基于S7300的烧碱系统的设计毕业设计（论文）

《基于S7300的烧碱系统的设计毕业设计（论文）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于S7300的烧碱系统的设计毕业设计（论文）（49页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、北华大学毕业设计（论文）摘要在分析和研究烧碱系统中离心机控制系统的基础上，根据有些厂方工艺和现场生产的特殊要求，在了解了烧碱的生产工艺后，设计了离心机的PLC控制系统。离心机各个电磁阀的操作均由PLC控制，可以根据工艺要求可以实现电磁阀的动作。采用PLC控制离心机各电磁阀的动作，进一步降低了操作人员的劳动强度，提高了生产效率，并有效控制母液含盐量及析出盐含碱量。克服了离心机工作转速调节单一、故障率高等缺陷。本文主要讨论了离心机及PLC的工作原理，以及运用梯形图编写PLC程序，对PLC逻辑控制程序的设计方法及实现过程、控制系统的优点及实现方法做了说明。深入了解了离心机的工作原理及其故障情况，对系

2、统要求及参数进行研究分析，利用PLC自身所具备的逻辑运算和数据处理功能，实现了离心机控制系统的设计。本系统硬件结构简单，操作方便，直观性好，控制安全可靠，运行平稳，控制精度高，具有其他烧碱系统离心机控制系统所没有的若干优点，且经济实用，具有广阔的应用前景。关键词：烧碱生产；PLC；离心机；程序设计AbstractOn the analysis and study of caustic soda production system of centrifuge control system based on, according to some of the factory and on-site

3、 special production requirements, in the understanding of the caustic soda production process, design of centrifugal machine PLC control system. Centrifuge each electromagnetic valve operations are controlled by a PLC, can accord to process requirements can be achieved in the valve action. Using PLC

4、 control centrifuge each electromagnetic valve, further reduces the labor intensity of operators, improves the production efficiency, and effectively control the mother liquor of salt content and salt content. To overcome the centrifuge operating speed regulation of single, higher failure rate of de

5、fects. This paper mainly discusses the centrifuge and the work principle of PLC, and the application of ladder diagram PLC preparation procedures, to PLC logic control program design method and the realization process, control system and implementation method have been explained. A thorough understa

6、nding of the working principle of centrifugal and fault conditions, the system requirements and parameters analysis, using the PLC of its own with a logical calculations and data processing functions, realizes the centrifuge control system design. The hardware of the system has the advantages of sim

7、ple structure, convenient operation, good visualizability, safe and reliable control, stable operation, high control precision, with other caustic soda production system of centrifuge control system has several advantages, economic and practical, has the broad application prospect. Key Words：Product

8、ion of caustic soda ；PLC；Centrifuge ；program design - 2 -目录摘要1Abstract2目录1引言11 绪 论21.1 烧碱系统定义及其发展情况21.1.1 氯碱工业的定义21.1.2 离子膜法电解技术的国内发展情况61.1.3 现阶段离子膜法电解技术装备的世界发展动向81.2 离心机简介81.2.1 离心机的定义81.2.2 离心机的工作原理81.2.3 离心机的由来与发展91.3 可编程控制器101.3.1 可编程控制器的产生101.3.2 PLC的定义及工作原理111.3.3 PLC的功能与特点121.3.4 PLC的发展历史、现状及

9、其趋势141.3.5 西门子S7-300PLC简介161.4 控制系统的现状及发展191.4.1 工业控制系统的现状191.4.2 工业现场的控制系统的发展202 离心机控制要求213 PLC控制系统的硬件设计233.1 PLC的选型233.2 PLC容量估算243.2.1 I/O点数的估算243.2.2 PLC存储器容量估算243.2.3 I/O模块的选择253.2.4 分配输入/输出点264 PLC控制系统的软件设计294.1 工艺要求294.1.1 主机和油泵的控制294.1.2 电磁阀的控制29（1）手动控制29（2）自动控制294.2 PLC控制系统顺序功能图304.3 PLC控制系

