1、裝訂線安徽工業大學 面粉生產過程控制系統設計安徽工業大學畢業設計(論文)任務書課題名稱面粉生產過程控制系統設計學 院電氣信息學院專業班級測控技術與儀器081姓 名李 赟學 號089064013指導教師張英杰 老師畢業設計(論文)的主要內容及要求：1 查閱資料了解面粉生產過程控制系統的發展歷史和發展現狀；2 查閱資料分析面粉生產工藝流程；3 設計面粉生產過程總體控制方案；4 選擇合適的PLC，完成硬件組態、編寫相應的控制程序并進行及仿真;5 使用組態軟件對整個生產過程進行組態；6 整理論文資料并書寫畢業設計論文;7 查閱英文材料并進行翻譯；起止時間：2012年2月18日至2012年6月9日共16

2、周指 導 教 師簽 字系 主 任簽 字院 長簽 字摘要面粉加工是食品生產的重要原料工業，是糧食生產向人類消費過渡的傳統行業。由于種種原因，其生產過程的自動化遠遠落后于同期實現機械化生產的紡織業。進入九十年代以來，為了降低成本，提高產品質量，適應不斷變化的市場經濟，我國的大中型面粉廠相繼進行了電氣自動化系統的改造，PLC開始被廣泛的應用于我國面粉行業。可編程控制器（Programmable Controller）簡稱PLC,是一臺有別于普通微機的專用計算機，它能直接在工業環境中應用，不需要專門的空調和恒溫環境，它專為工業環境控制而設計制造，具有豐富的輸入輸出接口和較強的輸出驅動能力。由于它具有很

3、多優點，目前已被廣泛應用于全世界工業生產的各個領域。本文先介紹了PLC系統的硬件組成、工作原理、軟件編程等，并詳細介紹了利用PLC控制技術實現面粉生產過程的自動控制。關鍵詞：自動控制系統，面粉生產，iFIX， PLCABSTRACTFlour processing is the important material industry of food producing, and the traditional industry of the transit of cereal producing to human consumption.For various reasons, the aut

4、omation of its production processlags far behind the textile industry over the same period to achieve the mechanized production. Since the 1990s, in order to reduce costs, improve product quality and adapt to the changingmarket economy, Chinese large and medium-sized flour mills successively carried

5、 transformation of electrical automation system, the PLC began to be widely used in the flour industry of China. Programmable controller referred as PLC, is a dedicated computer different from ordinary computer, it can be directly applied in industrial environments without dedicated air conditioning

6、 and constant temperature environment. It has been designed for control of industrial environmental with rich input and output interface and strong output drive capability. It has so many advantages that it has been widely used in various areas of industrial production around the world. This paper i

7、ntroduces the hardware structure,working principles and software programming of the PLC system, and then describes how to take advantage of the technology of PLC to achieve the automatic control of the flour production process .Keywords: Automatic control system, Flour production, iFIX, PLC目錄摘要IIABS

8、TRACTIII1. 緒論11.1 國內外面粉加工自動化技術的現狀11.2 本課題研究主要內容22. 控制系統總體設計32.1 面粉生產工藝流程32.1.1 小麥初清工藝流程32.1.2 小麥清理工藝流程52.1.3 小麥制粉工藝流程72.2 可編程控制器PLC及其與DCS比較92.3 STEP 7軟件112.4 iFIX軟件122.5 系統控制方案132.5.1 控制系統組成及原理132.5.2 控制系統功能142.5.3 控制系統保護153. 控制系統硬件設計163.1 S7-300可編程控制器163.1.1 工作原理163.1.2 硬件組成203.1.3 模塊配置223.1.4 硬件組態

9、檢查233.1.5 MPI通訊253.2 三相異步電動機基本控制電路263.2.1 三相異步電動機單向連續運行控制電路263.2.2 三相異步電動機起動控制電路273.3 生產過程動態參數檢測303.3.1 傳感器303.3.2 常見傳感器及參數檢測314. 控制系統軟件設計324.1 下位控制器軟件設計324.1.1 PLC程序設計324.1.2 PLC程序仿真344.2 上位機軟件設計384.2.1 畫面介紹384.2.2 設備狀態394.2.3 故障報警41總結42致謝43參考文獻44附錄45V1. 緒論1.1 國內外面粉加工自動化技術的現狀面粉加工是把小麥通過清理、研磨、篩理、分級、提

10、純，加工成各種不同等級面粉的系統科學，它主要包含兩方面的內容：制粉設備和制粉工藝。20世紀80年代以前，我國的制粉技術由于受到經濟發展水平、制粉設備品種、加工精度以及企業經濟實力的制約，采用的都是最基本、最簡易的設備和工藝。我國改革開放以來，特別是上世紀80年代末到90年代初大規模引進國外面粉生產線并進行消化吸收，結合我國蒸煮食品的特點，現已逐漸形成了具有中國特色的面粉加工技術。90年代以來，引進生產線的面粉廠以其合理的工藝、先進的設備及自動化技術的應用，提高了產品質量和整體經濟效益。當時引進的面粉生產線主要特點有：（1）工藝線路、設備及故障自動監控方面。自動控制及監測技術已在一些引進面粉廠中

