畢業(yè)設(shè)計（論文）_PLC奶罐攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計

1、內(nèi)容摘要在這個追求效率最大化的社會中，提高生產(chǎn)線自動化程度、增強生產(chǎn)效率、優(yōu)化控制手段、豐富控制層次，都已成為了工業(yè)生產(chǎn)中大力推動成產(chǎn)效率的不二選擇。就牛奶生產(chǎn)的攪拌工藝來說，若依靠人工操作來實現(xiàn)牛奶的均勻攪拌、添加劑的比例給定及實時溫度的調(diào)控，則所生產(chǎn)出來的牛奶不僅質(zhì)量難以達(dá)標(biāo)，而且浪費了人力物力資源，嚴(yán)重的影響了生產(chǎn)效率。就此，我基于國內(nèi)某知名牛奶制造公司的奶罐攪拌方式，通過對plc以及變頻器的研究控制、程序軟件的學(xué)習(xí)研究，對此項課題進(jìn)入深入的分析研究.首先，作為工業(yè)控制計算機(jī)，PLC執(zhí)行各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。而變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和

2、幅度的方式來控制交流電動機(jī)的電力傳動元件?？梢哉f隨著PLC與變頻器的不斷發(fā)展，其對奶罐攪拌工藝效率的提高有著重要的意義。目前市面上的牛奶主要是巴氏殺菌奶，即將采集來的鮮牛奶經(jīng)過巴氏殺菌之后，加入兩種必要添加劑攪拌之后，進(jìn)入灌裝生產(chǎn)線進(jìn)行包裝出售。本次設(shè)計就是針對巴氏消毒后的工藝而進(jìn)行的，在巴氏消毒結(jié)束后，需要向牛奶中添加兩種必要的添加劑，并進(jìn)行攪拌，內(nèi)容包括攪拌控制（由于工藝要求，包括變頻和工頻），攪拌過程中溫度，液位，電機(jī)轉(zhuǎn)速等現(xiàn)場參數(shù)的監(jiān)控等等，本次設(shè)計由控制站和操作站兩部分組成，控制站使用了西門子公司STEP 7編程軟件，操作站則使用的是WINCC軟件。通過西門子S7-300系列PLC來

3、實現(xiàn)。此外，還運用了西門子公司的MR440系列變頻器對攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以及熱電阻，液位傳感器等現(xiàn)場信號采集設(shè)備。其中還包括對現(xiàn)場采集來的信號參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化過程等。最后，通過此次設(shè)計，努力做到了將生產(chǎn)線最大的自動化，監(jiān)控的系統(tǒng)化，實現(xiàn)攪拌過程由工頻到變頻自動操作，豐富操控層次，實現(xiàn)現(xiàn)場操控和遠(yuǎn)程調(diào)控相結(jié)合，提高牛奶的生產(chǎn)效率，也為牛奶產(chǎn)品的質(zhì)量提供了強有力的保障！關(guān)鍵詞：S7300； 變頻器； WinCC； 牛奶攪拌AbstractIn this quest to maximize the efficiency of society, the degree of automation

4、 increase production, improving production efficiency, optimize the control means, rich control hierarchy, have become industrial production into the production efficiency in Dali to promote the best choice. Mixing process of milk production, if the milk to rely on manual operation to achieve unifor

5、m mixing, additives, and the proportion of a given real-time temperature control, it would have produced not only the quality of milk is difficult to compliance, but also a waste of human and material resources, serious of the production efficiency. In this connection, I must with a renowned manufac

6、turer of the milk cans milk stirring method, through the plc and the Inverter control software for study and research on this subject into the in-depth analysis. First of all, as an industrial control computer, PLC control algorithm to the preparation of various procedures to complete the closed-loo

7、p control. PID closed-loop control system adjustment is generally a lot about the adjustment method used. Large PLC had PID module, now many small PLC also has the function module. PID treatment is generally running a dedicated PID routine. Process control in metallurgy, heat treatment, boiler contr

8、ol and other occasions have a very wide range of applications. Application of variable frequency converter is Frequency technology and microelectronic technology, electrical work by changing the frequency and amplitude of the power to control AC motors of electric drive components. Is the use of pow

9、er semiconductor devices will be off the role of power frequency electrical energy is transformed into another frequency control devices. Currently the market is mainly milk pasteurized milk, fresh milk to be collected after pasteurization before joining the two kinds of additive mixing is necessary

10、 after the filling line for packaging into the sale. This design is for the pasteurization process carried out after, after the pasteurization, the milk need to add two kinds of necessary additives, and for mixing, including mixing control (due process requirements, including the frequency and the w

11、ork frequency), mixing of the temperature, liquid level, motor speed and so on and so on-site monitoring of parameters, this design by the host computer and slave of two parts, lower machine to use the Siemens STEP 7 programming software, the PC is used Configuration software is made. Through the Si

