计算机控制技术课程设计-基于S7-300PLC的造纸中段废水处理DCS控制系统设计 29页

I计算机控制技术课程设计基于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nI计算机控制技术课程设计目录摘要II1绪论11.1引言11.2国内外发展状况22中段水处理方案选定33中段水好氧处理的自动控制33.1控制工艺流程33.2液位控制设计43.3进反应器废水温度控制53.4PH控制单元设计63.5营养物质投加控制84硬件部分设计94.1PLC控制系统设计原则和设计步骤94.2控制总体要求104.3PLC选型及传感器的连接114.4系统硬件配置174.5硬件连接图174.5.1电气控制A柜174.5.2电气控制B柜214.5.2电气控制C柜215PLC控制程序部分设计215.1STEP7软件的设计步骤215.2程序总体设计方案22总结27参考文献.27n27计算机控制技术课程设计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。n27计算机控制技术课程设计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,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200m³,其中化学浆为190m³/T,化学草浆为270m³/T,纸和纸板为70m³/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“2300m³”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1750m³用水紧张线,其中9个地区低于500m³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。n27计算机控制技术课程设计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。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PHn27计算机控制技术课程设计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。表3-2连锁控制规则表n27计算机控制技术课程设计序号规则描述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。n27计算机控制技术课程设计温度控制系统原理图3.4PH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。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。n27计算机控制技术课程设计系统PH值的最佳范围是6.8＜PH＜7.2，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值控制选择3.4.1其串级控制系统设计PH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。n27计算机控制技术课程设计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n27计算机控制技术课程设计4硬件部分设计4.1PLC控制系统设计原则和设计步骤学习PLC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”。它在传统的电气图的基础上增加了PLC部分，所以，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）。n27计算机控制技术课程设计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。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n27计算机控制技术课程设计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。4.3PLC选型及传感器的连接1)CPU的选型CPU314：内置40KBRAM,最大可扩展512KBFLASH-EPROM存储器卡，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)=(1.1～1.25)×(DI×10+DO×5+AI/O×100)/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=11.377<24(KB)故CPU314的随机存储器是足够的，所以选择CPU314是合适的。其中的B柜以及C柜需要的DI，DO及AI,AO数均比A柜小,故B,C控制柜的CPU选用CPU314合适2)I/O模块的选型a)模拟量输入模块的选择n27计算机控制技术课程设计模拟量输入模块SM331有两种规格型号。一种是8*12位模块,另一种是2*12位模块。前者是8通道的输入模块,后者是2通道的输入模块。本系统采用8通道的输入模块。下面我们就对其做简要介绍:SM331模入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度。SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A/D转换部件，既通过模拟切换开关，各输入通道按顺序一个接一个的转换。某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直待续到再次开始转换的时间称模入模块的循环时间，他是模块中所有活动的模拟量的转换时间的总和。实际上，循环时间是对外部模拟量信号的采样间隔。为了缩短循环时间，应该使用STEP7组太工具屏蔽掉不用的模拟量通道，使其不占用循环时间。对于一个积分时间设定为20ms，8个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的SM331模块,其循环时间为(22+10)*8=256ms。此循环时间满足该控制系统的要求，故选择8通道的模拟量输入模块是合理的。模拟量输入模块与传感器的连接图模拟量输出部分图b)模拟量输出模块的选择模拟量输出模块SM332也有多种规格型号，在这里我们采用有4通道的4*12型输出模块以下对4*12位SM332作简要介绍:n27计算机控制技术课程设计模出模块的转换时间包括内部存储器传送数字化输出值的时间和数模转换的时间。模拟量输出各通道的转换是顺序进行的。模块的循环时间是所有活动的模拟量输出通道的转换时间的总和。模出的响应时间是一个比较重要的指标，响应时间就是在内部存储器中出现数字量输出值开始到模拟输出达到规定值所用时间的总和。它和负载特性有关。负载不同(容性、阻性和感性负载)，响应时间也不一样。SM3324*12位模块上有4个通道，每个通道都可单独编程为电压输出或电流输出，输出精度12位，模块对CPU背板总线和负载电压都有光电隔离。