基于400PLC的造纸纸浆控制过程.docx

第1章 备浆工段工艺过程
1.1备浆工艺简介
本次设计主要是针对备浆工段中废纸的碎解、粗筛、净化、精选、磨浆部分进行DCS设计。我们应用德国西门子公司的S7系统来进行硬件配置及软件组态，从而完成系统的控制要求。
1.废纸的碎解流程一般为：原料进水力碎浆机—高浓除砂器—疏解机。该流程的任务是废纸碎解成纤维悬浮液，同时去除废纸中的各种轻重杂质。
链板机将废纸包送到水力碎浆机，原料被一个一个放到链板机上，包上的捆绑铁丝已被切断，如果有大块的杂质、铁块应在链板机上及时清理掉。碎浆机的操作是连续的。原料在碎浆机内被碎解，碎解后被稀释到4.5%，并由泵送到高浓除渣器进行处理，良浆被送到贮浆塔，浆渣被排出系统外。
水力碎浆机的主要功能是混合原料与白水，使原料尽快的分解成可以泵送的浆料。大部分大块的杂质和重渣被从浆料中分离出，重杂质被收集到渣井中，绞绳机收集打抱的铁丝和一些绳状物；水力清渣机可去除大片重杂质和塑料片。
高浓除渣器的功能是除去像砂子，铁钉，玻璃等杂质，进而减少对下段工序中设备的磨损。
2.经过筛选、浓缩后的浆料还要经过盘磨，以获得适当的纤维特性；进入成浆池，准备送往造纸车间使用。磨浆是为了提高纸的质量，配浆过程中由于各浆料的浓度、流量、打浆度等参数一直在变，所以人工很难做到各浆料、胶料的精确配比，这样就容易出现配比不稳定，造成浆浓度波动，各浆池液位波动等相互关联的不利现象，恶化该工段和后续抄造工段的工艺条件，。本次设计采用了比率自动控制方式进行连续配浆，即利用成浆池液位控制的输出作为主要浆种的流量给定，并通过比率控制器决定其他浆种的流量给定。
3.废纸经过水碎、高浓除渣器后进入粗筛系统进行处理，良浆送往下工序，浆渣经过多次处理后排出系统外。粗筛是为了除掉纸料中相对密度小而体积大的杂质，纸浆的初筛和精选都要用到压力筛，而压力筛在洗浆过程中一定要保证良浆和尾浆的按比例控制，又要防止压力筛的堵浆现象的发生，当出现堵浆现象时，必须采取措施进行反冲洗，将堵浆冲洗干净，保证整个洗浆过程的顺利进行。压力筛的控制参数多，难以控制。其中有进浆口、白水进水口、良浆出口和尾浆出口的流量控制，浆池液位连锁报警控制。良浆出口和尾浆出口的流量控制采用等比例控制，当系统稳定时，进出口压差又是与进出口流量成正比的，同时当压差控制大于某个值，出现堵浆时必须将进浆口阀门全开，良浆出口阀门全关，尾浆出口全开，形成一个反压反冲1-3秒去除堵浆，使压差达到要求后进出口阀门恢复到以前状态。
4.净化就是纸浆经筛选后，浆中仍有一部分细小而相对密度较大于纤维的杂质。如原料中的泥沙、化学药品的沉见物、砂石、飞灰等。这些经粗选和精选后热闹感不能除去，因此还须净化除砂，进一步除杂，提高纸浆质量。
5.给白水部分提供制浆线的所有需要的白水，是制浆线启动的基本前提条件；只有该系统中充满水时，各设备组才允许启动。
6.通用部分包括压缩空气、清水、密封水；该部分是整个制浆造纸车间设备、仪表启动的基础，只有该部分启动之后，各个设备组才允许启动。
7.在整个流程中应该注意的几个过程是：
碎浆后，纸浆经过高浓除渣器进入贮浆塔时要检测出浆管的压力，如果压力过大，就要打开出浆管压力阀，使一部分浆回流到水力碎浆机中。
精选后的浆经过多盘式真空过滤机过滤掉水份，在进入磨前浆池时要进行浆浓度的检测，如果浓度过大，可以加清白水稀释；如果浓度过小，那就没有办法了。
在用双圆盘磨浆机磨浆时，多个双圆盘磨之间的连接可根据具体生产的需要并联或串联工作。
同时还应该注意到，在浆被磨制后，向两个方向流动，一部分又回到双圆盘磨浆机，另一部分进入成浆池。在这两个管道上都各加了一个双盘磨138出浆管流量显示调节阀，而且这两个阀的开度正好相反。开始在浆没有磨制好之前连接成浆池的管道上的阀开度要小，另个阀开度要大，这样有助于反复的磨浆。慢慢的成降池管道上的阀开度不断增大，另个阀开度减小，使浆进入成浆池。其流程如图1-1所示。

