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基于PLC火电厂输煤控制系统

基于PLC的火电厂输煤控制系统

摘要：

文章介绍了火力发电厂输煤控制系统特点，火力发电厂输煤PLC控制系统的结构、功能和操作方式。

PLC在火力发电厂输煤控制系统应用的实践证明：

PLC是实现火电厂热工自动化的理想控制器，PLC不但能完成复杂的继电器逻辑控制，而且能完成模拟量控制及智能控制，并能实现远程通讯、联网、上位机监控等。

关键词：

火力发电厂；输煤控制系统；PLC；MCGS

Abstract:

Thisarticleintroducesthecharacteristicofcontrolsystemofthermalpowerplantcoal,thermalpowerplantcoalhandlingcontrolsystemPLCstructure,functionandoperationway.PLCinthethermalpowerplantcoalhandlingcontrolsystemapplicationofpracticehasproved:

PLCistherealizationofthermalprocessautomationofpowerplanttheidealcontroller,PLCnotonlycanpleteplexrelaylogiccontrol,andcanpletetheanalogcontrolandintelligentcontrol,andcanrealizetheremotemunications,networking,putermonitoring.

Keywords:

powerplant;coalhandlingcontrolsystem;PLC;MCGS

1S7-200西门子PLC概述

S7系列PLC分为S7-200小型机、S7-300中型机、S7-400大型机。

S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。

1.1S7-200PLC的结构及技术性能

1.1.1 S7-200CPU的结构

如图1.1所示

图1.1S7-200系列PLC的外形图

1、S7-200CPU的类型

图1.2CPU22X主机外形图如图

从CPU模块的功能来看，SIMATICS7-200系列小型PLC发展至今，大致经历了两代：

第一代产品，其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：

CPU212，CPU214，CPU215和CPU216，本书不介绍该产品。

第二代产品，其CPU模块为CPU22X，主机都可进行扩展，它具有五种不同配置的CPU单元：

CPU221，CPU222，CPU224和CPU226和CPU226XM，除CPU221之外，其它都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。

