基于S7_300的燒堿系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘要在分析和研究燒堿系統(tǒng)中離心機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)有些廠方工藝和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的特殊要求，在了解了燒堿的生產(chǎn)工藝后，設(shè)計(jì)了離心機(jī)的PLC控制系統(tǒng)。離心機(jī)各個(gè)電磁閥的操作均由PLC控制，可以根據(jù)工藝要求可以實(shí)現(xiàn)電磁閥的動(dòng)作。采用PLC控制離心機(jī)各電磁閥的動(dòng)作，進(jìn)一步降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，并有效控制母液含鹽量與析出鹽含堿量?？朔穗x心機(jī)工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)單一、故障率高等缺陷。本文主要討論了離心機(jī)與PLC的工作原理，以與運(yùn)用梯形圖編寫(xiě)PLC程序，對(duì)PLC邏輯控制程序的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)過(guò)程、控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)方法做了說(shuō)明。深入了解了離心機(jī)的工作原理與其故障情況，對(duì)系統(tǒng)要求與參數(shù)進(jìn)行研究分析

2、，利用PLC自身所具備的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，直觀性好，控制安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度高，具有其他燒堿系統(tǒng)離心機(jī)控制系統(tǒng)所沒(méi)有的若干優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：燒堿生產(chǎn)；PLC；離心機(jī)；程序設(shè)計(jì)AbstractOn the analysis and study of caustic soda production system of centrifuge control system based on, according to some of the factory and on-site special pro

3、duction requirements, in the understanding of the caustic soda production process, design of centrifugal machine PLC control system. Centrifuge each electromagnetic valve operations are controlled by a PLC, can accordto process requirements can be achieved in the valve action. Using PLC control cent

4、rifuge each electromagnetic valve, further reduces the labor intensity of operators, improves the production efficiency, and effectively control the mother liquor of salt content and salt content. To overcome the centrifuge operating speed regulation of single, higher failure rate of defects. This p

5、aper mainly discusses thecentrifugeand the work principle of PLC,and the application ofladder diagramPLC preparation procedures,to PLC logic controlprogram design methodand the realization process,controlsystem andimplementation method have been explained.A thorough understanding of theworking princ

6、iple of centrifugalandfault conditions,the systemrequirements andparametersanalysis,using the PLCof its own with alogicalcalculations and data processing functions,realizes thecentrifuge controlsystem design.The hardware of the systemhas the advantages of simple structure,convenient operation,good v

7、isualizability, safe and reliable control,stable operation,high control precision,withothercaustic soda production systemof centrifuge control systemhasseveral advantages,economic and practical,has the broad application prospect.Key Words：Production of caustic soda ；PLC；Centrifuge ；program design 43

8、 / 47目錄摘要1Abstract2目錄1引言11 緒論21.1 燒堿系統(tǒng)定義與其發(fā)展情況21.1.1 氯堿工業(yè)的定義21.1.2 離子膜法電解技術(shù)的國(guó)發(fā)展情況61.1.3 現(xiàn)階段離子膜法電解技術(shù)裝備的世界發(fā)展動(dòng)向81.2 離心機(jī)簡(jiǎn)介81.2.1 離心機(jī)的定義81.2.2 離心機(jī)的工作原理81.2.3 離心機(jī)的由來(lái)與發(fā)展91.3 可編程控制器101.3.1 可編程控制器的產(chǎn)生101.3.2 PLC的定義與工作原理111.3.3 PLC的功能與特點(diǎn)121.3.4 PLC的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與其趨勢(shì)141.3.5 西門(mén)子S7-300PLC簡(jiǎn)介161.4 控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展191.4.1 工業(yè)控制系

9、統(tǒng)的現(xiàn)狀191.4.2 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的發(fā)展202 離心機(jī)控制要求213 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)233.1 PLC的選型233.2 PLC容量估算243.2.1 I/O點(diǎn)數(shù)的估算243.2.2 PLC存儲(chǔ)器容量估算243.2.3 I/O模塊的選擇253.2.4 分配輸入/輸出點(diǎn)264 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)294.1 工藝要求294.1.1 主機(jī)和油泵的控制294.1.2 電磁閥的控制29（1）手動(dòng)控制29（2）自動(dòng)控制294.2 PLC控制系統(tǒng)順序功能圖304.3 PLC控制系統(tǒng)程序314.4 觸摸屏仿真界面41結(jié)論43參考文獻(xiàn)44致45引言近年來(lái),我國(guó)的氯堿工業(yè)發(fā)展十分迅猛,原有氯