图1-1 生产工艺流程图
第2章 控制要求及方案
2.1设计题目及意义
本次设计的课题是，基于S7-400PLC的备浆系统过程控制。在本课题的设计过程中，可以较好的了解生产实际的工作过程，以及各测控点对生产工艺所引起的作用。学会如何根据工艺要求选择测控仪表设备，如何根据测控点和测控仪表设备的要求选择PLC接口模块。了解整个测控系统的结构和硬件系统的接线方式，学会软件编程并能深入理解过程控制中相关环节的控制原理和适用的条件，为以后的工作打下一个坚实的基础。备浆系统市造纸厂制浆后期、浆料即将上网造纸的一个重要环节，其工作是否正常对纸张质量影响很大，在此系统中尤其是打浆过程是控制的重点。
2.2设计的主要任务
本次设计的主要任务是在熟悉生产工艺流程、了解各对应测控点的作用和目的的基础上选择对应的控制仪表及设备，列出控制点统计表，并根椐测控点分类选择S7-300PLC各种模块（种类、数量），完成整个硬件系统的配置。再通过对开发平面STP7+WINCC以及各种应用软件的掌握完成该系统的软件组态，以实现对备将过程的DCS控制。
2.3总体设计方案

2.3.1 PLC应用系统设计的基本内容
确定系统的构成形式、择定系统运行方式与控制方式、选择用户输入设备、输出设备及由输出设备驱动的控制对象及PLC的选择。保证整个控制系统的技术经济指标：包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块的选择、分配I/O点、绘制I/O连接图、设计控制程序。
为了系统能够安全可靠运行，应反复调试、修改。必要时还需设计控制柜、编制控制系统技术文件。如：说明书、电气原理图、电气元件明细表、I/O连接图、I/O地址分配表以及控制软件。
PLC应用系统设计的一般步骤如图2-1所示。

了解工艺过程
分析控制要求
确定系统构成方案
确定用户I/O设备
确定控制方式及运行方式
选择PLC
分配I/O点，设计I/O连接图
编制流程图
设计控制柜
设计梯形图
现场连接
输入程序并检查
调试
满足要求
联机调试
满足要求
编制技术文件
交付使用

图2-1 系统设计流程图
2.3.2 PLC控制系统选型
一般来说，由PLC构成的控制系统有四种类型：单机控制系统、集中控制系统、分布控制系统及远程I/O控制系统。
由PLC构成的单机控制系统，适用于一台机器或一条生产线的小系统。
由PLC构成的集中控制系统，适用于控制对象所处的地埋位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。他的控制对象是有限的。其缺点是当某一控制对象的控制程序需改变或PLC出现故障时，必须停止整个系统工作。
由PLC构成的分布式控制系统，被控对象比较多，分布在一个较大区域内，相互之间距离较远，且各被控对象之间要求经常地交换数据和信息。多用于多台机械生产线的控制，各生产线之间有数据连接。
用PLC构成远程I/O控制系统。实际上是集中式控制系统的特殊情况，其I/O模块不与PLC放在一起，而是远距离在放在被控设备附近，远操I/O通道与PLC之间通过同轴电缆传递信息，适用于被控对象远离集中控制的场合，远程I/O通道数目受对象分散程度和距离，PLC驱动能力。
总体考虑备浆系统的工艺流程和工艺要求，我们采用由PLC构成的分布式计算机控制系统（DCS）。现场信号通过变送器送到PLC，PLC再与计算机进行通信，各种信号通过存储在PLC里的程序来控制，各种参数又通过计算机进行监控。
2.3.3 择定系统运行方式
系统运行方式一般有自动、半自动、手动三种。自动运行方式：系统在工作过程中，按给定的程序自动地完成被控对象的动作，不需要人工干预。设计中我们采用全自动控制方式。半自动运行方式：系统在启动和运行过程中的某些步骤需要人工干预才能进行下去，多用于检测手段不完善，需要人工判断或某些设备不具备自控条件，需人工干涉的场合。手动运行方式：不是控制系统的主要运行方式，而是用于设备调试，系统调整和特殊情况下的运行方式，是自动运行方式的辅助方式。
2.3.4系统硬件设计
系统硬件设计主要根据控制对象而定。工艺要求是系统设计的主要依据，也是控制系统所需实现的最终目的。了解工艺要求之后还要掌握控制对象的设备状况，既要掌握设备的种类、数量，还要掌握设备的新旧程序。根据工艺要求和设备状况就可提出控制系统应实现的控制功能，只有掌握了要实现的控制功能，才能据此设计系统的类型、规模、机型、模块、软件等内容。根据工艺要求，设备状况和控制功能，可以对系统硬件设计形成一个初步的方案，但要进行详细设计，则要对系统的I/O点数和种灯有一个精确的设计，以便确定系统的规模、各种电压电流等级、智能模板要求。 当然，在设计PLC组成的控制系统时，要考虑到所组成的控制方案的先进性。
1.S7300/400的组成
S7-300/400PLC功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的、无槽位限
制的模块化结构，其系统结构如图2-2所示。

