开题报告__PLC毕业设计

1、1绪论1.1 课题提出背景水是最宝贵的自然资源，是人类赖以生存的必要条件。水资源的保护、利用 和研究已成为当今世界最热门的课题之一。 我国是水资源缺乏的国家，随着工业 的飞速发展，用水量越来越大，很多地区由于水资源不足而制约了工农业生产的 发展，有些地区甚至由于水资源的短缺而造成了对人类生存的威胁和挑战。同时,水在自然界中的循环运动和人类的使用过程中， 不可避免地混进许多自然杂质与 污染物，使一些水源的水质日趋恶化。水资源短缺和水污染问题已成为缺水国家 和地区发展的主要问题。随着人们环境意识的加强和水资源短缺的日益突出，废水处理越来越受到人们的关注和重视。火力发电厂是一个用水大户，同时也是一

2、个排水大户。因此，废水处理和回收利用也就无疑成为了保证火力发电厂安全、 经济运行和控制污染，维持生态环境的重要内容。现代燃煤火力电厂的废水来源主要有：冲灰水；热力设备化学清洗和停用保 护的排放废水，锅炉排污水；主厂房生产排污水，辅助设备与机械冷却水的排水； 凝结水净化设备的排水；凝汽器的冷却排水或冷却设备的排污水； 水处理装置的 排污水；生活污水；输煤系统的清洗水，贮煤场排水及厂区雨水排水等。根据废水的成分和污染物的含量，火力发电厂一般采用以下几种废水处理工 艺：隔滤法又分栅栏法、筛滤法和过滤法等。目前，多数电厂都设计和使用中 和池来处理制水再生过程所排放的废酸液和废碱液。当然，由于火电厂酸碱

3、废液 排放量大，所以采用中和工艺时也要因地制宜，做到经济、有效。除用酸碱液直 接处理外，酸性废水亦可用投加碱性药剂、通过碱性滤料、利用碱性废渣和大然水体及土壤中碳酸盐、重碳酸盐碱度来进行中和处理。碱性废水可用废弃无机 酸、酸性废气（如CO才口烟道气）和酸性废水处理。止匕外，有的火力发电厂还采用 混凝、吸附、离子交换以及电渗析和反渗透等工艺方法处理污水。我国发电厂对灰水pH超过国家规定排放标准的治理措施有： 灰水闭路循环、炉烟处理（利用炉 烟中的COM SO2处理）、加酸处理、用循环水中和稀释、采用湿式除尘器等。 灰水悬浮物用隔板和沉淀的方法；电厂含油废水多数先采用隔油处理，而后再行 浮选处理或

4、油水分离装置处理及生物处理等；生活废水则一般用活性污泥处理；生产废水用中和、澄清、消毒、过滤等方法；输煤系统的冲洗废水则用沉淀或净 水装置处理后回收。随着水资源的日益贫乏，废水回收利用技术越来越重要。为了解决火力发电厂的水源问题，近年来以城市污水作为火力发电厂循环冷却水 的技术已相继在部分新建火电厂得到了实施和应用。火力发电厂废水处理及回收利用是节约用水和保护环境的重要途径。然而， 在这方面我国尚属起步阶段，与国外相比，差距很大。根据我国现状，还应加大 对污水处理及其回收利用技术的研究和科技投入力度，重点在提高循环水浓缩倍 率、改进冲灰方式、突破浓浆输送技术、解决灰水回收利用及直排灰水的污染物

5、 超标治理方面做更大的努力1.2 设计任务1 .方案设计和原理分析(1)火力发电厂净化处理PCF过滤器系统的设计要求，工艺流程；(2) PLCS7-300系统配置、监控点表确定，系统的控制过程以及故障保护 详细分析；(3)编写梯形图并实现仿真。2 .图纸(1)系统工艺流程图；(2)控制软件流程图；(3) I/O点表一张；(4)电气控制图一张；(5)梯形图一张；3 .设备明细表2可编程序控制器的基础知识2.1 概论可编程序控制器是以微处理器为核心， 综合计算机技术、自动控制技术和通 信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过 30多年的发展，在工业生 产中获得极其广泛的应用。目前，可编程序控

6、制器成为工业自动化领域中最重要、 应用最多的控制装置， 居自动化工业生产三大支柱(可编程序控制器、机器人、计算机辅助设计与制造 ) 的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。2.1.1 可编程义控制器的定义由于早期的可编程序控制器主要是用来替代接触器一继电器控制系统， 因此 功能较为简单，只能进行开关量逻辑控制，称为可编程逻辑控制 (Programmable Logic Controller),简称 PLC。1980年，美国电气制造商协会正式将其命名为可编程序控制器。国际电工 委员会(IEC)在1987年2月颁布的可编程序控制器标准草案的第三稿中将其定义 为：可编程序

