664524435毕业设计（论文）基于PLC的回转窑拖动系统技术研究与开发

1、燕山大学 毕业设计（论文）基于plc的回转窑拖动系统技术研究与开发学院（系） 电气工程学院 年级专业 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 摘 要摘要:可编程控制器(plc) 是一种重要的、应用场合广泛的工业控制器,它通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点,是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。本文介绍了plc 在回转窑自动控制系统中的应用,以及该系统的硬件配置和功能。同时着重讲述了plc 软件在回转窑拖动系统中的对转速的控制，再结合当前先进的、成熟的电力电子器件、变频器的技术、plc的技术将回转窑拖动系统完善起来,达到运行可靠

2、、节能的目的，同时在实际使用中令系统具有较高的稳定性、可靠性和实用性。关键词:plc；变频器；回转窑；拖动系统；稳定性；可靠性abstractabstract: programmable logical controller ( plc) is an important and widely used industrial controller , which can control various machines and production processes by binary or analog input and output . frequency control of high

3、 efficiency, wide-range and high precision, and other characteristics, is the use of the most extensive and most promising way of speed. in this paper, an application of plc in an auto control system for the progress of the rotary kiln is introduced, and the systems hardware configuration and functi

4、ons. at the same time focus on the plc software in the rotary kiln system of drag on speed control, combined with the advanced and mature power electronic devices, the frequency converter technology, plcs technology will improve the rotary kiln drive system, to run reliable and energy-saving purpose

5、s, while the actual use of the system to have a high stability, reliability and practicality. key words: plc; converter; the rotary kiln; drive system ；stability；reliability目 录摘 要iabstractii第1章 绪论错误！未定义书签。1.1 课题背景错误！未定义书签。1.1.1 错误！未定义书签。1.1.1.1 错误！未定义书签。第2章 错误！未定义书签。2.1 错误！未定义书签。第3章 错误！未定义书签。3.1 错误！

6、未定义书签。结论52参考文献54致谢54附录155附录260注：用word自动生成论文目录 在论文模板上，全部输入论文完毕要自动生成目录时的操作步骤如下：1、插入分隔符：把光标定位在正文最上方，单击“插入”，选择“分隔符”，在分隔符对话框的“分节符类型”处选中“下一页”选项，单击“确定”，这样整篇文章分两个节。第1节放目录，第2节是正文。然后插入页码。 2、将光标置于拟加目录处。3、点“插入/索引和目录/目录”，在出现界面上在显示级别栏选定顶级别确定目录是几层；选择“显示页码”、“页码右对齐”及虚线样式等。4、确定。至此，目录在你指定位置已经生成。已生成目录的字体、间距等仍可以在目录中直接调整

7、。（打印时此段文字删除）第1章 绪论1.1 系统简介现代水泥生产过程中，自动化占据着重要地位。它在保证生产安全可靠、提高产品质量及产量、降低能耗及成本、控制环境污染、降低工人劳动强度、提高设备的运转率及劳动生产率、实现科学的生产控制管理等方面都起着重要的作用。水泥工业自动化水平的提高，也为水泥生产新工艺的推广和完善创造了条件。水泥生产工艺复杂，设备连锁众多，各种检测信号相互影响，采用传统的人工控制或继电器仪表控制很难达到控制要求。如果生产线上的任何一台设备出现故障停机，将影响整个生产线的运行，严重时会发生压料、堵料，给生产带来很大的损失。采用集散控制后，真正做到了控制分散，危险分散和管理集中。

8、设备出现故障后系统能够按照预先编制好的程序自动停止相关设备，并发出声光报警，提醒操作人员及时处理以免影响生产。对一些重要的参数和报表系统能够自动生成历史记录和历史趋势，操作人员和技术人员可以随时查询历史数据了解生产情况。通过对数据的统计和分析提出新工艺，新方法，不断提高水泥的产量和质量。回转窑是水泥生产中的核心设备，在回转窑中进厅生料嫩烧，进行热能交换，在其内生料经过一系列的化学和物理变化，最终形成固液体状的熟料，是熟料生产的重要阶段。而目前,回转窑大都采用直流电机(或绕线电机串电阻)起动和调速.但是,这种方式存在能耗高、运行维护费用高等缺点,影响回转窑运转率,使生产成本难以降低。变频调速具有