10、统程序314.4 触摸屏仿真界面41结论43参 考 文 献44致谢45北华大学毕业设计（论文）引言近年来,我国的氯碱工业发展十分迅猛,原有氯碱企业纷纷扩大生产能力, 同时一些新的企业也相继诞生,产能快速提升,烧碱生产能力已从1998年的745万t/年增加到2005年的1470万t/年 ,7年期间翻了一番,从而使我国在烧碱产能上超过美国成为世界第一。我国氯碱工业在产能迅速提升的同时,技术也获得了长足发展,规模化装置增多,装置技术水平提高,国内氯碱企业先后从发达国家引进了多套先进技术和现代化装备,使我国氯碱工业的装备和技术水平有了很大的提高。我国从世界各著名公司引进了多套离子膜法制碱工艺技术和装备

11、后,淘汰了水银法烧碱,石墨阳极隔膜法电解装置也已基本淘汰,世界先进水平的离子膜法装置正在增多。面对环保要求的不断提高、油价上涨、能源紧缺等现状,发展离子膜碱已经成为氯碱企业调整产品结构、节能降耗、保护环境、增强市场竞争力的主要措施, 绝大多数企业都将离子膜法工艺作为扩建或改造项目的首选工艺, 国内新建烧碱装置中,采用离子膜法工艺的装置约占90%,只有10%采用金属阳极隔膜法生产工艺。目前,我国离子膜法装置生产能力已达656万t/年 ,离子膜法生产工艺几乎占到国内烧碱装置总产能的半壁江山。在烧碱生产中，碱液的蒸发、浓缩过程中往往伴有盐的结晶，因此需采取措施对盐碱进行分离。目前大多数厂家均采用以离

12、心机为主体的分离系统，主要的方法是将含有NaCl晶体的溶液蒸发后，装入离心机进行分离，离心工序的任务是将由蒸发岗位送来的经蒸汽加热，蒸发浓缩后的固液混合物经旋液分离器、离心机回收结晶盐，盐经溶解后送到盐水工序，碱液经澄清冷却成隔膜液碱成品。通常这些工序是通过离心机启停，阀门开启等来完成，而这些操作均由人工完成，随意性很大。除对设备寿命有很大影响外，蒸发碱液浓度变化、操作工的操作水平及责任心不同，造成离心机分离的盐含碱量偏高，失碱率上升，同时增加了回收盐水中有用盐酸消耗，浪费极大。离心机各工作步骤运行的协调、准确及整个控制过程的稳定直接影响离心机的工作效果，影响碱液的质量。分离机的电气控制系统由

13、定时器、中间继电器和变压器等部件组成，不但体积大、造价高，而且安装，检修麻烦。而可编程序控制器是专为工业环境设计的计算机，以其可靠性高、抗干扰能力强等优点，迅速成为自动控制的首选。使离心机控制线路大大简化，可靠性提高。1 绪 论1.1 烧碱系统定义及其发展情况1.1.1 氯碱工业的定义氯碱，即氯碱工业，也指使用饱和食盐水制氯气氢气烧碱的方法。工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。（1） 电解饱

14、和食盐水反应原理阳极反应：2Cl-2e=Cl2（氧化反应） H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。阴极反应 2H+2e=H2（还原反应） 在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-，H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为：总反应 2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2 工业上利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。 在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解

15、产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。（2）离子交换膜法制烧碱目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在20世纪50年代开始研究，80年代开始工业化生产。离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。右图表示的是一个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；阳离子交换膜把电解槽隔成

16、阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。下图是一台离子交换膜电解槽（包括16个单元槽）。图1.1 离子交换膜法电解原理示意图精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室。通电时，H2O在阴极表面放电生成H2，Na+穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH；Cl-则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水从阳极导出，可重

