此用电子计算机控制的必要性和重要性更大，但难度也大。自 1958 年美国首次把电子计算机应用于高炉配料控制以来，已逐步发展到以下几方面的应用：(1) 上料系统：包括原料配料、称量以及装料程序的自动控制。(2) 热风炉系统：包括燃烧过程控制及自动换炉。送风系统的风量、风温、湿度 和原料喷吹的自动控制。(3)高炉过程控制：包括象征高炉热制度的生铁含硅控制，炉料和煤气运动的检 测与控制，冷却制度的检测与控制，炉衬侵蚀的控制

16、等。1 高炉上料控制系统概述1.1 高炉自动化介绍 高炉上料系统的设计包括：(1)高炉炼铁生产工艺的设计(2)系统硬件设计（包括 PLC 部分设计和数字仪表的设计）(3)系统软件设计（包括 STEP 7 程序设计和界面 的设计和开发）。 高炉是一次点火昼夜不间断连续运行数年的炼铁设备，根据高炉型号的不同日产量可达千吨至万吨。如此之大的产量还需要有严格的质量要求，这就要求要有精确的称量、配料、上料顺序和精湛的工艺作保障。以前高炉生产的各个环节都是由人工操作，生产效率低、质量差严重的制约了行业的发展。随着计算机技术的发展，工业自动化已是现代工业生产的标志，是行业突飞猛进发展的动力。高炉自动化的目的

17、主要保证高炉操作的4 个主要问题: 即正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内;控制炉料均匀下降;调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触:保持合理的热状态。现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用的计算机。即高炉“三电”一体化。它在功能分配上又是分级式层次结构，高层次是过程控制级，低层次是基础自动化级。基础自动化级，主要进行电气自动控制和仪表自动控制，对工艺设备过程信息进行检测、显示、记录及数据基础处理，执行设备运转控制及工艺设备过程自调节，越限报警。过程控制级，主要完成生产优化控制、操作指导、数据处理和存储，与上级管理计算机及其他计算机之间的数据通信。如芬兰罗塔鲁

18、基公司拉赫厂的高炉是60年代由前苏联设计和建造的，当时的各项指标都比较落后。而最近十几年来，这些高炉己经跻身于世界最先进高炉的行列。他们的经验主要有两条，一是提高烧结矿和焦炭的质量，二是建立了性能优良、工作可靠的计算机控制系统。现在，世界各国主要产钢国都采用了计算机控制高炉，其中水平最高的当属日本。1.2高炉上料系统在高炉的地位与作用 在高炉生产中，上料系统上下所设置的设备，是为高炉炼铁服务的。其所属的设备称为上料设备:包括主卷扬机、料车、探尺、炉顶布料装置等一系列设备。其生产过程构成上料系统。主要作用是保证及时、准确、稳定地将合格原料从贮矿槽送上高炉炉顶。钢厂的高炉上料卷扬系统是炼钢生产中的

19、关键环节，主要作用是将炼铁所需的各种原料源源不断地送到高炉内，保证高炉炼铁的正常需要。高炉上料系统是供高炉炉料的重要环节，其基本工艺参数是由高炉的冶炼需求确定的。为了满足冶炼要求，必须合理确定控制方案。控制方案不仅与设计和选用设备有关，而且直接影响高炉的操作条件。高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。炉料(矿石、熔剂、焦炭)按照确定的比例通过上料设备分批地从炉顶装入炉内。只要使高炉吃饱、吃好、吃精料，这对高炉实现优质、高产、低耗，提高高炉冶炼水平具有十分重要的意义。1.3高炉上料系统工艺简介 炼铁设备主要由三大部分组成：配料部分、中间斗部分、和高炉部分。以上都是在炼铁工艺的指导下按

