毕业设计论文工厂蒸发车间监控系统设计软件开发与设计

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1、西安建筑科技大学毕业设计（论文）任务书课题名称： 工厂蒸发车间监控系统设计（软件开发与设计）学 院：信控学院专 业：自动化姓 名： 学 号：_ 教师(签字)：_一、 毕业设计（论文）的目的与要求1、 设计目的：通过工厂蒸发车间监控系统的设计，使学生总结四年来所学知识，通过毕业设计得到综合训练，使得理论教学与生产实践相结合。培养大学生的科研创新能力、实践能力和创业精神。2、 要求：认真努力，勤于实践，独立完成毕业设计（论文）任务，充分发挥主观能动性和创造性，实事求是，不弄虚作假，不抄袭他人成果。 严格遵守纪律，按时按要求（包括形式要求与撰写要求）完成指导教师安排的工作。凡不按要求完成且在规定时间

2、内无改进的，不得进行下一步的设计工作。 毕业设计（论文） ( 设计 ) 须符合形式要求及撰写要求 （请参照学校有关规定 ）；所有要求提供的文档材料（除实习日记及已有要求的）一律按学校对毕业设计（论文）撰写格式的要求撰写。 二毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数） 统计蒸发车间生产工艺监控点数，详细列写模拟量及开关量点数，参数变化范围； 选出下位机型号，画出硬件联结图； 针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序； 编写通信程序； 正确调试通信及监控程序，完成系统通调； 写毕业设计论文。三、毕业设计（论文）题目应完成的工作 统计蒸发车间生产工艺监控点数，详细列写模拟量及开关量点数，参数变化

3、范围； 选出下位机型号，画出硬件联结图； 针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序； 编写通信程序； 正确调试通信及监控程序，完成系统通调； 写出自己的心得体会。四、毕业设计（论文）进程的安排 序 号 设计（论文）各阶段任务 日 期 备 注 1收集有关毕业设计的参考资料第14周2画出工艺流程平面图；统计工艺要求的监控点数，以及参数范围；第5周3针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序；第6周4选出系统通信方案第7周 5针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序；第810周 6编写通信程序；正确调试通信及监控程序，完成系统通调；第1113周 7写毕业设计论文。第1415周五应收集的资料及主要

4、参考文献： 、氧化铝生产工艺参考书；、西门子S7系列PLC使用说明书；、测量仪表手册；、控制网通信原理；、DCS系统设计方案；、有关自动控制系统方面的参考资料。 六、 任务执行日期：自_05_年_3_月_9_日起，至_05_年_6_月_20_日止。 七、审核批准意见指导教师（签字） _ 教研室主任（签字）_ 主管院长（主 任）（签字）_工厂蒸发车间监控系统设计（软件开发与设计）院 （系）： 信控学院专业班级： 自动化-02学生姓名：苏 楠学 号：201051224指导教师： 席爱民工厂蒸发车间监控系统设计（软件开发与设计）摘 要在拜尔法生产氧化铝工艺中，母液蒸发过程的自动控制可以稳定矿浆的制备

5、和后续流程的生产过程。他对增加产量，节能降耗，保持产品质量都具有重要意义。该过程的主要设备蒸发器系统具有检测大滞后的特征，PID控制能够较好地实现该过程的控制。本文首先结合山西铝厂氧化铝三分厂蒸发车间的生产工艺，设计了蒸发车间生产自动控制系统。本系统采用集散控制技术来实现对其的合理控制，简化了系统结构，节约了硬件设备，提高了系统的可靠性和灵活性。该系统硬件配置经济、合理，有较强的抗干扰能力，软件设计功能丰富，人机界面友好，操作简便。其次，对目前生产中存在的蒸发器出料密度难以控制的问题，分析了带有预估模型环节的PID控制器的基本原理、实现方法，并将其应用于蒸发器出料密度控制中。计算机仿真结果表明

6、，该方法可以获得满意的动、静态性能和良好的鲁棒性，适用于大惯性、纯滞后且无法或很难得到精确模型的对象。关键词：拜尔法，PID控制,纯滞后，集散控制The Design Of Superisor System Of Factory Evaporation WorkshopThe Develop And Design Of SoftwareAbstractDuring the producing process of Alumina,original liquid evaporation process that is controlled efectively,can stabilize the

7、 slurry preparation of mine and the next fl ow of work. It has a significant efect to increase output and economize energy and assure the quality of production. The evaporators system,the main equipment of this process,h as big time-delay characteristic, so PID control, can control the evaporation p

8、rocess successfully.This paper has first designed the automaticc ontrol system used DCS ontrol technology for evaporation workshop of the third alumina plant in Shanxi. It can simplify the structure and improve the robustness and safety of system. Design scheme of hardware about evaporators automati