12、emens S7-300 series PLC to achieve. In addition, the use of the Siemens MR440 series inverter on the stirring speed motor control and regulation, and thermal resistance, liquid level sensors, data acquisition equipment on site. It also includes on-site collection to the signal parameters such as the

13、 standardization process. Finally, the design of the production line to be the largest automated, systematic monitoring, the mixing process to the frequency band from the industrial automation, control levels of wealth, to achieve site control Heyuan Cheng control, and to improve the efficiency of m

14、ilk production, but also the quality of milk products provides a powerful guarantee! Key words: S7-300 PLC； Inverter； WINCC； Stir milk目 錄一、緒論1二、奶罐攪拌控制系統(tǒng)22可編程控制器介紹4 PLC的特點42.2.2 PLC的應(yīng)用562.3.1 STEP7軟件62.3.2 WinCC軟件8三、控制層系統(tǒng)設(shè)計93.1 硬件部分93.1.1 plc模塊選型9123.2 軟件部分143.2.1 STEP 7程序1420四、操作層系統(tǒng)設(shè)計234.1 WinCC的使用與

15、圖形的建立23254.3 報警記錄264.4 歷史趨勢畫面274.5 報表畫面29結(jié)論31附錄一 電氣控制圖32附錄二 STEP程序及說明33致謝36一、緒論奶中的蛋白質(zhì)主要是酪蛋白、白蛋白、球蛋白、乳蛋白等，所含的20多種氨基酸中有人體必須的8種氨基酸，奶蛋白質(zhì)是全價的蛋白質(zhì)，它的消化率高達(dá)98%。乳脂肪是高質(zhì)量的脂肪，品質(zhì)最好，它的消化率在95%以上，而且含有大量的脂溶性維生素。奶中的乳糖是半乳糖和乳糖，是最容易消化吸收的糖類。奶中的礦物質(zhì)和微量元素都是溶解狀態(tài)，而且各種礦物質(zhì)的含量比例，特別是鈣、磷的比例比較合適，很容易消化吸收。其實，早在我國"學(xué)生飲用奶計劃"提出之

16、前，把牛奶作為提高民族身體素質(zhì)之法寶的國家和民族便已有許多。當(dāng)前，一個全球性的"學(xué)童奶計劃"正在世界范圍內(nèi)展開。英國前首相丘吉爾在談到二戰(zhàn)后歐洲重建問題時曾說過"沒有什么投資比得上向兒童提供牛奶更重要！"。日本人在二戰(zhàn)后更是提出了"一杯奶強壯一個民族"的口號，使得戰(zhàn)后一代人的身體素質(zhì)有了明顯的改善。歷史上美國居民也通過"三杯奶"運動，解決了鈣營養(yǎng)的問題。乳制品已成為西方人的當(dāng)家食品。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民生活水平的提高，牛奶在我們的日常生活中扮演著越來越重要的角色，不論是老人還是孩子，不論是學(xué)生還是上班族，都離不

17、開牛奶的陪伴，在超市中，形形色色的牛奶制品讓人目不暇接，也帶動了我國的牛奶加工行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了牛奶加工技術(shù)的提高！這對于進(jìn)一步改善國民生活質(zhì)量，提高國民身體素質(zhì)，發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)的影響！因此，牛奶生產(chǎn)的安全性高效性就顯得尤為重要，近年來隨著PLC以及變頻器的發(fā)展，給牛奶既高效又安全的生產(chǎn)提供了一種可能！二、奶罐攪拌控制系統(tǒng)2.1奶罐攪拌工藝及系統(tǒng)控制要求 在鮮奶加工過程中，當(dāng)鮮奶被收集之后需要立即進(jìn)行低溫儲存，然后進(jìn)入殺菌車間進(jìn)行巴氏殺菌，使牛奶在73-76攝氏度之間停留4秒鐘，殺菌之后需要加入添加劑進(jìn)行攪拌，本次設(shè)計的重點也在于此，當(dāng)殺菌后的牛奶進(jìn)入攪拌罐體A中之后，開始向A中注入一定

18、量的的添加劑A開始攪拌，攪拌時間根據(jù)工藝要求而定，在A中攪拌均勻后，牛奶轉(zhuǎn)入攪拌罐體B中，添加第二種添加劑B，同樣進(jìn)行攪拌，攪拌完全之后的牛奶進(jìn)入灌裝線進(jìn)行灌裝。再攪拌過程中，需要實時監(jiān)測攪拌罐體的溫度，流量，液位，罐體狀態(tài)，以及攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這些都需要各種傳感器來實現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速要求在攪拌過程中可控，需要加入變頻器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，是工頻和變頻可調(diào)，本地控制和遠(yuǎn)程控制可以隨意轉(zhuǎn)換！同時罐體的溫度，液位，流量，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速等現(xiàn)場信息都需要及時反饋到控制畫面中。過程見圖1-1 ： 圖1-1 牛奶生產(chǎn)示意圖罐體的溫度，液位，流量，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速等現(xiàn)場信息都需要及時反饋到控制畫面中。綜上所述，奶罐攪

