1、1冷却循环水控制系统的设计20级自动化专业：指导教师：1 冷却循环水控制系统的概况冷却循环水控制系统广泛地用于火力发电、NdFeB 制粉车间、聚苯乙烯树脂制造、化肥厂的脱硫、冶炼、石油化工等的工业控制中。如下图所示：冷 却 循环 水 系 统钢 铁 厂火 力 发电 厂冶 炼 厂石 油化 工N d F e B制 粉 车 间其 它聚 苯 乙 烯树 脂 制 造化 肥 厂图 1 冷却循环水控制系统主要控制范围分布图在火力发电、NdFeB制粉车间、聚苯乙烯树脂制造、化肥厂的脱硫、冶炼、石油化工等的工业控制中，常常需要大量连续的冷却循环水对一些如锅炉、余热发电机、真空炉等设备进行冷却，确保其正常工作。因此，
2、冷却循环水在些工业控制领域中就变得非常重要，是不可缺少的一部分。因为冷却循环水主要是对一些大系统里的一部分需要冷却的设备进行冷却，所以，通常是把它从需要冷却的系统中分离出来，看作是一个独立的系统，在设计大系统时只要考虑到了冷却的问题，留有一定的空间，一般在设计及运行中不会与其所要服务的系统产生冲突。2 冷却循环水控制系统控制方案2.1 控制系统简介冷却循环水控制系统的功能主要是给一个设备或多个设备、一个系统或多个系统提供循环的冷却水，让高温的设备或系统工作在正常的温度内。冷却循环水控制系统可以是一个大的系统，也可以简单地只由一个自来水进水管和一2个出水管组成，它随着控制对象的不同而不同。一般的
3、冷却循环水控制系统主要由冷却池、水泵、自来水、若干水管、若干阀门等组成。它随着控制对象的不同适当地增加或减小组成部分。冷却循环水控制系统的控制过程如图2所示，自来水主要起冷水补充，由于系统在循环过程中会损失一部分的水，当冷却池里的水低于一定水位时，就引入自来水，补充损失的水，冷却池的作用主要是将回收的冷却水，再进一步冷却，经水泵抽水到需要冷却的设备或系统，而冷却塔主要是把冷却完设备之后的水进行冷却，再把它下放到冷却池，形成一个循环。图2 冷却循环水控制系统流程简图NdFeB制粉车间的冷却循环水控制系统，是冷却循环水控制当中较典型的一种系统，本次的设计也是针对NdFeB制粉车间这个对象进行的。N
4、dFeB制粉车间是整个磁粉制造的核心环节，主要由真空熔炼炉、真空快淬炉、真空连续晶化炉等设备组成，这些设备都是在高温下工作，一旦冷却水中断，将会造成无法挽回的事故。为保证NdFeB制粉车间的真空熔炼炉、真空快淬炉、真空连续晶化炉等设备的正常运行，为其提供源源不断地冷却循环水就变得至关重要。为了使系统简单，一般把冷却循环水系统独立出来，在设计时独立设计冷却循环水控制系统。2.2 冷却循环水控制系统的控制对象在 NdFeB 制粉车间，主要的控制对象为真空熔炼炉、真空晶化炉和真空快淬炉。因为这三个炉都是在高温的条件下进行工作，在工作过程中会产生大量的热量，如果温度过高，就会影响其正常工作，甚至烧坏设
5、备，所以要对其进行冷却，用循环水冷却是一个较理想的方式。（1）真空熔炼炉用于高温精密合金及磁性材料的熔炼提纯，生产用于精密铸造和重熔电极3的合金棒料。主要技术指标：极限真空 6.610 -2Pa 压升率 1.2Pa/h中频功率 502000kW 最高温度 2300装 料 量 202000kg 规格型号 /BJ-VIM-200KG（2）真空晶化炉使磁粉在通过加热区和冷却区过程中，翻滚充分，加热和冷却均匀，能大幅度提高磁粉性能。主要技术指标：极限真空度 510-3 Pa 漏率 0.5Pa*L/S可充正压力 0.05MPa 温度范围 0800控温精度 3 加热带长度 2m 冷却带长度 2m 炉管转速
6、 060r/min总功率 55kW 规格型号 XG-200 型（3）真空快淬炉生产快淬 Nd-Fe-B 磁粉为主的专用设备。其工作原理是：电弧熔融金属以一定流速溢流于水冷转轮上，金属熔液被快速冷却凝固，从而使液态无序结构冻结，形成非晶或微晶结构。主要技术指标：产量 50t/y 真空度 510-3Pa出粉磷片厚度 2080um 抽真空时间 50min压升率 410-1Pa.L/S 坩埚进出水温差（T） 810进料粒度 0.320mm 转轮温升 2用水量 8t/h熔炼功率 55kW 设备外形尺寸 4200mm2800mm3500mm工作电流 1000A 规格型号：GZK-50TC 型（4）水泵主要