20、要求完成各自工作的。 配料部分由贮料仓、称量斗和皮带运输机组成。贮料仓位于高炉一侧，分为贮焦炭仓、贮矿石仓、贮烧结仓和贮石灰石仓。贮料仓外围有砖砌成，内部由水泥抹滑。贮料仓的上部多为正方体形，下边为漏斗形。贮料仓主要解决高炉连续上料和车间间断续供料的矛盾，当贮矿槽之前的供料系统设备检修或因事故造成短期间断供料时，可依靠贮矿槽内的存量维持高炉生产。由于贮矿槽都是高架式的，可以利用原料的自重下滑进入下一工序，有利于实现配料等的机械化和自动化。在每个贮料仓下面是电磁振动给料机和称量斗。称量斗的作用就是按要求称量出对应的原料，并放到其下面的皮带运输机上运往中间都。称量斗由称体和压力传感器组成，挂在贮料

21、仓的下面，称量斗下方是一个开关门，由电磁阀控制，按要求适时打开和关闭。电磁振动给料机负责向称量斗给料，并把筛选出来的不合格的粉末原料筛选出来，由另一条皮带机运往供料车间。皮带运输机位于各个称量斗的下方，起到配料部分和中间都部分的链接作用，皮带运输机是时时运行的。 中间部分其实就为一个中间存储器，目的是为了及时的把称量好的原料放入上料小车（上料小车一会介绍）以满足高炉要求。中间斗下面有两个出料口，一个对准一号上料小车，一个对准二号小车。每个出料口各有一个开关门，也是由电磁阀控制。 高炉部分由上料小车、小料盅、大料盅、炉底、探尺、热风管和煤气管组成。上料小车负责把称量好的原料送往高炉，一般上料小车

22、是一对，一上一下起配重的作用，共由一台电动机驱动，电动机是由变频器控制的在设定好的区段内以相应的速度运行，保证小车快速稳定的向高炉供料。上料小车一般不允许中途停车。小料盅和大料盅起密封和存料作用，本次设计的高炉大料盅最多存放四车原料，小料盅最多存放两车原料，而且在大料盅网炉底放料时小料盅必须是关闭的，以免炉内的高压把料盅里的原料喷出炉外，发生生产事故，而且在大料盅向下放料时小料盅里必须存放两车的原料以加大密封颅腔的压力。切忌大料盅和小料盅不能同时开启、各料盅存料量不能大于要求值。炉底是炼铁的反应室里面底层由焦炭垫起，上面为矿石烧结和石灰石，石灰石起凝结炉渣的作用。反应室里的温度由热风供给，热风

23、由热风管输入，温度达上千度，在炉体内反应还会产生煤气，由煤气管输出。探尺的作用是检查炉体内原料的多少，以便控制下料和上料系统。1.4上料系统的工艺与设备 为了高炉的正常工作和铁水质量，各个系统设备按一定的连锁、顺序关系工作、各个设备的动作程序由值班人员根据高炉冶炼情况编制并通过 PLC 准确控制各个设 备。高炉上料控制系统包括下列主要系统： 1)槽下称量装料及料仓储料系统； 2) 高炉料钟装料系统； 3) 探尺系统； 4) 料车卷扬系统。 高炉槽下上料工艺，包括高炉矿槽下部至高炉料车以前的受料、筛分、物料输送等所有设施的工艺配置，设备性能选择，以及正确的给料、配料程序等。在我国高炉中，有以下三

24、种形式： (1)料车式上料：为保证高炉连续性生产，防止供料暂时中断，具有一定的原料 储备能力。储备能力通过设置料仓来解决，图1为料仓平面布置图。在上料机斜桥 3 的下面有两个比较大的料仓 2 是焦仓，其余容积较小数目较多的料仓是矿仓，各种矿 石和溶剂分别装在矿仓内。矿仓上部的物料是采用胶带机来运输的，料仓的仓底不与 地面接触，形成空架以便利用重力落差放料。料车设有两个称量漏斗，按照工艺提供 的料批组成，它可停留在任意一个料仓下面取料，然后运行地坑的位置，将炉料卸入 上料小车。料车是向上料小车供给矿石和溶剂的一个种重要设备。为保证高炉连续生产，防止料车故障，均设有备用料车。焦炭由焦仓经振动筛，称