10、堿企業(yè)紛紛擴(kuò)大生產(chǎn)能力, 同時(shí)一些新的企業(yè)也相繼誕生,產(chǎn)能快速提升,燒堿生產(chǎn)能力已從1998年的745萬(wàn)t/年增加到2005年的1470萬(wàn)t/年 ,7年期間翻了一番,從而使我國(guó)在燒堿產(chǎn)能上超過(guò)美國(guó)成為世界第一。我國(guó)氯堿工業(yè)在產(chǎn)能迅速提升的同時(shí),技術(shù)也獲得了長(zhǎng)足發(fā)展,規(guī)模化裝置增多,裝置技術(shù)水平提高,國(guó)氯堿企業(yè)先后從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了多套先進(jìn)技術(shù)和現(xiàn)代化裝備,使我國(guó)氯堿工業(yè)的裝備和技術(shù)水平有了很大的提高。我國(guó)從世界各著名公司引進(jìn)了多套離子膜法制堿工藝技術(shù)和裝備后,淘汰了水銀法燒堿,石墨陽(yáng)極隔膜法電解裝置也已基本淘汰,世界先進(jìn)水平的離子膜法裝置正在增多。面對(duì)環(huán)保要求的不斷提高、油價(jià)上漲、能源緊缺等現(xiàn)狀

11、,發(fā)展離子膜堿已經(jīng)成為氯堿企業(yè)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要措施, 絕大多數(shù)企業(yè)都將離子膜法工藝作為擴(kuò)建或改造項(xiàng)目的首選工藝, 國(guó)新建燒堿裝置中,采用離子膜法工藝的裝置約占90%,只有10%采用金屬陽(yáng)極隔膜法生產(chǎn)工藝。目前,我國(guó)離子膜法裝置生產(chǎn)能力已達(dá)656萬(wàn)t/年 ,離子膜法生產(chǎn)工藝幾乎占到國(guó)燒堿裝置總產(chǎn)能的半壁江山。在燒堿生產(chǎn)中，堿液的蒸發(fā)、濃縮過(guò)程中往往伴有鹽的結(jié)晶，因此需采取措施對(duì)鹽堿進(jìn)行分離。目前大多數(shù)廠家均采用以離心機(jī)為主體的分離系統(tǒng)，主要的方法是將含有NaCl晶體的溶液蒸發(fā)后，裝入離心機(jī)進(jìn)行分離，離心工序的任務(wù)是將由蒸發(fā)崗位送來(lái)的經(jīng)蒸汽加熱，蒸發(fā)濃縮后的固

12、液混合物經(jīng)旋液分離器、離心機(jī)回收結(jié)晶鹽，鹽經(jīng)溶解后送到鹽水工序，堿液經(jīng)澄清冷卻成隔膜液堿成品。通常這些工序是通過(guò)離心機(jī)啟停，閥門(mén)開(kāi)啟等來(lái)完成，而這些操作均由人工完成，隨意性很大。除對(duì)設(shè)備壽命有很大影響外，蒸發(fā)堿液濃度變化、操作工的操作水平與責(zé)任心不同，造成離心機(jī)分離的鹽含堿量偏高，失堿率上升，同時(shí)增加了回收鹽水中有用鹽酸消耗，浪費(fèi)極大。離心機(jī)各工作步驟運(yùn)行的協(xié)調(diào)、準(zhǔn)確與整個(gè)控制過(guò)程的穩(wěn)定直接影響離心機(jī)的工作效果，影響堿液的質(zhì)量。分離機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由定時(shí)器、中間繼電器和變壓器等部件組成，不但體積大、造價(jià)高，而且安裝，檢修麻煩。而可編程序控制器是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，以其可靠性高、抗干擾能力

13、強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為自動(dòng)控制的首選。使離心機(jī)控制線路大大簡(jiǎn)化，可靠性提高。1 緒論1.1 燒堿系統(tǒng)定義與其發(fā)展情況1.1.1 氯堿工業(yè)的定義氯堿，即氯堿工業(yè)，也指使用飽和食鹽水制氯氣氫氣燒堿的方法。工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來(lái)制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱為氯堿工業(yè)。氯堿工業(yè)是最基本的化學(xué)工業(yè)之一，它的產(chǎn)品除應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)本身外，還廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)以與公用事業(yè)。（1） 電解飽和食鹽水反應(yīng)原理陽(yáng)極反應(yīng)：2Cl-2e=Cl2（氧化反應(yīng)） H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并結(jié)合成氫分子從陰