9、on control system is reasonable, economical,and efficient to disturbances. Software has plenty functions and satisfactory control effects.Its operation is simple because of friendly man-machine interface.Second, This paper analyzes the basic principle and actualization method of PID logic control wi

10、th predictive model which is applied in liquor density control for the Evaporators in evaporation workshop. Computer simulation results demonstrate that th is method can achieve satisfactory dynamical characteristic, static characteristic and good robusticity. It is applicable to objects with large

11、inertial, no-linear and time-delay that have not(or is dificult to)achieve exact model.Keyword:PID Control,Predict,DCS,Time-delay目录1绪 论1111.2 本课题在国内外的发展现状11.3 课题的设计方向和解决的主要问题22 蒸发车间工艺流程概述33 本课题设计的基本前提和前期工作53.1 本课题设计的基本原则53.2 分析系统对控制的要求53.2.1工作的任务与意义53.2.2 确定所要控制的对象63.2.3系统对控制的要求73.2 确定用户I/O设备73.2.1

12、设计方法73.2.2 PLC的选型83.2.4 了解PLC控制的系统结构114蒸发车间控制程序设计124.1控制器和编程语言。124.1.1可编程控制器介绍124.1.2 PLC的基本组成和各部分的作用134.1.3 PLC的工作原理154.1.4 PLC的编程语言174.1.5 编程软件184.2 控制程序设计194.2.1 控制系统分析194.2.2 控制算法选择204.2.3 程序设计思路204.2.4 主程序设计214.2.5 参数表的定义224.2.6 子程序设计244.2.7 PID控制算法的数字化实现264.2.8 中断程序0设计284.2.9 总结程序的设计方法304.3程序的

13、调试315 PLC的通信设计335.1 PLC通信及网络335.1.1 PLC通信及网络基本知识335.1.2 S7系列PLC网络类型及子网络通信协议。345.1.3 S7-200网络及应用355.2 SIEMENS的数据通信技术355.2.1 PROFIBUS现场总线技术355.2.2利用ModBus协议进行通信366结 论371绪 论1.1课题的由来和应用价值 山西铝厂三分厂采用烧结拜耳混联法进行氧化铝生产，蒸发车间是拜耳法氧化铝生产工艺中水量平衡的重要环节，用来浓缩溶液和分离在过程中积累的杂质（纯碱、硫酸盐大部分有机物等）。为了改进山西铝厂三分厂氧化铝生产的质量，提高工业过程控制的通用性

14、、可靠性和改善控制精度，于是对蒸发车间的自动化生产进行改造，采用带有PID和预估等控制策略的自动化蒸发车间监控系统。在需要闭环控制方式来控制温度、压力、流量等大滞后、非线性连续变化的模拟量控制系统中这一控制方法已经得到了广泛的应用。工艺流程中，蒸发器组是拜耳法生产的一个重要环节。在拜耳法生产氧化铝工艺中，母液蒸发过程是保持生产系统液量平衡，浓缩溶液，排除生产过程中积累的碳酸钠、硫酸钠等杂质以及配置合格循环碱液的关键。由于母液蒸发过程的自动控制可以稳定矿浆的制备以及后续流程的生产过程，对保证产品质量、稳定产量，控制降耗等具有重要意义。1.2 本课题在国内外的发展现状实现母液蒸发生产过程的优化控制

15、一直是冶金行业研究的重点问题。只有对该过程的各种操作条件和控制对象进行仔细的分析，拿出行之有效的办法（控制策略），才能稳定生产过程，同时最大限度地提高热能利用率，以减少蒸发的能量消耗。在工业生产的自动控制中，检测和控制的参数主要有压力、温度、密度(浓度)、液位、流量等，研究的目的是对这些模拟量进行快速有效的监控，减小滞后，以达到控制的目的。早在20世纪70年代，世界上一些有色冶金发达的国家如美国、英国、澳大利亚、南非等在氧化铝生产的蒸发工艺中就已经较完整地采用或部分地采用集散控制系统，分层控制的体系进行自动控制，最低层采用PID控制器控制一些操作变量，其上层是多变量控制器或计算机监控，由它们设

16、定PID控制器的给定值，以控制蒸发过程层，提供各参数的最佳给定值。在我国，20世纪90年代，一些氧化铝生产企业在拜耳法种分母液蒸发过程中先后采用了工控机和小型集散控制系统，采用工业控制机（IPC）作为控制中心集中监控计算机，利用IPC丰富、灵活的软件开发资源，设计界面直观、操作简便的高性能集中监控管理软件实现现场各控制器（PLC）作为现场核心实时控制系统。对生产实现了一定程度的自动控制。如广西的平果铝业公司就己经对母液蒸发过程采用了DCS控制，虽在一定程度上提高了拜耳法生产效率，但其基本控制思想还是PID控制。1999年，全国最大的氧化铝生产基地山西铝厂与沈阳铝镁设计院合作对铝厂的五蒸发站实现

