PAGE2基于plc控制加熱反應爐控制系統設計摘要變壓器和電動機是最多使用的電氣設備。在其生產和維修過程中，先要進行線圈的繞制，然后浸漆，為保證電機或變壓器線圈的絕緣強度，需要用加熱爐對其線圈浸漆后進行干燥。這就要求加熱爐的溫度必須保持在預先設定的溫度值。溫度控制系統廣泛應用于工業控制領域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統，電焊機的溫度控制系統等。加熱爐溫度控制在許多領域中得到廣泛的應用。這方面的應用大多是基于單片機進行PID控制,然而單片機控制的DDC系統軟硬件設計較為復雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認的最佳選擇。加熱爐溫度是一個大慣性系統，一般采用雙閉環調節進行控制。本設計是利用三菱S7-300PLC控制加熱爐溫度的控制系統。首先介紹了溫度控制系統的工作原理和系統的組成，然后介紹了三菱S7-300PLC和系統硬件及軟件的具體設計過程。關鍵詞：三菱S7-300PLC；PLC；溫度控制系統ABSTRACTTransformersandmotorsarethemostwidelyusedelectricalequipment.Intheprocessofproductionandmaintenance,coilwindingmustbecarriedoutfirstandthendippedinpaint.Inordertoensuretheinsulationstrengthofthemotorortransformercoil,itisnecessarytousetheheatingfurnacetodrythecoilafteritispainted.Thisrequiresthatthetemperatureofthefurnacemustbekeptatapresettemperature.Temperaturecontrolsystemiswidelyusedinindustrialcontrolareas,suchassteelplant,chemicalplant,thermalpowerplantboilertemperaturecontrolsystem,weldingmachinetemperaturecontrolsystemandsoon.Thetemperaturecontrolofreheatingfurnacehasbeenwidelyusedinmanyfields.ThisapplicationismostlybasedonPIDMCUcontrol,yetthehardwareandsoftwaredesignofDDCsystemcontrolledbySCMismorecomplex,especiallyrelatedtologiccontrolmorethantheirstrengths,butthebestchoiceinthisrespectisrecognizedasPLC.Reheatingfurnacetemperatureisalargeinertiasystem,whichisusuallycontrolledbydoubleclosedloop.ThisdesignusesMITSUBISHIS7-300PLCtocontrolthetemperaturecontrolsystemoftheheatingfurnace.Firstly,theworkingprincipleandsystemcompositionofthetemperaturecontrolsystemareintroduced.Then,thedesignprocessofMITSUBISHIS7-300PLCandthehardwareandsoftwareofthesystemareintroduced.Keywords：SiemensS7-300PLC；ProgrammableLogicController;ThecontrolSystemoftemperature;

目錄摘要 1ABSTRACT 21緒論 31.1課題背景及研究目的和意義 32PLC基本概念 42.1PLC的定義和基本組成 42.2PLC的特點及優勢 52.3PLC的工作原理 53PLC控制系統設計 73.1系統工作原理 73.2PLC控制系統設計的基本原則和步驟 73.2.1I/O分配表 83.2.2變量名的定義 93.2.3PLCI/O接線圖 93.2.4PLC的控制流程 103.3PLC型號的選擇及其簡介 113.3.1數字量輸入模塊與輸出模塊 113.3.2模擬量輸入模塊與輸出模塊 123.4溫度傳感器 123.4.1.熱電偶 123.4.2.熱電阻 133.5固態繼電器 144軟件設計 154.1STEP7編程軟件簡介 154.1.1STEP7概述 154.1.2STEP7的編程功能 154.1.3STEP7的編程語言 154.1.4STEP7的硬件組態與診斷功能 164.2加熱反應爐控制程序設計 164.3S7-300程序設計梯形圖 174.3.1初次上電 174.3.2啟動/停止階段 184.3.3報警程序 194.4STEP7項目的創建 204.4.1使用向導創建項目 204.4.2直接創建項目 224.4.3硬件組態與參數設置 234.5STEP7中的編程技術 304.5.1STEP7中的塊 30結束語 33參考文獻 34致謝 35附錄 36