19、拌系統(tǒng)的監(jiān)控要求如下：一、控制站方面1、就地控制：通過plc以及變頻器可以即時的自動控制調(diào)節(jié)溫度、液位、轉(zhuǎn)速、流量四個變量2、遠(yuǎn)程控制： 通過plc及線路的選擇將現(xiàn)場的操作與遠(yuǎn)程工控機(jī)相連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的隨時調(diào)控二、操作站方面 ：1、要在現(xiàn)場與plc鏈接的電腦中顯示出兩種添加劑防腐劑和穩(wěn)定劑的流量 2、要在電腦中顯示出從處理預(yù)備罐進(jìn)入到攪拌罐時牛奶的流量值 3、要在電腦中顯示出攪拌罐的溫度情況4、要在電腦中顯示出連接攪拌器的電機(jī)的轉(zhuǎn)速5、要在電腦中顯示顯示出報警畫面還要有報警相應(yīng) 6、要在電腦中顯示歷史趨勢7、可以隨時的生成報表，包括產(chǎn)量流量的累積整個控制系統(tǒng)示意圖1-2：圖1-2 奶罐攪拌的P

20、LC控制系統(tǒng)示意圖2.2可編程控制器簡介可編程序控制器，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)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(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)

21、形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計?！?2 可靠性高、抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造,內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù),具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC帶有硬件故障自我檢測功能,出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中,應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序

22、,使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。 配套齊全、功能完善、適用性強 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制，溫度控制等各種工業(yè)控制中，加上PLC通信能力的增強及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它的接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式

23、和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路，不懂計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 系統(tǒng)的設(shè)計工作量小、維護(hù)方便、容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種，小批量的生產(chǎn)場合。 體積小、重量輕、能耗低以超小型PLC為例 ，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。

24、2 PLC的應(yīng)用目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。 開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本，最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制，順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控制及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)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。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的

25、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。例如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。 過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊

26、。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)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?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

27、得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.3軟件介紹2.3.1 STEP7軟件S7-300 PLC的編程語言是STEP 7。它繼承了STEP 5語言結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的優(yōu)點，是專門為S7系列PLC而設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)編程軟件。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，當(dāng)PLC完成的控制任務(wù)比較復(fù)雜時，用戶的編程工作量及控制程序就較大。如何把程序的各部分清晰的組織起來，即選擇適合控制任務(wù)要求的程序結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。因此，在本次系統(tǒng)設(shè)計中，使用STEPT 7編程時，一般采用的是分部編程方式。通常情況下，用戶程序包括組織塊（OB）、功能塊（FB,FC）和數(shù)據(jù)塊

28、（DB）等三種類型的邏輯塊，這也是STEP7編程中不可缺少的組成部分。 組織塊（OB） 組織塊是操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，它可以由操作系統(tǒng)調(diào)用，用來控制循環(huán)執(zhí)行或中斷執(zhí)行及PLC啟動方式。常用的組織塊大致有：OB1，OB35，OB40，B100等。OB100是啟動特性組織塊，CPU每次開始運行時，先運行的都是OB100。OB1是主程序循環(huán)塊，它由操作系統(tǒng)不斷循環(huán)調(diào)用，在編程時是必不可少的。OB35、OB40則分別為循環(huán)中斷組織塊和硬件中斷組織塊，主要用來響應(yīng)來自PLC不同模塊所發(fā)出的中斷請求信號。 數(shù)據(jù)塊（DB） 數(shù)據(jù)塊主要是用來存放用戶應(yīng)用程序中使用的變量數(shù)據(jù)，它也是實現(xiàn)

29、各邏輯塊之間交換、傳遞和共享數(shù)據(jù)的重要途徑。因此在編程階段，必須先定義數(shù)據(jù)塊，然后再使用，否則將會造成系統(tǒng)錯誤。數(shù)據(jù)塊定義完成后，里面的變量順序及類型，決定了數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，變量的數(shù)量也決定了數(shù)據(jù)塊的大小。同時在使用數(shù)據(jù)塊之前，還必須將其作為用戶程序的一部分下載到CPU中。另外，當(dāng)需要使用指定的數(shù)據(jù)塊，只要通過專門的指令便可以直接訪問到相應(yīng)的模塊。 功能塊(FB、FC)功能塊主要由兩部分組成：一部分是每個變量的變量聲明表，聲明表主要用來聲明此塊的局部數(shù)據(jù)，即參數(shù)和局部變量兩大類；另一部分是邏輯指令組成的程序，這些程序也要用到變量聲明表中所給出的局部數(shù)據(jù)。對功能塊編程分兩步進(jìn)行：即定義局部變量

