基于PLC的砂石加工控制系統(tǒng)設計

設計（論文）專用紙PAGE昆明理工大學畢業(yè)設計（論文）題目基于PLC的砂石加工控制系統(tǒng)設計學院信息工程與自動化學院專業(yè)自動化學號20091040姓名指導教師車國霖2013年Kunming（Thesis）Paperstopic：SandandgravelprocessingcontrolsystemdesignbasedonPLCFaculty：FacultyofInformationEngineeringandAutomationSpeciality：AutomationStudentname：HujinquanGuidingteacher'sname:CheguolinDayperiod:2013-6-3第81頁第81頁摘要隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化的水平和范圍都發(fā)生了巨大的改變。為適應這些變化，控制系統(tǒng)由將所有現(xiàn)場設備和裝置集中到一起的集中控制方式，轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程控制級和過程監(jiān)控級組成的分布式控制系統(tǒng)。它以網(wǎng)絡為核心，將分布在工業(yè)現(xiàn)場不同位置的站點連接起來，形成了具有分散控制、集中操作、分級管理、組態(tài)方便、配置靈活等特點的控制模式。本文以水電站砂石加工系統(tǒng)的設計為背景，研究構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)的方法并引入無線數(shù)據(jù)傳輸，以解決現(xiàn)場布線困難的問題。在設備層使用西門子Profibus-DP現(xiàn)場總線，現(xiàn)場控制站點和中控室站點采用無線通信的方式進行連接。主控制器采用西門子S7-300系列帶有以太網(wǎng)接口的PLC模塊CPU315-2PN/DP，從站使用ET200M系統(tǒng)，無線通信使用西門子無線接入點模塊。完成了現(xiàn)場控制站點和中控室站點構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)的設計。本文對砂石加工自動控制系統(tǒng)的需求和控制任務進行說明，介紹砂石加工自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、設計思路、硬件選型、軟件設計等詳細實現(xiàn)過程。編寫了粗碎車間的PLC控制程序，在組態(tài)王軟件上開發(fā)了用于上位監(jiān)視系統(tǒng)的交互畫面。調(diào)試結(jié)果表明，PLC控制系統(tǒng)能夠按照要求完成生產(chǎn)任務。關(guān)鍵詞:分布式控制；S7-300；PROFIBUS-DP；無線通信；砂石加工；粗碎AbstractAlongwiththerapiddevelopmentincomputertechnology,communicationtechnology,networktechnologyandautomaticcontroltechnology,greatchangeshavetakenplaceinlevelandcontrolrangeoftheindustrialautomation.Inordertoadapttothesechanges,thecontrolsystemisnolongerthetraditionalcentralizedmannerthatputsallfieldinstrumentsandapparatusestogether,butappearsthedistributedcontrolsystemwhichisconsistsofprocesscontrollevelandprocessmonitoringlevel.Itwiththenetworkasthecore,itwillbelinkedbythesiteswhichdistributedinweredifferentlocationsofindustrialfield,hasformedthecontrolmodewithdistributedcontrol,centralizedoperation,classificationmanagement,configureconvenient,flexibleconfiguration.Thispaperfocusesonstudythemethodofconstructdistributedcontrolsystemasthedesignofsandstonesprocessingsysteminthehydropowerstationforthebackground.Inthisdesign,Profibus-DPfieldbusisusedindevicelayer,thefieldnodeandcontrolnodebasedonconnectionmodeofthewirelessCommunication.ThemastercontrolleradoptSiemensS7300serieswithEthernetinterfacecontroller.CPU315-2PN/DP,salvestationuseET200Mmodule,wirelesscommunicationmoduleinmasterstationisuseSiemenswirelessaccesspointsSCALANCEmoduleW788-1RRandinsalvestationisIWLAN/PBLINKPNIO.Builtthecompletesandstonesprocessingautomaticcontrolsystemwhichiscomposedofsupervisoryandcontrolfunction.Inthispaper,accountedforneedsandcontroltaskofthesandstonesprocessingautomaticcontrolsystem,introducesmainlytheoverallarchitecture,designidea,hardwareselect,softwaredesignofdetailedrealizationprocessforthecontrolsystem.Builtamoderndistributedcontrolsystem,justputitinitwithwirelesscommunicationtechnology,anddevelopedcontrolsoftwareformasterandsalvesites,developedthesupervisorypictureinKingView,actualizedthewholedesignofsystem.Keywords：DistributedCntrol;S7-300;PROFIBUS-DP;WirelessCommunication;SandstonesProcessing.

目錄摘要 IAbstract II前言 1第一章緒論 31.1引言 31.1.1PLC技術(shù) 31.1.2現(xiàn)場總線技術(shù) 41.1.3無線傳輸技術(shù) 51.2課題背景及意義 61.3本文主要工作 7第二章砂石加工系統(tǒng) 82.1砂石加工系統(tǒng)概述 82.2工藝流程 92.3主要設備介紹 92.4電氣設計說明 112.5系統(tǒng)功能 132.5.1下位控制功能要求 142.5.2上位監(jiān)控功能要求 152.5.3通信功能要求 152.6通信網(wǎng)絡設計 152.6.1數(shù)據(jù)通信簡介 152.6.2數(shù)據(jù)通信方式 162.6.3數(shù)據(jù)傳輸形式 162.6.4通訊網(wǎng)絡設置 17第三章硬件設計 203.1

