基于S7-300PLC结晶液位控制系统

NANCHANG UNIVERSITY

学士学位论文

THESIS OF BACHELOR

（2009—2013年）

题目基于S7-300PLC的结晶液位控制系统

学院：环化系过程装备与测控工程

专业：测控技术与仪器

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

起讫日期：2013.3.10~2013.5.5

基于S7-300PLC的结晶液位控制系统

摘要

随着我国钢产量连铸比的逐年上升,为要提高铸机的效率和铸坯的质量,必然对连铸生产的自动化控制程度要求越来越高。结晶器液位控制技术作为连铸生产过程中自动控制的一项核心内容显得尤其重要。

结晶器是连铸设备中最关键的部件，是连铸机的心脏。结晶器性能对于提高连铸生产率，维持连铸过程正常生产，以及保证铸坯质量都起着至关重要的作用。

结晶器液位是钢铁连铸生产中极为重要的工艺参数，直接关系到铸钢的品质和生产安全。本文针对某钢厂连铸设备结晶器对象，设计研发一套基于SIMATIC S7-300 PLC的WinCC监控组态界面的液位控制系统。通过电涡流传感器测量液位，采用PID单回路控制，用伺服电机带动控制塞棒控制结晶器的开度。这使得结晶器钢水液位保持稳定，实现了结晶器液位的稳定可靠控制，从而最大限度改善铸坯质量及保证了连铸生产工艺质量。本文利用了SIMATIC S7-300 PLC设计一套液位控制系统，编写液位控制算法的STEP 7程序，并利用WinCC工控组态软件，设计出一套该对象的运行监控界面。实行了对液位控制系统的实时监测，以达到液位参数精确控制的目的。

关键字：结晶器；铸坯；WinCC；S7-300PLC；控制系统

Mold steel level control system based on S7-300PLC

Abstract

With the continuous casting ratio of China's steel production increased year by year , The degree of automation requirements of continuous casting production is increasing in order to raise the caster efficiency and quality slab .Mould level control technology is especially important as a core element of continuous casting production process automatic control.

As the most critical parts of the continuous casting equipment,The mold is the heart of the caster. The performance of the mould plays a vital role in improving the continuous casting productivity, maintaining continuous casting process normal , as well as to ensure the quality of the slab.

The Mould level which is directly related to the quality of the cast steel and production safety is extremely important process parameters in the iron and steel casting production.In this paper, According to a steel continuous casting equipment mould, A mould level control system based on SIMATIC S7 - 300 PLC WinCC monitoring configuration interface is designed,researched and development.to measure.The mould level is measured through the eddy current sensor.This system uses PID single-loop control servo motor driven control stopper , the stopper is controlled by servo motor drive control of mold opening. The mould molten steel level remained stable, implements the crystallizer liquid level is stable and reliable control, thus maximum limit to improve slab quality and guarantee the quality of continuous casting production process.

This paper, by using the SIMATIC S7-300 PLC, a liquid level control system is designed, and coding level control algorithm of STEP 7 is written, and by using WinCC industrial control configuration software, it designs a set of the object operation monitoring interface.Through the real-time monitoring of liquid level control system,The level parameter is controlled precisely.

Keywords：mould；slab；WinCC；S7 - 300PLC；control system

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

第一章绪论 (5)

1.1 PLC的定义和发展 (5)

1.2 液位控制系统 (6)

1.3 本文研究的目的和主要内容 (6)

1.3.1 本文研究目的 (6)

1.3.2 本文研究内容 (7)

第二章连铸钢工艺原理 (7)

2.1 连续铸钢定义 (7)

2.2 连铸工艺的发展现状和趋势 (7)

2.3 连铸工艺介绍 (8)

第三章控制系统设计 (11)

3.1 液位检测系统的设计 (11)

3.2 液位控制系统设计和PID调节 (12)

3.2.1 闭环控制系统 (12)

3.2.2 PID控制算法实现 (13)

第四章 S7-300硬件设计 (14)