11、采用，國產設備配套安裝設計的面粉廠，有的也有工藝模擬屏，也可以顯示工藝及設備運行情況，但絕大部分無PLC控制的程序啟停和故障檢測。工藝屏的控制操作也僅僅是將現場控制的方式進行簡單的移位和集中，這樣的“自控”只是集中控制而不是自動程序控制。（2）程序控制技術方面。引進系統大部分采用繼電器聯鎖控制方式，個別在配粉車間采用PLC控制。例如引進的瑞士布勒公司的生產線也只是在制粉車間的局部工段采用了PLC控制。在滿足不斷變化的市場需求的過程中，制粉行業中的自動化技術以其特殊的工業方式也在不斷地發展。50多年來，自動化儀表從氣動到電動，從現場控制到中央控制，從儀表屏操作到計算機操作站，從模擬信號到數字信號

12、等等，變化確實驚人。半個世紀以前，制粉行業已具有確保基本的聯鎖功能的機電系統，在出現報警或其它故障的情況下，通過繼電器鏈保證按照預定的安全邏輯順序地停機，控制系統為就地式的簡單控制裝置。隨著面粉廠規模增大，設備數量增加，工藝復雜，自動儀表采用電動儀表，就地控制改為中央儀表控制。中央儀表控制室配有手工繪制的面粉廠的整個工藝流程圖，通過指示燈光表示每臺機器的狀態，操作員可以直觀形象地監視和操作面粉生產過程。早期自動順序啟動系統利用定時轉換器，大大簡化了面粉廠的啟動操作。以微處理器為核心的集散控制系統(DCS )的出現，代替了原有集中式DDC系統。以可編程邏輯控制器(PLC)為主體的計算機控制系統滿

13、足新的市場要求，確保面粉廠對數百臺設備的監控，實現各種工藝要求。最新的機電系統保證面粉廠聯鎖功能，安全性好。1.2 本課題研究主要內容本課題主要研究的是面粉生產車間的自動化控制系統，通過分析生產工藝流程；分析研究西門子S7-300 PLC硬件組態、編程與通訊，實現iFIX上位機組態，進而完成現場控制系統的設計。應用PLC與iFIX相結合綜合控制現場設備是本課題的研究內容，它主要包括以下幾個方面：（1）研究面粉生產數據以及故障信息采集（2）研究西門子S7-300 PLC硬件組態（3）研究西門子S7-300 PLC軟件編程（4）研究GE Fanuc iFIX 4.5組態（5）研究西門子S7-300

14、 PLC與現場設備和上位機的互聯（6）研究最終的系統整合，搭建成具有一定開放系統特性的基本系統。包括PLC控制系統設計、上位機管理和監控系統設計。2. 控制系統總體設計2.1 面粉生產工藝流程2.1.1 小麥初清工藝流程小麥在收獲、干燥、運輸和儲存過程中，不可避免地會混入各種各樣的雜質；小麥在田間生長過程中，難免受自然災害的影響或病蟲害的感染，出現變質或感染病害的麥粒。小麥中混有雜質或病害麥粒直接影響制粉的安全生產、成品質量及食品的安全和衛生。因此，小麥在制粉之前必須將混在其中的各種雜質徹底清理干凈。小麥中的雜質種類很多，不可能用一種設備將各類雜質一次清理干凈，必須將各種不同作用原理的設備組合

15、使用。用篩理設備分離出與小麥體積不同的雜質，用去石機分離出比麥粒比重大的石子，用精選設備分離出與小麥形狀不同的雜質，用磁選器去除磁性雜質，用打麥機和刷麥機清理小麥表面等等。而且相同的設備還要重復使用，才能達到理想的清理效果。圖2-1是小麥初清流程圖。（a）原糧 卸糧坑 斗提機 初清篩 高效振動篩（2） 垂直吸風道毛麥倉刮板輸送機斗提機磁選器垂直吸風道（b）圖2-1 小麥初清流程圖注：括號內數字表示設備數量。原糧倒入卸糧坑后由斗式提升機送入初清篩清除大雜。清理過的小麥自動流入高效振動篩，由頭道篩去除中雜，篩下小麥流過二道篩去掉草籽等小雜。完成后小麥自動流入垂直吸風道，吸除麥糠等輕型皮殼類雜質。經

16、磁選后，由斗式提升機、刮板輸送機等設備輸送入毛麥倉儲存待用。所有的麥倉出口均安裝配麥器，用于不同品種小麥的搭配加工。混入小麥中的灰塵等細微雜質由風機從各設備中吸除，經布筒式脈沖除塵器和沙克龍除塵器高效分離后，經關風器送入灰房密閉保存初清的目的是去除小麥中的大雜，如磚頭、瓦塊及繩頭等，并盡可能地去掉部分的小雜和輕雜，以避免這些雜質影響機器的正常工作及物料的流動和出倉，并減少物料中的灰塵含量。2.1.2 小麥清理工藝流程小麥清理流程共設了三篩，兩打，兩去石，兩精選，一洗麥，三磁選，四風選，三著水，兩潤麥。具體流程如圖2-2所示。除雜方法組合的基本原則是先易后難、先粗后精、先危害大的后危害小的。按照

