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1、摘 要目前PLC 己成为工业控制的标准设备,是自动控制系统的三大技术支柱之一, 在自动控制系统的应用中,可编程序控制器占据着举足轻重的地位。本次设计的内容是在西门子S7300系列编程软件及WinCC6.2编程环境下对水冲渣系统进行的编程设计及上位机控制画面设计。在熟练掌握S7300梯形图编程及特点和WinCC上位机编程的前提下，对该系统进行全面设计，反复试验。在WinCC画面窗口中显示出与PLC运行相一致的过程和结果，使抽象的程序一目了然地展现与眼前。本论文大致可分为四个部分：第一部分主要对水冲渣系统设计的相关知识做了介绍；第二部分介绍了PLC的基本组成和工作原理及PLC在自动化系统中的应用；
2、第三部分主要是对水冲渣系统图纸介绍及实验调研；最后一部分是水冲渣系统的软件叙述。本论文所设计软件可用于PLC和WinCC的模拟运行与学习，经进一步完善和扩充功能也可作为基于计算机平台控制技术的基础。关键词：PLC；WinCC；画面窗口AbstractAt present PLC has become the standard of industrial control equipment, automatic control system is one of the pillars of the three technology, the application in automatic co
3、ntrol system, PLC holds an important position.This design is the content of the Siemens S7300 series in programming software and wincc6.2 programming environment water cinder flushing system programming design and PC control screen design. In the master S7300 ladder-diagram programming and character
4、istics and WinCC PC programming, under the premise of the system overall design, repeated test. In the picture window shows WinCC is consistent with PLC operation of the process and result, make the abstract program clearly show and eyes.This paper is divided into four parts: the first part of main
5、water cinder flushing system design of the related knowledge are introduced; The second part introduces the basic composition of PLC and working principle and the application of PLC in automation system; The third part is mainly to the water cinder flushing system is introduced and the experimental
6、research drawings; The last part is the water cinder flushing system paper narrative.This paper design software can be used for simulation of the PLC and WinCC operation and study, the further improvement and extend the functionality can be used as a platform based on computer control technology fou
7、ndation.Key words: PLC; WinCC; Picture window目 录1 序言11.1 PLC的定义11.2 PLC的特点11.3 PLC的应用领域21.4 选题背景和意义31.5 本文主要研究对象和工作任务42 Step7编程软件介绍52.1 Step7编程软件简介52.2 Step7编程软件使用步骤52.2.1 建立新项目52.2.2 硬件组态92.2.3 编写程序122.2.4 调试运行143 WinCC组态软件介绍153.1 WinCC组态软件简介153.2 WinCC简单使用步骤154 水冲渣系统设计图纸174.1 设计系统过程控制流程图174.2 设计冲渣
8、水泵系统的PLC硬件结构图175 水冲渣系统设计185.1 PLC设计部分185.2 WinCC设计部分41结束语44参考文献45致 谢461 序言1.1 PLC的定义PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。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。1.2 PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关
9、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。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。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）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
