基于PLC的某电厂含煤废水处理控制系统软件部分设计

基于PLC的某电厂含煤废水处理控制系统软件部分设计

四川理工学院毕业设计（论文）基于PLC的某电厂含煤废水处理控制系统软件部分设计学生：学号：专业：电气工程及其自动化班级：指导教师：四川理工学院自动化与电子信息学院二OO九年六月nn摘要本设计的主要任务是对某电厂含煤废水处理系统的几个部分进行工艺流程分析，主要包括煤水提升部分、加药部分、带压式废水处理部分和清水提升部分，然后根据工艺流程写出输入输出点表。根据点表进行PLC选型、PLC硬件配置，结合工艺流程及点表进行PLC编程，最后检查所编程序的正确性。本设计使用梯形图编程，其具有直观易懂的优点，特别适用于开关量逻辑控制。关键词：工艺流程；点表；PLC选型；硬件配置；PLC编程nABSTRACTThemaintaskofthedesignofacoalpowerplantwastewatertreatmentsysteminseveralpartsoftheanalysisprocess,includingupgradingcoal-waterpartofDosingofpressure-typewastewatertreatmentupgradesomepartsandwater,andthenundertheprocesswriteinputandoutputpointstable.PLC-pointscalebasedonselection,PLChardwareconfiguration,combinedwithprocessandpointstableforPLCprogrammingforfinalinspectionbythecorrectnessoftheprocedure.Theuseofthedesignladderprogramming,itseasytounderstandtheadvantagesofintuitive,especiallyforlogiccontrolswitch.Keywords:Process；PointsTable；PLCSelection；Hardwareconfiguration；PLCProgrammingn目录摘要IABSTRACTII第1章引言11.1水污染的现状11.2水处理的方法21.3电厂废水处理控制系统的研制背景21.4本人的主要任务及论文的设计内容3第2章电厂含煤废水处理工艺流程42.1工艺流程图42.2对工艺流程的阐述42.2.1煤水提升系统52.2.2煤水加药系统52.2.3带压式废水处理系统82.2.4清水提升系统10第3章电厂含煤废水处理控制系统部分设计113.1可编程序控制器介绍113.2电厂含煤废水处理系统控制柜的设计133.3PLC的外部接线143.4PLC控制系统的设计143.5系统中变频器控制的设计16第4章电厂含煤废水处理系统中的PLC控制系统设计194.1电厂含煤废水处理系统的IO点分配194.2控制系统的输入输出分配与连接264.3PLC控制程序的设计354.3.1STEP7项目创建374.3.2硬件结构及组态404.4软件模块的程序44第5章结束语47致谢48参考文献49附录50nn第1章引言1.1水污染的现状水，是人类生存、养息、发展的根本条件。然而，人类社会在工业化的进程中大量消耗水资源的同时，排出污水，污染河湖，危害环境，造成严重后果。英国及美国都曾在19世纪中发生因引用水资源遭生活污水污染而引起的霍乱大流行，二十世纪工业迅速发展和城市人口剧增更带来不少河流水质恶化、生物绝迹的恶果。有资料表明目前第三世界国家每年因水污染而造成200万人口的死亡;全世界有100多个国家缺水，其中严重的有40多个，水资源的缺乏及水环境的污染己越来越成为制约发展的重要因素。【1】近年来，中国经济的迅猛发展，大大促进了世界经济的发展，但是中国的水污染问题也变得更加突出。据统计，拉丁美洲2.79亿的城市人口仅有41%的下水道普及率，10%的污水处理率;东南亚国家近1.9亿人口集中在10个特大城市，下水道普及率不足10%。因此水污染问题不仅是中国的问题而且是亚洲乃至世界的严重问题。【1】随着人类的发展，水资源越来越不能满足人类发展的需要，主要表现为可供水资源量不足和水质恶化导致环境污染这两方面。我国改革开放二十年来，国民经济及城市建设得到高速的发展，城市规模与人口的增加，带来了城市的勃勃生机，也同样带来了水污染控制及水环境保护问题。1997年，全国污水排放量约416亿吨，其中45%来源于城市生活污水，55%为工业废水。我国七大水系，湖泊，水库，部分地区地下水受到不同程度的污染，七大水系的水质继续恶化。水资源的严重匮乏己成为制约我国国民经济可持续发展的一个重要因素。因此，合理开发利用水资源、保护环境己成为我国的基本国策。虽然近20年城市污水处理事业有较大的发展，但是仍然难以满足城市发展的需要。各级政府对此都给予高度重视。由于我国污水处理事业起步较晚，落后于发达国家将近30～40年，这些差距还表现在工艺技术，设备制造，运行管理等各个方面。此外，运行经费不足，设计经验不足，设备使用维护不当，完好率低，有经验的工艺及自控技术人员的缺乏，以上这些都制约了水处理的发展。【1】n随着国家经济的发展，政府部门越来越重视到环境在经济发展中的分量，要实现经济的可持续发展，就必须要解决在经济发展中造成的环境污染问题，而水环境的整治又是重中之重。可以预见污水废水的处理将是我们一直面临的重要问题。1.2水处理的方法当前国际和国内在水处理的工艺上主要是有两种，即生物处理法和物理化学处理法。其中水处理生物工艺有：生物膜法处理工艺、好氧生物处理工艺、厌氧生物处理工艺、活性污泥法生物处理工艺、废水自然净化处理工艺；水处理物理化学工艺有：吸附法处理工艺、物理控制法处理工艺、离子交换法处理工艺、化学控制法处理工艺、氧化还原与电解法处理工艺、膜分离法处理工艺等。水污染是由很多种不同情况造成的，而且水处理要综合考虑投资、运行成本和处理效果等多种因素，根据要处理的废水水质不同可能选取一种或多种不同的处理工艺。【2】电厂工业废水主要来自锅炉排污水、汽机房排水、油库排水、输煤系统冲洗排水、煤厂排水、厂区办公和生活用水等。由于工业废水来源复杂，其水质、水量的变化较大。排水中的常规离子含量及PH值变化较小，接近于电厂的水源水质，有机物含量指标CODCr(化学需氧量)也不高，但有一定的变化，油和悬浮物的变化则较大。在废水中高含油量出现的概率很小，且一般从源头上就可制止废油大量进入工业废水。至于悬浮物，在交接班时段的大清扫和大冲洗后会出现高峰值，即水变混，水量也大。只要循环排污水及化学中和池排水不进入工业排水系统，那么工业废水中的常规离子含量同水源水相近；超标的污染物指标主要是悬浮物，偶尔油和CODCr也会超标。根据火电厂工业废水的特点，工业废水中只要去除悬浮物及降低部分CODCr和油就能满足作为循环水的补充水的要求。目前电厂采用混凝～澄清～过滤工艺对工业废水进行处理，并回用冷却水。【3】1.3电厂废水处理控制系统的研制背景n火力发电厂是工业用水大户，每天的工业废水如果直接排放的话不仅水资源浪费严重而且要造成严重的污染。随着国家环境保护政策与法规的不断健全，对环境保护要求也更加严格。以往的废水处理系统采用人工手动控制，造成人员工作强度大，控制效率低，控制工艺落后。电厂废水处理中采用全新的自动控制系统和监控技术可以克服以前人工控制精度低、运行操作繁琐、误操作可能性大等缺点，该系统的废水处理工艺流程具有一定的先进性，达到了电厂废水零排放，大大提高了水的利用率。同时可以通过网络把监控数据融入整个电厂的自动化管理中，这样更加节省人力物力，便于集中管理。通过本自动控制系统把处理过的废水再纳入整个电厂的水循环中，提高电厂用水的效率，节约成本，提高了整体的经济效益。使电厂的自动化管理和自动化控制生产方面达到一个新的高度。1.4本人的主要任务及论文的设计内容为了实现电厂含煤废水的循环利用，这个项目所要完成的任务是:◆控制系统工艺流程分析◆控制系统的点表◆PLC控制程序（梯形图）通过PLC自动化控制要求达到下列控制要求：含煤废水最大限度的循环利用，高操作性。本设计是通过分析某电厂含煤废水处理系统的四个工艺流程，在此基础上设计了PLC控制系统的硬件配置，完成了整个电气控制系统的PLC软件设计部分。论文所研究的内容分为5部分。●引言●电厂含煤废水处理工艺流程●电厂含煤废水处理控制系统部分设计●含煤废水处理控制系统中PLC控制系统的设计●结束语n第2章电厂含煤废水处理工艺流程2.1工艺流程图电厂的废水处理系统整个结构如图2.1所示：图中的圆角矩形代表提升泵，长方形代表集水池、加药系统，椭圆代表废水处理系统。箭头的指向代表废水的流向，它是从左往右流的。该电厂含煤废水处理系统中共包括：煤泥提升系统；煤水提升系统；煤水加药系统（混凝剂加药系统、助凝剂加药系统）；带压式废水处理系统（A、B系统）；清水提升系统。本设计主要考虑后四个系统，对其进行分析，从而设计出PLC控制系统及程序。调节池混凝剂加药系统助凝剂加药系统煤水提升系统清水提升系统1#废水处理系统2#废水处理系统清水池混凝反应器图2.1电厂含煤废水处理系统整体结构图2.2对工艺流程的阐述如下四个部分：煤水提升系统；煤水加药系统（混凝剂加药系统、助凝剂加药系统）；带压式废水处理系统（A、B系统）；清水提升系统。n2.2.1煤水提升系统系统内有三台煤水提升泵，三台煤水提升泵由调节池液位开关自动连锁启停，互为备用，工作泵故障时备用泵自动投入。当调节池液位达到中液位时，启动一台煤水提升泵；调节池液位达到高液位时，启动两台煤水提升泵；低液位停止所有泵。调节池设高、中、低液位开关。如图2.2煤水提升系统流程图。调节池中液位主煤水提升泵启用1台备煤水提升泵启用调节池高液位调节池低液位主1煤水提升泵启用主2煤水提升泵启用2#煤水提升泵停用1#煤水提升泵停用3#煤水提升泵停用备用煤水提升泵启用主煤水提升泵故障时主1或主2煤水提升泵故障时图2.2煤水提升系统流程图2.2.2煤水加药系统n一体化含煤废水处理机、加药混合装置的启停与煤水提升泵的启停及台数连锁，加药混合装置自动投加混凝剂、助凝剂，根据含煤废水综合处理机进口流量自动控制加药量，加药计量泵和药箱液位以及煤水提升泵连锁，两台计量泵之间故障切换。煤水加药系统包括（1）混凝剂加药系统，（2）助凝剂加药系统。混凝剂加药系统E：图2.3为混凝剂加药系统E流程图。混凝剂加药系统包括溶药箱（带开关量节点信号输出的液位开关）、溶药箱搅拌机、计量泵（2台、一运一备，故障切换）。液位开关设高、低两位，液位信号送至方程控系统监视，且低位报警的同时停计量泵及与之相对应的搅拌机。计量泵的启停以及加药的速度与液位开关的高、低液位连锁，混凝加药装置配有一个电磁阀。由电磁阀的开关来控制混凝装置加药量的多少，液位开关显示为高液位时，关闭电磁阀，显示为低液位时电磁阀打开，并且搅拌机停止运转。1#药箱高液位1#混凝计量泵运行混凝搅拌机泵运行混凝剂计量箱入口电磁阀关闭1#混凝计量泵故障2#混凝计量泵运行1#药箱低液位1#混凝计量泵停止混凝搅拌机泵停止混凝剂计量箱入口电磁阀全开图2.3混凝剂加药系统E流程图n助凝剂加药系统F：图2.4为助凝剂加药系统F流程图。助凝剂加药系统包括溶药箱（带开关量节点信号输出的液位开关）、溶药箱搅拌机、计量泵（2台、一运一备，故障切换）。液位开关设高、低两位，液位信号送至需方程控系统监视，且低位报警的同时停计量泵及与之相对应的搅拌机。计量泵的启停以及加药的速度与液位开关的高、低液位连锁，助凝加药装置配有一个电磁阀。由电磁阀的开关来控制助凝装置加药量的多少，液位开关显示为高液位时，关闭电磁阀，显示为低液位时电磁阀打开，并且搅拌机停止运转。2#药箱高液位1#助凝计量泵运行助凝搅拌机泵运行助凝剂计量箱入口电磁阀关闭1#助凝计量泵故障2#助凝计量泵运行2#药箱低液位1#助凝计量泵停止助凝搅拌机泵停止助凝剂计量箱入口电磁阀全开图2.4助凝剂加药系统F流程图n2.2.3带压式废水处理系统JYMS-Ⅱ-10带压式含煤废水处理设备是对含煤废水加入混凝剂和助凝剂混合均匀之后，对废水进行沉淀、过滤的一体化设备。该设备本体为全封闭式，运行时带压运行（压力一般为1kg/cm2）。该系统使用两套带压式含煤废水处理设备，分别为A和B，图2.5为A设备的处理流程图，B设备的处理流程图与A设备的一样，故论文中未画出。每套均需要用到10个电动阀，正常情况下进水处1至4号电动阀均处于常开状态，5至8号反冲洗出水电动阀均处于常闭状态，9号为清水出水电动阀处于常开状态，10号为排泥阀处于常闭状态，反冲洗由电控阀门控制，利用工作单元出水集中反冲需冲洗的单元，当需要反冲洗时关闭1号进水电动阀，打开5号反冲洗出水电动阀，同时关闭清水出水电动阀，进行反冲洗，反冲洗持续1至5分钟，冲洗完了之后，打开1号进水电动阀关闭2号进水电动阀，关闭5号反冲洗出水电动阀打开6号反冲洗出水电动阀，进行反冲洗，此时9号清水排水阀仍处于关闭状态，以此类推，整个反冲洗过程大概需要4到20分钟，最后反冲洗完毕将1至4号电动阀均恢复至打开状态，5至8号反冲洗出水电动阀均恢复至关闭状态，9号清水排水阀恢复至打开状态，10号排泥阀8小时排泥一次，持续1至5分钟。正常情况下A1电动阀常开A2电动阀常开A3电动阀常开A4电动阀常开9#清水电动阀常开A8电动阀常闭10#排泥阀常闭A7电动阀常闭A6电动阀常闭A5电动阀常闭图2.5.1A设备的处理流程图n反冲洗时A2常开A1常闭A3常开A4常开A5常开A6常闭A7常闭A8常闭9#常闭A2常闭A1常开A3常开A4常开A5常闭A6常开A7常闭A8常闭A2常开A1常开A3常闭A4常开A5常闭A6常闭A7常开A8常闭A2常开A1常开A3常开A4常闭A5常闭A6常闭A7常闭A8常开A2常开A1常开A3常开A4常开A5常闭A6常闭A7常闭A8常闭9#常开正常情况下10#排泥阀排泥每隔8小时持续1至5分钟持续1至5分钟持续1至5分钟持续1至5分钟持续1至5分钟图2.5.2A设备的处理流程图n2.2.4清水提升系统图2.6为清水提升系统的流程图。清水池在高、低液位时报警。三台清水泵通过出水管上的流量计自动连锁启停，互为备用，工作泵故障时备用泵自动投入。当出水流量小于等于一台泵的流量时开一台清水泵做变频运行，当出水流量大于一台清水泵的流量时,第一台清水泵由变频运行转为公频运行，第二台清水泵启动做变频运行。当清水池水位到低液位时停所有清水泵。出水流量≤一台泵流量1#清水泵变频运行2#清水泵变频运行1#清水泵工频运行3#清水泵工频运行2#清水泵工频运行出水流量≤一台泵流量清水池高液位清水池低液位3#清水泵停运2#清水泵停运1#清水泵停运图2.6清水提升系统的流程图n第3章电厂含煤废水处理控制系统部分设计3.1可编程序控制器介绍可编程序控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC或PC，国际电工委员会(IEC)对可编程控制器是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一体，易于扩充功能的原则设计。PLC在现代工业控制中占有重要地位，是公认的现代工业自动化三大技术支柱(PLC、CAD/DAM、机器人)之一。【4】PLC具有以下特点：(1).可靠性高，抗干扰能力强；(2).编程简单，使用方便；(3).设计安装容易，维护工作量少；(4).功能完善，通用性强；(5).体积小，能耗低；(6).性能价格比高。【5】随着技术的发展和市场的增加，PLC的结构和功能也不断改进。现代PLC的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的微小型PLC方面发展；其二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多功能方面发展。【6】（1）、大型网络化：主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和强化通信能力是PLC发展的一个主要方面，向下将多个PLC，多个I/0框架相连；向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统，现场总线技术在工业控制中将会得到越来越广泛的应用。图2.7为西门子S7-300PLC的可视图。S7-300PLC可以通过多点接口MPI(Multi-PointInterface)直接与计算机、编程器、操作员面板及其它PLC相连，也可通过通信处理器连成更大的、范围更广的SINECH1以太网络或通过现场总线构成灵活实用的分布式SINECL2网络。n图3.1西门子S7-300PLC的可视图（2）、多功能：为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了多种智能模块，智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的CPU并行工作。占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC完成特殊的控制要求。智能模块主要由模拟量I/0、PID回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中断输入等。由于智能I/0的应用，使过程控制的功能和实时型大为增强，某些PLC的过程控制还具有自适应，参数自整定功能，使设计、调试时间减少，控制精度提高。如S7-300的模拟量输入模块可以直接输入电流、电压、热电偶、热电阻等多达18种不同类型不同范围的信号，适应性很强。（3）、高可靠性：由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛的应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作，多种表决的工作方式。S7-400PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全部密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热拔插。（4）、好的兼容性：现代PLC已不再是单个的、独立的控制装置，而是整个控制系统中的一部分或一个环节。好的兼容性是PLC深层次应用的重要保证。SIMATICM7-300PLC采用与SIMATICS7-300相同的构造，能用SIMATICS7模块，其显著特点是与通用微型机算机兼容，可运行MS-DOS/Windows程序，适合于处理数据量大、实时性强的工作任务。（5）、小型化、低成本、简单易用：随着应用范围的扩大和用户投资规模的不同，小型化、低成本、简单易用的PLC将广泛应用于各行各业。小型PLC有整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性。（6）、编程语言向高层次发展：PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块语言和指令表语言基础上，不断丰富和向高层次发展。