17、這樣的原則，首先采用高效振動篩除大中雜、小雜和輕雜，然后采用比重分級去石機去除石子，再用精選機去除與麥粒大小、比重相近的球形或細長形雜質。之后再進行小麥表面清理，先利用打麥機對小麥進行打擊，通過撞擊和摩擦作用使麥粒表面和腹溝內的塵土、部分的麥毛和麥皮脫落，接著用第二道篩將這些雜質篩出，并同時篩出比麥粒略大的中型雜質。在打麥的過程中還可將一些泥塊、爐渣打碎并篩出。這樣即完成了毛麥清理過程。在小麥著水和潤麥之后，再重復以上過程進行光麥清理，以達到除雜盡凈的目的。在小麥清理流程中使用洗麥機清洗麥粒表污，去石洗麥機還可以去除麥中的石子。流程中智能化的著水控制儀可以精確地控制物料的水分。在小麥清理過程完

18、成即將入磨前，又設了一道噴霧著水機。這道工序是以霧化水使麥粒表面濕潤，使麥皮的韌性增加，降低麥皮在研磨過程中的破碎。噴霧著水之后設了凈麥倉，使麥粒表面水分被吸收。同時該倉還起到平衡、緩沖流量的作用，保證清理和制粉工段的流量穩定。（a）（b）圖2-2 小麥清理流程圖注：括號內數字表示設備數量。2.1.3 小麥制粉工藝流程制粉工段是面粉生產系統的核心，其技術水平的高低與整個系統的生產效率、產品質量的關系最為密切，所以制粉工藝流程多年來一直是人們研究制粉技術的重點。最早且最簡單的工藝流程只設45道磨，中間物料不進行粗細分級，連續地進行“磨-篩-磨-篩”的過程，即所謂的“一條龍”。其后的發展是在流程中

19、增加了心磨系統，將中間物料進行粗細分級，粗的物料入皮磨系統,細的物料入心磨系統。這樣粗細不同、質量不同的物料分別進行研磨篩理，提高了工藝效果和產品質量。再后來又增加了渣磨和尾磨，使物料的分級更加細致，并且在系統中使用了清粉機，將心磨的物料進一步提純，心磨系統使用光輥和松粉機，減低麩星的產生，這就是現代的制粉工藝。世界上制粉技術先進的國家如瑞士、英國、意大利等國家如今采用的都是這樣的工藝。我國在20世紀70年代之前，小麥加工以生產標準粉為主，對面粉質量的要求不高，而要求有較高的單產，所以使用的工藝比較簡單，大致上都是四皮(或五皮)、四心、二渣，全部用齒輥，不設清粉機。到了70年代中后期，糧食購銷

20、逐漸放開，面粉供應充足，對面粉質量的要求也隨之提高，制粉工藝也隨之發生了變化。本課題所研究的制粉流程設計了四道皮磨(B)、八道心磨(M)、一道渣磨(s)和兩道尾磨(T)，另外還配置了八道清粉(P)、四道打麩(Br)和一道刷麩。這是一個路線長度適中、功能齊全的工藝流程。 （1）皮磨系統皮磨的作用是剝開麥粒，刮下大粒狀的胚乳送往渣磨和心磨系統，并逐道地刮凈麩皮上殘存的胚乳。同時還要盡量保持麩片的完整，避免麥皮過碎而混入面粉中。2皮不分粗細，3皮和4皮分粗細，有利于提高研磨效果。雖然未設5皮，但在系統的后路配備了四道打麩和一道刷麩，足以保證對麩片的處理效果。各道皮磨的磨下物料，分別用平篩進行篩理分級

21、，分出大小麩片、粗粒、粗粉及面粉。麩片送往下道皮磨或打麩機處理；粗粒送往清粉機進一步精選，以分出純凈的麥心送往心磨研磨成粉，其余的帶皮顆粒則送往渣磨系統繼續研磨剝刮，細麩片則去細皮磨或尾磨處理；粗粉是非常細的胚乳顆粒，純度較高，直接送往心磨系統。（2）渣磨系統從皮磨系統分級出來的粗粒物料，多是粘有麥皮的胚乳粒，這部分物料粒度較小，不宜送入皮磨系統，但又不是純凈的胚乳，也不宜送入心磨系統。所以在流程中設置了渣磨系統，用磨輥將這些物料輕微地研磨，使麥皮與胚乳分開，經過篩理分級后提取質量好的胚乳粒送往心磨系統。（3）心磨和尾磨系統心磨系統的作用是將皮磨系統、渣磨系統、清粉系統提取的不同粒度的胚乳粒研

22、磨成粉，同時最小限度地磨碎麥皮和麥胚。尾磨的作用是處理從皮磨、渣磨、心磨和清粉系統提出的細麩屑，經研磨和篩理后分出細麩和次麥心。心磨系統中經光輥研磨后的物料，部分胚乳會成為粉片或粉團，這些粉片和粉團如不及時粉碎，便不能用平篩將其作為面粉提出，而被推往后路心磨重復研磨，降低了磨粉機的生產率，增加了動力消耗。為此，心磨系統經光輥研磨后的物料，再進入撞擊松粉機或打板松粉機通過撞擊形式進行粉碎，然后進入平篩篩理。尾磨和渣磨的物料含胚乳少，麥皮多，磨輥研磨力度小，不易形成粉片，所以采用了柔和的粉碎設備打板松粉機。（4）清粉系統清粉的目的是將皮磨、渣磨提出的麥渣、麥心和硬粗粉進行精選，按質量分成麥皮、帶有

