毕业设计（论文）-PLC奶罐搅拌控制系统设计

毕业设计（论文）-PLC奶罐搅拌控制系统设计内容摘要在这个追求效率最大化的社会中～提高生产线自动化程度、增强生产效率、优化控制手段、丰富控制层次～都已成为了工业生产中大力推动成产效率的不二选择。就牛奶生产的搅拌工艺来说～若依靠人工操作来实现牛奶的均匀搅拌、添加剂的比例给定及实时温度的调控～则所生产出来的牛奶不仅质量难以达标～而且浪费了人力物力资源～严重的影响了生产效率。就此～我基于国内某知名牛奶制造公司的奶罐搅拌方式～通过对plc以及变频器的研究控制、程序软件的学习研究～对此项课进入深入的分析研究.首先～作为工业控制计算机～PLC执行各种各样的控制算法程序～完成闭环控制。而变频器是应用变频技术与微电子技术～通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。可以说随着PLC与变频器的不断发展～其对奶罐搅拌工艺效率的提高有着重要的意义。目前市面上的牛奶主要是巴氏杀菌奶～即将采集来的鲜牛奶经过巴氏杀菌之后～加入两种必要添加剂搅拌之后～进入灌装生产线进行包装出售。本次设计就是针对巴氏消毒后的工艺而进行的～在巴氏消毒结束后～需要向牛奶中添加两种必要的添加剂～并进行搅拌～内容包括搅拌控制,由于工艺要求～包括变频和工频,～搅拌过程中温度～液位～电机转速等现场参数的监控等等～本次设计由控制站和操作站两部分组成～控制站使用了西门子公司STEP7编程软件～操作站则使用的是WINCC软件。通过西门子S7-300系列PLC来实现。此外～还运用了西门子公司的MR440系列变频器对搅拌电机的转速进行控制和调节～以及热电阻～液位传感器等现场信号采集设备。其中还包括对现场采集来的信号参数的标准化过程等。最后～通过此次设计～努力做到了将生产线最大的自动化～监控的系统化～实现搅拌过程由工频到变频自动操作～丰富操控层次～实现现场操控和远程调控相结合～提高牛奶的生产效率～也为牛奶产品的质量提供了强有力的保障:关键词:S7300,变频器,WinCC,牛奶搅拌AbstractInthisquesttomaximizetheefficiencyofsociety,thedegreeofautomationincreaseproduction,improvingproductionefficiency,optimizethecontrolmeans,richcontrolhierarchy,havebecomeindustrialproductionintotheproductionefficiencyinDalitopromotethebestchoice.Mixingprocessofmilkproduction,ifthemilktorelyonmanualoperationtoachieveuniformmixing,additives,andtheproportionofagivenreal-timetemperaturecontrol,itwouldhaveproducednotonlythequalityofmilkisdifficulttocompliance,butalsoawasteofhumanandmaterialresources,seriousoftheproductionefficiency.Inthisconnection,Imustwitharenownedmanufacturerofthemilkcansmilkstirringmethod,throughtheplcandtheInvertercontrolsoftwareforstudyandresearchonthissubjectintothein-depthanalysis.Firstofall,asanindustrialcontrolcomputer,PLCcontrolalgorithmtothepreparationofvariousprocedurestocompletetheclosed-loopcontrol.PIDclosed-loopcontrolsystemadjustmentisgenerallyalotabouttheadjustmentmethodused.LargePLChadPIDmodule,nowmanysmallPLCalsohasthefunctionmodule.PIDtreatmentisgenerallyrunningadedicatedPIDroutine.Processcontrolinmetallurgy,heattreatment,boilercontrolandotheroccasionshaveaverywiderangeofapplications.ApplicationofvariablefrequencyconverterisFrequencytechnologyandmicroelectronictechnology,electricalworkbychangingthefrequencyandamplitudeofthepowertocontrolACmotorsofelectricdrivecomponents.Istheuseofpowersemiconductordeviceswillbeofftheroleofpowerfrequencyelectricalenergyistransformedintoanotherfrequencycontroldevices.Currentlythemarketismainlymilkpasteurizedmilk,freshmilktobecollectedafterpasteurizationbeforejoiningthetwokindsofadditivemixingisnecessaryafterthefillinglineforpackagingintothesale.Thisdesignisforthepasteurizationprocesscarriedoutafter,afterthepasteurization,themilkneedtoaddtwokindsofnecessaryadditives,andformixing,includingmixingcontrol(dueprocessrequirements,includingthefrequencyandtheworkfrequency),mixingofthetemperature,liquidlevel,motorspeedandsoonandsoon-sitemonitoringofparameters,thisdesignbythehostcomputerandslaveoftwoparts,lowermachinetousetheSiemensSTEP7programmingsoftware,thePCisusedConfigurationsoftwareismade.ThroughtheSiemensS7-300seriesPLCtoachieve.Inaddition,theuseoftheSiemensMR440seriesinverteronthestirringspeedmotorcontrolandregulation,andthermalresistance,liquidlevelsensors,dataacquisitionequipmentonsite.Italsoincludeson-sitecollectiontothesignalparameterssuchasthestandardizationprocess.Finally,thedesignoftheproductionlinetobethelargestautomated,systematicmonitoring,themixingprocesstothefrequencybandfromtheindustrialautomation,controllevelsofwealth,toachievesitecontrolHeyuanChengcontrol,andtoimprovetheefficiencyofmilkproduction,butalsothequalityofmilkproductsprovidesapowerfulguarantee!Keywords:S7-300PLC;Inverter;WINCC;Stirmilk目录一、绪论.............................................1二、奶罐搅拌控制系统.................................22.1奶罐搅拌控制系统控制要求........................22.2可编程控制器介绍................................42.2.1PLC的特点...................................42.2.2PLC的应用...................................52.3软件介绍........................................62.3.1STEP7软件...................................62.3.2WinCC软件...................................8三、控制层系统设计...................................93.1硬件部分........................................93.1.1plc模块选型.................................93.1.2变频器的连接................................123.2软件部分.......................................143.2.1STEP7程序.................................143.2.2变频部分程序................................20四、操作层系统设计..................................224.1WinCC的使用与图形的建立.......................224.2标签的建立.....................................244.3报警记录.......................................254.4历史趋势画面...................................25报表画面.......................................274.5结论................................................30附录一电气控制图...................................31附录二STEP程序及说明...............................32致谢................................................35沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论一、绪论奶中的蛋白质主要是酪蛋白、白蛋白、球蛋白、乳蛋白等，所含的20多种氨基酸中有人体必须的8种氨基酸，奶蛋白质是全价的蛋白质，它的消化率高达98%。