使用STEP7组态工具或SFC系统功能调用，可以设定诊断中断允许、输出诊断、输出类型、输出范围及L+掉电或模块故障后的替代值等参数。输出模块的一个中断组即一个通道。如果模块中的一个通道不使用，则可以通过设定输出类型，撤消该通道，并让输出保持开路。c)数字量输信号电平输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后送入输入缓冲器等待CPU采样，采样时信号经过背板总线进入到输入映像区。入模块的选择数字量输入模块SM321,数字输入模块是将现场送来的数字信号电平转换成S7-300内部可识别信号。以下为数字量输入模块选择的一般原则:根据现场检测元件与模板之间的距离来选择电压的等级。一般5、12、24V属低压，其传输距离不易太远。距离较远的设备选用较高电压的模板比较可靠，以免信号衰减后造成误差。根据分散各处信号的多少和信号动作的时间选择模板的密度。集中在一处的输入信号尽可能集中在一块或几块模板上，以便于电缆安装和系统调试。对于高密度模板，如32点或64点，一般来讲，同时接通点数最好不超过模板总点数的70%。为了提高系统的可靠性，必须考虑门坎电平的大小，门坎电平值越大抗干扰能力越强传输也就越远。根据系统抗干扰性能的要求，选择光电隔离或不带光电隔离的输入模板。根据被控设备与可编程序控制器CPU所安装位置之间的距离来设计本地输入模板还是远程输入模板。备用输入点的设计。在设计总输入点数时要留有一定的裕量，这些备用点的分配应分别考虑到每块输入模板上，最好分配到每组输入点上。例如：以具有32点输入的模板。他们每8点一组，在设计时每8点留一个备用点，一旦其余7点有一个发生故障，只要把接线从故障点改接到备用点，相应地址再一修改，系统就可恢复正常。SM321数字量输入模块是用来将现场送过来的数字信号电平转化成S7-300内部信号电平。它有四种型号可以选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入。其中SM321DIn27计算机控制技术课程设计32×24VDC它具有32个输入点，带隔离、16点为一组。额定输入电压为24VDC，适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关)，可接非屏蔽电缆长度最长为600m，屏蔽电缆长度为1000m，通道与背板之间以及每组通道之间有光电隔离，从背板总线输出最大15mA电流。SM321DI16×24VDC它是16点输入，带隔离，16点为一组，额定输入电压为24VDC,适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关)，通道与背板总线之间有光隔。SM321DI16×24VDC带硬件和诊断中断，它是16点输入，带隔离，16点为一组，额定输入电压为24VDC，适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关)，对传感器可使用外部冗余电源，组故障LED，可编程的诊断，可编程的诊断中断，可组态的硬件中断，可编程的输入延迟。这是几种常用的模块。他们的主要参数见表4-4。表4-4M321数字输入模块主要参数SM321数字输入模块直流16点输入模块直流32点输入模块输入点数1632额定负载电压L+24VDC24VDC负载电压范围20.4～28.8V20.4～28.8V额定输入电压24VDC24VDC输入电压“1”范围13～30V13～30V输入电压“0”范围-3～+5V-3～+5V隔离（与背板总线）光耦光耦在这里我们考虑到模块的性价比和控制系统的具体要求，故使用32点输入24VDC的SM321。d)数字量输出模块的选择数字量输出模块SM322，数字输出模块是将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。以下为数字量输出模块选择的一般原则:对一般的负荷，选择何种输出方式都可以，对开闭频繁的，电感性、电功率因数大n27计算机控制技术课程设计的负荷，建议使用晶体管和晶闸管元件的开关量输出模板。对于电压范围变化较大，且各种电压等级集中在一块模板上，则使用继电器输出模板更加方便。输出功率的选择，在选择模板时要注意手册上给出的输出功率要大于实际负荷所需的功率。如果负荷要求的功率很大，开关量输出模板已不能满足需要，此时采用中间继电器，开关量输出驱动中间继电器的线圈，中间继电器驱动负荷这种方法也可用于多个负荷的并联驱动。针对负荷要注意：对象为电磁阀这类负荷，虽然电磁负荷很小，但匝数多，断电瞬间其反向电压很高。有时会使输出模板的输出三极管击穿，此时要在负荷两端并接电容和电阻抑制反向电压。对于灯负荷一般启动电流为额定电流的十倍。S7系列的PLC所具有的数字量输出模块中SM322DO32×24VDC/0.5A此模块为32点输出带隔离，8点为一组输出0.5A电流，24V额定负载电压，适用于电磁阀，直流接触器和指示灯。考虑到性价比和具体的控制要求我们采用32点输出可带交直流输出的继电器型SM322。模拟输入AI：A控制柜SM3318*12位：5个(8*5=40>34)B控制柜SM3318*12位：3个(8*3=24>23)，C控制柜SM3318*12位：4个(8*4=32>31)模拟输出AO：A控制柜SM3324*12位：3个(4*3=12>10)，B控制柜SM3324*12位：2个(4*2=8>6)，C控制柜SM3324*12位：3个(4*3=12>10)数字输入DI：A控制柜SM32132位：4个(32*4=128>113)，B控制柜SM32132位：1个(32*1=32=32)，C控制柜SM32132位：1个(32*1=32>30)数字输出DO：A控制柜SM32232位：2个(32*2=64>41)，B控制柜SM32232位：2个(32*2=64>35)，C控制柜SM32232位：1个(32*1=32>13)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*1+90*1+60*6+60*4=705mA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n27计算机控制技术课程设计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PS3075A的5A且留有一定余量。又因为PS3075A的功率损耗为18W，所以该S7-300结构总的功率损耗是：36.2+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PS3075A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IM365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6ES7314-1AE01-0AB0CPU31412电源模块6ES7307-1EA00-0AA0PS3075A13F-ROM卡6ES7951-0FF00-0AA064K14后备电池6ES7971-1AA00-0AA01A.H15数字量输入模块6ES7321-1BL80-0AA0SM321：点DI,24VDC16数字量输出模块6ES7322-1BL00-0AA0SM322：32点DO,继电器17模拟量输入模块6E7S331-7KF00-0AB0SM331：8通道AI6n27计算机控制技术课程设计8模拟量输出模块6E7S332-5HD00-0AB0SM332：8通道AO49接口模块6E7S390-1AJ00-0AA0IM365210导轨6E7S390-1AF30-0AA024.3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。