优秀毕业设计精品]基于S7-300PLC的造纸中段废水处理DCS控制系统设计.doc

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1、计算机控制技术课程设计 I 基于 S7-300PLC 的造纸中段废水处理DCS控制系统设计 摘 要 造纸废水按产工艺主要分三部分：蒸煮黑液，中段废水，纸机网下白水。中段废 水的处理是重点和难点。制浆中段废水指的是经黑液提取后的蒸煮浆料在洗涤，筛选， 漂白以及打浆的过程中所派出的废水。 文章针对制浆中段废水的特点特出了一套结构简单应用效果良好的中段废水好氧 处理过程控制方案。废水处理采用好氧生化处理技术，利用好氧微生物在多氧条件下 对有机物的很强大的分解功能，采用人工的控制技术从而去除造纸中段废水中的 BOD、COD 以及 SS 成分。针对中段水处理工艺要求以及好氧处理控制过程特点，采 用基于

2、S7-300PLC 的 DCS 控制系统。结合过程控制原理，可以实现报警、监控以及先 进算法自动控制的系统。 该方案采用上位监控计算机和下位机 PLC 相结合的控制方法。上位监控计算机负 责与 PLC 进行通讯，对整个废水处理流程进行监视和操作，并具有数据记录、故障报 警、参数设置等功能。下位机 PLC 对现场的 PH、流量、温度，液位信号及泵阀的运 行情况、故障等信号进行采集，并根据预先编制的控制程序输出控制各种泵阀的指示 信号，同时完成将下位机的信号传到监控计算机内以接受监控计算机指令。 关键词：PLC，中段水，好氧处理，控制系统 计算机控制技术课程设计II 目 录 摘 要 II 1 绪论

3、 .1 1.1 引言.1 1.2 国内外发展状况.2 2 中段水处理方案选定 .3 3 中段水好氧处理的自动控制 .3 3.1 控制工艺流程.3 3.2 液位控制设计.4 3.3 进反应器废水温度控制.5 3.4 PH 控制单元设计.6 3.5 营养物质投加控制.8 4 硬件部分设计 .9 4.1 PLC 控制系统设计原则和设计步骤9 4.2 控制总体要求.10 4.3 PLC 选型及传感器的连接11 4.4 系统硬件配置.17 4.5 硬件连接图.17 4.5.1 电气控制 A 柜17 4.5.2 电气控制B柜.21 4.5.2 电气控制C柜.21 5 PLC 控制程序部分设计.21 5.1

4、 STEP7 软件的设计步骤21 5.2 程序总体设计方案.22 总 结 .27 参考文献. .27 计算机控制技术课程设计1 1 绪论 1.1 引言 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生产环境的重要控制性要素。水 资源的可持续运用是经济社会可持续发展的重要保障。我国水资源总量不足，时空分 布不均，水资源短缺，洪涝灾害严重和水土流失，水污染形式严峻，已成为当前社会 和经济可持续发展的重要制约因素。 制浆造纸工业是我国国民经济的重要产业之一，多数企业以稻、麦草为主要原材 料。生产过程中废水排放量大，每生产 1 顿成品纸，平均耗水在 400-600 吨，年废水 排放量在 30 亿吨。然而相

5、应的污水处理技术水平跟设备跟不上这种污染速度。远远不 能适应企业和环境保护的要求。 造纸工业产生对水的耗费大，污染物成分复杂，污染负荷高，对环境造成的污染 问题严重，废水的处理要求水平较高。制浆造纸过程中的很多工艺环节都会产生不同 污染程度的废水，原料的不同，工艺方法的差异，生产过程中采用的化学药剂的不同， 都会对制浆造纸过程中产生的废水的性状，污染负荷产生不同程度的影响。 制浆造纸过程中产生污染性废水的环节主要有以下几个部分： a）备料过程中的废水； b）化学法制浆过程的蒸煮废液； c）污冷凝水； d）机械浆及化学机械浆废水； e）洗涤、筛选过程的中段废水； f）废水回用过程的废水； g）漂

6、白废水。 中段水的处理是造纸污水处理的重点跟难点。一般采用的方法有好氧生物处理方 法普通活性污泥法及生物膜接触氧化，深井曝气，好氧内循环法等并可结合厌氧 消化处理水解酸化+厌氧污泥床（UASB,EGSB,IC） 。还可结合气浮处理化学凝 聚气浮。其处理主要是除去 BOD，COD，兼顾去除 SS 及色度的处理。处理后水可回 用于备料，洗筛工段以及用于厂区绿化，清洁等，处理系统后有污泥产生。一般处理 过程中控制对象多并且比较分散，并且具有大滞后，非线性等特点。针对以上情况可 设计一种基于 PLCS7-300 的中段水控制系统，采用 DCS 远程控制，结合先进算法可以 对设计出一套经济有效的自动控制