西门子nSIMATICS7-300PLC的编程语言STEP7，可运行在个人计算机Windows环境下，界面极为友好，提供了强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试和诊断等功能。并备有丰富的随机帮助信息，可支持位、字节、日期、数组、结构等数据类型，SIMATICM7则使用C/C++等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。3.2电厂含煤废水处理系统控制柜的设计PLC控制系统是由很多模块组成的，每个模块都需要供电，进行保护。整个系统如果裸露在外，不但零乱的接线有损美观，无按钮及显示屏也使得工人操作起来极其不方便，而且整个系统裸露会受到工业现场恶劣环境的影响，从而使得控制系统损伤或出现使用寿命下降等情况；同时一个大系统中除了控制系统外还有电气系统等，这就要求它们之间进行有效的连接。所有这些使得设计一个系统控制柜变的非常重要。控制柜设计的优劣也直接影响的整个控制系统的运行效能。一个控制柜往往具有如下方面的作用:●隔离系统运行的噪音，改善操作人员的工作环境●强电回路与弱电回路的隔离，采集及控制信号的隔离●防止灰尘、静电、电磁辐射等以保护PLC的正常运行●提供统一的走线，使得将来的检修非常方便●提供和其它控制柜的接口，方便组成更大的系统及将来的扩展●给控制系统提供各种电源，并且进行过流、过压的保护●提供UPS对系统进行断电保护，最大限度地减少损失●提供系统的开关按钮及报警指示灯，让现场人员最大程度的了解状况n综上所述，设计了电厂含煤废水处理系统的工业控制柜，以期最大限度地保护控制电路、方便操作、便于和其它系统的扩展。控制柜采用220V电压供电。在前面板上设计了电压表和电流表以显示当前的电压电流，为操作员监视系统是否过压和过流。柜子上两盏电灯直接连接在220V线上，由控制柜门的开关来控制电灯，当门打开时灯自动亮，以给现场人员的检修提供照明，门合上时灯自动关闭以节约用电。风扇也是直接连接在220V电压上，它任何时候都在为控制系统进行冷却。系统提供一个隔离变压器，用于对工业现场取电和PLC供电的隔离，使得PLC的运行不受工业用电电压的波动。一个UPS接在220V线上，用于断电时对现场进行供电，其控制是从PLC的输出节点上引出一个常闭继电器，当系统运行正常时PLC给个输出量继电器断开，当断电的时PLC无输出则常闭继电器打开，把UPS接入回路来供电，其功率为2500W，适合现场的容量。3.3PLC的外部接线电厂含煤废水处理PLC的控制系统和其他类型的废水控制系统一样主要由输入信号控制系统和泵运行控制系统组成。图3.2为含煤废水处理PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、液位开关、变频器、各个泵等。CPU主机输入模块输入模块液位开关处理系统的动作信号各个泵的启动信号加药系统所有泵煤水提升泵处理系统的各个电动阀清水提升泵变频器输出变频器输入端图3.2电厂含煤废水处理PLC控制系统的基本结构图3.4PLC控制系统的设计不管在机器制造领域还是过程工程领域，要想经济并且柔性地实现工厂自动化，对于任何一种应用都必须有一个最适宜的方案。现今的市场变化越来越快，生产的周期也越来越短。对于工程承包商或机器制造商，不论机器的尺寸或型号，对增加产量，满足安全要求，优化诊断以及维护，用户界面友好等要求在不断提高。面临竞争对手巨大的压力，就必须减少开发和生产的成本以及开发和运输的时间。SIMATICn控制器提供了面向未来的投资，可以做到主动、柔性、经济地响应新挑战，能给用户带来如下好处【7】：●高速CPU和强大的工艺功能可以带来更高的生产率●强大的CPU和超大的内存容量可以集成新的功能●控制器尺寸减小，大量的集成功能和无机柜操作可以减小机器体积●高效的工程软件，全集成自动化带来的集成性和应用程序的可重用性可以带来更低的市场响应时间●分布式自动化可以减少安装和调试时的时间和费用●对于标准和故障安全要求的应用可以共用一套系统●强大的诊断功能可以提高机器和工厂的可靠性●全球190个国家和全面的SIMATIC支持可以增加机器和工程的出口机会SIMATICS7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，其模块化、无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特性，使得S7-300在实施各种控制任务时，成为一种即经济又切合实际的解决方案。它的主要特点有:(1)速度快：极其快速的指令处理大大缩短循环周期。(2)存储器容量大。(3)功能强：极强的计算性能；强劲的内部集成功能；全面的故障诊断功能；用户程序的多级口令保护；采用不同性能级别的CPU，适用于任意一应用场合。(4)良好的扩展性能：一个系统除一个主机架外，根据需要最多可扩展至3个扩展机架，最多可安装32个模块，每个机架可以插入8个模块；主机架与扩展机架之间通过接口模块连接：每个机架可以远距离独立安装，两个机架间最长距离可达10米；(5)极强的网络通讯能力：可以通过通讯处理器连接AS-I接口、Profibus和工业以太网总线系统和点到点的通讯系统，或通过集成在CPU中的多点接口(MPI)连接编程器、PC机、人机界面系统及其它SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统，S7-300可以支持过程通讯和数据通讯两种通讯形式。(6)采用无槽位限制的模块化结构，便利的连接系统，易于安装维护。SIMATICS7-300组成的自动化控制系统由如下模块构成：n●中央处理单元(CPU)各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有Profibus-DP通讯口。●信号模块(SM)数字量和模拟量输入/输出，用于使不同级的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配。●通讯处理器(CP)用于连接网络和点对点的连接，降低CPU的处理任务，使CPU能够更快的处理其它重要事务。●功能模块(FM)用于时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务，例如高速计数、定位操作和闭环控制。●负载电源模块(PS)将民用交流电(120/230VAC)转换为24V直流，用于向S7-300和直流24V负载电路提供负载电源。●接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩一展机架(ER)。●带STEP7软件包的编程器或个人计算机用于S7-300组态、初始化、编程和测试。3.5系统中变频器控制的设计数据采集只是完成了输入的功能，在一个控制系统中有输入也要有输出，只有输出了才能完成所要达到的目标。要来完成控制目标，就要用到执行器。一般的执行器有阀门、电机、变频器。一般来说PLCn的模拟量输出不直接控制电机，而是通过电压的输出来给变频器输入。通过不同的电压变化来使得变频器的不同频率输出，控制电机的不同转速。在含煤废水处理控制系统中使用施耐德公司的ATV31和ATV38变频器，整个项目中共用到了5台变频器控制4个计量泵和2个提升泵，其中ATV31有4台和ATV38有1台。ATV31主要用于加药系统中，1号混凝计量泵，2号混凝计量泵，1助凝计量泵，2助凝计量泵各用1台。而清水提升系统部分，只用了1台ATV38控制1号清水提升泵，2号清水提升泵。ATV31的控制端子的技术参数如表3.1所示。【8】表3.1ATV31控制端子的技术参数端子功能电气特性R1AR1BR1C可编程继电器R1的公共点C/O触点（R1C）·最小开关能力：5V直流为10mA·阻性负载的最大开关能力(cosφ=1，L/R=0ms):对于250V交流和30V直流为5A·感性负载的最大开关能力(cosφ=0.4，L/R=7ms):对于250V交流和30V直流为1.5A·采样时间8ms·使用寿命：最高开关功率下为100,000次动作；最低开关功率下为1,000,000次动作R2AR2C可编程继电器R2的公共点N/O触点COM模拟I/O公共端0VAI1模拟电压输入模拟输入0+10V(最高安全电压30V)·阻抗30k3/4·分辨率0.01V，10位转换器·精度为最大值的±4.3%，线性度为最大值的±0.2%·采样时间8ms·配用最长100m的屏蔽电缆。10V设定点电位计的电源1至10k3/4+10V(+8%-0)，最大10mA，带有短路和过载保护AI2模拟电压输入双极性模拟输入0±10V(最高安全电压±30V)AI2上电压的+或-极性会影响设定点的方向，继而影响运转的方向。·阻抗30k3/4·分辨率0.01V，10位+符号转换器·精度为最大值的±4.3%，线性度为最大值的±0.2%·采样时间8ms·配用最长100m的屏蔽电缆。AI3模拟电流输入模拟输入X-YmA。X和Y可从0到20mA范围内进行编程。·阻抗2503/4·分辨率0.02mA，10位转换器·精度为最大值的±4.3%，线性度为最大值的±0.2%·采样时间8msnCOM模拟I/O公共端0VAOVAOC模拟电压输出AOV或模拟电流输出AOC或逻辑电压输出AOCAOV或AOC可被指定（任何一个均可，但不能同时被指定）模拟输出0至10V，最低负载阻抗4703/4或模拟输出X-YmA。X和Y可0到20mA范围内进行编程，最高负载阻抗8003/4。·分辨率8位(1)·精度±1%(1)·线性度±0.2%(1)·采样时间8ms·此模拟输出端在AOC上可被配置为24V逻辑输出，最低负载阻抗1.2k3/4。(1)数字/模拟转换器的特性。