9、高效率、宽范围和高精度等特点,是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。结合当前先进的、成熟的电力电子器件、变频器的技术、plc的技术将回转窑拖动系统完善起来,达到运行可靠、节能的目的。12 水泥行业介绍121 中国水泥工业发展现状中国水泥工业历经百年沧桑，只有在建国后，特别是在改革开放20 年中，才获得了真正的大发展。世界水泥产量1999 年达到1542 亿吨，其中中国就占了5.6亿吨，绝对量不可谓不高，人均消费量也远远超出世界人均水平，甚至达到了一些发达国家目前的年度消费水平。从生产工艺和装备制造等工业技术方面看，我国己基本上掌握了从1000 /10000t d 熟料的全套新型干法技术。通

10、过改革开放20多年的实践，中国的现代化水泥工业己初见端倪。但是，目前我国水泥工业面临的主要问题是，代表当代主导窑型的新型干法技术在整个工业中的比例太低，还不到 20%。 80% 以上的窑型还属于20、30 年代，40、50 年代和50 、60 年代的工艺技术，尽管做了些大的改进，但本质上无法脱胎换骨。如何把这个比例倒过来，是一项大的结构调整问题，将是中国水泥工业今后10 20 年内一项艰巨的历史任务。此外，我国的人均水泥累积消费量还不高，不到发达国家的一半。质量、环保、能源和劳动生产率等主要技术经济指标也与发达国家有相当大的差距。1.2.2 水泥生产工艺（1）水泥生产原燃料及配料生产水泥的主要

11、原料为石灰原料和粘土质原料，有时还要根据燃料品质和水泥品种，掺加校正原料以补充某些成分的不足，还可以利用工业废渣作为水泥的原料或混合材料进行生产。1、 石灰石原料石灰质原料是指以碳酸钙为主要成分的石灰石、泥灰岩、白垩和贝壳等。石灰石是水泥生产的主要原料，每生产一吨熟料大约需要1.3吨石灰石，生料中80%以上是石灰石。2、 黏土质原料天然黏土质原料有黄土、黏土、页岩、粉砂岩及河泥等。其中黄土和黏土用得最多。此外，还有粉煤灰、煤矸石等工业废渣。黏土质为细分散的沉积岩，由不同矿物组成，如高岭土、蒙脱石、水云母及其它水化铝硅酸盐。3、 校正原料当石灰质原料和黏土质原料配合所得生料成分不能满足配料方案要

12、求时（有的 含量不足，有的 和 含量不足）必须根据所缺少的组分，掺加相应的校正原料a. 硅质校正原料 含 80%以上b. 铝质校正原料 含 30%以上c. 铁质校正原料 含 50%以上（2） 新型干法水泥回转窑生产工艺流程水泥生产的共同特点就是“三磨一烧”，即以生料磨为中心的生料制备系统以回转窑为中心的熟料燃烧系统和以水泥磨为中心的水泥制成系统。 图 1 1 水泥工艺流程图 1、破碎及预均化 a. 破碎 水泥生产过程中，大部分原料要进行破碎，如石灰石、黏土、铁矿石及煤等。石灰石是生产水泥用量最大的原料，开采后的粒度较大，硬度较高，因此石灰石是生产水泥用量最大的原料，开采后的粒度较大，硬度较高，

13、因此石灰石的破碎在水泥厂的物料破碎中占有比较重要的地位。破碎过程要比粉磨过程经济而方便，合理选用破碎设备和和粉磨设备非常重要。在物料进入粉磨设备之前，尽可能将大块物料破碎至细小、均匀的粒度，以减轻粉磨设备的负荷，提高黂机的产量。物料破碎后，可减少在运输和贮存过程中不同粒度物料的分离现象，有得于制得成分均匀的生料，提高配料的准确性。b. 原料预均化 预均化技术就是在原料的存、取过程中，运用科学的堆取料技术，实现原料的初步均化，使原料堆场同时具备贮存与均化的功能。原料预均化的基本原理就是在物料堆放时，由堆料机把进来的原料连续地按一定的方式堆成尽可能多的相互平行、上下重叠和相同厚度的料层。取料时，在