n27计算机控制技术课程设计PLC机架接线图模块接口连接图上图为两个模拟量输入模块n27计算机控制技术课程设计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PIW272—PIW286。M0—4为PIW288—PIW302。模块接口连接图上图为三个模拟量输入模块SM331，连接现场送来的模拟量输入信号。地址为PIW302—PIW356。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PQW272—PQW294。n27计算机控制技术课程设计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I0.0—I15.2模块接口连接图n27计算机控制技术课程设计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Q0.0—Q5.04.5.2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PIW384—PIW428，模拟量输出模块的地址分布为PQW304—PQW314.。数字量输入模块的分布地址为I16.0—I19.7，数字量输出模块的分布地址为Q8.0—Q10.1。电气控制柜B柜各分布地址的详细测控点见附录Ⅰ4.5.2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PIW448—PIW508，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I24.0—I27.5，数字量输出模块的分部地址为Q12.0—Q13.4。5PLC控制程序部分设计5.1STEP7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a)线性程序结构n27计算机控制技术课程设计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。OB100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1ms~1min。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OB35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)模拟信号处理模拟量控制流图n27计算机控制技术课程设计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：采样子程序流图b)滤波子程序n27计算机控制技术课程设计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。n27计算机控制技术课程设计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。n27计算机控制技术课程设计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：称为比例系数称为积分系数称为微分系数在式(3-3)中△u(n)对应于第N时刻阀位的增量。故N时刻的实际控制量见式(3-4)。u(n)=u(n-1)+△u(n)(3-4)PID控制子程序的实现步骤包括：a)回路控制类型的选择即就是具体控制回路的选择，在这里我选择在工业控制中应用比较成熟的按偏差的比例、积分调节和按偏差的微分调节。b)回路输入的转换和标准化分两步进行：第一步是把16位整数值转换成浮点型实数值。第二步是把实数进一步标准化为0.0~1.0之间的数。c)回路输出转换成刻度整数值回路输出值一般是控制变量，比如在汽车速度控制中，可以是油阀开度的控制。同时转换成相应的16位整数。这一过程是给定值或过程变量的标准化转换的逆过程。d)正作用或反作用的回路的选择如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，则为反作用回路。对于增益为0的积分或微分控制来说，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；指定为负，则为反作用回路。n27计算机控制技术课程设计总结该系统能完成工厂中段废水处理自动控制的要求和中段水处理各环节的任务，并能降低废水处理的成本，促进工厂控制的自动化。该设计是以PLC为控制器的DCS系统，并用WinCC组态了一个HMI平台，能显示中段水控制现场设备的运行情况，并随时进行现场监控且能更好地完成对设备的控制。无论是在硬件还是软件设计上，我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。最后，非常感谢老师的指导和同学们的帮助！参考文献[1]王孟效，孙瑜，汤伟，张根宝.制浆造纸过程控制系统及工程[M].北京：化学工业出版社，2003.[2]施英乔，丁来宝，李萍等.高得率制浆（APMP）废水厌氧-好氧处理的研究[J].广东造纸，2003，（3）：76-79.[3]李刚，杨立中，欧阳峰。厌氧消化过程控制因素及PH和EH的影响分析[J].西南交通大学学报.2001.36（5）：518-521.[4]杨翠荣，庞全，张玉清.智能PH控制及在化工过程控制中的应用[J].自动化仪表1999.20（8）：34-36.[5]金以惠.过程控制[M].北京：清华大学出版社，1993：103-146.[6]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2002：88-224.[7]廖道文等.集散型控制系统的设计与应用[M].北京：清华大学出版社.1994.80.64-69[8]王家桢，王俊杰．传感器与变送器[M]北京:清华大学出版社，1996年8月.[9]基于PLC和变频器的工业废水预处理自控系统[J].自动化仪表[11]李志健，王晓昌，孙长顺.制浆造纸废水处理技术评述[J].陕西咸阳：西北轻工业大学学报.2002.06-0081-03.[12]武书斌造纸工业水污染控制与治理技术[M].北京：化学工业出版社.2001.[13]李志建等生物技术在造纸工业的应用研究进展[J].中国造纸.2001.（1）：51-54[14]贺延龄废水的厌氧生物处理[M].北京中国轻工业出版社，1998.[17]SIEMENS.SIMATICS7系列、维修和编程[Z].