【文章內容簡介】 道，用來連接傳感器和執(zhí)行器（調節(jié)閥）。 I/O 單元：通常，一個過程控制站由幾個機架組成，每一個機架可以擺放一定數(shù)量的模塊。 CPU 所在的機架被稱為 CPU單元，同在一個過程站中只能有一個CPU單元，其他只用來擺放 I/O 模塊的機架就是 I/O單元。 第三章 硬件部分設計 PLC 工作原理及特點 國際電工委員會 IEC 對對 PLC 的定義：是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的。不僅可以進行邏輯控制，也可以對模擬量進行控制。它采用一類可編程的存儲器，由于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計數(shù)與算數(shù)操作等 面向用戶的指令，并通過數(shù)字量或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴沖其功能的原則設計。 PLC 分為停止和運行模式 (1)停止模式：當處于停止工作模式時 PLC 只進行內部處理和通信服務等內容。 (2)運行模式：分為內部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理五個階段。 的工作方式 集中采樣、集中輸出、周期性循環(huán)掃描，“串行”工作方式。 (1)掃描周期： PLC 是以循環(huán)掃描來工作的，每一次掃描所用的時間稱為掃描周期。與 CPU 的運算速度、 I/O點的情況、程序的長短等有關。一般 110ms/K。 (2)輸出滯后：指從 PLC 的外部輸入信號發(fā)生變化至它所控制的外部信號發(fā)生變化的時間間隔。一般由輸入模塊的濾波時間、輸出模塊的滯后時間、掃描方式引起。 (3)由于 PLC 是集中采樣，在程序處理階段即使發(fā)生了變化，輸入映像寄存器中的內容也不會變化，要到下一個周期的輸入采樣階段才會發(fā)生改變。 的特點 (1)高可靠性：大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，另外還采取了屏蔽 和濾波等抗干擾措施，平均故障時間 35 萬小時。 (2)豐富的 I/O 借口：對不同的工業(yè)信號（如交流、直流、電壓、電流、開關量、模擬量、脈沖等）都有相應的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備（如按鈕、行程開關、接近開關、傳感器、變送器、電磁線圈、電機的啟動等）直接連接。 (3)靈活性：不必為每套設備配置專用的控制裝置，只需改變程序就可。 (4)采用模塊化結構 (5)便于改進和修正 (6)節(jié)點利用率高 (7)模擬調試 (8)對現(xiàn)場進行監(jiān)視 (9)快速動作 (10)體積小、質量輕、功耗低 (11)編程簡單、使用方便 西門子 S7300PLC 西門子 S7 可編程主要包括 300/400 兩個系列， S7300 是中型的 PLC， S7400是大型的 PLC。 S7300PLC 功能強、速度快、擴展靈活，它具有緊湊的無槽位限制的模塊化結構。 S7300 采用 U下背板總線將各個模塊連接起來，可利用 MPI、PROFIBUS 和工業(yè)以太網組成網絡。 的系統(tǒng)結構 S7300PLC 是模擬是中小型的 PLC，電源 CPU 盒其他模塊都是獨立的，可以通過 U形總線把電源（ PS）、 CPU 和其他模塊緊密的固定在 S7300 的標準導軌上。每一個模塊都有一個總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是在最左邊然后緊跟 CPU 過后是 IM 接口模塊（如果只用主架導軌就不用選擇 IM模塊） 模塊 CPU 模塊是控制系統(tǒng)的核心，負責系統(tǒng)的中央控制責任，存儲并執(zhí)行程序，實現(xiàn)通信功能，為 U形總線提供 5V 電源。 CPU 有 4種操作模式： STOP（停機），STARUP(啟動 ),RUN(運行 )和 HOLD(保持 )。在所有的模式中，都可以通過 MPI 接口與其他設備通信。 選用 s7300 的優(yōu)勢 本設計選用的是西門子的 SIMATIC 系統(tǒng) PLC 的 S7300。 SIMATIC 控制器提供了面向未來的投資，可以做到主動、柔性、經濟的響應新挑戰(zhàn)，能給用戶帶來如下好處： CPU 和強大的工藝功能可以帶來更高的生產率。 CPU和超大的內存容量可以集成新的功能。 ，大量的集成功能和無機柜操作可以減小機器體積。 ，全集成自動化帶來的集成性和應用程序的可重用性可以帶來更低的市場響應時間。 。 。 強大的診斷功能可以提高機器和工廠的可靠。 190 個國家和全面的 SIMATIC 支持可以增加機器和工程的出口機會。 