17、了计算机集散控制，各工艺参数的控制都是采用PID控制，取得了一定的经济效益。近几年来，各大有色金属生产企业都对蒸发车间进行了现代化改造，现在都已普遍在工业生产中应用了以PID控制为主的自动化监控系统。有的企业还改进了工艺，采用了新的控制技术。例如山西铝厂与沈阳铝镁设计院经过刻苦攻关，开发了铝酸钠溶液蒸发用外流自由膜板式蒸发器I/A控制系统，解决了铝酸钠溶液蒸发自动检测，自动控制难的课题，找到了蒸发器控制的数学模型。实现了蒸发器计算机控制，自动开停，达到了管控一体化。自控投运率100。从一般的PID控制方式到采用精确的数学模型实现准确监控的改进，明显地降低了工人的劳动强度，进一步提高了生产效率，

18、有效地保证了产品质量。1.3 课题的设计方向和解决的主要问题如何最大限度的提高热能利用率，减少蒸发的能量消耗，提高了生产效率，保证了产品质量是我们研究的目标。由于我的设计课题是工厂蒸发车间监控系统设计（控制软件开发与设计）。所以我的设计方向是蒸发车间监控系统控制和通信软件的开发和设计。监控系统程序的设计是工业控制系统设计的核心。要设计出好的监控及通信程序，首先必须充分了解被控对象的情况，诸如生产工艺、技术特性、工作环境，及系统对控制的要求等。据此设计出控制系统，包括设计出控制系统硬件连接图、选出合适的控制器型号、确定控制器的输入器件和输出器件、确定接线方式等。然后才能画出程序流程图，设计出符合

19、工艺及设计要求的监控和通信程序。最后完成系统控制程序的调试。 2 蒸发车间工艺流程概述山西铝厂三分厂采用烧结拜耳混联法进行氧化铝生产，蒸发车间是拜耳法氧化铝生产工艺中水量平衡的重要环节，用来浓缩溶液和分离在过程中积累的杂质（纯碱、硫酸盐大部分有机物等）。 图2.1为拜耳法工艺原理示意图。种分车间送来的原液（主要成分为氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠和氧化铝等的混合溶液)在原液槽经原液泵打入蒸发器组，在新蒸汽加热下，进行逆流自然蒸发。从蒸发器组出来的高浓度混合溶液，即蒸发母液由出料泵打至沉降槽中，碳酸钠、硫酸钠和氧化硅等杂质在沉降槽自动析出，并沉降浓缩，底流经底流泵送到过滤机以滤饼形式排除杂质；沉降槽溢

20、流和过滤机出来的滤液一同流迸入溢流槽，经隘流泵送其它工序调整成为符合生产要求的循环母液供给矿浆制备车间配料。工艺流程中，蒸发器组是拜耳法生产的一个重要环节，也是蒸发车的主要设备。蒸发车间是1994年新建日前需要改造的工程。共有16台蒸发器，分为5组，其中1、2、3、5组三效作业，第4组四效作业。组蒸发然流程示意图如图2.2所示。该组蒸发器由效、效、效和、级闪蒸发器组成。原液经原液泵依次被打入效、效和效。各效之间由导料泵过料，图中实线所示方向。加热蒸汽按照效效、效、效的方向迸入各效加热，图中虚线方向所示。并且，前一效的二次汽作为后一效的热源使用。效出来的二次汽经水冷器冷却后，冷凝成水进入热水池作

21、循环水使用。由于料液流经的方向与蒸汽进入各效的方向相反，这种蒸发方式称为逆流自然燕发。效出来的料液再经过、级闪蒸器降温减压后，送往沉降糟分离。3 本课题设计的基本前提和前期工作3.1 本课题设计的基本原则PLC是一种计算机化的高科技产品，相对继电器而言价格较高。因此，在应用PLC之前，首先应考虑是否有必要使用PLC。如果被控系统很简单，I/O点数很少，或者I/O点数虽多，但是控制要求并不复杂，各部分的相互关联也很少，就可以考虑采用继电器控制的方法，而没必要使用PLC。然而本系统的开关量I/O点数较多，控制要求复杂。如果用继电器控制，需要大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件；系统对可靠性的

22、要求高，继电器控制不能满足要求；由于生产工艺流程或产品的变化，需要经常改变系统的控制关系，或需要经常修改多项控制参数；需要用一台PLC控制多台设备的系统。所以有必要使用PLC。任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，确定选用PLC控制系统后，在设计PLC控制系统时我遵循了以下原则：（1）最大程度地满足被控对象的控制要求;（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便；（3）保证控制系统的安全、可靠；（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择控制器容量时，应适当留有裕量。3.2 分析系统对控制的要求3.2.