7、方案。可以有效的去除中段水中的 BOD,COD 等。 设计里面并介绍了处理中段水的工艺过程，分析了液位，温度，以及 PH，营养物质等 环境因素对处理过程的影响，以及电器控制部分的设计原理以及图稿。 计算机控制技术课程设计2 本课题研究目的及意义：本文依照处理工艺要求，设计了助凝剂定量加药配置装 置，采用 PLC 为控制核心的自动化控制方式，是处理系统完全以自动化方式运行。同 时控制系统提供了必要的软件保护及预警措施，设备安全有可靠保障，使用及维护比 较方便。上位机组态软件的应用使得废水处理的控制过程直观、明了，实现了中段水 处理的远程监控。 1.2 国内外发展状况 造纸工业是水资源消耗大户,

8、据近几年的资料表明, 我国浆纸综合平均每吨产品 取水量接近200m, 其中化学浆为190m/T, 化学草浆为270m/T, 纸和纸板为70m/T, 与国外相比相差很大。而我国是世界上严重缺水的国家之一, 人均水资源拥有量只有 “2300m”为世界平均水平的四分之一。目前, 我国己有11个省、区、市的人均水资 源拥有量低于联合国可持续发展委员会确定的1750m用水紧张线, 其中9个地区低于 500m的严重缺水线。水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素,如何节 约用水已成为造纸工业发展的一个重要环节。 此外, 造纸企业是废水排放大户, 也是环境污染的主要行业。在美国, 造纸工业 被认为是

9、第三大污染企业据估计, 在加拿大50%的废水源自造纸厂。我国2002年制浆 造纸工业污染排放量约占全国污染排放总量的10%以上, 排放污水中的化学耗氧量约 占全国排放总量的35.3%,居于第一位。因此造纸废水的治理早已成为我国工业污染防 治的焦点、热点和难点。如何按照科学发展观协调解决好造纸工业的原料与环境问题, 使我国造纸工业走持续发展之路, 是经济与社会发展的必然要求。然而一直有些问题 困扰着众多造纸企业。那就是造纸污水处理不仅难度大而且需要很大的资金投入。如 何寻找既能将造纸制浆废水处理好并且能够从节约资源的方面以最小的资源获得最好 的效果成为众多造纸企业对污水处理的优先考虑。造纸废水处

10、理中的难点和重点就是 中段水的处理。目前国内外对于中段水的处理方法主要采用的有絮凝法和生物法。其 中生物法指的是好氧法，厌氧法以及好氧厌氧结合的方法。 同时随着PLC的发展，PLC的特点及优势使得PLC在电气控制部分越来越受到重视， 如今PLC在自动控制领域已经发挥着越来越大的作用。目前对中段水的处理自动控制 系统中结合PLC的特点国内外均出现以PLC为基础的自动处理中段水的控制系统。 计算机控制技术课程设计3 2 中段水处理方案选定 选择考虑到好氧法和厌氧法的优缺点以及经济和要求等情况，选用好氧法来进行本 次中段水控制系统的设计。PLC具有的输入输出模块可以进行液位位等控制，其具有 自优化温

11、度控制算法和PID算法。故采用PLC作为电气主要控制元件。 3 中段水好氧处理的自动控制 3.1 控制工艺流程 集水池 过滤网初沉池均衡池混合反应池氧化沟 污泥浓缩池二沉池 压缩机 污泥储池 回流污泥 处理水排放口 中段废水 好氧处理原理图 废水经纤维回收装置回收纤维，格栅截留大型悬浮物后进入集水池。根据液位变 送器测定的液位值控制污水提升泵的启动和停止，由泵将污水通过过滤网泵入初沉池， 在这里经过一段时间后，悬浮固体将在这里沉淀，50%的 SS 以及 30%的 COD 和 BOD 将被去除。中段水在这里温度将有一定的控制。通过液位变送器测得的液位值控制送 均衡池泵的启动和停止。将污水送入均衡

12、池。同时通过时间控制单元，经过一段设定 的时间后自动启动污泥泵将出沉池里面的污泥泵入污泥浓缩池。 当污水从出沉池泵入均衡池后根据液位变送器的测得值来控制搅拌器的工作将处 理水搅匀，同样根据液位变送器来控制泵的启动和停止来控制调制池供料泵的工作情 况。 计算机控制技术课程设计4 当污水从均衡池泵到调制池后。在这里污水将被调制成合适的成分和PH值以及适 合好氧微生物生长的需要条件。通过投加泵控制单元加入合适的控制算法控制尿素以 及磷酸三钠。当污水在调制池调制完成后被泵入氧化沟通过液位控制单元来控制曝气 机的工作情况，同时在曝气池通过溶解氧测定单元来控制鼓风机的工作，以保证氧化 沟里面的溶解氧浓度以