1緒論1.1課題背景及研究目的和意義近年來，加熱爐溫度控制系統是比較常見和典型的過程控制系統，溫度是工業生產過程中重要的被控參數之一，冶金﹑機械﹑食品﹑化工等各類工業生產過程中廣泛使用的各種加熱爐﹑熱處理爐﹑反應爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業生產和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監控。由于許多實踐現場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復雜，傳統的加熱爐電氣控制系統普遍采用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現邏輯控制，使控制系統的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業生產。隨著計算機控制技術的發展，傳統繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統變的經濟高效穩定且維護方便。這種溫度控制系統對改造傳統的繼電器控制系統有普遍性意義。2PLC基本概念2.1PLC的定義和基本組成PLC英文全稱ProgrammableLogicController,中文全稱為為可編程邏輯控制器，定義是：一種數運算操作的電子系統，專為在工業應用環境而設計的。它采用一種可編程的存儲器用于其內部存貯程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數及算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入輸出控制各種類型的機器或生產過程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有PLC可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、、底板或機架。功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成，各種模塊安裝的機架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網絡上，可以與計算機、其它PLC或其它設備通信。(1)CPU模塊CPU是PLC的核心，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。(2)I/O模塊

輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊一般簡稱為I/O模塊，開關量輸入/輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入/輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，在S7-300中統稱為信號模塊。信號模塊是系統的眼、耳、手、腳，是聯系外部現場設備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數字撥碼開關、限位開關、接近開關等來的開關量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發電機和各種變送器提供的連續變化的模擬量電流電壓信號。開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制電動調節閥、變頻器等執行器。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內部電路和外部的輸入、輸出電路。(3)功能模塊為了增強PLC的功能，擴大應用領域，減輕CPU的負擔，PLC廠家開發了各種各樣的功能模塊。主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很高的控制任務。(4)接口模塊CPU模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現中央機架和擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴展機架供電。(5)通信處理器通信處理器用于PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工業以太網，或者用于點對點通信。(6)編程器

編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調試和監視的。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯機編程，且往往需要將梯形圖轉化為機器語言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。操作方便且功能強大。(7)電源PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。2.2PLC的特點及優勢（1）功能強，性能價格比高：一臺小型的PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯網，實現分散控制，集中管理。