23、1工作的任务与意义这一步是系统设计的基础。首先应对被控对象（机械设备、生产线或生产过程）工艺流程的特点和要求做深入了解、详细分析、认真研究，明确控制的任务、范围和要求，根据工业指标，合理的制定和选取控制参数，使PLC控制系统最大程度的满足被控对象的工艺要求。控制要求，主要只控制的基本方式、必须完成的动作条件、应具备的操作方式（手动、自动、间断和连续等）、必要的保护和联锁等，可用控制流程图或系统框图的形式来描述。在明确了控制任务和要求后，须选择电气传动方式和电动机、电磁阀等执行机构的类型和数量，拟定电动机启动、运行、调速、转动、制动等控制要求；确定输入输出设备的种类和数量，分析控制过程设备之间的

24、关系，了解对输入信号的响应速度等。3.2.2 确定所要控制的对象母液蒸发过程在拜耳法氧化铝生产过程中是十分常重要的一环。这一生产环节中得到的溶液质量直接决定着最终产品的优劣。我们想把出料溶液浓度（密度）控制在03g/cm这样的范围内。然而它却受到的诸多因素的影响，如新蒸汽流量、新蒸汽温度、原液流量、原液温度、各汽室温度、各汽室压力等等。我们如何才能排除干扰，达到控制的目的呢？分析蒸发车间工艺流程，可以看出从一效蒸发器出来的料液的溶液浓度已经稳定不变了。似乎我们可以通过改变一效内的蒸发条件来达到控制的目的。然而通过分析却发现这一想法是不可行的。首先，现有的条件是蒸汽供应的流量和温度是稳定不变的。

25、所以一效内的汽室压力和汽室温度不容易改变。其次，来自一闪的蒸汽也通入一效，对一效的汽室压力和汽室温度也有影响。再次，从二效经过料泵进入一效的料液温度高低也会影响一效的参数。所以，想通过改变一效参数，达到直接控制出料密度的办法是非常困难和不现实的。同理，二效、三效的参数同样也很难直接施加控制。虽然蒸发作业存在着很大的检测滞后性(即蒸发过程发生后，较长一段时间内如三效作业为1小时，检测仪器无法检测到料液的密度值)，再加上环境温度的干扰，给蒸发作业的自动控制带来了困难。但是，我们能做的就是控制原液流量。在新蒸汽、一次汽、二次汽量未发生变化以前，通过改变原液流量，以达到最终改变出料浓度，符合工艺要求的

26、目的。原液流量范围为0500m/h。3.2.3系统对控制的要求（1）可靠性:可靠性是控制系统设计的重中之重，要求控制系统在长时间连续工作情况下不出现故障。我们想把出料溶液浓度（密度）控制在03g/cm这样的范围内。但是，如果现场条件过于恶劣，电磁干扰特别强烈，系统设备的安装使用方法不当，都有可能给生产的进行带来隐患。我们不仅需要选择符合要求、质量可靠的设备，还要选取最佳的控制设计方案，以保证系统长期正常运转。（2）安全性:要求系统中有专用的监控装置，用于监视系统的工艺设备、电源等工作情况。当被控出料浓度超过限幅值时，黄灯亮，经调整5分钟后仍回不到正常范围，则红灯亮，并有声音报警。以提醒操作人员

27、排除故障。实际上可靠性就包括了安全性。然而它又是其中十分重要的一个方面。系统中还要有安全联锁以防止误操作，控制系统能进行软手操和紧急手操，能实现双向无扰动切换，在任何 情况下，都有操作手段，防止操作失灵。（3）抗干扰能力也是特别需要注意的一点。蒸发过程中现场条件差，因此要求控制设备必须要采用光电隔离、防爆防尘等技术措施。（4）实时性:即能够在对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理，一般控制系统采集和控制的参数是比较关键的，这些参数的变化可能会影响到正常生产或经济运行，这就要求控制系统能够及时地反映出这些参数的变化，并加以处理控制，保证生产正常高效运行。因此各种输入设备（按钮、各种开关、

28、变送器）的合理选取和使用就很关键。（5）使用维护方便:要求控制系统原理易于掌握，具有模块化的组件和功能，易于检验维修。3.2 确定用户I/O设备3.2.1 设计方法PLC控制系统的硬件设计包括PLC机型的选择、输入/输出模块的选择、电源模块的选择等。对于整体式PLC,应确定基本单元和扩展单元的型号；对于模块式PLC,应确定框架的型号，及所需模板的型号和数量。选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。在满足控制要求的前提下，选型适应选择最佳的性价比，一般应考虑：I/O点数的估算、用户存储器容量的估算、CPU的功能与结构等。I/O点数是PLC的一项重要指标。PLC的输入输出总点数和种类应更

