面粉生产过程控制系统设计.doc

安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称面粉生产过程控制系统设计学 院电气信息学院专业班级测控技术与仪器081姓 名李 赟学 号089064013指导教师张英杰 老师毕业设计(论文)的主要内容及要求：1 查阅资料了解面粉生产过程控制系统的发展历史和发展现状；2 查阅资料分析面粉生产工艺流程；3 设计面粉生产过程总体控制方案；4 选择合适的PLC，完成硬件组态、编写相应的控制程序并进行及仿真;5 使用组态软件对整个生产过程进行组态；6 整理论文资料并书写毕业设计论文;7 查阅英文材料并进行翻译；起止时间：2012年2月18日至2012年6月9日共16周指 导 教 师签 字系 主 任签 字院 长签 字摘要面粉加工是食品生产的重要原料工业，是粮食生产向人类消费过渡的传统行业。由于种种原因，其生产过程的自动化远远落后于同期实现机械化生产的纺织业。进入九十年代以来，为了降低成本，提高产品质量，适应不断变化的市场经济，我国的大中型面粉厂相继进行了电气自动化系统的改造，PLC开始被广泛的应用于我国面粉行业。可编程控制器（Programmable Controller）简称PLC,是一台有别于普通微机的专用计算机，它能直接在工业环境中应用，不需要专门的空调和恒温环境，它专为工业环境控制而设计制造，具有丰富的输入输出接口和较强的输出驱动能力。由于它具有很多优点，目前已被广泛应用于全世界工业生产的各个领域。本文先介绍了PLC系统的硬件组成、工作原理、软件编程等，并详细介绍了利用PLC控制技术实现面粉生产过程的自动控制。关键词：自动控制系统，面粉生产，iFIX， PLCABSTRACTFlour processing is the important material industry of food producing, and the traditional industry of the transit of cereal producing to human consumption.For various reasons, the automation of its production processlags far behind the textile industry over the same period to achieve the mechanized production. Since the 1990s, in order to reduce costs, improve product quality and adapt to the changingmarket economy, Chinese large and medium-sized flour mills successively carried transformation of electrical automation system, the PLC began to be widely used in the flour industry of China. Programmable controller referred as PLC, is a dedicated computer different from ordinary computer, it can be directly applied in industrial environments without dedicated air conditioning and constant temperature environment. It has been designed for control of industrial environmental with rich input and output interface and strong output drive capability. It has so many advantages that it has been widely used in various areas of industrial production around the world. This paper introduces the hardware structure,working principles and software programming of the PLC system, and then describes how to take advantage of the technology of PLC to achieve the automatic control of the flour production process .Keywords: Automatic control system, Flour production, iFIX, PLC目录摘要IIABSTRACTIII1. 绪论11.1 国内外面粉加工自动化技术的现状11.2 本课题研究主要内容22. 