图2-2 S7-300PLC系统构成框图
它的主要组成部分有导轨、电源模块、中央处理单元、接口模块、信号模块、功能模块等，通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。
导轨是安装S7-300/400各模块的机架，它是特制不许钢导型板，其长度有160、482、530、830、2000毫米五种可根据实际情况选择。电源模块、CPU及其它信号模块都可方便的安装在导轨上。
除CPU模块外每块信号模块都有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU模块并固定在导轨上，然后依次将各模块装入。
2.I/O点数量统计
我们的设计是针对宁波的海山纸业的备浆过程而设计的，其工艺流程我们在第一章已介绍过。根据整个工段的工艺要求，列出该项目的I/0统计清单，见附页。据统计，在此过程中共128个控制点。数字输入98点，数字输出48点，模拟量输入68个通道，模拟量输出33个通道。知道了数字量的点数和模拟量的通道数后我们就要考虑那种型号的信号模块，进一步再选择模块的个数。对于模拟量模块来说，为了缩短循环时间，应使用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道，使其不占用循环时间。
制浆部各测控点仪表统计如表2-1所示。

名称
数量
名称
数量
浓度
4
液位
11
流量
18
调节阀
33
压力
31
切断阀
14
电机起停
34

表2-1制浆部各测控点仪表统计
3.现场仪表选型
在整个工段，液位控制中一般的液位都是几米到几十米，流量控制中，我们选用电磁流量计，压力控制中，由于生产工段中的压力不是很大，选用一般的压力变送器足够，浓度控制中，因为要控制的浓度不大，所以还是选用一般的浓度变送器；具体的仪表如表2-2所示。

序 号
名 称
型 号
数 量
生产厂家
1
浓度计
MBT-2300
4
BGT公司
2
电磁流量计
AE220MG-AS1-LSG-A1N/BR DN220
18
上海横河
4
液位变送器
EJA210A-DMSG2D5A-92NN
11
横河川仪
5
压力变送器
EJA438W-DASG2A-AA03-92DA
31
横河川仪
6
气动V型调节球阀
2SSV-167K-200YPDZD DV200
8
瑞安
7
耐震电接点压力表
YNXC100III-MF3(3M)-316-0.6MPa
1
江苏海天
8
电节点压力表
YXC100I(0~0.6)
1
江苏海天
9
ABB变频器
ACS401-006-3-X
1
ABB
10
电功率变频器
WB2P414AR1
1
西南所
表2-2现场仪表选型
4.CPU模块的选择
在我们这次的设计中，由于S7-400的CPU功能更为强大，而且更易于组建网络所以我们在系统中选择S7-400的CPU。S7-400的CPU有许多种可供选择，具体的有以下几种CPU412-1和CPU412-2用于中等性能范围的小型安装；CPU414-2和CPU414-3适用于中等性能范围。它们满足对程序规模和指令处理速度以及复杂通讯的更高要求。CPU416-2和CPU416-3安装于高性能范围中的各种高要求场合；CPU417-4DP适用于更高性能范围的最高要求场合。它主要的CPU类型、性能如表2-3所示。

