毕业设计（论文）西门子S7400PLC在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用

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1、IIISIEMENS S7-400PLC在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用摘 要随着造纸工业规模的不断扩大，造纸企业对造纸过程中的自动化程度要求越来越高。在我国，造纸企业在生产过程中采用的微机监视与控制系统一般为单独运行且分散在各个设备处，没有进行对整个生产过程进行集中实时监控，使得生产管理人员无法及时全面地了解各个生产环节的生产状态，难以做到及时、准确地指挥生产。本论文设计是利用PLC系统对造纸过程中制浆环节进行控制，具有安全可靠，通用灵活的特点，从而实现对整个造纸生产流程的自动化监控。本论文重点是对碱回收燃烧工段的系统分析与研究，提出了一种安全可靠的控制方案。详细介绍了系统中西门子S7-

2、400系列PLC所用到的各种硬件模块的选型和组态。关键词：碱回收，燃烧，PLC，WINCCSIEMENS S7-400 PLC Recovery Workshop in the Process of Burning Paper in the Application of SectionABSTRACT Along with the industrial scale of paper spreading time and again, the papermaking enterprise is more and more high to in the papermaking process au

3、tomaticity request. In our country, the papermaking enterprise the microcomputer surveillance and the control system which uses in the production process generally for alone moves also disperses in each equipment place, has not carried on to the entire production process carries on the centralism to

4、 monitor at times, causes the production management personnel to be unable promptly comprehensively to understand produces the link one by one the production condition, achieves with difficulty promptly, accurately directs the production. In this paper, the design is the use of PLC systems in the pu

5、lp and paper manufacturing process control link with a safe, reliable, universal and flexible features, the entire paper in order to achieve the automation of production process monitoring. This paper focused on the Recovery Combustion Process Analysis and Research, a safe and reliable control progr

6、amme. Details of the system in the Siemens S7-400 series PLC used by the various hardware module selection and configuration.KEY WORDS：Soda recovery，Combustion ，PLC，WINCC目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1引言11.2本论文的工作12 碱回收简介22.1碱回收的生产过程22.2实施碱回收的意义22.3燃烧工段工艺流程22.3.1黑液的燃烧过程32.3.2影响黑液燃烧的因素32.3.3燃烧工段的工艺流程52.3.

7、4燃烧工段设备介绍63 DCS系统的简介83.1 DCS的组成83.2 DCS系统的发展过程93.3 MPI网103.4 PROFIBUS-DP103.5工业以太网114控制系统的硬件设计124.1测控系统的网络结构设计124.2 PLC简介144.2.1 PLC的基本结构154.2.2 PLC的工作原理164.2.3 PLC的特点174.2.4 PLC的发展184.3 PLC 硬件设计194.3.1 PLC模块的安装194.3.2 CPU模块194.3.3 SM321数字量输入模块214.3.4 SM322数字量输出模块234.3.5 SM331模拟量输入模块234.3.6 SM332模拟量

8、输出模块274.3.7电源模块274.3.8机架294.4其他硬件294.5 传感器305 PID算法315.1 PID控制的优点315.2 PID的形式315.3比例调节作用325.4比例积分调节作用335.5微分调节作用345.6 PID控制子程序框图356 STEP 7及WinCC软件简介376.1 西门子PLC编程软件STEP 7376.2 西门子组态软件WinCC407 总 结43致 谢44参 考 文 献4545SIEMENS S7-400PLC在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用1 绪 论1.1引言造纸工业是国民经济的重要组成部分。近年来，随着国家对环境保护的日益重视，解决造纸厂的

9、废水排污问题已成为首要课题，特别是对于以麦草为原料的众多造纸厂来说，麦草浆黑液的处理问题尤为突出。黑液是由碱法制浆蒸煮得到的废液，其成分主要根据所采用的植物原料及制浆蒸煮条件不同而有所不同。对黑液采取回收的方法国内也做过许多尝试，但经过考核比较发现用燃烧法处理黑液回收碱是目前黑液治污中最为成熟和有效的技术1。然而对麦草浆的黑液来说，燃烧绝非易事。首先是因为碱回收的投资成本较大，使用设备复杂，而且麦草浆黑液的燃烧工艺和设备也仍处在整理与完善中；其次是因为麦草浆黑液属于一种劣质燃料，由于其含灰、含硅量大，燃烧值低，粘度大，浓度低，对燃烧的许多工艺条件要求都很高，因而使黑液燃烧变得比较困难，极易造成

10、因燃烧不稳定而甩不掉油枪，使碱回收成本大大增加的局面。因此，在麦草浆黑液的碱回收工程中，燃烧工段是最重要的环节之一2。PLC系统在造纸行业的广泛使用，使得造纸的自动化程度越来越高。随着造纸工业的不断发展，废水污染日益加剧。因此，制浆黑液的碱回收工艺对工厂起着尤为重要的作用，它是变废为宝、化害为利、效益显着的综合利用工程，是造纸厂治理水污染的首要措施。1.2本论文的工作本论文重点在对当前碱回收燃烧工段系统分析研究后提出了一种安全可靠的控制方案。碱回收燃烧工段的过程控制系统是一个复杂控制系统。国内对这方面的系统研究较少，本论文对碱回收燃烧工段的工艺流程和当前的继电器控制系统、集散控制系统、工业控制