25、量漏斗直接卸入料车。图1料仓平面布置图1 矿石仓 2 焦炭仓 3 上料机斜料 4 高炉(2)运输与称量分开的供料形式：这种供料形式(见图2)的设备职能单一，构造 大为简化，可靠性增强，并且有利于提高生产能力和实现自动化。图2 运输与称量分开的供料形式图1-主矿仓 2-运输机 3-矿石称量漏斗 4-杂矿仓 5-杂矿称量漏斗 6-杂矿运输胶带机 7-主焦仓 8-备用焦仓 9-焦炭运输胶带机 10-焦炭筛 11-焦炭称量漏斗 12-料车 13-碎焦仓 14-碎焦料车 15-高炉 16-备用矿仓 采用两个容积比较大的料仓分别作为主焦仓7和主矿仓1，有若干个容积比较小的 分别作为备用焦仓8和备用矿仓16

26、。焦炭和矿石均采用称量漏斗计量，除杂矿和溶剂的称量漏斗布置在杂矿仓出口 外，焦炭和主要矿石的称量漏斗均布置在料车坑的两侧。每一料车上面均布置有焦炭 称量漏斗和矿石称量漏斗。这两个称量漏斗的排料口，由不同方向对准料车，靠落差 向料车上料。仓上物料是用胶带机来运输的。直接布置在料车坑上方的四个主矿仓，仓内物料 直接进入称量漏斗。备用仓内的物料则通过带式运输机进入料车坑的称量斗内。杂矿 和熔剂的用量较少，需要称量后再由胶带机6送到料车坑的料斗内。从备用仓或主焦仓7来的焦炭，均通过焦炭筛10，再流入焦炭称量漏斗11。这种供料形式虽然客服了前述料车上料型式的缺点，但还存在其它缺点。由于每侧矿石仓只设一个

27、矿石称量漏斗，如矿石品种较多，显然不易胜任。此外，在每个烧 结矿仓下面，往往都设有振动筛，增加了设备。 (3)胶带式上料：这种供料系统(国内外大型高炉，都采用胶带上料机)。这种供 料型式的料仓，不论焦仓或矿仓，都由若干个同样容积的料仓排列在同一条直线上， 不分主矿仓和备用仓。由于所有原料均为冷态，因此可以广泛采用胶带运输机。仓下 不用笨重的链板式运输机，来料也不用铁路车厢运输，在焦仓下面只装有胶带运输机， 在矿仓下面装有振动筛和漏斗以及胶带运输机。矿石品种较多，需在每个料仓下面设 置筛分和称量设备，分别完成筛分和称量任务。 矿仓采用分散筛分和称量的好处还在于可以使筛分和称量设备小型化，便于制造

28、 和维修，对易于出问题的设备(例如振动筛)还可以起备用作用。这种供料型式较好地 满足了对供料系统所提出的各项要求。在这三种方式中，新建的现代大中型高炉都是胶带式上料，小型高炉及20世纪80 年代以前建设的大中型高炉使用料车式上料。1.5高炉卷扬的基本结构5AB5CD36121147110289 图 3 高炉卷扬的基本结构1.斜桥 2.柱 3.卷扬机室 4.料坑 5.料车 6.滚筒7.钢绳 8、9、10. 滑轮 11.减速器 12.主卷扬电机 在冶金高炉生产线上，一般把按照品种、数量称好的炉料从地面的储矿槽运送到炉顶的生产机械称为高炉上料设备，它是高炉的供料系统的重要设备。它包括料车坑、料车、斜