CPU
用户程序
DI/DO
AI/AO
位存储器
计数/计时器
通讯接口
412-1
2×48KB
8K/8K
512K/512K
4Kbit
256/256
MPI/DP PROFIBUSDP
412-2
2×72KB
8K/8K
512K/512K
4Kbit
256/256
MPI/DP PROFIBUSDP IFMSS
414-2
2×128KB
16K/16K
1K/1K
8Kbit
256/256
MPI/DP PROFIBUSDP IFMSS
414-3
2×384KB
32K/32K
2K/2K
8Kbit
256/256
MPI/DP PROFIBUSDP IFMSS
416-2
2×0.8MB
32K/32K
4K/4K
16Kbit
512/512
MPI/DP PROFIBUSDP
416-3
2×1.6MB
64K/64K
4K/4K
16Kbit
512/512
MPI/DP PROFIBUSDP
417-4
2×2MB
128K/128K
512K/512K
16Kbit
512/512
MPI/DP PROFIBUSDP IFMSS
表2-3 CPU模块选型
对于PLC选型方面，首先要准备两方面的内容：
(1)PLC的I/O点数估算
在统计后得出的I/O点数基础上，增加10%到15%的裕量，考虑裕量后的I/O总点数即为I/O点数的估计值，该估算值是PLC选型的主要技术依据。
选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和一般应留有30%的余量。
所以将以上方法应用于本次设计中，据统计本次设计中总的I/O点数为246个，所以其估算值按最大裕量来计算应为246×（1+15%）286 为了不使PLC能力不接近饱和，PLC机型能力的极限值应为286×（1+30%）370。
(2)储器容量估算值
PLC的I/O点数估算值太小，很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因此可以在I/O点数估算制的基础上计算对PLC存储容量的要求。目前大多用统计经验公式进行存储器容量估算，这种方法是以PLC处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验值为依据，乘以信息量数再考虑一定的裕量，计算得到存储器需要容量。
例：作为一般应用下的一种经验公式：
所需存储容量（KB）=(1.1~1.25)×(DI×10+DO×5+AI/O×100)/1024 (3-1)
式中：
DI为数字量输入点数；
DO为数字量输出点数；
AI/O为模拟量I/O通道总数。
根据上面式3-1的经验公式得到的存储器容量估算值具有参考价值，但在明确对PLC要求容量时，还应依据其他因素对其修正。需要考虑的因素有：经验公式进对一般应用系统，而且主要针对设备的直接控制功能而言的，特殊的应用或功能可能需要更大的存储器容量，不同型号的PLC对存储器的使用规模与管理方式的差异，会影响存储器需求量；程序编写水平对存储器的需求量有较大的影响。实际选型时参考此值采用就高不就低的原则。
在本设计中依据上面的经验公式得出所需存储容量(再最大情况下)为：
1.25×(98×10+48×5+101×100)/1024=13.8KB
所以根据以上的依据得出选用S7-400的416-2型CPU 最为合适。它集成的PROFIBUS－DP接口，使它能作为主站直接连接到PROFIBUS现场总线。CPU416-2执行一条二进制指令仅需要0.08μs.最多可以有262144个数字量输入/输出，16384个模拟量输入/输出；最多可有44个站点。
5.电源模块的选择
电源模块通过背板总线向SIMATIC S7-400提供5VDC和24VDC电源。每个机架均需要电源模块，除了包含有电源传输的接口。中央控制器中的电源模板也向扩展单元中的所有模板供电。传感器和执行器用的负载电源应单独提供。
PS307是西门子公司为S7-300专配的24VDC电源,PS307系列模块输出额定电流不同外(有2A,5A,10A)三种,工作原理和各种参数都一样,
(1)在输入输出之间有可靠的隔离；
(2)正常输出额定电压24V则绿色LED点亮；
(3)如果过载,则LED闪烁；
(4)输出电流长期在10A~13A之间时,输出电压下降,电源寿命缩短；
(5)输出电流长期在13A以上,电压跌落,跌落后可自动恢复；