13、更好的为好氧微生物提供条件更好的去处化学物。通过控制气 管路上的电动阀来实现对风机气流量的控制,当泵停止时,阀门自动关闭,气管路上的压 力传感器可通过控制变频器, 实现对风机产气量的控制, 当需要时, 不带变频器的鼓 风机会自动纳入运行, 此时变频器会对第一台风机进行自动调节。当被处理水通过了 氧化沟后将会到达二沉池。在这里污水被沉淀一部分污泥被作为接种污泥回流到调制 池，另一部分剩余污泥被泵入污泥浓缩池，同时清水将被排放。在污泥浓缩池剩余污 泥与一沉池的沉淀污泥混合，通过液位控制单元控制助凝剂以及絮凝剂的加入将污泥 浓缩。浓缩后的污泥到达压缩机处被切割压缩。最后污泥到达污泥储池。 3.2 液

14、位控制设计 在 PLC 要运作之前，先对 PLC 内部进行初始化。然后执行程序选择其中一个泵工 作。然后是手动或自动的选择。当水位过高时就启动报警功能，同样如果泵出现故障 同样报警，当液位变送器测得的液位值过低时样泵停止工作。PLC 的程序是循环执行的， 在反复的执行过冲中完成控制任务。 其控制规则表如下表 3-1 所示。P（k）表示 k 时刻测得的液位值。ALAM 液位过 高报警。RUN 表示泵的运行。 表 3-1 集水池等单池液位控制规则表 序号规则描述 1如果水池内的液位高于 4m，则进行高位报警 2如果水池内液位等于 4m，则泵启动 3如果液位值小于或等于 2m，则泵停止 均衡池和调制

15、池的液位连锁控制： 好氧处理的前提条件就是要确保进入氧化池里面的水质均匀，流量稳定。为此在进 调制池前设有流量控制回路。该控制回路在均衡池配有一台液位变送器，根据要求的 液位值来控制调制池供料泵以及均衡池潜液式搅拌器的启停。这个控制保证了流量的 稳定因此有必要对均衡池和调制池的液位进行连锁控制。 根据经验规则可以得到控制规则表如下表 3-2 所示。 计算机控制技术课程设计5 表 3-2 连锁控制规则表 序号规则描述 1 如果均衡池的液位大于或等于 5m，则进行均衡池高液位报警。 2 如果均衡池的液位小于或等于 1m，则进行均衡池低液位报警，同时停止搅 拌器 M101。 3 如果均衡池液位大于

16、1.1m，则启动搅拌器 M101。 4 如果均衡池液位小于或等于 2m，或者调制池液位大于或等于 12m，则停止 混合反应池进料泵 P101。 5 如果均衡池液位大于 2.1m，并且混合反应池液位小于 12m，则启动混合反 应池进料泵 P101。 3.3 进反应器废水温度控制 为了维持恒定的进反应器废水温度，必须克服各种扰动。引起热交换器出水口温 度变化的扰动因素主要有两方面：一是进交换器废水的流量和温度用 D1 表示，二是锅 炉房来热水温度，用 D2 表示。进交换器热水的流量通过 FIC301 回路调节稳定。锅炉 房来的水的水温发生变化时，它需要通过反应器的热水仓，管壁，废水管道 3 个容积

17、 以后才能影响出水温度 H1 的变化，这时调节器开始动作调节热水阀门。这样很明显， 从扰动开始到调节器动作中间有段时间被耽搁了，这段时间由于扰动的作用已使 H1 出 现很大偏差，因此我们采用了串级控制系统来控制。其原理如下图 3-2 所示。因为 D2 的扰动很快能在热水仓温度 H2 上表现出来，所以检测 H3 通过 HC2 控制器来调节热 水阀稳定 H2，那么调节动作就提前了很多，从而加快了调节速度，改善了调节品质。 通过检测 H1 送入 HC1 控制器，该控制器根据 H1 的偏差来改变给定值，从而稳定 H1。 计算机控制技术课程设计6 HC1 HC2调节阀热水池管壁废水管道 温度变送器 温度