14、垂直于料层的方向，尽可能同时切取所有料层，依次切取，直到取完，即“平铺直取”。意义：a. 均化原料成分，减少质量波动，以利于生产质量更高的熟料，并稳定烧成系统的生产。 b.扩大矿山资源的利用，提高开采效率，最大限度扩大矿山的覆盖物和夹层，在矿山开采的过程中不出或少出废石。 c. 可以放宽矿山开采的质量和控要求，降低矿山的开采成本。 d. 对黏湿物料适应性强。 e. 为工厂提供长期稳定的原料，也可以在堆场内对不同组分的原料进行配料，使其成为预配料堆场，为稳定生产和提高设备运转率创造条件。f.自动化程度高。2、生料制备水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料（包括各种原料、燃料、熟料

15、、混合料、石膏），据统计，干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占全厂动力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占约3%，水泥粉磨约占40%。因此，合理选择粉磨设备和工艺流程，优化工艺参数，正确操作，控制作业制度，对保证产品质量、降低能耗具有重大意义。工作原理：电动机通过减速装置带动磨盘转动，物料通过锁风喂料装置经下料溜子落到磨盘中央，在离心力的作用下被甩向磨盘边缘交受到磨辊的辗压粉磨，粉碎后的物料从磨盘的边缘溢出，被来自喷嘴高速向上的热气流带起烘干，根据气流速度的不同，部分物料被气流带到高效选粉机内，粗粉经分离后返回到磨盘上，重新粉磨；细粉则随气流出磨，在系统收尘装置中收集下来，即为产

16、品。没有被热气流带起的粗颗粒物料，溢出磨盘后被外循环的斗式提升机喂入选粉机，粗颗粒落回磨盘，再次挤压粉磨。3、生料均化新型干法水泥生产过程中，稳定入窖生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提，生料均化系统起着稳定入窖生料成分的最后一道把关作用。均化原理：采用空气搅拌，重力作用，产生“漏斗效应”，使生料粉在向下卸落时，尽量切割多层料面，充分混合。利用不同的流化空气，使库内平行料面发生大小不同的流化膨胀作用，有的区域卸料，有的区域流化，从而使库内料面产生倾斜，进行径向混合均化。4、预热分解把生料的预热和部分分解由预热器来完成，代替回转窑部分功能，达到缩短回窑长度，同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程，

17、移到预热器内在悬浮状态下进行，使生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合，增大了气料接触面积，传热速度快，热交换效率高，达到提高窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的。工作原理：预热器的主要功能是充分利用回转窑和分解炉排出的废气余热加热生料，使生料预热及部分碳酸盐分解。为了最大限度提高气固间的换热效率，实现整个煅烧系统的优质、高产、低消耗，必需具备气固分散均匀、换热迅速和高效分离三个功能。a. 物料分散换热80%在入口管道内进行的。喂入预热器管道中的生料，在与高速上升气流的冲击下，物料折转向上随气流运动，同时被分散。b. 气固分离当气流携带料粉进入旋风筒后，被迫在旋风筒筒体与内筒（排气管）之间的环

18、状空间内做旋转流动，并且一边旋转一边向下运动，由筒体到锥体，一直可以延伸到锥体的端部，然后转而向上旋转上升，由排气管排出。c. 预分解预分解技术的出现是水泥煅烧工艺的一次技术飞跃。它是在预热器和回转窑之间增设分解炉和利用窑尾上升烟道，设燃料喷入装置，使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程，在分解炉内以悬浮态或流化态下迅速进行，使入窑生料的分解率提高到90%以上。将原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务，移到分解炉内进行；燃料大部分从分解炉内加入，少部分由窑头加入，减轻了窑内煅烧带的热负荷，延长了衬料寿命，有利于生产大型化；由于燃料与生料混合均匀，燃料燃烧热及时传递给物料，使燃烧、换热及碳

