基于PLC的纺纱模拟实验控制系统设计毕业设计.docx
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基于PLC的纺纱模拟实验控制系统设计毕业设计
******大学
毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的防砂模拟试验
控制系统设计
专业：
电气工程及其自动化
摘要
PLC是ProgrammableLogicalController的简称，广泛应用于冶金、石油、化工、交通运输、轻工、电力、汽车、通用机械、智能建筑等各个领域，是目前一种应用场合最多的工业控制器,在工业自动化中起着举足轻重的作用。
本课题研究石油开采过程中，油井机械防砂实验系统基于SIMATICS7-300PLC的模拟控制系统设计。
模拟控制系统设计要求计量泵、加砂电机、加砂搅拌以及泥浆泵等设备的启/停以及联动控制在STEP7编程环境下的实现。
在模拟控制系统设计过程中,充分考虑了实验系统控制流程，设计传感器采集信号，PLC处理信号并产生控制信号，控制信号输出到变频器调节对应电机速度，并对信号的处理设计了合理的算法，这样的思路在具体硬件配置组态，编程实现和S7-PLCSIM模拟器仿真调试中获得了很好的效果，基本达到了实验系统的实际需求。
。
关键词：
可编程逻辑控制器；石油防砂实验系统；联动控制；SIMATICS7-300；STEP7编程软件；S7-PLCSIM
ABSTRACT
ThePLCisthebriefnameoftheProgrammableLogicalController,whichiswidelyusedinthemetallurgy,petroleum,chemicalengineering,transportationextensivelyconveyance,lightwork,electricpower,automobile,generalusemachine,theintelligencebuildingetc.It’scurrentlyakindofthemostsituationappliedindustrycontroller，andrisesaprominentroleinindustryautomationarea.ThistopicresearchthedesignofEmulationControlSystemforthesand-defendmachinedeviceoftheoilwellintheprocessinpetroleummines,basedontheSIMATICS7-300PLC,whichrequirethecalculationpump,sand–addelectricmotor,andit’saddingandmixingofsands,themudpump,andsomeoftheotherequipments,ofwhichthestartandstopandthemultiplecontrolbeachievedintheSTEP7environment.Thedesignprocesswellconsideredthecraftcontrolrequest,designedthefeelingmachinetocollectthestatesignal.ThenthePLChandlesthesignalandcreatescontrolsignaloutput.Thestatecontrolsignaloutputstoconvertertocoordinatetherelatedelectricmotorandregulateitsspeed,andcooperatedwithequitablealgorithmaswell.Thedesignobtaingoodresultinthespecificationofhardwareinstallationandorganization,realizationinprogram,andthesimulationinS7-PLCSIMemulator.
Keywords:
ProgrammableLogicalController;thepetroleumsand-defendexperimentalsystem;
themultiplecontrol;SIMATICS7-300;STEP7;S7-PLCSIMEmulator
第一章绪论
1.1可编程控制器概述
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的,当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能[3]。
PLC的基本设计思想是把计算机的功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的商单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的[14]。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。
控制器和控制对象连接方便。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点[1]。
（1）可靠性高，抗干扰能力强:
可编程控制器是专为工业控制而设计的，在硬件和软件两个方采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，使其平均无故障时间达到（3-5）万小时以上。
（2）编程直观、简单:
可编程控制器是而向用户、而向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，它没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种而向控制过程的梯形图语言，梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂。
计算机技术和传统的继电器控制技术之间的隔阂在可编程控制器上完全不存在。
（3）功能完善，接口功能强:
目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高。
接口功率极大地方便了用户，常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110V,220V交流和5V,24V,48V直流等多种;负载能力可在（0.5-5A）的范围内变化;模拟量的输入输出有（-50-+5O）mV,（-10-+10）mV和（0-10）mA,（4-20）mA等多种规格。
可以很方便地将可编程控制器与各种小同的现场控制设备顺利连接，组成应用系统。
例如，输入接口可直接与各种开关量和传感器进于连接，输出接口在多数情况下也可直接与各种传统的继电器、接触器及电磁阀等相连接。
PLC采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图1.1所示。
这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。
在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停（STOP）状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。
在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
输入处理:
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。
在此输入映像寄存器被刷新。
接着进入
图1-1PLC扫描过程
程序执行阶段。
在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
程序执行:
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址.从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。
程序处理:
程序执行完以后，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电洛，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
PLC的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用广程序所指定的可变顺序进行。
这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一些大系统中需要处理的I/O点数多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。
循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。
PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。
由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
暂存在输出映像寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。
由此可以看出，全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期。
换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期.
扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。
PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。
毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的。
但是对某些I/O快速响应的设备，则应采取相应的措施。
如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。
影响I/O滞后的主要原因有:
输入滤波器的惯性；输出继电器接点的惯性；程序执行的时间；程序设计不当的附加影响等。
1.2组态软件STEP7概述
STEP7编程软件用于SIMATICS7、C7和M7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具[10]。
为了在PC机上使用STEP7，必须配置MPI通信卡或PC/MPI通信适配器，将计算机接入MPI或PROFIBUS网络，以便下载和上载用户程序及组态数据。
STEP7允许多个用户同时处理一个工程项目，但不允许多个用户同时对一个项目进行写操作（如程序及组态数据的下载）。
STEP7的授权
授权是使用STEP7软件的“钥匙”，只有在硬盘上找到相应的授权，STEP7才可以正常使用，否则会提示用户安装授权。
STEP7的项目结构
在STEP7中，一个自动化系统的所有数据以项目（Project）的形式来进行组织和管理。
一个项目包含了以下的三类数据。
1、硬件结构的组态数据及模块参数
2、通信网络的组态数据
3、可编程模块的程序
上述数据都以对象的形式存储，STEP7采用目录式的层次结构管理项目中的所有对象。
对象从上到下有三个层次：
第一层：
项目；
第二层：
通讯子网、PLC站或S7程序；
第三层：
第二层下面的具体对象，视第二层定。
•
图1-2授权管理器
图1-3浏览项目结构
1、语言环境设置
STEP7中提供了多种可选语言，如果在安装STEP7时用户选择了多语言，则可以在使用过程中改变语言环境。
打开【SIMATICManager】，通过【选项】|【自定义】打开自定义选项菜单，选择【语言】
图1-4语言环境设置
2、常规选项设置
通过【选项】|【自定义】打开自定义选项菜单，选择【常规】选项卡。
常规选项的设置界面和各选项的含义如图1-5所示。
图1-5常规选项设置
3、PG/PC接口设置
PG/PC接口（PG/PCInterface）是PG/PC和PLC之间进行通讯连接的接口。
PG/PC支持多种类型的接口，每种接口都需要进行相应的参数设置（如通讯的波特率等）。
因此，要实现PG/PC和PLC之间的通讯连接，必须正确地设置PG/PC接口。
SETP7的安装过程中，会提示用户设置PG/PC接口参数。
在安装完成之后，可以通过以下几种方法打开PG/PC设置对话框：
（1）Windows的【开始】|【SIMATIC】|【STEP7】|【设置PG-PC接口】
（2）Windows的【控制面板】|【设置PG-PC接口】
（3）在【SIMATICManager】中，通过菜单【选项】|【设置PG/PC接口】
设置步骤如下：
（1）将【应用程序访问点】设置为【S7ONLINE（SETP7）】
（2）在【以使用的接口参数分配】中，选择需要的接口类型。
如果列表中没有需要的类型，可以通过单击【选择】按钮安装相应的模块或协议
（3）选中一个接口类型，单击【属性】按钮，在弹出的对话框中进行参数设置，如图1-6所示
图1-6接口属性设置
在工具栏中单击按钮或在【文件】菜单下单击【新建】，可以直接创建一个新项目。
在弹出的对话框中输入项目名称及路径，单击确定完成（如图7-9）。
这里建立了一个名为example7-1的项目。
直接建立的项目只包含一个MPI子网对象，用户需要通过【插入】菜单来手动添家对象.用户可以插入一个PLC站，先进行硬件组态，完成硬件组态后，再在相应CPU的S7程序目录下编辑用户程序；也可以先插入一个独立的S7程序，编写用户程序，再进行硬件组态，等组态完成后将程序复制到相应的CPU中。
程序硬件组态示例见附录2：
1.3本论文的研究意义和研究内容
石油储藏分布的区域常有岩石砂粒，防砂除砂是开采石油工艺过程中的一个重要环节。
防砂除砂的主要对象是原油里面的水和砂，胶结疏松的砂岩颗粒随油、水进入井筒或携带至地面，会严重影响生产进程。
随着采油工艺的发展，单靠人工操作和监控的油井机械防砂系统已经不再适应生产高效率的要求[7]。
近年来PLC机在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是单靠人力难以比拟的。