7、技术指标：型号 100FY（HY）-50 泵额定转速 2900r/min流量 100m 3/h 电机功率 30kW扬程 50m42.3 冷却循环水控制系统的工艺流程2.3.1 冷却循环水控制系统的工艺流程图图 3 冷却循环水控制系统工艺流程图图 4 系统局部控制图5从上面图 3 和图 4 可以清楚地看到 NdFeB 制粉车间的冷却循环水工艺流程，以及控制系统的各个组成部分。2.3.2 控制系统的工作流程当系统自动运行时，首先使水位继电器检测水池的水位，当水位高于设定值时，水池放水，当水位低于设定值时，打开电磁阀 YV1 往水池注水，达到设定值时，断开电磁阀 YV1；然后启动 M1 水泵，向熔化
8、炉、快粹炉、晶化炉喷冷却水，之后水经过回水管到达冷却塔，再下到冷却池，通过回收管回到水池，形成一个循环。在电机上装有电流继电器，在管道上装有压力继电器，当电流或水压超过设定值时，马上启动另一水泵；当另一台水泵也出现这样的问题时，立即启用备用水泵。如果再次出现上述问题，则打开电磁阀 YV2，引入自来水。在冷却池中装有水温检测器，当温度低于设定温度时，打开电磁阀 YV3，冷却池内的水通过回收管流回水池，当温度高于设定温度，启动 M3 水泵及后备水冷系统。2.3.3 后备冷却水系统后备冷却水系统主要是由一个备用冷却塔、一个备用冷却池、一台风机水泵和一台变频器组成。其主要作用是当冷却池水温高于 25，
9、启动水泵 M3，把水抽到冷却塔上，再由塔上落下，通过风机把落下的水吹冷，以达到符合水温的要求。风机主要由变频器控制，通过 PLC 输出的信号大小来控制风机的转速，从而调节冷却水的温度。通过变频器的控制，也可以达到节能降耗的效果。图 5 后备水冷系统62.4 冷却循环水控制系统的控制要求在 NdFeB 制粉车间的冷却循环水控制系统控制中，主要有以下要求：（1）为了防止制粉车间的真空设备在工作时遇到突然停电事故，冷却循环水控制系统除了有工作机组和备用机组外，还应接入自来水。要求如下：a）在供电正常时，两组工作机组能定时切换。b）当一套机组发生故障时，系统能及时地启动备用机组，并报警。c）在供电线路
10、发生故障或其他原因导致工作机组和备用机组均不能正常工作时，系统能接入自来水冷却设备。 （2）真空设备要求冷却循环水进水水温不高于设定值，当冷却池内水温超过设定值时，系统要能将水池的水抽入后备水冷系统，经冷却后流回水池。当冷却池内水温低于设定值时，冷却池内的水直接由回收管流入水池。（3）当水池的水位低于设定水位时，系统能自动往水池放入自来水，保持水池水位在一定范围之内。（4）具有区域方式控制a）具有可选的手动、自动工作方式。需要定义自动工作方式、手动工作方式，通过预先的给定，使程序给出相应的方式控制信号输出。b）可以提供区域故障确认和急停控制功能。通过使用对应的输入信号，可以实现对这一区域故障的
11、故障确认输出信号的产生，以及对急停信号到来时，通过对这个程序发出紧急停车信号等功能。2.5 系统控制方案2.5.1 系统的控制方案根据上面所列出的控制要求，NdFeB 制粉车间冷却循环水控制系统的系统规模不大，提出以下四种系统的控制方案：第一种方案：继电器接触器控制。主要是以继电器、开关、熔断器、仪表等器件组成。第二种方案：单片机控制。主要是以单片机为核心，A/D 转换器，检测元件，仪表以及外扩器件等组成。第三种方案：PLC 控制。主要是以 PLC 为核心，各种检测器件、仪表以及外扩器件等组成。7第四种方案：PLC 控制，PC 机监控。主要是以 PLC 机为核心控制，PC 机则通过编程来控制，
12、外部主要由各种智能检测器件等组成。2.5.2 系统控制方案的比较过去系统基本上使用的都是第一种方案，即电气控制，由于它在传统的控制中经过了长期的应用，方案较成熟。但由于它的线路繁琐，开关点多，出现问题的概率也大大增加，而且维修麻烦。随着科技的发展，电气控制逐渐被可编程器件所取代。而对于第二种方案，以其简单易行，扩展性好等优点广泛地应用于工业中，但对于本次设计的系统来说，它并不是很适合，因为用单片机来控制大容量的电机，线路较复杂，且可靠性还有待提高。第三种方案的系统简单、经济实用、效益高、可靠性高，但由于它是通过操作柜控制，不利于实时对系统进行监控。第四种方案是现阶段使用比较多的一种，它主要应用
13、 PLC 为核心实现控制，然后通过 PC 编程来实现监控，控制精度高，智能程度也较高，而且可以实时对系统进行监控。 2.5.3 系统控制方案的确定上面的第四种方案是本次设计所选的方案，主要是因为它可以实时对系统进行监控, 智能化程度较高，控制精度也高，而且易于与其它系统共同配合使用。3 冷却循环水控制系统硬件结构设计3.1 PLC 及其控制系统3.1.1 PLC 概述可编程控制器，简称 PLC，是上世纪 60 年代末研发，在二十世纪末飞速发展并广泛应用于工业生产的一种控制核心设备。首先，PLC 是“数字运算操作的电子装置” ，其中带有“可以编程序的存储器” ，可以进行“逻辑运算、顺序运算、定时