29、桥、卷扬机或带式上料机。高炉上料机主要有三种：料罐式、 料车式和皮带机上料。料罐式上料机是上行重罐下行空罐，如果速度快，就会吊着料罐摆动不停，上料能力低，新建高炉已不再采用。对于大型高炉几乎完全采用带式上料机，对于小型高炉或使用热烧结矿的高炉，目前还是以料车式上料为主。料车式上料机结构如图3所示，料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬机三部分组成。 将炉料直接送到高炉炉顶的设备称为上料机。对上料机的要求是：要有足够的上料能力，不仅能满足正常生产的需要，还能在低料线的情况下很快赶上料线。为满足这一要求，在正常情况下上料机的作业率一般不应超过70%；工作稳妥可靠；最大程度的机械化和自动化。1.6高炉卷扬

30、机的工作特点料车卷扬机是牵引料车在斜桥上行走的设备。在高炉设备中是仅次于鼓风机的关键设备，料车卷扬机系统主要由驱动电机、减速箱、卷筒、钢绳、安全装置及控制系统组成，其工作特点为：1)能够频繁启动、制动、停车、反向、转速平稳、过渡时间短。2)能够按一定的速度图运行。3)能广泛地调速，速度一般为0.53.5m/s，目前料车的最大线速度可达3.8m/s。4)系统工作可靠。在进入曲轨段及离开料坑时不能有高速冲击，确保终点位置准确停车。1.7控制系统的实现料车的运行分析:料车在斜桥上的运动分为启动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段，在整个过程中包括两次加速和两次减速。料车提升一次所需时间与料车的

31、运动速度和加速度有关，其变化曲线如图4所示。图4 料车速度和加速度图 1)t1时间内：料车起动，重料车开始上行，同时空料车自炉顶极限位置下行。此时，钢绳自卷筒退出的加速度不应超过料车的加速度，以免产生钢绳松弛现象。此段时间对应斜桥的A区域，由于此处轨道较陡，在给定值相同的情况下加速度1只为0.20.4m/ s2，以较低的加速度加速运行。 2)t2时间内：重料车继续上行，通过A区域，进入了斜桥的B区域，此处轨道倾角比A区域小，则加速度2会变大升至0.40.8m/s2。料车以较高加速度加速到最大速度。 3)t3时间内：料车以最大速度稳定运行。 4)t4时间内：重料车进入卸料曲轨道之前的第一次减速时

32、间，加速度4= -0.4-0.8m/ s2。如图4所示，在第一次减速点，取消之前的卷扬电机高速给定，转而给卷扬电机接入低速给定值，通过电机的回馈制动使料车减速至。5)t5为重料车在卸料曲轨段等速运行时间，速度=1m/s左右。1.8高炉上料控制系统设计方案1.8.1 系统功能及性能指标1)配料，震动筛上料，液压传动开门。2)蓄料斗小车上下行控制。3)大钟小钟及探尺控制（自动功能备用）。4)双操作台结构。配料操作台控制料斗上料、开关门、皮带开停；卷扬操作台 实现小车的启停、大钟小钟及探尺控制。5)具有操作台与计算机键盘（鼠标）两种操作方式。6)具有手动、半自动、自动控制功能。 手动：通过按钮直接控

33、制上料、开关门、小车上下行等功能。 半自动：通过按钮实现上料、卸料的单步自动控制。 自动：操作台通过按钮实现上料、开门、小车上下行的全部自动控制。7)控制系统采用 S7-300 系列 PLC +仪表方式+计算机。8) 计算机关机时，电控柜可独立运行。1.8.2 系统结构1) 配料系统控制柜321卷扬继电器继电器继电器计算机RS232/4857路显示仪器模块RS485放大板继电器继电器手动自动运行上料按钮开门按钮关门按钮皮带按钮继电器继电器卷扬开门到位接近开关关门到位接近开关接触器电磁阀震动师开门装置继电器继电器继电器卷扬料斗到位钟到位探尺到位配料电源柜部分图 5 配料系统控制柜2)卷扬系统控制