控制系统总体设计32.1 面粉生产工艺流程32.1.1 小麦初清工艺流程32.1.2 小麦清理工艺流程52.1.3 小麦制粉工艺流程72.2 可编程控制器PLC及其与DCS比较92.3 STEP 7软件112.4 iFIX软件122.5 系统控制方案132.5.1 控制系统组成及原理132.5.2 控制系统功能142.5.3 控制系统保护153. 控制系统硬件设计163.1 S7-300可编程控制器163.1.1 工作原理163.1.2 硬件组成203.1.3 模块配置223.1.4 硬件组态检查233.1.5 MPI通讯253.2 三相异步电动机基本控制电路263.2.1 三相异步电动机单向连续运行控制电路263.2.2 三相异步电动机起动控制电路273.3 生产过程动态参数检测303.3.1 传感器303.3.2 常见传感器及参数检测314. 控制系统软件设计324.1 下位控制器软件设计324.1.1 PLC程序设计324.1.2 PLC程序仿真344.2 上位机软件设计384.2.1 画面介绍384.2.2 设备状态394.2.3 故障报警41总结42致谢43参考文献44附录451. 绪论1.1 国内外面粉加工自动化技术的现状面粉加工是把小麦通过清理、研磨、筛理、分级、提纯，加工成各种不同等级面粉的系统科学，它主要包含两方面的内容：制粉设备和制粉工艺。20世纪80年代以前，我国的制粉技术由于受到经济发展水平、制粉设备品种、加工精度以及企业经济实力的制约，采用的都是最基本、最简易的设备和工艺。我国改革开放以来，特别是上世纪80年代末到90年代初大规模引进国外面粉生产线并进行消化吸收，结合我国蒸煮食品的特点，现已逐渐形成了具有中国特色的面粉加工技术。90年代以来，引进生产线的面粉厂以其合理的工艺、先进的设备及自动化技术的应用，提高了产品质量和整体经济效益。当时引进的面粉生产线主要特点有：（1）工艺线路、设备及故障自动监控方面。自动控制及监测技术已在一些引进面粉厂中采用，国产设备配套安装设计的面粉厂，有的也有工艺模拟屏，也可以显示工艺及设备运行情况，但绝大部分无PLC控制的程序启停和故障检测。工艺屏的控制操作也仅仅是将现场控制的方式进行简单的移位和集中，这样的“自控”只是集中控制而不是自动程序控制。（2）程序控制技术方面。引进系统大部分采用继电器联锁控制方式，个别在配粉车间采用PLC控制。例如引进的瑞士布勒公司的生产线也只是在制粉车间的局部工段采用了PLC控制。在满足不断变化的市场需求的过程中，制粉行业中的自动化技术以其特殊的工业方式也在不断地发展。50多年来，自动化仪表从气动到电动，从现场控制到中央控制，从仪表屏操作到计算机操作站，从模拟信号到数字信号等等，变化确实惊人。半个世纪以前，制粉行业已具有确保基本的联锁功能的机电系统，在出现报警或其它故障的情况下，通过继电器链保证按照预定的安全逻辑顺序地停机，控制系统为就地式的简单控制装置。随着面粉厂规模增大，设备数量增加，工艺复杂，自动仪表采用电动仪表，就地控制改为中央仪表控制。中央仪表控制室配有手工绘制的面粉厂的整个工艺流程图，通过指示灯光表示每台机器的状态，操作员可以直观形象地监视和操作面粉生产过程。早期自动顺序启动系统利用定时转换器，大大简化了面粉厂的启动操作。以微处理器为核心的集散控制系统(DCS )的出现，代替了原有集中式DDC系统。以可编程逻辑控制器(PLC)为主体的计算机控制系统满足新的市场要求，确保面粉厂对数百台设备的监控，实现各种工艺要求。最新的机电系统保证面粉厂联锁功能，安全性好。1.2 本课题研究主要内容本课题主要研究的是面粉生产车间的自动化控制系统，通过分析生产工艺流程；分析研究西门子S7-300 PLC硬件组态、编程与通讯，实现iFIX上位机组态，进而完成现场控制系统的设计。应用PLC与iFIX相结合综合控制现场设备是本课题的研究内容，它主要包括以下几个方面：（1）研究面粉生产数据以及故障信息采集（2）研究西门子S7-300 PLC硬件组态（3）研究西门子S7-300 PLC软件编程（4）研究GE Fanuc iFIX 4.5组态（5）研究西门子S7-300 PLC与现场设备和上位机的互联（6）研究最终的系统整合，搭建成具有一定开放系统特性的基本系统。包括PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。2. 控制系统总体设计2.1 面粉生产工艺流程2.1.1 小麦初清工艺流程小麦在收获、干燥、运输和储存过程中，不可避免地会混入各种各样的杂质；小麦在田间生长过程中，难免受自然灾害的影响或病虫害的感染，出现变质或感染病害的麦粒。小麦中混有杂质或病害麦粒直接影响制粉的安全生产、成品质量及食品的安全和卫生。因此，小麦在制粉之前必须将混在其中的各种杂质彻底清理干净。小麦中的杂质种类很多，不可能用一种设备将各类杂质一次清理干净，必须将各种不同作用原理的设备组合使用。用筛理设备分离出与小麦体积不同的杂质，用去石机分离出比麦粒比重大的石子，用精选设备分离出与小麦形状不同的杂质，用磁选器去除磁性杂质，用打麦机和刷麦机清理小麦表面等等。而且相同的设备还要重复使用，才能达到理想的清理效果。图2-1是小麦初清流程图。（a）原粮 卸粮坑 斗提机 初清筛 高效振动筛（2） 垂直吸风道毛麦仓刮板输送机斗提机磁选器垂直吸风道（b）图2-1 小麦初清流程图注：括号内数字表示设备数量。