【論文】基于PLC的紡紗模擬實驗控制系統(tǒng)設(shè)計

1、*大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題 目：基于PLC的防砂模擬試驗 控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 班級學(xué)號： 指導(dǎo)教師： * 指導(dǎo)單位： * 日期：*摘 要PLC是Programmable Logical Controller 的簡稱，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、交通運輸、輕工、電力、汽車、通用機械、智能建筑等各個領(lǐng)域，是目前一種應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制器,在工業(yè)自動化中起著舉足輕重的作用。本課題研究石油開采過程中，油井機械防砂實驗系統(tǒng)基于SIMATIC S7-300 PLC的模擬控制系統(tǒng)設(shè)計。模擬控制系統(tǒng)設(shè)計要求計量泵、加砂電機、加砂攪拌以及泥漿泵等設(shè)備的啟/停以及聯(lián)動控

2、制在STEP7編程環(huán)境下的實現(xiàn)。在模擬控制系統(tǒng)設(shè)計過程中,充分考慮了實驗系統(tǒng)控制流程，設(shè)計傳感器采集信號，PLC處理信號并產(chǎn)生控制信號，控制信號輸出到變頻器調(diào)節(jié)對應(yīng)電機速度，并對信號的處理設(shè)計了合理的算法，這樣的思路在具體硬件配置組態(tài)，編程實現(xiàn)和S7-PLCSIM模擬器仿真調(diào)試中獲得了很好的效果，基本達到了實驗系統(tǒng)的實際需求。關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；石油防砂實驗系統(tǒng)；聯(lián)動控制；SIMATIC S7-300；STEP7編程軟件；S7-PLCSIM ABSTRACTThe PLC is the brief name of the Programmable Logical Controller,

3、which is widely used in the metallurgy, petroleum, chemical engineering, transportation extensively conveyance, light work, electric power, automobile, general use machine, the intelligence building etc. Its currently a kind of the most situation applied industry controller，and rises a prominent rol

4、e in industry automation area. This topic research the design of Emulation Control System for the sand-defend machine device of the oil well in the process in petroleum mines, based on the SIMATIC S7-300 PLC, which require the calculation pump, sand add electric motor, and its adding and mixing of s

5、ands, the mud pump, and some of the other equipments , of which the start and stop and the multiple control be achieved in the STEP7 environment. The design process well considered the craft control request, designed the feeling machine to collect the state signal. Then the PLC handles the signal an

6、d creates control signal output. The state control signal outputs to converter to coordinate the related electric motor and regulate its speed, and cooperated with equitable algorithm as well. The design obtain good result in the specification of hardware installation and organization, realization i

7、n program, and the simulation in S7- PLCSIM emulator.Key words: Programmable Logical Controller; the petroleum sand-defend experimental system; the multiple control; SIMATIC S7-300; STEP7; S7-PLCSIM Emulator目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc201404713 第一章 緒論 PAGEREF _Toc201404713 h 1 HYPERLINK l _T

8、oc201404714 1.1可編程控制器概述 PAGEREF _Toc201404714 h 1 HYPERLINK l _Toc201404715 1.2組態(tài)軟件STEP7概述 PAGEREF _Toc201404715 h 3 HYPERLINK l _Toc201404716 1.3本論文的研究意義和研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc201404716 h 7 HYPERLINK l _Toc201404717 第二章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計要求 PAGEREF _Toc201404717 h 9 HYPERLINK l _Toc201404718 2.1系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容 PAGEREF

9、 _Toc201404718 h 9 HYPERLINK l _Toc201404719 2.2系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 PAGEREF _Toc201404719 h 9 HYPERLINK l _Toc201404720 2.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc201404720 h 11 HYPERLINK l _Toc201404721 第三章 防砂模擬控制系統(tǒng)控制要求 PAGEREF _Toc201404721 h 12 HYPERLINK l _Toc201404722 3.1防砂模擬控制系統(tǒng)簡介7 PAGEREF _Toc201404722 h 12 HYPERLINK l _Toc2

10、01404723 3.2機械防砂模擬實驗系統(tǒng)流程 PAGEREF _Toc201404723 h 12 HYPERLINK l _Toc201404724 3.3防砂模擬控制系統(tǒng)要求7 PAGEREF _Toc201404724 h 12 HYPERLINK l _Toc201404725 3.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc201404725 h 14 HYPERLINK l _Toc201404726 第四章 主要算法設(shè)計 PAGEREF _Toc201404726 h 15 HYPERLINK l _Toc201404727 4.1控制模型分析 PAGEREF _Toc2014047

11、27 h 15 HYPERLINK l _Toc201404728 4.2泥漿泵電機調(diào)節(jié)算法設(shè)計16 PAGEREF _Toc201404728 h 15 HYPERLINK l _Toc201404729 4.3栓塞泵電機調(diào)節(jié)算法設(shè)計 PAGEREF _Toc201404729 h 16 HYPERLINK l _Toc201404730 4.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc201404730 h 17 HYPERLINK l _Toc201404731 第五章 防砂模擬PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計 PAGEREF _Toc201404731 h 18 HYPERLINK l _Toc20140

12、4732 5.1 硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc201404732 h 18 HYPERLINK l _Toc201404733 5.1.1 I/O點數(shù)的確定11 PAGEREF _Toc201404733 h 18 HYPERLINK l _Toc201404734 5.1.2 PLC選型 PAGEREF _Toc201404734 h 18 HYPERLINK l _Toc201404735 5.2 PLC軟件編程 PAGEREF _Toc201404735 h 19 HYPERLINK l _Toc201404736 5.2.1 STEP7的特點 PAGEREF _Toc201404