17、新用于配制食盐水。离子交换膜法电解制碱的主要生产流程可以简单表示如下图所示： 图1.2 离子交换膜法电解制碱的主要生产流程 电解法制碱的主要原料是饱和食盐水，由于粗盐水中含有泥沙，精制食盐水时经常进行以下措施：1）过滤海水2）加入过量氢氧化钠，去除钙、镁离子，过滤Ca2+2OH-=Ca(OH)2（微溶）Mg2+2OH-=Mg(OH)2Mg(HCO3)2+2OH-=MgCO3+2H2O MgCO3+2H2O=Mg(OH)2+H2O+CO3）加入过量氯化钡，去除硫酸根离子，过滤Ba2+SO42-=BaSO44）加入过量碳酸钠，去除钙离子、过量钡离子，过滤Ca2+CO32-=CaCO3 Ba2+CO

18、32-=BaCO35）加入适量盐酸，去除过量碳酸根离子2H+CO32-=CO2+H2O6）加热驱除二氧化碳7）送入离子交换塔，进一步去除钙、镁离子8）电解 2NaCl+2H2O=(通电)H2+Cl2+2NaOH 离子交换膜法制碱技术，具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能适应电流波动、能耗低、污染小等优点，是氯碱工业发展的方向。（3）以氯碱工业为基础的化工生产NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生产原料，可以进一步加工成多种化工产品，广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。由电解槽流出的阴极液中含有30的NaOH，称为液碱，液碱经蒸发、结

19、晶可以得到固碱。阴极区的另一产物湿氢气经冷却、洗涤、压缩后被送往氢气贮柜。阳极区产物湿氯气经冷却、干燥、净化、压缩后可得到液氯。图1.3 氯碱工业产品1.1.2 离子膜法电解技术的国内发展情况中国离子膜法烧碱历经30年的发展，生产与消费居世界第一位，其发展具有中国特色，即“两化、四转向”。1、“两化”一是技术来源多元化。我国离子膜法电解技术采取了多元引进和自主创新相结合。 从甘肃盐锅峡化工厂第1个引进日本旭化成公司1万t/a 离子膜法电解技术装置开始，20多年来就有近百家氯碱企业从日本、美国、英国、意大利、德国等5国8大驰名公司引进离子膜法电解技术装置，几乎涵盖了世界上所有能够生产离子膜法电解

20、技术装置的公司，包括单极槽和复极槽、强制循环、半强制循环和自然循环形式，小单元面积和大单元面积、低电流密度和高电流密度，有极距槽和零极距槽、压滤机式压紧方式和单元组合式压紧方式等。二是装置规模大型化。生产装置规模大型化将会具有独特性、垄断性和前瞻性，发达国家的氯碱工业正朝着大型化、集中化、经济规模化方向发展。据不完全统计，目前国内离子膜烧碱企业规模达到和超过20万t/a的已达30 余家。2、“四转向”一是电解法烧碱生产方法由隔膜法为主转向离子膜法为主。半个多世纪来，我国电解法烧碱一直以隔膜法为主，改革开放以来陆续从国外引进先进的离子膜法技术装置，尤其跨入21世纪离子膜法烧碱得到迅猛发展，新建和

21、改扩建烧碱装置绝大多数为离子膜法，到2008年，全国烧碱产能达2462.7万t/a，其中，离子膜法为1619.2万t/a 占 65.7%；烧碱产量为1852.1万t/a，其中，离子膜法1108万t/a，占59.82%。二是离子膜法烧碱技术来源由引进国外技术为主转向自主创新自行研发为主。20 世纪80年代，采用国外技术的有8家企业，没有采用国产化技术的。到90年代，采用国外技术的有32家，采用国产化技术的12家，比例为8:3。进入21世纪至今，采用国外技术的78家，采用国产化技术的48家，其比例约为8:6。随着我国离子膜烧碱的发展和自主创新研发的国产化离子膜电解槽的技术水平不断提高，采用国产化技