4.1 S7-300简介 (14)

4.1.1 S7-300PLC综述 (14)

4.1.2 S7-300PLC主要特点 (14)

4.2 S7-300PLC硬件系统 (15)

4.2.1 机架 (15)

4.2.2 电源模块 (15)

4.2.3 输入/输出模块 (16)

4.2.4 功能模块 (16)

4.2.5 通信模块 (17)

4.3 系统硬件组态 (17)

第五章液位控制算法程序编写和调试 (19)

5.1 SIMATIC STEP7简介 (19)

5.2 工作过程 (19)

5.3 控制系统程序流程图 (19)

5.4 梯形图 (20)

5.3.1 梯形图经验设计法 (20)

第六章 WinCC软件和监控界面设计 (21)

6.1 WinCC组态软件 (21)

6.1.1 WinCC软件的概述 (21)

6.1.2 WinCC组态软件的组成 (21)

第七章总结和展望 (22)

7.1 毕业设计的总结 (22)

7.2 毕业设计展望 (22)

第八章致谢 (24)

第九章参考文献 (24)

第一章绪论

1.1 PLC的定义和发展

可编程控制器(Programmable Controller)也可称逻辑控制器(Programmable Logic Controller),是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海

乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

1.2 液位控制系统

液位是过程控制中重要的控制形式之一。过程控制涉及炼油、发电、化工、冶金、医药、造纸和轻工等工业部门，对国民经济的发展起着十分重要的作用。过程控制涉及的对象一般具有过程复杂、系统大和安全性要求高等特点，对自

动化的要求也较高，自动化程度自然相对发展也比较快。过程控制的发展经历了从常规仪器仪表到集散型计算机控制系统(DCS)的发展过程，进入20世纪90年代，企业的自动化向着以计算机网络为基础的计算机集成系统的方向发展。从系统的功能角度看，连续过程的工业自动化由过去的以保证平稳生产为目标的简单控制装置发展到考虑过程的非线性、时变性等因素的先进控制系统。随着科学技术的发展和市场竞争的日趋激烈，企业把注意力集中到如何形成一个能适应生产环境不确定性和市场供求多变性的、具有高柔性、全局最优、高经济效益和高管理水平的，集生产与经营管理于一体的综合自动化系统，也就是连续生产过程的计算机集成制造系统CIMS(computer integrated manufacturing system)，亦称计算机综合处理系统CIPS(computer integrated processing system)。连续过程工业的CIMS完全摆脱了传统的“孤岛”式的自动化模式，它以计算机的软、硬件系统的集成为基础，实现企业生产信息和管理信息的集成，计划调度、控制功能和管理决策功能的集成，使企业成为一个整体，协调地运行，从而创造出最好的经济效益和社会效益。在现代化的大型企业中，尽管过程控制采用了先进的DCS系统，但绝大部分的控制回路仍采用比例，积分和微分控制。据有关资料介绍，在连续的工业过程的控制中，85％-95％的控制回路采用PID控制。

1.3 本文研究的目的和主要内容

1.3.1 本文研究目的

为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低和成本高等一系列问题。同时连铸钢恶劣的环境降低人工控制可能性，从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了钢铁生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用及生产钢铁质量的好坏等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、稳定、有效、更加的及时。

1.3.2 本文研究内容

1.连铸工艺概述、原理、发展；

2.电涡流传感器介绍及其信号调理电路；

3.液位控制系统的设计、PID算法简介、PID控制过程；

4.PLC各模块介绍、使用说明；

5.STEP 7及WinCC组态软件介绍和使用、工控组态监控界面设计；

6.编写STEP液位控制策略程序及调试结果。

第二章连铸钢工艺原理

2.1 连续铸钢定义

将高温钢水浇注到一个个的钢锭模内，而是将高温钢水连续不断地浇到一个或几个用强制水冷带有“活底”的铜模内(叫结晶器)，钢水很快与“活底”凝结在一起，待钢水凝固成一定厚度的坯壳后，就从铜模的下端拉出“活底”，这样已凝固成一定厚度的铸坯就会连续地从水冷结晶器内被拉出来，在二次冷却区继续喷水冷却。带有液芯的铸坯，一边走一边凝固，直到完全凝固。待铸坯完全凝固后，用氧气切割机或剪切机把铸坯切成一定尺寸的钢坯。这种把高温钢水直接浇注成钢坯的新工艺，就叫连续铸钢。