19、酸盐分解过程得到优化。因而具有优质、高效、低耗等一系列优良性能及特点。4、水泥熟料的烧成生料在旋风预热器中完成预热和预分解后，下一道工序是进入回转窑中进行熟料的烧成。在回转窑中碳酸盐进一步的迅速分解并发生一系列的固相反应，生成水泥熟料中的矿物。随着物料温度升高近 时，矿物会变成液相，溶解于液相中的 和 进行反应生成大量 （熟料）。熟料烧成后，温度开始降低。最后由水泥熟料冷却机将回转窑卸出的高温熟料冷却到下游输送、贮存库和水泥磨所能承受的温度，同时回收高温熟料的显热，提高系统的热效率和熟料质量。5、水泥粉磨水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗电最多的工序。其主要功能在于将水泥熟料（及胶凝剂、性能

20、调节材料等）粉磨至适宜的粒度（以细度、比表面积等表示），形成一定的颗粒级配，增大其水化面积，加速水化速度，满足水泥浆体凝结、硬化要求。6、水泥包装水泥出厂有袋装和散装两种发运方式。13 系统的技术特点及应用前景目前，回转窑大都采用交流电机(或绕线电机串电阻)起动和调速。但是,这种方式存在能耗高、运行维护费用高，自动化水平低，一旦出现问题检修比较费时等缺点,影响回转窑运转率,使生产成本难以降低，风险性太大。变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点,是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。结合当前先进的、成熟的电力电子器件、变频器的技术、plc的技术将回转窑拖动系统完善起来,达到运行可靠、节能的

21、目的，势必将成为现代水泥生产企业的发展趋势。现代水泥生产企业一般采用plc为主体的计算机集散控制系统（dcs），实现全厂自动化控制要求，以降低成本，提高运行可靠性，保证水泥生产设备的安全，增加直接经济效益。14 系统的技术要求及研究内容对回转窑拖动系统进行比较全面的分析,并把交流电机变频调速技术和plc可编程序控制器应用于回转窑控制系统,完成回转窑变频调速系统基于plc的硬件设计和软件开发。通过对西门子step-7的学习，完成回转窑变频调速系统的plc程序的设计，并由plcsim软件进行仿真，确定系统的可实施性。15 对plc控制系统的设计要求（1） 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥p

22、lc的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计plc控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。（2） 保证plc控制系统安全可靠保证plc控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证plc程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电

23、、按钮按错等），也能正常工作。（3） 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。（4） 适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择plc、输入/输出模块、i/o点数和内存容量

24、时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。第2章 plc控制系统2.1 plc控制概述自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc）取代传统继电器控制装置以来，plc得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，plc的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，plc在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的plc不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，plc在二十世纪八十年代至九十年代得

25、到了迅速发展，世界范围内的plc年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和plc市场容量基数的不断扩大，近年来plc在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家plc的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球plc的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 plc是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的plc只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，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，并事先存入plc的用户

26、程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。plc的cpu内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为end指令），然后再返回起始步循环运算。plc每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的plc，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。plc用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1k逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型plc使用另外一个cpu来完成模拟量的运算。把计算结果送给plc的

27、控制器。 相同i/o点数的系统，用plc比用dcs，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。一个plc的控制器，可以接收几千个i/o点（最多可达8000多个i/o）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用plc较为合适。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。 近10年来，随着plc价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用plc进行控制，plc在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内plc在我国仍将保持高速增长势

28、头。 通用plc应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但plc相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用plc或定制plc取代嵌入式控制器。2.2 plc工作原理22.1 plc的组成图2-1 plc组成框图2.2.2 plc的cpu模块1、中央处理单元cpucpu是plc的核心部件，由运算器和控制器组成。主要用于：接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。2、存储器 存储器有三种 。系统程序存储器。用于存放系统程序，这些程序在plc出

29、厂前就已经固化到只读存储器rom中。第一部分为系统管理程序；第二部分为用户指令解释程序；第三部分为标准程序模块与系统调用程序。用户程序存储器。用于存储plc用户的应用程序，在调试阶段，用户程序存放在读写存储器ram中，可由备用电池（一般为锂电池）保存23年。工作数据存储器 。工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的 on/off 状态、数值数据等。2.2.3 plc的i/o模块输入 / 输出接口是 plc 与外界连接的接口。 输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测

30、速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。 2.2.4 编程器编程器是plc最重要的外围设备，是plc不可缺少的部分。编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。编程器一般有两种类型：简易编程器和图形编程器。简易编程器体积小，便宜，使用方便，适合小型plc，缺点是需联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器，有液晶显示（lcd）和阴极射线式（crt）两种，可用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可脱机编程，操作方便，功能强大，还可与打印机、绘图仪等设备相连，但