原粮倒入卸粮坑后由斗式提升机送入初清筛清除大杂。清理过的小麦自动流入高效振动筛，由头道筛去除中杂，筛下小麦流过二道筛去掉草籽等小杂。完成后小麦自动流入垂直吸风道，吸除麦糠等轻型皮壳类杂质。经磁选后，由斗式提升机、刮板输送机等设备输送入毛麦仓储存待用。所有的麦仓出口均安装配麦器，用于不同品种小麦的搭配加工。混入小麦中的灰尘等细微杂质由风机从各设备中吸除，经布筒式脉冲除尘器和沙克龙除尘器高效分离后，经关风器送入灰房密闭保存初清的目的是去除小麦中的大杂，如砖头、瓦块及绳头等，并尽可能地去掉部分的小杂和轻杂，以避免这些杂质影响机器的正常工作及物料的流动和出仓，并减少物料中的灰尘含量。2.1.2 小麦清理工艺流程小麦清理流程共设了三筛，两打，两去石，两精选，一洗麦，三磁选，四风选，三着水，两润麦。具体流程如图2-2所示。除杂方法组合的基本原则是先易后难、先粗后精、先危害大的后危害小的。按照这样的原则，首先采用高效振动筛除大中杂、小杂和轻杂，然后采用比重分级去石机去除石子，再用精选机去除与麦粒大小、比重相近的球形或细长形杂质。之后再进行小麦表面清理，先利用打麦机对小麦进行打击，通过撞击和摩擦作用使麦粒表面和腹沟内的尘土、部分的麦毛和麦皮脱落，接着用第二道筛将这些杂质筛出，并同时筛出比麦粒略大的中型杂质。在打麦的过程中还可将一些泥块、炉渣打碎并筛出。这样即完成了毛麦清理过程。在小麦着水和润麦之后，再重复以上过程进行光麦清理，以达到除杂尽净的目的。在小麦清理流程中使用洗麦机清洗麦粒表污，去石洗麦机还可以去除麦中的石子。流程中智能化的着水控制仪可以精确地控制物料的水分。在小麦清理过程完成即将入磨前，又设了一道喷雾着水机。这道工序是以雾化水使麦粒表面湿润，使麦皮的韧性增加，降低麦皮在研磨过程中的破碎。喷雾着水之后设了净麦仓，使麦粒表面水分被吸收。同时该仓还起到平衡、缓冲流量的作用，保证清理和制粉工段的流量稳定。（a）（b）图2-2 小麦清理流程图注：括号内数字表示设备数量。2.1.3 小麦制粉工艺流程制粉工段是面粉生产系统的核心，其技术水平的高低与整个系统的生产效率、产品质量的关系最为密切，所以制粉工艺流程多年来一直是人们研究制粉技术的重点。最早且最简单的工艺流程只设45道磨，中间物料不进行粗细分级，连续地进行“磨-筛-磨-筛”的过程，即所谓的“一条龙”。其后的发展是在流程中增加了心磨系统，将中间物料进行粗细分级，粗的物料入皮磨系统,细的物料入心磨系统。这样粗细不同、质量不同的物料分别进行研磨筛理，提高了工艺效果和产品质量。再后来又增加了渣磨和尾磨，使物料的分级更加细致，并且在系统中使用了清粉机，将心磨的物料进一步提纯，心磨系统使用光辊和松粉机，减低麸星的产生，这就是现代的制粉工艺。世界上制粉技术先进的国家如瑞士、英国、意大利等国家如今采用的都是这样的工艺。我国在20世纪70年代之前，小麦加工以生产标准粉为主，对面粉质量的要求不高，而要求有较高的单产，所以使用的工艺比较简单，大致上都是四皮(或五皮)、四心、二渣，全部用齿辊，不设清粉机。到了70年代中后期，粮食购销逐渐放开，面粉供应充足，对面粉质量的要求也随之提高，制粉工艺也随之发生了变化。本课题所研究的制粉流程设计了四道皮磨(B)、八道心磨(M)、一道渣磨(s)和两道尾磨(T)，另外还配置了八道清粉(P)、四道打麸(Br)和一道刷麸。这是一个路线长度适中、功能齐全的工艺流程。 （1）皮磨系统皮磨的作用是剥开麦粒，刮下大粒状的胚乳送往渣磨和心磨系统，并逐道地刮净麸皮上残存的胚乳。同时还要尽量保持麸片的完整，避免麦皮过碎而混入面粉中。2皮不分粗细，3皮和4皮分粗细，有利于提高研磨效果。虽然未设5皮，但在系统的后路配备了四道打麸和一道刷麸，足以保证对麸片的处理效果。各道皮磨的磨下物料，分别用平筛进行筛理分级，分出大小麸片、粗粒、粗粉及面粉。麸片送往下道皮磨或打麸机处理；粗粒送往清粉机进一步精选，以分出纯净的麦心送往心磨研磨成粉，其余的带皮颗粒则送往渣磨系统继续研磨剥刮，细麸片则去细皮磨或尾磨处理；粗粉是非常细的胚乳颗粒，纯度较高，直接送往心磨系统。（2）渣磨系统从皮磨系统分级出来的粗粒物料，多是粘有麦皮的胚乳粒，这部分物料粒度较小，不宜送入皮磨系统，但又不是纯净的胚乳，也不宜送入心磨系统。所以在流程中设置了渣磨系统，用磨辊将这些物料轻微地研磨，使麦皮与胚乳分开，经过筛理分级后提取质量好的胚乳粒送往心磨系统。（3）心磨和尾磨系统心磨系统的作用是将皮磨系统、渣磨系统、清粉系统提取的不同粒度的胚乳粒研磨成粉，同时最小限度地磨碎麦皮和麦胚。尾磨的作用是处理从皮磨、渣磨、心磨和清粉系统提出的细麸屑，经研磨和筛理后分出细麸和次麦心。心磨系统中经光辊研磨后的物料，部分胚乳会成为粉片或粉团，这些粉片和粉团如不及时粉碎，便不能用平筛将其作为面粉提出，而被推往后路心磨重复研磨，降低了磨粉机的生产率，增加了动力消耗。为此，心磨系统经光辊研磨后的物料，再进入撞击松粉机或打板松粉机通过撞击形式进行粉碎，然后进入平筛筛理。尾磨和渣磨的物料含胚乳少，麦皮多，磨辊研磨力度小，不易形成粉片，所以采用了柔和的粉碎设备打板松粉机。