11、计算机控制系统及可编程逻辑控制系统(PLC)的特点进行系统分析后，结合具体碱回收燃烧工段项目，采用西门子S7-400 PLC设计了碱回收燃烧工段的过程控制系统。本论文要作以下工作：（a）熟练掌握造纸碱回收中燃烧工段的工艺流程。（b）完成燃烧工段控制系统硬件部分的设计。（c）了解STEP7与WINCC之间的通信知识。2 碱回收简介2.1碱回收的生产过程碱回收工程包括四个生产过程：提取、蒸发、燃烧、苛化。（a）提取：尽量使黑液与浆料分离，把黑液提取出来。（b）蒸发：使黑液浓缩到50%以上的浓度。（c）燃烧：黑液送入燃烧炉，将有机物烧去，剩下无机物碳酸钠和硫化钠(草浆情况下还有硅酸钠)。燃烧后的无机

12、物呈熔融状态，经溶解澄清后成为绿液。（d）苛化:把石灰加入绿液中，使碳酸钠(草浆情况下包括硅酸钠)苛化成为氢氧化钠，并将苛化所产生的碳酸钙和硅酸钙(即白泥)沉淀分离，最后得到氢氧化钠和硫化钠的混合溶液，通称白液，可供制浆使用3。2.2实施碱回收的意义碱回收系统从碱法制浆黑液中回收了碱和热能，并实现了工厂企业自身封闭循环使用，对于碱法制浆黑液还有其它的治理措施，但会有相应的副产品产生，存在运行成本和市场对其副产品需求变化的问题，因此碱回收对碱法制浆造纸企业而言是实现清洁生产、保护环境、废液进行厂内治理的重要组成部分。碱回收能最经济有效地削减废液的污染负荷，大幅度提高资源回收利用率，再经过物化-生

13、化法的综合处理就可使企业生产过程中的中段废水达标排放。对造纸厂的黑液进行碱回收有以下好处2:(a）环境效益:黑液是纸厂主要污染源。其中的固形物约有2/3是有机物，1/3是无机物。有机物是纸浆厂污水中的BOD, COD, SS和色度的主要来源。无机物中主要是碱。因此每回收一吨碱大约要烧去两吨以上的污染物，可以大大减轻纸浆厂对江河水质的污染。(b）社会效益:电解法制碱，每吨碱要耗电2700度，食盐1.61.7吨。每回收一吨碱，大厂耗电400600度，小厂1000吨左右，不用盐只用石灰。因此每回收一吨碱比电解法节电17002300度，且不必由外厂运来3040%的碱液，每吨固碱可节约运力255吨以上。

14、(c）经济效益:外购碱到厂价在2000元/吨左右。回收碱成本小厂约1000元/吨，大厂只要400600元/吨，经济效益非常显着。2.3燃烧工段工艺流程我国碱法化学浆产量约占全国化学浆总产量的90%，而碱法制浆产生黑液的污染负荷大，约占制浆造纸生产产生废水总污染负荷的90% 左右。由此可见，制浆造纸工业水污染的防治，首先必须解决对制浆黑液的源头治理。国内外实践证明，黑液治理最佳技术是碱回收，它是削减碱法蒸煮黑液最经济、最有效的途径2。2.3.1黑液的燃烧过程黑液的燃烧过程基本上可分三个彼此相关的阶段5：第一阶段：黑液的蒸发干燥阶段。经过多效蒸发和直接蒸发后，送入碱回收炉的黑液浓度，草浆约50%，

15、木浆约60%65%，这样的浓度的黑液还不能直接燃烧。因此，黑液送入炉内之后，要利用燃烧产生的热量增大浓黑液，使其干燥成含水10%15%的黑灰，才能燃烧，并发生一系列化学反应，使全部游离的氢氧化钠和大部分硫化钠转化为碳酸钠、硫酸钠和硫化钠等，黑液中有机化合的碱也生成亚硫酸钠和硫酸钠。第二阶段：黑液的热裂解及燃烧阶段。经过干燥的黑灰落在垫层上，有机物快速分解，同时放出大量的热。第三阶段：无机物的熔融及芒硝还原阶段。此阶段除有机物继续燃烧外，主要是无机物熔融及芒硝还原。此阶段温度高达1000以上。黑液燃烧系统是制浆厂整个碱回收过程中最复杂也是最关键的工段。燃烧工没的最主要设备为碱回收锅炉，目前国内外