24V逻辑输入端电源+24V带有短路和过载保护，最低19V，最高30V最高可为用户提供100mA的电流LI1LI2LI3逻辑输入可编程逻辑输入端·+24V电源(最高30V)·阻抗3.5k3/4·LI-与CLI之间的电压差低于5V为0状态，高于11V为1状态·采样时间4msLI4LI5LI6逻辑输入可编程逻辑输入端·+24V电源(最大30V)·阻抗3.5k3/4·LI-与CLI之间的电压差低于5V为0状态，高于11V为1状态·采样时间4msCLI逻辑输入公共端ATV38的控制端子的技术参数如表3.2所示。【9】表3.2ATV38的控制端子的技术参数端子功能电气特性R1AR1BR1C故障继电器R1带公共点的C/O触点（R1C）最低通断能力:·对于直流24V为10mA对感性负载的最大通断能力(cosф为0.4，L/R为7ms):·对于交流250V和直流30V为1.5AR2AR2CR2可编程继电器的N/O触点AO1模拟电流输出X-YmA模拟输出，其中X和Y可进行配置出厂设定为0-20mA阻抗500WCOM逻辑和模拟输入公共点AI1模拟电压输入模拟输入0+10V阻抗30kΩ+101至10kΩ给定电位器的电源+10V(-0,+10%)最大10mAAI2模拟电流输入X-YmA模拟输入，其中X和Y可进行配置出厂设定为4-20mA阻抗100WLI1LI2逻辑输入可编程逻辑输入阻抗3.5kWnLI3LI4+24V电源(最高30V)如小于5V为0状态，大于11V为1状态+24输入端电源+24V防短路和过载保护，最低18V，最高30V最大电流200mAnn第4章电厂含煤废水处理系统中的PLC控制系统设计经过对该电厂含煤废水处理系统的分析，结合PLC方面的知识，做出以下的设计。4.1电厂含煤废水处理系统的IO点分配通过对电厂含煤废水处理系统中：煤泥提升系统；煤水提升系统；煤水加药系统（混凝剂加药系统、助凝剂加药系统）；带压式废水处理系统（A、B系统）；清水提升系统的处理工艺及电路图分析得出了系统的IO点分配，如表4.1。【10】表4.1电厂含煤废水处理系统IO点分配测点名称I/O类型I/O形式测量范围上限值下限值水泵阀门控制柜远方/就地DI干接点　　#1煤水提升泵运行DI干接点　　#1煤水提升泵故障跳闸DI干接点　　#2煤水提升泵运行DI干接点　　#2煤水提升泵故障跳闸DI干接点　　#3煤水提升泵运行DI干接点　　#3煤水提升泵故障跳闸DI干接点　　#2废水贮存槽#1排水泵合闸状态DI干接点　　#2废水贮存槽#1排水泵跳闸状态DI干接点　　#2废水贮存槽#1排水泵故障状态DI干接点　　#2废水贮存槽#1排水泵远方/就地状态DI干接点　　#1煤水处理设备A1进水电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备A1进水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A1进水电动门故障信号DI干接点　　#2废水贮存槽#2排水泵合闸状态DI干接点　　#2废水贮存槽#2排水泵跳闸状态DI干接点　　#1煤水处理设备反冲洗电动阀门控制信号DI干接点#1煤水处理设备A1进水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备A2进水电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备A2进水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A2进水电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备A2进水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备A3进水电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备A3进水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A3进水电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备A3进水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备A4进水电动门全开信号DI干接点　　n#1煤水处理设备A4进水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A4进水电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备A4进水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备A5出水电动门全开信号DI干接点　　#2废水贮存槽#2排水泵故障状态DI干接点　　#2废水贮存槽#2排水泵远方/就地状态DI干接点　　#1煤水处理设备A5出水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A5出水电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备A5出水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备A6出水电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备A6出水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A6出水电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备A6出水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备A7出水电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备A7出水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A7出水电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备A7出水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备A8出水电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备A8出水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备A8出水电动门故障信号DI干接点　　#1废水贮存槽#1排水泵合闸状态DI干接点　　#1废水贮存槽#1排水泵跳闸状态DI干接点　　#1煤水处理设备A8出水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备清水出水电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备清水出水电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备清水出水电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备清水出水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理排泥电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理排泥电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理排泥电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理排泥电动门远方/就地DI干接点　　#2煤水处理设备反冲洗电动阀门控制信号DI干接点#2煤水处理设备B1进水电动门全开信号DI干接点　　#2煤水处理设备B1进水电动门全关信号DI干接点　　#2煤水处理设备B1进水电动门故障信号DI干接点　　#2煤水处理设备B1进水电动门远方/就地DI干接点　　#2煤水处理设备B2进水电动门全开信号DI干接点　　#1废水贮存槽#1排水泵故障状态DI干接点　　#1废水贮存槽#1排水泵远方/就地状态DI干接点　　#2煤水处理设备B2进水电动门全关信号DI干接点　　#2煤水处理设备B2进水电动门故障信号DI干接点　　#2煤水处理设备B2进水电动门远方/就地DI干接点　　#1煤水处理设备进水管电动门全开信号DI干接点　　#1煤水处理设备进水管电动门全关信号DI干接点　　#1煤水处理设备进水管电动门故障信号DI干接点　　#1煤水处理设备进水管电动门远方/就地DI干接点　　#2煤水处理设备进水管电动门全开信号DI干接点　　n#2煤水处理设备进水管电动门全关信号DI干接点　　#2煤水处理设备进水管电动门故障信号DI干接点　　#2煤水处理设备进水管电动门远方/就地DI干接点　　清水泵控制柜控制柜远方/就地DI干接点　　#1清水泵工频运行DI干接点　　#1清水泵故障跳闸DI干接点　　#1清水泵变频运行DI干接点　　#2清水泵变频运行DI干接点　　#2清水泵工频运行DI干接点　　#2清水泵故障跳闸DI干接点　　#3清水泵工频运行DI干接点　　#3清水泵故障跳闸DI干接点　　