14、極放出。陰極反應(yīng)2H+2e=H2（還原反應(yīng)） 在上述反應(yīng)中，H+是由水的電離生成的，由于H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續(xù)電離出H+和OH-，H+又不斷得到電子變成H2，結(jié)果在陰極區(qū)溶液里OH-的濃度相對(duì)地增大，使酚酞試液變紅。因此，電解飽和食鹽水的總反應(yīng)可以表示為：總反應(yīng) 2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2 工業(yè)上利用這一反應(yīng)原理，制取燒堿、氯氣和氫氣。 在上面的電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)中，電解產(chǎn)物之間能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如NaOH溶液和Cl2能反應(yīng)生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能發(fā)生爆炸。在工業(yè)生產(chǎn)中，要避免這幾種產(chǎn)物混合，常使反應(yīng)在特

15、殊的電解槽中進(jìn)行。（2）離子交換膜法制燒堿目前世界上比較先進(jìn)的電解制堿技術(shù)是離子交換膜法。這一技術(shù)在20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究，80年代開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)。離子交換膜電解槽主要由陽(yáng)極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成，每臺(tái)電解槽由若干個(gè)單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成。右圖表示的是一個(gè)單元槽的示意圖。電解槽的陽(yáng)極用金屬鈦網(wǎng)制成，為了延長(zhǎng)電極使用壽命和提高電解效率，鈦陽(yáng)極網(wǎng)上涂有鈦、釕等氧化物涂層；陰極由碳鋼網(wǎng)制成，上面涂有鎳涂層；陽(yáng)離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽(yáng)極室。陽(yáng)離子交換膜有一種特殊的性質(zhì)，即它只允許陽(yáng)離子通過(guò)，而阻止陰離子和氣體通過(guò)，也就是說(shuō)只允許Na+通過(guò)，而Cl-、OH-和氣體則不能通過(guò)

16、。這樣既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽(yáng)極產(chǎn)生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。下圖是一臺(tái)離子交換膜電解槽（包括16個(gè)單元槽）。圖1.1 離子交換膜法電解原理示意圖精制的飽和食鹽水進(jìn)入陽(yáng)極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室。通電時(shí)，H2O在陰極表面放電生成H2，Na+穿過(guò)離子膜由陽(yáng)極室進(jìn)入陰極室，導(dǎo)出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽(yáng)極表面放電生成Cl2。電解后的淡鹽水從陽(yáng)極導(dǎo)出，可重新用于配制食鹽水。離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程可以簡(jiǎn)單表示如下圖所示： 圖1.2 離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程電解法制堿的主要原料是飽和食

17、鹽水，由于粗鹽水中含有泥沙，精制食鹽水時(shí)經(jīng)常進(jìn)行以下措施：1）過(guò)濾海水2）加入過(guò)量氫氧化鈉，去除鈣、鎂離子，過(guò)濾Ca2+2OH-=Ca(OH)2（微溶）Mg2+2OH-=Mg(OH)2Mg(HCO3)2+2OH-=MgCO3+2H2O MgCO3+2H2O=Mg(OH)2+H2O+CO3）加入過(guò)量氯化鋇，去除硫酸根離子，過(guò)濾Ba2+SO42-=BaSO44）加入過(guò)量碳酸鈉，去除鈣離子、過(guò)量鋇離子，過(guò)濾Ca2+CO32-=CaCO3 Ba2+CO32-=BaCO35）加入適量鹽酸，去除過(guò)量碳酸根離子2H+CO32-=CO2+H2O6）加熱驅(qū)除二氧化碳7）送入離子交換塔，進(jìn)一步去除鈣、鎂離子8）電

18、解 2NaCl+2H2O=(通電)H2+Cl2+2NaOH 離子交換膜法制堿技術(shù)，具有設(shè)備占地面積小、能連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量高、能適應(yīng)電流波動(dòng)、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，是氯堿工業(yè)發(fā)展的方向。（3）以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生產(chǎn)原料，可以進(jìn)一步加工成多種化工產(chǎn)品，廣泛用于各工業(yè)。所以氯堿工業(yè)與相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉與國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。由電解槽流出的陰極液中含有30的NaOH，稱為液堿，液堿經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶可以得到固堿。陰極區(qū)的另一產(chǎn)物濕氫氣經(jīng)冷卻、洗滌、壓縮后被送往氫氣貯柜。陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)物濕氯氣經(jīng)冷卻、干燥、凈化、壓縮后可得到液氯。圖1.3 氯堿工業(yè)產(chǎn)品1