2.2 连铸工艺的发展现状和趋势

连铸技术作为现代钢铁生产流程中承上启下的关键环节，在未来钢铁生产技术发展与升级中具有巨大的发展空间。从以上国内、国际连铸生产技术与装备发展现状来看，我们可以展望：

一方面，从技术、经济环境与社会可持续发展要求来看，我国钢铁冶金行业粗放式的发展形式已经结束，当前正开始进入设备与技术升级换代、集约式的新的发展阶段。因此，为冶金行业大力研发、扩大应用高新技术是我们生存与发展的时代要求。

另一方面，我国的周边地区与国家(如印度、俄罗斯、东南亚与西北亚等)也正逐渐进入钢铁行业的大发展阶段，日益成为世界钢铁发展的热点地区。只有积极开发、掌握具有自主知识产权的高新技术、

大力加强国际化交流与合作，我们才能抓住机遇，真正地把自己做大、做强，成为一个与国家发展形象相一致的极具竞争力的国际化一流企业。

针对国内外发展形势和以往发展过程中集团内部企业存在的不良竞争资源浪费大、合力小、整体国际信誉提升不够等问题，特提出如下建议：

(1)加强资源的有效整合。集团内部三家连铸设计单位应合理协调发展，目

前在工艺、设备、自动化和过程控制模型等方面研发与应用水平过于分散，且水平参差不齐，没有形成具有国际竞争力和良好信誉的中冶核心技术。

(2)加强资源效率的提升。核心技术的研发、成熟与提升需要实实在在的投入，也需要市场应用的锤炼。集团内部恶性竞争不仅导致资源使用效率差，也不利于技术进步和整体利益的保障。

(3)加强技术进步对冶金行业发展的引领作用。针对当前国内外形势和国家发展战略需求，集团应抓住机遇。集中力量、整合资源、发挥优势并加强高新技术与自主知识产权技术的发展，在推动国家冶金行业整体技术进步、升级的过程中走跨越式的联合发展之路。

2.3 连铸工艺介绍

连铸是炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂(或车间)的重要组成部分。连铸生产的正常与否，不但影响到炼钢生产任务的完成，而且也影响到轧材的质量和成材率。

连铸机主要由大包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、液位控制装置、二次冷却装置、拉坯（矫直）装置和切割装置等部分组成。连铸过程中，钢液凝固成型要经过以下环节。如图1.1所示。

浇钢时，把装有钢水的大包，通过大包运载装置，运送到连铸机上方，经大包底部的流钢孔把钢水注入到中间包内。打开中间包塞棒(或滑动水口)后。钢水流入到下口用引锭杆头堵塞并能上下振动的结晶器中。钢液沿结晶器周边冷凝成坯壳。当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度时，带有液心并和引锭装置连在一起的铸坯在拉坯机驱动下，离开结晶器沿着由弧形排列的夹辊支撑下移。与此同时，铸坯被二次冷却装置进一步冷却并继续凝固。当引锭装置进入拉矫机后脱去引锭装置，铸坯在全部凝固或带有液心状态下被矫直。随后在水平位置被切割成定尺长度，置于运坯装置上运送到规定地点。上述整个过程是连续进行的。弧型连铸机的主要设备包括：

