SBR污水处理实验装置PLC控制系统设计.doc

目录目录1第一篇 设计任务21.1题目21.2工艺要求2第二篇 总述32.1可编程逻辑控制器32.2组态软件概况 3第三篇 SBR污水处理硬件接口电路设计53.1硬件选型及PLC的I/O分配53.1.1型号的分析与统计53.1.2 CPU与扩展模块的选择53.1.3 PLC的I/O端口分配 53.2 软件设计63.2.1 s7_200控制程序设计63.2.2 通信组态83.2.3 监控界面程序设计12第四篇 设计感悟17第五篇 参考文献17第六篇 尾声18第一篇 设计任务1.1题目：SBR污水处理实验装置PLC控制系统设计1.2设计要求SBR是序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。SBR法污水处理实验装置如下图所示，1、5、12均为水箱，2为水泵，3、11为电磁阀，4为水流量计（用于检测注水流量情况，产生模拟量电流信号），6为搅拌电机，7为曝气头（有三个），8为充气泵，9为气体流量计（用于检测充气流量情况，产生模拟量电流信号），10为排水斗。主要工艺过程简介如下：1、注水。此时3打开，2工作，将1内的污水泵入5（内有活性污泥），4可以检测水流量，其余装置均处于不工作状态，注水过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，3闭合，2停止工作。下面进入曝气阶段。2、曝气。此时8工作，通过7将空气泵入5， 9可以检测空气流量，其余装置均处于不工作状态，曝气过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，8停止工作。下面进入搅拌阶段。3、搅拌。此时6工作对5中物质进行搅拌，其余装置均处于不工作状态，搅拌过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，6停止工作。下面进入沉淀阶段。4、沉淀。此时所有装置均处于不工作状态，让5水中的杂质沉淀，沉淀过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束。下面进入排水阶段。5、排水。此时11打开， 5上部的清水可由10排入12，然后再排向别处，其余装置均处于不工作状态，排水过程持续一定时间（预先设定好或由人实时控制）后结束，11闭合。下面又进入注水阶段，开始新的循环。第二篇 总述2.1可编程逻辑控制器自1969年世界上诞生了第一台可编程逻辑控制器（PLC）以来，可编程控制技术在工业控制领域便一路高歌，取得了极为广泛的应用。但是在这过去的30多年里，计算机技术、电子技术、网络通信技术以及自动控制技术的飞速发展，使得工程师们在工业应用中对于控制器的功能需求也远远超越了当初的“顺序逻辑控制”的简单期望。 “PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，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器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC所作的权威性的定义。2.2组态软件概况组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。国外组态软件：1、InTouch：Wonderware 是 Invensys plc“生产管理”部的一个运营单位，是全球工业自动化软件的领先供应商。Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。2、IFix：GE Fanuc 智能设备公司由美国通用电气公司（GE）和日本Fanuc公司合资组建，提供自动化硬件和软件解决方案。Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Fix6.软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。Intellution将自己最新的产品系列命名为iFiX，在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.版本并不完全兼容。原有的Script语言改为VBA（Visual Basic For Application），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。遗憾的是，Intellution并没有提供6.1版脚本语言到VBA的转换工具。在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution也是OPC（OLE for Process Control）组织的发起成员之一。iFiX的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买。