19、.1.2 離子膜法電解技術(shù)的國(guó)發(fā)展情況中國(guó)離子膜法燒堿歷經(jīng)30年的發(fā)展，生產(chǎn)與消費(fèi)居世界第一位，其發(fā)展具有中國(guó)特色，即“兩化、四轉(zhuǎn)向”。1、“兩化”一是技術(shù)來(lái)源多元化。我國(guó)離子膜法電解技術(shù)采取了多元引進(jìn)和自主創(chuàng)新相結(jié)合。 從鹽鍋峽化工廠第1個(gè)引進(jìn)日本旭化成公司1萬(wàn)t/a 離子膜法電解技術(shù)裝置開(kāi)始，20多年來(lái)就有近百家氯堿企業(yè)從日本、美國(guó)、英國(guó)、意大利、德國(guó)等5國(guó)8大馳名公司引進(jìn)離子膜法電解技術(shù)裝置，幾乎涵蓋了世界上所有能夠生產(chǎn)離子膜法電解技術(shù)裝置的公司，包括單極槽和復(fù)極槽、強(qiáng)制循環(huán)、半強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)形式，小單元面積和大單元面積、低電流密度和高電流密度，有極距槽和零極距槽、壓濾機(jī)式壓緊方式和

20、單元組合式壓緊方式等。二是裝置規(guī)模大型化。生產(chǎn)裝置規(guī)模大型化將會(huì)具有獨(dú)特性、壟斷性和前瞻性，發(fā)達(dá)國(guó)家的氯堿工業(yè)正朝著大型化、集中化、經(jīng)濟(jì)規(guī)?；较虬l(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)離子膜燒堿企業(yè)規(guī)模達(dá)到和超過(guò)20萬(wàn)t/a的已達(dá)30 余家。2、“四轉(zhuǎn)向”一是電解法燒堿生產(chǎn)方法由隔膜法為主轉(zhuǎn)向離子膜法為主。半個(gè)多世紀(jì)來(lái)，我國(guó)電解法燒堿一直以隔膜法為主，改革開(kāi)放以來(lái)陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的離子膜法技術(shù)裝置，尤其跨入21世紀(jì)離子膜法燒堿得到迅猛發(fā)展，新建和改擴(kuò)建燒堿裝置絕大多數(shù)為離子膜法，到2008年，全國(guó)燒堿產(chǎn)能達(dá)2462.7萬(wàn)t/a，其中，離子膜法為1619.2萬(wàn)t/a 占 65.7%；燒堿產(chǎn)量為1852.1

21、萬(wàn)t/a，其中，離子膜法1108萬(wàn)t/a，占59.82%。二是離子膜法燒堿技術(shù)來(lái)源由引進(jìn)國(guó)外技術(shù)為主轉(zhuǎn)向自主創(chuàng)新自行研發(fā)為主。20 世紀(jì)80年代，采用國(guó)外技術(shù)的有8家企業(yè)，沒(méi)有采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的。到90年代，采用國(guó)外技術(shù)的有32家，采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的12家，比例為8:3。進(jìn)入21世紀(jì)至今，采用國(guó)外技術(shù)的78家，采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的48家，其比例約為8:6。隨著我國(guó)離子膜燒堿的發(fā)展和自主創(chuàng)新研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化離子膜電解槽的技術(shù)水平不斷提高，采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的廠家將會(huì)越來(lái)越多。三是離子交換膜由全部依賴國(guó)外進(jìn)口轉(zhuǎn)向由國(guó)家支持、廠?？蒲性核嘟Y(jié)合自主創(chuàng)新研發(fā)生產(chǎn)。離子交換膜是離子膜法制備燒堿工藝的核心要素之一，用于氯

22、堿和氫能燃料電池領(lǐng)域的全氟離子交換膜材料早已列入國(guó)家“863”計(jì)劃重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)，全氟離子膜工程技術(shù)研究已列入“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。中國(guó)即將成為繼日本、美國(guó)之后第3個(gè)能夠生產(chǎn)全氟離子交換樹(shù)脂的國(guó)家。四是離子膜法電解技術(shù)裝置由低電流密度、低單槽產(chǎn)能轉(zhuǎn)向高電流密度、高產(chǎn)能電解槽。中國(guó)在20世紀(jì)80-90年代大都采用低電流密度單極槽和復(fù)極槽，復(fù)極槽單臺(tái)產(chǎn)能大者不超過(guò)1萬(wàn)t/a，小者不超過(guò)0.5萬(wàn)t/a；進(jìn)入21世紀(jì)，隨著世界各離子膜法電解槽制造公司紛紛推出高電流密度自然循環(huán)復(fù)極槽，中國(guó)各氯堿企業(yè)也紛紛采用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，新建成投產(chǎn)的128個(gè)離子膜燒堿項(xiàng)目中，就有95個(gè)采用高電流