18、变送器 HR1 D1 D2 _ + + _ HR2 温度控制系统原理图 3.4 PH 控制单元设计 对于中段水处理，PH 值是影响微生物活力的重要性因素其控制质量的好坏直接影 响污水处理的合格程度。 混合反应池的的 PH 值控制原理图如下图 3-3 所示。 调制池入口和出口均安装有在线 PH 值检测仪，通过 HCL 和 NaOH 投料阀向调制 池投加药品调节 PH 值。 E-1 V-4 P-4P-5 P-6P-7 P-10 P-12 P-13 P-17 P-18 P-19 I-5 P-22 P-23 P-22 P-25 P-26 P-27 P-30 E-5 P-31 P-32 V-5 P-33

19、 E-6 PICP-35 P-36 P-37 P-38 P-39 P-40 PH P-41P-42 NaOH HCL 投料阀 投料阀F1流量计 流量计 FIC FIC 调制池 反应器供料泵 流量计 P-43 送往反应器 PH 控制器 流量计 入水 PH 值控制系统流程图 原水 PH 值与投药量之间的关系受多种因素的影响，而且 PH 调节具有严重的非 线性、滞后性和不稳定性，简单的 PID 控制算法由于参数固定，不能完全适应对象的 变化，对干扰抑制问题处理不足，是其对 PH 的调节无法到达理想的控制效果。因此我 们采用专家控制和串级回路相结合的控制方式来控制调制池 PH 值。 计算机控制技术课程

20、设计7 系统 PH 值的最佳范围是 6.8PH7.2，在这个范围内我们采用基于 PID 算法的串 级回路控制，如果 PH 值超出这个范围，该 PID 算法被专家控制器设置为手动状态，然 后根据模糊规则比较计算出阀门的开度曾量。在 PID 回路回复到正常后，PID 回路在 自动的状态下接管对回路的控制权。以 PID 的手自动状态来选择专家控制器和 PID 控 制算法。其控制原理图如图 3-4 所示。 PH控制回路为自动 偏酸超限范围 出水PH值检测范围 偏酸正常范围最佳范围偏碱正常范围偏碱超限范围 专家控制专家控制串级控制专家控制专家控制 PH 值控制选择 3.4.1 其串级控制系统设计 PH

21、值调节过程总是会存在加酸和加碱两个过程，每个调节过程是一个串级控制 配合 PID 的控制方案，两个方案之间要根据入水 PH 值的高低情况进行协调作用，才 能真正达到控制 PH 值稳定的目的，系统选择两个不同的两个串级回路协调的控制回路。 此回路共有两个副回路分别是加酸控制回路和加减控制回路，以及主回路为 PH 值检测 负反馈回路。首先是从现场测得 PH 值与设定值进行比较通过偏差大小进行比较，如果 是偏酸性的则选择加减控制回路来调节 PH 值，如果偏碱性则选择加酸控制回路去调节 PH 值其控制系统如图 3-5 所示。 计算机控制技术课程设计8 按偏差大小 进行选择的 控制单元 PH控制器 加酸

22、流量控 制器 加酸流量调 节阀 盐酸中和液 废水 加碱流量控 制器 加减流量调 节阀 碱中和液 盐酸流量检测单元 氢氧化钠流量检测单元 PH检测单元 PH设定值 PH输出值 PH 串级控制系统 3.5 营养物质投加控制 营养物质是微生物赖以生存的必要条件，在调制池中通过投加磷酸、尿素等营养 物质，来维持进反应器废水成分。提供细菌生存的最佳环境。营养物质的投加通过比 值控制即可完成，如下图所示。根据进入调制池废水的流量，按一定得比例计算出营 养物质的投加量，来控制加药泵。 营养物质投加控制系统 计算机控制技术课程设计9 4 硬件部分设计 4.1 PLC 控制系统设计原则和设计步骤 学习 PLC

23、的最终目的是能把它应用到实际控制系统中去。若遇到实际的工业控制 项目，需用 PLC 进行控制，我们必须按照一定得设计步骤以及基本原则。 1）PLC 控制系统设计基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要 求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本要 求： a)最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜 集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案， 协同解决设计中出现的各种问题。 b)在满足控制要求的的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维修方便。 c)保证控制

24、系统的安全、可靠。 d)考虑到生产发展和工艺的改进，在选择 PLC 容量时，应适当留有余地。 2）PLC 控制系统设计的基本内容 PLC 控制系统是由 PLC 与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC 控制系统 的基本内容包括如下几点： (a)选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等、输出设备（继电 器、接触器、信号灯等执行元件）以及输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等） 。 这些设备属于一般的电气元件，自选择方法请参考其他有关资料。 (b) PLC 的选择。PLC 是 PLC 控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技 术经济性能指标起着重要作用。 选择 PLC，应包括