30、和編寫要執(zhí)行的程序。同時一般調(diào)用功能塊FB時，要說明其背景數(shù)據(jù)塊。在增量方式下調(diào)用FB塊時，STEP7會自動提醒并生成背景數(shù)據(jù)塊。此時也為背景數(shù)據(jù)塊設(shè)置了初始值，它與變量聲明表中的值是相同的。另外，采用結(jié)構(gòu)化編程方式時，要求用戶程序提供一些通用的指令塊，以便控制一類相似或相同的部件，同時給通用指令塊提供的參數(shù)來進(jìn)一步說明各部件的控制差異。這樣，結(jié)構(gòu)化的程序就能反復(fù)的調(diào)用這些通用指令塊，而且結(jié)構(gòu)化的程序還具有結(jié)構(gòu)層次清晰，部分程序通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，易于修改、簡化程序的調(diào)試等優(yōu)點。因此，它比較適合于本系統(tǒng)的控制任務(wù)。2.3.2 WinCC軟件WinCC是一個在Microsoft Windows 20

31、00和Windows XP下使用的強大的HMI系統(tǒng)。HMI代表“Human Machine Interface(人機(jī)界面)”，即人(操作員)和機(jī)器(過程)之間的界面。自動化過程(AS)保持對過程的實際控制。一方面影響WINCC和操作員之間的通訊，另一方面影響WINCC和自動化系統(tǒng)之間的通訊。WINCC用于實現(xiàn)過程的可視化，并為操作員開發(fā)圖形用戶界面。WinCC允許操作員對過程進(jìn)行觀察。過程以圖形化的方式顯示在屏幕上。每次過程中的狀態(tài)發(fā)生改變，都會更新顯示。WinCC允許操作員控制過程。例如，操作員可以從圖形用戶界面預(yù)先定義設(shè)定值或打開閥門等。一旦出現(xiàn)臨界過程狀態(tài)，將自動發(fā)出報警信號。例如，如果

32、超出了預(yù)定義的限制值，屏幕上將顯示一條消息。在使用WINCC進(jìn)行工作時，既可以打印過程值，也可以對過程值進(jìn)行電子歸檔。這使得過程的文檔編制更加容易，并允許以后訪問過去的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。WINCC的特征：可以將WINCC最優(yōu)地集成到用戶的自動化和IT解決方案中：作為Siemens TIA理念(全集成自動化)的一部分，WINCC可與屬于SIMATIC產(chǎn)品家族的自動化系統(tǒng)非常協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。同時，也支持其它廠商的自動化系統(tǒng)。通過標(biāo)準(zhǔn)化接口，WINCC可與其它IT解決方案交換數(shù)據(jù)，例如MES和ERP層的應(yīng)用程序(例如SAP系統(tǒng))或諸如Microsoft Excel等程序。開放的WINCC編程接口允許用戶連接

33、自己的程序，從而能夠控制過程和過程數(shù)據(jù)。可以優(yōu)化定制WINCC，以滿足過程的需要。支持大范圍的組態(tài)可能性，從單用戶系統(tǒng)和客戶機(jī)-服務(wù)器系統(tǒng)一直到具有多臺服務(wù)器的冗余分布式系統(tǒng)。WINCC組態(tài)可隨時修改，即使組態(tài)完成以后也可修改。這不妨礙已存在的項目。WINCC是一種與Internet兼容的HMI系統(tǒng)，這種系統(tǒng)容易實現(xiàn)基于Web的客戶機(jī)解決方案以及瘦客戶機(jī)解決方案。三、系統(tǒng)控制層設(shè)計3.1 硬件部分3.1.1 plc模塊選型 根據(jù)控制要求確定I/O點數(shù)分析本次設(shè)計的工藝流程及控制要求之后，總結(jié)出了本次設(shè)計所需要的I/O點數(shù)，包括液位，轉(zhuǎn)速，流量等以及攪拌電機(jī)的啟停變頻控制等，統(tǒng)計出本系統(tǒng)對PLC