14、、计数和算术运算”工作，可以认为可编程控制器具有计算机的基本特征。其次，PLC 是“为工业环境下应用”而设计的计算机。PLC 具有特殊的构造，使它能够在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。最后，PLC 能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。它“易于扩展8基功能” ，它的程序根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序” 。PLC 主要有以下 5 大特点：（1）高可靠性，抗干扰能力强。高可靠性是电气设备的关键性能。PLC 由于采用的是现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC
15、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。（3）易学易用，深受工程技术人员的喜爱。PLC 作为通用的工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。（4）系统设计周期短，维护方便，改选容易。PLC 用存储逻辑代替接线，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统的设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型 PLC 为例，其新近产品的品种底部尺寸小于 100 ，重量小于 150g，功耗仅有数瓦。2m3.1.2 PLC 的选取当前市场上的 PLC 产品主要是国外生产的，有以下几个 PLC 主
16、流产品生产厂：西门子、三菱、松下、欧姆龙、霍尼韦尔等。此次设计是以西门子的SIMATIC S7-200 产品为核心而展开的。SIMATIC S7-200 系列 PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能价格比。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：（1）极高的可靠性（2）极丰富的指令集（3）易于掌握（4）便捷的操作（5）丰富的内置集成功能（6）实时特性 （7）强劲的通讯能力9（8）丰富的扩展模块 图 6 西门子 S7-200 系列S7-200 系列在
17、集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统等。S7-200 系列 PLC 提供了 4 个不同的基本型号的 8 种 CPU 供使用。本次选取的是 S7-200 系列中的 CPU 226。CPU 单元设计：集成的 24V 负载电源，可直接连接到传感器和变送器（执行器）CPU 226 输出 400mA，可用作负载电源。本机数字量输入/输出点：CPU 2
18、26 具有 24 个输入点和 16 个输出点。中断输入：允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。CPU226 高速计数器：6 个高速计数器（30kHz），可编程并具有复位输入，2 个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为 90的 A/B 相增量编码器。EEPROM 存储器模块（选件）：可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器） ，并可进行辅助软件归档工作。电池模块：用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约 5 天。选用电池模块能延长存贮时间到 200 天（10 年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。CPU 226 可