23、麥皮的胚乳和純胚乳粒。這樣，將純凈的胚乳粒單獨地送往心磨系統研磨，就可獲得高質量的面粉。清粉機的原理是風、篩結合，空氣自下而上從篩面穿過，使篩上物料產生分級，重的物料在下從而穿過篩孔，輕的物料則留在篩面上。這樣即可將物料按比重的不同進行分級。2.2 可編程控制器PLC及其與DCS比較可編程控制器是一臺有別于普通微機的專用計算機，它能直接在工業環境中應用，不需要專門的空調和恒溫環境，它專為工業環境控制而設計制造，具有豐富的輸入、輸出接口和較強的輸出驅動能力。 PLC的最小系統有以下四部分組成：微處理器（CPU）存儲器（RAM、ROM）輸入輸出單元（I/O接口）電源，其結構框圖如圖2-3所示。圖2

24、-3 PLC的基本結構框圖 PLC和DCS是當前自動控制領域兩大控制系統。PLC即可編程控制器，英文全稱為Programmable Controller，早期的PLC主要用來代替繼電器實現邏輯控制，其功能隨著技術的發展已大大超出了邏輯控制的概念。DCS即分布式控制系統，英文全稱為Distributed Control System，在國內自動化行業又習慣稱之為集散控制系統，它是以集中式控制系統為基礎結合現代4C技術發展而來的。其二者主要的特點概括如下：（1）PLC 的主要特點：程序編制及生成簡單，運行速度快，能夠很好地完成條件、順序、計數、步進等控制功能，同時能夠實現數據處理、通訊聯網、實時監

25、控等功能。（2）DCS的主要特點：功能全，采用網絡通訊技術，完備的開放系統，可靠性高，具有綜合性和專業性，實現了人機對話，擴展靈活，管理能力強，具有集中管理、分散控制的特點。PLC和DCS有很大的不同，首先PLC和DCS的設計原理區別較大。PLC是從模仿繼電器控制原理發展起來的，它存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作指令,并通過輸入和輸出操作來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，將其存入PLC的用戶程序存儲器，運行時按存儲的程序逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。DCS是在運算放大器的基礎上得以發展的，把所有的函數和過程變量之間的關系都做成功能塊。

26、PLC和DCS表現的主要差別是在開關量和模擬量的運算上，即使后來兩者相互有些滲透，但是仍然有區別。80年代以后，PLC除邏輯運算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些復雜運算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現出快速的優點。而DCS使用功能塊封裝模擬運算和邏輯運算，無論是邏輯運算還是復雜模擬運算表達形式都非常清晰，但相對PLC來說邏輯運算的表達效率較低。在接地電阻方面，對PLC要求不高，但對DCS一定要在幾歐姆以下（通常在4歐姆以下）。對于相同I/O點數的系統來說，用PLC比用DCS好，其成本要低一些（大約能省40%左右）。P

27、LC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。如果被控對象主要是設備連鎖、回路相對很少，采用PLC較為合適。如果被控對象主要是模擬量控制、并且函數運算很多，最好采用DCS。另外PLC由于采用通用監控軟件，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。2.3 STEP 7軟件STEP 7是基于西門子公司為配置S7-300/400 PLC及編程的標準軟件包，它的主要功能包括：建立和管理項目、對硬件和通信作組態和參數賦值、管理符號、創建程序、下載程序到可編程控制器、測試自動系統、診斷設備故障。STEP 7 SIMATIC管理器是用戶組態和編程的基礎。另外，STEP 7還提

28、供了硬件診斷(向用戶提供PLC狀態情況，指示各部分是否工作正常及故障判斷)功能。為了適應用戶程序設計的要求，STEP 7為S7-300/400 PLC提供了3種程序設計的方法，或者說3種用戶程序結構，即線性編程、分塊編程和結構化編程。（1）線性編程。所謂線性編程就是將整個用戶程序都放在OB1（循環控制組織塊）中。這種方法對處理一些簡單的自動控制任務是可以的，適于一個人進行程序編寫。（2）分塊編程。將用戶程序分隔成一些相對獨立的部分，每部分就是一個“控制分塊”，每個塊中包含一些指令，完成一定的功能。這些塊執行順序由放置在組織塊OB1中的程序來確定， （3）結構化編程。在設計一個復雜的自動控制任務

29、時，我們會發現部分控制邏輯常常被重復使用。這種情況便可采用結構化編程方法來設計用戶程序。編一些通用的指令塊來控制那些相同或相似的功能，這些塊就是功能塊（FB）或功能（FC）。在功能塊中編程用的是“形參”，在調用它時要給“形參”賦“實參”，依靠賦給不同的“實參”，便可完成對多種不同設備的控制，這是一個功能塊能多處使用的道理。STEP 7為用戶提供了三種標準化的PLC編程語言：梯形圖(LAD)，語句表(STL)和功能圖(FBD)。每種語言各有優點：LAD和FBD編輯器容易輸入并且提供如拖放、復制、粘貼等功能，直觀方便，且可在連接庫中應用成型的復雜功能模塊實現方案。STL使用戶直接面向機器存儲和控制

30、單元，使用過程語言直接編程，更加專業直觀，用戶可以隨時檢查每個輸入的正確性，又允許用戶用簡單的文本編輯器實現離線編程。此外，STEP 7還支持集中高級語言軟件包，下面進行一下簡單說明：1)與C和PASCAL語言相似的S7 SCL高級文本語言，符合IEC 61131.3標準；2)適用于順序控制的S7 GRAPH；3)以狀態圖形式描述異步、非順序過程的S7 HiGRAPH；4)適用于S7及M7，以圖形方式連接已有功能的CFC語言。2.4 iFIX 軟件iFIX是全球領先的HMISCADA自動化監控組態軟件，是當今世界工業控制領域最為流行的上位機監控軟件之一。它集人機界面技術、控制技術、數據庫技術、