7、控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而 设计。它采用可编程序的存储器，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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工 业控制器系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看 出，可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电 子系统，因此，可以认为其实质是一台工业控制计算机。2.1.2 可编程控制器的由来早期工业生产中广泛使用的电气自动控制系统是接触器-继电器控制系统，所谓接触器-继电器控制系统就是用导线

8、把各种继电器、接触器、开关及其触点， 按一定的逻辑关系连接起来所构成的控制系统。它具有价格低廉、对维护技术要 求不高的优点，适用于工作模式固定、控制要求简单的场合，缺点是系统的布线 连接不易更新、功能不易扩展，可靠性不高。对一些比较复杂的控制系统来讲， 查找和排除故障往往十分困难。另外，当产品更新、生产工艺发生变化时，接触 器-继电器控制系统的元件和接线也须做相应的变动，而且这种变动工作量很大， 工期长，费用高。1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应汽车工业激烈的竞争，满足汽车型 号不断更新的要求，向制造商公开招标，想寻求一种取代传统接触器-继电器控制系统的新的控制装置，并提出10条要求：

9、（1）编程方便，可在现场修改程序；（2） 维修方便，最好是插件式结构；（3）可靠性高于继电器控制装置；（4）体积小于继电器控制装置；（5）数据可以直接输入管理计算机；（6）可以直接用交流115V输入；（7）输出为交流115V,负载电流要求2A以上，可直接驱动电磁阀、接触 器等负载元件；（8）通用性强，易扩展，扩展时原系统只需很少变更；（9）用户存储器容量大于4KB; （10）成本可与继电器控制装置竞争。1969年，美国数字 设备公司（DEC）根据以上要求，研制出了第一台可编程序控制器，型号为 PDP 14,用它取代传统的接触器-继电器控制系统在美国通用汽车公司的汽车自动装 配线上使用，取得了成

10、功。随后，这种新型的工业控制装置很快就在美国其他工 业领域得到推广使用。1971年，日本从美国引进了这项新技术，并很快研制成 功了日本第一台可编程序控制器。1973年 1974年，德国、法国也相继研制成 功了他们的可编程序控制器。我国从 1974年开始研制，1977年研制成功了以一 位微处理器MC14500为核心的可编程序控制器，并开始应用于工业生产控制。2.1.3 PLC的发展趋势1 .在系统构成规模上，近年来，PLC向大、小两个方向发展，随着微电子 技术、计算机技术和通信技术的快速发展，PLC的结构和功能不断改进，应用范 围迅速扩大。目前，PLC在规模上的发展有两个主要趋势：其一是向体积更

11、小、 速度更快、功能更强、价格更低的小型化或微型化方向发展，以真正完全取代接 触器-继电器控制系统，适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要 求；其二是向大容量、高速度、多功能的大型高档PLC方向发展。2 .开发各种智能模块，不断增强过程控制能力为满足工业自动化各种控制 系统的需要，国内外众多 PLC生产厂家不断致力于开发各种新器件和智能I/O模块。智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件，模块的 CPU与PLC的主 CPU并行工作，可以大大减少占用主CPU的时间，有利于提高PLC的扫描速度； 又可以使模块具有自适应、参数自整定等功能，使调试时间减少，控制精度得到 提高，极大地增强了

12、 PLC的过程控制能力。智能I/O模块目前主要有模拟I/O模 块、PID回路控制模块、机械运动控制（如轴定位、步进电动机控制等）模块，高 速计数模块等。目前，开关量输入、输出点数达到 8192点以上的大型PLC不在 少数，随着控制系统规模的不断扩大，输入输出点数还在快速增加，有的已经超 过16000点，大型PLC不但容量大，运算速度快（如三菱公司的A3A型PLC的 指令扫描速度可达0.15 S/）,而且具有PID、多轴定位、高速计数、远程I/O、 光纤通信等多种功能，能与计算机组成多级分布式控制系统， 实现对工厂生产全 过程的集中管理。3 .向网络化发展，通信联网功能不断增强。日前，几乎所有的

13、PLC都具有通信联网功能，加强PLC的联网能力已成为PLC产品的发展趋势之一。PLC的 通信联网功能可使PLC与PLC之间、PLC与计算机之间相互交换信息，实现近 距离或远距离通信，形成一个统一的分散集中控制系统。由于历史的原因，各个厂家的PLC通信协议往往是专用的，因此，各厂家的 PLC产品之间难以互相兼 容。近年来，许多PLC生产厂家都在努力使自己的产品与制造自动化协议 （MAP） 兼容，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间能方便地进行通信与联 网，实现资源共享。4 .编程语言与编程工具向标准化和高级化发展。PLC的编程语言主要有梯 形图、流程图、专用语言指令等。其中最常用的是梯