16、普通使用的碱回收锅炉类型为喷射炉，喷射炉作为整个硫酸盐制浆厂体积最大，造价也最高的设备，其作用一方面是回收黑液中大量有机质（脱木素）中的有效热值，以产生蒸汽供全厂发电或造纸干燥之用；另一方面使黑液中的无机碱盐（，）经还原反应后回收供制浆蒸煮重复使用。2.3.2影响黑液燃烧的因素（1）影响黑液燃烧的因素很多，主要有以下几个方面：（a）黑液的组成和性质这是影响黑液燃烧的一个主要因素，应根据黑液的不同组成和性质，确定合适的工艺和燃烧条件。（b）黑液浓度黑液流量一定时，浓度低，会降低碱回收炉效率，如浓度太低，会使炉温下降，炉衬脱落，灭火，甚至会发生爆炸。黑液浓度太高时，输送和雾化就困难，流量不稳定，会

17、影响正常燃烧。（c）黑液喷射量和粘度最好能保持黑液喷射量保持一定，并使黑液粘度保持在一定范围内。（d）燃烧所需的空气量根据燃烧工艺的要求，燃烧所需的空气量分二次或三次送入炉内。其中燃烧所需要的空气量也是黑液利用的一个参考点，这里先讨论一下燃烧所需要的空气量的分配问题以及风的作用问题。（2）空气分配与燃烧（a）硫的还原与燃烧温度有关。如图2-1所示，在炉底温度高，还原率就高。适合的还原条件是通过调整分配一次风和二次风空气流通的压力和位置来获得。图2-1 燃烧室的温度立面图（b）当燃烧的黑液浓度为70%75%时，燃烧空气的分配如图所示：一次风量30%，二次风量60%，三次风量10%。在炉子底完全碳

18、化的垫层上方，适合于二次空气的燃烧。（c）黑液向下喷射在炉底碳化的垫层上方，但不是喷射在炉壁上。相应高度的黑液喷嘴分布在炉壁四周，喷嘴数量与碱炉的蒸汽产量和规格相适应。（3）一、二、三次风的作用一次风的作用：一次风位于炉底4501000mm处。主要供给垫层中游离碳燃烧所需的氧气，使垫层中有足够的热量，保证无机盐和芒硝的还原反应。若一次风量过大，会造成垫层燃烧过快，难以保持适当高度的垫层，供给芒硝还原的碳量和CO量减少，不利于芒硝的还原，而且促使钠盐升华或热分解，降低芒硝的还原率和碱回收率。但也不能过小，否则会使挥发性的硫损失加大、炉温过低和硫化钠还原率降低。一般将一次风量控制在总风量的4550

19、之间。一次风风压可低些，一般在7841176Pa。二次风的作用：二次风位于黑液喷枪口上下，主要是为了加速黑液中水分汽化和固形物干燥与上升的烟气流产生较强烈的混合作用，在炉膛内产生充分的旋转，并保持炉床垫层高度之完整形成；三次风的作用：三次风位于黑液喷枪以上，主要是用于可燃的挥发性气体及少量未完全燃烧产物的进一步完全燃烧，以提高烟气热含量，同时起到封闭炉膛出口，捕集烟气中所带碱尘的作用。三次风进炉要送到炉膛中心空间与上升的烟气产生较强烈的混合作用，在炉膛产生强烈的旋转，使黑液和气体燃烧均匀一致，风压要高一些，一般控制在0.782.45KPa6。（4） 垫层垫层的作用：把垫层中不燃烧的无机盐类不断

20、地熔融出来；保留较多的游离碳将芒硝在熔融状态下还原为硫化钠；保持垫层中有机物气化并不断移出；使游离碳不断燃烧，稳定炉床垫层温度。因此，燃烧过程中保持适当高温的完整均匀的垫层是良好燃烧的基础。2.3.3燃烧工段的工艺流程主要工艺流程如图2-2所示。一二次风机将空气鼓入，一二次风经空气加热器加热，使风温提高到150左右，一、二次风再经碱回收喷射炉的尾部的板式空气加热器再使进碱回收炉的一、二次风风温达到280左右，以此提高了炉瞠的干燥区、燃烧区的环境温度和熔融区温度。经过一二次风风管门调节，一二次风的按照一定的比例分配后，分别从不同高度鼓入碱回收炉。三次风机将三次风送往空加器后送入碱回收炉。蒸发工段

21、送来的浓黑液首先送往浓黑液槽，再经黑液泵进入圆盘蒸发器。在这里，黑液与碱回收炉出来的烟气相接触，使黑液再次浓缩，且可以吸收烟气的碱灰，减少了碱飞失，提高了碱回收率。而后圆盘蒸发器中的黑液自然溢流出来，进入入炉黑液槽，入炉黑液泵再将浓黑液泵往黑液加热器。经黑液加热器的加热后，经黑液喷枪高压喷入高温状态下的碱回收炉。在碱回收炉中，黑液经雾化、干燥后进行燃烧。部分燃烧后的黑液落到碱回收炉的垫层上，在垫层上，黑液中的无机物不断熔融，部分有机物热裂解成气体从垫层排出，部分有机物炭化为元素碳，供燃烧和还原硫酸钠之用，芒硝还原成硫化钠，部分有机物热裂解能更完全燃烧，含硅量高的熔融物能顺利流出。在硫酸盐法木浆