S7300 屬于模塊式 PLC，主要由機架、 CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成。 SIMATIC S7300 是一種中型的 PLC，能適合自動化工程中的各種應用場合，其模塊化，無風扇結構，易于實現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特性，使得 S7300 在實施各種控制任務時，成為一種即經濟又切合實際的解決方案。它的主要特點有： ：極其快速的指令處理大大縮 短循環(huán)周期。 。 ：極強的計算性能、強勁的內部集成功能、全面的故障診斷功能、用戶程序的多級口令保護、采用不同性能級別的 CPU，廣泛的適用于應用場合。 ：一個系統(tǒng)除一個主機架外，根據需要最多可擴展至 3個擴展機架，最多可以安裝 32 個模塊，每個機架可以插入 8 個模塊；主機架與擴展機架之間通過接口模塊連接；每個機架可以遠距離獨立安裝，兩個機架之間最長距離可達 10米。 ：可以通過通訊處理器連接 AS－ 1 接口、 PROFIBUS和工業(yè)以太網總線系統(tǒng)和點到點的通訊 系統(tǒng)，或通過集成在 CPU 中的多點接口(MPI)連接編程器、 PC 機、人機界面系統(tǒng)及其它 SIMATIC S7/M7/C7 等自動化系統(tǒng)。 S7300 可以支持過程通訊和數(shù)據通訊兩種通訊形式。 ，便利的連接系統(tǒng)，易于安裝維護。 s7300 與 s7200s7400 和三菱的比較 西門子 S7300 與 S7200 和 S7400 相比： S7200 系列 PLC 是一種小型 PLC，適用于對性能要求不高的場合，通訊功能比較弱，不利于上、下位機的通訊，同 時功能比較簡單，不能滿足要求； S7400 是大型的 PLC，可以掛接 300 多個模塊，H系列和 HF 系列可以完成硬件的冗余，具有極高的處理速度和卓越的通訊性能，可以應用與一些特殊要求的領域，它主要應用于大型集散控制系統(tǒng)中。由于S7300 是模塊中小型 PLC，在一個系統(tǒng)中最多可擴展 32 個不同的應用模塊，可以滿足絕大多數(shù)的應用場合，甚至能完成冗余，可以滿足工藝控制要求，所以不必選擇 S7400 來增加成本。 西門子 S7300 與日本三菱相比：過程控制與通信控制西門子是強項，西門子的模擬量模塊價格便宜，程序簡單，而三菱的模擬量模塊價格昂貴，程序復雜，西門子做通信 也容易，程序簡單，三菱在這塊功能較弱。 例如某設備只是些動作控制，如機械手，可選擇三菱的 PLC，某設備有伺服或步進要進行定位控制，也選三菱的 PLC。像中央空調，污水處理，溫度控制等這類有很多模擬量要處理的就要選西門子的 PLC 比較合適，某設備現(xiàn)場有很多儀表的數(shù)據要用通信進行采集，選西門子的好控制。 所以經對比從實用性、經濟性等各個方面來看，選用德國西門子的 S7300完成本次課題設計。 傳感器的選擇 傳感器（ transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并按一定的規(guī)律變換 為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制要求。它是實現(xiàn)自動控制和檢測的重要環(huán)節(jié)。 超聲波液位計是一種非接觸式液體液位測量儀?？捎糜跍y量各種容器或管道內液體的液位高低和流量大小，也可用于水泵、水庫、江河的水位測量尤其適用于污水、有腐蝕性的場合。 本系統(tǒng)選擇西門子 7ML52111DA11 液位傳感器（量程 15米），作為沉淀池、反應池、污泥處理池的液位高度測量儀器。一方面這個量程可以避免由于盲區(qū)導致測量誤差，同時可以滿足工藝要求。 PH 傳感器的選擇 本系統(tǒng) PH 傳感器主要用于檢測反應池以及污泥處理池中污水濃度。因為 PH值得大小會嚴重的影響反應程度以及污泥的效果。因此這里選用 MTTERTOLEDO 生產的 PH 傳感器型號為 PH2100PA。該 PH傳感器可直接與 PROFIBUSDP 網絡通信可以很方便的實現(xiàn)與集散控制系統(tǒng)的掛接。 DO 儀的選擇（含氧量） 污水處理反應池中的氧氣的濃度直接影響反應程度以及決定出水質量。因此檢測反應池中氧氣的濃度是十分必要的，以便保證反應池中的有氧和無氧反應的進行徹底，提高出水質量。本系統(tǒng)選擇上海宇策電子有限公司代理的 YC6308DTF溶氧儀。該 DO 儀具有一個 RS485 接口可以方便的實現(xiàn) PLC 進行連接，實現(xiàn)在線的檢測。 