14、形图，因此深受用户的欢迎， 得到了广泛的应用。目前，美国、法国、日本等生产的 PLC产品在基本控制方 面的编程语言均采用梯形图，且已标准化。随着现代PLC产品应用领域的急速扩展，尤其是PLC在一些复杂的大规模的控制系统以及通信联网方面的应用， 仅靠梯形图编程已经不够，因此，近年来 PLC编程语言出现了向高级语言（如 BASIC、Pascal C、FORTRAN 等）发展的趋势。5 .发展容错技术。国外一些主要的PLC生产厂家为适应大规模、复杂控制 系统及高可靠性控制场合对 PLC产品的要求，在其生产的PLC中增加了容错功 能，如自动切换I/O、双机表决（当输出状态与PLC的逻辑状态相比较出错时

15、， 会自动断开该输出）和I/O三重表决（对I/O状态进行软硬件表决，取2个相同的） 以大幅提高PLC控制系统的可靠性。2.2 PLC特点及控制功能2.2.1 PLC的特点1 .可靠性高，抗干扰能力强现彳t PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半 导体电路来完成，其可靠程度是使用机械触点的接触器-继电器系统所无法比拟 的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境下可靠工作，在其设计和制造过程中采 取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施来提高它的可靠性。2 .编程简单易学PLC采用与接触器-继电器控制线路接近的梯形图作为编程语言，它既有继电器电路清晰直观的特点，又充分考虑到电气工人和

16、技术人员的读图习惯； 对使 用者来说，几乎不需要专门的计算机知识，因此，易学易懂，程序改变时也容易 修改。3 .功能完善，适应性强目前PLC产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、 计数、顺序控制等功能，还具有 A/D、D/A转换、算术运算及数据处理、通信联 网和生产过程监控等功能。4 .使用简单，调试维修方便PLC的接线极其方便，只需将产生输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC 的输入端子连接，将接收输出信号的被控设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输 出端子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。PLC的用户程序可在实验室模 拟调试，输入信号用开关来模拟，输出信号可以观察P

17、LC的发光二极管。调试后再将PLC在现场安装通调。调试工作量要比接触器-继电器控制系统少得多。5 .体积小、重量轻、功耗低由于PLC采用半导体大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑、体积小、 重量轻、功耗低，所以，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化理想 的控制设备。2.2.2 PLC的控制功能PLC的应用范围极其广阔，经过30多年的发展，目前PLC已经广泛应用于 冶金、石油、化工、建材、电力、矿山、机械制造、汽车、交通运输、轻纺、环 保等各行各业。几乎可以说，凡是有控制系统存在的地方就有PLCo概括起来，PLC的应用主要有以下5个方面。1 .开关量控制 这是PLC最基本的应用领域，可

18、用PLC取代传统的接触 器-继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制，多机群控和自动 生产线控制方面都有很多成功的应用实例， 如机床电气控制、起重机、皮带运输 机和包装机械的控制、注塑机的控制、电梯的控制、饮料灌装生产线、家用电器 （电视机、冰箱、洗衣机等）自动装配线的控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生 产线的控制等。2 .模拟量控制目前，很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使 用都很方便。大、中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使 用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控

19、制。随着 PLC规模的 扩大，控制的回路已从几个增加到几十个甚至上百个，可以组成较复杂的闭环控制系统。PLC的模拟量控制功能已广泛应用于工业生产各个行业，例如自动焊机 控制、锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等都是典型的闭环过程控制的应 用场合。3 .运动控制运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制，早期PLC通过开关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实 现这一功能，现在一般都使用专用的运动控制模块来完成。目前，PLC的运动控制功能广泛应用在金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上，典型的如 PLC和计算机数控装置（CNC）组合成一体，构成先进的数控机床。4 .