（4）清粉系统清粉的目的是将皮磨、渣磨提出的麦渣、麦心和硬粗粉进行精选，按质量分成麦皮、带有麦皮的胚乳和纯胚乳粒。这样，将纯净的胚乳粒单独地送往心磨系统研磨，就可获得高质量的面粉。清粉机的原理是风、筛结合，空气自下而上从筛面穿过，使筛上物料产生分级，重的物料在下从而穿过筛孔，轻的物料则留在筛面上。这样即可将物料按比重的不同进行分级。2.2 可编程控制器PLC及其与DCS比较可编程控制器是一台有别于普通微机的专用计算机，它能直接在工业环境中应用，不需要专门的空调和恒温环境，它专为工业环境控制而设计制造，具有丰富的输入、输出接口和较强的输出驱动能力。 PLC的最小系统有以下四部分组成：微处理器（CPU）存储器（RAM、ROM）输入输出单元（I/O接口）电源，其结构框图如图2-3所示。图2-3 PLC的基本结构框图 PLC和DCS是当前自动控制领域两大控制系统。PLC即可编程控制器，英文全称为Programmable Controller，早期的PLC主要用来代替继电器实现逻辑控制，其功能随着技术的发展已大大超出了逻辑控制的概念。DCS即分布式控制系统，英文全称为Distributed Control System，在国内自动化行业又习惯称之为集散控制系统，它是以集中式控制系统为基础结合现代4C技术发展而来的。其二者主要的特点概括如下：（1）PLC 的主要特点：程序编制及生成简单，运行速度快，能够很好地完成条件、顺序、计数、步进等控制功能，同时能够实现数据处理、通讯联网、实时监控等功能。（2）DCS的主要特点：功能全，采用网络通讯技术，完备的开放系统，可靠性高，具有综合性和专业性，实现了人机对话，扩展灵活，管理能力强，具有集中管理、分散控制的特点。PLC和DCS有很大的不同，首先PLC和DCS的设计原理区别较大。PLC是从模仿继电器控制原理发展起来的，它存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作指令,并通过输入和输出操作来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，将其存入PLC的用户程序存储器，运行时按存储的程序逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的，把所有的函数和过程变量之间的关系都做成功能块。PLC和DCS表现的主要差别是在开关量和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是仍然有区别。80年代以后，PLC除逻辑运算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点。而DCS使用功能块封装模拟运算和逻辑运算，无论是逻辑运算还是复杂模拟运算表达形式都非常清晰，但相对PLC来说逻辑运算的表达效率较低。在接地电阻方面，对PLC要求不高，但对DCS一定要在几欧姆以下（通常在4欧姆以下）。对于相同I/O点数的系统来说，用PLC比用DCS好，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。如果被控对象主要是设备连锁、回路相对很少，采用PLC较为合适。如果被控对象主要是模拟量控制、并且函数运算很多，最好采用DCS。另外PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。2.3 STEP 7软件STEP 7是基于西门子公司为配置S7-300/400 PLC及编程的标准软件包，它的主要功能包括：建立和管理项目、对硬件和通信作组态和参数赋值、管理符号、创建程序、下载程序到可编程控制器、测试自动系统、诊断设备故障。STEP 7 SIMATIC管理器是用户组态和编程的基础。另外，STEP 7还提供了硬件诊断(向用户提供PLC状态情况，指示各部分是否工作正常及故障判断)功能。为了适应用户程序设计的要求，STEP 7为S7-300/400 PLC提供了3种程序设计的方法，或者说3种用户程序结构，即线性编程、分块编程和结构化编程。（1）线性编程。所谓线性编程就是将整个用户程序都放在OB1（循环控制组织块）中。这种方法对处理一些简单的自动控制任务是可以的，适于一个人进行程序编写。（2）分块编程。将用户程序分隔成一些相对独立的部分，每部分就是一个“控制分块”，每个块中包含一些指令，完成一定的功能。这些块执行顺序由放置在组织块OB1中的程序来确定， （3）结构化编程。在设计一个复杂的自动控制任务时，我们会发现部分控制逻辑常常被重复使用。这种情况便可采用结构化编程方法来设计用户程序。编一些通用的指令块来控制那些相同或相似的功能，这些块就是功能块（FB）或功能（FC）。在功能块中编程用的是“形参”，在调用它时要给“形参”赋“实参”，依靠赋给不同的“实参”，便可完成对多种不同设备的控制，这是一个功能块能多处使用的道理。STEP 7为用户提供了三种标准化的PLC编程语言：梯形图(LAD)，语句表(STL)和功能图(FBD)。每种语言各有优点：LAD和FBD编辑器容易输入并且提供如拖放、复制、粘贴等功能，直观方便，且可在连接库中应用成型的复杂功能模块实现方案。