22、术的厂家将会越来越多。三是离子交换膜由全部依赖国外进口转向由国家支持、厂校科研院所相结合自主创新研发生产。离子交换膜是离子膜法制备烧碱工艺的核心要素之一，用于氯碱和氢能燃料电池领域的全氟离子交换膜材料早已列入国家“863”计划重大科技攻关项目，同时，全氟离子膜工程技术研究已列入“十一五”国家科技支撑计划重点项目。中国即将成为继日本、美国之后第3个能够生产全氟离子交换树脂的国家。四是离子膜法电解技术装置由低电流密度、低单槽产能转向高电流密度、高产能电解槽。中国在20世纪80-90年代大都采用低电流密度单极槽和复极槽，复极槽单台产能大者不超过1万t/a，小者不超过0.5万t/a；进入21世纪，随着

23、世界各离子膜法电解槽制造公司纷纷推出高电流密度自然循环复极槽，中国各氯碱企业也纷纷采用，据不完全统计，新建成投产的128个离子膜烧碱项目中，就有95个采用高电流密度自然循环复极槽，其中，采用国产化槽31个。单槽产能已升至1.25万t/a、1.5 万t/a、1.67万t/a和2万t/a，最高达2.5万t/a。1.1.3 现阶段离子膜法电解技术装备的世界发展动向近几年来，世界各驰名公司纷纷推出当前和今后一段时期代表离子膜法烧碱电解技术装置发展方向的创新产品，即大型高电流密度低电流消耗自然循环复极槽，并涌现出新的发展动向，即阴阳极距由窄极距向零极距（膜极距）发展和单槽产能向大型化发展（2万t/a及以

24、上）。把离子膜法烧碱生产技术和节能降耗提高到一个新水平。1.2 离心机简介1.2.1 离心机的定义离心机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开；它也可用于排除湿固体中的液体，例如用洗衣机甩干湿衣服；特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体混合物；利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点，有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。图1.4 卧式离心机原理图1.2.2 离心机的工作原理当含有细小颗粒的悬浮液静置不动时，由于重力场的作用使得悬浮的颗粒逐渐下

25、沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液体小的粒子就会上浮。微粒在重力场下移动的速度与微粒的大小、形态和密度有关，并且又与重力场的强度及液体的粘度有关。象红血球大小的颗粒，直径为数微米，就可以在通常重力作用下观察到它们的沉降过程。此外，物质在介质中沉降时还伴随有扩散现象。扩散是无条件的绝对的。扩散与物质的质量成反比，颗粒越小扩散越严重。而沉降是相对的，有条件的，要受到外力才能运动。沉降与物体重量成正比，颗粒越大沉降越快。对小于几微米的微粒如病毒或蛋白质等，它们在溶液中成胶体或半胶体状态，仅仅利用重力是不可能观察到沉降过程的。因为颗粒越小沉降越慢，而扩散现象则越严重。所以需要利用离心机产生强大的离心

26、力，才能迫使这些微粒克服扩散产生沉降运动。离心就是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把样品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。1.2.3 离心机的由来与发展离心机的发展源远流长，我国古代就有这种思想的存在，现在离心机大量应用于化工、石油、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船舶等部门。中国古代，人们用绳索的一端系住陶罐，手握绳索的另一端，旋转甩动陶罐，产生离心力挤压出陶罐中蜂蜜，这就是离心分离原理的早期应用。工业离心机诞生于欧洲，比如19世纪中叶，先后出现纺织品脱水用的三足式离心机，和制糖厂分离结晶砂糖用的上悬式离心机。这些最早的离心机都是间歇操作和人工排渣的。