如果用PLC控制技术对系统实施改造，则具有普遍的技术及经济意义。
本论文基于油井机械防砂系统的自动化项目，主要研究了以下几方面内容:
（1）PLC控制系统的设计要求和油井机械防砂系统的工艺和控制流程；
（2）分别采用了线性分析和偏差控制的方法设计了油井机械防砂实验系统PLC控制系统的控制方案；
（3）设计了油井机械防砂系统的PLC控制系统，并从硬件设计和软件设计两方面进行了详细分析。
第二章PLC控制系统设计要求
2.1系统设计的主要内容
对一个系统进行设计的主要包括以下内容[15]:
1.根据工艺流程，分析被控对象和控制要求，确定控制系统所需要实现的功能和控制指标；
2.被控对象确定后，需要进一步确定哪些需要用PLC控制，哪些只能手动控制，据此确定I/O点数；
3.根据被控要求和被控对象的特点，选择合适的PLC；
4.分配PLC的I/O点，编制PLC的I/O分配表或者I/O端子接线图；
5.编写程序，同时进行:
PLC控制柜等硬件的设计和现场施工；
6.程序完成后，可在实验室进行离线模拟调试；
7.离线模拟调试和现场施工完成后，进行现场联机调试；
8.联机调试通过后，编写设计说明书和使用说明书。
2.2系统设计的基本步骤
PLC控制系统设计的基本步骤[16]如图2.1所示。
1.分析工艺流程和控制要求
（1）分析工艺流程及工作特点，确定被控对象，包括需要PLC控制的机械设备、
电气设备、生产线等。
（2）确定被控对象后，根据被控对象机、电之间的配合，确定PLC控制系统的
控制要求。
包括控制的基本方式、所需要完成的功能、必要的保护和报警等。
2.确定输入/输出设备
根据控制要求，确定PLC控制系统所需要的用户输入设备（包括按扭、转换开
关、行程开关、限位开关和传感器等）和输出设备（接触器、继电器、电磁阀、报警
指示灯等）。
并且根据这些输入/输出设备确定系统的I/0点数。
3.选择合适的PLC
PLC类型的选择主要从下面几个方面考虑:
（1）PLC机型和容量的选择；
（2）开关输入量的点数以及输入电压；
（3）开关输出量的点数以及输出功率；
（4）模拟量输入/输出的点数；
（5）系统的特殊要求，如远程I/O、通信网络等；
4.I/O点分配
分配PLC的输入/输出点，画出PLC的I/O端子与输入/输出设备的连接图或分配表。
在连接图或分配表中，必须指定每个I/O对应的模块编号、端子编号、I/O地址、对应的输入/输出设备等。
图2-1PLC系统设计的基本步骤
5.设计软件及硬件
此步骤是进行PLC程序设计和PLC控制柜等硬件的设计及现场施工。
程序与硬件设计施工可同时进行。
PLC程序设计的一般步骤包括以下部分[4]:
（1）根据工艺流程和控制要求，画出系统的功能图或流程图;
（2）根据I/0分配表或I/O端子接线图，将功能图和流程图转化成梯形图，即PLC编程。
硬件设计及现场施工的一般步骤如下:
（1）设计控制柜布置图、操作面板布置图和接线端子图等；
（2）设计控制系统各部分的电气图；
（3）根据图纸进行现场接线。
6.离线模拟调试
（1）程序编写完成后，将程序输入PLC。
如果用编程器输入，需要先将梯形图转换为助记符，然后输入。
（2）程序输入PLC后，用按扭和开关模拟数字量，电压源电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。
7.现场调试
离线模拟调试和控制柜等硬件施工完成后，就可以进行整个系统的现场联机调试。
现场调试是指将模拟调试通过的程序结合现场设备进行联机调试。
通过现场调试，可以发现模拟调试中无法发现的实际问题，然后逐一排除这些问题，直至调试成功。
8.整理技术文件
技术文件主要包括技术说明书，使用说明书，电气原理图、接线端子图、PLC梯形图和电器布置图。
2.3本章小结
本章主要讲述了PLC控制系统设计的要求和基本步骤，对下一章研究防砂模拟的PLC控制系统做了很好的铺垫。
其中，最基础也是最必不可少的是分析工艺流程和控制要求并且确定I/O分配，而最重要的是根据控制要求进行硬件和软件的设计。
第三章防砂模拟控制系统控制要求
3.1防砂模拟控制系统简介[7]
机械防砂模拟实验系统包括注水系统、加砂系统、直井除砂模型以及原油回收系统，由电机驱动的各种泵等传送机构完成各系统之间的产品传输。
该实验系统自动化控制系统主要由三部分组成，一部分是对各岗位生产参数进行监测；一部分是分析各岗位生产参数，对各岗位需要进行自动控制的执行器进行控制；一部分接受控制系统控制输出，调节各岗位执行器[7]。
各系统的参数必须严格控制，才能生产出合格原油，保证整个系统平稳安全运行。
