信息与通信基于力控和s7200的换热站系统设计与实现

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1、沈阳理工大学学士学位论文I摘 要集中供热系统中的换热站作为供热网络与热用户之间的连接场所，其供热品质对热望工况的改善和供热质量的好坏起到重要作用。针对目前供热实际情况，设计了一款换热站变频调速控制系统，它主要是由 PLC 控制器.变频器和 PID 控制器组成。详细介绍了系统的整体设计方案.二次供水设定的温度控制.循环泵和补水泵的控制原理及具体实施。通过PLC和上位机对供水管道的温度.压力和回水管道的温度.压力进行自动监控，从而通过控制循环泵和补水泵的转速来实现恒压.恒温供热，实现了换热站系统的自动运行与人机交互。换热站控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景。它不仅能够通过自动化控制技

2、术实现安全生产的目的，还能够节提高能源的利用使排放更环保。关键词：PID；PLC；变频调速；二次供水；换热站沈阳理工大学学士学位论文IIABSTRACTAs the connector between heat supplying network and heat consumers in centralized heating system, the heat exchange station plays an important role for improving the quality of heat supply and operating status of the network

3、. Aiming at current and practical situation , a variable frequency speed regulation control system has been designed. The system is composed of PLC , inverter , and PID controller . The integral design strategy of the system, the temperature control for secondary water supply, control principle and

4、implementation of circulating pump and makeup water pump are introduced in detail. The result of operation indicates that the strategy increases the quality of heat supply and offers outstanding effect of energy saving . PLC and PC through the pipes of water supply temperature. pressure and temperat

5、ure return water pipes. pressure automatic control，So by controlling the circulating pump and fill the pump speed to achieve constant pressure. thermostatic heating, The heat transfer station system to achieve automatic operation and human-computer interaction. Heat exchange station control system h

6、as good market prospects for development and investment income. It can not only achieve security through the automation of production control purposes, Section can also use the emission energy is more environmentally friendly.Key words: PID；PLC；Variable frequency speed regulation；Secondary water sup

7、ply; Heat exchange station沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 绪论.11.1 课题研究背景及意义.11.2 国内外供热现状.21.2.1 国外供热现状.21.2.2 国内供热现状.31.3 课题研究的国内外现状.41.3.1 国外控制模式.41.3.2 国内控制模式.52 系统概述.62.1 系统的任务.62.2 系统的功能.62.3 系统的特点.62.4 系统的控制原理.72.5 PID 控制.83 系统中软硬件设备的介绍.113.1 西门子 S7-200 系统 PLC 介绍.113.1.1 S7-200PLC 的系统基本构成.113.1.2 S7-00PLC

8、的接口模块.123.1.3 S7-200PLC 的扩展模块的数量.143.1.4 S7-200PLC 的 I/O 地址分配 .143.1.4 S7-200PLC 系统功能概述.153.1.5 S7-200PLC 的通讯和网络功能.153.2 STEP 7 V4.0 编程工具简介.163.2.1 STEP7 V4.0 基本功能 .163.3 STEP 7 指令简介.193.4 力控组态软件的简介.20沈阳理工大学学士学位论文IV3.4.1 概述.203.4.2 图形开发系统.204 控制系统的硬件设计.244.1 系统主要配置的选型.244.1.1 系统所需要的主要硬件包括：.244.1.2 人

9、机界面（HMI）的选择.244.2 硬件控制配电图.264.2.1 控制箱配电图.264.2.2 EM235 接线图.264.2.3 CPU224 接线图.275 控制系统软件的设计.295.1 S7-200DE 符号表.295.2 S7-200 控制程序的设计.305.2.1 主程序.305.2.2 测量值转换为工程值程序.315.2.3 数据处理程序.325.2.4 PID 算法程序.335.2.5PID 调节.365.3 人机界面（HMI） .385.3.1 过程换面的创建.38结 论.41致 谢.42参考文献.43附 录.44附录 A 英文原文.44附录 B 汉语翻译.49沈阳理工大学

10、学士学位论文11 绪论1.1 课题研究背景及意义在我国北方广大地区，冬季城市供热是人们普遍关注的问题。随着社会的发展，节能.降耗.环保意识的增强，特别是工业自动化技术水平的提高，供热方式也在发生深刻的变化，供热正逐步有集中供热取代以往的分散供热方式，在减少城市环境污染，节约能源方面起到重要作用。当前能源和环保问题越来越多的受到关注，能源节约.环境保护.经济可持续发展已成为我国的基本国策。取暖是寒冷地区生活的必要条件，所以供热行业成为了对国民经济发展有着全局性.先导性影响的基础产业，与人们的生活息息相关。目前，对城市供热的要求，已不仅仅在于对规模的不断扩大，而是对供热系统的合理性.经济性特别是对

11、供热系统的能源有效利用率及供热可靠性提出咯更高的要求。集中供热这种供热模式逐渐为许多城市所接受。集中供热是指以热水作为热源，利用一个或多个热源通过供热管网.热交换站，向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的方式。集中供热是相对于分散小联片锅炉房供热而言的1。集中供热之所以得到迅速发展，是与其自身特点分不开的，集中供热与分散供热比较，有很多优势。首先：减少大气污染。用一个集中的热源热电厂或集中供热锅炉房，代替众多的分散锅炉用一个高烟囱代替数百个小烟囱，变面源排放为点源排放，大大的减少咯环境污染。其次：大大节约能源。利用热电厂大容量.高效率的锅炉，代替小容量.低效率的锅炉，达到节约能源的目的