27、由于卸渣机构的改进，20世纪30年代出现了连续操作的离心机，间歇操作离心机也因实现了自动控制而得到发展。工业用离心机按结构和分离要求，可分为过滤离心机、沉降离心机和分离机三类。离心机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒，称为转鼓，通常由电动机驱动。悬浮液（或乳浊液）加入转鼓后，被迅速带动与转鼓同速旋转，在离心力作用下各组分分离，并分别排出。通常，转鼓转速越高，分离效果也越好。离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。离心过滤是使悬浮液在离心力场下产生的离心压力，作用在过滤介质上，使液体通过过滤介质成为滤液，而固体颗粒被截留在过滤介质表面，从而实现液-固分离；离心沉降是利用悬浮液（或乳浊液）密度不

28、同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理，实现液-固（或液-液）分离。还有一类实验分析用的分离机，可进行液体澄清和固体颗粒富集，或液-液分离，这类分离机有常压、真空、冷冻条件下操作的不同结构型式。衡量离心分离机分离性能的重要指标是分离因数。它表示被分离物料在转鼓内所受的离心力与其重力的比值，分离因数越大，通常分离也越迅速，分离效果越好。工业用离心分离机的分离因数一般为10020000，超速管式分离机的分离因数可高62000，分析用超速分离机的分离因数最高达610000。决定离心分离机处理能力的另一因素是转鼓的工作面积，工作面积大处理能力也大。选择离心机须根据悬浮液（或乳浊液）中固体颗粒的大小和

29、浓度、固体与液体（或两种液体）的密度差、液体粘度、滤渣（或沉渣）的特性，以及分离的要求等进行综合分析，满足对滤渣（沉渣）含湿量和滤液（分离液）澄清度的要求，初步选择采用哪一类离心分离机。然后按处理量和对操作的自动化要求，确定离心机的类型和规格，最后经实际试验验证。通常，对于含有粒度大于0.01毫米颗粒的悬浮液，可选用过滤离心机；对于悬浮液中颗粒细小或可压缩变形的，则宜选用沉降离心机；对于悬浮液含固体量低、颗粒微小和对液体澄清度要求高时，应选用分离机。离心分离机未来的发展趋势将是强化分离性能、发展大型的离心分离机、改进卸渣机构、增加专用和组合转鼓离心机、加强分离理论研究和研究离心分离过程最佳化控

30、制技术等。强化分离性能包括提高转鼓转速、在离心分离过程中增加新的推动力、加快推渣速度、增大转鼓长度使离心沉降分离的时间延长等。发展大型的离心分离机，主要是加大转鼓直径和采用双面转鼓提高处理能力使处理单位体积物料的设备投资、能耗和维修费降低。理论研究方面，主要研究转鼓内流体流动状况和滤渣形成机理，研究最小分离度和处理能力的计算方法。1.3 可编程控制器1.3.1 可编程控制器的产生20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制，代替传统的继电接触器控制。但采用小型计算机实现工业控制价格昂贵，输入、输出电路不匹配，编程技术复杂，因而没能得到

31、推广和应用。20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：它的继电控制系统设计周期短、更改容易、接线简单、成本低；它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程又比计算机简单易学、操作方便；系统通用性强。1969年美国数字设备公司根据上述要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在通用公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程

32、序逻辑控制器，简称PLC（Programmablc Logic Controller)。 20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器更多地具有计算机功能，不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程序控制器，简称PC（Programmablc Controller)。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer)混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。1.3.2

33、 PLC的定义及工作原理可编程控制器简称PLC (Programmable Logical Controller)，以微处理器为核心，综合微机技术、电子应用技术、自动控制技术及通信技术而发展起来的工业自动化控制装置。国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了其标准及定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，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。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计

34、。”PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。通过运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息交换实现控制。入出信息交换、可靠物理实现是PLC实现控制的两个基本要点。入出信息交换式靠运行存储于内存中的程序实现的。程序包含PLC生产厂家提供系统程序和用户根据需要自行开发的应用程序。系统程序提供了运转平台，同时还为PLC用户程序的可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。可靠物理实现主要输入（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。PLC的输入电路要对输入信号进行滤波处理，去掉高频干扰，在内部与计算机电路进行光电隔离，靠光耦原件或继电器建立连接。输出电路需进行功率的放大，以带动一般地