本书将介绍CPU22X系列产品。

对于每个型号，西门子厂家都提供有产品货号，根据产品货号可以购买到指定类型的PLC。

2、S7-200CPU22X系列技术性能

CPU22X主机的技术指标如表2.1所列。

表2.1 CPU22X系列的技术指标

项目名称

CPU221

CPU222

CPU224

CPU226

CPU221XM

用户程序区

4KB

8KB

16KB

数据存储区

2KB

5KB

10KB

主机数字量输入/输出点数

6/4

8/6

14/10

24/16

模拟量输入/输出点数

无

16/16

32/32

扫描时间/1条指令

0.37μs

最大输入/输出点数

256

位存储区

256

定时器

256

计数器

256

允许最大的扩展模块

无

2模块

7模块

允许最大的智能模块

无

2模块

7模块

时钟功能

可选

置

数字量输入滤波

标准

模拟量输入滤波

无

标准

高速计数器

4个30KHz

6个30KHz

脉冲输出

2个20KHz

通信口

1xRS485

2xRS485

由表2.1可知，CPU22X系列具有不同的技术性能，使用于不同要求的控制系统：

CPU221：

用户程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，适合用于点数少的控制系统。

CPU222：

和CPU221相比，它可以进行一定模拟量的控制，可以连接2个扩展模块，应用更为广泛。

CPU224：

和前两者相比，存储容量扩大了一倍，有置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，使用很普遍。

CPU226：

和CPU224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。

CPU226XM：

它是西门子公司推出的一款增强型主机，主要在用户程序和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。

1.1.2S7-200CPU22X的电源

对于每个型号，西门子厂家都提供24VDC和120V/240VAC两种电源供电的CPU类型。

可在主机模块外壳的侧面看到电源规格。

输入接口电路也分有连接外信号源直流和交流两种类型。

输出接口电路主要有两种类型，即交流继电器输出型和直流晶体管输出型。

CPU22X系列PLC可提供五个不同型号的10种基本单元CPU供用户选用，其类型及参数如表2.2所列。

表2.2 S7-200系列CPU的电源

型号

电源／输入／输出类型

主机I/O点数

CPU221

DC/DC/DC

6输入／4输出

AC/DC/继电器

CPU222

DC/DC/DC

8输入／6输出

AC/DC/继电器

CPU224

DC/DC/DC

14输入/10输出

AC/DC/继电器

CPU226

DC/DC/DC

24输入/16输出

AC/DC/继电器

CPU226XM

DC/DC/DC

24输入/16输出

AC/DC/继电器

注：

表2.2中的电源／输入／输出类型的含义，如为DC/DC/DC，则表示电源、输人类型为24VDC，输出类型为24VDC晶体管型。

如为AC/DC/继电器，则表示电源类型为220VAC，输入类型为24VDC，输出类型为继电器型。

图1.3 CPU22X电源供电接线图

在安装和拆除S7-200之前，必须确认该设备的电源已断开，并遵守相应的安全防护规。

如果在带点情况下对S7-200及相关设备进行安装或接线有可能导致电击和设备损坏。

1.1.3S7-200的工作方式

1、S7-200的工作过程

图1.4S7-200的工作过程

S7-200在扫描循环中完成一系列任务。

任务循环执行一次称为一个扫描周期。

S7-200的工作过程如图1.4所示。

在一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操作：

（1）读输入：

S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。

（2）执行程序：

CPU根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。

程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。

（3）处理通讯请求：

S7-200执行通讯处理。

（4）执行CPU自诊断：

S7-200检查固件、程序存储

器和扩展模块是否工作正常

（5）写输出：

在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。

2、S7-200CPU的工作模式

S7-200有两种操作模式：

停止模式和运行模式。

CPU面板上的LED状态灯可以显示当前的操作模式。

在停止模式下，S7--200不执行程序，您可以下载程序和CPU组态。

在运行模式下，S7-200将运行程序。

S7-200提供一个方式开关来改变操作模式。

您可以用方式开关（位于S7-200前盖下面）手动选择操作模式：

当方式开关拨在停止模式，停止程序执行；当方式开关拨在运行模式，启动程序的执行；也可以将方式开关拨在TERM（终端）（暂态）模式，允许通过编程软件来切换CPU的工作模式，即停止模式或运行模式。

如果方式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会自动进入STOP模式。

如果方式开关打在RUN模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会进入RUN模式。

1.1.4S7-200CPU22X的输入/输出接口

S7-200主机配置的输入接口是数字信号输入接口。

为了提高抗干扰能力，输入接口均有光电隔离电路，即由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。

S7-200主机配置的输出接口通常是继电器和晶体管输出型。

继电器输出型为有触点输出，外加负载电源既可以是交流，也可以是直流。

CPU226AC/DC/继电器输出的CPU外围接线图如图1.5所示。

图1.5CPU226AC/DC/继电器输出的CPU外围接线图

1.1.5S7-200CPU的扩展模块

当主机的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，通常要进行I/O的扩展。

I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。

不同的CPU有不同的扩展规，它主要受CPU的寻址能力限制。

在使用时可参考西门子S7-200的系统手册。

1、数字量I/O扩展模块

常用的数字量输入／输出扩展模块有三类，即输入扩展模块、输出扩展模块、输入/输出扩展模块。

S7-200系列PLC数字量I/O扩展模块如图1.6所示。

图1.6S7-200系列PLC数字量I/O扩展模块

2、特殊功能扩展模块

当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以连接扩展模块，利用这些扩展模块进一步完善CPU的功能。

常用的扩展模块有两类，即模拟量输入／输出扩展模块、特殊功能模块。

模拟量扩展模块类型如图1.7所列。

图1.7 模拟量扩展模块型号及用途

S7-200主机的特殊功能模块有多种类型，例如：

功能模块有EM253位置控制模块、EM277Profibus-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块、CP243-2AS-I接口模块等。

3、I/O点数扩展和编址

S7-200CPU22X系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，进行扩展时，可以在CPU右边连接多个扩展模块。

如图所示，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。

输入与输出模块的地址不会冲突，模拟量控制模块地址也不会影响数字量。

编址方法是同样类型输入或输出点的模块在链中按所处的位置而递增，这种递增是按字节进行的，如果CPU或模块在为物理I/0点分配地址时未用完一个字节，那些未用的位也不能分配给I/O链中的后续模块。