12、。其三：提高供热质量。分散供热是间断供热，供一段.停一段，供热不稳定；集中供热是连续供热，并根据负荷及时调整，无论室外如何变化，试问始终保持一定。其四：低噪音.扰民少。分散供热热源点靠近居民区，产生的噪音直接影响居民；集中供热热源点远离居民区，可以有效防止噪音对居民的影响，减少扰民。其五：自动化程度高。集中供热的供热温度调节采用自动控制，能够实时地随室外的温度变化而自动调节供热参数，以满足用户的需求，同时亦可以减轻工人操作上的劳动强度。沈阳理工大学学士学位论文2其六：设备故障率低。由于集中供热可以选用供热专用设备，其设备质量高于一般的工业设备，故运行安全可靠，故障率低。所以，城市集中供热是节能

13、.环保的重要途径，是城市现代化主要基础设施之一，也是经济发展，改善人民群众物质生活的重要标志之一。1.2 国内外供热现状1.2.1 国外供热现状第二次世界大战以后，集中供热随着城市的发展而不断发展。上个世纪 70 年代后，北欧各国由于地处寒冷气候地区，也开始按照自己的实际情况，来选择合适的集中供热方式。一般以垃圾焚烧厂和热电站承担负荷，以烧煤的供热锅炉为二级负荷，以燃油锅炉为尖端负荷，是焚烧厂.热电站和锅炉房在同一供热网上协同工作，大大提高了供热效率，减少了热损失。前苏联.丹麦.芬兰.瑞典.德国等国是集中供热发展很快的国家，从设备.技术.管理等诸多方面都居世界领先水平2。丹麦集中供热占总需求热

14、量的 50%，其中热电联产占 30%。集中供热作为城市基础设施的组成部分，与电力.电话.燃气.给排水系统等受到同等重视和发展。1979 年丹麦议会通过咯“供热法”，该法要求各城市政府在分析本是能源供应的基础上制定供热的总体规划，积极推进集中供热，并最大可能地发展热点联产。他们按大.小城市不同规模因地制宜，大城市建设了世界上大型高效热电联产.集中供热系统，首都哥本哈根有四座热电厂，装机总容量达 764MW，总供热能力为 3582GJ/H:在小城市迅速发展小型热电联产.区域供热系统，这些小型热电厂的燃料为天然气.垃圾.稻草.沼气等，技术方案在燃气发动机.燃气轮机和蒸汽轮机等联合循环，小型热电联产成

15、为丹麦能源政策的重要组成部分。芬兰集中供热占总需求热量的 45%，其中热电联产占 70%.芬兰 70%的热少能源依赖进口，因此对能源的经济使用和运输政策特别重视。集中供热的能源：煤占 41%.天然气 25%.泥煤 20%.石油 9%.其他 5%。首都赫尔辛基集中供热率已达 90￥以上。瑞典集中供热占总需求热量的 34%，集中供热热力网总长 6500Km，1600 万栋公寓和 11 万小型建筑与集中供热热力网相连，说明集中供热在瑞典的城市和人口密集区已广泛使用。沈阳理工大学学士学位论文3德国集中供热总热量为 1961 万 GJ，其中西德地区热电联产占 67%，愿东德地区热电联产占 41%，因此，

16、德国也是集中供热发展较好的国家之一。韩国发展城市集中供热的历史与我国相当，也是始于七十年代末，八十年代中期进入快速发展阶段，令热刮目相看。韩国集中供热的规模.设计.施工.运行.管理全面引进芬兰供热先进技术，从实际出发，扬长避短，使供热系统更先进.完善。北欧诸国从 70 年代末开始，热用户均按热计量收费，发展到现在技术与设备水平十分先进。俄罗斯的集中供热规模和普及率居世界首位，目前俄罗斯拥有世界上最大的集中供热系统，最大输送管径达到 DN140。同时，俄罗斯还在全国范围内大力发展集中热水供应用户，实行 24h 连续供应生活热水。1.2.2 国内供热现状集中供热在我国起步晚，上个世纪 80 年代以

17、前发展速度比较缓慢，技术设备和经营管理都比较落后。我国的集中供热始于第一个五年计划期间，当时供热工程的设计.施工和运行管理工作，主要是以学习原苏联的供热技术为依据。十一届三中全会以后，随着改革开放的深入发展，城市集中供热事业才受到了社会的重视并有了一定程度的发展。近几年来我国的城市供热事业有了较大规模的发展。我国集中供热发展到今天，经历了从无到有.从小到大.从弱到强.艰苦奋斗.竞争发展的历程。我国传统的集中供热主要采取热电联产.区域联合供热和小区锅炉房供暖等几种方式。从 20 世纪 40 年代至今，60 多年的历史大致分为 4 个阶段：单纯利用阶段单纯管理阶段基础建设阶段综合发展阶段。20 世

18、纪 80 年代以前，从北方采暖地区大城市来看，以分散锅炉房供暖比重最大。进入 90 年代以来，人们对于冬季供暖的要求及质量提出了更高的要求。我国各地方的集中供热规模越来越大，热望的覆盖面积越来越广，热网结构也逐步从小规模的枝状热望向大规模的多热源联合运行的环状网方向发展。至 2011 年底，全国城市蒸汽集中供热能力 72242 吨/h,全国城市热水集中供热能力 126249MW，1996 年至 2001 年平均每年增加 4457.8MW，年均递增 6.58%，全国集中供热地区的城镇集中供热面积为146328 万平方米，其中住宅 95799 万平方米，约占 65.5%。集中供热在我国的发展将越来