STL使用户直接面向机器存储和控制单元，使用过程语言直接编程，更加专业直观，用户可以随时检查每个输入的正确性，又允许用户用简单的文本编辑器实现离线编程。此外，STEP 7还支持集中高级语言软件包，下面进行一下简单说明：1)与C和PASCAL语言相似的S7 SCL高级文本语言，符合IEC 61131.3标准；2)适用于顺序控制的S7 GRAPH；3)以状态图形式描述异步、非顺序过程的S7 HiGRAPH；4)适用于S7及M7，以图形方式连接已有功能的CFC语言。2.4 iFIX 软件iFIX是全球领先的HMISCADA自动化监控组态软件，是当今世界工业控制领域最为流行的上位机监控软件之一。它集人机界面技术、控制技术、数据库技术、网络技术于一身，可实现数据采集、实时过程监控、报表查询打印、报警和报警管理、趋势分析等功能。由于该软件具有较强的通用性和开放性，功能强大，可靠性高，己被广泛应用于电力、医药、冶金、化工、食品、石油等行业的计算机监控与数据采集系统中。iFIX工作台(Workspace)是iCore的主要组件，它提供了单点组态的功能，能够把系统的一切组件都集成在一个开发环境中，运行人员能够非常方便地访问与使用这些组件。iFIX工作台(wrorkspace)包含编辑环境及运行环境两个完整的集成环境。编辑环境提供了一切必需的开发工具,而运行环境是为操作员而设计的。在运行环境下，操作员能够通过显示画面来监控生产过程。iFIX组念软件采用了基于节点的结构形式。对于iFIX系统来说，一台运行iFIX软件的计算机就称为一个节点，节点能够单独工作或者与其它节点相连。不管是客户端还是服务器都可以被看作是基于节点的iFIX网络中的一个节点，从而为iFIX提供真正的分布式以及客户/服务器结构，为系统提供最大的可扩展性。不管是Server与Client功能运行在单一计算机，实现简单的单机人机界面，还是网络较为复杂的分布式多Sverer与多Client的数据采集及控制系统，iFIX都能够满足各种应用类型及应用规模的需求。 iFIX组态软件主要以监控与数据采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)为核心，提供了数据采集、数据管理及人机界面三种最基本的功能。数据采集通常是指系统从现场获取数据并将其加工成可利用的某种形式。iFIX组态软件不需使用特别的硬件就能获得数据，它能够通过I/O驱动器的软件接口与现场I/O设备直接通信来读取数据并将其传送到驱动程序映象表(Driver Image Table，DIT)中。另外，通过iFIX组态软件还可以向现场写数据，从而建立控制软件所需的双向连接。数据管理就是指各子应用软件根据需求对iFIX获得的数据进行处理及传送的过程。数据管理包括由扫描、报警、控制程序(Scan Alarm Control，SAC)从DIT中读取数据、将其进行处理并传送至过程数据库(PDB)中，内部数据库访问软件从过程数据库(PDB)中读取数据，并将其传送至需要的应用中等内容。另外，iFIX组态软件还能够将数据按照与上述流程相反的顺序写入过程硬件。在传统方法中，操作员都是通过控制室的面板来操作设备的，而iFIX组态软件把传统的控制面板变成了计算机与一个图形屏幕，即人机界面，取代或增强了传统控制室的功能，如监控、报警与报表等功能。2.5 系统控制方案 2.5.1 控制系统组成及原理控制系统以PLC为中心，终端计算机通过通讯电缆与PLC的CPU相连以实时监控其工艺流程中的设备，而PLC的I/O模块又通过控制柜的执行器件控制现场设备。系统监控管理软件为GE Fanuc自动化北美公司的组态系统IFIX 4.5软件。图2-4为控制系统的结构框图。图2-4 控制系统原理示意图控制系统通过对现场敏感元件或传感器( 如高、低料位器，限位开关，速度监测器，感温热敏电阻，电接点压力表等)的检测，将测量信号送入PLC 输入模块( 模拟量需要A/ D 转换) , 由CPU 进行分析、运算, 再将控制信号( 数字量需经D/A 转换) 通过输出模块送至现场控制单元, 如电磁阀、气动闸门、变频器等, 或经中间继电器控制各电机的起停。2.5.2 控制系统功能控制系统主要用于工艺设备的启动、停车操作，设备运行状态的动态显示，故障信息提示、记录和查询等。控制系统共有3种操作方式：（1）控制室自动程序控制方式；（2）控制室鼠标点动控制方式；（3）现场开关手动控制方式。PLC控制主要用于流程中自动控制；控制室鼠标点动控制方式主要用于当自动程序出现故障时；现场开关手动控制方式用于设备调试和单机维修保养。其具体控制过程为：（1）流程启动。启动时流程按工艺顺序逆物料流方向延时启动，即由后路向前路依次启动最后打开进料闸门（进仓时）或出料阀门（出仓时），保证设备都开启后才可进料或出料；（2）流程停止。正常停车，由前路向后路依次停车，以保证停机时设备内不存粮；紧急停车，当控制室的急停按钮按下时，所有设备立即停止，只有急停按钮恢复后，方能再次开启设备。(3)故障报警和处理。当设备发生故障时，计算机响铃报警，并自动在计算机显示屏上以红色显示故障设备的具体位置、设备名称、故障类型等。同时进行必要的自动单机停机或局部停机。如主流程中有设备报警，不但该设备自动停机，而且此设备前面相关的设备均自动停机，以防“憋堵”。