PLC概述 203.1.1PLC技術(shù)的概念 203.1.2

PLC技術(shù)的發(fā)展歷史 203.1.3

PLC的發(fā)展趨勢 213.2

PLC的功能特點 213.2.1

PLC的功能 213.2.2

PLC的特點 233.3

西門子S7-300

PLC 243.3.1

S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 243.3.2

S7-300

CPU模塊 243.3.3

S7-300的模擬量輸入模塊 253.4

S7-300編程語言 253.5砂石加工系統(tǒng)粗碎車間PLC配置 26第四章軟件設計 304.1生產(chǎn)工藝流程 304.2PLC程序設計 314.2.1STEP7編程軟件 314.2.2PLC的組態(tài) 324.2.2PLC的組態(tài) 334.3組態(tài)軟件的介紹 354.4上位機監(jiān)控畫面的設計 374.5定義變量 414.6組態(tài)王畫面設計 42結(jié)論 45總結(jié)與體會 46致謝 47參考文獻 48附錄1程序清單 50附錄2外文文獻原文 55附錄3外文文獻翻譯 65前言隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化的水平和范圍都發(fā)生了巨大的改變。為適應這些變化，控制系統(tǒng)由集中控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程控制級和過程監(jiān)控級組成的分布式控制方式。形成了具有分散控制、集中操作、分級管理、組態(tài)方便、配置靈活等特點的控制模式。水電站工程砂石加工系統(tǒng)布置于壩址下游右岸1030m-1130m高程之間，由粗碎、中碎、細碎、超細碎、一次篩分、二次篩分、脫水篩分、成品堆場等環(huán)節(jié)組成，擁有加工設備100余臺（套）。系統(tǒng)砂石骨料生產(chǎn)分為特大石（80-150mm）、大石（40-80mm）、中石（20-40mm）、小石（5-20mm）、噴錨料（5-15mm）、砂（小于畢業(yè)設計以水電站砂石加工系統(tǒng)的設計為背景，研究構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)并采用無線數(shù)據(jù)傳輸，以解決現(xiàn)場布線困難的問題。無線通信技術(shù)迅速發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用也日益廣泛，尤其在工業(yè)環(huán)境復雜、布線不方便、被控制對象位置不固定的控制系統(tǒng)中，無線技術(shù)的優(yōu)勢更為明顯。在設備層使用西門子ProfiBus-DP現(xiàn)場總線，現(xiàn)場控制站點和中控室站點采用無線通信的方式進行連接。主控制器采用西門子S7-300系列帶有以太網(wǎng)接口的PLC模塊CPU315-2PN/DP，從站使用ET200M系統(tǒng)，無線通信使用西門子無線接入點模塊SCALANCEW788-1RR和IWLAN/PBLINKPNIO?，F(xiàn)場控制站點和中控室站點構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。本文首先對分布式控制系統(tǒng)及其通信方式進行了分析，并對本系統(tǒng)的背景、內(nèi)容和意義進行闡述；然后對砂石加工自動控制系統(tǒng)的需求和控制任務進行說明；介紹了Profibus-DP協(xié)議，討論了無線通信方式在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用；最后，介紹砂石加工自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、設計思路、硬件選型、軟件設計等詳細實現(xiàn)過程。構(gòu)建分布式且含無線通信的控制系統(tǒng)，以粗碎車間生產(chǎn)的控制要求完成PLC硬件設計與控制程序梯形圖設計，在組態(tài)王軟件上開發(fā)粗碎車間上位監(jiān)視系統(tǒng)畫面。仿真調(diào)試結(jié)果表明，本文設計的控制系統(tǒng)能夠完成生產(chǎn)任務，有很好的應用效果。

第一章緒論1.1引言隨著自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化控制范圍不斷擴大，自動化水平不斷提高。越來越多的現(xiàn)場設備被加入到自動控制的范圍，日益增加的被控節(jié)點要求控制系統(tǒng)向大型化、網(wǎng)絡化、分散化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。當現(xiàn)場設備和系統(tǒng)分布范圍比較廣時，需依靠有分散控制功能的多臺PLC來完成各種復雜的任務。這一發(fā)展趨勢，對工業(yè)控制領(lǐng)域的通信功能有了更高的要求，不但要求不同單元的生產(chǎn)設備之間能夠相互交流信息，使得生產(chǎn)現(xiàn)場不同設備之間能夠相互配合，更加需要從生產(chǎn)現(xiàn)場到工廠管理級進行信息交流，實現(xiàn)管理級與生產(chǎn)現(xiàn)場的信息共享，從而提高效率，降低成本。按照目前較為流行的分層方法，可以將自動化控制系統(tǒng)分為信息層、控制層和設備層三個層次[8]，間的設備通信和不同層次之間的通信構(gòu)成了整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線是自動化控制的數(shù)字通信網(wǎng)絡，是連接基于某種現(xiàn)場總線標準的現(xiàn)場設備的開放系統(tǒng)[3]，它能將不同廠商的可編程設備連接在單層或多層網(wǎng)絡上，完成相互之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)分散控制和集中管理。隨著計算機網(wǎng)絡和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC的通信及網(wǎng)絡技術(shù)也將向高速、多層次、大信息吞吐量、高可靠性的現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展。近年來無線通信技術(shù)迅速發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用也日益廣泛，尤其在工業(yè)環(huán)境復雜、布線不方便、被控制對象位置不固定的控制系統(tǒng)中，無線技術(shù)的優(yōu)勢更為明顯，應用范圍也將更加廣泛。1.1.1PLC技術(shù)可編程邏輯控制器PLC(programmablelogiccontroller)，是以微處理技術(shù)為核心，綜合了自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)控制裝置。具有體積小、功能強、可靠性高、環(huán)境適應能力強、編程簡單、組態(tài)靈活等一系列優(yōu)點，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應用，被稱為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的三大支柱之一。設計之初，PLC被定位為用來替代傳統(tǒng)繼電器控制電路的簡單控制裝置，因此只能進行簡單的邏輯運算、定時和計數(shù)操作。隨著微處理技術(shù)的快速發(fā)展，PLC在邏輯運算的基礎(chǔ)功能之上，增加了數(shù)值運算、閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，并且提高了運算速度，擴大了控制規(guī)模。與計算機通信功能發(fā)展相聯(lián)系，PLC在通信方面有了很大的發(fā)展，初步形成了分布式的通信網(wǎng)絡體系，但是由于生產(chǎn)廠家各自獨立，通信協(xié)議自成系統(tǒng)，因此不同生產(chǎn)廠家的設備很難實現(xiàn)相互通信。從20世紀80年代中期開始，由于開放式系統(tǒng)的提出，使得PLC得到了飛躍式的發(fā)展，主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開放，通信協(xié)議實現(xiàn)標準化，使得各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品間可以互相通信。PLC控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，功能也不斷完善。