23、密度自然循環(huán)復(fù)極槽，其中，采用國(guó)產(chǎn)化槽31個(gè)。單槽產(chǎn)能已升至1.25萬(wàn)t/a、1.5 萬(wàn)t/a、1.67萬(wàn)t/a和2萬(wàn)t/a，最高達(dá)2.5萬(wàn)t/a。1.1.3 現(xiàn)階段離子膜法電解技術(shù)裝備的世界發(fā)展動(dòng)向近幾年來(lái)，世界各馳名公司紛紛推出當(dāng)前和今后一段時(shí)期代表離子膜法燒堿電解技術(shù)裝置發(fā)展方向的創(chuàng)新產(chǎn)品，即大型高電流密度低電流消耗自然循環(huán)復(fù)極槽，并涌現(xiàn)出新的發(fā)展動(dòng)向，即陰陽(yáng)極距由窄極距向零極距（膜極距）發(fā)展和單槽產(chǎn)能向大型化發(fā)展（2萬(wàn)t/a與以上）。把離子膜法燒堿生產(chǎn)技術(shù)和節(jié)能降耗提高到一個(gè)新水平。1.2 離心機(jī)簡(jiǎn)介1.2.1 離心機(jī)的定義離心機(jī)是利用離心力，分離液體與固體顆粒或液體與液體的混合物中各

24、組分的機(jī)械。離心機(jī)主要用于將懸浮液中的固體顆粒與液體分開(kāi)；或?qū)⑷闈嵋褐袃煞N密度不同，又互不相溶的液體分開(kāi)；它也可用于排除濕固體中的液體，例如用洗衣機(jī)甩干濕衣服；特殊的超速管式分離機(jī)還可分離不同密度的氣體混合物；利用不同密度或粒度的固體顆粒在液體中沉降速度不同的特點(diǎn)，有的沉降離心機(jī)還可對(duì)固體顆粒按密度或粒度進(jìn)行分級(jí)。圖1.4 臥式離心機(jī)原理圖1.2.2 離心機(jī)的工作原理當(dāng)含有細(xì)小顆粒的懸浮液靜置不動(dòng)時(shí)，由于重力場(chǎng)的作用使得懸浮的顆粒逐漸下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液體小的粒子就會(huì)上浮。微粒在重力場(chǎng)下移動(dòng)的速度與微粒的大小、形態(tài)和密度有關(guān)，并且又與重力場(chǎng)的強(qiáng)度與液體的粘度有關(guān)。象紅血球大小

25、的顆粒，直徑為數(shù)微米，就可以在通常重力作用下觀察到它們的沉降過(guò)程。此外，物質(zhì)在介質(zhì)中沉降時(shí)還伴隨有擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散是無(wú)條件的絕對(duì)的。擴(kuò)散與物質(zhì)的質(zhì)量成反比，顆粒越小擴(kuò)散越嚴(yán)重。而沉降是相對(duì)的，有條件的，要受到外力才能運(yùn)動(dòng)。沉降與物體重量成正比，顆粒越大沉降越快。對(duì)小于幾微米的微粒如病毒或蛋白質(zhì)等，它們?cè)谌芤褐谐赡z體或半膠體狀態(tài)，僅僅利用重力是不可能觀察到沉降過(guò)程的。因?yàn)轭w粒越小沉降越慢，而擴(kuò)散現(xiàn)象則越嚴(yán)重。所以需要利用離心機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，才能迫使這些微?？朔U(kuò)散產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)。離心就是利用離心機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大的離心力，加快液體中顆粒的沉降速度，把樣品中不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開(kāi)

26、。1.2.3 離心機(jī)的由來(lái)與發(fā)展離心機(jī)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，我國(guó)古代就有這種思想的存在，現(xiàn)在離心機(jī)大量應(yīng)用于化工、石油、食品、制藥、選礦、煤炭、水處理和船舶等部門(mén)。中國(guó)古代，人們用繩索的一端系住罐，手握繩索的另一端，旋轉(zhuǎn)甩動(dòng)罐，產(chǎn)生離心力擠壓出罐中蜂蜜，這就是離心分離原理的早期應(yīng)用。工業(yè)離心機(jī)誕生于歐洲，比如19世紀(jì)中葉，先后出現(xiàn)紡織品脫水用的三足式離心機(jī)，和制糖廠分離結(jié)晶砂糖用的上懸式離心機(jī)。這些最早的離心機(jī)都是間歇操作和人工排渣的。由于卸渣機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了連續(xù)操作的離心機(jī)，間歇操作離心機(jī)也因?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)控制而得到發(fā)展。工業(yè)用離心機(jī)按結(jié)構(gòu)和分離要求，可分為過(guò)濾離心機(jī)、沉降離心機(jī)和分