19、方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。扩展模块选用的是 EM235 模拟输入输出模块。模拟输入输出模块：EM235，24VDC，4 路模拟量输入，2 路模拟量输出；电压输入 0-10V，电流输入 4-20mA；电压输出10V，电流输出 0-20mA。3.2 系统的 I/O 配置根据上面的工艺流程分析，以及 PLC 的确定，可得出系统的 PLC 配置示意图如下：10图 7 S7-200 I/O 配置图图 8 模拟量的输入输出配置示意图113.3 变频器3.3.1 变频器概述变频器是把固定频率的电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电
20、路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。交流电动机的同步转速表达式： n60 f(1s)/p ；式中：n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。 由上式可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速
21、度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。在控制系统中，水泵是其中一个重要单元，水泵运行的好坏直接影响到整个系统的稳定性。在系统中引入变频器来控制水泵以后，水泵的控制更加完美，主要有以下几点优势：（1）可方便地实现电机软起动、自由停车。电机均通过变频器或软起动从050HZ 作缓慢加速起动，减少了机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击；（2）可提高功率因数，改善电动机电源质量，保证电动机的功率与实际负荷相匹配，达到系统节能运行的目的；（3）可消除机泵的喘振现象，使机泵运行处于最佳工况状态；（4）可方便地实现自动控制，使被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定
22、性和可靠性。3.3.2 变频器的选取根据控制要求，选选择西门子 ECO1-5500/3 交流变频器。（1）变频器主要特征 12a）输出频率范围 0Hz650Hz；b）380V-480V10%，三相，交流，55kW；c）矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；d）高过载能力，内置制动单元； 三组参数切换功能。（2）变频器控制功能 a）线性 V/f 控制，平方 V/f 控制，可编程多点设定 V/f 控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；b）标准参数结构，标准调试软件；c）数字量输入 6 个，模拟量输入 2 个，模拟量输出 2 个，继电器输出 3个；d）
23、独立 I/O 端子板，方便维护；e）采用 BiCo 技术，实现 I/O 端口自由连接；f）内置 PID 控制器，参数自整定；g）集成 RS485 通讯接口，可选 PROFIBUS-DP/Device-Net 通讯模块；h）具有 15 个固定频率，4 个跳转频率，可编程；i）可实现主/从控制及力矩控制方式； j）在电源消失或故障时具有“自动再起动”功能； k）灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；l）快速电流限制（FCL） ，防止运行中不应有的跳闸；m）有直流制动和复合制动方式提高制动性能。 （3）保护功能： a）过载能力为 200额定负载电流，持续时间 3 秒和 150额定负载电
24、流，持续时间 60 秒； b）过电压、欠电压保护； c）变频器、电机过热保护； d）接地故障保护，短路保护； e）闭锁电机保护，防止失速保护； 采用 PIN 编号实现参数连锁。3.4 其它元器件的选取（1）电磁阀13型号 ZCZP-2；工作介质为调温液体、气体等；介质温度220；电源电压 AC220V；工作压力 0.11.6MPa；公称通径 150300mm；功率 50VA。（2）过流继电器型号 JSL-85D(F)，（D-定时限，F-反时限）一副转换滑动触点(适用于交流操作回路)；过电流部分的整定范围 2.019.9A、级差 0.1A。（3）水位继电器型号 SSR-04；2 路水位检测，高水