34、柜计算机RS232至配料 RS485至PLC料斗按钮钟按钮探尺按钮手动自动至继电器料斗接触器钟接触器探尺接触器图 6 卷扬系统控制柜RS232/4852 可编程逻辑控制器（PLC）的应用2.1 step7 编程软件介绍PLC 控制程序的编程采用了STEP7 编程软件作为开发工具，结构化的程序设计使PLC 按工艺要求实现了对现场设备的控制。STEP7 编程软件是一个用于SIMATIC 可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7 标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC 管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。STEP7 编程软件可以对硬件和网络实现组态

35、，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC 在线上载或下载。利用STEP7 可以方便地创建一个自动化解决方案。下图为创建一个自动化项目的基本步骤：图 7 自动化项目的基本步骤项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据包括：硬件结构的组态数据及模板参数；网络通讯的组态数据以及为可编程模板编制的程序。它们都被收集在一个项目下。在生成一个项目后，先插入站，然后可以组态硬件。在组态硬件时，可以借助于模板样本对可编程控制器中的CPU 及各模板进行定义，通过双击站来启动硬件组态的应用程序。一旦存储并退出硬件组态，对于在组态中生成的每一个可编程模板，

36、都会自动生成S7/M7 程序及空的连接表。连接表可用来定义网络中可编程模板之间的通讯连接。硬件组态完成后就可为编程模板生成软件。为可编程模板编制的软件存储在对象文件夹中。对该对象文件夹称作“S7-Program”。在子菜单中，可以选择想要生成的块的类型(如：数据块，用户定义的数据类型，功能，功能块，组织块或变量表)。打开一个空的块，然后用语句表，梯形图或功能图输入程序。用于S7-300 的编程语言有：梯形图(LAD)，语句表(STL)和功能块图(FBD)。LAD 是STEP7 编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可以

37、让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。STL 是STEP7 编程语言的文本表达方式，与机器码相似，CPU 执行程序时按每一条指令一步一步地执行。FBD 是STEP7 编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。STEP7 编程软件允许结构化用户程序，可以将程序分解为单个的自成体系的程序部分。从而使大规模的程序更容易理解，可以对单个的程序部分进行标准化。程序组织简化，修改更容易。系统的调试也容易了许多。在S7 用户程序中可以使用如下几种不同类型的块：1）组织块(OB)是操作系统和用户程序的接口。它们由操作系统调用，并控制循环和中断驱动程序的执行，以及可编程控制器如何启动。它们

38、还处理对错误的响应。组织块决定各个程序部分执行的顺序。用于循环程序处理的组织块OB1 的优先级最高。操作系统循环调用OB1 并用这个调用启动用户程序的循环执行。2）功能块(FC)属于用户自己编程的块。功能是“无存储区”的逻辑块。FC 的临时变量存储在局域数据堆栈中，当FC 执行结束后，这些数据就丢失了。3）功能块(FB)属于用户自己编程的块。功能块是具有“存储功能”的块。用数据块作为功能块的存储器(背景数据块)。传递给FB 的参数和静态变量存在背景数据块中。背景数据块(背景DB)在每次功能块调用时都要分配一块给这次调用，用于传递参数。4）系统功能块(SFB)和系统功能(SFC)是STEP7为用

39、户提供的己编程好的程序的块，经过测试集成在CPU 中的功能程序库。SFB 作为操作系统的一部分并不占用程序空间，是具有存储能力的块，它需要一个背景数据块，并须将此块作为程序的一部分安装到CPU中。整体来说OB1相当于主程序，系统会循环扫描，在其中调用各个子程序。其他OB块相当与中断子程序，当中断条件满足时调用。FB、FC、SFB、SFC相当普通子程序，各自能完成一定的功能，供主程序或其他子程序调用。2.2编程方法介绍2.2.1经验编程法介绍“经验法”顾名思义是依据设计者的经验进行设计的方法，它主要基于以下几点。1)PLC编程的根本点是找出符合控制要求的系统各个输出的工作条件，这些条件又总是以机