27、離機(jī)三類(lèi)。離心機(jī)有一個(gè)繞本身軸線高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，稱為轉(zhuǎn)鼓，通常由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。懸浮液（或乳濁液）加入轉(zhuǎn)鼓后，被迅速帶動(dòng)與轉(zhuǎn)鼓同速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下各組分分離，并分別排出。通常，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速越高，分離效果也越好。離心分離機(jī)的作用原理有離心過(guò)濾和離心沉降兩種。離心過(guò)濾是使懸浮液在離心力場(chǎng)下產(chǎn)生的離心壓力，作用在過(guò)濾介質(zhì)上，使液體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)成為濾液，而固體顆粒被截留在過(guò)濾介質(zhì)表面，從而實(shí)現(xiàn)液-固分離；離心沉降是利用懸浮液（或乳濁液）密度不同的各組分在離心力場(chǎng)中迅速沉降分層的原理，實(shí)現(xiàn)液-固（或液-液）分離。還有一類(lèi)實(shí)驗(yàn)分析用的分離機(jī)，可進(jìn)行液體澄清和固體顆粒富集，或液-液分離，這類(lèi)分離機(jī)有常壓、真空、

28、冷凍條件下操作的不同結(jié)構(gòu)型式。衡量離心分離機(jī)分離性能的重要指標(biāo)是分離因數(shù)。它表示被分離物料在轉(zhuǎn)鼓所受的離心力與其重力的比值，分離因數(shù)越大，通常分離也越迅速，分離效果越好。工業(yè)用離心分離機(jī)的分離因數(shù)一般為10020000，超速管式分離機(jī)的分離因數(shù)可高62000，分析用超速分離機(jī)的分離因數(shù)最高達(dá)610000。決定離心分離機(jī)處理能力的另一因素是轉(zhuǎn)鼓的工作面積，工作面積大處理能力也大。選擇離心機(jī)須根據(jù)懸浮液（或乳濁液）中固體顆粒的大小和濃度、固體與液體（或兩種液體）的密度差、液體粘度、濾渣（或沉渣）的特性，以與分離的要求等進(jìn)行綜合分析，滿足對(duì)濾渣（沉渣）含濕量和濾液（分離液）澄清度的要求，初步選擇采用

29、哪一類(lèi)離心分離機(jī)。然后按處理量和對(duì)操作的自動(dòng)化要求，確定離心機(jī)的類(lèi)型和規(guī)格，最后經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。通常，對(duì)于含有粒度大于0.01毫米顆粒的懸浮液，可選用過(guò)濾離心機(jī)；對(duì)于懸浮液中顆粒細(xì)小或可壓縮變形的，則宜選用沉降離心機(jī)；對(duì)于懸浮液含固體量低、顆粒微小和對(duì)液體澄清度要求高時(shí)，應(yīng)選用分離機(jī)。離心分離機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將是強(qiáng)化分離性能、發(fā)展大型的離心分離機(jī)、改進(jìn)卸渣機(jī)構(gòu)、增加專(zhuān)用和組合轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)、加強(qiáng)分離理論研究和研究離心分離過(guò)程最佳化控制技術(shù)等。強(qiáng)化分離性能包括提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、在離心分離過(guò)程中增加新的推動(dòng)力、加快推渣速度、增大轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度使離心沉降分離的時(shí)間延長(zhǎng)等。發(fā)展大型的離心分離機(jī)，主要是加大轉(zhuǎn)鼓直徑和

30、采用雙面轉(zhuǎn)鼓提高處理能力使處理單位體積物料的設(shè)備投資、能耗和維修費(fèi)降低。理論研究方面，主要研究轉(zhuǎn)鼓流體流動(dòng)狀況和濾渣形成機(jī)理，研究最小分離度和處理能力的計(jì)算方法。1.3 可編程控制器1.3.1 可編程控制器的產(chǎn)生20世紀(jì)60年代，由于小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)與多機(jī)群控的發(fā)展，人們?cè)噲D用小型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電接觸器控制。但采用小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制價(jià)格昂貴，輸入、輸出電路不匹配，編程技術(shù)復(fù)雜，因而沒(méi)能得到推廣和應(yīng)用。20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)汽車(chē)制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，在1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司首先公開(kāi)招標(biāo)，對(duì)控制系統(tǒng)提出的具體要求基本為：它的