31、網絡技術于一身，可實現數據采集、實時過程監控、報表查詢打印、報警和報警管理、趨勢分析等功能。由于該軟件具有較強的通用性和開放性，功能強大，可靠性高，己被廣泛應用于電力、醫藥、冶金、化工、食品、石油等行業的計算機監控與數據采集系統中。iFIX工作臺(Workspace)是iCore的主要組件，它提供了單點組態的功能，能夠把系統的一切組件都集成在一個開發環境中，運行人員能夠非常方便地訪問與使用這些組件。iFIX工作臺(wrorkspace)包含編輯環境及運行環境兩個完整的集成環境。編輯環境提供了一切必需的開發工具,而運行環境是為操作員而設計的。在運行環境下，操作員能夠通過顯示畫面來監控生產過程。i

32、FIX組念軟件采用了基于節點的結構形式。對于iFIX系統來說，一臺運行iFIX軟件的計算機就稱為一個節點，節點能夠單獨工作或者與其它節點相連。不管是客戶端還是服務器都可以被看作是基于節點的iFIX網絡中的一個節點，從而為iFIX提供真正的分布式以及客戶/服務器結構，為系統提供最大的可擴展性。不管是Server與Client功能運行在單一計算機，實現簡單的單機人機界面，還是網絡較為復雜的分布式多Sverer與多Client的數據采集及控制系統，iFIX都能夠滿足各種應用類型及應用規模的需求。 iFIX組態軟件主要以監控與數據采集(Supervisory Control And Data Acqu

33、isition，SCADA)為核心，提供了數據采集、數據管理及人機界面三種最基本的功能。數據采集通常是指系統從現場獲取數據并將其加工成可利用的某種形式。iFIX組態軟件不需使用特別的硬件就能獲得數據，它能夠通過I/O驅動器的軟件接口與現場I/O設備直接通信來讀取數據并將其傳送到驅動程序映象表(Driver Image Table，DIT)中。另外，通過iFIX組態軟件還可以向現場寫數據，從而建立控制軟件所需的雙向連接。數據管理就是指各子應用軟件根據需求對iFIX獲得的數據進行處理及傳送的過程。數據管理包括由掃描、報警、控制程序(Scan Alarm Control，SAC)從DIT中讀取數據、

34、將其進行處理并傳送至過程數據庫(PDB)中，內部數據庫訪問軟件從過程數據庫(PDB)中讀取數據，并將其傳送至需要的應用中等內容。另外，iFIX組態軟件還能夠將數據按照與上述流程相反的順序寫入過程硬件。在傳統方法中，操作員都是通過控制室的面板來操作設備的，而iFIX組態軟件把傳統的控制面板變成了計算機與一個圖形屏幕，即人機界面，取代或增強了傳統控制室的功能，如監控、報警與報表等功能。2.5 系統控制方案 2.5.1 控制系統組成及原理控制系統以PLC為中心，終端計算機通過通訊電纜與PLC的CPU相連以實時監控其工藝流程中的設備，而PLC的I/O模塊又通過控制柜的執行器件控制現場設備。系統監控管理

35、軟件為GE Fanuc自動化北美公司的組態系統IFIX 4.5軟件。圖2-4為控制系統的結構框圖。圖2-4 控制系統原理示意圖控制系統通過對現場敏感元件或傳感器( 如高、低料位器，限位開關，速度監測器，感溫熱敏電阻，電接點壓力表等)的檢測，將測量信號送入PLC 輸入模塊( 模擬量需要A/ D 轉換) , 由CPU 進行分析、運算, 再將控制信號( 數字量需經D/A 轉換) 通過輸出模塊送至現場控制單元, 如電磁閥、氣動閘門、變頻器等, 或經中間繼電器控制各電機的起停。2.5.2 控制系統功能控制系統主要用于工藝設備的啟動、停車操作，設備運行狀態的動態顯示，故障信息提示、記錄和查詢等。控制系統共

36、有3種操作方式：（1）控制室自動程序控制方式；（2）控制室鼠標點動控制方式；（3）現場開關手動控制方式。PLC控制主要用于流程中自動控制；控制室鼠標點動控制方式主要用于當自動程序出現故障時；現場開關手動控制方式用于設備調試和單機維修保養。其具體控制過程為：（1）流程啟動。啟動時流程按工藝順序逆物料流方向延時啟動，即由后路向前路依次啟動最后打開進料閘門（進倉時）或出料閥門（出倉時），保證設備都開啟后才可進料或出料；（2）流程停止。正常停車，由前路向后路依次停車，以保證停機時設備內不存糧；緊急停車，當控制室的急停按鈕按下時，所有設備立即停止，只有急停按鈕恢復后，方能再次開啟設備。(3)故障報警和處