34、的I/O總能力要求為：數(shù)字量輸入個，數(shù)字量輸出8個，模擬量輸入40個，模擬量輸出10個。 選擇模塊CPU 根據(jù)控制要求及歸納分析，并考慮到操作員站的要求，統(tǒng)計出本系統(tǒng)對PLC的I/O總能力要求為：數(shù)字量輸入10個，數(shù)字量輸出10個，模擬量輸入40個，模擬量輸出10個。根據(jù)I/O點數(shù)，網(wǎng)絡(luò)功能，控制要求，響應(yīng)速度，存儲器容量等綜合考慮選用了CPU314。下面驗證選型是否合理。存儲器容量（根據(jù)統(tǒng)計經(jīng)驗）計算：數(shù)字量輸入 10*10=100 字節(jié)數(shù)字量輸出 10*8=80 字節(jié)模擬量輸入/輸出 （40+10）*100=5000字節(jié)總字節(jié)數(shù)約為：5000+100+80=5.2kB 此外,還有計數(shù)器、通

35、訊接口等數(shù)據(jù)需要處理，而CPU314的存儲器（RAM）是48KB，所以選CPU314，且其具有集成式PROFIBUS-DP接口模擬量輸入模板SM331通常有8通道輸入模板和2通道輸入模板兩種不同的規(guī)格型號，除了通道數(shù)不一樣外，其工作原理、性能、參數(shù)設(shè)置等各方面都完全一致。8路模板的8個模擬量輸入通道共用一個A/D轉(zhuǎn)換部件，通過模擬切換開關(guān)，各模擬量輸入通道按順序一個接一個的轉(zhuǎn)換。某一通道從開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入起，一直持續(xù)到再次開始轉(zhuǎn)換的時間稱模擬量輸入模板的循環(huán)時間，它是模板中所有活動的模擬量輸入通道的轉(zhuǎn)換時間的總和。實際上，循環(huán)時間是對外部模擬量信號的采樣間隔。為了縮短循環(huán)時間，可使用STEP

36、 7 組態(tài)工具屏蔽掉不用的模擬量通道，使其不占用循環(huán)時間，此外，不使用的輸入還必須在硬件上短路連接。具體選擇情況如下：需要采用熱電阻測量的點共10個，選6ES7 331-7PF00-0AB0 型8X12位模板2塊，有6個通道作為預(yù)留通道。普通模擬量輸入點30個，選6ES7 331-7KF02-0AB0型8X12位模板5塊，有10個通道作為預(yù)留通道，它具有較強的通用性。模擬量輸出模板模擬量輸出模板用于SIMATIC S7-300的模擬量輸出及連接模擬量執(zhí)行器，它將從S7-300來的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為過程用的模擬量信號。模擬量輸入模板SM332主要有四通道和兩通道兩種規(guī)格，除通道數(shù)不同外，兩種模板的工作

37、原理，特性，參數(shù)基本相同。它可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時，可以采用2線制回路和4線制回路兩種接線方式與負(fù)載相連。采用4線制回路可以獲得比較高的輸出精度。此外，模擬量輸出通道的轉(zhuǎn)換時間包括內(nèi)部存儲器傳送數(shù)字量輸出值的時間和D/A轉(zhuǎn)換時間。模擬量輸出各通道的轉(zhuǎn)換是順序進(jìn)行的，模板的循環(huán)時間是所有活動的模擬量輸出通道的轉(zhuǎn)換時間的總和。模擬量輸出響應(yīng)時間是從內(nèi)部存儲器中出現(xiàn)數(shù)字量輸出開始到模擬量輸出達(dá)到規(guī)定值所用時間的總和，它和負(fù)載特性有關(guān)，負(fù)載不同響應(yīng)時間也不一樣。具體選擇情況如下：由于本次設(shè)計中要求控制的模擬量輸出點共有10點，選6ES7 332-5HD01-0AB0型4X12位模板

38、4塊，有6個通道作為預(yù)留通道，這些模塊都為通用模塊，經(jīng)濟(jì)、性能都能滿足本控制系統(tǒng)的要求數(shù)字量輸入模板數(shù)字量輸入模板的基本功能使將PLC外部現(xiàn)場送來的不同類型的數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)信號電平，同時進(jìn)行濾波、保護(hù)、隔離、和顯示等處理。S7-300的數(shù)字量輸入模板SM321有8種型號可供選擇，即直流24V、16點輸入有三種型號（其中一種為源點輸入、一種為輸入延遲時間可調(diào)）；直流24V，32點輸入；直流48120V、16點輸入；交流120V，16點和32點輸入；交流120320V、8點輸入。本系統(tǒng)采用24V電壓等級，主要是考慮到安全電壓及對防火防爆環(huán)境的適應(yīng)，且其典型輸入延遲時間相對較短（

39、1.24.8ms），適于鍋爐現(xiàn)場控制要求響應(yīng)快速的問題。具體選擇情況如下：需要測量的數(shù)字量輸入共8點，選16路6ES7 321-1BH02-0AA0型16X24V DC/0.5A模塊1個,8個預(yù)留通道。數(shù)字量輸出模板SM322數(shù)字量輸出模板的主要功能是將CPU送來的輸出信號，轉(zhuǎn)換成外部過程所需的信號電平，并直接驅(qū)動外部過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如電磁閥、接觸器、小型電動機(jī)、燈、電機(jī)啟動器等。它具有電平轉(zhuǎn)化、隔離和功率驅(qū)動等功能。需要注意的是在分配輸出點時，盡量避免同一時間、同一模板、同一公共點的各輸出點都同時輸出的情況。具體選擇情況如下：數(shù)字量的輸出點8點，選16路6ES7 322-1HH01-0AA0