22、碱回收工艺流程中，碱灰溶解槽中的碱灰液被送入芒硝黑液混合器，然后送入燃烧炉。麦草制浆则多采用烧碱法，若黑液碱回收沿用上述这样的流程，会形成大量碱灰液在燃烧炉、碱灰溶解槽及黑液中间槽内循环、沉淀，造成能源损耗，影响工艺流程的畅通。根据麦草浆黑液燃烧特性，让碱回收炉燃烧产生的碱灰直接进入绿液溶解槽。静电除尘器排出的碱灰进入碱灰溶解槽形成碱灰液，然后泵入绿液溶解槽。溶解槽中的绿液送苛化工段进行苛化，从而回收麦草浆中的碱5。图2-2 燃烧工段工艺流程2.3.4燃烧工段设备介绍7整个碱回收燃烧工段涉及的设备较多，且有一些诸如碱回收喷射炉，圆盘蒸发器等大型设备，有必要对此作以介绍。2.3.4.1 碱回收炉

23、碱回收炉与一般工业蒸汽锅炉有所不同。工业蒸汽锅炉是以煤为燃料进行燃烧的压力容器，它的成品是蒸气，而碱炉是以黑液形物为燃料进行燃烧的压力容器，它不但具备了工业锅炉的危险性条件，还具备了工业锅炉所没有的更强烈的危险性（如水与融物接触发生爆炸、未燃气体爆炸）。碱炉不仅处在高温、高压的条件下，而且还处于强碱及高灰尘的碱性介质中，碱性黑液及高温熔融物对锅炉有强烈的腐蚀作用。因此，碱回收喷射炉无论设计结构上，还是材料选取上及制造要求上都比普通蒸汽锅炉复杂得多。本设计采用全水冷壁喷射炉（也称作方形喷射炉），它是浆厂黑液碱回收的重要设备。它由炉膛燃烧室和锅炉两大部分组成燃烧室的炉壁、炉顶和炉底都由水冷壁管组成

24、，故由此而得名。其燃烧室为黑液固形物燃烧和进行化学反应的场所，作用是干燥、燃烧、还原和熔融，由炉底及四面水冷壁组成的密封方形空室。燃烧室根据工艺的不同，大致可分为三次风口处的烟气完全燃烧区、黑液喷口附近的黑液干燥区，二次风口以下至一次风口的黑液燃烧区、一次风口以下的熔融区，其锅炉是吸收燃烧过程中释放的热量而产生蒸汽的设备，与燃烧室连成一体。由上下汽包、水冷屏管束、省煤器、以及炉墙、构架、管件等组成。这种喷射炉的主要特点是生产能力大，便于实现自动控制，操作简便，废热利用率可达60，芒硝还原率可达90以上。缺点是构造复杂，造价高，投资大，修理更换炉管不方便，适用于大型纸厂的碱回收使用。2.3.4.

25、2 静电除尘器静电除尘的原理 在电场的负极加上负的直流高压电源，而将正极接地，在负极周围形成“电晕”产生带电离子，灰尘颗粒被带电离子充电后，向正极运行而吸附在接地的正极板上，再通过震打落下而收集起来。电晕电流的大小是决定除尘率的主要因素，因而静电除尘也可称为电晕除尘。然而电晕电流的大小除与介质有关外，主要由电压值的大小决定，所以，当电压越高时则除尘效率也越高。可是，电压的升高有一定限度，当升到电晕的极限情况下，就发生“闪络”而不是电晕现象了，闪络的极限情况就出现电弧，电弧是静电除尘器除尘不允许出现的危险现象。2.3.4.3 圆盘蒸发器从碱炉尾部出来的烟气进人圆盘蒸发器，黑液与烟气直接接触蒸发，

26、浓度由 43浓缩至4548。同时降低了烟气温度，除掉了烟气中较大颗粒的灰尘。由于麦草浆黑液具有较高的粘度，圆盘蒸发器的优点：操作简单，动力消耗低，可以单独使用，也可以与静电除尘器串联使用，特别是对最初含尘量高的烟气，与静电除尘器串联使用时，可以提高静电除尘效果。圆盘蒸发器的缺点是因圆盘蒸发器中黑液没有雾化，接触表而积小，因此无论除尘、降温及黑液增浓的效果并不理想。2.3.4.4 引风机引风机能有效控制碱炉的炉膛负压，是燃烧工段的主要辅机。炉膛负压调节系统就是引风控制系统，它的任务是调节引风机入口静叶，使引风量与送风量相适应，从而维持炉膛内的压力在允许范围内，确保锅炉安全运行。引风调节系统主要通

27、过变频器调节引风机的转速来调节碱回收炉的引风量，借以控制炉膛负压。监测碱回收炉出口烟气的压力、温度，了解炉膛燃烧的情况。引风调节系统是整个燃烧过程投入自动的基础，可以说是锅炉侧首个投入自动的控制系统。3 DCS系统的简介多级计算机分布控制系统又称为集散控制系统（DCS，distributed control system）是网络技术和控制技术结合的产物。它是根据分布设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，达到以分散控制为主，集中管理为辅。3.1 DCS的组成 集散控制系统DCS（Distributed Control System）是基于“4C” 技术（Computer Control C