例如，某一控制系统选用CPU224，系统所需的输入／输出点数为：

数字量输入24点、数字量输出20点、模拟量输入6点和模拟量输出2点。

本系统可有多种不同模块的选取组合，并且各模块在I/O链中的位置排列方式也可能有多种，图1.8所示为其中的一种模块连接形式。

图1.9所示为其对应的各模块的编址情况。

图1.8模块连接图

图1.9 各模块的编址

（1）同类型输入或输出的模块按顺序进行编制。

（2）数字量模块总是保留以8位（1个字节）递增的过程映象寄存器空间。

如果模块没有给保留字节中每一位提供相应的物理点，那些未用位不能分配给I/O链中的后续模块。

对于输入模块，这些保留字节中未使用的位会在每个输入刷新周期中被清零。

（3）模拟量I/O点总是以两点递增的方式来分配空间。

如果模块没有给每个点分配相应的物理点，则这些I/O点会消失并且不能够分配给I/O链中的后续模块。

1.2 S7-200PLC的寻址方式及部数据存储区

S7-200CPU将信息存储在不同的存储单元，每个单元都有惟一的地址。

S7-200CPU使用数据地址访问所有的数据，称为寻址。

输入／输出点、中间运算数据等各种数据类型具有各自的地址定义，大部分指令都需要指定数据地址。

1.2.1数据长度

S7-200寻址时，可以使用不同的数据长度。

不同的数据长度表示的数值围不同。

S7-200指令也分别需要不同的数据长度。

S7-200系列在存储单元所存放的数据类型有布尔型（BOOL）、整数型（INT）、实数型和字符串型四种。

数据长度和数值围如图6所示。

表1.10 数据长度和数值围

1.2.2 常数

在S7-200的许多指令中，都可以使用常数值。

常数可以是字节、字或者双字。

S7-200以二进制数的形式存储常数，可以分别表示十进制数、十六进制数、ASCII码或者实数（浮点数）。

1.2.3寻址方式

在S7-200系列中，寻址方式分为两种：

直接寻址和间接寻址。

直接寻址方式是指在指令中直接使用存储器或寄存器的元件名称和地址编号，直接查找数据。

间接寻址是指使用地址指针来存取存储器中的数据，使用前，首先将数据所在单元的存地址放入地址指针寄存器中，然后根据此地址存取数据。

本书仅介绍直接寻址。

直接寻址时，操作数的地址应按规定的格式表示。

指令中数据类型应与指令相符匹配。

在S7-200系列中，可以按位、字节、字和双字对存储单元进行寻址。

寻址时，数据地址以代表存储区类型的字母开始，随后是表示数据长度的标记，然后是存储单元编号；对于按位寻址，还需要在分隔符后指定位编号。

在表示数据长度时，分别用B、W、D字母作为字节、字和双字的标识符。

2PLC编程软件Step7/Win32及上位机软件MCGS

2.1STEP7-Micro/WINV4.0介绍

西门子2007年2月正式推出S7-200新版编程软件STEP7-Micro/WINV4.0SP5，它是目前的最新版本。

S7-200CPU必须配合STEP7-Micro/WINV4.0SP3或以上版使用。

STEP7-Micro/WINV4.0SP3配合S7-200使用时，必须设置语言环境为中文才能正常工作。

STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。

它简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。

它的优点很明显：

适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程；同时支持STL、LAD、FBD三种编程语言，用户可以根据自己的喜好随时在三者之间切换；软件包提供无微不至的帮助功能，即使初学者也能容易地入门；包含多国语言包，可以方便地在各语言版本间切换；具有密码保护功能，能保护代码不受他人操作和破坏。

功能介绍

2.1.1基本功能

STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助调试和测试程序。

这些特征包括：

监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。

指令向导功能：

PID自整定界面；PLC置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。

支持TD200、TD200C和TD400C文本显示界面。

2.1.2其他功能

（1）运动控制

S7-200提供有开环运动控制的三种方式：

脉宽调制（PWM）——置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制。

脉冲串输出（PTO）——置于S7-200，用于速度和位置控制。

EM253位控模块——用于速度和位置控制的附加模块。

为了简化应用程序中位控制功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助用户在几分钟全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。

该向导可以生成位控指令，用户可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。

对于位控模块，STEP7-Micro/WIN还为了简化应用程序中位控制功能的使用，提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试用户的运动操作。