乳脂肪是高质量的脂肪，品质最好，它的消化率在95%以上，而且含有大量的脂溶性维生素。奶中的乳糖是半乳糖和乳糖，是最容易消化吸收的糖类。奶中的矿物质和微量元素都是溶解状态，而且各种矿物质的含量比例，特别是钙、磷的比例比较合适，很容易消化吸收。其实，早在我国"学生饮用奶"提出之前，把牛奶作为提高民族身体素质之法宝的国家和民族便已有许多。当前，一个全球性的"学童奶计划"正在世界范围内展开。英国前首相丘吉尔在谈到二战后欧洲重建问题时曾说过"没有什么投资比得上向儿童提供牛奶更重要～"。日本人在二战后更是提出了"一杯奶强壮一个民族"的口号，使得战后一代人的身体素质有了明显的改善。历史上美国居民也通过"三杯奶"运动，解决了钙营养的问题。乳制品已成为西方人的当家食品。随着国内经济的发展和国民生活水平的提高，牛奶在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，不论是老人还是孩子，不论是学生还是上班族，都离不开牛奶的陪伴，在超市中，形形色色的牛奶制品让人目不暇接，也带动了我国的牛奶加工行业的发展，促进了牛奶加工技术的提高～这对于进一步改善国民生活质量，提高国民身体素质，发展国民经济具有深远的影响～因此，牛奶生产的安全性高效性就显得尤为重要，近年来随着PLC以及变频器的发展，给牛奶既高效又安全的生产提供了一种可能～1沈阳化工大学学士学位论文第二章奶罐搅拌控制系统二、奶罐搅拌控制系统2.1奶罐搅拌工艺及系统控制要求在鲜奶加工过程中，当鲜奶被收集之后需要立即进行低温储存，然后进入杀菌车间进行巴氏杀菌，使牛奶在73-76摄氏度之间停留4秒钟，杀菌之后需要加入添加剂进行搅拌，本次设计的重点也在于此，当杀菌后的牛奶进入搅拌罐体A中之后，开始向A中注入一定量的的添加剂A开始搅拌，搅拌时间根据工艺要求而定，在A中搅拌均匀后，牛奶转入搅拌罐体B中，添加第二种添加剂B，同样进行搅拌，搅拌完全之后的牛奶进入灌装线进行灌装。再搅拌过程中，需要实时监测搅拌罐体的温度，流量，液位，罐体状态，以及搅拌电机的转速，这些都需要各种传感器来实现，电机转速要求在搅拌过程中可控，需要加入变频器来控制电机转速，是工频和变频可调，本地控制和远程控制可以随意转换～同时罐体的温度，液位，流量，以及电机的转速等现场信息都需要及时反馈到控制画面中。过程见图1-1:图1-1牛奶生产示意图罐体的温度，液位，流量，以及电机的转速等现场信息都需要及时反馈到控制画面中。综上所述，奶罐搅拌系统的监控要求如下:一、控制站方面1、就地控制:通过plc以及变频器可以即时的自动控制调节温度、液位、转速、流量四个变量2沈阳化工大学学士学位论文第二章奶罐搅拌控制系统2、远程控制:通过plc及线路的选择将现场的操作与远程工控机相连接，实现远程的随时调控二、操作站方面:1、要在现场与plc链接的电脑中显示出两种添加剂防腐剂和稳定剂的流量2、要在电脑中显示出从处理预备罐进入到搅拌罐时牛奶的流量值3、要在电脑中显示出搅拌罐的温度情况4、要在电脑中显示出连接搅拌器的电机的转速5、要在电脑中显示显示出报警画面还要有报警相应6、要在电脑中显示历史趋势7、可以随时的生成报表，包括产量流量的累积整个控制系统示意图1-2:图1-2奶罐搅拌的PLC控制系统示意图3沈阳化工大学学士学位论文第二章奶罐搅拌控制系统2.2可编程控制器简介可编程序控制器，简称PLC(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.2.1PLC的特点?可靠性高、抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。?配套齐全、功能完善、适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制，温度控制等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。?易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它的接口容易，编4沈阳化工大学学士学位论文第二章奶罐搅拌控制系统程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路，不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。?系统的设计工作量小、维护方便、容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种，小批量的生产场合。?体积小、重量轻、能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.2.2PLC的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。?