（2）可靠性高，抗干擾能力強：PLC用軟件取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器和時間繼電器，接線可減少到繼電器控制系統的十分之一以下，大大減少了因觸點接觸不良造成的故障。S7-300有極強的故障診斷能力。PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，可以直接用于有強烈干擾的工業生產現場，PLC已被公認為最可靠的工業控制設備之一。（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強：PLC產品已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規模的系統。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應工藝條件的變化。（4）維修工作量小，維修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時，根據PLC上的發光二極管或編程軟件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。（5）體積小，能耗低：對于復雜的控制系統，使用PLC后，由于減少了大量的中間繼電器和時間繼電器，開關柜的體積比繼電器控制系統小的多。（6）編程方法簡單易學：梯形圖是使用的最多的PLC編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易用，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只需花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。2.3PLC的工作原理可編程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一個不斷循環的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令開始，按順序逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描【5】。PLC就是這樣周而復始地重復上述循環掃描的。PLC工作的全過程可用圖2-1所示的運行框圖來表示。圖2.1可編程控制器運行框圖3PLC控制系統設計本章主要從系統設計結構和硬件設計的角度，介紹該項目的PLC控制系統的設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計。3.1系統工作原理加熱爐溫度控制系統基本構成如圖3.1所示，它由PLC主控系統、固態繼電器、加熱爐、溫度傳感器等4個部分組成。圖3.1加熱爐溫度控制系統基本組成加熱爐溫度控制實現過程是:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉化為電壓信號，PLC主控系統內部的A/D將送進來的電壓信號轉化為三菱S7-300PLC可識別的數字量，然后PLC將系統給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經過PID運算處理后，給固態繼電器輸入端一個控制信號控制固態繼電器的輸出端導通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度控制得到實現。其中PLC主控系統為加熱爐溫度控制系統的核心部分起著重要作用。3.2PLC控制系統設計的基本原則和步驟PLC控制系統設計的基本原則：（1）充分發揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用及維修方便。（3）保證控制系統安全可靠。（4）應考慮生產的發展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、I／O點數和存儲器容量等內容時，應留有系統的調整和擴充。PLC控制系統設計的一般步驟：設計PLC應用系統時，首先是進行PLC應用系統的功能設計，即根據被控對象的功能和工藝要求，明確系統必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統的功能分析，即通過分析系統功能，提出PLC控制系統的結構形式，控制信號的種類、數量，系統的規模、布局。最后根據系統分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統的具體配置【4】。PLC控制系統設計可以按以下步驟進行：(1)熟悉被控對象，制定控制方案分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對PLC控制系統的控制要求。(2)確定I／O設備根據系統的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I／O點數。(3)選擇PLC選擇時主要包括PLC機型、容量、I／O模塊、電源的選擇。(4)分配PLC的I／O地址根據生產設備現場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規格、數量；根據所選的PLC的型號列出輸入／輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I／O接線圖和編制程序。