(6)如果输出短路,输出电压为0,LED变暗,在短路消失后,电压自动恢复。
PS307(2A)的主要技术规范如表2-4所示。
输入电压
额定值
120/230VAC
允许范围
93~132VAC/187~264VDC
线性电压频率
额定值
50/60HZ
允许范围
47~65HZ
输入电流
230V时的额定值
0.5A
120V时的允许范围
0.8A
输出电压
额定值
240VDC
允许范围
24V±39%
输出电流
额定值
2A
工作温度
0~60℃
功率损耗
10W
表2-4 PS307(2A)的主要技术规范
PS307除了给CPU拱电,也可给I/O模块提负载电源,由于在本设计中,采用了S7-400的CPU 它耗电量大,因此又用了PS407电源专为CPU拱电。
PS407电源的主要技术规范如表2-5所示。
输 入 电 压
额 定 值
110/230V
DC
120/230V
AC
88~300VDC
允许范围
85～264VAC
输入电流额定值
110/230VDC
1.2/0.6A
120/230VDC
1.2/0.6A
输出电压
额定值
5.1VDC/24VDC
允许范围
5VDC:
+0.3%/-0.5%
24VDC:
+25%/-20%
输出电流
额定值
5VDC:
10A
24VDC:
1A
功 耗
105W
功率损失
29.7W
需要的槽位数
2
有隔离
表2-5 PS407电源的主要技术规范
电源模块通过背板总线向SIMATIC S7-400提供5VDC和24VDC电源。每个机架均需要电源模块，除了包含有电源传输的接口。中央控制器中的电源模板也向扩展单元中的所有模板供电。传感器和执行器用的负载电源应单独提供。本设计中需要两个电源，一个PS307给各模块提供工作电压，一个PS407给CPU提供工作电源。
6.数字量输入模板的选择
开关量输入模板将外部过程的开关量信号转换成可编程序控制器CPU模板所需的信号电平，并传送到系统总线上。模板种类：按电压分有直流5，12，24，48，60V和交流110，220V.按保护型式分为：隔离何不隔离。按点数分有：8、12、32、64点。
(1) 根据现场监测元件与模板之间的距离来选择电压的等级。一般5、12、24V属低压，其传输距离不易太远。距离较远的设备选用较高电压的模板比较可靠，以免信号衰减后造成误差。
(2) 根据分散各处信号的多少和信号动作的时间选择模板的密度。集中在一处的输入信号进可能集中在一块或几块模板上，以便于电缆安装和系统调试。对于高密度模板，如32点或64点，一般来讲，同时接通点数最好不超过模板总点数的70%
(3) 为了提高系统的可靠性，必须考虑门坎电平的大小，门坎电平值约大抗干扰能力越强传输也就越远
(4) 根据系统抗干扰性能的要求，选择光电隔离或不带光电隔离的输入模板。
(5) 根据背控设备与可编程序控制器CPU所安装位值之间的距离来设计本地输入模板还是远程输入模板。
(6) 备用输入电的设计考虑。在设计总输入点数时要留有一定的裕量这些备用点的分配应分别考虑到每块输入模板的上，最好分配到每组输入点上。例如，以具有32点输入的模板。他们每8点一组，在设计时每8点留一个备用点，一旦其余7点有一个发生故障，只要把接线从故障点改接到备用点，相应地址在一修改，系统就可恢复正常。
SM321数字量输入模块有四种型号可以选择，即直流16点输入直流32点输入交流16点输入交流8点输入。
其中SM321 DI 32X24VDC它具有32个输入点，带隔离、16点为一组。额定输入电压为24VDC，适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关)，可接非屏蔽电缆长度最长为600m，屏蔽电缆长度为1000m，通道与背板之间以及每组通道之间有光电隔离，从背板总线输出最大15Ma电流。
SM321 DI 16X24VDC它是16点输入，带隔离，16点为一组，额定输入电压为24VDC, 适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关),通道预背板总线之间有光隔。
SM321 DI 16X24VDC带硬件和诊断中断，它是16点输入，带隔离，16点为一组，额定输入电压为24VDC, 适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关),具有量各防短路的传感器电源，对传感器可适用外部荣誉电源，组故障LED，可编程的诊断，可编程的诊断中断，可组态的硬件中断，可编程的输入延迟。这是几种常用的模块。它们的主要参数如表2-6所示。