开关量的逻辑控制这是PLC最基本，最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控制及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。?模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量(Analog)和数字量[2](Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。?运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。例如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的5沈阳化工大学学士学位论文第二章奶罐搅拌控制系统产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。?过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。?数据处理现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。?通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.3软件介绍2.3.1STEP7软件S7-300PLC的编程语言是STEP7。它继承了STEP5语言结构化程序设计的优点，是专门为S7系列PLC而设计的标准编程软件。在控制系统设计中，当PLC完成的控制任务比较复杂时，用户的编程工作量及控制程序就较大。如何把程序的各部分清晰的组织起来，即选择适合控制任务要求的程序结构非常关键。因此，在本次系统设计中，使用STEPT7编程时，一般采用的是分部编程方式。通常情况下，用户程序包括组织块(OB)、功能块(FB,FC)和数据块(DB)等三6沈阳化工大学学士学位论文第二章奶罐搅拌控制系统种类型的逻辑块，这也是STEP7编程中不可缺少的组成部分。?组织块(OB)组织块是操作系统和用户应用程序在各种条件下的接口界面，它可以由操作系统调用，用来控制循环执行或中断执行及PLC启动方式。常用的组织块大致有:OB1，OB35，OB40，B100等。OB100是启动特性组织块，CPU每次开始运行时，先运行的都是OB100。OB1是主程序循环块，它由操作系统不断循环调用，在编程时是必不可少的。OB35、OB40则分别为循环中断组织块和硬件中断组织块，主要用来响应来自PLC不同模块所发出的中断请求信号。?数据块(DB)数据块主要是用来存放用户应用程序中使用的变量数据，它也是实现各逻辑块之间交换、传递和共享数据的重要途径。因此在编程阶段，必须先定义数据块，然后再使用，否则将会造成系统错误。数据块定义完成后，里面的变量顺序及类型，决定了数据块的数据结构，变量的数量也决定了数据块的大小。同时在使用数据块之前，还必须将其作为用户程序的一部分下载到CPU中。另外，当需要使用指定的数据块，只要通过专门的指令便可以直接访问到相应的模块。?功能块(FB、FC)功能块主要由两部分组成:一部分是每个变量的变量声明表，声明表主要用来声明此块的局部数据，即参数和局部变量两大类;另一部分是逻辑指令组成的程序，这些程序也要用到变量声明表中所给出的局部数据。对功能块编程分两步进行:即定义局部变量和编写要执行的程序。同时一般调用功能块FB时，要说明其背景数据块。在增量方式下调用FB块时，STEP7会自动提醒并生成背景数据块。此时也为背景数据块设置了初始值，它与变量声明表中的值是相同的。另外，采用结构化编程方式时，要求用户程序提供一些通用的指令块，以便控制一类相似或相同的部件，同时给通用指令块提供的参数来进一步说明各部件的控制差异。这样，结构化的程序就能反复的调用这些通用指令块，而且结构化的程序还具有结构层次清晰，部分程序通用化、标准化，易于修改、简化程序的调试等优点。因此，它比较适合于本系统的控制任务。7沈阳化工大学学士学位论文第二章奶罐搅拌控制系统2.3.2WinCC软件WinCC是一个在MicrosoftWindows2000和WindowsXP下使用的强大的HMI系统。HMI代表“HumanMachineInterface(人机界面)”，即人(操作员)和机器(过程)之间的界面。自动化过程(AS)保持对过程的实际控制。一方面影响WINCC和操作员之间的通讯，另一方面影响WINCC和自动化系统之间的通讯。WINCC用于实现过程的可视化，并为操作员开发图形用户界面。WinCC允许操作员对过程进行观察。过程以图形化的方式显示在屏幕上。每次过程中的状态发生改变，都会更新显示。WinCC允许操作员控制过程。例如，操作员可以从图形用户界面预先定义设定值或打开阀门等。一旦出现临界过程状态，将自动发出报警信号。例如，如果超出了预定义的限制值，屏幕上将显示一条消息。在使用WINCC进行工作时，既可以打印过程值，也可以对过程值进行电子归档。这使得过程的文档编制更加容易，并允许以后访问过去的生产数据。WINCC的特征:可以将WINCC最优地集成到用户的自动化和IT解决中:作为SiemensTIA理念(全集成自动化)的一部分，WINCC可与属于SIMATIC产品家族的自动化系统非常协调地进行工作。同时，也支持其它厂商的自动化系统。通过标准化接口，WINCC可与其它IT解决方案交换数据，例如MES和ERP层的应用程序(例如SAP系统)或诸如MicrosoftExcel等程序。开放的WINCC编程接口允许用户连接自己的程序，从而能够控制过程和过程数据。可以优化定制WINCC，以满足过程的需要。