計算機與PLC之間，以及各個PLC之間的聯(lián)網(wǎng)和通信能力不斷增強，使工業(yè)網(wǎng)絡可以有效地提高系統(tǒng)可靠性和靈活性、節(jié)省資源、降低成本。1.1.2現(xiàn)場總線技術(shù)20世紀40年代開始，工業(yè)生產(chǎn)過程開始了自動化控制的步伐，第一代控制系統(tǒng)采用具有簡單測控功能的基地式儀表，被稱作氣動控制系統(tǒng)PCS。到了60年代，開始出現(xiàn)了應用4-20ma標準模擬信號的第二代控制系統(tǒng)，即模擬控制系統(tǒng)ACS，但是由于不同傳感器和執(zhí)行器的信號定義不同，很難形成規(guī)范的信號標準，限制了控制系統(tǒng)的規(guī)模和性能，系統(tǒng)的集成度并不高。隨著計算機在邏輯控制領(lǐng)域的廣泛使用，以單片機、小型PLC以及微處理器作為控制器傳輸數(shù)字信號的第三代控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)CCS開始出現(xiàn)，由于使用了數(shù)字信號，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低且易受干擾的缺陷，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，控制方式選擇上也更加隨意，但是由于控制器是整個系統(tǒng)的核心，一旦發(fā)生故障，將導致系統(tǒng)全面崩潰，無法正常工作。第四代控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)DCS就是為了克服集中控制系統(tǒng)的這種缺陷應運而生的。采用集中管理，分散控制的方法，有效的克服了集中控制系統(tǒng)對控制器處理能力和可靠性要求非常高的缺陷。由此DCS系統(tǒng)在化工、石油、電力等重要工業(yè)領(lǐng)域得到了普遍的應用。但是，由于各生產(chǎn)廠家為了各自利益而采取了封閉的控制通信模式，不同廠商的設備難以實現(xiàn)通信與信息連接，使得DCS成為了一種封閉專用，不具備大范圍擴展的分布式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)就是在這樣一種背景下出現(xiàn)的，國際電工委員會將現(xiàn)場總線定義為：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間支持串行、多點通信的數(shù)字式數(shù)據(jù)總線[]。它在連接上是一個開放的通信網(wǎng)絡，在模式上是全分布式系統(tǒng)，成為了生產(chǎn)過程現(xiàn)場智能設備的聯(lián)系紐帶。現(xiàn)場總線是一種開放式的數(shù)據(jù)總線，早在1985年，國際電工委員會就開始著手制定現(xiàn)場總線標準，并于1995年由ISASP50和WordFIP合并組建的現(xiàn)場總線基金會制定出了第一個現(xiàn)場總線標準，即基金會現(xiàn)場總線FF。雖然到目前為止，國際上有多達40多種的現(xiàn)場總線標準，但是任何一種標準都是開放的，只要遵守總線標準，無論任何廠商的設備都可以連接到該現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上。1.1.3無線傳輸技術(shù)在過去的幾十年中，無線通信技術(shù)獲得突飛猛進的發(fā)展，從人工操作的無線電報網(wǎng)絡到使用擴頻技術(shù)的自動化無線局域網(wǎng)，無線局域網(wǎng)，覆蓋不同通信距離和不同通信速率的無線通信標準達到了數(shù)十種，無線通信技術(shù)的應用領(lǐng)域隨著科技進步也在不斷擴展，并在20世紀90年代進入到工業(yè)控制領(lǐng)域。目前，無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用主要集中在工廠管理級和遠程監(jiān)控上，其主要的技術(shù)優(yōu)勢沒有得到充分的發(fā)揮。具有成本低廉、可靠性靈活性高、易用性和安全性好、施工周期短的無線技術(shù)要進入到工廠控制層和設備層，才能充分體現(xiàn)其優(yōu)勢，也將給工業(yè)控制領(lǐng)域帶來更大的變化，提供更多的工業(yè)自動化解決方案。工業(yè)自動化相關(guān)技術(shù)在過去幾十年的快速發(fā)展，使得控制器擁有更強大的處理能力，PLC的過程控制和數(shù)據(jù)處理能力進一步得到完善，也可以替代計算機進行監(jiān)控和管理，強大的通信和聯(lián)網(wǎng)能力允許構(gòu)建體系更加龐大的系統(tǒng)，以現(xiàn)場總線為代表的工業(yè)通信網(wǎng)絡也逐步完善，開放性和可靠性不斷增強，可以將大多數(shù)的工業(yè)設備添加到控制系統(tǒng)當中去，無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應用的不斷深入，是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以有多種選擇，配置系統(tǒng)更為靈活。這些不斷發(fā)展的技術(shù)，正在適應日益復雜、龐大的工業(yè)生產(chǎn)過程。1.2課題背景及意義在水利水電工程建設乃至國民經(jīng)濟建設中，土建施工最基本的混凝土材料是必不可少的，而且在目前仍舊是無法取代的?；炷恋墓羌艹煞质怯缮笆牧蠘?gòu)成的，砂石料的化學成分、物理性能以及有害物質(zhì)含量等因素都直接或間接對混凝土的性能有著重大影響。砂石料的性能不但與料源規(guī)劃，生產(chǎn)工藝、廠址選擇、設備選型等技術(shù)有著密切聯(lián)系，控制系統(tǒng)的水平高低也在一定程度上決定了砂石料的性能和生產(chǎn)成本。水電站工程砂石加工系統(tǒng)布置于壩址下游右岸1030m-1130m高程之間，由粗碎、中碎、細碎、超細碎、一次篩分、二次篩分、脫水篩分、成品堆場等環(huán)節(jié)組成，擁有加工設備100余臺（套）。系統(tǒng)砂石骨料生產(chǎn)分為特大石（80-150mm）、大石（40-80mm）、中石（20-40mm）、小石（5-20mm）、噴錨料（5-15mm）大型砂石加工系統(tǒng)其現(xiàn)場生產(chǎn)設備范圍廣，布置較分散。機械功率大，傳輸距離遠，安全操作又有嚴格的聯(lián)鎖，起動或停止的中間緩沖時間較長。電氣控制采用可編程控制技術(shù)PLC，其控制程序可根據(jù)實際運行的情況進行編程及調(diào)整，使用靈活、方便，占地面積小，可節(jié)省大量的常規(guī)控制柜及土建工程。減少現(xiàn)場運轉(zhuǎn)工作人員，從而提高整個加工系統(tǒng)運行的可靠性及經(jīng)濟性。隨著我國工業(yè)化、信息化的不斷快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)越來越龐大，生產(chǎn)過程工藝要求越來越高，生產(chǎn)設備數(shù)量越來越多，對生產(chǎn)過程自動化控制的要求也越來越高。為了適應這些新的變化，工業(yè)自動化的水平和范圍也在不斷提高和擴大。工業(yè)自動化是涉及自動化技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等眾多技術(shù)的綜合性技術(shù)，正是由于這些技術(shù)的迅速發(fā)展，才使工業(yè)自動控制水平能夠不斷向前發(fā)展。本文就是在自動化要求不斷提高，從而相應的自動化控制水平也在快速發(fā)展的背景下進行設計的。本課題設計的基于PLC控制的分布式自動控制系統(tǒng)，利用了PLC控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和無線通信技術(shù)，以砂石加工系統(tǒng)為例，為復雜工業(yè)流程的自動化控制提供一種解決方案。1.3本文主要工作本文的是在分析現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)無線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，選用S7-300PLC及配套產(chǎn)品設計利用Profibus-DP現(xiàn)場總線和無線數(shù)據(jù)傳輸，包括上位監(jiān)控和下位PLC控制的分布式砂石加工控制系統(tǒng)。論文第一章主要闡述了課題研究的背景和現(xiàn)實意義；第二章對砂石加工系統(tǒng)的工藝流程和控制要求進行了介紹；第三章著重描述了系統(tǒng)的硬件配置，以粗碎車間為主介紹了硬件設計；第四章對粗碎車間生產(chǎn)工藝控制程序開發(fā)和粗碎車間組態(tài)王監(jiān)控畫面進行了介紹；最后，第五章進行了總結(jié)。