SM321数字输入模块
直流16点输入模块
直流32点输入模块
输入点数
16
32
额定负载电压L+
24VDC
24VDC
负载电压范围
20.4-28.8V
20.4-28.8 V
额定输入电压
24VDC
24VDC
输入电压“1”范围
13-30V
13-30V
输入电压“0”范围
-3-+5V
-3-+5V
隔离（与背板总线）
光耦
光耦
表2-6 SM321模块参数设置
根据以上模块的选择方法，以及各模块的性能选取DI模块。因本次设计中的备浆系统中有98个数字量输入点，为了尽量减少模块的个数，采用具有32点的数字量输入模块，需要的个数为98/323.1 因此，应选择四个数字量输入模块（32点）。它们每8点一组，在设计时可依据具体情况，每8点留一个备用点，一旦其余7点有一个发生故障，只要把接线从故障点改接到备用点，相应地址在一修改，系统就可恢复正常。
7.数字量输出模块的选择（有晶体管输出，继电器输出）
在选择电压等级模板密度，备用点设计等方面与开关量模板一样。
(1)对一般的负荷，选择何种输出方式都可以，对开闭频繁的、电感性、地功率因数的负荷，建议使用晶体管和晶闸管元件的开关量输出模板。对于电压范围变化较大，且各种电压等级集中在一块模板上，则使用继电器输出模板更加方便。
(2)输出功率的选择，在选择模板时要注意手册上给出的输出功率要大于实际负荷所需的功率。如果负荷要求的功率很大，开关量输出模板以不能满足需要，此时采用中间继电器，开关量输出驱动中间继电器的线圈，中间继电器驱动负荷这种方法也可用于多个负荷的并联驱动。
(3)针对负荷要注意：对象电磁闸这类负荷，虽然电磁负荷很小，但匝数多，断电瞬间起反向电压很高。有时会使输出模板的输出三极管击穿，此时要在负荷两端并接电容和电阻抑制反向电压。对于等负荷一般启动电流位额定电流的十倍。
SM322将S7-300内部信号电平转化成过程所需的外部信号电平，可以直接驱动电磁阀，接触器，小型电动机。
其中SM322 DO32×24VDC/0.5A此模块为32点输出带隔离，8点为一组输出0.5A电流，24V额定负载电压，适用于电磁阀，直流接触器和指示灯。
SM322 DO16×24VDC/0.5A此模块为16点输出，带隔离，8点为一组，其余功能均与SM322 DO16×24VDC/0.5A相同。
SM322DO8×24VDC/2A为8点输出，带隔离，4点为一组，2A电流输出，其余功能均与SM322 DO16×24VDC/0.5A相同。
SM322DO8×24VDC/0.5A带诊断，中断。此模块亦为8点输出，带隔离，4点为一组，所不同的是它是输出0.5A电流每个输出右两个端子，分别为不带二极管输出和带二极管输出（用于冗余负载控制），这些均为数字量输出常用模块。
同样根据数字量输出模块的选择方法及其性能选择此模块。系统中有48个数字量输入点，同样也是为了尽量减少模块的个数，采用具有32点的数字量输出模块，需要的模块个数为48/321.6 由此得到系统需要两个数字量输出模块来控制各数字量输出点。输出模块接受ON/OFF或开/关设备信号。开关可以是直流或是交流。
8.模拟量输入模板的选择
模拟量的输出模块SM331是将外部生产过程缓慢变化的模拟量信号转换乘客编程控制其内部的数字信号。它的主要由转换部件、模拟切断开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路组成。A/D转换器是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分时间越长，被测值的精度越高。
SM331的8个模拟量通道共用一个积分式A/D转换器，某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直持续到下次开始转换的时间称为A/I模块的循环时间，它是模块中所有活动的模拟量输入通道的转换时间的总和。实际上，循环时间是对外部模拟量信号的采样间隔，为了缩短循环时间，应使用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道，使其不占用循环时间。SM331与传感器、变送器的连接如图2-3、2-4所示。