(5)設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。(6)聯機調試聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。3.2.1I/O分配表根據加熱反應爐自動控制系統的要求，需要6個輸入點，5個輸出點，共11個I/O點。結合PLC實驗室現有資源，同時兼顧系統的經濟性和技術指標，因此選用三菱S7--300型PLC該CPU基本單元共有8個輸入點，8個輸出點；它功能簡單實用，價格便宜，主要用于小型開關量控制系于橫排端子排，繼電器輸出。其指令系統完全能達到加熱反應爐自動控制系統的要求。具體的I/O分配表見下表表3.2I/O地址分配表3.2.2變量名的定義系統各部分均進行數據交換、處理和實現數據的可視化必須要做的兩項任務:定義數據對象和數據對象的屬性設置。表3.3為各項變量的定義和屬性設置。表3.3變量的定義3.2.3PLCI/O接線圖加熱反應爐PLC接線如圖3.4所示。PLC控制系統構成必須和電源、主令裝置、傳感器設備以及驅動執行機構相連接。外界輸入器件可以是無源觸點或是有源的傳感器輸入。這些外部器件的兩頭，一頭接到PLC的輸入端(例如X0、Xl、…)，另一頭連在一起接到公共端上(COM端)，形成閉合有源回路。交流供電的S7--300型PLC提供輔助直流電源，供輸入設備和部分擴展單元用。輔助電源容量為250~60mA。在容量不夠的情況下，需要單獨提供直流電源。輸出口與執行裝置相連接，執行裝置主要包括各種電磁閥。這些設備本身所需的功率較大，PLC一般不提供執行器件的電源，需要外接電源。由于執行器件都是相同幅值的電磁閥，因此可接同一個COM端。【2】圖3.4PLCI/O接線圖3.2.4PLC的控制流程由加熱反應爐控制系統實現的功能，結合PLC可以設計如圖3所示的系統控制流程。按下啟動按鈕SB1后，系統運行；按下停止按鈕SB2后，系統停止。第一階段：送料控制，檢測下液面SL1,爐內溫度ST,爐內壓力SP是否小于給定值（都為“0”）若是則開啟排氣閥YV1和進料閥YV2。當液位上升到上液位設定值時，SL2=1,應關閉排氣閥YV1和進料閥YV2。延時10S,開啟氮氣閥YV3,氮氣進入反應爐，爐內壓力上升。當壓力上升到給定值時，即SP=1,關閉氮氣閥。送料過程結束。第二階段：加熱反應控制，接通反應爐電源KM,開始對反應爐加溫。當溫度上升到給定值時（此時信號ST=1），切斷加熱電源。延時10S，加熱過程結束。第三階段：泄放控制，打開排氣閥YV1,使爐內壓力降到給定值以下（此時SP=0）。打開泄放閥YV4，當爐內溶液下降到下液面以下（此時SL1=0）,關閉泄放閥YV4和排氣閥YV1。系統恢復到原始狀態準備進入下一循環。本系統設計為條件型順序控制系統，云霄速度快，可靠性高，功能強，輸入為干接觸式，輸出為繼電器形式。綜上，其控制流程圖如下3.5所示：圖3.5控制流程圖3.3PLC型號的選擇及其簡介本溫度控制系統采用德國三菱S7-300PLC。S7-300是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-300系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7-300系列具有極高的性能/價格比【3】。3.3.1數字量輸入模塊與輸出模塊數字量輸入模塊：數字量輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子數字式傳感器，例如二線式光電開關和接近開關等。數字量輸入模塊將從現場傳來的外部數字信號的電平轉換為PLC內部的信號電平。輸入電路中一般設有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數毫安。數字量輸出模塊：SM322數字量輸出模塊將S7-300的內部電平信號轉化為控制過程所需的外部信號電平，同時具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅動直流負載的大功率晶體管和場效應晶體管、驅動交流負載的雙向晶閘管或固態繼電器，以及既可以驅動交流負載又可以驅動直流負載的小型繼電器。輸出電流典型值為0.5~2A，負載電源由外部現場提供。3.3.2模擬量輸入模塊與輸出模塊模擬量變送器：生產過程中有大量的連續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、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強電電量，例如發電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉換為標準的直流電流或直流電壓信號，例如DC0~10V和4~20mA。SM331模擬量輸入模塊的基本結構：模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉換為CPU內部處理用的數字信號，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節約了硬件成本，控制系統的結構也更加緊湊。模擬量輸出模塊的基本結構：S7-300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數字信號轉換為成比例的電流信號或電壓信號，對執行機構進行調節或控制，其主要組成部分是D/A轉換器。