污水處理生產監(jiān)控系統(tǒng)總體設計 本文的集散控制系統(tǒng)上位機采用 PC 機作為操作員站，主要實現(xiàn)監(jiān)控功能和對現(xiàn)場設備狀態(tài)調整的功能 。下位機采用 PLC 作為現(xiàn)場控制站，主要實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制、數(shù) 據采集和反饋功能。上位機采用普通的 PC 機加 CP5613 通信卡，通過插在 PCI 插槽的 CP5613 通信卡實現(xiàn)與下位機的通訊。由于監(jiān)控室沒有強的干擾源，以此采用普通的 PC 機可以保證與下位機的通訊穩(wěn)定。同時由于數(shù)據傳輸量不是很大可以滿足通訊處理要求。由于 PC 機配置比較高，可以及時處理控制過程中產生的數(shù)據，可以滿足工藝要求。 根據本系統(tǒng) SBR 工藝的具體要求工藝流程的控制要求，污水處理系統(tǒng)主要分為三個區(qū)，即預處理區(qū)、反應池區(qū)、污泥處理區(qū)，其中預處理區(qū)主要實現(xiàn)機械處理階段，過濾較大的雜質，同時調節(jié)水質。反應 池區(qū)主要是生化處理階段。污泥處理區(qū)主要針對水處理產生的污泥進行處理，由于工藝是獨立的所以單獨劃分為一個區(qū)。因此采用三臺 PLC 作為下位機，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制。同時 PLC 可以適應嚴酷的工作環(huán)境，同時還能保證工作的穩(wěn)定性。 其中對預處理區(qū)的控制主要包括粗格柵、細格柵、提升泵、沉淀池四個主要工藝設備的自動控制。反應池區(qū)主要包括兩個 SBR 反應池。污泥處理區(qū)主要包括對輸送機、濃縮脫水一體機以及一些經出水閥門。 第四章 PLC程序設計 STEP7 軟件的介紹 1. STEP7 編程軟件 STEP7 編程軟件是一個用于 SIMATIC 可編程邏輯控制器的組態(tài)和編程的標 準軟件包。 STEP7 標準軟件包中提供一系列的應用工具，如： SIMATIC 管理器、 符號編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件組態(tài)、網絡組態(tài)等。 STEP7 編程軟件可 以對硬件和網絡實現(xiàn)組態(tài)，具有簡單、直觀、便于修改等特點。該軟件提供了在 線和離線編程的功能，可以對 PLC 在線上載或下載。利用 STEP7 可以方便地創(chuàng) 建一個自動化解決方案。如圖 所示。 STEP7 中集成三種編程語言：（ LAD）梯形圖語言， STL 語言， FBD 語言。編程時可以自 由選擇。 本課題現(xiàn)場控制站（下位機） PLC 控制程序主要包括三個區(qū)：預處理區(qū)、反應池區(qū)、污泥處理區(qū)。其中預處理區(qū)里包括粗格柵、提升泵、細格柵和沉淀池這四個子控制區(qū)。反應池區(qū)主要是根據 SBR 工藝要求實現(xiàn)對攪拌機、鼓風機、潷水器以及污泥回流泵等設備的自動控制。污泥處理區(qū)也按照污泥處理的工藝要求實現(xiàn)對污泥脫水機、輸送機的控制。 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 S T T P 7 柵 柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 柵柵 柵 柵 柵 圖 2. PLC 控制系統(tǒng)設計的基本步驟 PLC 控制系統(tǒng)設計的一般步驟與傳統(tǒng)的繼電器相比較，組件的選擇代替了原來的器件選擇，程序設計代替了原來的邏輯電路設計。 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本步驟為： （ 1）系統(tǒng)規(guī)劃：根據工藝流程分析控制要求和任務書中的技術條件來明確控制任務；確定所需要的用戶輸入設備（按鈕、開關、傳感器等）和輸出設備（繼電器、接觸器、信號燈等）以及由輸出設備驅動的控制對象（電動機、電磁閥等），估算 PLC 的 I/O 點數(shù)；選擇合適的 PLC 類型；特殊模塊的選擇，包括機型的選擇、容量的選擇、 I/O 模塊的選擇、電源模塊的選擇等。 （ 2）硬件設計：根據總體方案完成電氣控制原理圖、連接圖等基本圖樣的設計工作。 （ 3）軟件設計：分配、定義 PLC 的 I/O 口；根據狀態(tài)流程圖和電氣控制原理圖進行編程 預處理區(qū) PLC 控制程序 本系統(tǒng)預處理區(qū) PLC 控制程序主要包括粗柵格區(qū)、提升區(qū)、細柵格區(qū)和沉淀區(qū)四個子區(qū)域的自動控制程序。首先在 STEP7 軟件中進行預處理區(qū) PLC 的 I/O地址分配。這只是進行