31、繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短、更改容易、接線簡(jiǎn)單、成本低；它能把計(jì)算機(jī)的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。但編程又比計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單易學(xué)、操作方便；系統(tǒng)通用性強(qiáng)。1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在通用公司汽車(chē)生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)控制。其后日本、德國(guó)等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來(lái)。但這一時(shí)期它主要用于順序控制，雖然也采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但當(dāng)時(shí)只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程序邏輯控制器，簡(jiǎn)稱PLC（Programmablc Logic Controller)。 20世紀(jì)70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程邏輯控制器更多

32、地具有計(jì)算機(jī)功能，不僅用邏輯編程取代硬接線邏輯，還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和處理等功能，真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，而且做到了小型化和超小型化。這種采用微電腦技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制、順序控制的圍，故稱為可編程序控制器，簡(jiǎn)稱PC（Programmablc Controller)。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer)混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫(xiě)。1.3.2 PLC的定義與工作原理可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC (Programmable Logical Controller)，以微處理器為核心，綜合微機(jī)技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)控制技

33、術(shù)與通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）于1987年頒布了其標(biāo)準(zhǔn)與定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程控制器與其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)。”P(pán)LC是基于電子計(jì)算機(jī)，且適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作的電控制器。通過(guò)運(yùn)行存儲(chǔ)于PLC存中的程序，進(jìn)行入出信息交換實(shí)現(xiàn)控制。入出信息交換、可靠物理實(shí)現(xiàn)是PLC實(shí)現(xiàn)控制的兩個(gè)基本要點(diǎn)

34、。入出信息交換式靠運(yùn)行存儲(chǔ)于存中的程序?qū)崿F(xiàn)的。程序包含PLC生產(chǎn)廠家提供系統(tǒng)程序和用戶根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序提供了運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)，同時(shí)還為PLC用戶程序的可靠運(yùn)行與信號(hào)與信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行必要的公共處理。可靠物理實(shí)現(xiàn)主要輸入（INPUT）與輸出（OUTPUT）電路。PLC的輸入電路要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理，去掉高頻干擾，在部與計(jì)算機(jī)電路進(jìn)行光電隔離，靠光耦原件或繼電器建立連接。輸出電路需進(jìn)行功率的放大，以帶動(dòng)一般地工業(yè)控制元器件，如電磁閥、接觸器等。PLC的工作過(guò)程：圖1.5 可編程控制器的工作過(guò)程 PLC實(shí)現(xiàn)控制的方式是以掃描方式為主，中斷方式為輔的控制方式。大量控制都是用掃描方式，個(gè)別急

35、需的處理，可通過(guò)中斷這個(gè)掃描運(yùn)行的程序的方式來(lái)執(zhí)行。1.3.3 PLC的功能與特點(diǎn)（1）PLC的功能隨著自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC的功能日益增多。它不僅能實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制，而且能實(shí)現(xiàn)多機(jī)群控制；不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還能實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理等，其主要功能如下：1、開(kāi)關(guān)量邏輯控制這是PLC的最基本的功能。PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，它提供了與、或、非等各種邏輯指令，可實(shí)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等各種連接的開(kāi)關(guān)控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。使用PLC提供的定時(shí)、計(jì)數(shù)指令，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)功能，其定時(shí)值和計(jì)數(shù)值既可由用戶在編程時(shí)設(shè)定，也可用數(shù)字撥碼

36、開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定，其值可進(jìn)行在線修改，操作十分靈活方便。2、模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC提供了各種智能模塊，如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、熱電阻用模擬量輸入模塊、熱電阻用模擬量輸出模塊等，通過(guò)使用這些模塊，把現(xiàn)場(chǎng)輸入的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送CPU處理；而CPU處理的數(shù)字結(jié)果，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備，以完成對(duì)連續(xù)量的控制。3、閉環(huán)過(guò)程控制使用PLC不僅可以對(duì)模擬量進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，而且還可以進(jìn)行閉環(huán)控制。配置PID控制單元或模塊，對(duì)控制過(guò)程中某一變量（如速度、溫度、電流、電壓等）進(jìn)行PID控制。4、定