35、工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。PLC的工作过程：图1.5 可编程控制器的工作过程 PLC实现控制的方式是以扫描方式为主，中断方式为辅的控制方式。大量控制都是用扫描方式，个别急需的处理，可通过中断这个扫描运行的程序的方式来执行。1.3.3 PLC的功能与特点（1）PLC的功能随着自动化技术、计算机技术及网络通信技术的迅速发展，PLC的功能日益增多。它不仅能实现单机控制，而且能实现多机群控制；不仅能实现逻辑控制，还能实现过程控制、运动控制和数据处理等，其主要功能如下：1、开关量逻辑控制这是PLC的最基本的功能。PLC具有强大的逻辑运算能力，它提供了与、或、非等各种逻辑指令，可实现继电器触点的

36、串联、并联和串并联等各种连接的开关控制，常用于取代传统的继电器控制系统。使用PLC提供的定时、计数指令，可实现定时、计数功能，其定时值和计数值既可由用户在编程时设定，也可用数字拨码开关来设定，其值可进行在线修改，操作十分灵活方便。2、模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。PLC提供了各种智能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻用模拟量输入模块、热电阻用模拟量输出模块等，通过使用这些模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理；而CPU处理的数字结果，经D/A转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制

37、。3、闭环过程控制使用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如速度、温度、电流、电压等）进行PID控制。4、定时、定位、计数控制PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块，以实现各种需求的定位控制。PLC具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数控

38、制。5、顺序（步进）控制在工业控制中，选用PLC实现顺序控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图进行设计，可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。6、网络通信现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。PLC还可与其它智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。PLC与变频器组成联合控制系统，可提高交流电动机的自动化控制水平。7、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数

39、据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。（2）PLC的特点1、通用性强、灵活性好、功能齐全PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序，改变控制逻辑，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此，灵活性和扩展性都很好。2、

40、可靠性高、抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波。光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。3、编程简单、使用方便PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简单、直观性强，广大电气人员容易接受。用梯形图编程出

41、错率比汇编语言低得多。梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。4、模块化结构、安装简单、调试方便PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计，由机架和电缆将各模块连接起来，由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。调试工作大部分是室内调试，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，可以根据它进行测试、排错和修改。1.3.4 PLC的发展历史、现状及其趋势（1）发展历史虽然PL

42、C问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC迅速发展，其发展大致可分为三个阶段。1、早期的PLC（20世纪60年代末-70年代中期）一般称为可编程逻辑控制器。这时PLC多少有点继电器控制装置替代物的含义，其主要功能一般适用于单一的工序的自动控制。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上做了改进以适应工业现场控制的要求。早期的PLC装置中主要采用分立元件和中小规模集成电路，初期采用磁芯存储区存储；另外还采用了一些措施，以提高其抗干扰能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式-梯形图。因此，早

43、期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，功耗低，有故障指示，能重复使用等。2、中期的PLC（20实际70年代中期-80年代中后期）在微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样使PLC功能大大增加。在软件方面，除了保持原有的逻辑运算，计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块以及各种特殊功能模块，并扩大了存储器容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据存储器，

44、使PLC应用范围得以扩大。3、近期的PLC（20世纪80年代中后期至今）由于超大规模集成电路的应用并迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高，而且为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂还纷纷研发了专用逻辑处理芯片，这使得PLC软硬件功能发生了巨大变化，跨入21世纪后，就整体而言，不论是硬件还是系统软件，以至于联网通信，PLC正在向标准化方向发展。PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。作为离散控制的首选产品，PL