(4)记录和查询。信息窗口自动记录系统启动和运行时与PLC进行通讯时的情况，报警信息窗口自动记录系统设备报警和操作员应答及设备故障排除，便于分析系统运行情况和设备使用情况。2.5.3 控制系统保护控制系统采取周密的安全措施, 以确保整套设备可靠、安全地运行。（1）警告以下情况, 计算机画面和PLC柜面板指示灯会出现红色警告:PLC柜或MCC柜中任一风扇发生故障PLC电池掉电或电压不足PLC与计算机联接的通讯线路(或接口)发生故障PLC柜任一220VAC和24VDC电源断路器跳闸（2）报警报警是在不正常的情况下产生的, 会导致加工过程的中断。这时就要求维修人员根据计算机屏幕给出的出错信息迅速地排除故障, 以保证生产的正常运行。以下情况会发生喇叭报警, 有时甚至会停车:脉冲除尘器工作压力低于设定值、正压输送压力超出设定范围绞龙中物料发生堵塞斗式提升机失速或停转某设备因堵料导致电机停转或电机自身出现故障仓空料时, 低料位器显示蓝色仓满料时, 高料位器显示红色其他（3）紧急停车以下情况, 会发生所有设备停转或生产线无法启动:按下车间内任一急停开关任一电机配电柜(MCC柜)及PLC柜三相电源异常3. 控制系统硬件设计3.1 S7-300可编程控制器SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。其中微型的有S7-200系列，针对低性能要求的小型PLC，可扩展2-7个模块。中小型的有S7-300，最多可以扩展32个模块。中高档性能的有S7-400系列，可以扩展300个模块。S7-300系列是模块化中型PLC系统，它能满足中型控制系统的性能要求。高电磁兼容性和强抗震性，使S7-300具有很高的工业环境适应性。温度适应范围从O60，特殊条件下可达-2560，具有很强的耐受震动和污染特性。模块化，无排风扇结构，易于实现分布等的特点使得S7-300成为各种中等规模控制任务既方便又经济的解决方案。3.1.1 工作原理1)初始化PLC上电后，首先进行系统初始化，其中检查自身完好性是起始操作的主要工作。初始化的内容有：对I/O单元和内部继电器清零，所有定时器（含T0）复位，以消除各元件状态的随机性；检查I/O单元连接是否正确；检查自身完好性：即启动监控定时器T0（就是通常说的看门狗Watch Dog Timer ，WDT），用检查程序（即一个涉及到各种指令和内存单元的专用检查程序）进行检查。若不超时，则可证实自身完好，如果超时，用T0的触点使系统关闭。 在初始化阶段，PLC不输入、不输出，也不执行用户程序。PLC运行时，虽然用户程序中可能有众多的操作需求，但PLC是不可能同时执行多个操作的，它只能按分时操作的方式逐一去执行各个操作。由于CPU的运算和处理速度很高，从外部执行结果看来，几乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。初始化后，PLC按扫描形式执行用户程序，并根据所编程序的次序，从左到右、从上到下进行扫描。先扫描到的先检查、先执行。PLC的工作流程见图3-1。图3-1 PLC系统工作流程图2）循环扫描 根据PLC的工作方式，如果运行正常，通信服务暂不考虑,PLC对用户程序进行循环扫描的过程可分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新。PLC的循环扫描过程如图3-2所示。图3-2 PLC的输入、输出和程序执行过程图（1）输入采样当CPU执行输入操作时，现场输入信号经PLC的输入端子由输入缓冲器进入输入映像存储器，这就是输入采样。 在程序执行前，PLC首先扫描各输入模块，将所有外部输入信号的状态读入到输入映像存储器中，随后转入程序执行阶段并关闭输入采样。（2）程序执行PLC在程序执行阶段，按“从上到下、先左后右”的次序从输入映像存储器I、内部元件存储器（如存内部辅助继电器状态的位存储器M、定时器T、计数器C等）和输出映像存储器Q中将有关元件的状态读出，经逻辑判断和算术运算，将每步的结果立即写入有关的存储器（如位存储器M、输出映像存储器Q）中。 （3）输出刷新CPU的运算结果也不是直接送到实际输出点，而是存放在输出映像存储器中。在执行完所有用户程序后，CPU将输出映像存储器Q的内容通过输出锁存器输出到输出端子上，去驱动外部负载。这步操作过程就称为输出刷新。PLC工作时，重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个扫描周期。PLC在一个扫描周期内，对输入信号的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入用户程序执行阶段后，输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入信号进行采样，这种方式称为集中采样。同时，在一个扫描周期内，PLC也只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像存储器中输出，对输出端子进行刷新。在其他阶段，输出状态一直保存在输出映像存储器中，这种方式称为集中输出。 