13、736 h 19 HYPERLINK l _Toc201404737 5.2.2 梯形圖程序 PAGEREF _Toc201404737 h 20 HYPERLINK l _Toc201404738 5.3 PLC-SIM模擬器仿真測試15 PAGEREF _Toc201404738 h 24 HYPERLINK l _Toc201404739 5.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc201404739 h 29 HYPERLINK l _Toc201404740 結(jié)束語 PAGEREF _Toc201404740 h 30 HYPERLINK l _Toc201404741 致 謝 PAGE

14、REF _Toc201404741 h 31 HYPERLINK l _Toc201404742 參考文獻 PAGEREF _Toc201404742 h 32 HYPERLINK l _Toc201404743 附錄1 程序硬件組態(tài) PAGEREF _Toc201404743 h 34 HYPERLINK l _Toc201404744 附錄2 程序設(shè)計梯形圖 PAGEREF _Toc201404744 h 40*本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)- PAGE 30-第一章 緒論1.1可編程控制器概述可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)的 ,當(dāng)時叫可編程邏輯控制器PLC (Programmable L

15、ogic Controller)，目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能3。PLC的基本設(shè)計思想是把計算機的功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的商單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的14。根據(jù)實際應(yīng)用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi)。控制器和控制對象連接方便。可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計算機，具有許多明顯的特點1。 (1) 可靠性高，抗干擾能力強:可編程控制器是專為工業(yè)控制而設(shè)計的，在硬件和軟件兩個方采用了屏蔽、濾波、隔離、故障診斷和自動恢復(fù)等措施，使可編程控制器具有很強的抗干擾能力，使其平均無故障

16、時間達到(3-5)萬小時以上。 (2) 編程直觀、簡單:可編程控制器是而向用戶、而向現(xiàn)場，考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員熟悉電氣控制線路的特點，它沒有采用微機控制中常用的匯編語言，而是采用了一種而向控制過程的梯形圖語言，梯形圖語言與繼電器原理圖相類似，形象直觀，易學(xué)易懂。計算機技術(shù)和傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)之間的隔閡在可編程控制器上完全不存在。 (3) 功能完善，接口功能強:目前的可編程控制器具有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出、邏輯和算術(shù)運算、定時、計數(shù)、順序控制、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，使設(shè)備控制水平大大提高。接口功率極大地方便了用戶，常用的數(shù)字量輸入輸出接口，就電源而言有110 V, 22

17、0V交流和5 V, 24 V, 48 V直流等多種;負(fù)載能力可在(0.5-5A)的范圍內(nèi)變化;模擬量的輸入輸出有(-50- +5O)mV, (-10- +10)mV和(0-10) mA, (4-20) mA等多種規(guī)格?？梢院芊奖愕貙⒖删幊炭刂破髋c各種小同的現(xiàn)場控制設(shè)備順利連接，組成應(yīng)用系統(tǒng)。例如，輸入接口可直接與各種開關(guān)量和傳感器進于連接，輸出接口在多數(shù)情況下也可直接與各種傳統(tǒng)的繼電器、接觸器及電磁閥等相連接。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，其掃描過程如圖1.1所示。這個工作過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段，

18、PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器等。在通信操作服務(wù)階段，PLC與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等，當(dāng)PLC處于停(STOP)狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信服務(wù)操作等內(nèi)容。在PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。輸入處理:輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應(yīng)的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新。接著進入圖1-1 PLC掃描過程程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映像寄存器的內(nèi)容也不發(fā)生變

19、化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。 程序執(zhí)行:根據(jù) PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址.從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器中讀出上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀出對應(yīng)映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中，對每個器件而言，器件映像寄存器中所寄存的內(nèi)容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。 程序處理:程序執(zhí)行完以后，將輸出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電

20、路，驅(qū)動功率放大電洛，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負(fù)載。 PLC的掃描既可按固定的順序進行，也可按用廣程序所指定的可變順序進行。這不僅因為有的程序不需要每掃描一次就執(zhí)行一次，而且也因為在一些大系統(tǒng)中需要處理的I/O點數(shù)多，通過安排不同的組織模塊，采用分時分批掃描的執(zhí)行方法，可縮短循環(huán)掃描的周期和提高控制的實時響應(yīng)性。 循環(huán)掃描的工作方式是PLC的一大特點，也可以說PLC是“串行”工作的，這和傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)“并行”工作有質(zhì)的區(qū)別。PLC的串行工作方式避免了繼電器控制系統(tǒng)中觸點競爭和時序失配的問題。 由于PLC是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映像寄存器的內(nèi)

21、容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。暫存在輸出映像寄存器中的輸出信號，等到一個循環(huán)周期結(jié)束，CPU集中將這些輸出信號全部輸送給輸出鎖存器。由此可以看出，全部輸入輸出狀態(tài)的改變需要一個掃描周期。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個掃描周期. 掃描周期是PLC一個很重要的指標(biāo)，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時間取決于掃描速度和用戶程序長短。毫秒級的掃描時間對于一般工業(yè)設(shè)備通常是可以接受的，PLC的響應(yīng)滯后是允許的。但是對某些I/O快速響應(yīng)的設(shè)備，則應(yīng)采取相應(yīng)的措施。如選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速計數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時