45、C在我国的应用已有30年的历史，PLC自20世纪70年代后期进入中国以来，应用增长十分迅速。PLC进入中国时最初是从成套设备引进应用，由于PLC价格昂贵，引进的PLC主要用于冶金、电力、自动化生产线等大的设备和系统。在引进国外PLC产品的过程中，我国也曾组织了相关单位消化、吸收PLC的关键技术，试图对PLC进行国产化。到80年代在上海、北京、西安、广州、长春等20多家科研单位、大专院校和工厂研制和生产PLC产品，具体的单位有：北京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、大连组合机床研究所、成都机床电器研究所、中科院北京计算机所及自动化所、长春一汽、上海起重电器厂、上海香岛机电公司、上海

46、自力电子设备厂等单位。但终因缺乏资金和后续研究力量、生产技术相对落后，都没有成功实现产业化，PLC产品运作是否成功不是由简单的一两种因素决定的。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制。（2）现状及趋势PLC被公认为现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，从世界范围来看，PLC的产量、销量都非常的高，在我国也呈直线上升，几乎在国民经济的所有部门得到了迅速的普及与推广。全世界PLC及其系统的研究与制造达200多家公司，生产着100多个系列的产品。但若按其发展的历史渊源和所受的地域影响来划分，大体可分为三个流派，即美国

47、产品、日本产品及欧洲产品。PLC集三电（电控、电仪、电传）于一体。从现代控制装置来看，无论是逻辑控制、过程控制还是运动控制都使用计算机的控制装置，计算机称为三电一体的物质基础。随着PLC的处理器处理速度的不断提高，PLC的功能不断增多，现在发展成具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名符其实的多功能控制器。1、功能向增强化和专业化的方向发展，针对不同行业的应用特点，开发出专业化的PLC产品。以此来提高产品的性能和降低产品的成本，提高产品的易用性和专业化水平。2、规模向小型化和大型化的方向发展，小型化是指提高系统可靠性基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；

48、大型化是指应用在工业过程控制领域较大的应用市场，应用的规模从几十点扩展到上千点，应用功能从单一的逻辑运算扩展几乎能满足所有的用户要求。3、系统向标准化和开放化方向发展，以个人计算机为基础，在Windows平台上开发符合全新一体化开放体系结构的PLC。通过提供标准化和开放化的接口，可以很方便地将PLC接入其它系统。1.3.5 西门子S7-300PLC简介（1）S7-300PLC的系统结构S7-300 PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）。CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背

49、后。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。CPU的右边是可以选择的IM接口模块，如果只用主架导轨而没有使用扩展支架可以不选择IM接口模块。S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，CPU和IM分别放在导轨的1号槽、2号槽和3号槽上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。如：DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等。（2）S7-300 PLC的CPU模块CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为

50、U形总线提高5V电源。CPU有4种操作模式：STOP（停机），STARTUP（启动），RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：1、6种紧凑型CPU，带有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。2、革新的标准型CPU：CPU 312、314和315-2DP。3、5种标准的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。4、户外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314户外型和315-2DP

51、。5、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。6、主从接口安全型CPU：CPU 315F-2DP。表3.3列出了部分中央处理单元CPU的主要特性，包括存储器容量、指令执行时间、最大I/O点数、各类编程元件(位存储器、计数器、定时器、可调用块)数量等。表1.1 中央处理单元CPU的主要特性特 性CPU312 IFMCPU313CPU314CPU315/CPU315-2DP装载存储器 内置20 KB RAM内置20 KBEEPROM内置20KRAM 最大可扩展256存储器卡内置40KRAM 最大可扩展512存储器卡 内置80 K RAM最大可扩展512存储器卡随机存储器6 KB

52、12 KB24 KB48 KB执行时间位操作0.6 s0.6 s0.3 s0.3 s字操作2 s2 s1 s1 s定点加3 s3 s2 s2 s浮点加60 s60 s50 s50 s最大数字I/O点数1441285121024最大模拟I/O通道323264128最大配置1个机架1个机架4个机架4个机架（3）S7-300PLC的模拟量输入输出模块在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、流量物体的成分和频率等。有的是强电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率等。变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换成标准的量程的直流电流和直流电压信号