19、越快，不但在北方城市逐渐普及，而且在很多南方城市地区也开始进行推广。集中供热技术将朝市场化.普及化和现代化的方向发展，沈阳理工大学学士学位论文42005 年 12 月 8 日，建设部.国家发改委等八部委联合下发关于进一步推进城镇供热体制改革的意见，要求各地用两年左右的时间实现供热的商品化.货币化，停止由房屋产权单位或职工所在单位统包的福利用热制度，改为由居民采暖用户直接向供热企业交纳采暖费。其中，大城市的集中供热系统还向多热源联合供热.复杂环形管网.热网自动化等方面发展，并逐步提高供热质量，以适应市场的发展和按热量收缴热费的形势需要。其中住宅 95799 万平方米，约占 65.5%。如今，我国

20、城市集中供热已具备一定的规模。至 1998 年有 286 个城市有集中供热设施，供热面积达 8.6 亿平方米，供热管网约为 3.5 万公里。华北.东北.西北.山东.河南等采暖地区实有房屋面积 319372 万平方米；达到总体面积的 1/4 以上，其中住宅面积占 60%以上，用热人口达 3000 万。作为城市基础设施之一的城市集中供热工程除了已有的供热功能以外，还具有很大的潜力。如北京在充分发挥现有热源和以立项建设热源的供热能力的条件下，新增供热面积 4000 万平方米；制定合理供热范围就能充分发挥已建供热网的供热能力。从而能尽快的满足房屋建设速度增长和人民生活水平不断提高的需要，又能为改善城市

21、的大气环境做出贡献。1.3 课题研究的国内外现状1.3.1 国外控制模式欧洲国家的集中供热技术发展已经比较成熟，如丹麦.芬兰.瑞典.德国。他们广泛采用的控制模式是3：一次网：根据热负荷的大小来确定热源投入运行的时序，在供暖的初期和末期，热负荷比较低，只启动热电厂主热源供热，随着气温变冷.热负荷增加再起动调峰热源。主热源利用温度控制调节循环水泵的运转，控制供水温度的恒定；调峰热源监控最不利工况处热力站的压差。当主热源供热不足时，近端有利工况处的热力站，通过开大一次网供水管上的控制阀，使之达到要求的负荷；远端不利工况处的热力站，由于得不到要求的水量而出现供热不足，资用压差减小，此时启动调峰热源，向

22、热网补充热量。当电厂主热源与调峰热源之间热负荷的调配方法不同时，最不利工况的位置可能是移动的，则需要对预先选定热力站进行巡检以获得真正的最不利工况点，然后将所监测结果反馈到调峰热源处，控制调峰热源循环泵的转速，以保证最不利热力站获得足够大的资用压差。沈阳理工大学学士学位论文5二次网：通过调节一次网供水管的控制阀来改变一次侧的流量，保证二次网供水为设定值。上述控制模式中，一次网采用量调节.二次网采用质调节。这样做的优点是，既保证一次网的节能运行（变水量控制），又简化了对二次网的控制。1.3.2 国内控制模式与国外的控制模式不同，国内的控制模式分热源和热网两部分；热网部分保证热量的分配，以均匀分配

23、总供热量，实现各热力站供热效果一致为调节目标，不涉及具体的供热指标。而热网总需热量是通过对热负荷的动态预测，并对热源部分直接调节而实现。各热力站之间的热量分配是通过各站自己独立的控制单元实现的。即根据室外温度确定二次侧供水温度值，在通过温控阀来改变一次测流量来保证二次测供水温度为设定值。为了使温控阀工作稳定.动作准确和免受大网压力波动影响，需加一个自力式压差流量调节阀来控制温度调节阀两端的压差为恒定值。在热源供热充足的情况下，每个热力站都可通过自身的自动调节满足热负荷的要求变化。当热源供热不足的情况下，各站的自力式压差流量限制阀就会起到限制各站的最大流量的作用，从而限制各站的热用量，实现均匀分

24、摊热量不足的作用。沈阳理工大学学士学位论文62 系统概述2.1 系统的任务1、了解并掌握 AUTOCAD 相关技术， 理解并能设计修改西门子 S7-200 PLC 模块接线图及相关工程图纸。2、了解并掌握西门子 S7-200 PLC 编程软件以及力控组态软件的使用方法。3、编写 S7-200 PLC 程序，实现一次网蒸汽调节阀的自动控制。（通过调节阀控制蒸汽流量，从而达到二次网供水温度的控制）以及二次网自动补水功能4、编写 S7-200 PLC 程序 实现一次网蒸汽流量、温度、压力以及二次供回水温度、压力等信号采集5、编写上位机监控画面， 显示各参数值以及循环泵补水泵等设备状态。2.2 系统的

25、功能该换热站自动控制系统主要适用城市市民和小区居民供暖，在天气温度变化不同的情况下保持母管处水压压力恒定的要求。该系统可实现下列功能：手动/自动工作功能；启动功能；可编程控制器根据给定信号和反馈信号的大小，输出相应的控制信号给变频器，变频器依据输入的电流信号的大小，控制水泵进行调速运行；系统的工作状态通过力控组态界面进行显示；2.3 系统的特点本系统驱动主要由两台循环泵和两台补水泵组成的系统。在二次网供水侧一台循环水泵采作为调速泵，给热用户供热水。其他的一台循环水泵作为备用泵。在二次网回水侧的补水泵主要是用来对管道进行补水使回水压力保持稳定。实现一定范围的恒压供水。沈阳理工大学学士学位论文72