22、間。影響I/O滯后的主要原因有:輸入濾波器的慣性；輸出繼電器接點的慣性；程序執(zhí)行的時間；程序設(shè)計不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙取?.2組態(tài)軟件STEP7概述STEP7編程軟件用于SIMATIC S7、C7和M7和基于PC的WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具10。為了在PC機上使用STEP7，必須配置MPI通信卡或PC/MPI通信適配器，將計算機接入MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，以便下載和上載用戶程序及組態(tài)數(shù)據(jù)。STEP7允許多個用戶同時處理一個工程項目，但不允許多個用戶同時對一個項目進行寫操作（如程序及組態(tài)數(shù)據(jù)的下載）。STEP7的授權(quán)授權(quán)是使用STEP7軟件的“鑰匙”，只有在硬盤上找到相應(yīng)

23、的授權(quán)，STEP7才可以正常使用，否則會提示用戶安裝授權(quán)。 STEP7的項目結(jié)構(gòu)在STEP7中，一個自動化系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)以項目（Project）的形式來進行組織和管理。一個項目包含了以下的三類數(shù)據(jù)。1、硬件結(jié)構(gòu)的組態(tài)數(shù)據(jù)及模塊參數(shù)2、通信網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)數(shù)據(jù)3、可編程模塊的程序上述數(shù)據(jù)都以對象的形式存儲，STEP7采用目錄式的層次結(jié)構(gòu)管理項目中的所有對象。對象從上到下有三個層次：第一層：項目；第二層：通訊子網(wǎng)、PLC站或S7程序；第三層：第二層下面的具體對象，視第二層定。圖1-2 授權(quán)管理器圖1-3 瀏覽項目結(jié)構(gòu)1、語言環(huán)境設(shè)置STEP7中提供了多種可選語言，如果在安裝STEP7時用戶選擇了多語言，

24、則可以在使用過程中改變語言環(huán)境。打開【SIMATIC Manager】，通過【選項】|【自定義】打開自定義選項菜單，選擇【語言】 圖1-4 語言環(huán)境設(shè)置2、常規(guī)選項設(shè)置通過【選項】|【自定義】打開自定義選項菜單，選擇【常規(guī)】選項卡。常規(guī)選項的設(shè)置界面和各選項的含義如圖1-5所示。圖1-5常規(guī)選項設(shè)置3、PG/PC接口設(shè)置PG/PC接口（PG/PC Interface）是PG/PC和PLC之間進行通訊連接的接口。PG/PC支持多種類型的接口，每種接口都需要進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置（如通訊的波特率等）。因此，要實現(xiàn)PG/PC和PLC之間的通訊連接，必須正確地設(shè)置PG/PC接口。SETP7的安裝過程中，會

25、提示用戶設(shè)置PG/PC接口參數(shù)。在安裝完成之后，可以通過以下幾種方法打開PG/PC設(shè)置對話框：（1）Windows的【開始】|【SIMATIC】|【STEP7】|【設(shè)置PG-PC接口】（2）Windows的【控制面板】|【設(shè)置PG-PC接口】（3）在【SIMATIC Manager】中，通過菜單【選項】|【設(shè)置PG/PC接口】設(shè)置步驟如下：（1）將【應(yīng)用程序訪問點】設(shè)置為【S7ONLINE（SETP7）】（2）在【以使用的接口參數(shù)分配】中，選擇需要的接口類型。如果列表中沒有需要的類型，可以通過單擊【選擇】按鈕安裝相應(yīng)的模塊或協(xié)議（3）選中一個接口類型，單擊【屬性】按鈕，在彈出的對話框中進行參數(shù)

26、設(shè)置，如圖1-6所示 圖1-6 接口屬性設(shè)置在工具欄中單擊按鈕 或在【文件】菜單下單擊【新建】，可以直接創(chuàng)建一個新項目。在彈出的對話框中輸入項目名稱及路徑，單擊確定完成（如圖7-9）。這里建立了一個名為example7-1的項目。 直接建立的項目只包含一個MPI子網(wǎng)對象，用戶需要通過【插入】菜單來手動添家對象.用戶可以插入一個PLC站，先進行硬件組態(tài)，完成硬件組態(tài)后，再在相應(yīng)CPU的S7程序目錄下編輯用戶程序；也可以先插入一個獨立的S7程序，編寫用戶程序，再進行硬件組態(tài)，等組態(tài)完成后將程序復(fù)制到相應(yīng)的CPU中。程序硬件組態(tài)示例見附錄2：1.3本論文的研究意義和研究內(nèi)容石油儲藏分布的區(qū)域常有巖石

27、砂粒，防砂除砂是開采石油工藝過程中的一個重要環(huán)節(jié)。防砂除砂的主要對象是原油里面的水和砂，膠結(jié)疏松的砂巖顆粒隨油、水進入井筒或攜帶至地面，會嚴(yán)重影響生產(chǎn)進程。隨著采油工藝的發(fā)展，單靠人工操作和監(jiān)控的油井機械防砂系統(tǒng)已經(jīng)不再適應(yīng)生產(chǎn)高效率的要求7。近年來PLC機在工業(yè)自動控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣，它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢，是單靠人力難以比擬的。如果用PLC控制技術(shù)對系統(tǒng)實施改造，則具有普遍的技術(shù)及經(jīng)濟意義。 本論文基于油井機械防砂系統(tǒng)的自動化項目，主要研究了以下幾方面內(nèi)容:(1) PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計要求和油井機械防砂系統(tǒng)的工藝和控制流程；(2) 分別采用了線性分析和偏