37、理。當設備發生故障時，計算機響鈴報警，并自動在計算機顯示屏上以紅色顯示故障設備的具體位置、設備名稱、故障類型等。同時進行必要的自動單機停機或局部停機。如主流程中有設備報警，不但該設備自動停機，而且此設備前面相關的設備均自動停機，以防“憋堵”。(4)記錄和查詢。信息窗口自動記錄系統啟動和運行時與PLC進行通訊時的情況，報警信息窗口自動記錄系統設備報警和操作員應答及設備故障排除，便于分析系統運行情況和設備使用情況。2.5.3 控制系統保護控制系統采取周密的安全措施, 以確保整套設備可靠、安全地運行。（1）警告以下情況, 計算機畫面和PLC柜面板指示燈會出現紅色警告:PLC柜或MCC柜中任一風扇發生

38、故障PLC電池掉電或電壓不足PLC與計算機聯接的通訊線路(或接口)發生故障PLC柜任一220VAC和24VDC電源斷路器跳閘（2）報警報警是在不正常的情況下產生的, 會導致加工過程的中斷。這時就要求維修人員根據計算機屏幕給出的出錯信息迅速地排除故障, 以保證生產的正常運行。以下情況會發生喇叭報警, 有時甚至會停車:脈沖除塵器工作壓力低于設定值、正壓輸送壓力超出設定范圍絞龍中物料發生堵塞斗式提升機失速或停轉某設備因堵料導致電機停轉或電機自身出現故障倉空料時, 低料位器顯示藍色倉滿料時, 高料位器顯示紅色其他（3）緊急停車以下情況, 會發生所有設備停轉或生產線無法啟動:按下車間內任一急停開關任一電

39、機配電柜(MCC柜)及PLC柜三相電源異常3. 控制系統硬件設計3.1 S7-300可編程控制器SIMATIC S7系列PLC是德國西門子公司在S5系列PLC基礎上于1995年陸續推出的性能價格比較高的PLC系統。其中微型的有S7-200系列，針對低性能要求的小型PLC，可擴展2-7個模塊。中小型的有S7-300，最多可以擴展32個模塊。中高檔性能的有S7-400系列，可以擴展300個模塊。S7-300系列是模塊化中型PLC系統，它能滿足中型控制系統的性能要求。高電磁兼容性和強抗震性，使S7-300具有很高的工業環境適應性。溫度適應范圍從O60，特殊條件下可達-2560，具有很強的耐受震動和污

40、染特性。模塊化，無排風扇結構，易于實現分布等的特點使得S7-300成為各種中等規模控制任務既方便又經濟的解決方案。3.1.1 工作原理1)初始化PLC上電后，首先進行系統初始化，其中檢查自身完好性是起始操作的主要工作。初始化的內容有：對I/O單元和內部繼電器清零，所有定時器（含T0）復位，以消除各元件狀態的隨機性；檢查I/O單元連接是否正確；檢查自身完好性：即啟動監控定時器T0（就是通常說的看門狗Watch Dog Timer ，WDT），用檢查程序（即一個涉及到各種指令和內存單元的專用檢查程序）進行檢查。若不超時，則可證實自身完好，如果超時，用T0的觸點使系統關閉。 在初始化階段，PLC不輸

41、入、不輸出，也不執行用戶程序。PLC運行時，雖然用戶程序中可能有眾多的操作需求，但PLC是不可能同時執行多個操作的，它只能按分時操作的方式逐一去執行各個操作。由于CPU的運算和處理速度很高，從外部執行結果看來，幾乎是同時完成的。這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。初始化后，PLC按掃描形式執行用戶程序，并根據所編程序的次序，從左到右、從上到下進行掃描。先掃描到的先檢查、先執行。PLC的工作流程見圖3-1。圖3-1 PLC系統工作流程圖2）循環掃描 根據PLC的工作方式，如果運行正常，通信服務暫不考慮,PLC對用戶程序進行循環掃描的過程可分為三個階段，即輸入采樣、程序執行和輸出刷新。PLC

42、的循環掃描過程如圖3-2所示。圖3-2 PLC的輸入、輸出和程序執行過程圖（1）輸入采樣當CPU執行輸入操作時，現場輸入信號經PLC的輸入端子由輸入緩沖器進入輸入映像存儲器，這就是輸入采樣。 在程序執行前，PLC首先掃描各輸入模塊，將所有外部輸入信號的狀態讀入到輸入映像存儲器中，隨后轉入程序執行階段并關閉輸入采樣。（2）程序執行PLC在程序執行階段，按“從上到下、先左后右”的次序從輸入映像存儲器I、內部元件存儲器（如存內部輔助繼電器狀態的位存儲器M、定時器T、計數器C等）和輸出映像存儲器Q中將有關元件的狀態讀出，經邏輯判斷和算術運算，將每步的結果立即寫入有關的存儲器（如位存儲器M、輸出映像存儲

43、器Q）中。 （3）輸出刷新CPU的運算結果也不是直接送到實際輸出點，而是存放在輸出映像存儲器中。在執行完所有用戶程序后，CPU將輸出映像存儲器Q的內容通過輸出鎖存器輸出到輸出端子上，去驅動外部負載。這步操作過程就稱為輸出刷新。PLC工作時，重復地執行上述三個階段，每重復一次的時間就是一個掃描周期。PLC在一個掃描周期內，對輸入信號的采樣只在輸入采樣階段進行。當PLC進入用戶程序執行階段后，輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態進行重新采樣，即在一個掃描周期內，集中一段時間對輸入信號進行采樣，這種方式稱為集中采樣。同時，在一個掃描周期內，PLC也只在輸出刷新階段才將輸出狀態