所有系统通过PLC实现各设备工作状况及参数数据采集、检测、控制的实时监测，并具备报警、控制功能。
各岗位监控系统由传感器等设备组成，完成包括温度、压力、流量、液位的检测、监视[7]。
控制系统采用德国西门子公司S7-300系列PLC控制系统，S7-300系统控制器选用CPU314C-2DP。
执行系统由变频器组成，变频器[17]接受PLC控制系统输出的控制模拟量，动态调节对应阀门的开关、各种电机的起停和速度变化，保持各岗位生产参数在正常范围。
此配置方案保证控制系统连续、安全、稳定运行。
3.2机械防砂模拟实验系统流程
机械防砂模拟实验系统的功能是模拟对加入水和砂的石油进行处理，脱出石油中的污水和砂粒。
储油罐中放有纯净的石油，由计量泵3抽取进入配液罐；水池中放有水，由计量泵4抽取进入配液罐与石油混合，形成混有水的模拟原油。
然后由计量泵2抽取进入加砂搅拌罐；砂箱中放有砂粒，由绞龙输送进入加砂搅拌罐与混有水的石油混合，形成混有水和砂的模拟原油。
再由泥浆泵抽取进入直井模型，再进入旋流除砂系统，计量泵1从水池中向旋流除砂系统泵入需要的水，进行去砂除水后，由计量泵5回收到储油罐[7]。
3.3防砂模拟控制系统要求[7]
1、监测系统
监测配液罐、加砂搅拌罐、管道内的液位、压力、流量、温度、调节阀开度等，产生模拟量值信号送入控制系统；
2、配液罐和加砂搅拌罐
配液罐和加砂搅拌罐内要求常存有一定量的模拟原油。
计量泵2从配液罐往加砂搅拌罐中泵入石油，速度需要配合加砂搅拌罐和配液罐的液位进行调节，加砂搅拌罐低液位需要加速，加砂搅拌罐高液位需要减速，配液罐低液位需要减速，在紧急状态下需要停止；加砂搅拌罐和配液罐的液位由液位检测传感器检测；
3、绞龙
绞龙从砂箱往加砂搅拌罐中送入砂子，速度需要配合加砂搅拌罐的液位进行调节，加砂搅拌罐低液位需要加速，加砂搅拌罐高液位需要减速，在紧急状态下需要停止；
4、泥浆泵
泵出管道压力不能超过安全值，泵出管道压力高于预警值需要减速；泥浆泵从加砂搅拌罐往除砂系统中泵入加砂后的石油，速度需要配合加砂搅拌罐的液位进行调节，加砂搅拌罐低液位需减速，加砂搅拌罐高液位需要加速；
5、传输管道
传输管道温度、压力值要求保持在一定范围。
压力、温度传感器及保护单元中的针阀、柱塞泵、水池和热交换器共同实现系统的压力温度的安全保护。
压力传感器的检测值超过安全值，通过PLC控制中心调节针阀阀门变大，管道流速加快使得压力变低，温度传感器的检测值超过安全值，通过PLC控制中心调节柱塞泵加速抽水速度，热交换器中的热交换过程变快使得温度降低。
6、紧急状态
当系统检测到配液罐、加砂搅拌罐、管道内的液位、压力、温度某项岗位参数超过预先设定的危险值，关断所有传动实验系统，停止机械防砂模拟实验系统的自动循环，转手动调节。
下图是防砂模拟试验实验系统流程图
图3-1防砂模拟试验实验系统流程图
3.4本章小结
本章介绍了机械防砂模拟实验系统的基本功能工艺流程，并根据它的工艺流程分析了防砂模拟控制系统的控制要求，根据此控制要求设计出各岗位监控系统、控制系统、执行系统。
控制系统对各岗位生产参数实时采集，完成计量泵、泥浆泵和柱塞泵等设备的启/停以及联动控制，保持控制系统运行过程中，各岗位生产参数都处于正常范围。
这为下一步详细设计做了准备。
第四章主要算法设计
4.1控制模型分析
经过对防砂模拟PLC控制系统工艺要求的仔细分析，控制系统主要有两种控制方式，分别以泥浆泵和柱塞泵为典型。
下面对这两个岗位进行详细分析。
1．泥浆泵电机的调节关联泵出管道压力和加砂搅拌罐的液位，泵出管道压力和加砂搅拌罐的液位要求保持在一定范围。
对应控制要求是：
泵出管道压力不能超过预警值，泵出管道压力高于预警值泥浆泵电机需要减速；加砂搅拌罐的液位需要保持在一定范围，加砂搅拌罐液位低于设定范围泥浆泵电机需减速，加砂搅拌罐液位高于设定范围泥浆泵电机需加速[7]。
2．柱塞泵电机的调节关联传输管道温度。
传输管道温度要求保持在一定范围，温度传感器及保护单元中的柱塞泵、水池和热交换器共同实现系统的压力温度的安全保护。
对应控制要求是：
温度传感器的检测值超过安全值，通过PLC控制中心调节柱塞泵加速抽水速度，热交换器中的热交换过程变快使得温度降低[7]。
4.2泥浆泵电机调节算法设计[16]
根据泥浆泵调节逻辑关系，假定adjust为状态标志，adjust值为1，标志加沙搅拌罐液位异常或者泵出管道压力值异常；adjust值为0，标志岗位生产参数正常，不需要调节。
PLC输出泥浆泵电机速度（以下简称nj），加沙搅拌罐液位（以下简称jas）
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