28、差控制的方法設(shè)計了油井機械防砂實驗系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的控制方案；(3) 設(shè)計了油井機械防砂系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，并從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面進行了詳細(xì)分析。第二章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計要求2.1系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容 對一個系統(tǒng)進行設(shè)計的主要包括以下內(nèi)容15: 1.根據(jù)工藝流程，分析被控對象和控制要求，確定控制系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能和控制指標(biāo)； 2.被控對象確定后，需要進一步確定哪些需要用PLC控制，哪些只能手動控制，據(jù)此確定I/O點數(shù)； 3.根據(jù)被控要求和被控對象的特點，選擇合適的PLC； 4.分配PLC的I/O點，編制PLC的I/O分配表或者I/O端子接線圖； 5.編寫程序，同時進行:PLC控制柜

29、等硬件的設(shè)計和現(xiàn)場施工； 6.程序完成后，可在實驗室進行離線模擬調(diào)試； 7.離線模擬調(diào)試和現(xiàn)場施工完成后，進行現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試； 8.聯(lián)機調(diào)試通過后，編寫設(shè)計說明書和使用說明書。2.2系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟16如圖2.1所示。 1.分析工藝流程和控制要求 (1)分析工藝流程及工作特點，確定被控對象，包括需要PLC控制的機械設(shè)備、電氣設(shè)備、生產(chǎn)線等。 (2)確定被控對象后，根據(jù)被控對象機、電之間的配合，確定PLC控制系統(tǒng)的控制要求。包括控制的基本方式、所需要完成的功能、必要的保護和報警等。 2.確定輸入/輸出設(shè)備 根據(jù)控制要求，確定PLC控制系統(tǒng)所需要的用戶輸入設(shè)備(包括按扭

30、、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)、限位開關(guān)和傳感器等)和輸出設(shè)備(接觸器、繼電器、電磁閥、報警指示燈等)。并且根據(jù)這些輸入/輸出設(shè)備確定系統(tǒng)的I/0點數(shù)。 3.選擇合適的PLC PLC類型的選擇主要從下面幾個方面考慮: (1) PLC機型和容量的選擇； (2) 開關(guān)輸入量的點數(shù)以及輸入電壓；(3) 開關(guān)輸出量的點數(shù)以及輸出功率；(4) 模擬量輸入/輸出的點數(shù)；(5) 系統(tǒng)的特殊要求，如遠程I/O、通信網(wǎng)絡(luò)等；4. I/O點分配分配PLC的輸入/輸出點，畫出PLC的I/O端子與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或分配表。在連接圖或分配表中，必須指定每個I/O對應(yīng)的模塊編號、端子編號、I/O地址、對應(yīng)的輸入/輸出設(shè)備等。

31、圖2-1 PLC系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟5.設(shè)計軟件及硬件此步驟是進行PLC程序設(shè)計和PLC控制柜等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。程序與硬件設(shè)計施工可同時進行。PLC程序設(shè)計的一般步驟包括以下部分4:(1)根據(jù)工藝流程和控制要求，畫出系統(tǒng)的功能圖或流程圖;(2)根據(jù)I/0分配表或I/O端子接線圖，將功能圖和流程圖轉(zhuǎn)化成梯形圖，即PLC編程。硬件設(shè)計及現(xiàn)場施工的一般步驟如下:(1)設(shè)計控制柜布置圖、操作面板布置圖和接線端子圖等；(2)設(shè)計控制系統(tǒng)各部分的電氣圖；(3)根據(jù)圖紙進行現(xiàn)場接線。6.離線模擬調(diào)試(1)程序編寫完成后，將程序輸入PLC。如果用編程器輸入，需要先將梯形圖轉(zhuǎn)換為助記符，然后輸入。(2)程序

32、輸入PLC后，用按扭和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源電流源代替模擬量，進行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。7.現(xiàn)場調(diào)試離線模擬調(diào)試和控制柜等硬件施工完成后，就可以進行整個系統(tǒng)的現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試?，F(xiàn)場調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備進行聯(lián)機調(diào)試。通過現(xiàn)場調(diào)試，可以發(fā)現(xiàn)模擬調(diào)試中無法發(fā)現(xiàn)的實際問題，然后逐一排除這些問題，直至調(diào)試成功。8.整理技術(shù)文件技術(shù)文件主要包括技術(shù)說明書，使用說明書，電氣原理圖、接線端子圖、PLC梯形圖和電器布置圖。2.3本章小結(jié) 本章主要講述了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的要求和基本步驟，對下一章研究防砂模擬的PLC控制系統(tǒng)做了很好的鋪墊。其中，最基礎(chǔ)也是最必不可少的是分析工藝流程

33、和控制要求并且確定I/O分配，而最重要的是根據(jù)控制要求進行硬件和軟件的設(shè)計。第三章 防砂模擬控制系統(tǒng)控制要求3.1防砂模擬控制系統(tǒng)簡介7機械防砂模擬實驗系統(tǒng)包括注水系統(tǒng)、加砂系統(tǒng)、直井除砂模型以及原油回收系統(tǒng)，由電機驅(qū)動的各種泵等傳送機構(gòu)完成各系統(tǒng)之間的產(chǎn)品傳輸。該實驗系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)主要由三部分組成，一部分是對各崗位生產(chǎn)參數(shù)進行監(jiān)測；一部分是分析各崗位生產(chǎn)參數(shù)，對各崗位需要進行自動控制的執(zhí)行器進行控制；一部分接受控制系統(tǒng)控制輸出，調(diào)節(jié)各崗位執(zhí)行器7。 各系統(tǒng)的參數(shù)必須嚴(yán)格控制，才能生產(chǎn)出合格原油，保證整個系統(tǒng)平穩(wěn)安全運行。所有系統(tǒng)通過PLC實現(xiàn)各設(shè)備工作狀況及參數(shù)數(shù)據(jù)采集、檢測、控制的實時