25、机型、容量、I/O 点数（模块） 、电源模块以及特殊功能模块的 选择等。 (c) 分配 I/O 点，绘制电气连接接口图，并考虑必要的安全保护措施。 (d) 设计控制程序。梯形图、语句表（可由编程软件自动转换或直接编写） 、控制 系统流程图等。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全可 靠的关键，因此控制程序的设计必须经过反复调试、修改，直到满足为止。 (e) 必要时还需设计控制台（柜） 。 (f) 编制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电气元件明细表等。 传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。在 PLC 控制系 统中，这些图可统称为“硬件图” 。它在传统

26、的电气图的基础上增加了 PLC 部分，所 计算机控制技术课程设计10 以，还应增加 PLC 的 I/O 输入、输出电气连接图（即 I/O 硬件接线图） 。 分析控制要求 确定用户的I/O设备 选择PLC 分配I/O，设计I/O连接图 绘制流程图 设计梯形图 编制程序清单 调试 输入程序并检查 联机调试 满足要求？ 设计控制台 现场连接 Yes 满足要求？ 编制技术软件 No No PLC程序设计 No 修改 交付 PLC 控制系统流程 4.2 控制总体要求 按照工艺运行及使用维护等方面的要求，设计时对控制系统总体要求如下： 1）系统可以进行自动手动两种运行方式。应能按照工艺要求编辑程序并可实时

27、整 定参数。 2）系统要有相应的软件，硬件保护措施以及足够的报警信息显示。 计算机控制技术课程设计11 3）控制装置选用 PLC 作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配 PLC 机型和 I/O 接口。 4）PLC 自身配有 24V 直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC 接地端采用 第三种接地方式，提高抗干扰能力。 5）控制系统当一组电机运行停止时另一台将自动运行。 6）采用指令表形式来编写程序并编写 PLC 的 I/O 接口功能表。 4.3 PLC 选型及传感器的连接 1) CPU 的选型 CPU314：内置 40KB RAM,最大可扩展 512KB FLASH-EPROM 存储器卡，

28、随机 存储器 24KB，最大数字量 I/O 点数：512，最大模拟量 I/O 通道数：64，最大配置： 4 个机架，32 块模块，时钟：硬件时钟，定时器：128，计数器：64，位存储器： 2048，可调用块：组织块 OB(13 个)、功能块 FB(128 个)、功能调用 FC(128 个)、数 据块 DB(127 个)、系统数据块 SDB(9 个)、系统功能块 SFC(34 个)、系统功能块 SFB(0 个)。 所以 CPU314 的各项指标能够满足控制系统的要求且保留一定的裕量。 存储器容量估算值： PLC 的 I/O 点数估算值大小，很大程度上反映了 PLC 系统的功能要求，因此可以 在

29、I/O 点数估算值的基础上计算对 PLC 存储容量的要求。目前大多用统计经验公式进 行存储器容量估算，这种方法是以 PLC 处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验 值为依据，乘以信息量数再考虑一定的裕量，计算得到存储器需要容量。作为一般应 用,通常使用如下的经验公式计算所需存储容量： M(KB)=(1.11.25)(DI10+DO5+AI/O100)/1024 (3-1) 其中： DI 为数字量输入点数； DO 为数字量输出点数； AI/O 为模拟量 I/O 输入输出总点数； 根据上面式(3-1)的经验公式得到的存储器容量估算值只具有参考价值，但在明确 了 PLC 要求容量时，还应依据其它因

30、素对其修正。需要考虑的因素有：经验公式仅对 一般应用系统，而且主要针对设备的直接控制功能而言的，特殊的应用或功能可能需 要更大的存储器容量，不同型号的 PLC 对存储器的使用规模与管理方式的差。 本系统所需的存储容量为：1.25*(175*10+89*5+87*100)/1024=11.37734) B 控制柜 SM331 8*12 位：3 个(8*3=2423) ，C 控制柜 SM331 8*12 位：4 个 (8*4=3231) 模拟输出 AO：A 控制柜 SM332 4*12 位：3 个(4*3=1210) ，B 控制柜 SM332 4*12 位：2 个(4*2=86) ，C 控制柜 S

31、M332 4*12 位：3 个(4*3=1210) 数字输入 DI：A 控制柜 SM321 32 位：4 个(32*4=128113)，B 控制柜 SM321 32 位：1 个(32*1=32=32)，C 控制柜 SM321 32 位：1 个(32*1=3230) 数字输出 DO：A 控制柜 SM322 32 位：2 个(32*2=6441)，B 控制柜 SM322 32 位： 2 个(32*2=6435)，C 控制柜 SM322 32 位：1 个(32*1=3213) 模块总数：A 控制柜为 14 块,B 控制柜 8 块，C 控制柜 9 块 由于一个机架最多只能装 8 个模块,故共需要 5