3、WinCC：西门子自动化与驱动集团(A&D)是西门子股份公司中最大的集团之一，是西门子工业领域的重要组成部分。Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。4、Movicon：全称为Monitor, Vision and Control.它是新一代的自动化监控软件，由意大利著名自动化软件供应商PROGEA公司开发，PROGEA公司自1990年开始开发基于Microsoft Windows平台的自动化监控软件，开发的软件以简单易用，稳定可靠著称。全面支持Windows平台。 主要组成部分包括：实时数据库,历史数据库，事件及报警管理，安全管理，任务及事件调度，通讯驱动，网络功能，OPC，图形用户接口（窗口资源）等，同时集成VBA兼容的脚本语言及类似STEP-7指令表的软逻辑功能。5、Citech：悉雅特集团（Citect）是世界领先的提供工业自动化系统、设施自动化系统、实时智能信息和新一代 MES 的独立供应商。CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。国内组态软件：1.世纪星组态软件（北京世纪长秋科技有限公司）北京世纪长秋科技有限公司是专业从事工业自动化软件开发、销售、服务及工业自动化系统集成的高新技术企业。公司拥有自主产权的软件产品世纪星通用工业自动化监控组态软件，本产品自1999年开始销售，10年内已有二万多套软件应用于相关行业，如：电力变电配电自动化、电厂监控、石油、化工、冶金、矿山、工业民用水处理、环保污水处理、储备粮库、铁路隧道信号监控、交通信号监控、食品及饮料自动化监控等。2.三维力控ForceControl （北京三维力控科技有限公司）北京三维力控科技有限公司是专业从事监控组态软件研发与服务的高新技术企业，核心软件产品初创于1992年，公司以自主创新为动力，逐渐奠定了在国内市场的领先地位。3.组态王KingView（北京亚控科技发展有限公司）北京亚控科技发展有限公司正式成立于1997年，公司着眼自动化软件领域的尖端技术，基于工业网络平台，为用户提供专业客制化应用解决方案和自动化软件产品和服务。作为国产SCADA软件，其创始人早在1993年就开始研发组态王产品，并迅速应用到了国内用户的系统中。当时的目标是为用户建立具有易用性强，动画功能丰富、技术性能卓越、稳定可靠且价格低廉于一身的工业自动化软件平台。4.紫金桥Realinfo(紫金桥软件技术有限公司)紫金桥软件技术有限公司是由中石油大庆石化总厂出资成立的专门从事计算机软件产品开发的高新技术企业，是中国石油天然气集团的软件开发基地。公司专注于自主知识产权软件产品“实时数据库系统”和“监控组态软件”的开发与推广工作。5.MCGS(北京昆仑通态自动化软件科技有限公司): 昆仑工控-为大型专业工控企业联盟集团，以雄厚的资金为后盾，高、新、尖技术力量为核心，专门从事设计、生产、销售各种类型传感器、变送器、热工仪表、现场控制器、计算机控制系统、数据采集系统、组态软件、专用现场控制软件等6.还有Controx（开物）,易控等组态软件特点随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 第三篇 SBR污水处理硬件接口电路设计3.1硬件选择及PLC的I/O分配3.1.1信号的分析与统计 本次设计要求实现三台电机和两个电磁阀的基本顺序器听控制，并能采集两个流量计的流量信号。对于电机的启停信号可以使五路数字量输出信号；对于流量信号则为模拟量输入信号控制参量列表如下：类型数量备注DO5启动输出AI2采样流量信号3.1.2 CPU与扩展模块的选择考虑到本次设计点数很少及选材的方便。本次设计采用CPU 226模块本机集成24输入/16输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器但由于CPU自身不含有模拟量处理模块，需另外选择扩展模块，两路AI，考虑到冗余，选用一块EM235模块，两个EM232模块。3.1.3PLC的I/O端口分配类型名称类型名称类型名称M1.0电磁阀3的开关M1.7充气泵Q0.0水泵M1.1电磁阀11的开关M2.0沉淀开关Q0.1搅拌电机M1.2启动M2.1排水阀开关Q0.2充气泵M1.3停止M1.6搅拌电机开关Q0.3电磁阀3M1.4自动M1.5手动Q0.4电磁阀11。