44、從輸出映像存儲器中輸出，對輸出端子進行刷新。在其他階段，輸出狀態一直保存在輸出映像存儲器中，這種方式稱為集中輸出。 PLC采用這種集中采樣、集中輸出的“串行”工作方式，可以避免繼電-接觸器控制中觸點競爭和時序失配的問題，這是PLC的抗干擾能力強、可靠性高的原因之一。但是這也導致了輸出對輸入在時間上的滯后，這是PLC的缺點之一3.1.2 硬件組成S7-300 PLC的組成主要有：中央處理單元(CPU)、信號模塊(SM)、通訊處理器(CP)、功能模塊(FM)、電源模塊(PS)、接口模塊(IM)等。（1）電源模塊(PS)S7-300PLC有多種電源模塊可供選擇，PS305為戶外型電源模塊，PS307

45、為普通型電源模塊，輸入電壓為交流AC120/230V，輸出電壓為直流DC24V，比較適合大多數應用場合，一個實際的S7-300PLC系統，在確定所有的模塊后，要選擇合適的電源模塊。所選定的電源模塊的輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各種智能模塊等消耗功率之和，并且要留有30%左右的裕量。當同一電源模塊既要為主機單元供電又要為擴展單元供電時,從主機單元到最遠一個擴展單元的線路壓降必須小于0.25V。（2）中央處理單元(CPU)CPU內的元件封裝在一個牢固而緊湊的塑料機殼內，面板上有狀態和故障指示LED、模式選擇開關和通信接口。存儲器插槽可以插入多達數兆字節的Flash EPROM微存儲

46、器卡（簡稱為MMC）,用于掉電后程序和數據的保存。 S7-300PLC的CPU模塊大致可以分為5類：標準型、緊湊型、故障安全型、技術功能型、戶外型。其中CPU 313為具有擴展程序存儲區的低成本的CPU，比較適用于需要高速處理的小型設備；CPU 314可以進行高速處理以及中等規模的I/O配置，用于安裝中等規模的程序以及中等指令執行速度的程序；CPU 315具有中到大容量程序存儲器，比較適用于大規模的I/O配置。CPU模塊的存儲容量、指令執行速度、可擴展的I/O點數、計數器/計時器的數量、功能軟件塊數量等指標是隨著型號中數字序號的遞增而增加。（3）接口模塊（IM）接口模塊用于S7-300PLC的

47、中央機架到擴展機架的連接，S7-300有三種規格的接口模塊，即IM360、IM361、IM365等。IM365接口模塊專用于S7-300PLC的雙機架系統擴展，由兩個IM365配對模塊和一個368連接電纜組成。IM360和IM361接口模塊必須配合使用，用于S7-300PLC的多機架連接。（4）信號模塊（SM）S7-300的信號模塊有數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、以及連接爆炸等危險場合的輸入/輸出模塊。（5）功能模塊（FM） S7-300PLC有大量的功能模塊。功能模塊自身帶有CPU，并能實現特定的功能，可為PLC的CPU模塊分擔大量的任務。用戶可減少大量的編程工作量。（6）通訊

48、處理器(CP)S7-300PLC有多種通信模塊可供選擇。例如，CP340用于建立點對點（Point to Point）低速連接，最大傳輸速率為19.2kbit/s。有3種通信接口，即RS-232、RS-422、RS-485，可通過ASCII、3964（R）通信協議及打印機驅動軟件，實現S7-300系列PLC與其他廠商的控制系統、機器人控制器、條形碼閱讀器、掃描儀等設備通信連接。3.1.3 模塊配置根據前面所研究的面粉生產車間的設備配置和設計的控制方案，本控制系統需要按照表3-1統計進行模塊配置。由于面粉生產控制系統的復雜性，為了便于系統的拓展，在設計時是按照中型規模的PLC控制系統設計的。其中

49、，電源模塊（PS）與中央處理單元（CPU）和其它信號模塊之間是通過電纜連接方式將各模塊從物理上和電氣上連接起來。表3-1 S7-300的模塊配置表序號名稱型號單位數量模塊功能及用途1電源模塊PS 307(5A)塊4將輸入電壓(120-230VAC或24VDC)轉換成PLC所需的工作電壓2CPU模塊CPU 314塊1執行用戶程序；借助MPI與上位機通訊3數字量輸入模塊SM321(32路)塊13SM321(DI32*24VDC)；可提供32路開關量輸入通道4數字量輸出模塊SM321(32路)塊13SM322(DO32*24VDC/0.5A)；可提供32路開關量輸出通道5模擬量輸入模塊SM331(8

50、路)塊6SM331(AI32*24VDC); 總共可提供32路模擬量輸入通6接口模塊IM360IM361塊13用于PLC的多機架連接7存儲卡6ES7953-8LJ00-0AA0塊1存儲PLC程序8機架UR塊4為S7的各模塊之間提供機械和電器的連接3.1.4 硬件組態檢查在完成了S7-300 PLC控制系統的硬件配置后即可在S7-300的編程軟件STEP 7上完成系統的硬件組組態，其步驟是：（1)雙擊SIMATIC Manager圖標，打開STEP 7主畫面。（2)點擊文件夾新建，輸入文件名(面粉生產車間)和文件夾地址，然后點擊OK，系統將自動生成工程項目。（3)點亮項目名稱，點擊右鍵，選中插入