PLC采用这种集中采样、集中输出的“串行”工作方式，可以避免继电-接触器控制中触点竞争和时序失配的问题，这是PLC的抗干扰能力强、可靠性高的原因之一。但是这也导致了输出对输入在时间上的滞后，这是PLC的缺点之一3.1.2 硬件组成S7-300 PLC的组成主要有：中央处理单元(CPU)、信号模块(SM)、通讯处理器(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等。（1）电源模块(PS)S7-300PLC有多种电源模块可供选择，PS305为户外型电源模块，PS307为普通型电源模块，输入电压为交流AC120/230V，输出电压为直流DC24V，比较适合大多数应用场合，一个实际的S7-300PLC系统，在确定所有的模块后，要选择合适的电源模块。所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等消耗功率之和，并且要留有30%左右的裕量。当同一电源模块既要为主机单元供电又要为扩展单元供电时,从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。（2）中央处理单元(CPU)CPU内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED、模式选择开关和通信接口。存储器插槽可以插入多达数兆字节的Flash EPROM微存储器卡（简称为MMC）,用于掉电后程序和数据的保存。 S7-300PLC的CPU模块大致可以分为5类：标准型、紧凑型、故障安全型、技术功能型、户外型。其中CPU 313为具有扩展程序存储区的低成本的CPU，比较适用于需要高速处理的小型设备；CPU 314可以进行高速处理以及中等规模的I/O配置，用于安装中等规模的程序以及中等指令执行速度的程序；CPU 315具有中到大容量程序存储器，比较适用于大规模的I/O配置。CPU模块的存储容量、指令执行速度、可扩展的I/O点数、计数器/计时器的数量、功能软件块数量等指标是随着型号中数字序号的递增而增加。（3）接口模块（IM）接口模块用于S7-300PLC的中央机架到扩展机架的连接，S7-300有三种规格的接口模块，即IM360、IM361、IM365等。IM365接口模块专用于S7-300PLC的双机架系统扩展，由两个IM365配对模块和一个368连接电缆组成。IM360和IM361接口模块必须配合使用，用于S7-300PLC的多机架连接。（4）信号模块（SM）S7-300的信号模块有数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、以及连接爆炸等危险场合的输入/输出模块。（5）功能模块（FM） S7-300PLC有大量的功能模块。功能模块自身带有CPU，并能实现特定的功能，可为PLC的CPU模块分担大量的任务。用户可减少大量的编程工作量。（6）通讯处理器(CP)S7-300PLC有多种通信模块可供选择。例如，CP340用于建立点对点（Point to Point）低速连接，最大传输速率为19.2kbit/s。有3种通信接口，即RS-232、RS-422、RS-485，可通过ASCII、3964（R）通信协议及打印机驱动软件，实现S7-300系列PLC与其他厂商的控制系统、机器人控制器、条形码阅读器、扫描仪等设备通信连接。3.1.3 模块配置根据前面所研究的面粉生产车间的设备配置和设计的控制方案，本控制系统需要按照表3-1统计进行模块配置。由于面粉生产控制系统的复杂性，为了便于系统的拓展，在设计时是按照中型规模的PLC控制系统设计的。其中，电源模块（PS）与中央处理单元（CPU）和其它信号模块之间是通过电缆连接方式将各模块从物理上和电气上连接起来。表3-1 S7-300的模块配置表序号名称型号单位数量模块功能及用途1电源模块PS 307(5A)块4将输入电压(120-230VAC或24VDC)转换成PLC所需的工作电压2CPU模块CPU 314块1执行用户程序；借助MPI与上位机通讯3数字量输入模块SM321(32路)块13SM321(DI32*24VDC)；可提供32路开关量输入通道4数字量输出模块SM321(32路)块13SM322(DO32*24VDC/0.5A)；可提供32路开关量输出通道5模拟量输入模块SM331(8路)块6SM331(AI32*24VDC); 总共可提供32路模拟量输入通6接口模块IM360IM361块13用于PLC的多机架连接7存储卡6ES7953-8LJ00-0AA0块1存储PLC程序8机架UR块4为S7的各模块之间提供机械和电器的连接3.1.4 硬件组态检查在完成了S7-300 PLC控制系统的硬件配置后即可在S7-300的编程软件STEP 7上完成系统的硬件组组态，其步骤是：（1)双击SIMATIC Manager图标，打开STEP 7主画面。（2)点击文件夹新建，输入文件名(面粉生产车间)和文件夹地址，然后点击OK，系统将自动生成工程项目。（3)点亮项目名称，点击右键，选中插入新对象，点击SIMATIC 300站点，将生成一个S7-300的项目。