26、.4 系统的控制原理在一次网侧，由热水厂恒压向一次网供水管道供热水流经换热板换器将热水的温度经热传递给二次网。管道中热水经热传递后温度下降，下降后的低温水经由一次网回水管道回到热水厂进行加热，再对一次网供水管道供水，如此反复循环。一次网管道上的调节阀的开度和二次网供水温度成正比。当二次网供水温度低的时候，调节阀开度变大。当二次网供水温度高的时候，调节阀开度减小。在二次网侧，二次网供水管道将换热板换器中的热水向用户恒压供热水。热水经热用户使用后温度下降，下降后的低温水经二次网回水管道流回换热板换器进行加热，如此不断循环。二次网侧有两台循环泵和两台补水泵。两台循环泵的利用是，一台变频调速给二次网恒

27、压供水，另一台是当一台泵出现故障的时候做为备用泵启用给二次网恒压供水。两台补水泵的利用也和循环泵一样，一用一备。补水泵的功能是因为在供.回水的过程中管道中的水会有损耗，这样在回水管道中的水会出现不足就不能恒压回水，这时候回水泵就对回水管道进行补水。变频调速的循环泵的频率和二次网供水压力成正比。当二次网供水压力小的时候，循环泵频率增大加快泵的转速使供水压力上升到设定压力并保持恒速转动。当供水压力大于设定压力时，就降低循环泵的频率使泵的转速减小让供水压力下降到设定值压力。二次网供回水闭环控制系统如图 2.1 所示沈阳理工大学学士学位论文8图 2.1 二次网供回水闭环控制系统原理2.5 PID 控制

28、送水泵房所完成的功能主要是对送水泵的变频恒压控制，然而变频恒压控制的核心是恒压控制，它是根据水压的给定值与供水管道实际压力的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机转速以适应管路中压力的变化。PID 控制和模糊控制（本文不涉及）是目前使用的两种主要方法4。PID 控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一，它的原理如图 2.2 所示。图 2.2 PID 控制原理图通过对被控制对象的传感器等检测控制量（反馈量），将其与目标值（温度、流量、压力等设定值）进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控

29、制、压力控制、温度控制等过程量的控制4。1、PID 控制算法的一般形式PID 控制器根据目标值（设定值）与反馈值（测量值）构成的控制偏差：)(tr)(tc (2.1)()()(tctrte将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为： (2.2)式中， 调节器的比例系数；pK 调节器的积分时间；iT 调节器的微分时间；dK)()()(1)()(0tdiptdtdeTteTteKtU沈阳理工大学学士学位论文9 调节器的偏差信号；)(te 输出。)(tU简单来说，PID 控制器各校正环节的作用是这样的：比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信

30、号，偏差一旦产生，控制器)(te立即产生控制作用以减少误差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数。越大，积分作用越弱，反之则越强。iTiT微分环节：能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID调节器的传递函数是： (2.3)式中，比例带（比例系数的倒数）。pK当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例（P）作用，只包含第二项时，称为积分作用；但只包含第三项的单纯微分（D）作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是 PI 作用;只

31、包含第一、三项的是PD 作用；同时包含这三项的是 PID 作用。仅用 P 动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加 I 动作的 P+I 控制。用 PI 控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I 动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P 动作控制。对于 PD 控制，发生偏差时，很快产生比单独 D 动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P 动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅 P 动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使 P 动作的振荡衰减和系统稳定，可用 PD 控制。换言

32、之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用 I 动作消除偏差作用和用 D 动作抑制振荡作用，在结合 P 动作就构成了 PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用 PID 控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合 PID 调节）效果比较好4。111)(sTsTsGSdi沈阳理工大学学士学位论文102、离散 PID 控制算法在用计算机、单片机、PLC 等作为控制装置进行直接数字控制（DDC）时，对各个被控制变量的处理在时

33、间上是离散进行的。DDC 控制方式的特点是采样控制，每个被控制变量的测量值间隔一段时间与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出值，通常把它保留到下一采样时刻4。目前离散 PID 控制算法主要有两类，第一类叫做位置式算法，即对 2.2 式进行差分后直接给出，第二类叫做增量算法，目前有比较广泛的应用，在这种情况下计)(ke算机的输出是增量。)(ku (2.4) 1()()(kukuku位置算法如下： (2.5)上式可改写为： (2.6)1()()()()(0kekeKjeKkeKkukjdip增量算法如下：) 1()()(kukuku (2.7)2() 1(2)()() 1()(kekekeK

34、keKkekeKdip各式中： 第次采样的误差值；)(kek 第次采样的误差值；) 1( ke1k 积分系数；ipiTTKK/ 微分系数；TTKKdpd/ 采样周期；T 比例系数。pK考虑到变频调速恒压供热系统的控制对象是一个时变的、线性的、滞后的、模型稳定、调节时间较长，超调量比较大、存在一定的动态超调的对象，并且系统的压力是人为给定的一个大概范围，故系统允许有一定的偏差，同时考虑到系统的经济性和系统投入方便等因素，采用离散的 PD 算法对水压进行恒定控制。)1()()()()(0kekeTTjeTTkeKkukjdip沈阳理工大学学士学位论文113 系统中软硬件设备的介绍可编程序控制器（P

35、rogrammable Controller,英文缩写为 PC、后又称为 PLC）是以微处理器为基础，综合饿计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字控制技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和 CAD/CAM）之一。PLC 控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC 装置已成为自动化系统的基本装置5。3.1 西门子 S7-200 系统 PLC 介绍3.1.1 S7-200PLC 的系统基本构成1.基本单元（S7-200CPU 模块）基本单元(S7-200 CPU 模块)