40、型16X24V DC模板1個,有8個通道作為預(yù)留通道通訊處理器 CP采用CP443-1作為與帶有CP1613的操作員站之間的通訊卡，它是SIMATIC S7-300用于工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通訊處理器，而不需要進(jìn)一步組態(tài)，且有自己的微處理器，因而能減輕CPU的通訊任務(wù)和進(jìn)一步的擴(kuò)展連接?？蛇M(jìn)行ISO和TCP/IP的多重傳輸協(xié)議的操作。電源模板系統(tǒng)由下面的模塊組成:1塊中央處理單元CPU 3141塊數(shù)字量輸入模塊SM321,16X24V DC7塊模擬量輸入模塊SM331,8X12位4塊模擬量輸出模塊SM332,4X12位采用6ES7 407-0KA01-0AA0型PS407電源模板。它提供5V D

41、C/24V DC電源，輸出10A電流。3.1.2變頻器的連接 圖3-1 電動機(jī)與變頻器連接主回路如圖3-1為電動機(jī)與變頻器連接的主回路，三相交流電源與變頻器的RST三端相連接，變頻器的UVW三端則與電動機(jī)相連接，KM1為變頻狀態(tài)的開關(guān)，此回路為變頻控制回路；另外一側(cè)，三相交流電源通過KM2與電動機(jī)直接相連，次回路為電動機(jī)的工頻控制回路。 圖3-2 電氣控制電路如圖3-2，為電氣控制電路，此回路中包括工頻/變頻的選擇，變頻器故障輸出，變頻器運行指示，遠(yuǎn)程PLC控制變頻啟停，遠(yuǎn)程和就地的選擇，現(xiàn)場操作控制開關(guān)等等KA1和KM2為變頻和工頻的開關(guān)，由此選擇變頻或工頻運行狀態(tài)。中間部分則是變頻器控制電

42、路，當(dāng)變頻器運行出現(xiàn)故障時，故障指示燈會亮，當(dāng)變頻器正常運行時，變頻器的運行指示燈會亮，并且運行狀態(tài)會在上微機(jī)上顯示，還可以通過PLC上位機(jī)來操作遠(yuǎn)程和現(xiàn)場的切換，當(dāng)系統(tǒng)運行狀態(tài)為現(xiàn)場操作時，遠(yuǎn)程操作界面不可操作，直到解除現(xiàn)場操作，也就是說，二者為互鎖關(guān)系。最下面的部分則是現(xiàn)場操作的電氣控制圖，包括現(xiàn)場操作控制電動機(jī)的啟停等等，通過繼電器和接觸器來實現(xiàn)。圖3-3 變頻器與電動機(jī)接線圖本次設(shè)計采用的是西門系公司的MR440系列變頻器，75KW，如圖3-3，為變頻器的具體接線圖，三相交流電源進(jìn)入變頻器后，通過UVW三相與電動機(jī)相連接，同時下面還接有制動單元，電機(jī)電流顯示，正反轉(zhuǎn)控制，頻率調(diào)節(jié)等等，

43、而故障輸出和運行指示燈則與上面所設(shè)計的控制回路相同，實時顯示變頻器的運行狀態(tài)。并反饋給系統(tǒng)。3.2 軟件部分3.2.1 STEP 7程序選好各個模塊之后就可以在SIMATIC MANAGER上編程了。首先新建FC2功能，在以下界的空白處單擊鼠標(biāo)右鍵會出現(xiàn)選項菜單，在選項菜單中單擊“功能”這樣就建好了一個功能FC2，用同樣的方法建立FC3、FC4、DB1、DB2等等。下面就不一一說明了。在建立好的FC2中就可以變成了，根據(jù)控制的要求，設(shè)計好怎樣實現(xiàn)這些功能，在這里選用的是STL編程。 圖3-4首先在TEMP下建立好臨時變量如圖3-5所示：這用到的變量分別是TEMP0、TEMP1、TEMP2 圖3