（1）钢液供应设备：炼钢炉炼出供连铸用的合格钢水流入大包，经吹氢调温或真空脱气处理后，将大包送到中间包上方，准备浇注。

（2）中间包：中间包是短流程炼钢中用到的一个耐火材料容器，首先接受从钢包浇下来的钢水，然后再由中间包水口分配到各个结晶器中去。中间包是连铸机钢水包和结晶器之间钢水过渡的装置，用来稳定钢流，减小钢流对坯壳的冲刷，以利于非金属夹杂物上浮，从而提高铸坯质量。通常认为中间包起以下作用：

1、分流作用。对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。

2、连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起到衔接的作用。

3、减压作用。盛钢桶内液面高度有5~6m，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。

4、保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。

5、清楚杂质作用。中间包作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响，应该尽可能使钢中非金属夹杂物的颗粒在处于液体状态时排除掉。

1.盛钢桶(大包)

2.塞棒

3.中间包

4.一次冷却装置

5.结晶器

6.振动器

7.二次冷却装置

8.辊列

9.拉坯矫直机 10.切割装置 11.铸坯传送装置

图1.1 连铸机结构示意图

（3）结晶器

在连续铸造、真空吸铸、单向结晶等铸造方法中，使铸件成形并迅速凝固结晶的特种金属铸型。结晶器是连铸机的核心设备之一，直接关系到连铸坯的质量。结晶器包括：

1）直型结晶器：

2）弧形结晶器curved mold：用于弧型和超低头型（椭圆型）连铸机上。

3）组合式结晶器composite mold：由四块壁板组成，每块壁板又由一块铜板和一块钢（铁）板用螺栓连接而成。

4）多级结晶器multistage mold：

5）调宽结晶器adjustable mold：宽度可调的结晶器，一般只用于板坯连铸。

结晶器是连铸机的核心设备之一，直接关系到连铸坯的质量。结晶器的振动频率要求准确，并根据拉坯速度自动调整，在高振频时，由于电机负载率上升，转差率增加，导致振动频率有所降低，而为了保证振动频率的精确，需要打开变频器的转差补偿控制，在负载增加时，使变频器自动增加输出频率以提供在没有速度降低情况下所需要的电机转差率，补偿量正比于负载的增加量，并在整个调速范围内都起作用。另外，结晶器的振动是由电机带动偏心机构旋转来实现的，因此表现为输出电流及母线电压呈现周期性震荡，在振动频率较高时有引起母线过电压故障的可能，通过允许变频器的母线调节功能，使变频器会基于直流母线电压自动调整输出频率，监测到母线电压瞬时升高时变频器会适当增加输出频率以减小引起母线电压升高的再生能量，这样做降低了出现变频器过压故障的可能性。

（4）拉矫机

在连铸工艺中，连铸机拉坯辊速度控制是连铸机的三大关键技术之一，拉坯速度控制水平直接影响连铸坯的产量和质量，而拉坯辊电机驱动装置的性能又在其中发挥着重要作用。交流电机变频调速技术日益成熟，交流变频驱动调速平稳，调速范围宽，对机械冲击低，交流电机维护量低，交流变频调速已取代直流调速，完全能够满足拉坯辊速度控制的需要。连铸机的拉矫机有五辊双机架三驱动，上拉坯辊、下拉坯辊、矫直辊由三台同型号电机共同驱动，完成引锭杆的上下传送运行和连铸坯牵引，三台电机必须保持同步，与一般的同步要求不同的是要保证三个辊面的线速度相同，而不是三台电机的转速相同，以避免出现负载分配不均引起母线过压、欠压、过载故障。三台变频器接受相同的速度指令，按照同一频率运行，但由于三辊处于一个半径8m的圆弧段的不同位置上，若要保持三个辊面的线速度相同，则三台电机的转速实际应有轻微差别，加上三台电机的参数不可能完全相同，这就造成了三台电机同步的困难。如果打开母线调节功能，虽然可以在一定程度上避免由于不同步造成的母线电压升高，但会造成电机转速的不稳定，从而使拉速值波动，进一步影响到结晶器钢水液面和二冷配水的稳定，甚至有造成事故的危险。为此，我们利用变频器内置的PI控制功能，使三台电机