32、个机架 3) PS(电源)模块的选型 S7-300 模块使用的电源由 S7-300 背板总线提供。一些模块还需从外部负载电源供 电。在组建 S7-300 应用系统时，考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的,所 有 S7-300 模块使用的从 S7-300 背板总线提供的总电流不能超过 1.2A。 一个实际的 S7-300PLC 系统，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、各种智能模块等总消耗 功率之和。并且要留有 30%左右余量。以下是本控制系统的电流、功率计算： 各模块从 S7-300 背板总线吸取的电流=15*

33、1+90*1+60*6+60*4=705mA 计算机控制技术课程设计16 各模块从 24V 负载电源吸取的电流=1000+1*0+200*1+200*6+240*4=3360mA 各模块的功率损耗=8+1*3.5+1*4.9+6*1.3+4*3=36.2W 从上面的计算可知，信号模块从 S7-300 背板总线吸取的电流是 705mA，没超过 CPU314 提供的电流 1.2A。各模块从 24V 负载电源吸取的电流大约 3360mA，没超过 电源模块 PS307 5A 的 5A 且留有一定余量。又因为 PS307 5A 的功率损耗为 18W，所 以该 S7-300 结构总的功率损耗是：36.2+

34、18=54.2W。该功率不应超过机柜所能散发的 最大功，在确定机柜的大小时要确保这一点。 综上所述选择 PS307 5A 电源模块是合适的，满足要求的。 4) 接口模块的选择 接口模块都具有共同性能：结构紧凑，牢固的塑料机壳中有连接电缆的接口。组 装简单，接口模块安装在 DIN 标准导轨上(插槽 3)，通过总线连接器连接到 I/O 模块。 组态简单，接口模块是自组态的，无需进行地址分配。状态和故障指示 LED。 由于该系统需要两个机架，故即可采用 IM360/IM361 接口模块将 S7-300 背板总 线从一个机架连接到下一个机架，也可采用一对 IM365 接口模块，它具有下列性能 IM36

35、5 的两块模块之一插入 CR，另一个插入 ER。模块通过固定的 1m 长的连接电缆 连接。无须单独的电源。直接由中央机架连致扩展机架接口，且其价位相对低廉。所 以这里我们采用比较经济的 IM365 接口模块对，这一对接口模块需由 1m 长的连接电 缆相互固定连接。 表 4-5 接口模块参数 序号名 称型 号名称数量 1CPU 模块6ES7 314- 1AE01-0AB0 CPU3141 2电源模块6ES7 307- 1EA00-0AA0 PS307 5A1 3F-ROM 卡6ES7 951- 0FF00-0AA0 64K1 4后备电池6ES7 971- 1AA00-0AA0 1A.H1 5数字

36、量输入模块6ES7 321- 1BL80-0AA0 SM321：点 DI,24VDC 1 6数字量输出模块6ES7 322-SM322：32 点1 计算机控制技术课程设计17 4.3 系统硬件配置 该控制系统为针对中段废水好氧处理工艺而设计，整个控制系统的控制框架由操 作管理部分，过程控制部分和现场设备三部分组成，并且该系统分设计采用三个主控 柜分为 A，B，C 柜。通讯部分采用 PROFIBUS-DP 网，该硬件系统组成结构示意图如 图 4-2 所示： 硬件系统结构 4.5 硬件连接图 4.5.1 电气控制 A 柜 1BL00-0AA0DO,继电器 7模拟量输入模块6E7S 331- 7KF

37、00-0AB0 SM331：8 通道 AI 6 8模拟量输出模块6E7S 332- 5HD00-0AB0 SM332：8 通道 AO 4 9接口模块6E7S 390- 1AJ00-0AA0 IM3652 10导轨6E7S 390- 1AF30-0AA0 2 计算机控制技术课程设计18 此处按照基于槽编址的寻址方式机架 0 上从五号槽上开始的模拟模块起始地址为 272。数字量模块从第四槽开始为为 0.0-1.7。 307L+ 307M 至PC PS307 机架0 SM331 M0-3 SM331 M0-4 SM331 M0-5 SM331 M0-6 SM331 M0-7 L+ M L+ M L+

38、 M L1 N MPI L+ M CPU -314 L+ DP M IM365 机架1 SM321 M1-4 SM322 M1-7 IM365 M1-0 SM332 M0-9 SM332 M0-10 SM321 M1-3 SM322 SM322 M1-6M1-5M1-8 SM322 PLC 机架接线图 计算机控制技术课程设计19 模块接口连接图 上图为两个模拟量输入模块 SM331，连接现场送来的模拟量输入信号。其模块 地址为 M0-3 中 CH0-CH7 为 PIW272PIW286。M04 为 PIW288PIW302。 模块接口连接图 上图为三个模拟量输入模块 SM331，连接现场送来的