31、价格较高，适用于大型plc。随着plc联网功能增强，出现了第三种编程方式，即计算机辅助编程。由于计算机的参与，用plc编程软件编程的工作效率和编程量远非前两种编程器可比，因此，越来越多的用户更愿意采用这种编程方式。 2.2.5 plc的工作原理plc有两种工作状态，即运行（run）状态和停止（stop）状态。在运行状态，plc通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使plc的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到plc停机或切换到stop工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，plc不还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环

32、可分为5 个阶段，开始自诊断与编程器通信读入现场信息执行程序输出结果stoprun如图2-2所示。plc的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。2.2.6 扫描周期在工作状态下，执行一次图2-2所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。1.输入采样阶段。 plc 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 2 程序执行阶段。 图2-2根据 plc 梯形图程序”先

33、左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时， plc 就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件 ( “软继电器” ) 的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件 ( “软继电器” ) 的状态会随着程序执行过程而变化。 3 输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通 / 断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。2.2.7 输入输出滞后时

34、间输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指plc的外部输入信号发生变化的时间到它的控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后时间三部分组成。滞后时间与模块的类型有关。继电器输出电路的滞后时间一般在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间为1ms，负载断开时的最大滞后时间为10ms，晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达2个扫描周期。2.3 plc控制系统的应用特点1可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，采用严

35、格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用plc构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。 2配套齐全，功能完善，适用性强 plc发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样

36、的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。 3易学易用，深受工程技术人员欢迎 plc是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。 4系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造 2.4 西门子plc2.4.1 西门子plc种类siemensplc在中国的产品，根据规模和性能的大小，主要有s7-200s7-300和s7-400

37、三种，下面就简单介绍一下该三种产品的一些特性。（1）s7-200针对低性能要求的摸块化小控制系统，它最多可有7个模块的扩展能力，在模块中集成背板总线，它的网络联接有rs-485通讯接口和profibus两种，可通过编程器pg访问所有模块，带有电源、cpu和i/o的一体化单元设备。其中的扩展模块（em）有以下几种：数字量输入模块（di）24vdc和120/230vac；数字量输出（do）24vdc和继电器；模拟量输入模块（ai）电压、电流、电阻和热电偶；模拟量输出模块电压和电流。还有一个比较特殊的模块-通讯处理器（cp）该块的功能是可以把s7-200作为主站连接到as-接口（传感器和执行器接口）

38、，通过as-接口的从站可以控制多达248个设备，这样就可以显著的扩展s7-200的输入和输出点数。cpu设计有3种手动选择操作模式：stop停机模式，不执行程序；term运行程序，可以通过编程器进行读/写访问；run运行程序，通过编程器仅能进行读操作。状态指示器（led）：sf系统错误或（和）cpu内部错误；run运行模式，绿灯；stop停机模式，黄灯；dp分布式i/o（仅对cpu-215）。存储器卡用来在没电的情况下不需要电池就可以保存用户程序。ppi口用来连接编程设备、文本显示器或其他cpu。（2）s7-300相比较s7-200，s7-300针对的是中小系统，他的模块可以扩展多达32个模块

39、，背板总线也在模块内集成，它的网络连接已比较成熟和流行，有mpi（多点接口）、profibus和工业以太网，使通讯和编程变的简单和多选性，并可以借助于hwconfig工具可以进行组态和设置参数。s7-300的模块稍微多一点，除了信号模块（sm）和200的em模块同类型之外，它还有接口模块（im）用来进行多层组态，把总线从一层传到另一层；占位模块（dm）为没有设置参数的信号模块保留一个插槽或为以后安装的接口模块保留一个插槽；功能模块（fm）执行特殊功能，如计数、定位、闭环控制相当于对cpu功能的一个扩展或补充；通讯处理器（cp）提供点对点连接、profibus和工业以太网。cpu设计模式选择器有