36、也称主机。由中央处理器（CPU）.电源以及数字量输入输出单元构成。这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。在 CPU 模块的顶部端子盖内有电源及输出端子；在底部端子盖内有输入端子及传感器电源；在中部右侧前盖内有 CPU 工作方式开关（RUN/STOP）.模拟调节电位器和扩展 I/O 连接接口；在模块的左侧分别有状态 LED 指示灯.存储器卡.及通信口。2.个人计算机（PC）或编程器个人计算机（PC）或编程器装上 STEP7-Micro/WIN32 编程软件后，即可供用户进行程序的编制.编辑.调试和监视等。要求个人计算机（PC）的配置:CPU 为 80586 或

37、更高的处理器，16MB 内存；VGA显示器(分辨率 1024*768 像素)；硬盘空间至少 50MB；3.STEP7-Micro/WIN32 编程软件STEP7-Micro/WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，它支持 32 位Windows95, Windows98 和 WindowsNT4.0 使用环境。它的基本功能是创建.编辑.调试用户程序.组态系统等。4.通信电缆通信电缆是 PLC 用来与个人计算机（PC）实现通信的。可以用 PC/PPI 电缆；使沈阳理工大学学士学位论文12用通信处理器（PC）时，可用多点接口（MPI）电缆；使用 MPI 卡时，可用 MPI 卡专用通

38、信电缆。5.人机界面人机界面主要指专用操作员界面，例如操作员面板.触摸屏.文本显示器等，这些设备可以使用户通过友好的操作界面轻松地完成各调整和控制的任务。3.1.2 S7-00PLC 的接口模块1.数字量模块：（1）数字量输入模块数字量输入模块的每一个输入点可接受一个来自用户设备的离散信号（ON/OFF），典型的输入设备有：按钮.限位开关.选择开关.继电器触点等。每个输入点与一个且仅与一个输入电路相连，通过输入接口电路把现场开关信号变成 CPU 能接受的标准信号。数字量输入模块可分为直流输入模块和交流输入模块，以适应实际生产中输入信号电平的多样性。直流输入模块（EM221 8*DC24V）有

39、8 个数字量输入端子，分成两组每组需用户提供一个 DC24V 点源。交流出入模块（EM221 8*AC120V/230V）有 8 个分隔式数字量输入端子。交流输入模块端子每个输入点占用两个接线端子，它们各自使用 1 个独立交流电源。（2）数字量输出模块数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散型（ON/OFF）负载。典型的负载包括：继电器线圈.接触器线圈.电磁阀线圈.指示灯等。每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连，通过输出电路把 CPU 运算处理的结果转换成驱动现场执行机构的各种大功率的开关信号。由于现场执行机构所需电流是多种多样的，因而，数字量输出模块分为直流输出模块.交流输出模块

40、.交直流输出模块三种。直流输出模块（EM222 8*DC24V），有 8 个数字量输出点，分成两组每组需用户提供一个 DC24V 的电源。交流输出模块（EN222 8*AC120V/230V）有 8 个分割式数字量输出点，每个输出点占用两个接线端子，且它们各自都有用户提供一个独立的交流电源，这些电源可以不相同。交直流输出模块（EM222 8*继电器）有 8 个输出点，分成两组，每组需用户提供沈阳理工大学学士学位论文13一个外部电源。（3）数字量输入输出模块数字输入输出模块（EM223）。在一块模块上既有数字量输入点又有数字量输出点，这种模块称为组合模块或输入输出模块。数字量输入输出模块的输入电

41、路及输出电路的类型与上述介绍的相同。在同一块模块上，输入.输出电路的类型的组合有多种多样，用户可根据控制需求选用。有了数字量组合模块可使系统配置更加灵活。2.模拟量模块：(1)模拟量输入模块(A/D)模拟量信号是一种连续变化的物理量，如电流.电压.温度.压力等。工业控制中，要对这些模拟量进行采集并送给 PLC 的 CPU，必须先对这些模拟量进行模/熟（A/D）转换。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成 PLC 所能接受的数字信号。模拟量输入模块设有电压和电流输入端。输入信号经滤波.放大.模/数转换得到数字信号，在经过光耦合器进入 PLC 内部电路。模拟量输入模块（EM231）具有 4 个模拟

42、量输入通道。每个通道占用存储器 AI 区域 2 个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。电压输入范围：单极性010V，05V；双极性-5+5V,-2.5+2.5V，电流输入值范围：020mA。模拟量到数字量的最大转换时间为 250s。该模块需要直流 24V 供电。可由 CPU 模块的传感器电源 DC24V/400mA 供电，也可由用户提供外部电源。(2)模拟量输出模块（D/A）在工业控制中，有些现场设备需要用模拟信号控制。如电动阀门.液压电磁阀等执行机构，需要用连续变化的模拟信号来控制或驱动。这就要求把 PLC 输出的数字量转换成模拟量，以满足设备的需求。模拟量输出模块的作用就是把 PLC 输

43、出的数字信号转换成相应的模拟量信号，以适应模拟量控制需求。PLC 输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，经光耦和后的数字信号，再进入数/模(D/A)转换器，转换后的直流模拟量信号经运算放大器放大后驱动输出。通常模拟量输出模块提供电压输出和电流输出。模拟量输出模块（EM232）具有 2 个模拟量输出通道。每个输出通道占用存储器AQ 区域 2 个字节。该模块输出的模拟量可以是电压信号，也可以是电流信号。输出信号的范围：电压输出-10+10V,电流输出为 020mA。电压输出的设置时间为 100s,电流输出的设置时间为 2ms。用户程序无法读取模拟量输出值。该模块需要 DC24V 供