25、位和低水位，继电器输出。（4）压力继电器YSJ-系列数字显示压力继电器；技术参数：电源：AC220V，DC24V；容量：AC220V，0.3A，DC24V；测量范围：0-60MPa；使用温度：-4050；接口螺纹：M14*1.5，G1/4；（5）铂热电阻分度号：Pt100；测温范围：-50100；精度等级：A级、B级；材料：用4塑胶电缆经热熔模压封装，外套不锈钢管壳防护。（6）PA-14 热电阻信号隔离器24V 供电，输入、输出、电源，三端口全隔离。PT100 等现场温度信号隔离、转换为 4-20mA、0-5V 等直流标准信号，2000V 隔离耐压。解决工业现场信号干扰、转换、传输及匹配问题。
26、（7）施耐德 CJX2(LC1)系列交流接触器适用于交流 50Hz（或 60Hz） ，在 AC-3 使用类别下额定工作电压为 380V，额定工作电流 1A 至 95A 的电力系统中，供远距离接通和分断电路，频繁地起动和控制交流电动机之用。并可与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电磁起动器以保护可能发生过载的电路。（8）按钮LA38 系列；额定工作电压：AC220V；颜色：红、绿、黄、白、蓝、黑（带灯钮无黑色） ；寿命指标：机械寿命 100104次，电寿命 50104次。（9）信号灯AD11 系 列 ； 额定工作电压：AC220V；电寿命：连续工作寿命30000h；光亮度：4060cd/m 2
27、；交流频率 50Hz；发光颜色：红、绿、黄、白、蓝。14（10）PC/PPI 电缆PC/PPI电缆S7-200 CN 编程电缆，5 米，光电隔离，内置RS232C/RS485 转换，带RTS开关。（11）元件清单真空熔炼炉 1个 ，真空晶化炉 1个 ，真空快淬炉 1个 ，SIMATIC S7-200 1台 ，电磁阀 5个 ，过流继电器4个 ，水位继电器 1个 ，压力继电器 1个 ，热电阻 2个 ，PA-14热电阻信号隔离器2个，信号灯5个，按钮12个，PC/PPI 电缆1根，施耐德CJX2(LC1)交流接触器5个。4 冷却循环水控制系统的软件设计系统的程序设计主要包括主程序设计、区域子程序设计
28、、温度控制程序设计，这三者之间是相互关联的，主程序是系统程序的主要部分，区域程序、温度控制程序是附属在主程序中的子程序。4.1 主程序设计4.1.1 控制系统的分析为了得到主控制系统的控制程序，首先要结合系统控制要求对系统的工艺流程进行分析。对于系统的控制要求，主要有 3 点：（1）为了防止制粉车间的真空设备在工作时遇到突然停电事故，冷却循环水控制系统除了有工作机组和备用机组外，还应接入自来水。（2）由于真空设备要求冷却循环水进水水温不高于 25 ，因此，当冷却池内水温超过 25时，系统要能将水池的水抽入后备水冷系统，经冷却后流回水池，水池的水温保持在 25 以下。当冷却池内水温低于 25时，
29、冷却池内的水直接由回收管流入水池。（3）当水池的水位低于设定水位时，系统能自动往水池放入自来水，保持水池水位在一定范围之内。4.1.2 主程序流程图根据上面的主控制系统的分析，可以得出以下系统程序流程图如图 9。4.1.3 主程序输入输出参数定义根据上面的系统流程图和控制系统分析，把设计使用的输入输出信号分配15如下表 1 和表 2。图 9 冷却循环水控制系统程序流程图表 1 系统输入信号说明输入点 信号说明I1.0 M1 过流I1.1 M2 过流I1.2 M4 过流I1.3 压力上限I1.4 压力下限I1.5 水位上限I1.6 水位下限I1.7 手动开启 M1I2.0 手动开启M2I2.1
30、手动开启 M416I2.2 手动开启电磁阀 YV2表 2 系统输出信号说明输出点 信号说明Q0.0 自动工作方式指示Q0.1 手动工作方式指示Q0.2 故障确认Q0.3 水压报警Q0.4 过流报警Q0.5 水泵 M1Q0.6 水泵 M2Q0.7 水泵 M3Q1.0 水泵 M4Q1.1 电磁阀 YV1Q1.2 电磁阀 YV2Q1.3 电磁阀 YV34.2 区域程序控制设计4.2.1 区域程序控制分析根据前面的控制要求，可以这样分析，在一个系统中对某个区域设备的控制方式一般分为手动控制、半自动控制和自动控制 3 种控制方式。其中手动控制主要用于在设备检修维护或处理故障时对单机进行说动控制；自动操作