34、監(jiān)測，并具備報警、控制功能。各崗位監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器等設(shè)備組成，完成包括溫度、壓力、流量、液位的檢測、監(jiān)視7。控制系統(tǒng)采用德國西門子公司S7-300系列PLC控制系統(tǒng)，S7-300系統(tǒng)控制器選用CPU314C-2 DP。執(zhí)行系統(tǒng)由變頻器組成，變頻器17接受PLC控制系統(tǒng)輸出的控制模擬量，動態(tài)調(diào)節(jié)對應(yīng)閥門的開關(guān)、各種電機的起停和速度變化，保持各崗位生產(chǎn)參數(shù)在正常范圍。此配置方案保證控制系統(tǒng)連續(xù)、安全、穩(wěn)定運行。3.2機械防砂模擬實驗系統(tǒng)流程 機械防砂模擬實驗系統(tǒng)的功能是模擬對加入水和砂的石油進行處理，脫出石油中的污水和砂粒。儲油罐中放有純凈的石油，由計量泵3抽取進入配液罐；水池中放有水，由計量泵4

35、抽取進入配液罐與石油混合，形成混有水的模擬原油。然后由計量泵2抽取進入加砂攪拌罐；砂箱中放有砂粒，由絞龍輸送進入加砂攪拌罐與混有水的石油混合，形成混有水和砂的模擬原油。再由泥漿泵抽取進入直井模型，再進入旋流除砂系統(tǒng)，計量泵1從水池中向旋流除砂系統(tǒng)泵入需要的水， 進行去砂除水后，由計量泵5回收到儲油罐7。3.3防砂模擬控制系統(tǒng)要求71、監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測配液罐、加砂攪拌罐、管道內(nèi)的液位、壓力、流量、溫度、調(diào)節(jié)閥開度等，產(chǎn)生模擬量值信號送入控制系統(tǒng)；2、配液罐和加砂攪拌罐配液罐和加砂攪拌罐內(nèi)要求常存有一定量的模擬原油。計量泵2從配液罐往加砂攪拌罐中泵入石油，速度需要配合加砂攪拌罐和配液罐的液位進行調(diào)節(jié)，

36、加砂攪拌罐低液位需要加速，加砂攪拌罐高液位需要減速，配液罐低液位需要減速，在緊急狀態(tài)下需要停止；加砂攪拌罐和配液罐的液位由液位檢測傳感器檢測；3、絞龍絞龍從砂箱往加砂攪拌罐中送入砂子，速度需要配合加砂攪拌罐的液位進行調(diào)節(jié)，加砂攪拌罐低液位需要加速，加砂攪拌罐高液位需要減速，在緊急狀態(tài)下需要停止；4、泥漿泵泵出管道壓力不能超過安全值，泵出管道壓力高于預(yù)警值需要減速；泥漿泵從加砂攪拌罐往除砂系統(tǒng)中泵入加砂后的石油，速度需要配合加砂攪拌罐的液位進行調(diào)節(jié)，加砂攪拌罐低液位需減速，加砂攪拌罐高液位需要加速；5、傳輸管道傳輸管道溫度、壓力值要求保持在一定范圍。壓力、溫度傳感器及保護單元中的針閥、柱塞泵、水

37、池和熱交換器共同實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力溫度的安全保護。壓力傳感器的檢測值超過安全值，通過PLC控制中心調(diào)節(jié)針閥閥門變大，管道流速加快使得壓力變低，溫度傳感器的檢測值超過安全值，通過PLC控制中心調(diào)節(jié)柱塞泵加速抽水速度，熱交換器中的熱交換過程變快使得溫度降低。6、 緊急狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)檢測到配液罐、加砂攪拌罐、管道內(nèi)的液位、壓力、溫度某項崗位參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的危險值，關(guān)斷所有傳動實驗系統(tǒng)，停止機械防砂模擬實驗系統(tǒng)的自動循環(huán)，轉(zhuǎn)手動調(diào)節(jié)。下圖是防砂模擬試驗實驗系統(tǒng)流程圖圖3-1防砂模擬試驗實驗系統(tǒng)流程圖3.4本章小結(jié) 本章介紹了機械防砂模擬實驗系統(tǒng)的基本功能工藝流程，并根據(jù)它的工藝流程分析了防砂模擬控制系統(tǒng)的控

38、制要求，根據(jù)此控制要求設(shè)計出各崗位監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對各崗位生產(chǎn)參數(shù)實時采集，完成計量泵、泥漿泵和柱塞泵等設(shè)備的啟/停以及聯(lián)動控制，保持控制系統(tǒng)運行過程中，各崗位生產(chǎn)參數(shù)都處于正常范圍。這為下一步詳細(xì)設(shè)計做了準(zhǔn)備。第四章 主要算法設(shè)計4.1控制模型分析經(jīng)過對防砂模擬PLC控制系統(tǒng)工藝要求的仔細(xì)分析，控制系統(tǒng)主要有兩種控制方式，分別以泥漿泵和柱塞泵為典型。下面對這兩個崗位進行詳細(xì)分析。1泥漿泵電機的調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)泵出管道壓力和加砂攪拌罐的液位，泵出管道壓力和加砂攪拌罐的液位要求保持在一定范圍。對應(yīng)控制要求是：泵出管道壓力不能超過預(yù)警值，泵出管道壓力高于預(yù)警值泥漿泵電機需要減速；加砂