（4)把面粉生产车间左面的+点开，选中SIMATIC 300(1)，然后选中硬件并双击或右键点打开对象，硬件组态画面即可打开。（5)双击SIMATIC 300RACK 300，然后将Rail拖入到左边空白处，在窗口即可生成空机架，生成空机架的操作界面，如图3-3所示。（6)双击SIMATIC 300，双击CPU 314，双击6ES7 314-1AG14-0AB0，选中V3.0，将其拖到机架RACK的第2个槽；。然后分别在(0)UR、(1)UR、(2)UR和(3)UR中的槽添加IM360、IM361、SM321、SM322模块。（7)检查组态，点击站点一致性检查，弹出NO errors窗口，则表示没有错误产生。说明本设计的方案是可行的。国3-4为组态成功的界面。图3-3 操作界面图图3-4 检查组态界面图3.1.5 MPI通讯MPI(Multi Point Interface)是多点接口的简称，是当通信速率要求不高，通信数据量不大时可以采用的一种简单经济的通信方式。西门子公司的S7系列PLC可以通过CPU模块上的MPI接口组成MPI网络,通过它可实现全局数据通信。通过全局数据通信,一个CPU 可以访问另一个CPU的数据块、存储位和过程映像等。MPI网络的全局数据通信不需要额外的硬件和软件,结构简单,端口管理与布线容易,装置连接成本低。每个S7-300 CPU都集成了MPI通信协议,MPI的物理层是RS-485。通过MPI，PLC可以同时与多个设备建立通信连接，这些设备包括编程器PG或运行STEP7的计算机PC、人机界面（HMI）及其它SIMATIC S7，M7和C7。同时连接的通信对象的个数与CPU的型号有关。接入MPI网络的设备均称作节点, S7-300 PLC MPI网络节点数量的最大值为32个。MPI网络有一个网号,在组建MPI 网络之前, 要为每一个节点分配一个MPI地址和1个最高MPI地址,使所有通过MPI连接的节点能够相互通信。STEP 7的用户界面提供了通信组态功能,使得通信的组态比较简单。连接MPI网络常用到两种部件：网络插头和网络中继器。网络插头是节点的MPI与网络电缆之间的连接器。网络中继器用于放大信号以及光电隔离，可用于扩展节点间的连接距离(最多增大20倍)；也可用作抗干扰隔离，如用于连接接地的节点和接地的MPI编程装置的隔离器。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RS485中继器的连接与使用。3.2 三相异步电动机基本控制电路 在交流电力拖动系统中，电动机分为异步电动机和同步电动机，异步电动机由于具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便等优点，因此在交流电力拖动系统中的电动机主要是三相异步电动机。3.2.1 三相异步电动机单向连续运行控制电路三相异步电动机单向连续运行控制线路如图3-5所示。图中由电源开关QS、熔断器FU、接触器KM的主触点、热继电器FR的热元件和电动机M构成主电路。由起动按钮SB1、停止按钮SB2、接触器KM的线圈及其常开辅助触点、热继电器FR的常闭触点和熔断器FU2构成控制电路。图3-5 单向连续运行控制电路图起动时，合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，接触器KM线圈得电，其在主电路中的常开触点闭合，电动机在全压下直接起动。同时与SB1并联的接触器辅助常开触点也闭合，实现自锁。停车时，按下停止按钮SB2，接触器KM线圈失电，其在主电路中的常开主触点断开复位，三相电源被切除，电动机停转。同时，接触器在控制电路中的辅助触点也复位，断开自锁。松开SB2后，SB2复位，但与起动按钮SB1并联的常开触点KM已经断开，这时，接触器线圈不能再依靠它来构成通电电路，只有再次按下起动按钮SB1，电动机才能重新起动运行。在电路中，熔断器FU1、FU2起短路保护作用，但不能起过载保护作用；热继电器FR对电动机起过载保护作用；依靠接触器的电磁机构来实现对电动机的零压（失压）与欠压保护作用。 3.2.2 三相异步电动机起动控制电路三相异步电动机在全压下起动时，起动电流很大，可达其额定电流的4-7倍，过大的起动电流一方面会使电网电压显著降低，影响邻近设备的正常运行；另一方面，会在供电线路和电机内部产生损耗而引起发热。因此，电动机容量在10KW以上时，通常采用降压起动。常见的降压起动方式有：定子绕组串电阻（或电抗）降压起动、Y-降压起动、自耦变压器降压起动。 （1）定子绕组串电阻降压起动控制电路定子绕组串电阻降压起动控制电路如图3-6所示。图中KM1为串电阻降压起动接触器，KM2为短接电阻全压运行接触器，KT为时间继电器，R为降压起动电阻。 图3-6 定子绕组串电阻降压起动控制电路图合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈得电并自锁，其主触点闭合，电动机定子串电阻降压起动，同时时间继电器KT线圈得电。经过时间继电器整定的延时时间后，其通电延时的常开触点闭合，接触器KM2线圈得电，KM2常开触点闭合，常闭触点断开，KM1线圈失电，起动电阻R被短接，电动机进入全电压正常运行。定子绕组串电阻降压起动具有设备简单、动作可靠