44、-5還需要用到DB1中的數(shù)據(jù)，先編輯好DB1中的數(shù)據(jù)，打開建立好的DB1圖3-6這樣就可以編寫FC1中的程序了圖3-7圖3-8新建一個功能FC2起名為流量：在TEMP中加入變量temp0、1、2，其類型都是real型； 圖3-9在數(shù)據(jù)塊中建立變量：Liu1、liu2是real型的；接下來就可以為流量控制模塊編程了，在SIMATIC MANAGER中編程如下： 圖3-10新建一個功能FC3在它的里面編程為： 圖3-11在程序中用到了PID控制，下面的程序進(jìn)行處理；新建功能FC4；在FC4中調(diào)用FB41中斷循環(huán)功能塊，對FC4編程為； 圖3-12 圖3-13當(dāng)M88.0（故障復(fù)位1）有輸出信號的時

45、候?qū)?yīng)的Q88.0（KA6-1）有輸出，其余同樣。 圖3-14這是一個典型的啟動停止保持的程序，按啟動按鈕M80.0對應(yīng)的Q92.0有輸出同時保持，按下M82.0停止。3.2.2變頻部分程序 圖3-15 圖3-16L PIW 402 / 這是將在AI402引進(jìn)CPU進(jìn)行處理L 10 / 引入數(shù)10/R / 將它們相除T DB20.DBD 0 /L PIW404 / 引入模擬量輸入AI404進(jìn)行處理L 10 / 引入數(shù)10/R / 做除T DB1.DBD4 / L PIW406 / 引入模擬量輸入AI406進(jìn)行處理L 10 / 引入數(shù)10/R / 做除T DB1.DBD8 /L PIW408 /

46、 引入模擬量輸入AI408進(jìn)行處理L 10 / 引入數(shù)10/R / 做除T DB1.DBD12 / L PIW410 / 引入模擬量輸入AI410進(jìn)行處理L 10 / 引入數(shù)10/R / 做除T DB1.DBD16 / L PIW448 / 引入模擬量輸入AI448進(jìn)行處理L 10 / 引入數(shù)10/R / 做除T DB1.DBD20 / L PIW450 / 引入模擬量輸入AI450進(jìn)行處理L 10 / 引入數(shù)10/R / 做除T DB1.DBD24 /L DB20.DB0 / L 4.000000E+001 / 引入數(shù)40的REAL型>=R / 對這兩個數(shù)進(jìn)行比較= M20.0 / 四

47、、系統(tǒng)操作層設(shè)計4.1 WinCC的使用與圖形的建立 要啟動WinCC,首先在啟動菜單中選擇SIMATIC圖符，然后在從彈出式菜單中選擇WinCC V6 ASIA啟動。見圖4-1 圖4-1 啟動WinCC 建立一個新的WinCC項目,見圖4-2。 增加PLC驅(qū)動程序（驅(qū)動是可編程控制器和WinCC之間的接口）在左側(cè)的“樹形視圖”中右擊“標(biāo)簽管理”，并選擇“增加新的驅(qū)動器”。從對話框中選擇“”.然后按“打開”鍵，這時驅(qū)動器就會位于“標(biāo)簽管理”的下面。 圖4-2 WinCC資源管理器圖形編輯器是用于創(chuàng)建過程畫面并使其動態(tài)化的編輯器。只能為WinCC項目管理器中當(dāng)前打開的項目啟動圖形編輯器。WinC

48、C項目管理器可以用來顯示當(dāng)前項目中可用畫面的總覽。WinCC圖形編輯器所編輯畫面文件的擴(kuò)展名為.PDL。圖形編輯器的畫面布局如圖4-3所示。 圖4-3 圖形編輯器這些窗口進(jìn)行基本屬性設(shè)置，如窗口名稱、窗口標(biāo)題、位置等，為了便于窗口觀察，設(shè)定窗口位置為“最大化顯示”窗口背景及窗口打開各個窗口，利用WINCC自帶的豐富的圖庫對圖形界面進(jìn)行制作。主控畫面建好后如圖4-4所示。主控畫面可以對各個點進(jìn)行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，可以查看各點報警信息、趨勢曲線等，還可以對畫面進(jìn)行在線修改。圖4-4 攪拌車間監(jiān)控畫面4.2標(biāo)簽的建立標(biāo)簽可以按組分類，或單個地列表在每個連接的下面。標(biāo)簽保存在“變量管理器”分層結(jié)

49、構(gòu)內(nèi)。 建立標(biāo)簽組點擊變量管理器，在右邊的顯示欄里雙擊“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE” 右邊的顯示欄里出現(xiàn)PROFIBUS, “右鍵”點擊PROFIBUS，出現(xiàn)一條“新建驅(qū)動連接”點擊會出現(xiàn)修改名稱為“新建連接2”，見圖4-5并點擊“確定”然后退出。圖4-5 建立標(biāo)簽組 “右鍵”點擊“新建連接2”在出現(xiàn)的對話框中修改變量名為AI并點擊“確定”然后退出，見圖4-6。以同樣的方法建立標(biāo)簽組“AO-1”、“DI”、“DO”等。 建立標(biāo)簽“右鍵”點擊“AI”在點擊新建變量，出現(xiàn)一個對話框修改名稱再修改數(shù)據(jù)類型。模擬量沒有負(fù)的選無浮點32位，模擬量有正負(fù)的選浮點32位IEEE754