模擬量輸出模塊的技術參數：SM332的4種模擬量輸出參數均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負載電壓均為DC24V。模塊與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時最大距離為200m。都有短路保護，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。3.4溫度傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。根據美國儀器學會的調查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發明的，這就是后來的熱電偶傳感器。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據波與物質的相互作用規律，相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。3.4.1.熱電偶工業熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調節器配套使用，它可以直接測量各種生產過程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標準電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導體,兩端經焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產生熱電流，這種現象稱為熱電效應；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產生的熱電動勢的對應溫度值，電動勢隨溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質以及兩端的溫度有關，而和熱電偶的長短粗細無關【1】。根據使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強等特點，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內部充滿高密度氧化絕緣體物質，非常適合于環境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常應用于生產現場伴有各種易燃、易爆等化學氣體的場合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業應用來說，為了保護感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應也就遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環境溫度的波動對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償器抵消這種影響。當測量點遠離儀表時，還需要使用熱電勢率和熱電偶相近的導線來傳輸信號，這種導線稱為補償導線。3.4.2.熱電阻熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。當電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應的溫度值。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。鉑熱電阻根據使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調節儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標準電流信號或0-10V標準電壓信號，使用起來更為方便。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅。此外，現在已開始采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據使用場合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關系即分度特性符合IEC標準。分度號Pt100的含義為在0℃時的名義電阻值為100Ω，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅熱電阻等。本設計選用鎳鉻-鎳硅N型熱電偶【8】。3.5固態繼電器（1）概述固態繼電器（SolidStateRelay，簡稱SSR）與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質上相同的功能。SSR是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單項可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。它是一種四端有源器件，其中兩端為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，如圖3.5所示。

圖3.6固態繼電器模塊示意圖當輸入端有控制信號，輸出端從關斷狀態變為導通狀態；控制信號撤消后，輸出端變為關斷狀態，從而實現自動控制的用途。