（2）创建调制解调模块程序

使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟线上，并且支持S7-200与STEP7-Micro/WIN的通讯。

该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。

STEP7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助用户设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。

（3）USS协议库

STEP7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。

通过USS指令，用户可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。

可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。

当用户选择一个USS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。

（4）Modbus从站协议指令

STEP7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。

使用Modbus从站协议指令，用户可以将S7-200组态作为ModbusRTU从站，与Modbus主站通讯。

可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。

通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。

当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到用户的项目中。

（5）使用配方

STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助用户组织配方和定义配方。

配方存在存储卡中，而不是PLC中。

STEP7-Micro/WIN软件和S7-200PLC已经支持配方功能。

STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助用户组织配方和定义配方。

所有配方存在存储卡中。

因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。

要查阅关于存储卡的更多信息。

（6）使用数据记录

STEP7-Micro/Win提供数据记录向导，将过程测量数据存入存储卡中。

将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V存储区中。

（7）PID自整定和PID整定控制面板

S7-200PLC已经支持PID自整定功能，STEP7-Micro/WIN中也添加了PID整定控制面板。

这就大大增强了S7-200PLC的功能，并且使这一功能的使用变得更加容易。

可以使用操作员面板中的用户程序或者PID整定控制面板来启动自整定功能。

在同一时间，不仅仅只有一个PID回路可以进行自整定，如果需要的话，所有8个PID回路可以同时进行自整定。

PID自整定算法向用户推荐增益值、积分时间值和微分时间值。

用户也可以为自己的调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或者极慢速响应等调节类型。

用PID整定控制面板，用户可以启动自整定过程，取消自整定过程和在图表中监视结果。

控制面板会显示所有可能发生的错误和警告信息。

它也允许用户将自整定后得到的增益值、积分时间值和微分时间值应用到实际控制中去。

2.2组态软件MCGS介绍

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统）是昆仑通态自动化软件科技研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。

MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。

具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。

用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。

2.2.1MCGS6.2网络版

良好的结构：

先进的C/S（客户端/服务器）结构

简单的操作：

客户端只需要使用标准的IE浏览器就可以实现对服务器的浏览和控制

良好性价比：

整个网络系统只需一套网络版软件（包括通用版所有功能），客户端不需装MCGS的任何软件，即可完成整个网络监控系统

方便的使用：

MCGS网络版服务器不要安装其他任何辅助软件，客户操作起来得心应手

强大的功能：

MCGS网络版提供的网络ActiveX控件，可以方便的在其他各种应用程序中直接调用

方便的升级：

MCGS嵌入版、通用版、网络版可以无缝连接，节省大量的开发和调试时间

多种网络形式：

MCGS网络版支持局域网、广域网、企业专线和Modem拨号等多种连接方式，方便的实现企业的围和距离的扩充

2.2.2MCGS6.2通用版

MCGS6.2通用版是昆仑通态数十位软件开发精英，历时整整一年时间，辛勤耕耘的结晶，MCGS6.2通用版无论在界面的友好性、部功能的强大性、系统的可扩充性、用户的使用性以及设计理念上都有一个质的飞跃，是国组态软件行业划时代的产品，必将带领国的组态软件上一个新的台阶。

功能特点：

全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活

完善的中文在线帮助系统和多媒体教程

真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行于Win95/98/NT/2000平台

提供近百种绘图工具和基本图符，快速构造图形界面

支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等700多种国外众多常用设备

支持温控曲线、计划曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线

支持ODBC接口，可与SQLServer、Oracle、Access等关系型数据库互联

支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联

提供渐进色、旋转动画、透明位图、流动块等多种动画方式，可以达到良好的动画效果

上千个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画效果

功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结合

完善的网络体系结构，可以支持最新流行的各种通讯方式，包括通讯网，宽带通讯网，ISDN通讯网，GPRS通讯网和无线通讯网

支持设备：

采集板：

康拓、研华、中泰、研祥、同维、华控、艾迅、华远、科日新、双诺

PLC：

富士、三菱、松下、GE、LG、AB、莫迪康、欧姆龙、西门子、台达、和利时

智能仪表：

昆仑天辰、浙大中控、日本岛电、宇光、虹润、上润、霍尼韦尔、欧姆龙、欧陆、东辉大延、横

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