变频器运行DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　二氧化氯装置运行信号DI干接点　　盐酸液位低报警DI干接点　　氯酸钠液位低报警DI干接点　　变频器故障DI干接点　　备用DI干接点　　#1煤水提升泵运行指令DO干接点　　备用DO干接点　　#2煤水提升泵运行指令DO干接点　　备用DO干接点　　#3煤水提升泵运行指令DO干接点　　备用DO干接点　　#2废水贮存槽#1排水泵合闸指令DO干接点　　#2废水贮存槽#1排水泵跳闸指令DO干接点　　#2废水贮存槽#2排水泵合闸指令DO干接点　　#2废水贮存槽#2排水泵跳闸指令DO干接点　　#1煤水处理设备A1进水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备A1进水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备A2进水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备A2进水电动门关指令DO干接点　　#1废水贮存槽#1排水泵合闸指令DO干接点　　#1废水贮存槽#1排水泵跳闸指令DO干接点　　#1煤水处理设备A3进水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备A3进水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备A4进水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备A4进水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备A5出水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备A5出水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备A6出水电动门开指令DO干接点　　n#1煤水处理设备A6出水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备A7出水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备A7出水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备A8出水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备A8出水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备清水出水电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备清水出水电动门关指令DO干接点　　备用DO干接点　　备用DO干接点　　#1煤水处理设备排泥电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备排泥电动门关指令DO干接点　　#2煤水处理设备B1进水电动门开指令DO干接点　　#2煤水处理设备B1进水电动门关指令DO干接点　　#2煤水处理设备B2进水电动门开指令DO干接点　　#2煤水处理设备B2进水电动门关指令DO干接点　　#1煤水处理设备进水管电动门开指令DO干接点　　#1煤水处理设备进水管电动门关指令DO干接点　　#2煤水处理设备进水管电动门开指令DO干接点　　#2煤水处理设备进水管电动门关指令DO干接点　　#1清水泵工频运行指令DO干接点　　变频器运行指令DO干接点　　#2清水泵工频运行指令DO干接点　　#3清水泵工频运行指令DO干接点　　#1清水泵变频运行指令DO干接点　　#2清水泵变频运行指令DO干接点　　#1煤水处理设备进口流量AI4-20mA0100#2煤水处理设备进口流量AI4-20mA0100煤泥脱水进口流量AI4-20mA0100清水泵出口母管压力AI4-20mA01煤泥脱水进口压力AI4-20mA01煤水处理设备进水管母管压力AI4-20mA01备用AI4-20mA　　备用AI4-20mA　　调节预沉淀池液位AI4-20mA03调节预沉淀池泥位AI4-20mA　1.5清水池液位AI4-20mA03清水池进水浊度AI4-20mA　100#1清水泵变频器频率反馈AI4-20mA　　#2清水泵变频器频率反馈AI4-20mA　　备用AI4-20mA　　备用AI4-20mA　　加药控制柜控制柜手自动DI干接点　　#1助凝计量泵运行DI干接点　　#2助凝计量泵运行DI干接点　　#1混凝计量泵运行DI干接点　　#2混凝计量泵运行DI干接点　　#1助凝计量泵故障跳闸DI干接点　　n#2助凝计量泵故障跳闸DI干接点　　#1混凝计量泵故障跳闸DI干接点　　#2混凝计量泵故障跳闸DI干接点　　助凝搅拌机泵运行DI干接点　　助凝搅拌机泵故障跳闸DI干接点　　混凝搅拌机泵运行DI干接点　　混凝搅拌机泵故障跳闸DI干接点　　助凝剂计量箱入口电磁阀全开信号DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　混凝剂计量箱入口电磁阀全开信号DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　备用DI干接点　　#1药箱液位高DI干接点　　#2药箱液位高DI干接点　　#1药箱液位低DI干接点　　#2药箱液位低DI干接点　　#1废水贮存槽#2排水泵合闸状态DI干接点　　#1废水贮存槽#2排水泵跳闸状态DI干接点　　#1废水贮存槽#2排水泵故障状态DI干接点　　#1废水贮存槽#2排水泵远方/就地状态DI干接点　　备用DI干接点　　#1助凝计量泵运行指令DO干接点　　#2助凝计量泵运行指令DO干接点　　#1混凝计量泵运行指令DO干接点　　#2混凝计量泵运行指令DO干接点　　助凝搅拌机泵运行指令DO干接点　　混凝搅拌机泵运行指令DO干接点　　助凝剂计量箱入口电磁阀开指令DO干接点　　备用DO干接点　　混凝剂计量箱入口电磁阀开指令DO干接点　　备用DO干接点　　二氧化氯装置启动指令DO干接点　　#1废水贮存槽#2排水泵合闸指令DO干接点　　#1废水贮存槽#2排水泵跳闸指令DO干接点　　备用DO干接点　　备用DO干接点　　备用DO干接点　　#1助凝计量泵变频器频率反馈AI4-20mA　　#2助凝计量泵变频器频率反馈AI4-20mA　　#1混凝计量泵变频器频率反馈AI4-20mA　　#2混凝计量泵变频器频率反馈AI4-20mA　　备用AI4-20mA　　n备用AI4-20mA　　备用AI4-20mA　　备用AI4-20mA　　#1助凝计量泵变频器频率指令AO4-20mA　　#2助凝计量泵变频器频率指令AO4-20mA　　#1混凝计量泵变频器频率指令AO4-20mA　　#2混凝计量泵变频器频率指令AO4-20mA　　清水泵变频器运行指令AO4-20mA　　备用AO4-20mA　　备用AO4-20mA　　备用AO4-20mA　　#2煤水处理设备B3进水电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备B3进水电动门全关信号DI　　　#2煤水处理设备B3进水电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备B3进水电动门远方/就地DI　　　#2煤水处理设备B4进水电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备B4进水电动门全关信号DI　　　#2煤水处理设备B4进水电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备B4进水电动门远方/就地DI　　　#2煤水处理设备B5出水电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备B5出水电动门全关信号DI　　　#2煤水处理设备B5出水电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备B5出水电动门远方/就地DI　　　#2煤水处理设备B6出水电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备B6出水电动门全关信号DI　　　备用DI　　　备用DI　　　#2煤水处理设备B6出水电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备B6出水电动门远方/就地DI　　　#2煤水处理设备B7出水电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备B7出水电动门全关信号DI　　　#2煤水处理设备B7出水电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备B7出水电动门远方/就地DI　　　#2煤水处理设备B8出水电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备B8出水电动门全关信号DI　　　#2煤水处理设备B8出水电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备B8出水电动门远方/就地DI　　　