40、：mres=模块复位功能；stop=停止模式，程序不执行；run=程序执行，编程器只读操作；run-p=程序执行，编程器可读写操作。状态指示器：sf，batf=电池故障；dc5v=内部5vdc电压指示；frce=表示至少有一个输入或输出被强制；run=当cpu启动时闪烁，在运行模式下常亮；stop=在停止模式下常亮，有存储器复位请求时慢速闪烁，正在执行复位时快速闪烁。mpi接口用来连接到编程设备或其他设备，dp接口用来直接连接到分布式i/o。（2）s7-400同300的区别主要是规模和性能上更强大，启动类型有冷启动（crst）和热启动（wrst）之分，其他基本一样。另外，它还有一个外部的电池电

41、源接口，当在线更换电池时可以向ram提供后备电源。编程设备编程设备主要有pg720pg740pg760可以理解成装有编程软件的手提电脑；也可以直接用安装有step7（siemens的编程软件）的pc来完成。而实现通讯（要编程首先要和plc的cpu通讯上）的要求主要在于接口：1.可以在pc上装cp5611卡上面有mpi口，可用电缆直接连接。2.加个pc适配器，把mpi口转换成rs-232口后接到pc上。3.plc加cp343卡，使它具有以太网口。2.4.2 西门子step7每个自动化过程都是由许多较小的部分和子过程组成，所以工程建立的第一个任务是分解子任务。而每个子任务定义了自动化系统要完成的硬

42、件和软件要求。其中硬件包括输入/输出数目和类型，对应模块序号和类型，所用机架号，cpu型号和容量，hmi（人机界面）系统，网络系统。软件方面主要是程序结构，自动化过程中的数据管理，组态数据、通讯数据及程序和项目文档。在siemens的s7中，上述工作都在项目管理（simatic管理器），包括必须的硬件（+组态），网络（+组态），所有程序和自动化解决方案的数据管理。f1在线帮助。图2-3 西门子组合硬件和软件simatic管理器管理step7项目，编写step7用户程序的工具，有梯形图lad，语句表stl，和功能块图fbd，编程语言。利用编程器或外部编程器可以把用户程序保存到eprom卡上。si

43、matic管理器是一个在线/离线编辑s7对象的图形化用户界面，这些对象包括项目、用户程序、快、硬件站和工具。此管理器的用户界面中工具条和windows差不多，就是多了几个plc菜单显示访问节点、存储器卡、下载、仿真模块。step7项目结构：项目中，数据以对象形式存储，按树型结构组织。第一级：包含项目图表，每个项目代表和项目存储有关的一个数据结构。第二级：站（如s7-300）用于存放硬件组态和模块参数等信息，站是组态硬件的起点。s7程序文件夹是编写程序的起点，所有s7系列的软件均放在s7程序文件夹下，它包含程序块文件和源文件夹。simatic的网络图表（mpi、profibus、工业以太网）第三

44、级和其他级：和上级对象类型有关。编程器可离线/在线查看项目offline：编程器硬盘上的内容；online：通过网线从plc读到的内容。菜单选项：在options-customize设置语言、助记符、常用特性（存储位置、系统信息显示）。创建一个项目：filenewnewproject插入s7程序块：insertprograms7program插入s7块：inserts7block然后可选：1：组织块（ob）被操作系统调用，他们是操作系统和用户程序的接口。2：功能fc和功能块fb是实际的用户程序利用他们可以把复杂的程序分解成小的，易于调试的单元。3：数据块存储用户的数据。选择所需块类型后，会打开

45、一个属性对话框，其中可输入块序号和要使用的编程语言，及其他设置。补充一下：1、内存总清mres=memoryreset，经过mres的模块相当于一个新模块，所以请务必谨慎。方法是：放在mres足够时间，到stop指示灯闪2下；弹回到stop再迅速放到mres，此时stop快速闪6下内存清空，将删除所有用户程序数据，硬件测试和初始化，如果此时装有eprom卡，把卡内容copy到内部ram区。2、siemens的信号模块（sm）结构设计，接线非常方便，更换摸板无需接线（可拔下来）。固定方式有弹簧和螺钉连接两种。3、对于软件的授权：在光盘安装后以后，一定要用软盘（权盘）授权，对于重装系统或软件的，一