31、就是设备正常运行时的状态，所有的设备根据程序按照预先设定的的运行规律进行协同工作；最后，考虑到故障和急停控制，还需要增加故障确认信号和急停信号的输入，来完成故障的确认和急停信号的处理。区域工作方式程序控制输入参数见下表 3。表 3 区域工作方式程序控制输入参数表代码 信号说明I0.0 故障确认I0.1 急停信号I0.2 选择自动工作方式I0.3 选择手动工作方式I0.4 选择自动启动17I0.5 选择自动停止而对于输出信号，这些信号都是程序生成的，用于提供给被控区域设备单机控制和信号。这一程序管理的区域内的单机设备的工作方式以及运行的一些状况都要受到这些输出信号的影响。表 4 区域工作方式程序
32、控制输出信号说明代码 功能说明Q0.0 自动工作方式指示Q0.1 手动工作方式指示Q0.2 故障确认4.2.2 区域程序中主要信号的逻辑分析区域工作方式控制程序实现中，主要的逻辑实现就是对于输出的一些信号的实现。针对区域控制而言，最主要的就是 3 个工作方式输出信号的实现。图 10 区域自动工作信号逻辑示意图（一）图 11 区域自动工作信号逻辑示意图（二）手动的工作信号，与上面的设置基本上相同。根据上面的逻辑分析，得到系统逻辑控制信号之间的时序关系，从而可以设计相应的梯形图。具体的程序见附录。4.3 冷却池水温监控系统设计18冷却池水温监控系统的主要流程如下：当测温元件检测到冷却池的温度低于
33、25时，电磁阀 YV3 打开，冷却池中的水直接流入到水池中；而当冷却池的水温大于等于 25时，通过调节水泵 M3的大小来控制由后备冷却系统回收到水池的水温。利用热电阻测温，经温度变送器传送到 PLC 的模拟量输入模块，再通过 PLC 的处理，由 PLC 模拟量输出模块输出。根据系统的控制要求，可得出下面的流程图。具体的程序见附录。图 12 冷却池水温监控系统主流程图19图 13 水温监控系统中断流程图图 14 冷却池水温监控系统子程序流程图205 S7-200 与上位机通信5.1 S7-200 与上位机通信的概述PLC 作为一种高性能的控制装置，在分布式系统中得到了越来越广泛的应用。在这种控制
34、方式中，上位机监控系统是其中重要的组成部分。PLC 与 PC 机之间实现通道，可使二者互补功能上的不足，PLC 用于控制方面既方便又可靠，而 PC 机在图形显示、数据处理、打印报表以及中文显示等方面有很强的功能。PLC 可以多种方式如直接采用现有的组态监控软件与上位监迭机通信，但针对小规模的控制系统，找到一种高性能价格比的通信方法，具有积极的实际意义。在 Windows 环境下开发与工业 PLC 通讯，可以利用 C 并借助 Windows SDK提供的应用程序接口函数来完成软件的设计，但这样开发的程序很复杂；也可以利用 Visual Basic 提供的通讯控件来开发串行通讯程序，程序的编制十分
35、简单，但在现实中，许多大的应用系统都是基于 VB 平台开发的，VB 是现今强大的一种 Windows 应用程序开发工程软件。它在图形处理和数据库管理等方面具有较强的优势，并且用它来实现底层的通讯控制有着更快的效率，使用 MFC 设计的界面与 Visual Basic 设计的界面一样简练。因此可以利用 VB6.0 提供的通讯 MSComm，以 MFC 来设计界面编制程序，构造与 PLC 的通讯系统。系统中的 PLC 为西门子公司的 S7-200 系列 CPU226 型。S7-226 的编程口物理层为 RS-485 结构，SIEMENS 提供 MicroWin 软件，采用的是 PPI(Point
36、to Point)协议，可以用来传输、调试 PLC 程序。在现场应用中，当需要 PLC 与上位机通讯时，较多的使用自定义协议与上位机通讯。在这种通讯方式中，需要编程者首先定义自己的自由通讯格式，在 PLC 中编写代码，利用中断方式控制通讯端口的数据收发。采用这种方式，PLC 编程调试较为烦琐，占用 PLC 的软件中断和代码资源，而且当 PLC 的通讯口定义为自由通讯口时，PLC 的编程软件无法对 PLC 进行监控，给 PLC 程序调试带来不便。SIEMENS S7-200PLC 的编程通讯接口，内部固化的通讯协议为 PPI 协议，如果上位机遵循 PPI 协议来读写 PLC，就可以省略编写 PL
37、C 的通讯代码。如何获得 PPI 协议？可以在 PLC 的编程软件读写 PLC 数据时，利用第三个串口侦听PLC 的通讯数据，或者利用软件方法，截取已经打开且正在通讯的端口的数据，21然后归纳总结，解析出 PPI 协议的数据读写报文。这样，上位机遵循 PPI 协议，就可以便利的读写 PLC 内部的数据，实现上位机的人机操作功能。西门子 S7-200 型系列 PLC 是一种模块化结构的小型 PLC，具有较高的性能价格比，它带有两个 RS485 通讯口，而上位机即工控机的串行口是 RS232，所以采用西门子公司专用的 PC/PPI 编程电缆作为上下位机的连接电缆，它实现了RS232 和 RS485