40、内各种器件的逻辑关系出现的。2)梯形图的基本模式是启-保-停电路，每个启-保-停电路一般只针对一个输出，这个输出可以是系统的实际输出，也可以是中间变量。3)梯形图编程中常使用一些约定俗成的基本环节，他们都有一定的功能，可以像积木一样在许多地方应用，如延时环节、震荡环节、互锁环节等。“经验法”编程步骤如下：在准确了解控制要求后，合理的为控制系统中的事件分配输入输出口。选择必要的机内器件，如定时器、计数器、辅助继电器等。对于一些控制要求较简单的输出，可直接写出他们的工作条件，依启-保-停电路模式完成相关的梯形图支路。工作条件稍复杂的可借助辅助继电器。对于较复杂的控制要求，为了能用启-保-停电路模式

41、绘出各输出口的梯形图，要正确分析控制要求，并确定组成总的控制要求的关键点。用程序将关键点表达出来。关键点总是要用机内器件来表示的，在安排机内器件时需要考虑并安排好。绘关键点的梯形图时，可以使用常见的基本环节，如定时器计时环节、震荡环节、分频环节等。在完成关键点梯形图的基础上，针对系统最终的输出进行梯形图的编汇。使用关键点器件综合出最终输出的控制要求。审查以上草绘图纸，在此基础上，补充遗漏的功能，更正错误进行最后的完善。“经验法”并无一定的章法可寻，在设计过程中如发现初步的设计构想不能实现控制要求时，可以换个角度试一试。2.2.2 顺控编程法介绍顺控编程思想的基本思想是将系统的一个控制过程分为若

42、干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步，也称为状态，并用编程元件来代表它。步的划分主要根据输出量的变化。在一步内，一般来说输出量的状态不变，相邻两步输出量的状态则是不同的。步的这种划分方法使代表各步的编程元件与各个输出量之间有着极明确的逻辑关系。2.3 可编程控制器的结构可编程控制器实际上是一种工业控制专用计算机，其系统的组成与微机基本相同，一般由以下五个部分组成，其结构图如图8所示：图8 PLC结构示意图1)中央处理器（CPU）进行逻辑和数学运算，控制整个系统使之协调工作2)存储器用于存放系统的监控程序，用户程序，逻辑变量和一些其他的信息3)接口电路它是PLC与现场设备以及外围设备的联系通道。如

43、输入/输出接口、键盘/显示器、通信接口和扩展接口等4)输入/输出电路输入电路用来对输入信号进行隔离和电平转换；输出电路用来对PLC的输出结果进行放大和电平转换，驱动现场设备5)电源包括系统电源，备用电源和掉电保护电源2.4 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段:1)输入采样。即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；2)执行程序。然后PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；3)输出刷新。按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新。完成上述三个阶段称作

44、一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出分别在1个扫描周期的不同时间进行的方式有助于排除系统中受到的干扰。2.5 可编程控制器（PLC）的特点PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。1)可靠性高,对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。(1) PLC不需要大量的

45、活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。(2) PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR使可靠性提高。(3) PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的失误。可靠性高。(4) PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置。(5) 在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。(6) PLC的软件方面，

46、也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波；软件自诊断；简化编程语言等。2)易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面：(1) 操作方便。对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。(2) 编程方便。PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编

47、程。(3) 维修方便。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。3)灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面：(1) 编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。(2) 扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。(3) 操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。2.6 可编程控制器（PLC）的主要功能和应用1)开

48、关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或复杂的控制要求。2)模拟控制 在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些多属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品多具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中的模拟控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其它控制装置所无法比拟的优势。3)定时控制 PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时和计数器。其定时时间间隔可以由用户加以设定。对与计数器，如果需要对于频率较高的信