29、根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入输出设备来确定，一般一个输入/输出元件占用一个输入/输出点。一般应在估计的总点数上再加20%30%的备用。每个I/O点及有关功能元件的内存量依照：开关量输入10-20B/点，开关量输出5-10B/点，定时器2B/个，模拟量100-150B/点，通信接口300B/个。在此基础上考虑增加25%左右备用量就可估算出用户程序所需要的内存量。 对于CPU的功能与结构应考虑：功能与任务是否相适应，PLC的处理速度应是否满足实时控制要求，是否PLC结构合理、机型统一，需要在线编程还是离线编程。3.2.2 PLC的选型设备名称、型号台件数生产厂家CPU CPU312

30、2西门子公司电源PS 3073西门子公司I/O模板（模拟量输入）SM3317西门子公司I/O模板（数字量输出）SM3221西门子公司通讯处理器CP340 2西门子公司通讯处理器CP342-21西门子公司3.2.3 分配I/O点（1） 系统输入输出分配表序号变量名变量说明类型参数范围单位1PT101效汽室压力模拟量输入0-0.6MPa2PT102效汽室压力模拟量输入0-0.3MPa3PT103效汽室压力模拟量输入0-0.3MPa4PT106闪蒸气压力模拟量输入-0.1-0.3MPa5PT107闪蒸气压力模拟量输入-0.1-0.3MPa6TE101效汽室温度模拟量输入0-1707TE102效汽室温

31、度模拟量输入0-1708TE103效汽室温度模拟量输入0-1709TE104闪溶液温度模拟量输入0-15010TE105闪溶液温度模拟量输入0-15011TE1061-1#冷凝水温度模拟量输入0-17012TE1071-2#冷凝水温度模拟量输入0-17013TE1082#冷凝水温度模拟量输入0-17014TE1093#冷凝水温度模拟量输入0-17015TE110原液温度模拟量输入0-10016TE111新蒸汽温度模拟量输入0-30017LT1011-1#冷凝水液位模拟量输入0-2m18LT1021-2#冷凝水液位模拟量输入0-2m19LT1032#冷凝水液位模拟量输入0-2m20LT1043#

32、冷凝水液位模拟量输入0-2m（2）PLC I/O表（输入部分）单元号00端子号地址号说明I0.0I0.0I效汽室压力I0.1I0.1II效汽室压力I0.2I0.2III效汽室压力I0.3I0.3闪蒸气压力I0.4I0.4闪蒸气压力单元号01端子号地址号说明I1.0I1.0I效汽室温度I1.1I1.1II效汽室温度I1.2I1.2III效汽室温度I1.3I1.3闪溶液温度I1.4I1.4闪溶液温度单元号02端子号地址号说明I2.0I2.01-1#冷凝水温度I2.1I2.11-2#冷凝水温度I2.2I2.22#冷凝水温度I2.3I2.33#冷凝水温度I2.4I2.4原液温度I2.5I2.5新蒸汽温

33、度单元号03端子号地址号说明I3.0I3.01-1#冷凝水液位I3.1I3.11-2#冷凝水液位I3.2I3.22#冷凝水液位I3.3I3.33#冷凝水液位单元号04端子号地址号说明I3.0I4.0原液流量I3.1I4.1新蒸汽流量单元号05端子号地址号说明I5.0I5.0原液密度I5.1I5.1蒸发器出料密度单元号06端子号地址号说明I6.0I6.0故障信号（3）PLC I/O表（ 输出部分）单元号07端子号地址号说明I7.0I7.0报警信号3.2.4 了解PLC控制的系统结构在现代工业控制中工业生产过程自动控制也越来越重要。工业生产过程自动控制是指在冶金、机械、石油、化工、电力、轻工、建材

34、、原子能与环保等部门的生产中，对于温度、压力、液位、流量、浓度、成分等变量实现的自动控制。根据总体设计方案和铝厂蒸发车间的实际工艺对过程控制的要求，并考虑当前自动控制技术的新发展及企业发展的需要，选用运行可靠、功能强大的DCS控制系统.采用DCS控制系统，上位机使用组态王，实现实时监控。下位机采用智能模块PLC，采集现场数据。利用MPI多点接口实现上位机与下位机的通信，实现上位机与下位机之间的数据交换。从而实现了上位机对现场的实时监控。其硬件连接图如下： 4蒸发车间控制程序设计4.1控制器和编程语言。4.1.1可编程控制器介绍当前，随着电子技术和计算机的发展，工业生产过程控制的自动化水平越来越