44、沈阳理工大学学士学位论文14电。可有 CPU 模块的传感器 DC24V/400mA 供电，也可由用户外部供电。(3)模拟量输入输出模块S7-200 配有模拟量输入输出模块（EM235）。EM235 具有 4 个模拟量输入通道.1 个模拟量输出通道。该模块的输入功能同EM231 模拟量输入模块，技术参数基本相同。只是电压输入范围有所不同。该模块的模拟量输出功能和 EM232 模拟量输出模块。技术参数基本相同。该模块需要 DC24V 供电。可有 CPU 模块的传感器电源 DC24V/400mA 供电。也可由用户提供外部供电。3.能模块：为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC 还配有多种智能模块，

45、以适应工业控制的多种需求。智能模块由处理器.存储器.输入输出单元.外部设备接口等组成。只能模块都有其自身处理器，它是一个独立的自治系统，不依赖于主机的运行方式而独立运行。只能模块在自身系统程序的管理下，对输入的控制信号进行检测.处理和控制，并通过外部设备接口与 PLC 主机实现通信。主机运行时每个扫描周期都要与智能模块交换信息，以便综合处理。这样，只能模块用来完成特定的功能。而 PLC 只是对智能模块的信息进行综合处理。以便使 PLC 可以处理其他更多的工作。3.1.3 S7-200PLC 的扩展模块的数量 各类主机可待扩展模块的数量是不同的。CPU221 模块不允许带扩展模块；CPU222

46、模块最多可带 2 个扩展模块；CPU224 模块.CPU226.CPU226XM 模块最多可带7 个扩展模块，且 7 个扩展模块中最多只能带 2 个智能扩展模块。3.1.4 S7-200PLC 的 I/O 地址分配CPU226 模块可带 7 块扩展模块，CPU226 模块提供的主机 I/O 点有 24 个数字量输入点和 16 个数字输出点。模块 0 是一块具有 8 个输出点的数字量扩展模块。模块 1 是一块 4IN/4OUT 的数字量扩展模块，实际上它却占用了 8 个输入店地址和 8 个输出店地址，即（I4.0I4.7 Q2.0Q2.7）。其中输入店地址（I4.0I4.7）.输出店地址（Q2.

47、0Q2.7）由于没有提供相应的物理点与之相对应，那么与之对应的输入沈阳理工大学学士学位论文15映像寄存器（I4.0I4.7）.输出映像寄存器（Q2.0Q2.7）的空间就被丢弃了，且不能分配给 I/O 链中的后续模块。由于输入映像寄存器（I4.0I4.7）在每次输入更新时都被清零，因此不能用作内部标志位存储器，而输出影像寄存器（Q2.0Q2.7）可以作为内部标致存储器使用。模块 2.模块 3 是具有 4 个输入通道和 1 个输出通道的模拟量扩展模块。由于模拟量扩展模块是以 2 个通道递增的方式来分配空间，因而他们却分别占用了 4 个输入通道的地址和 2 个输出通道鹅地址。3.1.4 S7-200

48、PLC 系统功能概述S7-200 PLC 系列是一种紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架由构成系统的CPU 模块和丰富的扩展模块组成。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200 除具有 PLC 基本的控制功能外，更在以下方面具有独到之处，这些也是 S7-200 PLC 普遍受欢迎的原因6。1、 功能强大的指令集指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂运算指令、PID 指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等。2、 丰富强大的通讯功能S7-200 PLC 提供了近 10 种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的 S7-200 之间的通讯到 S7-200 通

49、过 Profibus-DP 网络通讯，甚至到 S7-200 通过以太网通讯。3、 编程软件的易用性STEP7-Micro/WIN32 编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好环境。全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows 的界面风格以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。4、 不断地创新创新是西门子公司的一贯风格，在 S7-200 上更是体现得淋漓尽致。永不停歇地推出新品，是更多的需求梦想成为现实，这正是 S7-200 成为市场佼佼者的原动力。3.1.5 S7-200PLC 的通讯和网络功能S7-200 提供了多种通讯和网络功能，包括 PPI 网络通讯功能、OPC 网络通

50、讯功能、自由口通讯功能、以太网通讯功能和 Modem 远程通讯功能。S7-200 编程软件 STEP7-沈阳理工大学学士学位论文16Micro/WIN32 V3.2 以上版本提供了 USS 和 Modbus RTU 从站指令库。USS 和 Modbus RTU 从站指令库都使用 S7-200 CPU 的自由口通讯模式编程实现。S7-200 支持的 PPI、OPC、自由口通讯模式都需要建立在 RS-485 串行通信接口的硬件基础之上 3.2 STEP 7 V4.0 编程工具简介3.2.1 STEP7 V4.0 基本功能STEP7-MICRO/WIN32 的基本功能是协助用户完成应用软件的开发任务

51、，例如创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。利用该软件可设置 PLC 的工作方式和参数，上载和下载用户程序，进行程序的运行监控。他还具有简单语法的检查、对用户程序的文档管理和加密得到那个功能，并提供在线帮助6。上载和下载以后程序指的是用 STEP7-Micro/WIN32 编程软件进行编程时，PLC 主机和计算机之间的程序、数据和参数的传送。上载和用户程序时将 PLC 中的程序和数据通过通信设备（如 PC/PPI 电缆）上载到计算机中进行程序的检查和修改；下载用户程序是将编制好的程序、数据和 CPU 组态参数通过通信设备下载到 PLC 中以进行运行调试。程序编辑中的语法检查功能可以避免一些语