#2煤水处理设备排泥电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备排泥电动门全关信号DI　　　#2煤水处理设备排泥电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备排泥电动门远方/就地DI　　　备用DI　　　备用DI　　　#2煤水处理设备清水出水电动门全开信号DI　　　#2煤水处理设备清水出水电动门全关信号DI　　　#2煤水处理设备清水出水电动门故障信号DI　　　#2煤水处理设备清水出水电动门远方/就地DI　　　n#1煤泥提升泵运行DI　　　#1煤泥提升泵故障跳闸DI　　　#2煤泥提升泵运行DI　　　#2煤泥提升泵故障跳闸DI　　　#1煤泥提升泵出口电动门全开信号DI　　　#1煤泥提升泵出口电动门全关信号DI　　　#1煤泥提升泵出口电动门故障信号DI　　　#1煤泥提升泵出口电动门远方/就地DI　　　#2煤泥提升泵出口电动门全开信号DI　　　#2煤泥提升泵出口电动门全关信号DI　　　备用DI　　　备用DI　　　#2煤泥提升泵出口电动门故障信号DI　　　#2煤泥提升泵出口电动门远方/就地DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　备用DI　　　#2煤水处理设备B3进水电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备B3进水电动门关指令DO　　　#2煤水处理设备B4进水电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备B4进水电动门关指令DO　　　#2煤水处理设备B5出水电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备B5出水电动门关指令DO　　　#2煤水处理设备B6出水电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备B6出水电动门关指令DO　　　#2煤水处理设备B7出水电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备B7出水电动门关指令DO　　　#2煤水处理设备B8出水电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备B8出水电动门关指令DO　　　#2煤水处理设备清水出水电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备清水出水电动门关指令DO　　　备用DO　　　备用DO　　　#2煤水处理设备排泥电动门开指令DO　　　#2煤水处理设备排泥电动门关指令DO　　　#1煤泥提升泵运行指令DO　　　n#1煤泥提升泵停止指令DO　　　#2煤泥提升泵运行指令DO　　　#2煤泥提升泵停止指令DO　　　#1煤泥提升泵出口电动门开指令DO　　　#1煤泥提升泵出口电动门关指令DO　　　#2煤泥提升泵出口电动门开指令DO　　　#2煤泥提升泵出口电动门关指令DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　备用DO　　　4.2控制系统的输入输出分配与连接控制系统中，虽然控制程序必不可少，但是还需要通过输入输出(I/O)来实现。在PLC控制系统中，和外界的联系就是通过PLC中的I/0模块来完成的。一个PLC控制系统中往往要连接成百上千的外部I/O点，每一个I/O所代表的含义和在程序中的地址分配是不一样的。只有当正确的连接了外部的连线，使得每个I/O都能正确对应，才能保证最后的控制系统的运行成功。在S7-300中可以对输入输出地址进行分配，有两种地址分配方式：1.面向槽位编址的地址分配。面向槽位编址的地址分配是S7n的缺省编址方法，即模板的地址取决于它所在的机架号和槽位号。2.面向用户编址的地址分配。即在CPU的地址范围内，可分配任何地址给任何模板。此种地址分配方式的优点在于：可使可编址区域实现最优化利用，在模板之间不会出现地址空隙；当生成标准软件时，可以编制独立于S7-300组态的地址。实际系统中采用此种地址分配方式。本次设计任务中，电厂含煤废水处理控制系统的输入输出信号主要分成4个部分，放在三个相连的导轨上:●模拟量输入：调节池液位，清水池液位等。●模拟量输出：变频器频率指令。●数字量输入：煤水提升泵，煤水处理系统电动阀，加药系统的计量泵、搅拌机、电动阀，清水提升泵的启动信号，故障等。●数字量输出:煤水提升泵，煤水处理系统电动阀，加药系统的计量泵、搅拌机、电动阀，清水提升泵的运行等。输入输出的硬件接口也是系统设计的一部分，它反映的是PLC输入输出与现场设备之间的连接，只有正确连接安装才能使得PLC读取到数字量和模拟量，连接方法的不同可以有效的防止现场的干扰，保证数据的正确性。图4.2给出了的数字量输入模块接口示意图；图4.3给出了数字量输出模块接口示意图；图4.4给出了模拟量输入模块接口示意图；图4.5给出了模拟量输出模块的接口示意图。【11】对于SM321的输入量模块，在15～25V直流电压以内都能检测到信号。因为现场的执行器也是发出的直流信号，把其直接和现场的开关设备连接来接收开关信号量。n图4.2数字量输入模块接口示意图SM322输出量模块采用的是晶体管输出，晶体管输出的响应时间短、寿命长，但是其只能带直流负载并且带载能力弱。同时为了使PLC的输出和现场回路之间隔离，在输出端使用了继电器，通过继电器来控制现场数字量开关。这样对PLC的输出口起到了很好的保护作用，同时能够带动更大的负载。有些时候为了防止出现短路现场在继电器旁边加个二极管，起到保护的作用。图4.3数字量输出模块接口示意图n图4.4模拟量输入模块接口示意图图4.5模拟量输出模块的接口示意图在电厂含煤废水处理控制系统中，根据对工艺流程和控制要求的分析，结合输入输出点表，参照西门子公司提供的产品技术参数，选用的各模块类型及其技术参数如下【11】:(1)负载电源模块(PS):PS307在整个控制系统中，所有模块的5V底板控制电源和I/On口的所需的负载电源是分开来的。计算得出所要选择的电源模块，可以看出都没有超过5A电流的。故在系统中选用两个5A电流的PS307作为控制系统的电源模块，电源模块的技术指标如表4.2。表4.2PLC电源模块主要技术指标特性输入电压输入电流输出电压输出电流额定值单相230VAC1.3A24VDC5A允许范围170-264VAC———24V±3%———功率损耗18W(2)接口模块(IM)：IM360，IM361在项目中由于输入输出点数很多，一个机架不够放置模块，因此用到了扩展机架，这就要求机架之间保持良好的通信。机架之间的通信是通过接口模块来实现的，其主要技术指标如表4.3。根据输入输出点数，本设计需要用到两个扩展机架，故需要1块IM360、2块IM361进行配置。表4.3PLC接口模块主要技术指标类型IM360IM361特性S7-300的机架0的接口；数据通过连接电缆368传送到IM361；IM360与IM361之间的最大距离为10m24VDC电源；S7-300机架1到3的接口；通过S7-300背板总线的电流输出：最大0.8A；数据通过连接电缆368从IM360传送到IM361，或者从IM361传送到IM361；IM360与IM361之间的最大距离为10m；IM361与IM361之间的最大距离为10m(3)中央处理单元(CPU)：CPU315-2DPCPU315-2DP具有集成的MPI口和DP口，使用这个CPU可以减少额外的Profibus通讯模块，降低了成本，提高了系统的集成度。其主要技术指标如表4.4。表4.4CPU315-2DP主要技术指标特性技术指标工作存储器集成128KBRAM装载存储器用MMC存储器卡（FEPROM）可扩展到8M微操作/US最小0.1总I/O地址区域最大2048字节/2048字节（可任意编址）数据块/软件块最大16KB/48KBnMPI接口最大节点数为16，最大为187.5KbpsDP接口带有PROFIVBUS-DP主/从接口传输率达12Mbps(4)信号模块(SM):根据输入输出点表中输入输出的点数，并考虑10%的裕量确定出本设计所用信号模块的数量及型号。数字量输入模块共需要7块，型号为SM321；DC32xDC24V。其主要技术参数如表4.5。数字量输出模块共需要4块，型号为SM322；DO32xDC24V/.5A。其主要技术参数如表4.6。模拟量输入模块共需要4块，型号为SM331；AI8x13位。其主要技术参数如表4.7。模拟量输出模块共需要2块，型号为SM332；AO8x12位。其主要技术参数如表4.8。