图2-3 SM331与二线制仪表的接法

图2-4 SM331与四线制仪表相连接
SM331模块每个相邻通道共用一个量程快，构成一个通道组。不同的量程位置，适用不同的测量方法和测量范围如表2-7所示。
量程块设定
测 选择测量方式及范围
缺省设置
A
电压：≤1000mA
电压±1000mA
电阻：150Ω 300Ω 600Ω Pt100 Ni100
热电偶：N、E、J、K 各型
B
电压：≤10V
电压/±10V
C
电流：≤±20mA
电流（四线）/4~20mA
D
电流： 4-20mA
电流（二线)/4~20mA

表2-7 SM331模块参数设置
系统中有68个模拟量输入通道，我们选用SM331 8×12模拟量输出模块，故所需SM331 68/8=8.5，故需模拟量输出模块九个。
9.模拟量输出模块
它将可编程序控制器内部的数字结果转换成外部生产过程的模拟量信号。
(1)输出范围和输出类型。模拟量输出范围包括0~10V 4~20mA等。输出类型有电压输出和电流输出。
(2)对符合要求，在电流输出方式下，一般给出最大负荷阻抗。在电压输出方式下，则给出最小负荷阻抗。
系统中有33个模拟量输入点，我们选用SM332 4×12模拟量输出模块，因此所需个数为33/48.1 故需模拟量输出模块九个。
选择所有I/O模块的主要依据可参见表2-8所示。
I/O模块类型
现场设备或操作
说明
开关输入模块
选择开关、按扭、光电开关、限位开关、电路短路器、接近开关、液位开关、电动机启动器触点、继电器触点、拨盘开关
输入模块接受ON/OFF或开/关信号，开关信号可以是直流的，也可以是交流
开关输出模块
报警器、控制继电器、风扇指示灯、扬声器、阀门、电动机、启动器、电磁线圈
输出模块接受ON/OFF
或开/关设备信号。开关可以是直流或是交流。

模拟量输入模块
温度变送器、压力变送器、湿度变送器、电动机驱动器、电位器
将连续的模拟量信号转换成PLC处理器可接受的输入值。
模拟量输出模块
模拟量阀门、执行机构、图表记录器、电动机驱动器、模拟仪表
将PLC处理器的输出转为现场设备使用的模拟量信号（由变送器进行）
特种I/O模块
编码器、流量计、I/O通信、ASCII、RF型设备、称重计、条形阅读器、标签阅读器、显示设备
通常用作位置控制，PID和外部设备通信等专门用途
表2-8 I/O模块与外部设备的配置
10.RS 485中继器
RS485是计算机或终端与MODEN之间的标准接口。它使用最少的信号连接来完成通信的接口总线。它仅支持半双工通信，分时使用一对信号线发送或接受。在采用RS495互联的网络中，某一时刻两个站只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接受数据因此其发送电路是由使能端来控制 。对于MPI网络两点间的距离是有限的从第一个接点到最后一个接点最长只有50米对于一个较长区域的信号传输或分散控制系统采用两个中继器可以将两个接点的距离扩大到1000米但两个接点间不应有其它接点。
中继器的使用可以放大信号、扩展接点间的连接距离也可以用作抗干扰隔离。如，用于连接不接地的接点和接地的MPI编程装置的隔离器。
11.ET200M
ET200M是高密度配置的模块化I/O站,同时ET200M也是一种模块式结构的远程I/O站，ET200M远程I/O站由IM153PROFIBUS－DP接口模块．电源．各种I/O模块组成，它可使用S7－300系列所有I/O模块，SM321/322/323/331/332/334。EX．FM350－1/351/352/353/354。最多可扩展到8个I/O模块。保护等级为IP20，它可用S7-300可编程序控制器的信号,功能和通讯模块扩展，由于模块的种类众多，ET200M尤其适用于复杂的自动化任务，可插入模拟量HART的输入和输出模块，意味着ET200M适用于过程工程.它也适宜于与冗余系统一起使用。ET200M是在PROFIBUS-DP上的被动站(从站)。最大数据传输速率为12M位/S.ET200M也可以在运行过程中，在有电源情况下配置S7-300 I/O模块的有源总线模块，其余模块仍继续运行。最大数据传输速率：12M，具有集中和分散式的诊断数据分析。由于它具有很强的运算能力，分担了CPU的一部分运算任务，以及它具有以上所列的显著特点，在本次的设计中，采用ET200M。
12.硬件设计的基本原则
在具体PLC应用系统设计时我们必须把握以下基本原则，用以减少不必要的浪费，同时也为纸张的质量提供了可靠的保障。
(1)最大限度地满足被控对象的控制要求（制定合理控制方案，协同解决设计中出现的各种问题）。
(2)满足控制要求的前提下，力求使控制系统计简单、经济、实用及维护方便。
(3)控制系统的安全、可靠。
(4)考虑到生产发展和工艺的改进、选择PLC容量时，应适当留有余量。
13.信号模块与现场仪表的连接
在硬件组态方面另一个值得注意的地方就是信号模块选型时，AI模块与外部仪表的连接方式。以下具体介绍信号模块与现场仪表的接法：
(1)模拟量输入模块SM331与变送器的连接如下所示。