52、法和数据类型方面的错误。软件给你的实现可以子啊联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。联机方式是指带编程软件的计算机或编程器与 PLC 直接连接，此时可实现该软件的大部分基本功能；离线方式是指带编程软件的计算机或编程器与 PLC 断开连接，此时只能实现部分功能，如编辑、编译及系统组态等。沈阳理工大学学士学位论文173.2.2 主界面各部分功能启动 STEP7-Micro/WIN32 编程软件，其主界面外观如图所示。图 3.1 编程软件主界面界面一般可分以下几个区:菜单条（包含 8 个主菜单项）、工具条（快捷按钮）、引导条（快捷操作窗口）、指令树（快捷操作窗口）

53、、输出窗口、状态条和程序编辑器、局部变量表等（可同时或分别打开 5 个用户窗口）。除菜单条外，用户可根据需求决定其他窗口的取舍和样式设置。菜单条菜单条使用鼠标单击或采用对应热键操作，打开各项菜单，各主菜单项功能如下：(1) 文件（File） 文件操作可完成如新建、打开、关闭、保存文件，上载和下载程序，文件的打印预览、打印设置和操作等。(2) 编辑（Edit） 编辑菜单能完成选择、复制、剪切、粘贴程序块或数据块，同时提供查找、替换、插入、删除、快速光标定位等功能。沈阳理工大学学士学位论文18(3) 检视（View） 可以设置软件开发环境的风格，如决定其他辅助窗口（引导条窗口、指令树窗口、工具条按

54、钮区）的打开与关闭；执行引导条窗口的任何项；选择不同语言的编程器（包括 LAD、STL、FBD 三种）；设置三种程序编辑器的风格，如字体、指令盒大小等。(4) 可编程序控制器(PLC) 可建立于 PLC 联机时的相关操作，如改变 PLC 的工作方式、在线编译、查看 PLC 的信息、清除程序和数据、时钟、储存器卡操作、程序比较、PLC 类型选择及通信设置等。还可提供离线编译的功能。 (5) 排错（调试，Debug） 主要用于联机调试。在离线方式下，该菜单的下拉菜单呈现灰色，表示此下拉菜单不具备执行条件。(6)工具（Tools）可以调用复杂指令向导（包括 PID 指令、NETR/NETW 指令和H

55、SC 指令），使复杂指令的编程工作大大简化；安装 TD200 文本显示器；改变界面风格（如设置按钮及按钮样式，并可添加菜单项）；用“选项”子菜单也可以设置三种程序编程编辑器的风格，如语言模式、颜色、字体、指令盒的大小等。(7) 视窗（Window）可以打开一个或多个窗口，并可进行窗口之间的切换，可以设置窗口的排放形式，如层叠、水平、垂直等。(8)帮助（Help） 通过帮助菜单上的目录和索引项可以检阅几乎所有相关的使用帮助信息，帮助菜单还提供网上查询功能。而且在软件操作过程中的任何步或任何位置都可以按 F1 键来显示在线帮助，大大方便了用户的使用。2、 工具条提供简便的鼠标操作，将最常用的 ST

56、EP7-Micro/WIN32 操作以按钮形式设定到工具条中。可用“检视”菜单的“工具栏”项自定义工具条。可添加和删除三种按钮：标准、调试和指令。(1) 引导条引导条提供按钮控制的快速窗口切换功能。可用“检视”菜单的“浏览栏”项选择是否打开。引导条包括程序块（Program Block）、符号表（Symbol Table）、状态图表（Status Chart）、数据块（Data Block）、系统块（System Block）、交叉索引(Cross Reference)和通讯（Communications）七个组件。一个完整的项目（Project）文件通常包括前六个组件。 (2) 指令树指令树

57、提供编程时用到的所有快捷操作命令和 PLC 指令。可用“检视”菜单的沈阳理工大学学士学位论文19“指令树”项决定是否将其打开。(3)输出窗口用来显示程序编译的结果信息。如程序的各块（主程序、子程序的数量及子程序号、中断程序的数量及中断程序号）及各块的大小、编译结果有无错误编码和位置等。(4)状态条也称任务栏，显示软件执行状态，编辑程序时，显示当前网络号、形号、列号；运行时，显示运行状态、通信波特率、远程地址等。(5) 程序编辑器可用梯形图、语句表或功能图表编辑器编写用户程序，或在联机状态下从 PLC 上载用户程序进行程序的编辑或修改。(6) 局部变量表每个程序块都对应一个局部变量表，在带参数的

58、子程序调用中，参数的传递就是通过局部变量表进行的。3.3 STEP 7 指令简介程序是由基本的指令系统构成的。LAD 指令系统位编辑指令（Bit Logic）：位逻辑指令处理布尔值“1”和“0”。在 LAD 表示的接点和线圈中，“1”表示动作或通电，“0”表示未动作或未通电比较指令（Comparator）：比较指令是对两个输入 IN1 和 IN2 进行比较，比较的内容可以是相等、不等、大于、大于等于和小于等于。如果比较结果为真，则 RLO 为“1”比较指令有三类，分别用于整数，双整数和实数。转换指令（Converter）：转换指令可以将参数 IN 的内容进行转换或更改符号，其结果可以输出到参数