第二章砂石加工系統(tǒng)2.1砂石加工系統(tǒng)概述在水利水電工程建設乃至國民經(jīng)濟建設中，土建施工最基本的混凝土材料是必不可少的，而且在目前仍舊是無法取代的?；炷恋墓羌艹煞质怯缮笆牧蠘?gòu)成的，砂石料的化學成分、物理性能以及有害物質(zhì)含量等因素都直接或間接對混凝土的性能有著重大影響。砂石料的性能不但與料源規(guī)劃，生產(chǎn)工藝、廠址選擇、設備選型等技術(shù)有著密切聯(lián)系，控制系統(tǒng)的水平高低也在一定程度上決定了砂石料的性能和生產(chǎn)成本。因此設計一套控制合理、性能優(yōu)越、操作方便的砂石加工自動控制系統(tǒng)有著重要的意義。在工程建設的不同使用場合，對砂石料的需求是各不相同的，通常情況下，砂石的種類按照顆粒直徑可以分為大石、中石、噴骨料、細砂等幾種不同規(guī)格的產(chǎn)品。為了完成不同規(guī)格砂石產(chǎn)品的生產(chǎn)及篩分任務，砂石加工流程要按需求分為粗碎車間、細碎車間、超細碎車間、幾個位置對立，相互之間用膠帶輸送機連接的功能車間。本系統(tǒng)的位置分布如圖2.1所示:粗碎車間中碎車間粗碎車間中碎車間第一篩分車間沖水篩分車間細碎車間超細碎車間2.2工藝流程砂石加工是把來自料場的大石塊，經(jīng)過破碎、篩分和沖洗后制作成顆粒直徑符合要求的砂石料的過程，其工藝流程如圖2.2所示：原料進池原料進池粗碎中碎一次篩分大石沖洗除鐵大石入庫細碎超細碎圖2.2砂石加工工藝流程圖來自料場的砂石原料直徑一般在500-700mm，用振動給料機勻速的將原料投入到粗碎車間進行破碎，鄂式破碎機可以將原料處理為直徑小于300mm的半成品料，通過膠帶輸送機輸送至中碎車間使用圓錐破碎機繼續(xù)破碎，使砂石料顆粒直徑小于80mm。經(jīng)過處理的砂石料被輸送至第一篩分車間，進行一次篩分，第一篩分車間圓振動篩具有0-5mm、5-40mm、40-80mm三種篩網(wǎng)規(guī)格，可以按照顆粒大小使石料從不同的通道排出，其中直徑在40-80mm的石料可以作為大石成品經(jīng)過大石沖洗車間進行沖洗處理后，進入大石成品庫。其余石料經(jīng)具有鐵磁特性的除鐵器進行除鐵處理后，由膠帶輸送機運輸至細碎和超細碎車間。由上述工藝流程可以得到，砂石料成品按照顆粒直徑大小可以分為幾種不同規(guī)格，如表2.1所示：2.3主要設備介紹由上節(jié)工藝流程的介紹可以看出，砂石加工系統(tǒng)主要是上料、破碎、蹄分和沖洗表2.1砂石成品規(guī)格表序號規(guī)格直徑（mm）1大石40-802墊層巖0-403小石5-204中石20-405碎骨粉5-106細沙0.15-5工藝構(gòu)成，由于涉及到各車間需要用膠帶輸送機進行砂石料的傳輸，因此系統(tǒng)的主要設備由破碎設備、蹄分設備和膠帶機組成。(1)給料機振動給料機用于粗碎破碎機前大塊物料的均勻供給，它是由給料槽體、激振器、彈簧支座、傳動裝置等組成。槽體振動給料的振動源是激振器，激振器是由兩根偏心軸(主、被動)和齒輪副組成，由電動機通過三角帶驅(qū)動主動軸，再由主動軸上齒輪哨合被動軸轉(zhuǎn)動，主、被動軸同時反向旋轉(zhuǎn)，使槽體振動物料連續(xù)不斷流動，達到輸送物料的目的。(2)破碎機粗碎車間常用的破碎設備分為顎式破碎機和旋回式破碎機兩種，其中顎式破碎機具有外觀尺寸小，機重較輕、價格低廉、所需土建工程量少等特點，因此在一般的小水電站砂石加工系統(tǒng)中，通常選擇顎式破碎機作為粗碎設備。細碎和超細碎過程主要使用圓錐破碎機，圓錐式破碎機通過電動機拖動破碎機的傳動軸，把動力傳遞到運動錐上，從而使其旋轉(zhuǎn)，礦石在破碎腔內(nèi)不斷受到?jīng)_擊，通過彎曲和擠壓作用實現(xiàn)礦石的破碎。具有結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)效率高的特點。(3)圓振動蹄圓振動蹄由振動器、蹄網(wǎng)、蹄箱以及減震彈賛等部件組成，由電動機通過皮帶帶動安裝在蹄箱側(cè)板上的振動器，從而產(chǎn)生離心慣性力，迫使蹄箱振動，物料在蹄網(wǎng)網(wǎng)面上做圓形運動，實現(xiàn)物料的蹄分目的。(4)螺旋分級機螺旋分級機是利用比重不同固體顆粒在液體中沉底的速度不同的原理，進行機械分級的一種分級設備，砂石加工系統(tǒng)中，能夠把棒磨制砂機磨出的粉料進行過濾，然后利用螺旋片把粗料旋入進料口，把過濾出的細料從溢流管排除，達到分級的目的。(5)棒磨制砂機棒磨制砂機利用電動機及減速設備，驅(qū)動裝有磨礦介質(zhì)的筒體回轉(zhuǎn)，利用離心力和摩擦力將磨礦介質(zhì)提升到一定高度后拋落，使被磨制的物料被粉碎，并通過溢流和連續(xù)給礦的力量將砂石排除機外，以進行下一工序作業(yè)。(6)除鐵器除鐵器是能夠產(chǎn)生強大磁場的設備，它主要功能是產(chǎn)生鐵磁效應，通過磁力將混雜在物料中鐵磁性雜質(zhì)清除，以保證砂石加工系統(tǒng)中的破碎機、振動蹄以及棒磨機等機械設備安全正常工作，避免鐵性物質(zhì)因?qū)щ娨约按?、長鐵件導致膠帶機劃裂的事故發(fā)生(7)膠帶輸送機膠帶輸送機由電動滾筒提供動力，用于連續(xù)將砂石料均勻的在各車間進行流通，由于物料與輸送帶幾乎無相對移動，不僅使運行阻力小，而且動力消耗低。本次設計的砂石加工系統(tǒng)使用的設備情況如表2.2所示：2.4電氣設計說明在本系統(tǒng)設計中，每一臺現(xiàn)場設備都配備單獨的配電柜，在配電柜內(nèi)控制回路的電氣設計如圖2.3所示，設備的主接觸器KM的線圈是由繼電器KA1控制，由圖可知，設備的啟停有三路可以控制，分別是集中控制臺，現(xiàn)場就地控制箱和遠程PLC控制柜，集中控制臺將所有設備的啟停按鈕集中在一個操作臺上，系統(tǒng)處于集控臺控制方式下時，通過啟動和停止按鈕可以直接操作，一般很少使用，因此不作為本次設計的系統(tǒng)功能要求。就地控制箱安裝在設備旁邊，當轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到現(xiàn)場控制模式下時，可以通過現(xiàn)場控制箱對設備進行操作，遠程PLC控制方式下，系統(tǒng)的啟停是通過PLC程序控制的。本系統(tǒng)設計就是針對遠程PLC控制方式進行設計的。KA2是現(xiàn)場控制柜的運行繼電器，通過它的一副常開觸點，將運行信號反饋給PLC。表2.2砂石加工系統(tǒng)設備表車間名設備名稱規(guī)格型號數(shù)量功率(mm)粗碎車間振動給料機GZT1356137鄂式破碎機ASJ-E48361160半成品料堆電磁振動給料機GZ832×1.5中碎車間除鐵器MCQ3-100L1圓錐破碎機GP300S1250第一篩分車間圓振動篩3YKR2460137細碎車間除鐵器MCQ3-100L1電磁振動給料機G2612×1.1圓錐破碎機GP11F1160超細碎車間除鐵器MCQ3-100L2電磁振動給料機G2722×1.1立軸沖擊破碎機B715022×160圖2.3控制回路電氣設計圖2.5系統(tǒng)功能砂石加工系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由中央控制室和現(xiàn)場車間控制兩部分組成，其中中央控制室用來監(jiān)視整個生產(chǎn)流程，總覽所有車間的全部信息，并完成對生產(chǎn)的統(tǒng)一控制過程，中央控制室由安裝有專業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件的工控機和控制程序運行的高性能PLC的控制柜組成?，F(xiàn)場生產(chǎn)車間完成對設備的供電、數(shù)據(jù)采集和直接控制的任務，由配電柜、現(xiàn)場控制箱和具有數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行PLC命令的分布式站點組成?？紤]砂石加工生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，布線不方便，而且即使鋪設有線電纜，也會頻繁出現(xiàn)故障，因此現(xiàn)場站點和中控室的通信需要采用無線的方式。另外，生產(chǎn)車間數(shù)量多且分布范圍廣，需要釆集的數(shù)據(jù)量大，若釆用傳統(tǒng)的電纜傳輸，則每根電纜只能傳輸一個信號，不僅工作量大而且增加成本，故各生產(chǎn)車間之間使用了Profibus-DP現(xiàn)場總線。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.3所示：圖2.3砂石加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)按照控制方式可以分為，現(xiàn)場就地控制和遠程PLC控制兩種方式，當系統(tǒng)處于現(xiàn)場就地控制方式時，設備的啟動停止等功能通過安裝在生產(chǎn)車間的現(xiàn)場控制箱直接操作，自動控制系統(tǒng)的PLC程序不起作用，僅使用上位監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視功能，查看現(xiàn)場設備的運行情況。本系統(tǒng)主要設計一套PLC自動控制，因此主要討論遠程PLC控制方式下的情況，控制系統(tǒng)采用比較流行的上位監(jiān)控系統(tǒng)和下位PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。因此自動控制系統(tǒng)的功能要求要分上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)兩個方面。2.5.1下位控制功能要求砂石加工系統(tǒng)是要完成砂石加工過程中的粗碎、細碎、超細碎、蹄分以及沖洗等工藝過程。過程中涉及設備較多，且主要設備是通過膠帶輸送機連接在一起的，因此系統(tǒng)動作時設備是相互關(guān)聯(lián)的，要按照所屬工藝階段順序動作，否則會出現(xiàn)堆料現(xiàn)象。在開機啟動時，位于工藝流程下游的設備要先于上游設備啟動，否則下游設備未準備好，上游設備率先動作，就會使砂石料堆積在膠帶輸送機上即出現(xiàn)堆料現(xiàn)象，因此需要進行逆序啟動，即從成品料堆膠帶輸送機按照逆工藝流程的順序逐一啟動至位于工藝最前端的給料機。正常停機時，位于工藝流程上游的設備要先于下游設備停止，給料機先停機以保證沒有新的石料投入到系統(tǒng)，依次停機至最下游的膠帶輸送機。在設備出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)應該有故障處理的功能，一旦設備出現(xiàn)故障，要根據(jù)設備所處位置做出相應動作，首先應當迅速停止位于故障設備上游的設備，以停止向故障設備供料，防止堆料，而后根據(jù)故障狀況，對下游設備做出調(diào)整，當故障解除后重新投入運轉(zhuǎn)。上述控制模式下，設備根據(jù)系統(tǒng)運行情況自動啟停，稱之為自動聯(lián)鎖保護控制模式，在有些特殊情況，還要求系統(tǒng)能夠不考慮其他設備情況，而是由操作人員通過上位軟件直接對單臺設備進行啟停，稱之為手動控制模式。綜上所述，砂石加工自動控制系統(tǒng)功能分為自動聯(lián)鎖保護控制、手動控制兩種模式，總結(jié)如下:(1)自動聯(lián)鎖保護控制系統(tǒng)在自動控制方式下，按照生產(chǎn)工藝的要求，在PLC程序的控制下自動完成各設備的順序啟停，設備間要有聯(lián)鎖功能，出現(xiàn)故障時緊急停止故障區(qū)域設備，和上游供料的設備，防止堆料現(xiàn)象發(fā)生，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定有序運行。并將生產(chǎn)過程中重要的數(shù)據(jù)，以及設備的運行情況等數(shù)據(jù)實時傳送到上位監(jiān)控計算機，使操作和管理人員能夠隨時掌握現(xiàn)場的運行情況。(2)手動控制控制系統(tǒng)提供手動操作功能。在手動控制狀態(tài)下，可人工地對單個設備電機進行啟動/停止操作，控制其它執(zhí)行機構(gòu)的動作，以及必需的清潔、測試等操作。