3.2软件设计3.2.1 S7_200控制程序设计根据控制要求，编写控制程序如下：LD M1.4O M0.1AN M1.5= M0.1LD M1.2O M0.7AN M1.3= M0.7LDN M0.1A M1.0AN M2.0AN jiaobanji:Q0.1AN chongqibeng:Q0.2= shuibeng:Q0.0LDN M0.1A M1.0AN M2.0AN jiaobanji:Q0.1AN chongqibeng:Q0.2= famen1:Q0.3LDN M0.1A M1.6AN M2.0AN shuibeng:Q0.0AN chongqibeng:Q0.2= jiaobanji:Q0.1LDN M0.1A M1.7AN I1.1AN shuibeng:Q0.0AN jiaobanji:Q0.1= chongqibeng:Q0.2LDN M0.1A M2.1= famen:Q0.4LD M0.5A T41AN M0.7A SM0.0O M0.0AN M0.1= M0.0LD M0.5A M0.7A T41LD M0.0A M0.1A M1.0OLDO M0.1AN M0.2= M0.1LD M0.1A T37O M0.2AN M0.3= M0.2LD M0.2A T38O M0.3AN M0.4= M0.3LD M0.3A T39O M0.4AN M0.5 = M0.4 LD M0.4 A T40O M0.5AN M0.0AN M0.1= M0.5LD M0.1= shuibeng:Q0.0TON T37, 1000LD M0.2= chongqibeng:Q0.2TON T38, 1000LD M0.3= jiaobanji:Q0.1TON T39, 1000LD M0.4TON T40, 1000LD M0.5TON T41, 5000 LD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0-R 6400.0, AC0/R 2560.0, AC0MOVR AC0, VD100*R 100.0, VD100LD SM0.0*R 256000.0, AC2/R 100.0, AC2+R 6400.0, AC2ROUND AC2, AC2MOVW VW0, AQW03.2.2 通信组态 组态王的通讯机制组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现和外部设备的通讯，组态王内置有大量的设备驱动作为外部设备的通讯接口。在开发过程中，只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”，一步步完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王可以通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据或指令。组态王的驱动程序采用ActiveX技术，每一驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，从而保证运行系统的高效率，如图1所示。因此，组态王可以与一些常用I/O设备直接进行通讯，如可编程控制器(PLC)、智能模块、板卡、智能仪表等。组态王与I/O设备之间的数据交换采用五种方式:串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。 组态王与S7-200的PPI通信方式PPI(Point-to-Point)是西门子专为S7-200系列开发的一个通讯协议，为主/从协议，PC机为主站，S7-200为从站。该方式下有两种硬件连接方法，一种是使用PPI电缆将PC机串口和S7-200的通讯口相连，采用串行通讯方式。另一种是PC机通过CP5611通讯卡与S7-200相连。在第一种方式下，使用PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN32安装通讯硬件，在“SET PG/PC Interface”对话框中配置PC/PPI cable,选择Interface Parameter Assignment为PPI，并设置PPI参数默认值,双击通讯框中得刷新图标后建立与S7-200的通信连接。在第二种方式下，将CP5611卡安装在PC机的插槽中，用连接带缆将CP5611卡与S7-200的PORT口相连，安装STEP 7-Micro/WIN32和STEP 7 V5.0 +ServicePack5(或STEP 7 V5.1+ServicePack 2)，运行PG/PC-interface parameterisation，将用户界面配置为CP5611 (PPI)方式。这两种方式的上位机组态王的设置基本相同，首先使用“设备配置向导” 定义外部设备，分别选择西门子S7-200系列PPI通信和西门子S7-200系列通讯卡通信，并设定如下通信参数:波特率9600bps,数据位8位，停止位1位，偶校验。在设定PLC地址时，两种方式有所不同，前者将PLC地址设为默认地址2。后者采用“PLC地址.2”地址格式，小数点前的数字为有效地址PLC的地址(即站号)，小数点后为数字2，所设定的地址范围为2.2126.2，其中PLC的地址可通过编程软件STEP 7-Micro/WIN设置来实现。在组态王的“数据字典”中定义相关变量，选择变量类型为I/O型，并选择连接设备，指定所访问的寄存器名及寄存器类型。注意，组态王只支持V寄存器，如果要监控Q、M寄存器，可以先在PLC程序中将Q、M寄存器传至V寄存器，组态王通过对V寄存器的操作来实现对Q、M寄存器的监控。