20、数据处理现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算（函数运算、矩阵运算、逻辑运算 卜数据的移位、比较、传递、数值的转换 和查表等操作，对数据进行采集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制 系统中，如柔性制造系统、机器人的控制系统等。5 .通信联网通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信，利用PLC和计算机的RS232或RS422接口、PLC的专 用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆将它们联成网络， 可实现相互间的信息 交换，构成 集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立工厂的自动化网 络 5 o3 S7-300系列可编程控制器3.1 S7

21、-300PLC硬件简介S7-300由多种模块部件组成，包括导轨(Rack)、电源模块(PS)、CPU模块、 接口模块(IM)、输入输出模块(SM)。各种模块能以不同方式组合在一起，从 而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。3.1.1 电源模块电源模块是构成PLC控制系统的重要组成部分，针对不同系列的CPU,西门子有匹配的电源模块与之对应，用于对 PLC内部电路和外部负载供电。1. PS 30X系列电源模块有多种S7-300电源模块可为编程控制器供电，也可以向需要 24V直流的传感 器/执行器供电，比如PS305 PS307。PS 305电源模块是直流供电，PS 307是交 流供电。P

22、S 307电源模块(2A)具有以下显著特性：(1)输出电流2A。(2)输出电压24VDC,防短路和开路保护。(3)连接单相交流系统 (输入电压120/230V AC, 50/60Hz)。(4)可靠的隔离特性，符合 EN 60950标准。(5)可用作负载电源2. S7-300的电流消耗量和功率损耗一个实际的S7-300 PLC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卒&出功率必须大于 CPU模块、所有I/O模块、各种智能模 块的总消耗功率之和，有时甚至还要考虑某些执行单元的功率， 并且要留有30% 左右的余量。在具体产品设计时，应该仔细研究各个模块的功率参数，最后确定

23、电源模块的型号、规格。当同一电源模块既要为主机单元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0.25 V。3.1.2 CPU 模块CPU是PLC系统的运算控制核心。它根据系统程序的要求完成以下任务：接 收并存储用户程序和数据，接收现场输入设备的状态和数据，诊断 PLC内部电 路工作状态和编程过程中的语法错误， 完成用户程序规定的运算任务，更新有关 标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制或数据通信等功能。S7-300 CPU有20种不同型号，各种CPU按性能等级划分，可以涵盖各种应用 范围。S7-300的各款CPU都有非常详尽的性能数据表（具体参数可查阅相关

24、资 料），其中最值得关注的CPU性能有以下五方面：I/O扩展能力，指令执行速度, 工作内存容量，通讯能力，CPU上的集成功能。1 CPU的运行模式CPU有四种操作模式：STOP （停机）、STARTUP （启动）、RUN （运行）和 HOLD （保持）。在所有的模式中，都可以通过 MPI接口与其他设备通信。STOP模式：CPU模块通电后自动进入STOP模式，在该模式不执行用户程序， 可以接收全局数据和检查系统。STARTUP模式：可以用模式选择开关或编程软件启动 CPU。如果模式选择开 关在RUN或RUN-P位置，通电时自动进入启动模式。RUN模式：执行用户程序，刷新输入和输出，处理中断和故障

25、信息服务。HOLD模式：在STARTUP和RUN模式执行程序时遇到调试用的断点，用户 程序的执行被挂起（暂停），定时器被冻结。2存储器区域PLC的系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使 PLC具有基本的智能，能 够完成PLC设计者规定的各种工作。系统程序由 PLC生产厂家设计并固化在 ROM中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使 PLC能完成用户要求的特 定功能。用户程序存储器的容量以字节为单位，不同的程序对应不同的存储区域。CPU存储器可以分为三个区域，如图 3.1工作存储器装载存储器系统存储区（保存在MMC中）图3.1CPU的存储区3.几种典型CPU模块1 1） CPU 313: C

26、PU313是标准型CPU。具有更大的程序存储器、低成本的解 决方案，适用于对速度要求较高、程序较大的小型应用领域。CPU313内置12 KB 的RAM ,其装载存储器为内置20 KB的RAM ,可用存储卡扩充装载存储器， 最大容量为4MB，指令执行速度为600 nsU进制指令。扩展模块只能装在一个 导轨上，最大扩展128点数字量和32路模拟量。CPU313采用的是软件时钟，它给用户提供一个工作时间计时器。该计时器可用来计量CPU或所连接设备的工作时间长度。2 2) CPU 313C: CPU 313C是紧凑型CPU,带集成的数字量和模拟量的输入 和输出。无内置装载存储器，操作时必须用 MMC卡

27、扩充装载存储器。适用于具 有较高要求的系统中。3 3) CPU 313C-2DP:紧7型CPU,带集成的数字量输入和输出，以及 PROFIBUS DP主站/从站接口。操作时也必须用 MMC卡扩充装载存储器。4 4) CPU315/CPU315-2DP: CPU315是具有中到大容量程序存储器和大规模I/O配置的CPU。CPU315-2DP是具有中到大容量程序存储器和 PROFIBUS-DP 主/从接口的CPU,它用于包括分布式及集中式I/O的任务中。CPU315/CPU315-2DP具有 48 KB/64 KB ,内置 80/96 KB 的装载存储器(RAM), 可用存储卡扩充装载存储器，最大