表4.5PLC数字量输入模块SM321；DC32xDC24V主要技术参数技术数据尺寸和重量尺寸WxHxD(毫米)40x125x120重量大约260克特定模块数据支持同步模式否输入点数32电缆长度·未屏蔽·屏蔽最长600m最长1000m前连接器40针电压、电流、电位同时控制的输入点数·水平安装位置到40°C到60°C·垂直安装位置到40°C321632电隔离·通道和背板总线之间·通道之间·分成的组数支持支持16最大电位差·不同电路之间75VDC/60VAC绝缘测试电压500VDCn电流消耗·背板总线最大15mA模块功率损耗通常为6.5W状态、中断、诊断状态显示每个通道的绿色LED中断无诊断功能无传感器选择数据输入电压·额定值·“1”信号·“0”信号24VDC13V到30V-30V到+5V输入电流·“1”信号通常为7mA输入延迟·从“0”到“1”的跃迁·从“1”到“0”的跃迁1.2ms到4.8ms1.2ms到4.8ms输入特性符合IEC6113，类型12线制BERO的连接·允许的静态电流支持最大1.5mA为信号传感器接线使用40针前连接器表4.6PLC数字量输出模块SM322；DO32xDC24V/.5A主要技术参数技术数据尺寸和重量尺寸WxHxD(毫米)40x125x117重量大约260克特定模块数据支持同步模式否输出点数32电缆长度·未屏蔽·屏蔽最长600m最长1000m电压、电流、电位额定负载电压L+24VDC累积输出电流（每组）·水平安装位置到40°C到60°C最大4A最大3A·垂直安装位置到40°C最大2A电隔离·通道和背板总线之间支持·通道之间分成的组数支持8最大电位差·不通电路之间75VDC/60VAC绝缘测试电压500VDC电流消耗n·背板总线供电·负载电压L+（空载）供电最大110mA最大160mA模块功率损耗通常为6.6W状态、中断、诊断状态显示每个通道的绿色LED中断无诊断功能无执行期选择数据输出电压·“1”信号最小L+（-0.8V）输出电流·“1”信号额定值允许的范围0.5A5mA到0.6A·信号“0”（剩余电流）最大0.5mA输出延迟（阻性负载）·从“0”到“1”的跃迁最大100μs·从“1”到“0”的跃迁最大500μs负载阻抗范围48Ω到4kΩ灯负载最大5W并联两个输出·用于冗余负载控制支持（仅限同组的输出）·用于提高性能不支持控制数字输入支持切换频率·阻性负载最大100HZ·感性负载，符合IEC947-5-1，DC13最大0.5HZ·灯负载最大10HZ电感关闭电压的内部限制为通常为L+（-53V）输出短路保护是，电子型·阈值通常为1A执行器的连线使用40针前连接器表4.7PLC模拟量输入模块SM331；AI8x13位主要技术参数技术数据尺寸和重量尺寸WxHxD(毫米)40x125x117重量约250克特定模块数据支持同步模式否输入点数·阻性传感器88电缆长度·屏蔽最长200m50mV时最长50m电压、电流、电位阻性传感器的恒定电流·电阻温度计和电阻测量0Ω到600Ω0.83mA（脉冲电流）n·电阻测量0Ω到6kΩ0.25mA（脉冲电流）电隔离·通道和背板总线之间·通道之间支持否最大电位差·输入之间（CMV）2.0VDC绝缘测试电压500VDC电流消耗·背板总线供电最大90mA模块功率损耗通常为0.4W生成模拟值测量原理积分积分/转换时间/分辨率（每通道）·可编程支持·干扰频率为f1时的噪声抑制（Hz）5060·积分时间（ms）6050·基本转换时间，包括积分时间（ms）6655电阻测量的附加转换时间（ms）6655·分辨率（包括过冲范围（位））13位13位状态、中断、诊断中断无诊断功能无传感器选择数据输入范围（额定值）/输入阻抗·电压±50mV±500mV±1V±5V±10V1V到5V0V到10V100kΩ·电流±20mA0mA到20mA4mA到20mA50Ω·电阻0kΩ到6kΩ100MΩ·电阻温度计Pt100Ni100Ni1000LG-Ni1000标准/气候型100MΩ电压输入U+处的最大电压（破坏极限）最大30V，连续电压输入M+、M、S-处的最大电压（破坏极限）12V时连续；30V时最长持续时间为1S电流输入I+处的最大电流（破坏极限）40mA信号传感器的接线使用40针前连接器·温度测量的技术单位摄氏，华氏，开氏表4.8PLC模拟量输出模块SM332；AO8x12位主要技术参数n技术数据尺寸和重量尺寸WxHxD(毫米)40x125x117重量大约272g特定模块数据支持同步模式否输入点数8电缆长度·屏蔽最长200m电压、电流、电位额定负载电压L+·反极性保护24VDC支持·电隔离·通道和背板总线之间·通道和供电电源之间·通道之间·通道和负载电压L+之间支持支持否支持最大电位差·S-和MANA（CMV）之间3VDC绝缘测试电压500VDC电流消耗·背板总线·电源电压L+（无负载）最大100mA最大340mA模块的功率损耗通常为6.0W生成模拟量·分辨率，包括符号·±10V；±20mA；4mA至20mA；1V至5V·0V至10V；0mA至20mA·转换时间（每通道）11位+符号12位最长0.8ms稳定时间·阻性负载·容性负载·感性负载0.2ms3.3ms0.5ms（1mH）3.3ms（10mH）状态、中断、诊断中断·诊断中断可编程诊断功能·组错误显示·读取诊断信号可编程红色LED（SF）支持执行器选择数据输出范围（额定值）·电压±10V0V至10V1V至5V·电流±20mA0mA至20mA4mA至20mAn4.3PLC控制程序的设计S7-300PLC的组态和编程由西门子公司提供的STEP7标准软件包来完成。SETP7是西门子SIMATIT工业软件中的一员，它是用于对SIMATIT可编程逻辑控制器(PLC)进行组态和编程的软件包。STEP7提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求。SETP7不是一个单一的应用程序，而是由一系列应用程序构成的软件包。图4.6显示了STEP7标准软件包中的主要工具。【7】SIMATIT管理器硬件组态软件诊断编程工具LADSTLFBD符号端组态NETPRO通讯组态STEP7标准软件包图4.6STEP7标准软件包结构在STEP7中，一个自动化应用方案的所有数据是以项目(Project)的形式来组织和管理的。一个项目包含了以下三类数据：●硬件结构的组态数据及模块参数●通讯网络的组态数据●用户应用程序上述数据以对象的形式存储，STEP7采用目录式的层次结构管理项目中的所有对象。对象从上到下有如下所示的三个层次。第一层:项目。第二层:通讯子网，PLC站或者S7程序。第三层:第二层下面的具体对象，视第二层而定。STEP7设计完成一项自动化任务的基本步骤如下：第一步：要根据要求设计一个自动化解决方案；n第二步：在STEP中创建一个项目(Project)；第三步：在项目中，可以选择先组态硬件再编程或者先编写程序再组态硬件；第四步:硬件组态和程序设计完成后，通过编程电缆将组态信息和程序下载到硬件设备中；第五步：进行在线调试并最终完成整个自动化项目。4.3.1STEP7项目创建SIMATIC管理器是STEP7的中央窗口，每次打开STEP7编程软件时默认启动STEP7向导，可以按照向导创建STEP7项目，其步骤如下所示【12】：第一步：双击桌面上的SIMATICManager图标，出现图4.8SIMATIC管理器向导。图4.7SIMATICManager图标n图4.8SIMATIC管理器向导（选择项目创建的途径）第二步：点击图4.8中“预览”选择好项目途径后，点击“下一个”，出现如图4.9。图4.9SIMATIC管理器向导（选择CPU）第三步：在图4.9中选择好CPU后，点击图中“下一个”，出现图4.10。n图4.10SIMATIC管理器向导（选择程序块）第四步：在图4.10中，选择组织块OB1，一个程序中必须要有OB1。选择一种合适的编程语言，本设计用梯形图（LAD）。点击“下一个”确认设置，进入图4.11的向导设置画面。图4.11SIMATIC管理器向导（修改项目名称或默认）n第五步：在图4.11中“项目名称”域中更改名称，点击“完成”，将自动按照向导的各个目录生成项目，同时自动打开SIMATIC管理器和刚刚创建的项目窗口，如图4.12所示。图4.12SIMATIC管理器向导（完成向导配置）4.3.2硬件结构及组态硬件组态是STEP7软件的一项重要功能。STEP7软件中的“硬件组态”就是模拟真实的PLC硬件系统，将CPU、电源和信号模块等设备安装到相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改的过程。当用户需要修改模块的参数或地址、需要设置网络通讯、或者需要将分布式外设连接到主站的时候，都需要做硬件组态。【12】在STEP7中组态S7-300主机架(0号机架)，必须遵循以下的规范：①.1号槽只能放置电源模块，也可以不必组态；②.2号槽只能放置CPU模块，不能为空；③.3号槽只能放置接口模块，如果没有，则必须留空，但实际硬件排列仍然连续。一个S7-300站最多可以有一个主机架(0号机架)和三个扩展机架(1-3号机架)。主机架和扩展机架通过接口模块(IM)连接。在配置过程中，STEP7可以自动检查配置的正确性。当硬件目录中的一个模块被选中时，机架中允许插入该模块的槽会变成绿色，而不允许该模块插入时槽的颜色无变化。电厂废水处理中根据实际硬件系统，在STEP7中需做如下的硬件组态:●整个PLCn控制系统分布在3个导轨机架上，每个导轨都是和地相连用来保护设备。●载有CPU的主导轨机架通过IM360和副导轨机架上的IM361通讯模块相连，使3个导轨形成一个有机的整体，在CPU的控制下执行不同的输入输出动作。●其中主导轨0主要是执行模拟量的输入输出，导轨1主要是执行数字量的输入，导轨2主要是执行数字量的输出。●整个系统使用CPU315-2DP上自带的DP口通过Profibus现场总线和PC机通讯，传递CPU中的数据，以供PC机进行监视和控制。图4.13PLC硬件组态图硬件组态如图4.13,其配置与实际系统一致。在实际系统中为了方便接线、便于查找，数字量模块和模拟量模块式在不同的导轨上的，它们采用不同的电源供电，这样可以使它们互不产生干扰。配置完模块后按照其默认地址对IO点表的输入输出进行地址分配，其中对数字量输入模块的地址设置从I32.0～I59.7；对数字量输出模块的地址设置是Q64.0～Q79.7；对模拟量输入模块是采用四线制的4～20mA电流配置，地址为nIW256～IW318，如图4.14为其中1块的设置图，其它3块的设置相似；对模拟量输出模块采用4～20mA电流输出配置，地址为QW320～QW350，如图4.15为其中1块的设置图，其余1块的设置相似。