50、，數(shù)字量選二進(jìn)制。再在對話框中點擊“選擇”在地址屬性對話框中修改數(shù)據(jù)、地址、DD、DB等參數(shù)，其作用是每一個被控量都有一個相應(yīng)的地址，從而使控制層傳上來的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的傳輸?shù)讲僮鲗拥南鄳?yīng)位置，這樣就是現(xiàn)了通訊的準(zhǔn)確性。視窗控制中心標(biāo)簽是訪問過程值的最重要的因素，在一個Win CC項目內(nèi)，它們被賦予唯一的名稱和數(shù)據(jù)類型，應(yīng)給每個標(biāo)簽分配邏輯連接，該連接確定了哪個通道使用哪個連接向標(biāo)簽傳送過程值。這些標(biāo)簽存儲在用于整個項目范圍的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。在視窗控制中心啟動時所有標(biāo)簽都會被裝載并建立相關(guān)的運行結(jié)構(gòu)。4.3 報警記錄 打開報警記錄編輯器 啟動報警記錄的系統(tǒng)向?qū)?報警消息和消息文本報警記錄主要負(fù)責(zé)過程值

51、的監(jiān)控、控制報警輸出、管理報警確認(rèn)。組態(tài)好的模擬量報警如圖4-7 圖4-7報警記錄4.4 歷史趨勢畫面新建一畫面，名稱為：歷史趨勢曲線。 選擇工具箱中的 工具，在畫面上輸入文字：實時趨勢曲線。 選擇工具箱中的 工具，在畫面上繪制一實時趨勢曲線窗口。 圖4-8 歷史趨勢曲線選中此控件，單擊鼠標(biāo)右鍵在彈出的下拉菜單中執(zhí)行“控件屬性”命令，彈出控件屬性對話框，歷史趨勢曲線屬性窗口分為五個屬性頁：曲線屬性頁、坐標(biāo)系屬性頁、預(yù)置打印選項屬性頁、報警區(qū)域選項屬性頁、游標(biāo)配置選項屬性頁。單擊“本站點”左側(cè)的“+”符號，系統(tǒng)將工程中所有設(shè)置了記錄屬性的變量顯示出來，選擇“原料油液位”變量后，此變量自動顯示在“

52、變量名稱”后面的編輯框中其它屬性設(shè)置如下： 繪制方式：模擬 數(shù)據(jù)來源：使用組態(tài)王數(shù)據(jù)庫 單擊“確定”按鈕后關(guān)閉此窗口在此屬性頁中您可以設(shè)置歷史曲線窗口中報警區(qū)域顯示的顏色，包括：高高限報警區(qū)的顏色、高限報警區(qū)的顏色、低限報警區(qū)的顏色和低低限報警區(qū)的顏色及各報警區(qū)顏色顯示的范圍。通過報警區(qū)顏色的設(shè)置使您對變量的報警情況一目了然。在此屬性頁中您可以設(shè)置歷史曲線窗口左右游標(biāo)在顯示數(shù)值時的顯示風(fēng)格及顯示的附加信息，附加信息的設(shè)置不僅可以在編輯框中輸入靜態(tài)信息還可使用 ODBC 從任何第三方數(shù)據(jù)庫中得到動態(tài)的附加信息。 。 單擊“確定”按鈕完成歷史曲線控件編輯工作。 單擊“文件”菜單中的“全部存”命令，

53、保存您所作的設(shè)置。 單擊“文件”菜單中的“切換到 VIEW”命令，進(jìn)入運行系統(tǒng)。系統(tǒng)默認(rèn)運行的畫面。圖4-9 4.5 報表畫面新建一畫面，名稱為：報表畫面。并按要求設(shè)置好報表的格式和屬性。 圖4-10對話框設(shè)置如下： 報表控件名：Report1 行數(shù)：15列數(shù)：10圖4-11 實時數(shù)據(jù)報表根據(jù)要求合并相應(yīng)的單元格，并且保存之后。單擊“文件”菜單中的“切換到 VIEW”命令，進(jìn)入運行系統(tǒng)。系統(tǒng)默認(rèn)運行的畫面可能不是您剛剛編輯完成的“實時數(shù)據(jù)報表畫面”，您可以通過運行界面中“畫面”菜單中的“打開”命令將其打開后方可運行。數(shù)據(jù)報表自動打印設(shè)置過程如下： 在“實時數(shù)據(jù)報表畫面”中添加一按鈕，按鈕文本為：實時數(shù)據(jù)報表自動打印。 在按鈕的