28、ommunication CRT）在20世纪70年代中期出现的新型工业控制系统。采用分布式的计算机系统结构，目的是为了减少风险，提高系统可靠性。它将整个控制系统按照区域、功能和回路作适当分解，再通过总线或通讯网络将它们连接为有机整体。1975 年Honey-well 公司推出了第一套DCS控制系统，首先被应用于石油化工行业。自1975年以来，DCS控制系统的硬件和软件功能不断完善和强化，已经经历了三代，但从基本结构来看特性相同，可分解为三大基本部分。（1）现场控制站现场控制站是集散控制系统的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计

29、、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。（2）操作站操作站是操作人员与集散控制系统的界面，操作人员通过操作站了解生产过程的运行状况，并通过他发出操作指令。生产过程的各种参数在操作站上显示，以便于操作人员监视和操作。（3）通讯系

30、统通讯系统是过程控制站与操作站之间完成数据之间的传递和交换的桥梁。有些集散控制系统在过程控制站内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通讯系统，有些集散控制系统则在操作站内增加了综合管理级的控制装置和相应的通讯系统。通讯系统常采用总线型、环形等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。3.2 DCS系统的发展过程9DCS系统大体可分为三个发展阶段：第一阶段：1975-1980年。在这个阶段采用微处理器为基础的过程控制单元（Process Control Unit），实现了分散控制，有各种控制功能要求的算法，通过组态（Configuration）独立完成回路控制，具有自诊断功能；在信号处理时，采

31、用抗干扰措施，它成功使分散控制系统在控制过程中确立了地位。还采用CRT屏幕显示器的操作站与过程控制单元的分离。采用了先进的冗余通讯技术，用同轴电缆作传输介质，将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机，从而实现了分散控制和集中管理。这一时期典型的产品有HONEYWEL公司的TDC2000，FOXBORO 公司的SPECTROM；西门子公司的TELEPERM；肯特公司的P-4000。第二阶段：1980-1985年。主要的技术重点表现为：产品的换代周期愈来愈短，在过程控制单元增加了批量控制功能和顺序控制功能，在操作站及过程控制单元采用16位的微处理器，使系统性能增强，工厂级数据向过程级分散，高分辨

32、率的CRT，更强的图画显示，报表生成和管理能力；强化系统功能，通过软件和组织规模不同的系统；在计算机局域网络技术的发展的情况下，强化了系统信息的管理，加强了通信系统。这一时期典型的产品有HONEYWEL的TDC3000，BAILEY的NETWORK-90，西屋公司的WDPF，ABB公司的MASTER。第三阶段：1985年以后。在这一时期中集散系统的技术特点是：采用开放式系统网络，符合国际标准组织ISO开放系统互联的参考模型，开发了中、小规模的集散系统；采用32位微处理器和捉摸式屏幕等便于操作和指导，完全实现CRT化操作，采用实时多用户多任务的操作系统。DCS系统向大型化的CIMS（计算机集成制

33、造系统（Computer Integrated Manufacturing System）和小型及微型化发展。DCS发展到第三代，尽管采用了一系列新技术，但是生产现场层仍然没有摆脱沿用了几十年的常规模拟仪表。DCS从输入输出单元以上各层均采用了计算机和数字通信技术，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是一对模拟信号传输，多台模拟仪表集中于输入输出单元。生产现场层的模拟仪表与DCS各层形成极大的反差和不协调，并制约了DCS的发展。电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，造就了新一代的DCS，其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结

34、构上划分，DCS 包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS 系统），作为DCS 更高层次的应用，目前国内应用这一系统的行业较少。DCS 的关键技术在于网络，从上到下是树状拓扑和并行连续的链路结构，中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。3.3 MPI网 MPI用于连接多个不同的CPU或设备，MPI符合RS-485标准，具有多点通信的性质，MPI的波特率常设定为187.5 kbps，接入到MPI网的设备称为一个节点，不分段的MPI网(

35、无RS-485中继器的MPI网)可以最多有32个网络节点，仅用MPI接口构成的网络，称为 MPI分支网(简称MPI网)，两个或多个MPI分支网，用网间连接器或路由器连接起来，就能构成较复杂的网络结构，实现更大范围的设备互连，MPI分支网能够连接不同区段的中继器。每个MPI分支网有一个分支网络号，以区别不同的MPI分支网，分支网上的每个节点有一个网络地址，这里称为MPI地址，节点MPI地址号不能大于给出的最高MPI地址，这样才能使每个节点正常通信。对于MPI网络系统，在接地的设备和不接地的设备之间连接时，应该注意RS-485的使用。如果RS-485中继器所在段中的所有节点都是以接地电位方式运行的