构成主从驱动系统，即以上拉坯电机作为主驱动电机，工作在速度调节方式，下拉坯电机和矫直电机作为从动电机，工作在带有速度修正的速度调节方式下，通过比较主从电机的力矩电流产生偏差信号，从而修正从动电机的速度。变频器间的力矩电流信号传送可以通过变频器内置的模拟量输入、输出通道来实现，无需另外添加硬件。这种方法构成的主从驱动系统，结构简单，完全利用变频器内置功能实现，可以连续自动完成速度修正，应用在多辊传动的拉矫机上效果非常理想。拉矫机和结晶器振动装置采用变频器调速系统，拉矫机变频器的启动、停止以及调速由PLC发送给拉矫机变频器，拉矫机的实际速度FM经光电隔离后再反馈给PLC，然后由PLC传送给相应仪表显示实际值。结晶器振动采用同调方式，即振动频率随拉速变化而变化，即根据下面的公式，来控制结晶器振动频率f，计算出振动频率f由PLC发送给结晶器振动变频器，使结晶器的振动适应于拉速变化。

（5）轻压下

在连续铸钢过程中，连铸坯拉矫采用液芯矫直时，为了获得无缺陷铸坯，对带液芯的铸坯施加小的压力的工艺方法。即在铸坯凝固终端附近，对铸坯施加一定的压下量，使铸坯凝固终端形成的液相穴被破话，以抑制浓缩钢水在静压力作用下所自然产生的沿拉坯方向上的移动。变频器控制油缸控制电磁搅拌器连续铸钢时，利用电磁力控制钢液凝固过程，改善铸坯质量的工艺。也称EMS技术。

(6)切割装置

从拉矫机连续不断拉出的铸坯，应按成品规格及后步工序的要求切成定尺长度。由于铸坯的剪切是在浇注过程中进行的，因此剪切机必须和铸坯同步进行。

第三章控制系统设计

3.1 液位检测系统的设计

本次毕业设计采用电涡流传感器作为液位检测器，近年来，涡流式钢水液位计的实用化进展很快，具有反应速度快，测量精度高，不需特殊的安全防护，安装维护方便等显著优点。电涡流式传感器基本原理如图3.1所示：

图3.1 电涡流式传感器基本原理示意图

电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或Q 值的变化）从而进行非电量电测的。

如图3.1所示，一个通有交变电流1I 的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场1H ,当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流2I ,电涡流也将产生一个新磁场2H ,2H 和1H 方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生改变。

一般来说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因素的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率也有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间距离有关。如果只控制上述参数中一个变化，其余皆不变化，就可以构成侧位移、测温度、测硬度等各种传感器。

3.2 液位控制系统设计和PID 调节

3.2.1 闭环控制系统

以PLC 作为控制器构成闭环控制系统，采用了单回路控制，核心是PLC 构成的PID 控制，执行机构由电动机带动塞棒，被控对象是钢水的液位，检测元件由电涡流传感器构成。传感器将检测到的液位通过转换成4-20mA 的电路信号，然后送入PLC 的AI 模块。经过PID 算法后的液位值通过AO 模块，转换成4-20mA 的电流信号驱动电机。控制系统简图如图一所示：

3.2.2 PID控制算法实现

PID（比例、积分、微分）调节不需要精确的控制系统数学模型而且易于实现，所以模拟量的PID调节是常见的一种闭环控制方式，工程上易于实现。积分作用可以消除系统的静差，微分作用有助于减小超调，克服震荡。比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。PLC作为一种新型的工业控制装置，在工业控制、生产生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。利用PLC实现对模拟量PID的闭环控制，具有用户使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等优点。PLC实现PID控制的方法用PLC实现PID控制可以有几种方法：

1）利用PID指令实现

许多PLC提供了PID指令，如S7-200 PLC的PID指令，该指令需要指定一个以V变量存储区地址开始的PID回路表，以及PID回路号。PID回路表提供了给定值、过程变量以及PID参数等数据入口，PID运算的结果也通过回路表输出。