39、攪拌罐的液位需要保持在一定范圍，加砂攪拌罐液位低于設(shè)定范圍泥漿泵電機需減速，加砂攪拌罐液位高于設(shè)定范圍泥漿泵電機需加速7。2柱塞泵電機的調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)傳輸管道溫度。傳輸管道溫度要求保持在一定范圍，溫度傳感器及保護單元中的柱塞泵、水池和熱交換器共同實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力溫度的安全保護。對應(yīng)控制要求是：溫度傳感器的檢測值超過安全值，通過PLC控制中心調(diào)節(jié)柱塞泵加速抽水速度，熱交換器中的熱交換過程變快使得溫度降低7。4.2泥漿泵電機調(diào)節(jié)算法設(shè)計16根據(jù)泥漿泵調(diào)節(jié)邏輯關(guān)系，假定adjust 為狀態(tài)標(biāo)志，adjust 值為1，標(biāo)志加沙攪拌罐液位異常或者泵出管道壓力值異常；adjust 值為0，標(biāo)志崗位生產(chǎn)參數(shù)正常，不

40、需要調(diào)節(jié)。PLC輸出泥漿泵電機速度（以下簡稱nj），加沙攪拌罐液位（以下簡稱jas），泵出管道壓力值（以下簡稱pre），假定三者關(guān)系如下：= (1)nj允許范圍； 是其正常范圍；(2) jas允許范圍； 是其正常范圍；(3) pre 允許范圍； 是其正常范圍；假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)偏離正常狀態(tài)，adjust值為1，此時a式為： (2)jas為允許范圍最高值jas_h，pre為允許范圍最低值pre_l的時候，需要nj調(diào)節(jié)速度至最大nj_h，對應(yīng)關(guān)系為： (3)jas為允許范圍最低值jas_l，pre為允許范圍最高值pre_h的時候，需要nj調(diào)節(jié)速度至最小nj.l，對應(yīng)關(guān)系為： (4)由(1)，(2)，(3

41、)，(4)式得出泥漿泵電機速度傳遞系數(shù)1: k1_nj，泥漿泵電機速度傳遞系數(shù)2: k2_nj, 由于三者呈線形關(guān)系，結(jié)果滿足： (5)(5)式說明了jas、pre的允許范圍的中間值，就是系統(tǒng)正常運行狀態(tài)值與nj的允許中間值對應(yīng)。這樣，根據(jù)jas和pre 的實時返回值，獲得nj最佳實時調(diào)節(jié)速度，最大限度地改變jas和pre的值。經(jīng)過若干時間，系統(tǒng)返回正常狀態(tài)，adjust復(fù)位為0,系統(tǒng)不再需要調(diào)節(jié)，保持自動運行，一旦jas和pre某個崗位參數(shù)超出正常范圍，adjust 置位為1，算法(1)重新有效，調(diào)節(jié)再次進行，通過這樣的方式維持系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。4.3栓塞泵電機調(diào)節(jié)算法設(shè)計栓塞泵電機速度與

42、傳輸管道溫度相關(guān)，這里采用偏差控制的方式16。設(shè)定系統(tǒng)傳輸管道參考溫度為R , 傳輸管道實際溫度為C,兩者之差（R0 -C）產(chǎn)生一級控制值E，E與原二級控制值R相加產(chǎn)生新二級控制值R，R再與控制系數(shù)H相乘產(chǎn)生控制輸M1 作用于被控對象G1 ，即栓塞泵電機及溫度控制單元，使得系統(tǒng)傳輸管道溫度變化，返回設(shè)定值R0 附近，完成閉環(huán)控制，維持系統(tǒng)溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)。偏差控制算法框圖 如圖 4-1，圖中M2 是初始設(shè)定值。 圖4-1 偏差控制算法框圖M2 + R0H被控對象R=R+EE= R0 -CM1實際值C _G14.4本章小結(jié)本章根據(jù)防砂模擬實驗系統(tǒng)的工藝，主要分析了防砂模擬試驗控制系統(tǒng)主要的控制邏

43、輯，并就主要的控制關(guān)系設(shè)計了相應(yīng)算法，為后面在STEP7編程環(huán)境下的系統(tǒng)編程設(shè)計提供了理論依據(jù)。第五章 防砂模擬PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計5.1 硬件設(shè)計 對一個PLC控制系統(tǒng)進行硬件設(shè)計包括PLC的選型、輸入/輸出點數(shù)(I/O點數(shù))的確定等，本文依據(jù)機械防砂模擬實驗系統(tǒng)工藝流程來確定PLC控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況和控制要求確定PLC的類型和它具體的硬件配置11。5.1.1 I/O點數(shù)的確定11 根據(jù)第三章的機械防砂模擬實驗系統(tǒng)工藝流程和控制要求，列出該機械防砂模擬實驗系統(tǒng)具體的I/O點數(shù)如下: (1) 數(shù)字量輸入3個； (2) 模擬量輸入量4個； (3) 模擬量輸出量8個；5.