固態繼電器的輸入端、輸出端之間采用光電隔離技術，使得弱電和強電隔離，因此從計算機等弱電設備輸出的信號可以直接加在固態繼電器的控制端上，無需另外的保護電路。(2)固態繼電器的組成

固態繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管【9】。4軟件設計4.1STEP7編程軟件簡介4.1.1STEP7概述STEP7編程軟件用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它們編程、監控和參數設置的標準工具。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數設置、通信組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP7中，用項目來管理一個自動化系統的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATICS7、M7、C7和WinAC的數據。實現STEP7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP7中【10】。4.1.2STEP7的編程功能STEP7的標準版只配置了3種基本的編程語言，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語句表（STL），有鼠標拖放、復制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節省輸入時間和存儲區域，并且“更接近硬件”。STEP7專業版的編程語言包括S7-SCL（結構化控制語言）、S7-GRAPH（順序功能圖語言）、S7HiGraph和CFC，這四種語言對于標準版是可選的。STEP7用符號表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號名稱、數據類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應用程序使用，所有工具自動識別系統參數的變化【11】。測試功能和服務功能包括設置斷點、強制輸入和輸出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態功能、直接下載和調試塊、同時監測幾個塊的狀態等。程序中的特殊點可以通過輸入符號名或地址快速查找STEP7的幫助功能：選定想要得到的在線幫助的菜單目錄，或打開對話框，按F1鍵便可得到與它們有關的在線幫助。執行菜單命令“Help”→“Contents”進入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關鍵詞，可以查找與某一關鍵詞有關的幫助。4.1.3STEP7的編程語言STEP7的標準軟件包支持3中編程語言：（1）梯形圖編程語言LAD(LadderLogicProgrammingLanguage)梯形圖和繼電器控制電路原理圖很相似，采用觸點和線圈等符號，這種編程語言簡單易學，便于掌握，對于沒有微機基礎而對繼電器控制電路比較熟悉的技術人員很容易學會。（2）語句表編程語言STL（StatementListProgrammingLanguage）語句表包含豐富的STEP7指令，采用文本編程的方式，對于熟悉其他編程語言的程序員，這種編程語言比較容易理解。STL更接近程序員的語言，能夠使用所有指令，靈活性較強。但STL語言不夠直觀，需要記憶大量的編程指令，而且要求對CPU內部的寄存器等結構了解清楚。（3）功能圖（FBD）功能圖語言類似數字電路里的邏輯功能圖，指令是不同的功能盒，根據一定的邏輯關系連接功能盒，實現一定的控制功能。4.1.4STEP7的硬件組態與診斷功能硬件組態工具用于對自動化工程中使用的硬件進行配置和參數設置。主要包括：（1）系統組態：從目錄中選擇硬件機架，并將所選模塊分配給機架中希望的插槽。（2）CPU的參數設置：可以設置CPU模塊的多種屬性，例如啟動屬性、掃描監視時間等，輸入的數據存儲在CPU的系統數據塊中。（3）模塊的參數設置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模塊的的可調整參數，包括功能模塊與通信處理器，不必通過DIP開關來設置。在參數設置屏幕中，有的參數由系統提供若干個選項，有的參數只能在允許的范圍輸入，因此可以防止輸入錯誤的數據。通信的組態包括：連接的組態和顯示。設置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設備之間的周期性數據傳送的參數，選擇通信的參與者，在表中輸入數據源和數據目的地后，通信過程中數據的生成和傳送均是自動完成的。設置用MPI、PROFIBUS或工業以太網實現的事件驅動的數據傳輸，包括定義通信鏈路。從集成塊庫中選擇通信模塊（CFB），用通用的編程語言（例如梯形圖）對所選的通信模塊進行參數設置5。STEP7系統診斷：系統診斷為用戶提供自動化系統的狀態，可以通過2種方式顯示；（1）快速瀏覽CPU的數據和用戶編寫的程序在運行中的故障原因。（2）用顯示模塊的一般信息和模塊的圖形方式顯示硬件配置，例如狀態：顯示模塊故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；顯示診斷緩沖區的信息等。