10、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。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。（3）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。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。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。（4）系统的设计、建造工作量小，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
11、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。（5）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。1.3 PLC的应用领域目前，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，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）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，也可用于多机群控及自动化流水线。（2）模拟量控制在工业生产
12、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（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。（3）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。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。（4）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
13、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方法。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。（5）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，也可用于过程控制系统。（6）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
14、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。1.4 选题背景和意义根据先前冲渣水泵处理系统存在的问题，分析了水渣颗粒度对系统的影响，改进了已有的工艺，并在大冶300m3高炉冲渣水泵房中使用。图1.1 高炉工艺流程图由上面的工艺流程可以看出，水冲渣是高炉冶炼日常作业必不可少的一道工艺，高炉冶炼对冲渣泵的要求很高，因为它是保证冶炼生产链正常运行的必要条件之一。在这个系列的水泵中，所有的磨损件都采用硬质高铬铸铁制成，从而提供安全磨损保护。冲渣系统设备运转的可靠性（安全运转）和经济性（效率高、电耗量小）具有十分重要的意义。随着计
15、算机控制技术的迅速发展,特别是以微处理器为核心的可编程序控制器(PLC)在工业控制过程的广泛应用,采用PLC取代继电器控制,实现冲渣水泵的控制,可使冶炼控制系统更安全可靠。1.5 本文主要研究对象和工作任务针对冲渣系统存在的问题，本文提出了基于PLC的高炉水冲渣系统的自动控制设计。自动控制系统的应用将使得冲渣系统的可靠性增强。整个工作流程通过软件编程来实现。极大的减少了工人的劳动强度。PLC通过监测和实时控制水泵机组的运行状态，实现现场水冲渣系统的遥测、遥控。设计拟实现的系统功能（1）PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。（2）系统根据水位和压力控制原则，自动实现水
16、泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。（3）系统具有通讯接口功能，实现遥测遥控功能。社会效益：利用PLC自动控制及运行参数自动检测，动态显示，并将数据传送到地面生产调度中心，进行实时监测及报警显示。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态及冲渣泵供水总管流量，净水环补水管流量，3个冲渣泵出水管压力等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可节省水泵的运行费用。2 Step7编程软件介绍2.1 Step7编程软件简介STEP7是用于西门子SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包，提供一系
17、列的应用程序，如Symbol Editor(符号编辑器)、编程语言、硬件组态等。使用STEP7设计完成一项自动化任务的基本步骤。第一步：根据需求设计一个自动化解决方案；第二步：在STEP7中创建一个项目（Project）；第三步：在项目中进行硬件组态；第四步：编写程序；第五步：保存下载，进行在线调试，最终完成整个自动化项目。2.2 Step7编程软件使用步骤2.2.1 建立新项目连接好编程电缆，闭合控制台上的空气开关，闭合PLC电源开关，启动计算机。启动计算机，在桌面上双击STEP7编程软件的图标，打开STEP7。建立新项目点击File下拉菜单的“New project Wizard”。如下图
18、2.1：图2.1 新建工程点击”Next”图2.2 向导选择与实验台相对应的CPU类型即”CPU315-2DP”，点击”Next”。图2.3 选择OB1确定OB1，选择“LAD”即梯形图,点击“Next” 。图2.4 点击OB1输入一个项目名称“My Project”图2.5 工程名称点击”Finish”,项目建立成功。图2.6 工程建立双击“OB1”，可在右侧进行编程。图2.7 编辑OB12.2.2 硬件组态在“SIMATIC 300 Station”下双击“Hardware”图2.8 进入硬件组态环境弹出“HW Config”窗口，由四部分组成：l 左上方视图显示了当前PLC站中的机架UR