38、 的转换，并且具有隔离抗干扰功能。整个系统原理图如图 15 所示。CPU226 自带的通讯口 RS485 采用半双工通讯，只需用两根数据线 TXD 和RXD 来发送数据和接收数据，所以通讯中没有硬件握手信号，而只能采用软件握手的通讯方式保持数据传输的同步。为了保证通讯的安全性，必须对发送的数据帧中加入帧校验码（FCS） ，采取的方法是：把所发送的数据帧中的数据按照字节进行异或运算后得到的 FCS 连同数据一起发送。接收方收到后，进行同样的运算，并把结果与 FCS 比较，如果两者不相等，则认为传输数据出错。图 15 系统通信原理图5.2 S7-200 与上位机通信程序流程设计系统中测控任务由 S
39、IEMENS S7-226PLC 完成，PLC 采用循环扫描方式工作，当定时时间到时，执行数据采集或 PID 控制任务，完成现场的信号控制。计算机的监控软件采用 VB 编制，利用 MSComm 控件完成串口数据通讯，通讯遵循的协议为 PPI 协议。PPI 协议：西门子的 PPI（Point to Point）通讯协议采用主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：首先上位机发出读写命令，PLC 作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认申请命令，PLC 则完成正确的读写响应，回应给上位机数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写。对于监控系统来说，主要是监控冷却池内的水温，以保证输送到炉内的
40、水温不高于 25，从而确保三个真空炉能正常工作，另一方面也能从监测到的温22度来判定真空炉的工作情况。根据上面的分析，可得到以下流程图 16 和图17。S7-200 系列 PLC 有两种通讯模式：一种是点对点（PPI）通讯模式，另一种是对用户完全开放的自由端口通讯模式（free port mode） ，PPI 模式用于PLC 间直接连接的通讯，可以组成网络，自由端口模式应用于 PLC 与计算机间以及 PLC 间无线通讯等方面。本通讯系统采用自由端口通讯模式。在通讯之前通过改写 SMB30 或 SMB130来选择通讯模式，设定波特率以及数据长度和校验位。对于数据发送，采用专用发送指令 XMT T
41、ABLE， PORT，其中 TABLE 为发送缓冲区的首地址，首地址中保存要发送的字节数，即数据长度，最大为 255，其后的地址中保存要发送的数据，PORT 指定用于发送的端口。对于数据接收，使用接收指令 RCV TABLE，PORT，接收指令激活初始化或结束接收信息，通过指定端口（PORT）接收信息并存储于数据缓冲区（TABLE） ，数据缓冲区的第一个数据指明了接收的字节数。在西门子 PLC 编程语言中，共有 33 个中断事件，其中用于通讯口的中断事件就有 6 个。23图 18 上位机程序流程图 图 19 PLC 程序流程图在通讯过程中，利用中断来实现发送数据和接收数据的切换，当数据发送完成
42、，会产生发送字符中断事件，在中断程序中切换到接收状态；当接收数据完成，会产生接收信息完成中断事件，在中断程序中切换到发送状态，由于收发切换有一定的间隔，所以必须延时一段时间再发送数据，用定时中断来产生延时。为了产生接收信息完成中断事件，必须要对 RCV 指令设定结束信息作为判断接收完成的条件，通过向 SMB89 或 SMB189 中装入字符来设置，这个字符必须与上位机发送来的结束信息相吻合。24图 20 监控画面系统中上位机的软件部分利用 VB 提供的通讯控件 MSComm，以 MFC 为基础编制通讯程序。MSComm 通讯控件提供了使用 RS232 开发串行通讯软件的细则，它使用事件驱动或查
43、询方式来解决开发通讯软件中遇到的问题。事件驱动是一种功能强大的处理问题的方法，对事件发生的跟踪和处理在通讯控件中是用OnComm 来实现的，它包括检测和处理通讯错误以及数据的处理显示等。为了清楚了解现场的工作状态，可以在界面上实时显示摄像机观察到的内容，为此，需要对图像采集卡采集到的图像进行分析处理，这里就不再详述。源程序见附录。6 系统调试当系统硬件软件设计完后，接下来的任务就是调试。由于条件有限，不能到现场进行调试，只能在实验室中进行模拟调试。主要是根据程序的设计，通S7-200 专用的通信线与上位机进行通信，通过 STEP_7-MicroWIN 对 PLC 的输入输出实时监控。首先，给