46、定要先”收回“权到软盘以后，才进行，以便重装以后再次授权，否则只能联系西门子了。2.4.3硬件组态和存储器概念装载存储器是一个可编程模块，它包括建立在编程设备上的装载对象（逻辑块、数据块和其他信息），它可以是存储器卡或内部集成的ram。存储器卡一般有两种，其中，当采用ram存储器卡时，系统必须配备电池，当采用flasheprom存储器卡时，则断电不会丢失，但内部ram中的数据仍需电池保持。工作存储器仅包含和运行时间使用的程序和数据，ram工作存储器集成在cpu中，通过后备电池保持。系统存储器包括过程映象输入和输出表（pii，piq），位存储器，定时器，计数器和局部堆践。保持存储器是非挥发的ra

47、m，即使没有安装后备电池也可用来保持某些数据，设置cpu参数时要指定保持的区域。从上述概念可知，假如我们在线修改程序，被修改的块存放在工作存储器中，当把程序上载到编程器时，就从工作存储器传到编程器。由于断电会导致ram数据的丢失，所以假如要安全保存被修改的程序，就必须保存在feprom或硬盘上。一些概念：组态就是指在硬件组态的站窗口中分配机架、块可分布式i/o，可从硬件目录中选择部件；参数分配就是建立可分配参数模块的特性，例如启动特性、保持区等；设定组态就是设定好的硬件组态和参数分配；实际组态指已存在的实际组态和参数分配，一般是在已装配的系统中，从plc的cpu中读出来的。组态过程：启动硬件组

48、态：新建一个项目（project），选择该项目，并插入（insert）一个站（station），在simatic管理器中选择硬件站（hardware）双击open即可，我们同时可以打开硬件目录view-catalog，如果选择标准硬件目录库，它会提供所有的机架、模块和接口模块。产生硬件组态：主要选择机架，指定模块如何在机架摆放。具体是：1、在硬件目录中打开一个simatic300站的rack-300（例如是300），双击或拖到左边窗口。这样在左边的窗口中就出现两个机架表：上面的部分显示一个简表，下面的部分显示带有定货号、mpi地址和i/o地址的详细信息。2、电源：双击或拖拉目录中的“ps-30

49、0”模块，放到表中的一号槽位上。3、cpu：从cpu-300的目录中选择你所配置的cpu，列入2号槽位。4、3号槽一般接口模块保留（用于多层组态），在实际配置中，如果这个位置要保留以后安装接口模块，在安装时就必须插入一个占位模块。5、信号模块：从4号槽位开始最多可以插入八块信号模块（sm卡），包括通讯处理器（cp）和功能模块（fm）。cpu属性包括通用属性general（主要提供模块的类型，位置和mpi地址如果要把几个plc通过mpi接口组成网络，每个cpu分配不同的mpi地址）；启动项目start.up（主要选择三种启动方式，hot从断电时的语句，也就是程序断电处开始，warm从头，也就是程

50、序第一步开始，cold冷启动；监视时间包括从模块读准备的信息时间和传递参数到模块的时间；可保存数量retentivememory：用来指定当出现断电或从stop到run切换时需要保持的存储器区域；循环/时钟存储器；保护功能（设定钥匙权限和各种级别及口令）；诊断/时钟。保存下载及上传：经过上述设置以后，我们就可以保存、编译、一致性检查后，把设定组态下载到plc中。当然，对实际运行的plc，我们也可以通过上传（uploadstation）把实际组态读到编程器。硬件诊断及组态中可能出现的问题：在simatic管理器中可以用plc-diagnosehardware来获得plc的诊断状态。在实际组态过程

51、中最可能出现的问题是以下几点：1、在s7-300中，组态中有空位置，此时组态不能编译通过；2、不正确的cpu（例如：是cpu315-2dp，不是cpu314）此时组态不能下载；3、模拟量模块分配到不正确的槽位置，此时cpu会因为参数分配错误进入stop模式；4、模拟量模块不正确的测量范围，导致模拟量模块组态错误。2.4.4块的编辑step7编程语言：lad梯形图/fbd功能块图/stl语句表，更加丰富，更加灵活，但对初学者比较难以理解，当然某些语言不能用lad表达。块编辑的启动：选择所需编程语言，双击打开需编辑的块，如ob1或fc1等。当采用lad或fbd编程语言时，可用工具条来插入简单的程序