图2-5 SM331与流量变送器的接法

图2-6 SM331与浓度变送器的接法

图2-7 SM331与液位传送器的接法

图2-8 SM331与压力变送器的接法
下面给出模拟量输出模块SM332与电气阀门之间的接线图，使大家可以更好的了解模拟量输出模块SM332的接线原理。

图2-9 模拟量输出模块SM332与阀门的接线图
(2)数字量模块与排渣阀的接线原理

图2-11数字量模块与排渣阀的接线原理图
(3)数字量输入模块SM321通过光隔离与阀门之间的连接图。其中的电阻R是限流电阻，电流10-15mA，主要起限流作用。光隔离的作用主要是防止数字量模块SM321烧坏。

图2-10 数字量模块SM321与阀门的接线图
最后我们主要再介绍一下宁波海山纸业工艺流程中的排渣环节，在这里我们介绍排渣过程所用到的排渣阀。其接线图如图2-11所示。
此原理图中，我们要选择的电子器件主要的两个：输出模块和接近开关。其中输出模块有两种类型，一种是晶体管型，一种是数码管型的。数码管型输出模块控制准确性很高，但是不宜反复起停；而晶体管型输出模块虽然控制的准确性没有数码管型高，但是一般的控制足以，最主要的是允许多次起停。
在选择接近开关时，我门也得认真选择。接近开关也分两种类型：一种是NPN型，一种是PNP型。NPN型是进信号的，即信号输入型的，而PNP型则正好相反，是信号输出型。正好与数字量输入模块连接。
2.3.5 系统软件设计
1.软件设计的主要内容
软件设计的内容包括：参数表的定义，程序柜图绘制，程序的编制，程序说明书编写。
(1)参数表的定义：按一定格式对系统各接口参数进行规定和整理，为编制程序做准备。主要内容包括：输入信号表，输出信号表，中间标志表和存储单元表的定义，便于使用，尽量详细，I/O信号表：模块位置、信号端子/线号、I/O地址号、信号别名、信号名称和信号有效状态。中间标志表：信号地址、信号别名、信号处理和信号的有效状态、存储单元表、信号地址和信号名称。
(2)程序柜图的绘制：是指依据工艺流程而绘制的控制过程方框图。包括程序结构框图和控制功能框图。程序结构框图是一台PLC的全部应用程序中各功能单元在内存中先后顺序的缩影，功能框图是描述某一控制功能在程序中的具体实现方法及控制信号流程。先结构框图，后功能框图。
(3)程序的编制：采用编程语言对控制功能框图的程序实现。
(4)程序说明书的编写：是对整个程序内容的注释性的结合说明，使读者了解程序的基本结构和某些问题的处理方法，程序阅读方法及注意事项，还包括程序中使用的注释符号，文字综写的含义说明及程序的测试情况。
(5)PLC程序的主要品质指标
可靠性指标：指程序从算法到实施，能否在各种条件下可靠地有效地完成规定的功能要求，评价程序或算法的严密性，正确性及有效性的衡量指标。
简洁性指标：以占用尽量少的内存以及尽可能短的指令执行时间，这是衡量编程人员技巧和素质的指标。
可读性指标：要求编程十分注意条理性，采用规范化的程序结构，保证运算在指令上的流畅性和连续性。
可测试性指标：考虑如何证明程序确实能够准确地完成系统的功能要求，考虑恰当的调试接口。
可维护性指标：PLC程序要求有良好的适应性，可扩充性和可校正性。
2.SIMATICS7300/400PLC的编程语言简介
S7-300PLC的编程语言是STEP7，用文件块的形式管理用户编程的程序及程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调试用语句，将它们组成结构化的用户程序。
(1)用户程序组成
PLC的程序可分为系统程序（操作系统）及用户程序。系统程序由PLC的生产厂家提供，支持用户程序的运行。用户程序是用户完成特定的控制任务而编写的应用程序。户程序由组织块OB,功能块（FB,FC）和数据块DB构成。
OB：是系统程序与用户程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。OB模块根据操作系统调用的条件分成几种类型，规定有不同的优先级，高优先级OB可以中断低优先级OB，不同OB块执行各自特定的功能。如：
OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。可以将所有程序放入OB1中进行线性编程，或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块.
OB35：是一个以固定间隔循环（定时中断）的组织块。时间间隔由编程工具设置或修改（缺省值为100ms），范围从1ms-1min。当允许循环中断时，OB35以固定的间隔循环运行，当OB100调用OB