2.5.2上位監(jiān)控功能要求砂石加工系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)，同一般的工業(yè)控制系統(tǒng)要求相似，通過監(jiān)控畫面要能反映出生產(chǎn)現(xiàn)場的實時情況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過程控制的功能。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以選擇控制模式，在自動控制模式下，監(jiān)控軟件主要用于監(jiān)視設備運行情況，將設備的實時狀況反饋至監(jiān)控畫面。手動模式時，通過監(jiān)控軟件要能直接對設備進行啟停操作。2.5.3通信功能要求系統(tǒng)由上位和下位兩個部分組成，下位控制系統(tǒng)的控制站點多且分布范圍廣。因此控制系統(tǒng)的通信功能包括上位機和下位機通信，以及下位控制系統(tǒng)各分布式站點和主站的通信方式兩部分。上位機和下位機通信數(shù)據(jù)量較大，因此對通信速率和容量有要求，而對實時性要求并不高，由于通信的主體工控機和PLC控制柜都安裝在同一個控制室內(nèi)，由此使用工業(yè)以太網(wǎng)就能滿足要求。下位控制系統(tǒng)站點分布較多，因此各站點和主站點之間要使用現(xiàn)場總線的通信方式，而且現(xiàn)場生產(chǎn)車間和中央控制室之間的環(huán)境比較復雜，鋪設電纜不方便且電纜容易受到損壞，為避免這些問題，要考慮使用無線通信的方式。2.6通信網(wǎng)絡設計在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，上位機與PLC的通信是比較重要的一個環(huán)節(jié)，它牽涉到如何將工業(yè)現(xiàn)場的設備狀態(tài)和數(shù)據(jù)及時傳送到中央監(jiān)控中心，以便進行遠程控制和管理。2.6.1數(shù)據(jù)通信簡介無論計算機還是PLC，它們都是數(shù)字設備。它們之間交換的信息是由“0”和“1”表示的數(shù)字信號。通常把具有一定編碼、格式和位長的數(shù)字信號稱為數(shù)字信息。數(shù)字通信就是將數(shù)字信息通過適當?shù)膫鬏斁€路，從一臺機器傳輸?shù)搅硪慌_機器，其任務是把地理位置不同的計算機和PLC及其他數(shù)字設備連接起來，高效率地完成數(shù)據(jù)的傳輸、信息交換和通信處理三大任務。數(shù)字通信系統(tǒng)一般由傳輸設備、傳輸控制設備和傳輸協(xié)議及通信軟件等組成。2.6.2數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。1.并行通信并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進行。其特點是傳輸速度快，但由于一個并行數(shù)據(jù)有多少位二進制位，就需要多少根傳輸線，因而成本較高，不宜進行遠距離通信。計算機或PLC各種內(nèi)部總線就是以并行方式傳送數(shù)據(jù)的。2.串行通信串行通信是把構(gòu)成數(shù)據(jù)的各個二進制位依次在一個信道上進行傳輸?shù)姆绞?，即?shù)據(jù)是一位一位順序傳送的，只用很少幾根通信線。串行傳送的速度低，但傳送的距離可以很長，因此串行通信適用于長距離而速度要求不高的場合。在PLC網(wǎng)絡中傳送數(shù)據(jù)大多數(shù)采用串行方式。從通信雙方信息的交互方式看，串行通信可有三種：l.單工通信只有一個方向的信息傳送而沒有反方向的交互。2.半雙工通信數(shù)據(jù)流可以在兩個方向上流動，但同一時刻只限于一個方向流動。3.雙工通信通信雙方能夠同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。PLC網(wǎng)絡中一般采用半雙工或全雙工通信方式。2.6.3數(shù)據(jù)傳輸形式通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸形式基本可分為兩種:基帶傳輸和頻帶傳輸。1.基帶傳輸是按照數(shù)字信號原有的波形在信道上傳輸，它要求信道具有較寬的通頻帶。PLC網(wǎng)絡中大多采用基帶傳輸，即對二進制數(shù)字信號不進行任何調(diào)制，按原有的脈沖形式直接傳輸2.頻帶傳輸是一種采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)的傳輸形式。在發(fā)送端，通過調(diào)制把數(shù)字信號變換成一定頻帶范圍的模擬信號，以適應在模擬信道上傳輸；在接收端，通過解調(diào)手段進行相反變換，把模擬的調(diào)制信號復原為數(shù)字信號。2.6.4通訊網(wǎng)絡設置工業(yè)通訊可根據(jù)要求使用不同的通訊網(wǎng)絡。其級別一般可分如下幾級：1.管理級在管理級，處理影響整個操作的任務，它包括歸檔，處理，求和過程與消息的匯報。也可以從多個站點收集和處理操作數(shù)據(jù)一從管理級也可以訪問其他站點。在這種網(wǎng)絡中的站數(shù)可以超過1000。對于管理級，以太網(wǎng)是主要的網(wǎng)絡類型，為了連接更遠的距離，在絕大多數(shù)情況下使用TCP/IP協(xié)議。2.單元級在單元級，處理自動化任務。在該級別，PLC，操作和監(jiān)控設備以及PC彼此連接。根據(jù)性能要求，主要的網(wǎng)絡類型是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線。3.現(xiàn)場級現(xiàn)場級是PLC和設備之間的連接鏈路。在現(xiàn)場級使用的設備提供過程值和消息等，并且也向設備轉(zhuǎn)發(fā)命令。在大多數(shù)情況下，在現(xiàn)場級傳送的數(shù)據(jù)量較小。在設備層使用西門子ProfiBus-DP現(xiàn)場總線，現(xiàn)場控制站點和中控室站點采用無線通信的方式進行連接。主控制器采用西門子S7-300系列帶有以太網(wǎng)接口的PLC模塊CPU315-2PN/DP，從站使用ET200M系統(tǒng)。PROFIBUS–DP的DP即DecentralizedPeriphery。它具有高速低成本，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現(xiàn)場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應用。Porfibus支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)．診斷和報警處理。傳輸技術(shù)：RS－485雙絞線．雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s?？偩€存?。焊髦髡鹃g令牌傳遞，主站與從站間為主－從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)?？偩€上最多站點（主－從設備）數(shù)為126。Profibus的理論地址范圍：0~127（127為廣播地址）。最多可用32個主站，總的站數(shù)可達127個（多主）。通信：點對點（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主－從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主－主數(shù)據(jù)傳送。同步：控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶有數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的動態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢查。強大的診斷功能，三級診斷診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過部線對DP主站（DPM1）進行配置，每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為244字節(jié)。設備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進行編程、組態(tài)、診斷的設備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程控制器，如PLC、PC等。DP從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動器、閥門等；同時也可以是智能從站，即從站支持可編程，一般智能從站即另外一個PLC主機。PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個站點。每個PROFIBUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設備：①一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央控制器，它在預定的周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。②二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器．組態(tài)設備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。③DP從站：DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備（I/O設備．驅(qū)動器．HMI．閥門等）。④單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運行階段，只有一個活動主站。⑤多主站系統(tǒng)：總線上連有多個主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨立的子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)包括一個DPMI．指定的若干從站及可能的DPM2設備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數(shù)據(jù)。由于砂石加工廠位于水電站大壩下，環(huán)境復雜，布線困難，因此中控室和各車間之間采用無線通信，使用西門子無線接入點模塊SCALANCEW788-1RR和IWLAN/PBLINKPNIO。SCALANCEW788-xPRO/RR配有一個以太網(wǎng)端口以及一個或兩個無線LAN端口。該設備適合以下應用：●SCALANCEW788-xPRO/RR在其傳輸范圍內(nèi)將數(shù)據(jù)由一個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到另一個節(jié)點時不需要連接到有線以太網(wǎng)?！馭CALANCEW788-xPRO/RR可用作從有線網(wǎng)絡到無線網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)?！馭CALANCEW788-xPRO/RR可用作兩個網(wǎng)絡之間的無線網(wǎng)橋?！馭CALANCEW788-xPRO/RR也可用作兩個不同頻段之間的網(wǎng)橋。本文采用其第一個應用。IWLAN/PBLinkPNIO是一個獨立組件，能夠提供工業(yè)無線局域網(wǎng)和PROFIBUS之間的無縫連接。將IWLAN/PBLinkPNIO作為代理服務器使用，可以更大程度地使用現(xiàn)有PROFIBUS設備，并使其成為PROFINET應用的一部分。IWLAN/PBLinkPNIO能夠用于無線應用的WLAN天線的IWLAN，可實現(xiàn)單無接點數(shù)據(jù)傳輸。