2）利用PID控制功能块实现PID控制功能块相当于生产厂家事先编好的带有形式参数的子程序，包含有给定值、过程值、PID参数、输出操作值等参数，用户在使用时可以调用这些程序块，并赋给实参，来实现PID算法。比如S7-300和S7-400 PLC就提供了标准程序功能块FB41“CONT_C”可以实现连续PID控制。

3）利用程序设计实现PID功能

上述两种PID控制算法一般是固定的，常采用标准位置式PID。如果希望采用其他改进的PID控制算法，就需要用户自己编写程序实现。利用PLC的常用指令，自编程序实现PID功能也是容易做到的。

4）利用PID硬件模块实现

随着PLC用于模拟量控制的增加，多数PLC厂家都开发有专用于模拟量控制的模块，如OMRON200系列PLC用的C200H-PID模块、温度控制模块等。这些模块带有自己的CPU和内存，PID控制程序存放于模块的内存中。用户使用时非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环控制。

1、PLC中PID控制器的实现

下面将以S7-300PLC为例，说明PID控制器的组成原理、PID控制功能块的算法原理及控制功能的实现。 PID控制器的组成原理：以PLC作为控制器构成的闭环控制系统，检测元件将被控量实际值pv测量转换为1V～5V电压信号或4mA～20mA电流信号，该模拟信号接至PLC的AI模块，进行A/D转换，根据用户编写的PID控制程序，将测量值与给定值sp比较，通过二者的偏差e(t)进行PID算法的运算得到输出操作信号u(t)，经 PLC 的 AO 模块进行 D/A 转换，转换后的信号（1V～5V 电压信号或 4mA～20mA 电流信号）用于驱动执行结构，实现对被控对象的控制。

第四章 S7-300硬件设计

4.1 S7-300简介

4.1.1 S7-300PLC综述

S7-300PLC属于S7-200/300/400家族中的中型PLC产品，主要功能、I/O点数与扩展性能比S7-200PLC有了很大的提高。

S7-300PLC产品的规格众多，而且还在不断扩充中，产品性能主要通过不同的CPU模块进行区分，I/O模块、电源模块。功能模块通用。最新S7-300CPU包括了标准型、紧凑型、故障安全型、技术功能型4大系列，前期产品还包括“户外型”等；而且，同系列产品的性能与型号也有不同程度的变化。

图1-1 PLC控制系统示意图

4.1.2 S7-300PLC主要特点

1）运算速度快、PLC循环周期短。S7-300PLC的处理器的运算速度与早期的产品相比有了很大提高，CPU的逻辑指令的执行时间最快可以达到0.05us。

2）编程功能强。 S7-300PLC可以用于复杂功能的编程与控制，且可以采用STEP或STER7-Lite编程软件，利用多种编程语言进行编程。

3) 通信功能强。 S7-300PLC的所有CPU模块至少带有一个标准的RS-484/422串行通信接口，可以支持MPI多点通信（最多125个节点),接口在不带中继器时的最大传输距离可以达到50m，最高传输速率为187.5kbit/s，可用于链接编辑器、文本显示器、触摸屏、操作控制面板等外部设备，需要时也可以与其他PLC连接，构成PLC网络系统。

4）扩展性能好。 S7-300PLC不仅具有众多的开关量I/0扩展模块，而且还具有众多的特殊功能模块可以供用户选择，大大提高了PLC的控制性能。作为控制功能扩展，PLC可以通过多点模拟量输入/输出模块、各种温度测量模块、定位脉冲输出模块。位置输入模块、闭环控制模块、步进驱动模块、称重模块等多种功能模块，实现现场温度、速度、位置等参数的控制、测量、调节功能。

4.2 S7-300PLC硬件系统

S7-300PLC属于模板式PLC，主要由机架、CPU模块、SM信号模块、功能模块、电源模块等部件组成。

4.2.1 机架

S7-300PLC的机架（Rack）为金属导轨模式，主要对S7-300PLC的模板起到物理支撑作用，无背板总线。S7-300PLC模板之间的总线连接由呈凹块状的总线连接器完成，总线连接器由各功能模板自带。S7300-PLC的机架较为常用的有两种。