44、1.2 PLC選型 S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。SIMATIC S7-300可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計21。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。 S7-300 PLC的選型原則是根據(jù)生產(chǎn)工藝所需的功能和容量進行選型，并考慮維護的方便性、備件的通用性和有無特殊功能等要求。選型時具體注意以下幾個方面:(1)有關(guān)參數(shù)確定6。一是輸入/輸出點數(shù)確定。這是確定PLC規(guī)模的一個重要依據(jù)，一定要根據(jù)實際情況留出適當(dāng)余量和擴展余地。二是PLC存儲容量確定。注意當(dāng)系統(tǒng)有模擬量信號存在或要進行大量數(shù)據(jù)處理時，其存儲容量應(yīng)選大一些。(2)系統(tǒng)軟硬件選擇11。一是擴展方式

45、選擇，S7-300 PLC有多種擴展方式，實際選用時，可通過控制系統(tǒng)接口模塊擴展機架、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線、通信模塊、遠程I/O及PLC子站等多種方式來擴展PLC或預(yù)留擴展口；二是PLC的聯(lián)網(wǎng)，包括PLC與計算機聯(lián)網(wǎng)和PLC之間相互聯(lián)網(wǎng)兩種方式。因S7-300 PLC的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)淡化了PLC與DCS的界限，聯(lián)網(wǎng)的解決方案很多，用戶可根據(jù)企業(yè)的要求選用；三是CPU的選擇，CPU的選型是合理配置系統(tǒng)資源的關(guān)鍵，選擇時必須根據(jù)CPU的要求(包括系統(tǒng)集成功能、程序塊數(shù)量限制、各種位資源、MPI接口能力、是否有PROFIBUS-DP主要接口、RAM容量、溫度范圍等)，并最好在西門子公司的技術(shù)

46、支持下進行，以獲得合理的選型，這主要考慮對CPU的支持狀況， 在軟件方面，S7-300的配套軟件STEP7梯形圖與語句表并重，配置的指令系統(tǒng)較強，特別是提供功能指令，在方便性及開發(fā)較復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力方面都有明顯的優(yōu)越性19。 根據(jù)以上分析，這里采用了S7-300系列的PLC，各模塊的具體型號如下:CPU為314C-2 DP；數(shù)字量輸入模塊為SM321；模擬量輸出模塊為SM332；電源模塊為PS307 10A。在硬件配置時卡槽的第一個位置為電源，第二個位置為CPU，卡槽的其他位置所放模塊不受限制21。圖5-1 PLC硬件配置另外我們還要在STEP7軟件中對硬件進行相應(yīng)的配置，各模塊在STEP7

47、中的位置要與實際中的位置相一致，否則軟件將會報錯。STEP7中硬件配置如圖5.1所示：5.2 PLC軟件編程 SIMATIC S7-300軟件與硬件同樣出色，S7-300的軟件STEP7與硬件一樣簡潔、方便、易用。編程軟件基于用標(biāo)準(zhǔn)工具STEP7軟件實現(xiàn)SIMATIC工業(yè)軟件功能，并能應(yīng)用所有新的S7硬件的優(yōu)勢15。5.2.1 STEP7的特點 STEP7具有如下特點10: 按照IEC1131-3:已開發(fā)成功塊圖和梯形圖編程語言，符合上述標(biāo)準(zhǔn)。它是用于流程控制，過程控制或需要高級語言編程的編程工具。語句表編程語言與標(biāo)準(zhǔn)稍有不同，以保證與STEP5的兼容。 相同用戶接口的統(tǒng)一:STEP7有中央數(shù)

48、據(jù)存儲器和完全匹配的工具。這意味著，從現(xiàn)在起，你只需在一個用戶接口上將數(shù)據(jù)輸入一次，然后，你可為每個任務(wù)使用相同的功能，從配置和編程到啟動和文件編制。 原有程序和新程序可一起使用:己有STEP 5或TISOFT寫的程序，轉(zhuǎn)換程序可將原有程序立即轉(zhuǎn)換到STEP7。內(nèi)存豐富的軟件工具箱:STEP 7有豐富的功能，能使PLC解決任何問題?？墒褂萌魏我环N編程語言:STL, FBD和LADDER；可從一種語言切換到另一種。它也提供面向?qū)ο髷?shù)據(jù)管理和功能的圖形賦活SIMATIC-Manager。硬件配置工具和試驗工作方式的切換設(shè)備(經(jīng)過按鈕)以及指令集，指令集的指令是如此豐富，即使是非常復(fù)雜的功能也能簡便

49、地編程。包括使用圖形編程語言也是如此。5.2.2 梯形圖程序 S7-300即可以通過梯形圖和STL語句來實現(xiàn)程序的編寫，由于梯形圖結(jié)構(gòu)清晰且易于讀懂，所以下面以防砂模擬試驗控制系統(tǒng)的傳感器采集信號預(yù)處理程序為例，編寫它的梯形圖19。程序主要功能模塊編程實現(xiàn)如下:傳感器采集信號預(yù)處理程序的梯形圖如圖5-2所示圖5-2 傳感器采集信號預(yù)處理程序的梯形圖5.3 PLC-SIM模擬器仿真測試15打開PLC-SIM模擬器，將工作站下載到模擬PLC中，運行，如下圖5-35-3啟動運行按鈕I0.1，如圖 5-4圖 5-4輸入加砂罐液位、配液罐液位、系統(tǒng)管道壓力、系統(tǒng)管道溫度四個傳感器初始值為1000，四個崗