36、，则其是接地的；如果RS-485中继器所在段中的所有节点都是以不接地电位方式运行的，则其是不接地的。用PG可以分配需要的MPI地址，修改最高MPI地址，分配MPI地址要遵守这样的规定： 一个分支网络中，各节点要设置相同的分支网络号；在一个分支网络中MPI地址不能重复，并且不超过设定的最大MPI地址；同一分支网中，所有的节点都应设置相同最高MPI地址；为提高MPI网节点通信速度，最高MPI地址应该当较小，如果机架上安装有功能模块和通信模块，它们的地址由CPU的MPI地址顺序加1构成。3.4 PROFIBUS-DPPROFIBUS是一种国际的、开放的、不依赖于生产厂商的总线标准。PROFIBUS-

37、DP以其较快的传输速度和较强的抗干扰能力,广泛应用于设备级的控制系统与分散式I/O之间的通信。它由互相兼容的3部分组成；PROFIBUS-DP，主站和从站之间采用轮换查询的方式通讯，用于设备级控制系统和分散式I/O的通讯；PROFIBUS-PA，电源和通讯数据通过总线并行传输，可使得传感器和执行机构通过一根总线相连接，主要用于单元级和现场级通讯；PROFIBUS-FMS，用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主站网络。PROFIBUS-DP总线是现场总线的一种，它一般用于现场层的高速传送。在这一级，中央处理器(PLC) 通过高速串行线同分散的现场设备I/O单元、驱动器等)进行通讯。一般情况

38、下，DP构成主站系统，主站周期地读取并周期的向外发送输出信息。总线循环时间必须比主站(PLC)循环时间短。除周期性用户数据传输外，PORFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信，以进行组态、诊断和报警处理。目前，PROFIBUS现场总线技术通过多年的实际应用，实现了不同设备的数字网络互联，使得设计、制造、应用等方面都获得方便和好处，因而成为更大范围上的协议-欧洲标准EN50170。这就说明了它的成熟性和规范能力。3.5工业以太网工业以太网是为工业应用专门设计的，它是遵循国际标准IEEEE 802.3，传输速率为10Mb/s的开放式、高性能的区域和单元网络。工业以太网作为工业标准，

39、已经广泛地应用于控制网络的最高层，为PC和工作站提供同机种和异机种通信，并有向控制网络的中间层和底层（现场层）发展的趋势。采用工业以太网，它是工控界最为流行的局域网技术，用以太网把2个工段的上位机连接成一个局域网，但是普通的双绞线有效距离为100m，这样就满足不了实际的需要, 就必须采用光纤。这些都需要用光纤电气转换模块，把终端设备或网络部件的100Mb/s全双工双绞线接口转换成纤维光缆接口接入工业以太网网络内。工业自动化控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部的连接越来越高速化紧密化。更多的是系统细分成了独立的控制孤岛。对驱动器和用户接口的要求越来越多。但是传统的可编程控

40、制器PLC不适应拓补结构的分散化需求。工业以太网络主要由以下4类网络部件组成。1） PG/PC的工业以太网通信处理器：用于将PG/PC连接到工业以太网。2） SIMATIC PLC的工业以太网通信处理器：用于将PLC连接到工业以太网。3） 通信介质：普通双绞线、工业屏蔽双绞线和光纤。4） 连接部件：快速连接(FC)插座、电气链接模块、电气交换模块、光纤交换模块 和光纤电气转换模块。分布式实时控制的前提及其确定性的概念是一种网络技术，其性能至少要高于现行的现场总线。这也是为什幺传统的PLC技术不能满足这一要求，现场总线技术也不能提供相关的性能。工业以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容

41、易互联。在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择。虽然以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)，一般认为这种协议不能满足控制系统的实时性要求。但100Mb/s的以太网已开始广泛应用，千兆以太网产品也已出现。而且以太网交换技术的出现，通过全双工交换技术，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好的实时性能。目前，以太网只适合于工业控制网络系统的信息层应用，而将以太网用于现场I/O级，这是目前工控领域研究的热点之一。工业以太网技术的发展使其在工业控制领域应用成为可能。其硬件产品的研究开发将极大的促进其在工业控制中

42、的应用10。4控制系统的硬件设计4.1测控系统的网络结构设计测控系统主要通过上位机（两台计算机）和下位机（SIEMENS控制站）实现对工业现场的实时监控与控制。整个网络系统包含三层通信网络。最上层的工业以太网（ETHERNET）中间的MPI（Mult Point Interface）网络下层的PROFIBUS-DP（Process Fieldbus-DP）网络。工业以太网实现两台上位机之间的通信；MPI网实现上位机、SIMATIC S7-400和SIMATIC S7-300间的信；PROFIBUS-DP网络实现SIMATIC S7 414-2DP,SIMATIC S7-300及控制柜内各输入输

43、出I/O单元的的通信。其硬件结构如图4-1所示。图4-1 系统结构图燃烧工段测控:该工段包括AI为64个，AO为76个，见测控点一览表4-1。表4-1 燃烧工段测控点表4.2 PLC简介可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC，它以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业控制装置，是计算机技术和工业控制技术相结合的产品。1976年美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查工作，与1980年正式命名可编程控制器为PC（Programmable Controller），并给了如下定义13：PC是一个数字的电子装置，他使用了可编程程序的记忆体来储存指令，