支持大范围的组态可能性，从单用户系统和客户机-服务器系统一直到具有多台服务器的冗余分布式系统。WINCC组态可随时修改，即使组态完成以后也可修改。这不妨碍已存在的项目。WINCC是一种与Internet兼容的HMI系统，这种系统容易实现基于Web的客户机解决方案以及瘦客户机解决方案。8沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计三、系统控制层设计3.1硬件部分3.1.1plc模块选型?根据控制要求确定I/O点数分析本次设计的工艺流程及控制要求之后，总结出了本次设计所需要的I/O点数，包括液位，转速，流量等以及搅拌电机的启停变频控制等，统计出本系统对PLC的I/O总能力要求为:数字量输入个，数字量输出8个，模拟量输入40个，模拟量输出10个。?选择模块UCP根据控制要求及归纳分析，并考虑到操作员站的要求，统计出本系统对PLC的I/O总能力要求为:数字量输入10个，数字量输出10个，模拟量输入40个，模拟量输出10个。根据I/O点数，网络功能，控制要求，响应速度，存储器容量等综合考虑选用了CPU314。下面验证选型是否合理。存储器容量(根据统计经验)计算:数字量输入10*10=100字节数字量输出10*8=80字节模拟量输入/输出(40+10)*100=5000字节总字节数约为:5000+100+80=5.2kB此外,还有计数器、通讯接口等数据需要处理，而CPU314的存储器(RAM)是48KB，所以选CPU314，且其具有集成式PROFIBUS-DP接口模拟量输入模板SM331通常有8通道输入模板和2通道输入模板两种不同的规格型号，除了通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等各方面都完全一致。8路模板的8个模拟量输入通道共用一个A/D转换部件，通过模拟切换开关，各模拟量输入通道按顺序9沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计一个接一个的转换。某一通道从开始转换模拟量输入起，一直持续到再次开始转换的时间称模拟量输入模板的循环时间，它是模板中所有活动的模拟量输入通道的转换时间的总和。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，可使用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道，使其不占用循环时间，此外，不使用的输入还必须在硬件上短路连接。具体选择情况如下:需要采用热电阻测量的点共10个，选6ES7331-7PF00-0AB0型8X12位模板2块，有6个通道作为预留通道。普通模拟量输入点30个，选6ES7331-7KF02-0AB0型8X12位模板5块，有10个通道作为预留通道，它具有较强的通用性。模拟量输出模板模拟量输出模板用于SIMATICS7-300的模拟量输出及连接模拟量执行器，它将从S7-300来的数字量转换为过程用的模拟量信号。模拟量输入模板SM332主要有四通道和两通道两种规格，除通道数不同外，两种模板的工作原理，特性，参数基本相同。它可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线制回路和4线制回路两种接线方式与负载相连。采用4线制回路可以获得比较高的输出精度。此外，模拟量输出通道的转换时间包括内部存储器传送数字量输出值的时间和D/A转换时间。模拟量输出各通道的转换是顺序进行的，模板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。模拟量输出响应时间是从内部存储器中出现数字量输出开始到模拟量输出达到规定值所用时间的总和，它和负载特性有关，负载不同响应时间也不一样。具体选择情况如下:由于本次设计中要求控制的模拟量输出点共有10点，选6ES7332-5HD01-0AB0型4X12位模板4块，有6个通道作为预留通道，这些模块都为通用模块，经济、性能都能满足本控制系统的要求数字量输入模板数字量输入模板的基本功能使将PLC外部现场送来的不同类型的数字信号电平10沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计转换成PLC内部的标准信号电平，同时进行滤波、保护、隔离、和显示等处理。S7-300的数字量输入模板SM321有8种型号可供选择，即直流24V、16点输入有三种型号(其中一种为源点输入、一种为输入延迟时间可调);直流24V，32点输入;直流48~120V、16点输入;交流120V，16点和32点输入;交流120~320V、8点输入。本系统采用24V电压等级，主要是考虑到安全电压及对防火防爆环境的适应，且其典型输入延迟时间相对较短(1.2~4.8ms)，适于锅炉现场控制要求响应快速的问题。具体选择情况如下:需要测量的数字量输入共8点，选16路6ES7321-1BH02-0AA0型16X24VDC/0.5A模块1个,8个预留通道。数字量输出模板SM322数字量输出模板的主要功能是将CPU送来的输出信号，转换成外部过程所需的信号电平，并直接驱动外部过程的执行机构，如电磁阀、接触器、小型电动机、灯、电机启动器等。它具有电平转化、隔离和功率驱动等功能。需要注意的是在分配输出点时，尽量避免同一时间、同一模板、同一公共点的各输出点都同时输出的情况。