4.2加熱反應爐控制程序設計由加熱反應爐控制系統實現的功能，結合PLC可以設計如圖4.1所示的系統控制流程。按啟動按鈕SB1后，系統運行；按停止按鈕SB2后，系統停止。第一階段：送料控制，檢測下液面SL1,爐內溫度ST,爐內壓力SP是否小于給定值（都為“0”）若是則開啟排氣閥YV1和進料閥YV2。當液位上升到上液位設定值時，SL2=1,應關閉排氣閥YV1和進料閥YV2。延時10S,開啟氮氣閥YV3,氮氣進入反應爐，爐內壓力上升。當壓力上升到給定值時，即SP=1,關閉氮氣閥。送料過程結束。第二階段：加熱反應控制，接通反應爐電源KM,開始對反應爐加溫。當溫度上升到給定值時（此時信號ST=1），切斷加熱電源。延時10S，加熱過程結束。第三階段：泄放控制，打開排氣閥YV1,是爐內壓力降到給定值以下（此時SP=0）。打開泄放閥YV4，當爐內溶液下降到下液面以下（此時SL1=0）,關閉泄放閥YV4和排氣閥YV1。系統恢復到原始狀態準備進入下一循環.圖4.1程序流程圖4.3S7-300程序設計梯形圖4.3.1初次上電(1)讀入模擬信號，并把數值轉化顯示鍋爐的當前電壓(2)判斷爐溫是否在正常范圍，打亮正常運行指示燈/溫度越上限報警指示燈圖啟動/停止階段啟動過程：按下啟動按鈕后，開始標志位M0.1置位，M0.2復位。打開運行指示燈Q0.0，熄滅并停止指示燈初始化PID。開始運行子程序0。停止過程：按下停止按鈕后，開始標志位M0.1復位，點亮停止指示燈，熄滅運行指示燈。并把輸出模擬量AQW0清零，停止鍋爐繼續加熱。停止調用子程序0，仍然顯示鍋爐溫度。network圖4.3圖4.4停止時模擬量輸出清零，防止鍋爐繼續升溫。4.3.3報警程序通過軟件編程實現報警功能相對硬件電路而言更加簡單方便，其程序如下：圖4.54.4STEP7項目的創建在STEP7中，用項目來管理一個自動化系統的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便的瀏覽SIMATICS7、C7、和WinAC的數據。因此，掌握項目創建的方法就非常重要。4.4.1使用向導創建項目首先雙擊桌面上的STEP7圖標，進入SIMATICManager窗口，進入主菜單【File】，選擇【’NewProject’Wizard…】,彈出標題為“STEP7Wizard：NewProject”(新項目向導)的小窗口。●點擊【NEXT】按鈕，在新項目中選擇CPU模塊的型號為CPU315-2DP。●點擊【NEXT】按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊OB1。●點擊【NEXT】按鈕，輸入項目的名稱，按【Finish】生成的項目。過程如圖4.1所示。生成項目后，可以先組態硬件，然后生成軟件程序。也可以在沒有組態硬件的情況下，首先生成軟件。圖4.6新建項目圖4.7選擇CPU模塊的型號圖4.8生成邏輯塊圖4.9輸入項目名稱圖4.10使用向導創建項目4.4.2直接創建項目進入主菜單【File】，【選擇New…】,將出現如圖4.7的一個對話框，在該對話框中分別輸入“文件名”、“目錄路徑”等內容，并確定，完成一個空項目的創建工作。圖4.11直接創建項目4.4.3硬件組態與參數設置（1）硬件的組態硬件組態的任務就是在STEP7種生成一個與實際的硬件系統完全相同的系統，例如要生成網絡、網絡中各個站的導軌和模塊，以及設置各硬件組成部分的參數，即給參數賦值。所有模塊的參數都是用編程軟件來設置的，完全取消了過去用來設置參數的硬件DIP開關。硬件組態確定了PLC輸入/輸出變量的地址，為設計用戶程序打下了基礎。組態時設置的CPU的參數保存在系統數據塊SDB中，其他模塊的參數保存在CPU中。在PLC啟動時CPU自動的向其他模塊傳送設置的參數，因此在更換CPU之外的模塊后不需要重新對它們賦值。PLC在啟動時，將STEP7中生成的硬件設置與實際的硬件配置進行比較，如果二者不符，將立即產生錯誤報告【6】。（2）硬件組態的步驟①生成站，雙擊Hardware圖標，進入硬件組態窗口；②生成導軌，在導軌中放置模塊；③雙擊模塊，在打開的對話框中設置模塊的參數，包括模塊的屬性和DP主站、從站的參數；④保存編譯硬件設置，并將它下載到PLC中去。如圖4.12～4.15所示為本設計的組態。圖4.12生成站圖4.13生成導軌圖4.14設置模塊的參數中模塊的屬性圖4.15設置模塊的參數中DP主站，從站的參數圖4.16保存編譯硬件設置（3）參數設置ⅰCPU模塊的參數設置:S7-300各種模塊的參數用STEP7編程軟件來設置。在STEP7的的SIMATIC管理器中點擊“Hardware”(硬件)圖標，進入“HWConfig”(硬件組態)畫面后，雙擊CPU模塊所在的行，在彈出的“Properties”(屬性)窗口中點擊某一選項卡，便可也設置相應的屬性。下面以S7315-2DP為例，簡紹CPU主要參數的設置方法。用鼠標點擊某小正方形的檢查框，框中出現一個“√”，表示選中了該選項，再點擊一下，“√”消失，表示沒有選中該選項，該選項被禁止。“Setup”（啟動）選項卡用于設置啟動特性，S7-300只能執行暖啟動（warmrestart）。“Cycle/ClockMemory”(循環/時鐘存儲器)選項卡用于設置掃描循環監視時間、通信處理占掃描周期的百分比和時鐘脈沖字節。一個字節的存儲器的每一位對應一個時鐘脈沖，時鐘脈沖是一些可供用戶程序使用的占空比為1：1的方波信號。“Diagnostics/Clock”(診斷與時鐘)選項卡用于設置系統診斷參數與實時鐘參數。