从中可以看出不管是模拟量还是数字量对于地址来说都把其分配成连续的地址空间，便于管理。同时也可以看到在这里使用的是导轨默认地址进行IO点地址分配，这样做可以减少对模块地址的自定义，从而节省时间。图4.14.1模拟量输入模块地址设置图图4.14.2模拟量输入模块电流设置图n图4.14.3模拟量输入模块电流设置图图4.15.1模拟量输出模块地址设置图图4.15.2模拟量输出模块电流设置图n图4.15.3模拟量输出模块电流设置图4.4软件模块的程序S7系列PLC的CPU中运行着两种程序：操作系统程序和用户程序。操作系统是固化在CPU中的程序，它提供了一套系统运行和调度的机制；而用户程序则在这个平台上完成用户自己的自动化任务。用户程序由启动程序，主程序和各种中断响应程序等不同的程序模块构成，操作系统己经搭好了调用这些模块的结构框架，用户要做的就是向这些结构框架中填写内容，因此，S7的用户程序是一种结构化的程序。在STEP7软件中，结构化的用户程序是以“块”的形式实现的。块是一些独立的程序或数据单元，在STEP7中主要有以下几种类型的块【12】:●组织块(OB)：组织块是操作系统和用户程序的接口，它们决定用户程序的结构。它们由操作系统调用并循环执行，它们还处理对错误的响应，通过编程组织块可以指定CPU的反应。组织块决定各个程序部分的执行的顺序。一个OB的执行可以被另一个OB的调用而中断。由其优先级来决定的。●功能块(FB)：功能块属于用户编程的程序块，是具有“存储功能”的程序块。用数据块作为功能块的存储器。传递给FB的参数和静态变量存在背景数据块中。临时变量存在本地数据堆栈中。当FB执行结束时，存在背景DB中的数据不会丢失。但是，当FB的执行结束时，存在本地数据堆栈中的数据将丢失。●功能(FC)：功能属于用户编程的程序块。功能是“无存储区”n的逻辑块。FC的临时变量存储在局域数据堆栈中，当FC执行结束后，这些数据就丢失了。要将这些数据永久存储，功能也可以使用共享数据块。由于FC没有它自己的存储区，所以你必须为它指定实际参数。不能够为一个FC的局域数据分配初始值。●系统功能块(SFB)、系统功能(SFC)：SFB是集成在CPU中的功能块。它作为操作系统的一部份，不占用用户的程序空间。与FB相同，也具有存储能力。用户必须为SF13生成背景数据块。并将其下载到CPU中作为用户程序的一部分。SFC是集成的预先编好程序并通过测试的功能。它也是操作系统的一部分，而不算作用户程序的一部分。与FC相同，它也是不具有存储能力的程序块。OB、FB、SFB、FC和SFC均为用户程序的一部分，统称为逻辑块。●背景数据块(背景DB)：当一个FB/SFB被调用时，背景DB与该块相关联，它们可在编译过程中自动生成。●数据块(DB)：DB是用于存储用户程序的共享数据区域。它除了能被指定给一个功能块的数据外，还可以定义为任何逻辑块使用的共享数据区。电厂含煤废水处理控制系统中的PLC控制程序由如下的块结构组成，图4.14展示了一些主要的块组成。OB1作为PLC程序的主循环，控制器启动后就开始执行主循环。在OB1中调用各个功能，依次执行各个功能。OB1主程序块FC6A设备正常FC7B设备正常FC5B设备反冲洗FC4A设备反冲洗FC3清水提升FC2加药FC1煤水提升图4.14项目OB1中程序结构图n由电厂含煤废水处理的工艺流程可以知道，废水在经过一系列的水池后最终进入废水处理系统A、B，在这里经过工艺的处理后排放到清水池中。从程序角度看，废水处理系统A、B中的控制流程一致。编程中使用符号表定义，各个功能都可调用符号，这样可以方便的进行编程。根据工艺，整个系统的程序是由下列几个部分组成的：废水调节池、三个煤水提升泵、加药、废水处理系统A、B、三个清水提升泵。每个程序都可以单独控制和单独运行，同时每个程序又是系统的组成部分，它们之间互相有数据的传输。它们组合在一起动作就构成了完整的PLC控制系统程序。根据工艺处理结构，对每个控制流程的程序做出说明:●废水调节池:废水调节池是整个系统含煤废水储存的第一站，在这里由三个煤水提升泵将调节池废水往废水处理系统A、B送。调节水池的液位高度直接关系到整个系统的启动和停止。只有当调节水池超过低液位线(3m)，有足够的水量了，煤水提升泵才会启动。●煤水加药系统：煤水加药系统包括（1）混凝剂加药系统（2）助凝剂加药系统。两个系统中各有两个计量泵（互为备用）、搅拌机、电磁阀。这些都与煤水提升泵的启停、溶液箱的液位相互联锁。●带压式处理系统带压式处理系统包括A、B两套设备系统。两个处理流程一致，主要包括十个电动阀的开关，其中四个进水电动阀，四个反冲洗出水电动阀，一个清水出水电动阀，一个排泥阀。●清水池经过整个含煤废水处理系统后，清水都流到这个池子。由三台清水泵将清水提升供厂内用水。nnn第5章结束语本文针对电厂含煤废水处理系统中采用人工手动控制的诸多缺陷和不足，提出了通过把计算机管理技术与PLC控制技术来实现废水处理系统的高度机械化、自动化和计算机化。这将有助于提高废水处理工艺的可重塑性；电厂用水的效率。节约了成本，提高了整体的经济效益。使电厂的自动化管理和自动化控制生产方面达到一个新的高度。在进行PLC软件编程时，我参照该电厂含煤废水处理控制系统的电路图，对设计编程中要求的四个大块进行分析，得出其控制逻辑，对其进行IO点分配，为运用软件进行编程打下基础。环境保护是我国的基本国策。随着国家环境保护政策与法规的不断健全，全民环保意识的增强，对环境保护要求更加严格。火电厂是耗水大户，对耗水指标提出了较高的要求，电厂的含煤废水进行处理，达标后才能循环使用或排放。新电厂的建设和老电厂的改造都对此提出了更高的要求。在现代的含煤废水处理中，自动化技术是实现工艺要求，维持设备正常运行，提高工作效率的重要保正如人的神经系统一样，将工艺、设备连成一个统一的整体，协调运行。随着工厂自动化管理和工厂自动化生产的进一步发展，以及含煤处理工艺的日益复杂性，全方位的实现自动化的含煤废水处理必然是一个发展的趋势。n致谢本文是在吴浩老师的悉心指导下完成的。老师在百忙之中抽出时间给予我大量的帮助、支持和鼓励。老师深厚的学术造诣、严谨的治学态度、敏捷的思路无不给我留下深刻的印象。在此向老师表示衷心的感谢和最崇高的敬意!在完成设计和论文期间，还得到了其它同学大力协助，在此感谢关心和支持帮助我的所有人!谢谢!n参考文献[1]邬扬善.城市污水处理发展近况和问题[J].给水排水，1995(12):40~41.[2]高廷耀.污水处理的新技术与新发展[J].伤害环境科学，1999(4):162~163.[3]肖萍.火电厂排放废水的处理与回用[J].江苏环境科技，1998(3):18~19.[4]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：清华大学出版社，1999.[5]孙德辉.可编程序控制器原理及应用[M].第1版.北京：中国水利水电出版社，1999.[6]袁任光.可编程序控制器选用手册[M].第1版.北京：机械工业出版社，2002.[7]周海，刘锴.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.[8]施耐德电气公司.ATV31用户手册[Z].2006.[9]施耐德电气公司.ATV38用户手册[Z].2002.[10]廖常初.S7-300/400应用技术[M].第2版.北京：机械工业出版社，2008.[11]廖常初.S7-300/400PLC硬件手册[Z].第2版.北京：机械工业出版社，2008.[12]张运刚，宋小春，郭武强.从入门到精通.西门子S7-300/400PLC技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.[13]宋德玉.可编程序控制器原理及应用系统设计技术[M].第1版.北京：冶金工业出版社，1999.[14]STEP7V5.4编程手册[Z].SIEMENSAG，2004.[15]SIMATICS7SS7-300/400梯形逻辑编程参考手册[Z].SIEMENSAG，2000.[16]翁维勤，孙洪程.过程控制系统及工程[M].第1版.北京：化学工程出版社，2004.[17]姚锡凡，常少莉.加工过程的计算机控制[M].第1版.北京：机械工业出版社，2004.[18]STEP7UserManual[Z].SIEMENSAG，2000.[19]SIMATICSystemSoftwareforS7300/400SystemandStandardFunctionsReferenceManual[Z]..SiemensAG.1999.[20]SIMATICS7ConfiguringHardwareandCommunicationConnectionsStep7V5.4Manual[Z].SiemensAG.2001.n附录e马,陪F?lm嫄W圹獑??N€?)?0?q??3拞屓??p勌m:b5a漬璺1疆lv~0瘩艌v€??`@2屘b瘌Tq〆妋4U~K袢,疀薤`,A6玭$?$徤?|ッ?罪=T?G驳op1尚懇袹戦疈u圻?赓O?a?*{p懡0L)w懱拽?E???/扢]?9镃/潺hRＱ烞b蔔Ye嚁剂Bb?捚?悭曥T?UFUZ!醋M[M蘇g壶鲦伸???qfg%厧1't?€戯愤焿驆罳騙^萡P?躀cP縮蒕?nP砫}?C?Z豸值?<箾殶竛吐K?M毂?藑琶q@v栃
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