44、PLC 一个输入，然后再从 STEP_7-MicroWIN 看与其相对应的输出有没有输出信号，从而判断程序、线路等设计是否有误，根据不同的反应，解决出现的问题。结论通过上面对冷却循环水控制系统的设计，可以清楚地了解到冷却循环水在工业应用的基本概况。通过 PLC 与 PC 机的通信设计，可以了解到 PLC 与 PC 机的通信概况，知道 PC 机在 PLC 控制中的监控可以使得操作更加简便、更具人性25化，控制也更加及时准确。PLC 与 PC 机组成的控制系统，在工业生产中将会得到进一步的推广和应用。致 谢经过近半年的努力完成了本次毕业设计。由于此次设计所涉及的知识面广，而本人的知识水平有限，难免
45、有时会出现无从下手的局面。但在指导老师和同学的悉心指导和热情帮助下，还是顺利地完成了任务。在这里首先要感谢我的指导老师，在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料、设计草案的确定和修改、中期检查、论文的撰写等整个过程中，都给予了我悉心的指导和不懈地支持。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！26还要感谢我的同学、，他们对本次设计也做了不少的工作，特别是在 VB 的编程上，给予了我很大的支持和帮助。当然也要感谢我大学四年来的所有老师，为我打下自动化专业知识的基础。同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。参考文献1史国生. 电气控制与可编程控制器技术M.
46、 北京：化学工 业出版社， 2005：83-99.2李 炜 彬 . PLC在冷却循环水控制中的 应用J. 广东省钢铁 研究所， 2007：1-3.3胡幸鸣. 冷却循环水系统的 PLC 控制J. 轻工机械，2006: 1-3.4高韶鹤，柴红英. 冷却循环水系统的应用概况DB/OL.中原油田，2003.5戴仙金. 西门子S7-200 系列 PLC应用与开发M.北京：中国水利水 电出版社2007：39-516贾德胜. PLC 应用开发实用子程序M.北京：人民邮电出版社，2006：36-41.277王曙光. S7-200 PLC 应用基础与实例M.北京：人民邮电 出版社，2007：45-628廖常初.
47、 S7-200 PLC 编程及应用M.北京：机械工业出版社，2007：172-182.9西门子公司. S7-200 可编程控制器系 统手册Z.2006.附 录（1）主源程序Network 1 / 启动水泵 M1/ 网络注释LD I0.4LDN I1.5A I1.6OLD28LD I0.3A I1.7OLDA I0.2= Q0.5Network 2 / 放入自来水/ 网络注释LD I1.6= Q1.1Network 3 / 19.2s 脉冲发生器LDN I1.3AN I1.4AN I1.0TON T37, 192Network 4 / 水泵 M1 和 M24 小时自动切换LD T37AN C21
48、LD C21CTU C20, +4500Network 5 LD T37A C20LD C21CTU C21, +4500Network 6 LDN C20= Q0.5Network 7 LD C20= Q0.6Network 8 / 出现故障启动 M4 水泵LD I1.0O I1.1O I1.329O I1.4LD I2.1A I0.3OLDAN M0.2A I0.2= Q1.0Network 9 / 9.6s 脉冲发生器LD Q1.2TON T38, 96Network 10 / 定时时间为 12 小时LD T38LD C22CTU C22, +4500Network 11 / 关掉水泵 M4LD C22= M0.2Network 12 / 水压报警LD I1.3O I1.4= Q0.3Network 13 / 过流报警LD I1.0O I1.1O I1.2= Q0.4Network 14 / 开自来水LDN Q1.2AN Q0.7AN Q1.0A I0.2LD I0.2A I2.2OLD30= Q1.2Network 15 / 关电磁阀 YV3LDN I1.7= Q1.3（2）区域控制源程序Network 1 / 故障确认/ Network CommentLD I0.0= Q0.3Net