50、位參數(shù)正常范圍定義為，如圖 5-5圖 5-5此時各電機速度值如圖 5-6圖 5-6啟動停止按鈕I0.1 如圖 5-7圖 5-7各電機停止，轉(zhuǎn)速為零，如圖 5-8圖 5-8I0.1復(fù)位為零，系統(tǒng)重新初始化如圖 5-95-9調(diào)節(jié)加砂罐液位值為偏低值850，如圖5-10圖 5-10計量泵2，絞龍電機速度加快，泥漿泵電機速度減慢，如圖 5-115-11加砂罐液位在各電機調(diào)節(jié)下升高至900，計量泵2，絞龍電機和速度泥漿泵電機速度如圖5-12圖5-12可以看出計量泵2和絞龍電機速度在原來基礎(chǔ)上減慢，泥漿泵電機速度在原來基礎(chǔ)上加快，加砂罐液位靠近，調(diào)節(jié)作用減弱。加砂罐液位調(diào)節(jié)至正常范圍，各電機速度恢復(fù)初始值

51、，如圖5-135-13調(diào)節(jié)加砂罐液位值為偏高值1101，如圖5-145-14可以看出計量泵2和絞龍電機速度在初始值基礎(chǔ)上減慢，泥漿泵電機速度在初始值基礎(chǔ)上加快，調(diào)節(jié)加砂罐液位至正常值,如圖5-155-15調(diào)節(jié)加砂罐液位至危險上限3000，各電機停止轉(zhuǎn)動，速度為0，如圖 5-16圖 5-16經(jīng)手動調(diào)節(jié)后，加砂罐液位回復(fù)正常范圍，各電機恢復(fù)初始值，系統(tǒng)重新運行，見圖5-17圖5-18以上是防砂模擬控制系統(tǒng)加砂罐液位變化在PLC-SIM環(huán)境下的仿真調(diào)節(jié)過程，經(jīng)程序仿真，證明控制系統(tǒng)的設(shè)計是有效的，由于篇幅限制，配液罐液位、系統(tǒng)管道壓力和系統(tǒng)管道溫度的仿真調(diào)節(jié)略。5.4本章小結(jié)本章首先介紹了SIMAT

52、IC可編程邏輯控制器的STEP7組態(tài)和編程標(biāo)準(zhǔn)軟件包，然后詳細(xì)描敘了STEP7編程環(huán)境下防砂模擬試驗控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方法，包括硬件組態(tài)參數(shù)配置、各崗位生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收及處理的編程實現(xiàn), 最后在PLCSIM模擬仿真器中運行程序，驗證系統(tǒng)符合設(shè)計要求。結(jié)束語本文詳盡地敘述了如何以SIEMENS S7-300 PLC為控制中心，使用SIMATIC可編程邏輯控制器的STEP7組態(tài)和編程標(biāo)準(zhǔn)軟件包，實現(xiàn)了以SIEMENS S7-300 PLC為控制中心，在掌握SIEMENS S7-300可編程邏輯控制器工作原理的基礎(chǔ)上，采用在STEP7編程環(huán)境實現(xiàn)來設(shè)計防砂模擬試驗控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方

53、法。通過本次模擬試驗控制系統(tǒng)設(shè)計，較好地掌握了STEP7的LAD編程語言，了解了基于PLC的工業(yè)自動化設(shè)計的常規(guī)流程，加深了對SIEMENS S7-300的理解。另外，本次設(shè)計過程中涉及的系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動控制技術(shù)在很多工業(yè)領(lǐng)域有借鑒意義，以后要深入對這方面的學(xué)習(xí)。PAGE - PAGE 90致 謝本文工作是在*導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。張老師從無論從論文的選題、論證和研究方案的制定，乃至具體問題都給予了詳細(xì)而又耐心的指導(dǎo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度和誨人不倦的敬業(yè)精神深深影響著我，激勵自己不斷進步，同時應(yīng)秉承南郵優(yōu)良傳統(tǒng)，踏踏實實作學(xué)問，認(rèn)認(rèn)真真做人。在近四年的求學(xué)即將結(jié)束，謹(jǐn)在此向?qū)熤乱哉\摯的感謝和

54、深深的敬意。感謝自動化學(xué)院的各位師長對我近四年求學(xué)的幫助和關(guān)懷，感謝母校*大學(xué)對我的培養(yǎng)。*歷史悠久，人才輩出，在這片成長的熱土上，我已經(jīng)求學(xué)近四個年頭了， “我以*為榮”，這是每一個*學(xué)子應(yīng)當(dāng)感受到的，也應(yīng)當(dāng)為母校的振興與繁盛努力奮斗。參考文獻 1. 胡學(xué)林.可編程控制器教程（提高篇）M.北京：電子工業(yè)出版社，20052. 劉貫華. 基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計J. 機電工程技術(shù),2008，7（1）：6-103. 馮太合 .西門子S7-300系列及應(yīng)用軟件STEP7M.廣州：華南理工大學(xué)出版社，20044. 胡健.西門子S7-300PLC應(yīng)用教程M.北京：機械工業(yè)出版社，20075.

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60、lectricity PLC and how it has affected installationR.IEE Colloquium.1994 附錄1 程序硬件組態(tài) 硬件組態(tài)1 創(chuàng)建項目打開【SIMATIC Manager】，系統(tǒng)會自動彈出“新建項目”向?qū)В▓D7-8），同時，也可以通過選擇菜單【文件】|【新建項目”向?qū)А看蜷_。這里，我們不使用“新建項目”向?qū)АＭㄟ^單擊按鈕【取消】關(guān)閉該向?qū)А? 硬件組態(tài)程序打開前面建立的項目example7-1，在項目的根接點下插入一個“SIMATIC 300 站點”，將站點命名為S7300PLC，選中左邊窗口的“S7300PLC”，在右邊窗口可以看到“硬件