44、用以执行诸如逻辑、顺序、定时、记数和演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模件，来控制各种机械或工作程序。1987年2 月国际电工委员会颁布了可编程控制器标准草案第三稿。该草案对PLC的定义为：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器。他采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体。易于扩充其功能的原则设计。PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点，它较好

45、的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下：1）可靠性高，抗干扰能力强；2）适应性强，应用灵活；3）编程方便，易于使用；4）功能强，扩展能力强；5）PLC控制系统设计、安装、调试方便；6）维修方便，维修工作量少；7）PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化。目前，PLC在国内外己广泛应用于钢铁、石油、化工、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业。随着PLC性能价格比地不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归纳为如下几类：1）开关量逻辑控制；2）位置控制；3）过程控制；4）数据处理；5）通信联网；6）在计算机集成制造系统(CIMS)

46、中的应用。4.2.1 PLC的基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用作控制的特殊计算机，因此它的组成部分与一般的微机装置类似。如图5-2所示:它主要由中央处理单元(CPU),输入电路、输出电路、通信接口等部件组成。其中CPU是PLC的核心。输入输出电路是连接现场设备与CPU之间的接口电路。通信接口用于与编程器和上位机连接。PLC有整体式和模块式两种结构，整体式PLC的所有部件都装在同一个机壳内；模块式PLC的各功能部件独立封装，其各部件称为模块或模板，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。模块式PLC具有功能强、扩展灵活、结构紧凑、无槽位限制等优

47、点。故本控制系统中所用的硬件为Siemens公司生产的Simatic S7系列可编程序控制器(PLC)的模块式结构(逻辑图如图4-2所示)，并采用ET200M将现场I/O站通过PROFIBUS-DP接到中控室13。图4-2 PLC的逻辑图4.2.2 PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的:1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点(包括其常开或常闭触点)在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作；2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出

48、线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什幺区别了16。如图4-3所示，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。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定

49、的扫描速度重复执行上述三个阶段。图4-3 PLC扫描过程简图a）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。b）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左

50、后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态:或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。c）输出刷新阶段当扫描

51、用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图4-4所示17，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。图4-4 PLC扫描周期的示意图4.2.3 PLC的特点PLC的主要特点是18：a）编程方法简单易学。PLC配备了梯形图语言进行程序设计，梯形图语言的表达方式与继电器电路原理图中电路符号的表示法极为相似，且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令8。工程技术人员能够很快熟

52、悉并掌握梯形图语言的使用方法并用它来编制用户程序，这就为使用者能快速地编制出本单位所需要的控制程序提供了非常有利的条件。b）PLC的硬件配套齐全，接线端子一目了然，便于用户使用。由于PLC的设计和生产大多是系列化和模块化的，其硬件配置相当灵活，可以组合成多种规模的，满足用户各种控制要求的控制系统。c）PLC可靠性高，抗干扰能力强。它采用了一系列硬件和软件的抗干扰措施，能够适应工业控制现场恶劣的使用环境，为控制系统工作的可靠性、持久性提供了有力的保障。d）PLC系统的设计、安装、调试工作量小。PLC因用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，其控制柜盘的安装、接

53、线工作量大为减少。而PLC梯形图程序一般采用的是顺序控制设计法。这种编程方法有规律、易于掌握、便于阅读。对于复杂的控制方案，PLC的梯形图程序较之传统的继电器系统电路图在设计上简便的多。另外，PLC的输出节点设计有一一对应的发光二极管用来指示输出的状态，这在程序模拟调试和故障诊断时非常直观，在现场应用中能帮助用户及时地判断并找出故障点的位置。4.2.4 PLC的发展171）发展概况PLC自问世以来，经过20年的发展，在许多发达国家己成为一种重要产业，世界的PLC年平均销售额己达55亿美元以上，我国约占1%，为5500万美元。新的PLC生产厂家不断涌现，新品层出不穷，在1988年，就美国而言，就

54、有70多个PLC生产厂家，共300多个品种，其中着名的有AB (Allen-Brandly)公司、歌德(Gould Modicon)公司等，日本的PLC厂家也很多，其小型PLC市场占有率很高，着名的有三菱、欧姆龙(OMRON)等公司。欧洲着名的公司有德国的西门子公司、BBC公司等。当前，PLC在国际市场上己成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统己成为一种潮流。2）现代PLC的发展趋势随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能也不断改进，生产厂家不断的推出功能更强的PLC新产品，平均35年就更新一次，如西门子公司在S5系列PLC的基础上又推出了S7系列的PLC，性价比越

55、来越高。如S7-300属中小型PLC，就有很强的模拟量处理能力和数字量运算能力，用户程序存储容量达24KB，具有许多过去大型PLC才有的功能，它扫描速度为1000条指令0.3ms，超过了过去的大型PLC.现代的PLC有两个主要趋势:其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微小型PLC方向发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性、多功能方向发展。4.3 PLC 硬件设计在这里主要介绍要用到的S7-300的主要模块。在该设计中用到的模块主要有CPU315-2DP、电源PS307、SM321、SM322、SM331、SM332、机架。4.3.1 PLC模块的安装CPU总是安装在0号机架