53、，例如DC15V和DC420mA。S7-300PLC的CPU用16位的二进制补码表示模拟量值。其中最高位为符号位S，“0”表示正值，“1”表示负值，被测值的精度可以调整，取决于模拟量模块的性能和它的设定参数，对于精度小于15位的模拟量值，低字节中幂项低的位不用。表3.7表示了S7-300模拟量值所有可能的精度，标有“”的位就是不用的位，一般填入“0”。S7-300PLC模拟量输入模块可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号，而模拟量输出模块可以输出010V，15V，10V+10V，020mA，420mA，20+20mA等模拟信号。 1、模拟量输入模块SM331模拟量输入(简称模入(AI)模块

54、SM331目前有三种规格型号，即8AIl2位模块、2AIl2位模块和8AIl6位模块。SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。SM331可选四档积分时间：2.5ms、16.7ms、20ms和l00ms，相对应的以位表示的精度为8、12、12和14。 2、模拟量输出模块SM332模拟量输出(简称模出(AO)模块SM332目前有三种规格型号，即4AOl2位模块、2AO12位模块和4AOl6位模块，分别为4通道的12

55、位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。SM332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路能获得比较高的输出精度。（4）S7-300PLC的数字量输入输出模块 1、数字量输入模块SM321数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。 数字量输入模块SM321有四

56、种型号模块可供选择，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。 2、数字量输出模块SM322数字量输出模块SM322将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块；可控硅输出方式属于交流输出模块；继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。 3、数字量I/O模块SM323SM323模块有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另

57、一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种特性相同。I/O额定负载电压24 V DC，输入电压“1”信号电平为1130V，“0”信号电平为35V，I/O通过光耦与背板总线隔离。在额定输入电压下，输入延迟为1.24.8ms。输出具有电子短路保护功能。1.4 控制系统的现状及发展1.4.1 工业控制系统的现状随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，

58、又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。1.4.2 工业现场的控制系统的发展计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（Direct Digital Control, DDC）。70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式

59、计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（Distributed Control System, DCS）。进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系

60、统得到大量应用。进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O（420mA/24VDC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势

61、。2 离心机控制要求烧碱系统中的盐碱分离离心机的分离过程是一个顺序循环的工作过程，根据其工艺流程共分加料、母液、水洗、熔盐、刮刀、稀母液、大洗等7个工步，依靠加料阀、母液阀、水洗阀、稀母液阀、熔盐阀，刮刀阀，大洗阀等7个电磁阀的通断电来配合完成上述工步过程。由图2.1可知，只有前6步工作做连续循环12次后方可进入大洗工步，待大洗完毕后再进入下一次大循环。如此往复循环，直到按下复位按钮后，整个系统才停止运行。表2.1 各电磁阀的状态表注：“+”表示电磁阀通电，“-”表示电磁阀断电步骤骤开关状态阀门加料母液水洗稀母液熔盐刮刀大洗1加料阀+-2母液阀-+-3水洗阀-+-+4稀母液阀-+-5熔盐阀-+

62、-6刮刀阀-+-7大洗阀-+图2.1 盐碱分离离心机的工艺流程3 PLC控制系统的硬件设计3.1 PLC的选型PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：（1）性能与任务相适应 对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC（如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以满足要求。对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型PLC（如西门子公司的S7-200或S7-300系列、OMRON的公司的CQM1/CQM1H系列等）。对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用中档或高档机（如西门子公司的S7-300或S7-400系列、OMRON的公司的C200H或CV/CVM1系列、A-B公司的Control Logix系列等）。（2）结构上合理、安装要方便、机型上应统一按照物理结构，PLC分为整体式和模块式。整体式