35、高。可供采用的自动化控制装置很多，主要有3类：工业控制计算机(IPC)、集散控制系统（DCS）和可编程控制器(PLC)。近几年，IPC、DCS和PLC三者在技术上都有长足的发展，在微电子技术发展的背景下，他们之间也有许多相同之处。例如，从硬件的角度来看，他们都是微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件等组成。在软件编程方面，也有许多相同点。因此，这三类自动化控制装置在技术、功能和应用领域上不断的相互渗透，在很多场合下可以相互补充或代替。但是，由于IPC、DCS、PLC三者的技术起源不同，技术发展的侧重点和主要应用背景上也有差异，他们又保持着各自的特点和优势，适合的应用场合也完全不同

36、。由于PLC是专门为工业环境设计的控制装置，和其他的自动化控制装置相比，具有的可靠性高、抗干扰能力强、易于编程、便于安装和维修、成本低等突出优点，一般不需要采取什莫特殊措施，就可以直接在工业环境中使用，更加适合工业现场的要求。可编程控制器（Programmable Logic Controller,英文缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字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。现已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。可编程控

37、制器是一种数字运算操作的电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。近年来，PLC在技术和功能上都发生了飞跃，模拟量处理、数字运算、闭环调节等功能大大增强，运算速度提高，CPU的能力赶上了工业计算机，通信联网能力越来越来强大，因而可以构成一个分布式系统。4.1.2 PLC的基本组成和各部分的作用PLC的基本组成：从广义上来说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工

38、业过程相联接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器单元（CPU）、存储器、输入输出（I/O）接口、编程器、电源等组成部分。PLC各部分的作用（1）中央处理器（Central Processing Unit,CPU） 中央处理器单元式PLC的运算和控制中心，有他实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。他的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。其主要任务有：控制从编程器输入的用户程序和数据的接收和存储；用扫描的方式通过输入部件接受现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语

39、法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传递、逻辑运算或数据运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，在经由输出部件实现输出控制、制表打印或通信等功能。PLC常用的微处理器主要由通用微处理器、单片机、位片式微处理器。一般来说来，小型PLC大多采用8位微处理器或单片机作为CPU，如Z80A,8085,8031 等，具有价格低，普及通用性好等优点。对于中型PLC,大多采用16位微处理器或单片机作为CPU，如Intel 8086,Intel96系列单片机，具有集成度高，运行速度快，可靠性高等优点。对于大型PLC,大多采用

40、高速位片式微处理器，它具有灵活性强，速度快，效率高的优点。目前，一些厂家生产的PLC中，还采用了冗余技术，即采用了双CPU或三CPU工作，进一步提高了系统的可靠性。采用冗余技术可使PLC平均无故障工作时间长达几十万小时以上。控制接口电路是微处理器与主机其他单元进行联系的部件，它主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个内部单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。（2）存储器存储器主要是用来存放系统程序和应用软件（用户程序及工作数据）。PLC系统中的存储器配有系统程序存储器和用户成程序存储器。1.系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在P

41、ROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它关系到PLC的性能。系统程序包括系统监控程序、用户指令解释程序、标准程序模块、系统调用、管理等程序以及各种系统参数等。2.用户程序存储器 用户程序存储器可分为三部分：用户程序区、数据区、系统区。用户程序区用于存放迎虎竟变成其输入的应用程序，为了调试和修改方便，总是先把用户程序存放在随机存储器RAM中，经过运行考核，修改完善，达到设计要求后，在把它固化到EPROM中，替代RAM使用。数据区用于存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。数据区包括输入、输出数据映像区，定时器、计数器的预置值和当前值的数据

42、等。系统区要存放CPU的组太数据主，例如，输入输出组台、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储器保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组太等。这些数据是不断变化的，但不需要长久保存，因此采用随机读写存储器RAM。由于随机读写存储器RAM是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，一次，在实际使用中通常为其配备掉电保护电路，当正常电源关断后，当备用电池或大电容为他供电，保护其存储的内容不丢失。（3）输入输出单元输入、输出单元是可编程序控制器的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。输入单元将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的

43、转换，变换为中央处理器能接受和识别的低电压信号，送给中央处理器进行运算；输出单元则将中央处理器输出的低电压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等。所有输入、输出单元均带有光耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，输出单元还有滤波、电平转换、信号锁存电路；输出单元也有输出锁存器、显示、电平转换、功率放大电路。通常，PLC的输出单元类型有：直流、交流和交直流输入单元；PLC的输出单元类型有：晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。此外，PLC还提供一些智能型输入输出单元。（

44、4）编程器编程器是PLC重要外部设备。它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化成语句表格式，才能送入。智能编辑器又称图形编辑器，它可以联机，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话。采用个人计算机编程开发系统是近几年的发展新趋势，在个人计算机上配置硬件接口和专用的编程软件，使用户可以直接在计算机上以联机方式或脱机方式编程，可以运用梯形图、流程图编程也可以采用助记符指令编程。个人计算机程序开发系统有较强的监控能力和通信能力，还可对系统进行仿真。（5）电源单元电源单元式PL