●6ES7 390-1AF30-0AA0：长度530mm。

●6ES7 390-1AJ30-0AA0：长度830mm。

4.2.2 电源模块

S7-300PLC的电源模块可以将交流230/120V电源转换为24V直流工作电源，为S7-300PLC的CPU和模块提供稳压电源。

S7-300PLC的电源具有以下特点：

1)输出电压为DC24V，具有防短路和开路保护；

2)根据用户的不同要求，可以选择输出电流为2A、5A、10A等不同型号的

电源；

3)连接单相交流系统，输入电源为AC120V/230V可选；

4)具有可靠的隔离特性，符合EN60950标准；

5)可用作负载电源。

S7-300PLC的电源模块较为常用的由两种。

●6ES 307 - 1EA00 - OAAO：5A PS 307电源模块；

●6ES 307 - 1KA00 - 0AA0：10A PS 307电源模块。

4.2.3 输入/输出模块

（一）DI模块在西门子数字量模块中，分成32点和16点两种，其中6ES7 321 - 1BL00 - 0AA0 为32点DI模块，6ES7 321 - 7BH02 - 0AA0 为16点DI 模块。32点数字量输入通道隔离位两组，16点数字量输入模块的输入通路隔离位一组。

（二）DO模块西门子公司的数字量输出DO模板针对上面各种情况设计了各种各种不同的模板。其中6ES7 322 - 1BL00 - 0AA0为S7-300系列PLC 32点晶体管输出模块，隔离为四组；6ES7 322 - 1HH00 - 0AA0为16点继电器输出模块，隔离位两组。

（三）AI模块在工程设计中，会面临各种复杂的检测现场，因此各种形式的检测仪表也层出不穷。这也造成了模拟量信号种类繁多，以下是较常见的几种模拟量形式：

①电压型：05V、-5+5V、0~10V、-10~+10V。

②电流型：两线制0~20mA、4~20mA；三线制0~20mA、4~20mA、-20~+20mA。

③热电阻：Pt - 100、Pt - 200、Ni - 100等。

④热电偶：K型、N型、E型等。

（四) AO模块相对于种类繁多的AI模块，模拟量输出（AO）模块种类相对较少。其中S7-300PLC系列PLC较为典型的模块有6ES7 332 - 5HF00 - 0AB0，该模块为8通道AO模块。

4.2.4 功能模块

1)SM338位置检测模块它可以提供3路绝对值位置检测通道，同时还可以为

编码器提供电源。编码器的编码格式可以使用二进制码和格林码。

2)FM 350 - 2计数器模块它主要用于各种增量编码器的检测，并可与24V

增量编码器和NAMUR编码器直接连接。FM350 - 2模块的计数器为8通道0~32位或 31位加减计数器，可以判断编码器脉冲的方向，对于24V增量编码器最高计数器频率可达10kHZ，对于24V方向传感器、24V启动器和NAMUR编码器最高技术频率则可达20kHZ。该模板具有给编码器供电、达到比较值时发出中断、以2倍频和4倍频计数、具有集成的DI/DO等模块。其工作模式有：

a.有连续计数/单次、周期计数；

b.频率、速度测量；

c.周期测量；

d.比例测量。

3)位置控制与位置检测模块 FM 351 双通道定位模板用于控制变级调速电动

机或变频器；FM353模板是步进电动机定位模板；FM 354模板是伺服电动机定位模板；FM357模板可以用于最多4各插补轴的协同定位；FM 352 模板用于高速电子凸轮控制器，它有32个凸轮轨迹，13个集成的DO，采用增量式编码器或绝对式编码器。