圖4.17CPU屬性設置對話框在電源掉電或CPU從RUN模式進入STOP模式后，其內容保持不變的存儲區稱為保持存儲區。“RetentivityMemeory”(保持存儲器)選項卡用來設置從MB0、T0和C0開始的需要斷電保持的存儲器字節數、定時器和計數器的個數，設置的范圍與CPU的型號有關【7】。在“Protection”(保護)選項卡可以選擇3個保護級別：允許讀寫，只允許讀和禁止讀寫，后兩種情況需要設置口令。還可以選擇PLC是處于限制測試功能的Operation(運行模式)，或是處于可以執行所有的測試功能的測試模式。“Time-Of-DayInterrupts”選項卡用于設置日期-時間中斷的參數。在“CyclicInterrupts”選項卡種可以設置循環中斷的參數。在“Interrupts”選項卡，可以設置硬件中斷、延遲中斷、DPV1(PROFIBUS-DP)中斷和異步錯誤中斷的參數。在“Communication”(通信)選項卡，可以設置PG（編程器或計算機）通信、OP(操作員面板)通信和S7standard（標準S7）通信使用的連接的個數。ⅱ數字量輸入/輸出模塊的參數設置輸入/輸出模塊的參數在STEP7中設置，參數設置必須在CPU處于STOP模式下進行。設置完所有的參數后，應將參數下載到CPU中。當CPU從STOP模式轉換為RUN模式時，CPU將參數傳送到每個模塊。在STEP7的SIMATIC管理器中點擊“Hardware”(硬件)圖標，進入“HWConfig”(硬件組態)畫面。雙擊圖中左邊機架4號槽中的“DI32×DC24V”，出現圖4.18所示的屬性（Properties）窗口。點擊“Addresses”選項卡，可以設置模塊的起始字節地址。圖4.18數字量輸入模塊的參數設置同樣方法可以設置數字量輸出模塊的參數。ⅲ模擬量輸入/輸出模塊的設置模塊診斷與中斷的設置：8通道12位模擬量輸入模塊的參數設置對話框。點擊“Inputs”(輸入)選項卡，在該頁可以設置是否允許診斷中斷和模擬值超過限制值的硬件中斷，有的模塊還可以設置模擬量轉換的循環結束時的硬件中斷和斷線檢查。如果選擇了超限中斷，窗口下面的“Highlimit”(上限)由灰變白，可以設置通道0和通道1產生超限中斷的上限值和下限值。每兩個通道為一組，可以設置是否對各組進行診斷。圖4.19模擬量輸入模塊的參數設置本設計選TC-I（熱電偶）并且選擇N型熱電偶（即鎳鉻-鎳硅熱電偶），如圖4.20～4.21所示：圖4.20模擬量輸出模塊參數設置圖4.21模擬量輸出模塊參數設置模塊測量范圍的選擇：可以分別對模塊的每一通道組選擇允許的任意量程，每兩個通道為一組。例如在“Inputs”選項卡中點擊0號和1號通道的測量種類，圖中選擇的TC-I是熱點偶傳感器的測量量。如果未使用某一組的通道，應選擇測量種類中的“Deactivated”(禁止使用)，以減小模擬量輸入模塊的掃描時間。設置模擬值的平滑等級：有些模擬量輸入模塊用STEP7設置模擬值的平滑等級。模擬值的平滑處理可以保證得到穩定的模擬信號。這對于緩慢變化的模擬值（例如溫度測量值）是很有意義的。平滑處理用平均值數字濾波來實現，即根據系統規定的轉換次數來計算轉換后的模擬值的平均值。用戶可以在平滑參數的四個等級（無、低、平均、高）中進行選擇，這四個等級決定了用于計算平均值的模擬量采樣值的個數。所選的平滑等級越高，平滑后的模擬值越穩定，但是測量的快速性越差。4.5STEP7中的編程技術4.5.1STEP7中的塊STEP7中的塊主要包括組織塊（OB）、功能（FC）、功能塊（FB）、系統功能（SFC）、系統功能塊（SFB）、背景數據塊（IDB）、共享數據塊（SDB），它們是一些獨立的程序或數據單元，在STEP7的Blocks文件夾下，如圖4.22所示。圖4.22STEP7中的塊(1)組織塊OB組織塊OB是CPU操作系統和用戶程序的接口，只有CPU操作系統可以調用組織塊。操作系統根據不同的啟動事件（如日期時間中斷、硬件中斷等）調用不同的組織塊。因此，用戶的主程序必須寫在組織塊中。根據啟動條件，組織塊可分為以下幾大類：啟動組織塊、循環執行的程序組織塊、定期執行的程序組織塊、事件驅動執行的程序組織塊。在上面4類組織塊中，首先要掌握的是循環執行的程序組織塊。循環執行的程序組織塊只有一個，即OB1，也稱為主程序組織塊。用戶可將主程序寫在OB1中，通過OB1調用其他的FC或FB程序塊。對其他組織塊，用戶可根據該組織塊的特點功能決定是否在該組織塊中編寫程序。下面詳細介紹各組織塊的功能：①啟動組織塊當CPU上電，或者操作模式由停止狀態改變為運行狀態時，CPU首先執行啟動組織塊，只執行一次，然后開始循環執行主程序塊OB1。注意：啟動組織塊只在PLC啟動的瞬間執行，而且只執行一次。S7系列PLC的啟動組織塊有3個，分別為OB100、OB101和OB102。這3個啟動組織塊對應不同的啟動方式。至于PLC采取哪種啟動方式，是與CPU的型號以及啟動模式有關的。下面介紹這3種啟動組織塊的使用方法。1）OB100為完全再啟動類型（暖啟動）。啟動時，過程映像區和不保持的標志存儲器、定時器及計數器被清零，保持的標志存儲器、定時器和計數器以及數據塊的當前值保持原狀態，執行OB100，然后開始執行循環程序OB1。一般S7-300PLC都采用此種啟動方式。2）OB101為再啟動類型（熱啟動）。啟動時，所有數據（無論是保持型和非保持型）都將保持原狀態，并且將OB101中的程序執行一次。然后程序從斷點處開始執行。剩余循環執行完以后，開始執行循環程序。熱啟動一般只有S7-400具有此功能。3）OB102為冷啟動方