45、C的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元向外提供24V直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。电源单元还包括掉电和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能强。4.1.3 PLC的工作原理（1）程序是按循环扫描的工作方式工作的。PLC上电后，在系统程序的监控下，周而复始的按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行。执行一个扫描过程所需的时间称为扫描周期，为1100ms。首先，进行系统初始化。清除内部继电器区，复位定时器

46、，对各变量进行复位等。CPU进行自诊断：PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断阶段，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查；定时复位监控定时器等，以确保系统可靠运行。其次，初始化的同时，打开中断，调用中断程序。PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要执行一次中断程序。执行程序时，是以扫描的方式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果存入输出映像区对应位中。最后，进行输入、输出信息处理。PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信号处理。以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算处理后的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备。PLC周而复始的巡回扫描

47、，执行上述整个过程，直至停机。（2）执行中断程序的循环扫描过程 。PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。 1.输入采样阶段。在扫描周期内，PLC定时将现场的全部有关信息采集到控制器中，通常在扫描周期开始或结束时进行定时采集。PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的状态，并将此状态存入输入映像区。输入映像区的信息供中断程序执行时取用。在程序执行期间即是外部输入信号状态发生变化，输入映像区的内容也不会改变，这些改变只有到下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。2.PLC在程序执行阶段。如果无中断或跳转的情况下，主程序是从首地址开始按自

48、左向右、自上而下的顺序，对每条指令逐句进行扫描，扫描一条，执行一条。执行程序时，梯形图中的输入继电器的状态取自于内部输入映像寄存器的状态，并将运算的结果存放在内部输出映像寄存器中。本程序PLC的扫描在初始化后，即转入中断程序。初始化程序不需要每扫描一次执行一次。也因为在一个控制系统中需要处理I/O点数较多，通过不同的组织模块安排，采用分时分批扫描的办法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。采样值或状态量在中断程序中，经过执行运算，将运算的结果，即输出继电器的状态存放在内部输出映像寄存器中。3.通信信息处理阶段。在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机之间的信息交换。

49、与外部设备交换信息，PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器。编程器是人机交换的设备，通过它，用户可以进行程序的编制、编辑、调试、监视等。在每个扫描周期内部都要执行此项任务。采样一次，即结束中断，返回主程序。4.1.4 PLC的编程语言熟悉编程语言是进行程序设计的前提这一步骤的主要任务是根据有关手册详细了解所使用的编程器及其操作系统，选择一种或几种合适的编程语言形式，并熟悉其指令系统和参数分类，尤其注意研究那些在编程中可能用到的指令和功能。一个比较好的熟悉编程语言的方法是上机操作，并编制一些实验程序，在模拟平台上进行试运行，以

50、便更详尽地了解指令的功能和用途，为后面的程序设计打下良好的基础，避免走弯路。PLC有两种指令集：IEC 1131-3指令集和SIMATIC指令集。 IEC 1131-3指令集是国际电工委员会（IEC）制定的PLC国际标准 1131-3Programming Language （编程语言）中推荐的标准语言。 IEC 1131-3指令集支持完全数据类型检查。使用IEC 1131-3指令集，只能用梯形图（LAD）和功能块图（FBD）编程语言编程。通常IEC 1131-3指令集的指令执行时间较长。SIMATIC 指令集是西门子公司为SIMATIC PLC设计的编程语言。该指令集中，大多数指令集也符合

51、IEC1131-3标准。SIMATIC指令集不支持系统完全数据类型检查。使用SIMATIC指令集，可以用梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）编程语言编程。通常SIMATIC指令集的指令时间短。（一）梯形图（LAD）编程语言 梯形图（LAD）是与电器控制电路图像呼应的图形语言。他沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。梯形图市容逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。梯形图信号流向清晰、简单、直观、易懂。很适合电气工程技术人员使用。梯形图(LAD)在PLC中用得非常普遍，通常各厂家，各型号PLC都把它作为第一

52、用户语言。（二）功能块图（FBD） 功能块图（FBD）类似于普遍逻辑功能图，它沿用半导体逻辑电路的逻辑框图的表达方式。一般用一种功能方框表示一种特定的功能，框图内的符号表达了该功能图的功能。 功能块图（FBD），是图形化的高级编程语言。通过软件连的方法把所需要的功能块图连接起来，用于实现系统的控制。功能块图（FBD）的表示个是有利于程序流的跟踪。 功能块图由基本逻辑功能、计时和计数功能、运算和比较功能和数据传送功能等。功能块图通常由若干个输入端和输出端。输入端是功能块图的条件，输出端是功能块图的运算结果。功能块图（FBD）,没有触点和线圈，也没有左、右母线的概念。但“能流”的术语仍适用于功能块