52、文件，当采用stl，则可用在线帮助得到有关语言的语法和功能help-helponstl。编程器组成：声明表：属于块，为块声明变量和参数；代码区：包含程序本身；编程元件：可选打开或关闭，内容依赖于所选择的编程语言，双击插入或拖拉插入。view菜单：可切换到另一种语言，并可实现lad/fbd/stl之间的转换，要知道，lad/fbd转换成stl的，在语句表中可能不是最有效程序。而stl转换成其他则不一定行，转换不了的仍用语句表示，转换过程绝不会丢失程序。ob1块主循环块，绝对不能改名或删除，它是由操作系统循环调用，可以访问其他的s7程序块，它包括自身程序和其他块的调用。所以，当我们编辑好一个块以后

53、，如fc1，为了让新块集成在cpu中的循环程序中，必须在ob1中调用。即在ob1中callf1。子程序（新块fc1）执行的条件有以下三个：已经下载到plc中，必须在ob1调用，plc处于运行状态。下载到实际的plc时，我们可以选择所有块或其中的一个或几个，再download到plc中。程序的执行过程：当plc得电或从stop切换到run模式，cpu会执行一次全启动（使用ob100）在全启动期间，操作系统清除非保持位存储器、定时器和计数器，删除中断堆笺和块堆笺，复位所有保存的硬件中断，并启动扫描循环监视时间。cpu的循环操作包括三个主要部分：cpu检查输入信号的状态并刷新过程影象输入表（pii.

54、）；执行用户程序，也就是ob1中的程序及一些事件（中断等）；把过程输出影象输出表（piq）写到输出模块。上面所提到的pii/piq是cpu中特定的存储器，用来保存输入模块/输出模块的信号，在用户程序中检查时，可以保证在一个扫描周期内为同样的信号状态。程序结构：上面曾经提到过，一个比较简单的程序，我们可以不用各种子程序块（如fc.fb），而是直接把整个程序直接写在一个块上（通常是ob1主块上），cpu逐条的处理指令，我们称这种叫线形编程；而对稍微有点复杂的程序，我们可以把它分成几个块，每块包含处理一部分任务的程序，在每一个块中可以进一步分解、成几个段，可以为相同类型的段生成段模块，组织块ob1包

55、含按顺序调用其他块的指令，我们把这种方法叫分块编程；另外，对可重复使用的功能装入单个块中，ob1（或其他块）调用这些块并传递相关参数，这种方法叫结构化编程。用户块（程序块）包括程序代码和用户数据，在结构化程序中，一些块循环调用处理，一些块需要时才调用。程序块共有组织块（ob）、功能块（fb）、功能（fc）、系统功能块（sfb）和系统功能（fc）5种，其中系统块是在cpu操作系统中预先定义好的功能和功能块，这些块不占用用户程序空间。siemens的模块地址：在不带dp口的s7-300和不组态的s7-400采用固定槽位编址，使用带dp口的s7-300和s7-400，可以分配模块的起始地址。但要注意

56、，由于cpu存储器复位后，参数和地址会丢失，这就意味着所有地址都回到和槽位有关的地址或是缺省地址。我们还是以s7-300为例，在s7-300中，机架上的插槽号简化了模块地址，模块的第一个地址由机架上的模块地址决定。一般槽1给电源，槽2是cpu，槽3为im（接口模板）所用，411为i/o卡、cp卡和fm卡。他们的固定地址就是为每个槽位保留4个字节就是说，槽4（第一块i/o卡），地址为0.03.7（共32位），槽5（第二块i/o卡）地址为4.07.7，假设第一卡是di，那么他们的地址就是i0.0、i0.1、i3.7，若第二卡为do卡，地址为q4.0、q4.1、q7.7，请注意，当使用16通道的di/do模块时，每个槽位就会失去两个字节（16位）。2.4.5 指令（1）基本逻辑指令与&（fbd）a（stl）（and指令）或=1(fbd)o(stl)(or指令)异或xor（fbd）x（stl）（xor指令）注意：异或操作是指：当两个信号中仅有一个满足时，输出状态才是“1”，这个指令不能使用于多个地址的异或逻辑操作（n个中有一个1时才是1），所以三个及三个以上的异或指令，旧的rlo（逻辑操作结果）和另一个输入作异或运算。赋值语句=置