4.2.5 通信模块

（一）以太网模块

S7-300PLC可以通过安装以太网模块与上位机或其他PLC进行通信。特别是在监视程序时，相较于DP方式，通过以太网监视PLC程序更加快速流畅。常用的以太网模块有6GK 343 - 1EX21 - 0AE0、 6GK7 443 - 1EX11 - 0AE0等。

（二）DP模块

当DP网子站较多，如多台变频传动装置，往往一个DP口试不够的，此时可使用西门子公司的附加DP网接口模块。常用的DP网模块有6GK7 343 - 5FA01 - 0XE0、6GK7443 - 5DX00 - 0XE0等。

（三）DP/DP Coupler模块

当两套PLC系统需要进行DP网络通信时，一般可采用主从的方式，即其中一套PLC作为主站，另一套PLC从站，对系统进行配置。可是系统往往不能满足要求，经常回出现一套PLC既要做主站，又要做从站的要求。

此时，必须通过增加DP网模块才能满足要求。为了降低成本，增加系统配置的灵活性，西门子公司设计了DP/DP Coupler模块，即DP耦合器模板，其订货号6ES 158 - 0AD00 - 0XA0。DP/DP Coupler模板在两套PLC 中都作为从站，可以各自配置站号，两套PLC之间的数据通信通过它进行传递、交换。

4.3 系统硬件组态

硬件组态界面打开，如图4.1所示。

●硬件在线：用来诊断实际系统运行后系统配置的状态；

●硬件编译：对组态后的系统进行编译；

●硬件下载：将编译通过后的系统配置下载到PLC中；

●硬件上载：可以将实际的系统配置上载到计算机编程器中；

●系统以太网配置：用于组态控制系统间的以太网通信配置；

●硬件查找输入区：输入硬件名称或订货号，在已存在的硬件中进行查找

相匹配的硬件；

●硬件选择区：在此区域内选择需要配置的硬件；

●硬件组态系统配置区：在此区域进行硬件系统配置；

●硬件组态模板信息区：在此区域进行硬件模板配置；

●硬件信息区：对选择的硬件进行简要说明，如硬件订货号和硬件名称等。

图4.1 PLC硬件组态

图4.2 逻辑块的常规编辑页面

第五章液位控制算法程序编写和调试

5.1 SIMATIC STEP7简介

STEP7是SIMATIC控制系统的基本配置和编程软件，由一系列应用程序组成，各个应用程序在自动化控制系统系统的开发和编程中完成特定的工作。集成在STEP 7中的SIMATIC编程语言符号EN 61131-3标准。该标准软件包包符合面向图形和对象的Windows操作原则。STEP 7可以在MS Windows 2000专业版、Windows XP专业版和MS Windows Server 2003等操作系统中运行。STEP 7主要包括以下组件：

1、SIMATIC 管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据；

2、程序编辑器，用于LAD、FBD、STL语言生成用户程序；

3、符号编辑器，用于管理全局变量；

4、精简组态，用于组态和参数化硬件；

5、硬件诊断，用于诊断自动化系统的状态；

6、NetPro，用于组态MPI和PROFIBUS等网络连接。

此外还有可选组件engineer tool，它面向特定功能，有利于简化和增强自动化任务编程，包括：S7-SCL，S7-GRAPH，S7-HiGraph，CFC等。

5.2 工作过程

启动时，启动灯亮，系统开始工作，首相由电涡流传感器采集数据通过传感器调理电路转换成4-20mA的电流，然后将其传给PLC的输入模块。在CPU中实际值与给定值进行比较，通过PID控制得出一个数字值传输给输出模块，输出模块将输出模块中4-20mA的电流传给伺服电动机，根据电流的大小控制塞棒机构。此系统中添加了手动和自动两种工作方式，当自动控制方式出现故障的时候，可以切换到手动，保证了生产的可持续性。除次之外，还添加了报警装置，当液位低于最小值20cm及最大值80cm的时候报警装置自动启动，并一直闪烁红灯，直到人工强制停止为止。

5.3 控制系统程序流程图

水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求控制流程图如图5-1

所示：