53、图。功能块图（FBD）与梯形图（LAD）的指令是一样的。对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的技术人员来说，使用功能块图（FBD）编程是非常方便的。（三）语句表（STL） 语句表（STL）是用助记符来表达的PLC的各种控制功能的。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言直观易懂，编程简单，因此也是应用很广泛的一种编程语言。这种编程语言可使用简易编程器编程，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互为补充。目前，大多数PLC都有语句表编辑功能，但各厂家生产的PLC语句表（STL）所用的助记符互不相同，不能兼容。通常梯形图（LAD）程序、功能块图（FBD）程序、语句表（STL）语句可有条件的方便地转换。

54、但是，语句表（STL）可以编写用梯形图（LAD）或功能块（FBD）无法实现的程序。熟悉PLC和逻辑变成的有经验的程序员最适合使用语句表（STL）语言编程。4.1.5 编程软件STEP7是用与西门子可编程序控制器组态和编程的标准软件包，有以下几种版本：STEP 7-Micro/WIN用于应用S7-200的简单单站；STEP 7 Mini 用于应用S7-300和C7-620的简单单站；STEP 7用于应用带有各种功能的S7-300/M7，400和C7。运行在Windows环境下，STEP7有以下功能：建立和管理项目，管理项目，对硬件和通信作组态和参数赋值，创建程序，向可编程序控制器下载程序，试调用

55、户程序，诊断设备故障。STEP7位用户提供了丰富的编程指令，有逻辑指令，包括各种进行逻辑运算的指令，定时器和计数器指令，数据处理和数学运算指令，程序执行控制指令，包括跳转指令、循环指令、块调用指令、主控指令，其他如地址寄存器指令、数据块指令、显示和空操作指令。4.2 控制程序设计4.2.1 控制系统分析本课题是针对的氧化铝蒸发车间设计工艺控制程序。目的是想把出料溶液浓度（密度）控制在03g/cm这样的范围内。而我们是通过控制原料液的流量，来达到控制出料密度的目的。虽然蒸发作业存在着很大的检测滞后性(即蒸发过程发生后，较长一段时间内如三效作业为1小时，检测仪器无法检测到料液的密度值)，再加上环境

56、温度的干扰，给蒸发作业的自动控制带来了困难。但是，还是要通过合理的设计最大程度的满足系统对控制的要求。 4.1控制系统方框图显然输入信号是模拟量。所以整个系统是模拟量控制系统。由于本系统对控制的要求较高，所以我们决定采用典型的闭环控制方式。通过模拟调节装置中调入的设定值输入量SPn与反馈输入量PVn的差值进行控制与调节，以求得设定值与反馈值的偏差最小。由于本课题是针对蒸发车间工艺控制的设计。原液槽过来的料液浓度在这里是无法控制的。所以此系统又是一个随动系统。设定值PVn由被控对象给出。控制的目的就是使控制对象不断的向控制目标靠近。密度计检测到的反馈模拟量经A/D转换器变成电压信号。由于密度计允

57、许的电压范围在05V，密度计的正常工作电压是3V。我们假定Umin=2V，Umax=4V。4.2.2 控制算法选择我们选用的是S7-300 PLC，虽然它具有PID过程控制模块和PID控制用的功能模块，可以使用PID控制指令。但是希望采用某种改进的PID控制算法，所以决定采用自编的程序编制PID闭环控制。我们决定采用和预估控制策略PID对蒸发器出料密度(浓度)进行在线检测和变频控制，使出料密度(浓度)平稳。原因有以下几点：首先，在母液蒸发生产过程中，控制参数具有非线性和时变性的特点，难以得到其准确的数学模型，因此不能使用自动控制理论中的设计方法。然而使用PID控制可以得到比较满意的效果。其次，

58、PID控制具有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除静差，微分控制可以改善系统动态响应速度。比例、微分、积分控制三者有效地结合就可以满足不同的控制要求。根据被控对象的具体情况，还可以采用多种PID控制的改进控制方式。再次，PID控制器的结构典型，工程上易于实现，参数调整方便。最后，原液从三效到一效的延迟时间是一小时左右，在这过程中，由于时延的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经过纯时延时间以后，才能波及被调量，使之受到控制。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的超调时间。采用预估控制器可以有效地提高在线检测精度。所以决定采用PID加预估控制策略。4.2.3 程序设计思路控制程序采用分块结构。PLC一上电，主程序开始即调用SBR0和SBR1两个子程序。子程序0启动计算和初始化。子程序1开定时中断并执行等待。开中断即调用中断程序。5秒钟采样时间一到，即刻闭中断。一个循环结束。5秒钟即为中断等待时间。所有的控制任务都是由中断程序完成的。他把采样来的反馈输入量，进行PID运算后，在利用通信模块与上位机进行通信，在人