19、，用一个可移动可拉伸的表格代表机架，表中的每一行代表机器中的一个插槽。l 左下方视图显示了机架中插入模块的详细信息，包括订货号、版本、地址分配等，可以在这里修改网络地址和IO地址。l 右上方显示的是硬件目录，可以选择相应的硬件模块插入机架。l 右下方显示的是硬件目录中选中模块的信息。包括模块的功能、接口特性和对特殊功能的支持。图2.9 硬件组态注意：组态上的硬件必须与导轨上的PLC元器件订货号相符合（订货号标识在元器件的下方）。UR框中的插槽模拟显示电源，插槽2模拟显示了实际安装导轨上的CPU模块，插槽3是扩展模块（没有扩展模块为空），插槽4及以后是数字量或模拟量模块。1号插槽填加电源模块。在
20、硬件目录下，依次选择“SIMATIC 300”“PS-300”“PS 307 5A”。（电源模块也可以不填加）2号插槽填加CPU模块。在建立项目时，我们已经选择了CPU的类型，所以它已经被直接填加进去了。3号插槽填加扩展模块。在没有扩展模块时，该位置空白不填。4号插槽填加模拟量输入模块。在硬件目录下，依次选择“SIMATIC 300”“SM-300”“AI-300”“SM 331 AI8 *13Bit”，号码为“6ES7 331-1KF01-0AB0”5号插槽填加模拟量输入模块。在硬件目录下，依次选择“SIMATIC 300”“SM-300”“AI-300”“SM 331 AI2 *12Bit
21、”，号码为“6ES7 331-7KB02-0AB0”6号插槽与5号设置相同。7号插槽填加模拟量输出模块。在硬件目录下，依次选择“SIMATIC 300”“SM-300”“AO-300”“SM 332 AO4 *12Bit”，号码为“6ES7 332-5HD01-0AB0”8号插槽填加数字量输入/输出模块。在硬件目录下，依次选择“SIMATIC 300”“SM-300”“DI/DO-300”“SM 323 DI8 /DO8 *DC24V”，号码为“6ES7 323-1BH01-0AA0”。地址的修改双击输入输出模块所在的插槽“DI8/DO8”，出现如图示的输入输出模块地址设定窗口模块地址可以是系
22、统设定，也可以自己设定将” System Selection”选择项的“”去掉，地址一般设为。图2.10 设置地址组态正确后点击工具栏上的进行存盘编译，顺利通过编译后，点击下载，出现如图示的“Select node address”窗口，单击“View”,在“Accessible Node”中显示出当前可连接的节点，在编程电缆通信正常的情况下，将硬件组态内容下载到PLC中。图2.11 下载组态2.2.3 编写程序使用形图（LAD）编写程序：左边是编程软件窗口，这里提供了丰富的指令，各种逻辑指令、定时器等右边是代码窗口在代码窗口中，可插入相关编程软件方法：先单击网络（Network 1）中的长横
23、线，它将变成深绿色粗线，此时在编程软件窗口中，双击将要插入的编程软件或拖拽编程软件到网络中即可通过单击工具栏中的 或，可以建立串并联分支。编程中经常用到删除一些误操作的元件。方法：选择要删除的元件，右击，弹出下拉菜单，选择 “删除（delete）”即可。插入一个网络，右击选择“Insert network”。图2.12 插入指令符号表：使用符号表可以将直接地址符号用具有实际含义的符号代替，有利于程序结构清晰易读。点击工具栏中的“option”下拉菜单“Symbol table”,就会弹出下图所示的“symbol editor”，然后就可以将直接地址符号用具有实际含义的符号代替。举例：用“sta
24、rt”代替“I0.0”，改完后进行保存。图2.13 符号表2.2.4 调试运行程序编写完成后，进行保存“”，下载“”到中，最后运行“”调试。图2.14 运行监控3 WinCC组态软件介绍3.1 WinCC组态软件简介西门子公司的WinCC是WlndowsControIConter(视窗控制中心)的简称。 它集成了SCADA、组态、脚本(Script)语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统(W1ndows 2000或XP)环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化(TIA)产品的技术先进和无缝集成的特点。WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自
25、动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将WinCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。3.2 WinCC简单使用步骤（1）变量管理首先确定通讯方式安装驱动程序，然后定义内
26、部变量和外部变量，外部变量是受你买的WINCC软件授权限制的最大授权64K字节，内部变量没有限制。（2）画面生成进入图形编辑器，图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以使用包含在对象和样式库中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。（3）报警记录设置报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编辑器中的对象库中的报警控件。（4）变量记录变量记录是用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。（5）报表组态报表组态是通过报表编辑器来
27、实现的。是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表的形式。（6）全局脚本的应用全局脚本就是C语言函数和动作的通称，根据不同的类型脚本被用于给对象组态动作并通过系统内部C语言编译器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中。一个触发可以开始这些动作的执行。（7）用户管理器设置用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每建立一个用户，就设置了WINCC功能的访问权利并独立的分配给此用户。至多可分配999个不同的授权。（8）交叉表索引交叉索引用于为对象寻找和显示所有使用处，例如变量、画面和函数等。使用“链接”功能可以改
28、变变量名称而不会导致组态不一致。4 水冲渣系统设计图纸4.1 设计系统过程控制流程图图4.1 冲渣泵房过程检测和控制流程图4.2 设计冲渣水泵系统的PLC硬件结构图图4.2 PLC硬件结构图5 水冲渣系统设计5.1 PLC设计部分（1）本设计是利用S7300梯形图编程设计的，程序的运行方式是在OB1中调用子程序FC顺序执行。冲渣水泵房控制系统既能通过操作箱实现就地操作和显示，也能采用西门子S7-300系列PLC实现远程自动控制。西门子S7-300PLC通过Profibus-DP网络通讯，通过以太网和上位机通讯，通过西门子S7-300PLC实现相关电机的自动控制，通过上位机WINCC软件可实现对