51、新對象，點擊SIMATIC 300站點，將生成一個S7-300的項目。（4)把面粉生產車間左面的+點開，選中SIMATIC 300(1)，然后選中硬件并雙擊或右鍵點打開對象，硬件組態畫面即可打開。（5)雙擊SIMATIC 300RACK 300，然后將Rail拖入到左邊空白處，在窗口即可生成空機架，生成空機架的操作界面，如圖3-3所示。（6)雙擊SIMATIC 300，雙擊CPU 314，雙擊6ES7 314-1AG14-0AB0，選中V3.0，將其拖到機架RACK的第2個槽；。然后分別在(0)UR、(1)UR、(2)UR和(3)UR中的槽添加IM360、IM361、SM321、SM322模塊

52、。（7)檢查組態，點擊站點一致性檢查，彈出NO errors窗口，則表示沒有錯誤產生。說明本設計的方案是可行的。國3-4為組態成功的界面。圖3-3 操作界面圖圖3-4 檢查組態界面圖3.1.5 MPI通訊MPI(Multi Point Interface)是多點接口的簡稱，是當通信速率要求不高，通信數據量不大時可以采用的一種簡單經濟的通信方式。西門子公司的S7系列PLC可以通過CPU模塊上的MPI接口組成MPI網絡,通過它可實現全局數據通信。通過全局數據通信,一個CPU 可以訪問另一個CPU的數據塊、存儲位和過程映像等。MPI網絡的全局數據通信不需要額外的硬件和軟件,結構簡單,端口管理與布線容

53、易,裝置連接成本低。每個S7-300 CPU都集成了MPI通信協議,MPI的物理層是RS-485。通過MPI，PLC可以同時與多個設備建立通信連接，這些設備包括編程器PG或運行STEP7的計算機PC、人機界面（HMI）及其它SIMATIC S7，M7和C7。同時連接的通信對象的個數與CPU的型號有關。接入MPI網絡的設備均稱作節點, S7-300 PLC MPI網絡節點數量的最大值為32個。MPI網絡有一個網號,在組建MPI 網絡之前, 要為每一個節點分配一個MPI地址和1個最高MPI地址,使所有通過MPI連接的節點能夠相互通信。STEP 7的用戶界面提供了通信組態功能,使得通信的組態比較簡單

54、。連接MPI網絡常用到兩種部件：網絡插頭和網絡中繼器。網絡插頭是節點的MPI與網絡電纜之間的連接器。網絡中繼器用于放大信號以及光電隔離，可用于擴展節點間的連接距離(最多增大20倍)；也可用作抗干擾隔離，如用于連接接地的節點和接地的MPI編程裝置的隔離器。對于MPI網絡系統，在接地的設備和不接地的設備之間連接時，應該注意RS485中繼器的連接與使用。3.2 三相異步電動機基本控制電路 在交流電力拖動系統中，電動機分為異步電動機和同步電動機，異步電動機由于具有結構簡單、價格便宜、運行可靠、維修方便等優點，因此在交流電力拖動系統中的電動機主要是三相異步電動機。3.2.1 三相異步電動機單向連續運行控

55、制電路三相異步電動機單向連續運行控制線路如圖3-5所示。圖中由電源開關QS、熔斷器FU、接觸器KM的主觸點、熱繼電器FR的熱元件和電動機M構成主電路。由起動按鈕SB1、停止按鈕SB2、接觸器KM的線圈及其常開輔助觸點、熱繼電器FR的常閉觸點和熔斷器FU2構成控制電路。圖3-5 單向連續運行控制電路圖起動時，合上電源開關QS，按下起動按鈕SB1，接觸器KM線圈得電，其在主電路中的常開觸點閉合，電動機在全壓下直接起動。同時與SB1并聯的接觸器輔助常開觸點也閉合，實現自鎖。停車時，按下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈失電，其在主電路中的常開主觸點斷開復位，三相電源被切除，電動機停轉。同時，接觸器在控制

56、電路中的輔助觸點也復位，斷開自鎖。松開SB2后，SB2復位，但與起動按鈕SB1并聯的常開觸點KM已經斷開，這時，接觸器線圈不能再依靠它來構成通電電路，只有再次按下起動按鈕SB1，電動機才能重新起動運行。在電路中，熔斷器FU1、FU2起短路保護作用，但不能起過載保護作用；熱繼電器FR對電動機起過載保護作用；依靠接觸器的電磁機構來實現對電動機的零壓（失壓）與欠壓保護作用。 3.2.2 三相異步電動機起動控制電路三相異步電動機在全壓下起動時，起動電流很大，可達其額定電流的4-7倍，過大的起動電流一方面會使電網電壓顯著降低，影響鄰近設備的正常運行；另一方面，會在供電線路和電機內部產生損耗而引起發熱。因此，電動機容量在10KW以上時，通常采用降壓起動。常見的降壓起動方式有：定子繞組串電阻（或電抗）降壓起動、Y-降壓起動、自耦變壓器降壓起動。 （1）定子繞組串電阻降壓起動控制電路定子繞組串電阻降壓起動控制電路如圖3-6所示。圖中KM1為串電阻降壓起動接觸器，KM2為短接電阻全壓運行接觸器，KT為時間繼電器，R為降壓起動電阻。 圖3-6 定子繞組串電阻降壓起動控制電路圖合上電源開關QS，按下起動