49、号进行计数，可以选择高速计数器。4)数据处理 新型PLC多具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。5)信号连锁系统 信号连锁是安全生产所需要的。在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可以采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。6)通信 把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因而PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。2.7 PLC与其他

50、工业控制的比较系统硬件设计几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前依然在工业领域中大量的应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与PLC相比较存在着质的差别，表1给出了PLC与继电器控制系统的功能和特点比较。1)与继电器顺序逻辑控制系统的比较继电器顺序逻辑控制系统有大量的活动触点和元器件，只要其中任一部件或触点故障， 将造成系统的故障。另外，它的体积和重量较大， 维修的工作量也较大。与此比较，由可编程序控制器组成的控制系统，采用软接线的方式实现程序所需的功能， 通过在线或离线的编程，方便地实施所需的控制要求。由于采用可靠性的设计，其故障率

51、和维修时间都大大降低。系统硬件设计几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前依然在工业领域中大量的应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与PLC相比较存在着质的差别，表1给出了PLC与继电器控制系统的功能和特点比较。1表1 PLC与继电器控制功能的比较比较项目继电器控制PLC控制功能的实现通过对继电器硬件接线完成相应的控制功能对进行编程实现所需控制要求对生产工艺变化的适应性需要进行重新设计和接线，适应性差只需对程序进行修改，适应性强可靠性元件多、触点多，容易出现故障采用大规模的集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高柔韧性和灵活性差具有种类

52、齐全的扩展单元，扩展灵活控制的适时性机械动作时间常数大，适时性差微处理器控制，适时性非常好占用空间和安装控制柜体积大、笨重，安装施工工作量大体积少，重量轻，安装工作量小使用寿命易损，寿命短寿命长复杂控制能力极差很强价格较低较高维护复杂、工作量大工作量小2)与计算机控制系统的比较计算机控制系统是指用单片处理器或工控机组成的计算机控制系统。在可编程序控制器发展的阶段中， 单片处理器组成的计算机控制系统对顺序逻辑控制系统的发展发挥了较大的作用。但可编程序控制器对此进行了改造。它变通用为专用， 降低了成本， 缩小了体积。采用扫描方式工作，有利于顺序逻辑控制的实施。功能分散、危险分散，并适应恶劣工业应用

53、环境。通用计算机具有十分强大的计算和数据处理能力，同时数据处理的速度已达到极高的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面远远没有PLC的功能强大，2 表2给出了它们的对比。表2 PLC与计算机控制系统功能与特点的比较比较项目通用计算机PLC工作方式中断方式扫描方式编程语言汇编语言、高级语言助记符语句表、梯形图等工作环境要求高可在较差的环境下工作对使用者的要求需要进行专门的学习培训才能掌握语言易学，稍加培训即可使用可靠性商业级要求工业级，且有多种特殊设计系统软件功能强大，但占用存储空间过大功能专用，占用存储空间少价格高较低使用领域办公、管理、科学计算、家庭等工业控制3)与集散控制系统的比

54、较集散控制系统(Distributed Control System)是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它主要应用场合是连续量的模拟控制。而可编程序控制器的主要应用场合是开关量的逻辑控制。可编程序控制器是按扫描方式工作的。集散控制系统是按用户的程序指令工作的。在集散控制系统中， 可有多级优先级中断的设置，而可编程序控制器通常不采用中断方式。在存储器的容量上，由于可编程序控制器所需的运算多是逻辑运算，因此所需的容量较小，而集散控制系统需进行大量的数字运算，所需容量较大。在可靠性方面， 两者都是有较高要求的。为了扩大应用的范围，可编程序控制器正在向分散控制系统靠拢，扩展模拟量的控制功能。同样

55、， 集散控制系统也正在扩展逻辑控制功能， 出现综合集成趋势。可编程控制器在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：* 冲压机床* 磨床* 印刷机械* 橡胶化工机械* 中央空调* 电梯控制* 运动系统3 PLC的选型和其他硬件配置3.1 PLC的选型目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量继电器装置的替代品，大到可以作为分布系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。选择PLC首先定义PLC的I