56、的2号槽位上，1号槽安装电源模块，3号槽总是安装接口模块，这里PS307置1号槽位，CPU315-2DP置2号槽位，SM361模块置3号槽位。槽位号4到11，可自由安装信号模块、功能模块和通讯模块，需要注意的是，槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位。模块与CPU、模块与模块之间用背部总线来连起来，组成一个完整的PLC。4.3.2 CPU模块与普通计算机一样，PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务。每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输

57、入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与

58、运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的显示、接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。CPU有几种不同的型号，他们分别是：CPU312 IFM、CPU314、CPU315、CPU315-2DP。根据经验公式可以计算出PLC需要的存储器的大小。所须存储器容量的

59、经验公式为17： （4-1）其中DI为数字量输入的总点数。DO 为数子量输出的总点数。AI/AO为模拟量通道总数。具统计该设计中DI个数为2个，DO也为2个，AI为9个，AO为7个。所以须存储器容量 （4-2）在这里取系数为1.25所以须存储器容量（KB）=2048/1024=2KB。在该设计中选择CPU为CPU315-2DP。它出了具有314、315的特点外还有每执行1000个二进制指令只许0.3ms，最大可扩展1024。点数字量和128个模拟量通道。另外还具有8个指示灯，其中的SF-DP和BUS-DF用于现场总线及DP接口的错误。CPU 执行一条二进制指令仅需要0.1s，CPU 414-2

60、的RAM容量为256KB（程序和数据各128KB）。最后的故障和中断事件保存在FIFO缓存器中，供诊断使用。存入的信息数目可以通过参数化确定。CPU414-2 DP还配有：PROFIBUS-DP 接口和组合的MPI/DP 接口；PROFIBUS-DP 主站接口能够被用来建立一个高速的分布式自动化系统，并且使得操作大大简化。从用户的角度来看，分布式I/O 的处理与集中式I/O 没有区别（相同的配置，寻址及编程）。CPU 有四种工作方式，他们分别是：a）RUN-P：可编程运行方式。CPU扫描用户程序，即可以用编程装置从CPU中读出，也可以由编程装置装入CPU中。用编程装置可监控程序的运行。在此位置

61、钥匙不能拔出。b）RUN：运行方式。CPU扫描用户程序，可以用编程装置读出并监控PLC CPU中的程序，但不能改变装载存储器中的程序。在此位置钥匙可以拔出，以防止程序在正常的运行时被改变操作方式。c）STOP：停机方式。CPU不扫描用户程序，可以通过编程装置从CPU中读出，也可以下载程序到CPU，在此位置钥匙可以拔出。d）MRES：该位置瞬时接通，用于清出CPU的存储器。CPU还有一些LED指示灯，显示运行状态和故障，如表4-2所示11。 表4-2 S7-300PLC CPU模块面板上LED指示灯功能表发光二极管LED颜色含 义SF红色系统出错/故障指示BATF红色电池故障指示DC5V绿色+5

62、V电源指示FRCE黄色强制信号指示RUN绿色运行方式指示STOP黄色停止方式指示4.3.3 SM321数字量输入模块数字量输入模块的输入方式有直流输入和交流输入方式两种。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离滤波，然后才送入缓冲器等待CPU的采样。采样时，信号经过背部总线进入到输入映像区。以下为数字量输入模块选择的一般原则：a) 根据现场监测元件与模板之间的距离来选择电压的等级。一般5、12、24V属低压，其传输距离不易太远。距离较远的设备选用较高电压的模板比较可靠，以免信号衰减后造成误差。b) 根据分散各处信号的多少和信号动作的时间选择模板的密度。集中在一处的输入信号尽可能集中在一块或几块模

63、板上，以便于电缆安装和系统调试。对于高密度模板，如32点或64点，一般来讲，同时接通点数最好不超过模板总点数的70%。c) 为了提高系统的可靠性，必须考虑门坎电平的大小，门坎电平值越大抗干扰能力越强传输也就越远。d) 根据系统抗干扰性能的要求，选择光电隔离或不带光电隔离的输入模板。e) 根据被控设备与可编程序控制器CPU所安装位置之间的距离来设计本地输入模板还是远程输入模板。f) 备用输入点的设计。在设计总输入点数时要留有一定的裕量，这些备用点的分配应分别考虑到每块输入模板上，最好分配到每组输入点上。例如，以具有32点输入的模板。他们每8点一组，在设计时每8点留一个备用点，一旦其余7点有一个发生故障，只要把接线从故障点改接到备用点，相应地址再一修改，系统就可恢复正常17。SM321数字量输入模块是用来将现场送过来的数字信号电平转化成S7-400内部信号电平。它有四种型号可以选择，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。其中SM321 DI 3224VDC它具有32个输入点，带隔离、16点为一组。额定输入电压为24VDC，适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关)，可接非屏蔽电缆长度最长为600m，屏蔽电缆长度为1000m，通道与背板之间以及每组通道之间有光电隔离，从背板总线输出最大15mA电流。SM3