59、 OUT。赋值指令（Move）：MOVE（赋值指令）将在输入端 IN 的特定值复制到输出端OUT 上的特定地址中。MOVE 只能复制 BYTE（字节）、WORD（字）或DWORD（双字）数据对象。此外还有计数器指令，数据块调用指令，逻辑控制指令，整数算数运算指令，浮点算数运算指令，程序控制指令，移位和循环指令，状态位指令，定时器指令，字逻沈阳理工大学学士学位论文20辑指令。沈阳理工大学学士学位论文213.4 力控组态软件的简介3.4.1 概述典型的计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，构成了一个分布式的工业网络控制系统，其中设备层负责将物理信号转换成数字或标准的

60、模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的，管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组 成部分。 力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等

61、）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短了自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行整体的集成6。3.4.2 图形开发系统1、开发环境软件提供了一个高度集成化、可视化的开发环境，采用面向“对象”设计的导航器和工具箱，友好的界面风格使您“上手”非常容易。用户可以配置和组态出自己的开发环境和操作风格，管理工程画面更方便。动画连接

62、设置可以构成逼真强大的动画效果，可以提供多种工业标准的复合图形组件来完成过程的监控。预制图形模板、工程模板，提供上千种丰富的工业图形元素，提供自定义图库开发工具，用户可以方便地生成自己的自定义图库，“智能单元”功能可以使您自己打造沈阳理工大学学士学位论文22带“脚本”的矢量子图，用户自己可以构造更多的矢量子图。支持 HMI 图元的对象图层，通过“脚本”可灵活控制图元对象图层的显示与隐藏，支持多达几百种过渡色和渐进色调色板，丰富的调色板在颜色选择时更直观、方便，开发更灵活。可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD 等）的图片，方便画面制作。支持大画面漫游功能、支持单机多屏和系统自

63、定义菜单功能，自定义菜单其中包括窗口弹出式菜单和定义在各个图形对象上的右键菜单，配合脚本程序与自定义菜单，可以实现更为灵活与复杂的人机交互过程。 控科技经过多年的开发和行业深入的应用，在石油、石化、楼宇 IBMS、窑炉、真空炉等行业具备大量的行业图形控制组件，适合专用行业自动化软件工程的快速构建，软件完全符合软件工程规范，强大的“容器”方便容纳第三方“控件”，通过脚本编译系统使第三方“控件”可以有效的融合到系统中，强大的功能组件是为了满足工程技术人员的需要而设计的，足够的灵活性保证了它具有广泛的适应性。2、控件及组件通过趋势曲线组件可以对生产数据进行完整、方便的数据分析，可完成数据的实时与历史

64、显示，历史曲线可完成曲线的放大、缩小、平移，可任意添加、删减曲线，该组件提供了 64 个“方法”，通过“脚本”可以任意调用“方法”来设计不同行业的曲线分析工具。1)XY 曲线组件：可以自由的进行曲线分析和查询。2)温控曲线组件：可以进行温度的自动升温和保温控制，同时可以完成文件的存盘、打印、回放等功能。3)标准 WINDOWS 组件：支持标准的文本框、单选框、列表框等组件。4)报警组件：集成的报警管理和查询，可完成实时与历史报警的查询与管理。5)事件组件：可以详细的记录操作人员的各种操作过程、系统事件。6)事故追忆：可针对发生生产事故时的数据进行定位和分析不同的事故数据，通过报表和曲线的方式来

65、进行表示和查询。7)设备诊断组件：可统计开关型设备（如电机、阀门）的运行次数、时间，并且可以根据以上条件进行判断是否发生报警提示。8)操作器面板：提供开关手操器、模拟手操器、PID 手操器面板，方便 DCS 系统控制画面生成，简化组态过程。沈阳理工大学学士学位论文239)多媒体组件：可以完成视频图象的实时播放，视频图象的存储、捕捉和回放，可以播放各种格式的视频、音频文件，可以有效的集成视频监控。10) 幻灯片组件：灵活的幻灯片播放，可进行自由控制。11) 浏览器组件：使软件可以成为为标准的浏览器客户端。12) 直方图组件：对生产数据以饼图、直方图、散点图的方式进行综合分析。13) 历史追忆组件

66、：可以追忆带毫秒标签的数据，方便事故查询。14) GSM 短信管理组件：完善的报警短信管理，生产出现问题的时候，通过移动网络将报警信息及时地发送到管理者的手机上。3、脚本系统提供强大的面向“对象”编程方式，采用类“Basic”的语言方式进行开发，提供完善的变量管理功能，可以查找、批量替换、定位、重命名变量等，从而构造一个良好的二次开发平台。系统内置系统变量、间接变量、中间变量、数据库变量等多种变量方式，支持间接寻址功能，系统变量可自动提取 IO 通讯状态，报警信息、系统时钟等。面向对象设计的脚本编译环境采用“所见即所得”的风格，方便的引用方法和变量，提供强大的系统函数，支持自定义函数, 内置的组件都具备大量的“方法”和属性，在“脚本动作”中可任意调用。脚本类型和触发方式多样，支持条件动作、数据变化动作、窗口动作、循环动作、自定义动作等，支持数组运算和 FOR 循环结构。4、系统安全系统提供的进程管理器可以管理所有的软件“后台”进程，当应用程序出错时，进程管理器可自动监控、诊断，并且可以保证应用程序进行自恢复。系统提供了完备的安全保护机制，以保证生产过程的安全可靠，提供系统安全区的概念，