第三章硬件設計3.1

PLC概述3.1.1PLC技術(shù)的概念

PLC即可編程控制器（Programmable

logic

Controller），是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。3.1.2

PLC技術(shù)的發(fā)展歷史

1968年美國通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求。1969年，美國數(shù)字設備公司研制出了第一臺可編程控制器，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。3.1.3

PLC的發(fā)展趨勢

1、功能向增強化和專業(yè)化的方向發(fā)展，針對不同行業(yè)的應用特點，開發(fā)出專業(yè)化的PLC產(chǎn)品。以此來提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的易用性和專業(yè)化水平。

2、規(guī)模向小型化和大型化的方向發(fā)展，小型化是指提高系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強；大型化是指應用在工業(yè)過程控制領(lǐng)域較大的應用市場，應用的規(guī)模從幾十點擴展到上千點，應用功能從單一的邏輯運算擴展幾乎能滿足所有的用戶要求。

3、系統(tǒng)向標準化和開放化方向發(fā)展，以個人計算機為基礎(chǔ)，在windows平臺上開發(fā)符合全新一體化開放體系結(jié)構(gòu)的PLC。通過提供標準化和開放化的接口，可以很方便地將PLC接入其它系統(tǒng)。3.2

PLC的功能特點

3.2.1

PLC的功能

隨著自動化技術(shù)、計算機技術(shù)及網(wǎng)絡通信技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC的功能日益增多。它不僅能實現(xiàn)單機控制，而且能實現(xiàn)多機群控制；不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還能實現(xiàn)過程控制、運動控制和數(shù)據(jù)處理等，其主要功能如下：

1、開關(guān)量邏輯控制

這是PLC的最基本的功能。PLC具有強大的邏輯運算能力，它提供了與、或、非等各種邏輯指令，可實現(xiàn)繼電器觸點的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等各種連接的開關(guān)控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。使用PLC提供的定時、計數(shù)指令，可實現(xiàn)定時、計數(shù)功能，其定時值和計數(shù)值既可由用戶在編程時設定，也可用數(shù)字撥碼開關(guān)來設定，其值可進行在線修改，操作十分靈活方便。2、模擬量控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC提供了各種智能模塊，如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、熱電阻用模擬量輸入模塊、熱電阻用模擬量輸出模塊等，通過使用這些模塊，把現(xiàn)場輸入的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送CPU處理；而CPU處理的數(shù)字結(jié)果，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設備，以完成對連續(xù)量的控制。