29、电机的控制操作和状态监控显示。就地操作面板安装在现场操作箱上，操作面板上有电源指示灯、故障指示灯、启动按钮、停止按钮、等。通过操作面板可以实现相关电机的完整运行控制和状态显示。（2）PLC软件的设计流程图：图5.1 设计流程图（3）创建项目图5.2 创建项目（4）插入SIMATC300工作站（5）硬件组态图：图5.3 硬件组态（6）分配地址（部分）图5.4 信号分配（7）程序编写：主程序OB1：通过OB1调用各FC程序块，使得程序顺序执行。流量FC1：FC1程序块主要是采集净水环补水管流量、冲渣水泵供水管流量，并将它们通过与上位机通信反应给上位机。液位FC3：FC3程序块是采集吸水池液位和帮防
30、排水坑液位，该程序块还实现了高液位报警，过高液位报警，低液位报警，过低液位报警，这些报警作为补水阀工作与停止的条件。压力FC5：FC5程序块是检测冲渣供水总管压力及三个冲渣泵出水管压力。吸水池温度FC9：FC9程序块是采集吸水池温度，并可以通过与上位机的通信就吸水池温度反应给上位机。冲渣供水泵的控制FC10：冲渣供水泵组由三台冲渣水泵构成，冲渣水泵的运行控制方式有机旁手动控制和集中手动控制两种方式。当启动信号给出2s后，若未收到运行反馈信号，系统自动断电，停止运行；当启动信号给出2s后，收到运行反馈信号，系统自动正常运行直到程序收到停止信号或者由各方面因素造成的故障信号，系统才自动断电，停止运
31、行。通过该程序和上位机通信连接，不仅在上位机画面而且在现场操作箱都能看到当时系统的运行状态，当系统处于正常运行时，“运行指示灯”亮；当系统出现故障时，“故障指示灯”和“停止指示灯”亮；当系统处于非运行状态时，“停止指示灯”亮。潜水排污泵的控制FC15：FC15程序段是潜水排污泵控制的程序,潜水排污泵有机旁手动，集中手动，集中自动三种控制方式。其中当控制方式为集中自动控制时，控制方式是：当泵房排水坑出现高液位报警或过高液位报警时，潜水排污泵运行，将排水坑内的污水排至室外；当泵房排水坑液位出现低液位报警或过低液位报警时，潜水排污泵停止运行，直至出现高液位或过高液位报警才恢复运行。补水管电动阀的控制
32、FC16：FC16程序段是补水管电动阀控制的程序,补水管电动阀有机旁手动，集中手动，集中自动三种控制方式。其中当控制方式为集中自动控制时，控制方式是：当吸水池出现低液位报警或过低液位报警时，补水管电动阀开启，补水系统运行，给吸水池补水，以满足冲渣供水泵的需要；当吸水池液位出现高液位报警或过高液位报警时，补水管电动阀关闭，直至出现低液位或过低液位报警才恢复开启状态，继续给吸水池补水。5.2 WinCC设计部分（1）WinCC设计水冲渣系统简单介绍使用WinCCV6.2设计大冶300m3高炉水冲渣系统的思想是通过WinCC上位机与下位机PLC的通信连接，来检测现在水冲渣系统的运行情况。该部分设计的
33、变量与PLC变量一致。通过WinCC软件设计的画面窗口，可以实现现场运行情况的监控，通过实时曲线还能观察当前系统的运行状况和设定时间段内系统的运行状况，报警记录可以用来分析故障次数和初略判断故障原因。该软件设计的另一优点就是可以在WinCC画面窗口控制系统的运行与停止，监控现场情况，节省人力物力。WinCC上位机和PLC下位机的同时工作，可使水冲渣系统实现全自动化。WinCC项目界面：图5.5 新建wincc工程WinCC变量及变量组设置图5.6 wincc变量冲渣供水泵系统运行时的主画面图5.7 主工艺流程画面冲渣供水泵、潜水排污泵、补水管电动阀的集中手动控制，报警设定等画面窗口为弹出式窗口
34、，运行时界面如图5.8：图5.8 水冲渣泵界面由于该项目还未现场测试，故未能将PLC与WinCC通讯。结束语本次设计的内容是在西门子S7300系列编程软件及WinCC6.2编程环境下对水冲渣系统进行的编程设计及上位机控制画面设计。在熟练掌握S7300梯形图编程及特点和WinCC上位机编程的前提下，对该系统进行全面设计，反复试验。在WinCC画面窗口中显示出与PLC运行相一致的过程和结果，使抽象的程序一目了然地展现与眼前，水冲渣系统自动控制的实现可大大减轻劳动强度。参考文献1 深入浅出西门子S7-300PLC.北京航空航天大学出版社，20032 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.人民邮电出
35、版社，20043 陈永利，张中民.可编程序控制器原理及应用实例.机械工业出版社，20034 深入浅出WinCC. 北京航空航天大学出版社，20045 廖常初.S7-200 PLC的编程及应用.北京：机械工业出版社.20046 乔东凯. PLC 和变频器在电厂控制系统中的应用J. 矿山机械,2009(2):157-159 7 林小峰.可编程控制器原理及应用.北京：高等教育出版社，19948 田瑞庭.可编程控制器应用技术.北京：机械工业出版社，19949 张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2001.1210 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社.200411
36、陈远立. 电气控制与可编程控制器M. 广州: 华南理工大学出版社，200412 SIMATIC S7-200 Program manual13 SIMATIC S7-300 Program manual14 WINCC完全手册.北京航空航天大学出版社，200315 胡建.西门子S7-300 PLC应用教程.北京：机械工业出版社，2007致 谢通过本次毕业设计，加深了我所学习的电气自动化专业知识，为今后的顺利开展工作打下良好的基础，特别是对认识问题，分析问题，解决问题的能力有了很大的提高。本次毕业设计也是我对整个学习阶段的一次综合测试。在毕业设计过程中，衷心的感谢我所在公司的所有同事，在百忙之中对我的设计给予了细致的指导和建议。我还要感谢我的专业老师*等各位老师。在我的大学生活和学习中，老师不仅教导我做人的原则，尤其在学习中对我传授的只是会使我受益终身。在此，我对您们表示最衷心的感谢，我将在今后的工作中不断追求新知识，继续努力，不辜负老师对我细心地培养。（更多内容： ）