56、/O点数，包括开关量的I/O点数，模拟量的I/O点数以及特殊功能模块。建立I/O分配表如表3：表3 I/O点数量如下：I/O类型开关输入点开关输出点统计点数DI ：18DO ：9总数I/O ：27目前PLC使用性能较好的有SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司。根据性能价格比的选择，被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度，自诊断能力等方面的考虑，采用德国西门子公司生产的S7-300模块化中小型PLC。考虑到通信和以后的扩展要求，选用CPU 315-2 DP型号的CPU。SIMATIC S7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。其

57、特点：模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用 ；大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务 ；由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活 ；方便用户和简易的无风扇设计；当控制任务增加时，可自由扩展 ；由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲；S7-300通过通讯处理器，或通过集成在CPU上的 PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上，带有PROFIBUS-DP主站/从站接口的CPU能够实现高速的、用户方便的分布式自动化组态。PLC系统有以下组成：中央处理器（CPU）：选用CPU314-2 DP(内置PROFIBUS-DP 接口) 1块；数

58、字量输入模块（DI）：选用SM321（8点/块），共3块；数字量输出模块（DO）：选用SM322（8点/块），共2块；通信模块：选用CP340，共1块为RS-232接口；其它：电源模块选用PS307；接口模块选用IM365 73.2 西门子S7-300系列PLC特性及主要模块介绍SIMATIC S7-300系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-300系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-300系列具有极高的性能/价格比。S7-300系列出色表现在以下几个方面:极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置

59、集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。S7-300系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-300系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有紧凑、模块化的组合结构。根据应用对象的不同，可选用不同型号的和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。S7-300系列PLC可提供CPU312IFM、CPU313、CPU3

60、14、CPU315、CPU315-2DP等中央处理单元可供选择，CPU312IFM模块上集成有10个数字量输入点和6个数字量输出点。CPU313、CPU314、 CPU315模块上不带有I/O端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的I/O点数、计数器/定时器数量、软件块数量等随序号的递增而递增，CPU314除具有现场总线扩展能力外，其它特性与CPU315相同。同时还能够提供各种数字量输入输出模块，模拟量输入输出模块，通讯模块等。1CPU模块这里主要介绍一下本设计中要用到的CPU315-DP。CPU315-DP具有大中容量的程序存储器和PROFIBUS-DP主/从接口的CPU，它用于包括分布式

61、和集中式I/O的任务中。CPU315-DP具有64KB内置96KB(RAM)的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储器容量最大到4MB，指令执行速度为300ns/二进制指令。最大可扩展2048点数字量I/O或256路模拟量通道。CPU315-DP的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU响应哪些事件，操作系统自动调用该事件的组织块OB.例如CPU315-DP可调用128个功能块FB(0-127)； 128个功能调用FC(0-127)；127个数据块DB(1-127，0保留)；OB，FB， FC，DB的容量均不大于8KB。除此之外，有34个系统功能SFC集成在操作系统中。这些参数可用STEP7组

62、态软件输入。SIEMENSSFBATFDC5VFRCERUNSTOPCPU 315SIMATICS7-300BatterieRUN-PRUNSTOPMRESMPI图9 CPU3152)数字量扩展模块9S7-300有多种型号的数字量I/O模块供选择。如数字量输入模块SM321，数字量输出模块SM322，数字量I/O模块SM323，仿真模块SM374，占位模块DM370等。本节主要介绍数字量输入模块SM321，数字量输出模块SM322模块的技术性能和基本原理。SM321数字量输入模块概述：SIMATIC S7-300数字量输入用于连接开关和2线接近开关（BERO）应用：数字量输入模块将从过程传输来的外部数字信号的电平转换为内部S7-30