3、閉環(huán)過程控制

使用PLC不僅可以對模擬量進行開環(huán)控制，而且還可以進行閉環(huán)控制。配置PID控制單元或模塊，對控制過程中某一變量（如速度、溫度、電流、電壓等）進行PID控制。

4、定時、定位、計數(shù)控制

PLC具有定時控制的功能，它為用戶提供了若干個定時器，定時器的時間可以由用戶在編寫程序時設定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設定，實現(xiàn)定時或延時控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模塊、脈沖輸出模塊等智能模塊，以實現(xiàn)各種需求的定位控制。PLC具有計數(shù)控制的功能，它為用戶提供了若干個計數(shù)器或高速計數(shù)模塊。計數(shù)器的計數(shù)值可以由用戶在編寫程序時設定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設定，實現(xiàn)計數(shù)控制。

5、順序（步進）控制

在工業(yè)控制中，選用PLC實現(xiàn)順序控制，可以采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標準化語言——順序功能圖進行設計，可以用移位寄存器和順序控制指令編寫程序。6、網(wǎng)絡通信

現(xiàn)代PLC具有網(wǎng)絡通信的功能，它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現(xiàn)PLC與計算機之間的通信，從而構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。PLC通過RS232接口可與各種RS232設備進行通信。PLC還可與其它智能控制設備（如變頻器、數(shù)控裝置）實現(xiàn)通信。PLC與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，可提高交流電動機的自動化控制水平。7、數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。

這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?/p>

3.2.2

PLC的特點

1、通用性強、靈活性好、功能齊全

PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點。通過選配相應的控制模塊便可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時，由于PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，當生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設備更新時，不必改變PLC的硬件，只需改變程序，改變控制邏輯，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點數(shù)理論上無限制，因此，靈活性和擴展性都很好。2、可靠性高、抗干擾能力強

為了確保PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠的工作。在設計中強化了PLC的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網(wǎng)電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。PLC在設計、生產(chǎn)過程中除了對元器件嚴格篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動恢復等措施，有的PLC還采用了冗余技術(shù)等，進一步增強了PLC的可靠性。3、編程簡單、使用方便

PLC在基本控制方面采用梯形圖語言進行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應的，形式簡單、直觀性強，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。梯形圖、流程圖、語句表之間可以有條件的相互轉(zhuǎn)換，使用極其方便。4、模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡單、調(diào)試方便

PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，由機架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴展、維護更加方便。另外，PLC的接線十分方便，只需將輸入信號的設備（如按鈕、開關(guān)等）與PLC的輸入端子相連，將接受控制的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調(diào)試工作大部分是室內(nèi)調(diào)試，用模擬開關(guān)模擬輸入信號，其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC上相應的發(fā)光二極管，可以根據(jù)它進行測試、排錯和修改。3.3

西門子S7-300

PLC

3.3.1

S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-300

PLC是模擬式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨立的，可以通過U形總線把電源（PS）、CPU和其他模塊緊密固定在西門子S7-300的標準軌道上。每個模塊都有一個總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊，如果只用主架導軌而沒有使用擴展支架可以不選擇IM接口模塊。

S7編程軟件組態(tài)主架導軌硬件時，電源，CPU和IM分別放在導軌的1號槽、2號槽和3號槽上。一條導軌共有11個槽號：1號槽至11號槽，其中4號槽至11號槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、FM（功能模塊）和CP（通信模塊）等。

3.3.2

S7-300

CPU模塊

CPU模塊是控制系統(tǒng)的核心，負責系統(tǒng)的中央控制責任，存儲并執(zhí)行程序，實現(xiàn)通信功能，為U形總線提高5V電源。

CPU有4種操作模式：STOP（停機），STARTUP（啟動），RUN（運行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口與其他設備通信。

S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類：

1、6種緊湊型CPU，帶有集成的功能和I/O：CPU

312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。

2、革新的標準型CPU：CPU

312、314和315-2DP。

3、5種標準的CPU：CPU

313、314、315、315-2DP和316-2DP。

4、戶外型CPU：CPU

312

IFM、314

IFM、314戶外型和315-2DP。

5、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU

318-2DP。

6、主從接口安全型CPU：CPU

315F-2DP。3.3.3

S7-300的模擬量輸入模塊

在生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強電量，例如發(fā)電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換成標準的量程的直流電流和直流電壓信號，例如DC1~5V和DC4~20mA。

模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般都是模擬量變送器輸出的標準量程的直流電壓，直流電流信號。

模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對應的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進制補碼來表示最高位為符號位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分數(shù)表示的模擬量之間的對應關(guān)系為：雙極性模擬量量程的上下限(100%和-100%)分別對應模擬值27648和-27648。單極性模擬量量程的上下限(100%和0%)分別對應于模擬值27648和0。

3.4

S7-300編程語言

IEC61131是PLC的國際標準，IEC61131-3廣泛地應用PLC、DCS和工控機、“軟件PLC”、數(shù)控系統(tǒng)、RTU等產(chǎn)品。定義了5種編程語言1)指令表IL(Instructionlist)：西門子稱為語句表STL。2)結(jié)構(gòu)文本ST(Structuredtext)：西門子稱為結(jié)構(gòu)化控制語言（SCL）。3)梯形圖LD(Ladderdiagram)：西門子簡稱為LAD。4)功能塊圖FBD(Functionblockdiagram)。5)順序功能圖SFC(Sequentialfunctionchart)：對應于西門子的S7Graph。STEP7中的編程語言：梯形圖、語句表和功能塊圖是3種基本編程語言，可以相互轉(zhuǎn)換。1．順序功能圖(SFC)：STEP7中的S7Graph。 2．梯形圖(LAD)：直觀易懂，適合于數(shù)字量邏輯控制。“能流”(Powerflow)與程序執(zhí)行的方向。3．語句表(STL)：功能比梯形圖或功能塊圖強。4．功能塊圖(FBD)：“LOGO！”系列微型PLC使用功能塊圖編程。5．結(jié)構(gòu)文本(ST)：STEP7的S7SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）符合EN61131-3標準。SCL適合于復雜的公式計算、復雜的計算任務和最優(yōu)化算法，或管理大量的數(shù)據(jù)等。6．S7HiGraph編程語言：圖形編程語言S7HiGraph屬于可選軟件包，它用狀態(tài)圖（stategraphs）來描述異步、非順序過程的編程語言。7．S7CFC編程語言：可選軟件包CFC（ContinuousFunctionChart，連續(xù)功能圖）用圖形方式連接程序庫中以塊的形式提供的各種功能。在STEP7編程軟件中，如果程序塊沒有錯誤，并且被正確地劃分為網(wǎng)絡，在梯形圖、功能塊圖和語句表之間可以轉(zhuǎn)換。如果部分網(wǎng)絡不能轉(zhuǎn)換，則用語句表表示。語句表可供喜歡用匯編語言編程的用戶使用。語句表的輸入快，可以在每條語句后面加上注釋。設計高級應用程序時建議使用語句表。梯形圖適合于熟悉繼電器電路的人員使用。設計復雜的觸點電路時最好用梯形圖。功能塊圖適合于熟悉數(shù)字電路的人使用。3.5砂石加工系統(tǒng)粗碎車間PLC配置在生產(chǎn)過程中，大功率設備帶來的振動、噪音及砂石破碎帶來的粉塵均較難避免，導致現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣?？删幊炭刂破鱌LC由于具有性能穩(wěn)定可靠、使用方便靈活、尤其適用于惡劣環(huán)境的特點，在砂石生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應用。根據(jù)所需產(chǎn)品不同，由不同的生產(chǎn)設備組合成不同的工序。為防止重載啟動，工序內(nèi)的設備均按由出料到進料的順序依次延時啟動。同理，停車時為防止設備堆料，設備均按由進料到出料的順序依次延時停車，排空物料。生產(chǎn)線采用遠程手動、自動和現(xiàn)場手動三種控制方式。根據(jù)工藝要求及控制點的數(shù)量，以及水電站砂石廠構(gòu)建分布式砂石加工系統(tǒng)的需求，粗碎車間生產(chǎn)控制PLC選用西門子S7-300PLC系統(tǒng)。粗碎車間S7-300PLC的硬件模塊配置如表3-1所示。粗碎車間的PLC控制系統(tǒng)硬件模塊安裝在單機架上如圖3-1所示。表3-1粗碎車間PLC配置類型名稱數(shù)量參考單價電源模塊PS3072A1CPU模塊315-2DP1接口模塊IM15311050元數(shù)字量輸入模塊SM321DI3214200元數(shù)字量輸出模塊SM322DO2422600元模擬量輸出模塊SM331AI412650元圖3-1粗碎車間PLC機架示意圖根據(jù)控制要求I/O點的分配如表3-2所示?？偣灿休斎朦c22點，輸出點33點。系統(tǒng)控制面板如圖3-2所示。