28、容量为 512 KB,指令执行速度为300 ns/T进 制指令，最大可扩展1024/2048点数字量或128/256个模拟量通道。其他特性与 CPU314 相同。CPU315-2DP是带现场总线(PROFIBUS)SINEC L2-DP接口的CPU模块，其他 特性与CPU315模块相同。4孔隙调节型纤维过滤器5 .1PCF纤维过滤器技术原理原理：它采用一种新型柔软纤维丝作为滤元， 其滤料直径可达几微米，并具有比 表面积大，过滤阻力小的优点。该产品可以有效地去除水中的悬浮物， 并对水中 的有机物、胶体等有明显的去除作用。它具有过滤速度快、精度高、截污容量大、 操作十分方便、运行可靠、不需特殊维护

29、等优点。工作工程过滤过程：对纤维丝施以回转机具压榨，使其纤维丝纵向之间孔隙变小，水中的 悬浮物均被挡住留在纤维丝外，过滤后得到清洁的处理水。当过滤器内被截留的 悬浮污物（杂质）增多，处理水量下降，压力达到设定值或达到设定的时间，自 动进入反冲洗过程。由于本过滤器是采用纤维丝纵向之间的孔隙进行过滤， 纤维丝严格按预定的方向 排列所以形成的孔隙均匀，绝对不会产生偏流。由于该过滤器的过滤水是由四周 向中间过滤，过滤量取决于过滤面积，所以按传统过滤速度计算方法，过滤速度 可以达到60100m/h。反洗过程：反洗时让过滤器的压榨机具放松，使过滤纤维的孔隙在舒张的状态下， 用压缩空气（罗茨风机）和处理水反

30、冲洗，将污物通过排放管排除，然后又自动 进入过滤程序，从而实现去污存清的原理。1、反洗时纤维丝是完全打开的，这样截留的粘附性不强的悬浮物很容易冲出来。2、在纤维丝打开的状态下，底部通入罗茨风机送来的空气，一是利用空气的擦洗功能，更重要的是利用空气产生的扰动， 使纤维丝强烈抖动，纤维丝之间产生 摩擦，这样粘附在纤维丝上比较牢固的悬浮物被摩擦下来，利用水冲洗出去3、纤维类滤料不好清洗的主要原因是打结或者悬挂的部位，本过滤器只使用了 纤维丝的中间部位，悬挂的部位参与反洗，但是不参与过滤，所以不影响整体的 过滤和反洗。4、在反洗的过程中，上部旋紧装置还在不断的旋紧、放松，类似于洗衣机的甩 干原理。AM

31、SNUOHOnu过速过程反冲洗过程使用范围：1）污水、工业废水的过滤及中水回用水的过滤；2）地下水、自来水厂、矿泉水厂等的饮用水过滤；3）高度处理（活性碳、阴阳离子、臭氧层、紫外线）及膜分离技术（R/O, NF）前的 处理的过滤；4）公众澡堂、游泳池、水族馆等的清洁过滤；5）海水淡化、养鱼池塘等易生的绿、红藻泥泞水的过滤；6）发电厂、钢铁厂等的冷却、循环水或其它工农业用水的过滤；6 .2PCF纤维过滤器的技术性能7 P.C.F纤维过滤器特点：1）效率高，水质优良；处理效率95%Z上（活性污泥2次处理水基准）；2）机型小，重量轻，费用低；和加压式砂滤器相比，面积在1/5以下，总重量（包括滤材）在

32、1/10以下，价格在2/3左右；3）反冲洗时间短，用水量少；反冲洗时间为2分钟左右，反冲洗用水量0.52%;4）滤材寿命长，更换简便；使用柔软性纤丝（PP, Nylon）,寿命长（12年），更换简便，对原水水直变化有良 好的适应性；5）自动化程度高，全自动运行；达到设定的反冲洗压力时，即自动进入反冲洗程序，之后自动回复过滤程序；6）可结合传统工艺，填加絮凝剂提高处理效果。8 PCF纤维过滤器的技术性能：a过滤效率达95%以上，水质5Ppm以下；b反冲洗时间2-5分钟左右，反冲洗用水量是处理水量的 0.53%;c滤料进口 PP纤维丝材质寿命长，更换简便易行，对原水水质变化有良好的适应性；d达到设定的反冲洗压力及间隔时间，即自动启动反冲洗程序，结束反冲洗过程后，自动恢复过滤程序。自动化程度高