39、模拟量输入信号。地址为 PIW302PIW356。 模块接口连接图 上图为三个模拟量输出模块 SM332，将 CPU 的控制信号转换为模拟量送到现场。 其地址分别是从 PQW272PQW294。 计算机控制技术课程设计20 模块接口连接图 此图为 4 个数字量输入模块 SM321，连接现场送来的数字量输入信号。其分布 地址为 I0.0I15.2 模块接口连接图 计算机控制技术课程设计21 上图为两个数字量输出模块 SM322，将 CPU 的控制信号送到现场。其分布地址 为 Q0.0Q5.0 4.5.2 电气控制 B 柜 B 柜的结构与 A 柜一致其硬件为 B 柜需要模拟量输入模块 SM331

40、三块，模拟量 输出模块 SM332 两块。数字量输入模块 SM321 需要一块，数字量输出模块为两块。 其模拟量输入模块的的地址分布为 PIW 384PIW428，模拟量输出模块的地址 分布为 PQW304PQW314.。数字量输入模块的分布地址为 I16.0I19.7，数字量输 出模块的分布地址为 Q8.0Q10.1。电气控制柜 B 柜各分布地址的详细测控点见附录 4.5.2 电气控制 C 柜 C 柜硬件连接图与 A 柜相同，区别是 C 柜需要的模拟量输入模块为四块，模拟 量输出模块为三块，数字量输入模块为一块，数字量输出模块为一块。其中模拟量输 入模块的分布地址为 PIW448PIW508

41、，模拟量输出模块的分布地址为 PQW320 PQW338，数字量输入模块的分布地址为 I24.0I27.5，数字量输出模块的分部地址 为 Q12.0Q13.4。 5 PLC 控制程序部分设计 5.1 STEP7 软件的设计步骤 本部分的程序采用的是 STEP7 编程软件。控制系统软件开发的过程与任何软件开 发一样，先要进行可行性研究，然后，还要经历需求分析、软件设计、编码实现、软 件测试和运行维护等几个环节。 1) 需求分析 需求分析是指用户对目标软件系统在功能、行为、性能、设计约束等方面的期望。通过 对应用问题及其环境的理解与分析，建立信息、功能及系统行为的模型，将用户需求精确化 完全化，最

42、终形成需求规格说明。良好的分析活动有助于避免和尽早剔除早期错误。 2) 软件设计 软件设计是将需求规格说明逐步转化为源代码的过程，软件设计是对程序结构、 数据结构和过程细节逐步求精的过程。它主要包括两个部分：一是根据需求确定软件 和数据的总体框架；二是将其精化成软件的算法表示和数据结构。 程序设计包括程序结构设计与数据结构设计两部分内容。 3) 三种典型程序结构的特点及选用 计算机控制技术课程设计22 a) 线性程序结构 用线性结构设计的程序连续放置在一个块内（通常为 OB1） ， 块中的程序按顺序执行。这一结构是最初的 PLC 模拟的继电器梯形逻辑的模型。 b) 分部程序结构 这是一种部分模

43、块化的程序结构，程序被分成若干部分放在若 干功能块中，每个功能块含有用于一种设备的一系列逻辑，放置在组织块中的指令决 定控制程序的各功能块的执行。 c) 结构化程序结构 它可用于对复杂程度高，程序规模大的控制应用程序设计。 结构化程序可以重复使用某些功能块，只需再在使用功能块时为其提供不同的环境变 量（实参）就能完成对不同设备的控制。 5.2 程序总体设计方案 每当 CPU 的状态由停止转入运行状态时，不论是用 CPU 面板上的开关，还是用 STEP7 软件包在编程器上的软开关实现状态切换，操作系统都要调用 OB100，所以我 们一般在组织块 OB100 中完成环境变量和参数的初始化工作。 O

44、B100 结束后，操作系统调用 OB1，当 OB1 运行结束后，操作系统再次调用 OB1，如此 0B1 不断循环，这一过程也称为扫描循环，调用 OB1 的时间间隔称为扫描 周期。扫描周期的长短主要由 OB1 中的程序执行所需时间决定。所以我们在 OB1 中主 要编写主程序来调用其他功能块。 STEP7 提供了一个以固定间隔循环运行的组织块 OB35。时间间隔由编程工具设置 或修改(缺省值为 100ms)其范围从 1ms1min。当允许循环中断时，OB35 以固定的间隔 循环运行。我们使用 OB35 的循环性中断来设定循环采样模拟输入信号。使用 OB35 应 注意：必须保证设置的时间间隔值比 O