另外，组态王不支持直接以I/O离散变量的定义，需以字节(BYTE)形式存取，每一BYTE类型(8个BIT位)对应8个开关量的输入或输出状态，即BYTE的07位分别对应输入或输出的07开关量通道，如果要显示或控制某一开关量通道的状态，可以使用组态王提供的BIT()或BITSET()函数进行取位或置位。在制作好的监控画面中，将画面的图素与定义的变量建立“动画连接”，在TouchVew中运行，即可建立实时通信，得到一个反映工业现场的监控画面。通讯参数设置PLC默认的通讯参数如下表，组态王与之保持一致。设置项 默认值波特率： 9600 数据位长度 8 停止位长度 1 奇偶校验位 偶校验以下为step7 Miro/Win里通信参数设置组态王设置定义组态王设备组态王定义设备时请选择：PLC西门子S7200系列PPII/O设备地址：由于S7-200系列PLC 的型号不同，设备地址的范围不同，所以对于某一型号设备的地址范围，请见相关硬件手册。组态王的设备地址要与PLC的PORT口设置一致.PLC默认地址为2。通信是系统组态的关键环节，只有在实现上、下位机的良好通信后，才可以进行后续的组态。3.2.3监控界面程序设计组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计(2)构造数据库(3)建立动画连接(4)运行和调试2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:(1)图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令组态王数据词典-变量定义寄存器 dd 取值围 数据类型 变量类型 读写类型寄存器含义Vdd09999 BYTE,SHORT,USHORT,LONG,FLOAT, I/O整型、I/O实型 读写 V数据区Idd0.09999.7 BITI/O离散只读数字量输入区,按位读取09999BYTEI/O整型数字量输入区,按字节（8位）读取Qdd0.09999.7 BITI/O离散读写数字量输出区,按位操作09999BYTEI/O整型数字量输出区,按字节（8位）操作Mdd0.09999.7 BITI/O离散读写中间寄存器区,按位操作09999BYTEI/O整型中间寄存器区,按字节（8位）操作寄存器举例说明：寄存器名称 变量类型 数据类型 读写属性寄存器说明v400I/O整数BYTE读写V区地址为400的寄存器（一个字节）v416I/O整数LONG读写 V区地址为416的寄存器（四个字节416、417、418和419）Q0I/O整数BYTE读写 对应Q区的Q0.0-Q0.7,一个字节（八位）I0.0I/O离散BIT只读对应I区的I0.0位根据上表中的规范，在数据词典中建立所需变量完成变量的建立后，可通过组态王本身的串口设备进行调试，观察变量的读写是否正常。 通讯测试良好后，可建立变量与图画的动、静态连接动画连接对话框给图形对象定义动画连接是在“动画连接” 对话框中进行的。在组态王开发系统中双击图形对象（不能有多个图形对象同时被选中），弹出动画连接对话框。以圆角矩形为例：对话框的第一行标识出被连接对象的名称和左上角在画面中的坐标以及图形对象的宽度和高度。对话框的第二行提供“对象名称”和“提示文本”编辑框。“对象名称”是为图素提供的唯一的名称，供以后的程序开发使用，暂时不能使用。“提示文本”的含义为：当图形对象定义了动画连接时，在运行的时候，鼠标放在图形对象上，将出现开发中定义的提示文本。下面分组介绍所有的动画连接种类。u 属性变化：共有三种连接（线属性、填充属性、文本色），它们规定了图形对象的颜色、线型、填充类型等属性如何随变量或连接表达式的值变化而变化。单击任一按钮弹出相应的连接对话框。线类型的图形对象可定义线属性连接，填充形状的图形对象可定义线属性、填充属性连接，文本对象可定义文本色连接。u 位置与大小变化：这五种连接（水平移动、垂直移动、缩放、旋转、填充）规定了图形对象如何随变量值的变化而改变位置或大小。不是所有的图形对象都能定义这五种连接。单击任一按钮弹出相应的连接对话框。u 值输出：只有文本图形对象能定义三种值输出连接中的某一种。这种连接用来在画面上输出文本图形对象的连接表达式的值。运行时文本字符串将被连接表达式的值所替换，输出的字符串的大小、字体和文本对象相同。按动任一按钮弹出相应的输出连接对话框。u 用户输入：所有的图形对象都可以定义为三种用户输入连接中的一种，输入连接使被连接对象在运行时为触敏对象。当TouchVew运行时，触敏对象周围出现反显的矩形框，可由鼠标或键盘选中此触敏对象。按SPACE键、ENTER键或鼠标左键，会弹出输入对话框，可以从键盘键入数据以改变数据库中变量的值。u 特殊：所有的图形对象都可以定义闪烁、隐含两种连接，这是两种规定图形对象可见性的连接。按动任一按钮弹出相应连接对话框。u 滑动杆输入: 所有的图形对象都可以定义两种滑动杆输入连接中的一种，滑动杆输入连接使被连接对象在运行时为触敏对象。当TouchVew运行时，触敏对象周围出现反显的矩形框。鼠标左键拖动有滑动杆输入连接的图形对象可以改变数据库中变量的值。 u 命令