具体选择情况如下:数字量的输出点8点，选16路6ES7322-1HH01-0AA0型16X24VDC模板1个,有8个通道作为预留通道通讯处理器CP采用CP443-1作为与带有CP1613的操作员站之间的通讯卡，它是SIMATICS7-300用于工业以太网总线系统的通讯处理器，而不需要进一步组态，且有自己的微处理器，因而能减轻CPU的通讯任务和进一步的扩展连接。可进行ISO和TCP/IP的多重传输的操作。电源模板系统由下面的模块组成:1块中央处理单元CPU3141块数字量输入模块SM321,16X24VDC1块数字量输出模块SM322,16X24VDC,0.5A7块模拟量输入模块SM331,8X12位4块模拟量输出模块SM332,4X12位11沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计采用6ES7407-0KA01-0AA0型PS407电源模板。它提供5VDC/24VDC电源，输出10A电流。3.1.2变频器的连接图3-1电动机与变频器连接主回路如图3-1为电动机与变频器连接的主回路，三相交流电源与变频器的RST三端相连接，变频器的UVW三端则与电动机相连接，KM1为变频状态的开关，此回路为变频控制回路;另外一侧，三相交流电源通过KM2与电动机直接相连，次回路为电动机的工频控制回路。12沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计图3-2电气控制电路如图3-2，为电气控制电路，此回路中包括工频/变频的选择，变频器故障输出，变频器运行指示，远程PLC控制变频启停，远程和就地的选择，现场操作控制开关等等KA1和KM2为变频和工频的开关，由此选择变频或工频运行状态。中间部分则是变频器控制电路，当变频器运行出现故障时，故障指示灯会亮，当变频器正常运行时，变频器的运行指示灯会亮，并且运行状态会在上微机上显示，还可以通过PLC上位机来操作远程和现场的切换，当系统运行状态为现场操作时，远程操作界面不可操作，直到解除现场操作，也就是说，二者为互锁关系。最下面的部分则是现场操作的电气控制图，包括现场操作控制电动机的启停等等，通过继电器和接触器来实现。13沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计图3-3变频器与电动机接线图本次设计采用的是西门系公司的MR440系列变频器，75KW，如图3-3，为变频器的具体接线图，三相交流电源进入变频器后，通过UVW三相与电动机相连接，同时下面还接有制动单元，电机电流显示，正反转控制，频率调节等等，而故障输出和运行指示灯则与上面所设计的控制回路相同，实时显示变频器的运行状态。并反馈给系统。3.2软件部分3.2.1STEP7程序选好各个模块之后就可以在SIMATICMANAGER上编程了。首先新建FC2功能，在以下界的空白处单击鼠标右键会出现选项菜单，在选项菜单中单击“功能”这样就建好了一个功能FC2，用同样的方法建立FC3、FC4、DB1、DB2等等。下面就不一一说明了。在建立好的FC2中就可以变成了，根据控制的要求，设计好怎样实现这些功能，在这里选用的是STL编程。14沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计图3-4首先在TEMP下建立好临时变量如图3-5所示:这用到的变量分别是TEMP0、TEMP1、TEMP2图3-5还需要用到DB1中的数据，先编辑好DB1中的数据，打开建立好的DB1图3-615沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计这样就可以编写FC1中的程序了图3-7图3-8新建一个功能FC2起名为流量:在TEMP中加入变量temp0、1、2，其类型都是real型;16沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计图3-9在数据块中建立变量:Liu1、liu2是real型的;接下来就可以为流量控制模块编程了，在SIMATICMANAGER中编程如下:图3-10新建一个功能FC3在它的里面编程为:17沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计图3-11在程序中用到了PID控制，下面的程序进行处理;新建功能FC4;在FC4中调用FB41中断循环功能块，对FC4编程为;图3-1218沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计图3-13当M88.0(故障复位1)有输出信号的时候对应的Q88.0(KA6-1)有输出，其余同样。图3-14这是一个典型的启动停止保持的程序，按启动按钮M80.0对应的Q92.0有输出同时保持，按下M82.0停止。19沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计3.2.2变频部分程序图3-15图3-16LPIW402/这是将在AI402引进CPU进行处理L10/引入数10/R/将它们相除TDB20.DBD0/是将上面的结果装载到数据块DB20.DBD0中20沈阳化工大学学士学位论文第三章系统控制层设计LPIW404/引入模拟量输入AI404进行处理L10/引入数10/R/做除TDB1.DBD4/将相除的结果装载到数据块DB20.DBD4中LPIW406/引入模拟量输入AI406进行处理L10/引入数10/R/做除TDB1.DBD8/将相除的结果装载到数据块DB20.DBD8中LPIW408/引入模拟量输入AI408进行处理L10/引入数10/R/做除TDB1.DBD12/将相除的结果装载到数据块DB20.DBD12中LPIW410/引入模拟量输入AI410进行处理L10/引入数10/R/做除TDB1.DBD16/将相除的结果装载到数据块DB20.DBD16中LPIW448/引入模拟量输入AI448进行处理L10/引入数10/R/做除TDB1.DBD20/将相除的结果装载到数据块DB20.DBD20中LPIW450/引入模拟量输入AI450进行处理L10/引入数10/R/做除TDB1.DBD24/将相除的结果装载到数据块DB20.DBD24中LDB20.DB0/引入数据模块DB20.DB0这个变量中的值L4.000000E+001/引入数40的REAL型>=R/对这两个数进行比较=M20.0/把比较的结果给M20.0这个中间变量21沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计四、系统操作层设计4.1WinCC的使用与图形的建立?要启动WinCC,首先在‘启动菜单’中选择SIMATIC图符，然后在从弹出式菜单中选择WinCCV6ASIA启动。见图4-1图4-1启动WinCC?建立一个新的WinCC项目,见图4-2。?增加PLC驱动程序(驱动是可编程控制器和WinCC之间的接口)在左侧的“树形视图”中右击“标签管理”，并选择“增加新的驱动器”。从对话框中选择“SIMATICTIserial.CHN”.然后按“打开”键，这时驱动器就会位于“标签管理”的下面。图4-2WinCC资源管理器22沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计图形编辑器是用于创建过程画面并使其动态化的编辑器。只能为WinCC项目管理器中当前打开的项目启动图形编辑器。WinCC项目管理器可以用来显示当前项目中可[7]用画面的总览。WinCC图形编辑器所编辑画面文件的扩展名为.PDL。图形编辑器的画面布局如图4-3所示。图4-3图形编辑器这些窗口进行基本属性设置，如窗口名称、窗口标题、位置等，为了便于窗口观察，设定窗口位置为“最大化显示”窗口背景及窗口打开各个窗口，利用WINCC自带的丰富的图库对图形界面进行制作。主控画面建好后如图4-4所示。主控画面可以对各个点进行监控，及时发现系统故障，可以查看各点报警信息、趋势曲线等，还可以对画面进行在线修改。图4-4搅拌车间监控画面23沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计4.2标签的建立标签可以按组分类，或单个地列表在每个连接的下面。标签保存在“变量管理器”分层结构内。?建立标签组点击变量管理器，在右边的显示栏里双击“SIMATICS7PROTOCOLSUITE”右边的显示栏里出现PROFIBUS,“右键”点击PROFIBUS，出现一条“新建驱动连接”点击会出现修改名称为“新建连接2”，见图4-5并点击“确定”然后退出。图4-5建立标签组“右键”点击“新建连接2”在出现的对话框中修改变量名为AI并点击“确定”然后退出，见图4-6。以同样的方法建立标签组“AO-1”、“DI”、“DO”等。?建立标签“右键”点击“AI”在点击新建变量，出现一个对话框修改名称再修改数据类型。模拟量没有负的选无浮点32位，模拟量有正负的选浮点32位IEEE754，数字量选二进制。再在对话框中点击“选择”在地址属性对话框中修改数据、地址、DD、DB等参24沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计数，其作用是每一个被控量都有一个相应的地址，从而使控制层传上来的数据能够准确的传输到操作层的相应位置，这样就是现了通讯的准确性。视窗控制中心标签是访问过程值的最重要的因素，在一个WinCC项目内，它们被赋予唯一的名称和数据类型，应给每个标签分配逻辑连接，该连接确定了哪个通道使用哪个连接向标签传送过程值。这些标签存储在用于整个项目范围的数据库内。在视窗控制中心启动时所有标签都会被装载并建立相关的运行结构。4.3报警记录?打开报警记录编辑器?启动报警记录的系统向导?报警消息和消息文本报警记录主要负责过程值的监控、控制报警输出、管理报警确认。组态好的模拟量报警如图4-7图4-7报警记录4.4历史趋势画面新建一画面，名称为:历史趋势曲线。选择工具箱中的工具，在画面上输入文字:实时趋势曲线。选择工具箱中的工具，在画面上绘制一实时趋势曲线窗口。25沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计图4-8历史趋势曲线选中此控件，单击鼠标右键在弹出的下拉菜单中执行“控件属性”命令，弹出控件属性对话框，历史趋势曲线属性窗口分为五个属性页:曲线属性页、坐标系属性页、预置打印选项属性页、报警区域选项属性页、游标配置选项属性页。单击“本站点”左侧的“+”符号，系统将工程中所有设置了记录属性的变量显示出来，选择“原料油液位”变量后，此变量自动显示在“变量名称”后面的编辑框中其它属性设置如下:绘制方式:模拟数据来源:使用组态王数据库单击“确定”按钮后关闭此窗口在此属性页中您可以设置历史曲线窗口中报警区域显示的颜色，包括:高高限报警区的颜色、高限报警区的颜色、低限报警区的颜色和低低限报警区的颜色及各报警区颜色显示的范围。通过报警区颜色的设置使您对变量的报警情况一目了然。在此属性页中您可以设置历史曲线窗口左右游标在显示数值时的显示风格及显示的附加信息，附加信息的设置不仅可以在编辑框中输入静态信息还可使用ODBC从任何第三方数据库中得到动态的附加信息。。