45、B35 中程序的运行时间长，否则造成系统异常， 操作系统将调用异步错误 OB80。 系统对模拟信号和数字信号的处理过程如下： 1) 模拟信号处理 采样 滤波 标度变换 报警 输出 PID控制 模拟量控制流图 计算机控制技术课程设计23 将现场被控的模拟量通过传感器和变送器的采集送到模拟量输入通道，模拟量 输入模块将 4-20mA 的电流信号变为数字信号，CPU 通过对模拟量输入端周期性的检 测，将数字信号采集到后进行滤波处理，处理后的数值再进行标度变换，变换后的数 值进入报警环节，对高于上限或低于下限的数值进行报警提示和数据舍弃处理。再将 满足要求的数据送入 PID 控制模块，进行相应处理。最

46、后通过输出通道(模拟量输出模 块)对现场实施控制。 2) 数字信号处理 将现场被控的数字量直接与数字量输入模块的输入端口相连，CPU 通过对数字输 入模块端口的访问来采集数字信号并在 WinCC 界面上显示。数字量的输出是通过上位 机的 WinCC 界面将控制信号通过 CPU 输出到数字量输出模块的端口来对现场进行控 制。 下来编写相应的子程序来完成整个控制系统的控制要求： 3）子程序介绍 a) 采样子程序 采样是把 43 个模拟量通道的模拟量信号周期性的采入模拟量输入模块 SM331，采 样子程序的作用就是控制 CPU 周期性的检测模拟量输入模块，如果有数据就将其读入 CPU 内。建立相应的

47、采样子程序数据块来存放采样数据。以下为采样子程序程序流程： 形成数据指针 将模拟量送入数据块 形成数据块指针 将采样值装入数据块， 进入下一循环周期 修改指针 设通道数为循环次数 判断循环是否结束 YES NO 采样子程序流图 b) 滤波子程序 把采样进来的数值进行单通道循环滤波，滤波的方法是把 8 次采样数值相加后再 计算机控制技术课程设计24 除 8，以消除外界干扰信号造成的峰值干扰。建立相应的滤波子程序数据块来存放滤波 后的数据。以备其他子程序来调用。以下为滤波子程序框图： c）标度变换子程序 取下一采样值 需要滤波的通道数 形成数据块1,2地址 求和 滑动滤波次数 判断采样是否已8次

48、Y 求平均值 修改地址指针 判断滤波是否完成 Y 数据装入数据块，进入下一循 环周期 N N 在滤波数据数据块中取出滤波后的数据进行标度变换以备后续程序使用，并将标 度变换后的数据存入标度变换数据块内标度变换子程序见附录。以下是标度变换子程 序流程图。 计算机控制技术课程设计25 形成数据块地址指针 需要变换的次数 标度变换 修改指针 取进滤波后的值 判断变换是否完成 数据装入数据块，进入下 一循环周期 YES NO 标度变换子程序流程图 d) 报警子程序 对标度变换后的高出上限或低于下限的数值进行上下限报警。把超过报警限的数 值舍弃并设置相应的标志位。 报警子程序详见附录 II。 e) 联锁

49、子程序 联锁子程序的主要功能是当系统进入异常状况时，系统控制的一连串保护动作。 包括：供电的撤消、电机的停机和一系列阀门的保护动作。 f) PID 控制子程序 在介绍 PID 控制子程序之前，先介绍该 PID 程序所采用的 PID 算法。 按偏差的比例、积分微分控制是应用最广泛的控制规律。在实际的经验及道理分 析证明。这是控制规律在相当多的工业对象进行控制时能取得比较满意的结果，在 PLC 控制系统中也首先采用这种形式的控制方式。在常规的控制系统中，为了改善系 统性能，提高调节品质，除了按偏差的比例调节外，还要引入偏差的微分以克服系统 的惯性滞后，提高抗干扰的能力。 计算机控制技术课程设计26 PID 有几种不同的形式，它们分别是：位置式和增量式。 位置式：模拟仪表的调节动作是连续的，任何瞬时的控制量输出 u 都对应于：执 行机构的位置。由：可知，数字 PID 控 制器的输出也和阀位对应。故称为位置式。 计算机实现位置式不够方便，这是因为类加偏差 e(j)，不仅要占用较多的存储单元， 还不便于编程。 增量式：根据控制理论不难写出 N 时刻控制量的增量u(n)为： （3-3） 其中： 称为比例系数1/ p k 称为积分系数 / ipi kk T T 称为微分系数/ d