表3-2I/O分配表輸入地址功能輸出地址功能I0.0啟動Q0.0啟動燈I0.1停止Q0.11號工序啟動燈I0.2自動Q0.22號工序啟動燈I0.3手動Q0.33號工序啟動燈I0.41號工序啟動按鈕Q0.44號工序啟動燈I0.52號工序啟動按鈕Q0.55號工序啟動燈I0.63號工序啟動按鈕Q0.66號工序啟動燈I0.74號工序啟動按鈕Q0.77號工序啟動燈I1.05號工序啟動按鈕Q1.08號工序啟動燈I1.16號工序啟動按鈕Q1.1自動燈I1.27號工序啟動按鈕Q1.2手動燈I1.38號工序啟動按鈕Q1.33號皮帶機I1.41號工序停止按鈕Q1.4除塵器I1.52號工序停止按鈕Q1.52號皮帶機I1.63號工序停止按鈕Q1.6除塵風機I1.74號工序停止按鈕Q1.7座篩I2.05號工序停止按鈕Q2.01號皮帶機I2.16號工序停止按鈕Q2.1強力反擊破碎機I2.27號工序停止按鈕Q2.2喂料機I2.38號工序停止按鈕Q2.38號皮帶機Q2.49號皮帶機Q2.510號皮帶機Q2.611號皮帶機Q2.7選粉機Q3.0選粉機風機Q3.1振動篩Q3.27號皮帶機Q3.34號皮帶機Q3.46號皮帶機Q3.55號皮帶機Q3.6反擊破碎機Q3.7立式破碎機Q4.012號皮帶機圖3.2操作面板布置圖控制面板可實現(xiàn)如下操作：整個操作系統(tǒng)電源通斷及顯示；設備運行及故障指示，面板模擬流程各個設備圖案上設紅色及綠色的LED指示燈；遠程手動、自動和現(xiàn)場手動三種控制方式的轉(zhuǎn)換，選擇其中一種方式時，另外兩種方式無效；自動啟動、停車；遠程手動啟動和停車，面板模擬流程各個設備圖案上設遠程手動按鈕；8個自動運行工序的啟停及工序運行指示面板設8個帶燈工序按鈕；

第四章軟件設計4.1生產(chǎn)工藝流程砂石骨料生產(chǎn)線是通過破碎、篩分及傳送設備按照一定的時序運轉(zhuǎn)來處理砂石骨料的，主要任務是為混凝土的生產(chǎn)提供不同規(guī)格的石料、石粉等。其主要生產(chǎn)設備有振動喂料機、強力反擊破碎機、振動篩、座篩、小反擊破碎機、立式破碎機、選粉機（風機）、靜電除塵器（風機）和1#~12#皮帶機。通常主要產(chǎn)品有砂、5~20mm小石、20~40mm中石和40~80mm大石。根據(jù)所需產(chǎn)品不同，由不同的生產(chǎn)設備組合成不同的工序。為防止重載啟動，工序內(nèi)的設備均按由出料到進料的順序依次延時啟動。同理，停車時為防止設備堆料，設備均按由進料到出料的順序依次延時停段工序，順向啟動延時車，排空物料。本生產(chǎn)線共分8段工序，順序啟動延時15s，反向停車延時25s。工序1：向調(diào)節(jié)料倉供<80mm的混合料。選用設備是：3#皮帶機、除塵器→2#皮帶機、涂塵風機→座篩→1#皮帶機→強力反擊破碎機→喂料機。工序2：生產(chǎn)砂、5-20mm小石、20-40mm中石和40-80mm大石。選用的設備是：8#、9#、10#、11#皮帶機、除塵器→選粉機、除塵風機→選粉機風機→7#皮帶機→振動篩→工序3：生產(chǎn)砂、5-20mm小石和20-40mm中石，其余骨料返回。其選用的設備是：9#、10#、11#皮帶機、除塵器→選粉機、除塵風機→選粉機風機→7#皮帶機→6#皮帶機→5#皮帶機→反擊破碎機→振動篩→4#皮帶機工序4：生產(chǎn)砂和5-20mm小石，其余骨料返回。選用的設備是：10#、11#皮帶機、涂塵器→選粉機、涂塵風機→選粉機風機→7#皮帶機→6#皮帶機→5#皮帶機→反擊破碎機→振動篩→4#皮帶機→工序5：生產(chǎn)砂和40-80mm大石，其余骨料返回。選用的設備是：8#、11#皮帶機、涂塵器→選粉機、除塵風機→選粉機風機→7#皮帶機→6#皮帶機→5#皮帶機→振動篩→4#皮帶機→工序6：生產(chǎn)砂和20-40mm中石，其余骨料返回。選用的設備是：9#、11#皮帶機、涂塵器→選粉機、除塵風機→選粉機風機→7#皮帶機→6#皮帶機→5#皮帶機→反擊破碎機→振動篩→4#皮帶機→工序7：生產(chǎn)砂，其余骨料返回。選用的設備是：11#皮帶機、除塵器~選粉機、除塵風機→選粉機風→7#皮帶機→6#皮帶機→5#皮帶機→反擊破碎機→振動篩→4#皮帶機→立式破碎機。工序8：生產(chǎn)混合料。選用的設備是：12#皮帶機、除塵器→4#皮帶機、除塵風機。4.2PLC程序設計4.2.1STEP7編程軟件STEP7編程軟件是西門子公司為S7-400和S7-300系列PLC設計的簡潔、方便、易用的編程軟件。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)配置、通信