单击“确定”按钮完成历史曲线控件编辑工作。单击“文件”菜单中的“全部存”命令，保存您所作的设置。单击“文件”菜单中的“切换到VIEW”命令，进入运行系统。系统默认运行的画面。26沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计图4-94.5报表画面新建一画面，名称为:报表画面。并按要求设置好报表的格式和属性。图4-1027沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计对话框设置如下:报表控件名:Report1行数:15列数:10图4-11实时数据报表根据要求合并相应的单元格，并且保存之后。单击“文件”菜单中的“切换到VIEW”命令，进入运行系统。系统默认运行的画面可能不是您刚刚编辑完成的“实时数据报表画面”，您可以通过运行界面中“画面”菜单中的“打开”命令将其打开后方可运行。数据报表自动打印设置过程如下:?在“实时数据报表画面”中添加一按钮，按钮文本为:实时数据报表自动打印。?在按钮的弹起事件中输入如下命令语言，28沈阳化工大学学士学位论文第四章系统操作层设计图4-12?单击“确认”按钮关闭命令语言编辑框。当系统处于运行状态时，单击此按钮数据报表将被打印出来。29沈阳化工大学学士学位论文结论结论通过几个月来的学习实验，我基本了解了奶罐搅拌工艺控制系统的工作原理和技术特点，并对整个工艺流程有了一定的认识。同时也对PLC产品有了更深的认识，了解了西门子S7-300系列，学习了它的结构和控制过程,并能根据系统要求对硬件进行选型。在本次奶罐搅拌控制系统设计中，我还应用到了STEP7软件，了解它的组态结构和技术要求，及其它的内置模块，还有这些模块的软件编程，例如，FB的工程量化，流量累计，报警、历史趋势等等编程。与此同时，通过对WINCC监控软件的使用，我已基本上认识到奶罐搅拌的监控系统在车间运行中的地位和作用:它不仅能清晰的反映出各个工段系统的具体工作状况，而且还对安全生产提供了可靠的保障。30沈阳化工大学学士学位论文附录一附录一电气控制图31沈阳化工大学学士学位论文附录二附录二STEP程序及说明LPIW402这是将在AI402引进CPU进行处理L10引入数10/R将它们相除TDB20.DBD0是将上面的结果装载到数据块DB20.DBD0中LPIW404引入模拟量输入AI404进行处理L10引入数10/R做除TDB1.DBD4将相除的结果装载到数据块DB20.DBD4中LPIW406引入模拟量输入AI406进行处理L10引入数10/R做除TDB1.DBD8将相除的结果装载到数据块DB20.DBD8中LPIW408引入模拟量输入AI408进行处理L10引入数10/R做除TDB1.DBD12将相除的结果装载到数据块DB20.DBD12中LPIW410引入模拟量输入AI410进行处理L10引入数10/R做除TDB1.DBD16将相除的结果装载到数据块DB20.DBD16中LPIW448引入模拟量输入AI448进行处理L10引入数10/R做除TDB1.DBD20将相除的结果装载到数据块DB20.DBD20中LPIW450引入模拟量输入AI450进行处理L10引入数1032沈阳化工大学学士学位论文附录二/R做除TDB1.DBD24将相除的结果装载到数据块DB20.DBD24中LDB20.DB0引入数据模块DB20.DB0这个变量中的值L4.000000E+001引入数40的REAL型>=R对这两个数进行比较=M20.0把比较的结果给M20.0这个中间变量其余的也是同理。LDB3.DBD56引入数据模块DB3.DB56这个变量中的值LDB25.DBD0引入数据模块DB25.DB0这个变量中的值<=R对这两个数进行比较=Q10.7比较的结果输出给Q10.733沈阳化工大学学士学位论文参考文献参考文献[1]郑萍主编现代电气控制技术[M]重庆:重庆大学出版社，2001:12[2]廖常初编著大中型PLC应用教程[M]北京:机械工业出版社，2005:02.[3]陈浩编著案例解说PLC触摸屏及变频器综合应用[M]北京:中国电力出版社2007:07[4]张扬蔡春伟孙明建编著S7-300PLC原理与应用系统设计[M]北京:机械工业出版社2007:10[5]刘美俊编著西门子S7系列PLC的应用与维护[M]北京:机械工业出版社，2008:02[6]张兴华牛奶搅拌工艺的研究[J]食品工艺与研究2008:07[7]潘文彪PLC再搅拌机械中的应用[J]包装工程的应用2009:10[8]洪振南牛奶生产线传送系统的PLC电控设计[J]电工技术杂志2007:06[9]姚旭西门子PLC及变频器控制在生产线上的应用[J]制造自动化2005:0834沈阳化工大学学士学位论文致谢致谢在本次毕业设计和论文撰写过程中，我的指导老师蔡老师给予了我很大的帮助，使我对设计的课题有了进一步深入的认识和理解，并对大学四年以来所学习的专业知识有了更深的理解和更好的应用，也为我以后的工作奠定了坚实的基础。在这里我对蔡庆春老师表示衷心的感谢。这次经历也会使我终身受益，我感受到完成论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。我的论文作品还不是很完美，在这次设计中一定有很多错误和不足之处，希望各位老师能够批评指正。我一定会加以改正并努力弥补不足之处，争取在以后的工作岗位中不断进步和完善。最后还要衷心感谢蔡老师的悉心指导以及同学们的热心帮助～35