37、時(shí)、定位、計(jì)數(shù)控制PLC具有定時(shí)控制的功能，它為用戶提供了若干個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器的時(shí)間可以由用戶在編寫(xiě)程序時(shí)設(shè)定，也可以用撥盤(pán)開(kāi)關(guān)在外部設(shè)定，實(shí)現(xiàn)定時(shí)或延時(shí)控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模塊、脈沖輸出模塊等智能模塊，以實(shí)現(xiàn)各種需求的定位控制。PLC具有計(jì)數(shù)控制的功能，它為用戶提供了若干個(gè)計(jì)數(shù)器或高速計(jì)數(shù)模塊。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以由用戶在編寫(xiě)程序時(shí)設(shè)定，也可以用撥盤(pán)開(kāi)關(guān)在外部設(shè)定，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)控制。5、順序（步進(jìn)）控制在工業(yè)控制中，選用PLC實(shí)現(xiàn)順序控制，可以采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言順序功能圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以用移位寄存器和順序控制指令編寫(xiě)程序。6、網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)

38、代PLC具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它既可以對(duì)遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信，從而構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。PLC通過(guò)RS232接口可與各種RS232設(shè)備進(jìn)行通信。PLC還可與其它智能控制設(shè)備（如變頻器、數(shù)控裝置）實(shí)現(xiàn)通信。PLC與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，可提高交流電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)化控制水平。7、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析與處理。 這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴?/p>

39、制表。（2）PLC的特點(diǎn)1、通用性強(qiáng)、靈活性好、功能齊全PLC是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點(diǎn)。通過(guò)選配相應(yīng)的控制模塊便可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時(shí)，由于PLC采用存儲(chǔ)邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲(chǔ)在存中，當(dāng)生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設(shè)備更新時(shí)，不必改變PLC的硬件，只需改變程序，改變控制邏輯，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點(diǎn)數(shù)理論上無(wú)限制，因此，靈活性和擴(kuò)展性都很好。2、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)為了確保PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠的工作。在設(shè)計(jì)中強(qiáng)化了PLC的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動(dòng)、振動(dòng)、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網(wǎng)電壓的變化

40、，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。PLC在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中除了對(duì)元器件嚴(yán)格篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施，有的PLC還采用了冗余技術(shù)等，進(jìn)一步增強(qiáng)了PLC的可靠性。3、編程簡(jiǎn)單、使用方便PLC在基本控制方面采用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應(yīng)的，形式簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯(cuò)率比匯編語(yǔ)言低得多。梯形圖、流程圖、語(yǔ)句表之間可以有條件的相互轉(zhuǎn)換，使用極其方便。4、模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試方便PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

41、，由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來(lái)，由于配置靈活，使擴(kuò)展、維護(hù)更加方便。另外，PLC的接線十分方便，只需將輸入信號(hào)的設(shè)備（如按鈕、開(kāi)關(guān)等）與PLC的輸入端子相連，將接受控制的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調(diào)試工作大部分是室調(diào)試，用模擬開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)，其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC上相應(yīng)的發(fā)光二極管，可以根據(jù)它進(jìn)行測(cè)試、排錯(cuò)和修改。1.3.4 PLC的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與其趨勢(shì)（1）發(fā)展歷史雖然PLC問(wèn)世時(shí)間不長(zhǎng)，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC迅速發(fā)展，其發(fā)展大致可分為三個(gè)階段。1、早期的PLC（20世紀(jì)60年代末-

42、70年代中期）一般稱為可編程邏輯控制器。這時(shí)PLC多少有點(diǎn)繼電器控制裝置替代物的含義，其主要功能一般適用于單一的工序的自動(dòng)控制。它在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在I/O接口電路上做了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的要求。早期的PLC裝置中主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，初期采用磁芯存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)；另外還采用了一些措施，以提高其抗干擾能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式-梯形圖。因此，早期的PLC的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單易懂，便于安裝，體積小，功耗低，有故障指示，能重復(fù)使用等。2、中期的PLC（20實(shí)際70年代中期-80年代中后期）在微處理器的出現(xiàn)使

43、PLC發(fā)生了巨大的變化。美國(guó)，日本，德國(guó)等一些廠家先后開(kāi)始采用微處理器作為PLC的中央處理單元（CPU）。這樣使PLC功能大大增加。在軟件方面，除了保持原有的邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開(kāi)關(guān)模塊外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊以與各種特殊功能模塊，并擴(kuò)大了存儲(chǔ)器容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使PLC應(yīng)用圍得以擴(kuò)大。3、近期的PLC（20世紀(jì)80年代中后期至今）由于超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用并迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，各種類(lèi)型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高

44、，而且為了進(jìn)一步提高PLC的處理速度，各制造廠還紛紛研發(fā)了專(zhuān)用邏輯處理芯片，這使得PLC軟硬件功能發(fā)生了巨大變化，跨入21世紀(jì)后，就整體而言，不論是硬件還是系統(tǒng)軟件，以至于聯(lián)網(wǎng)通信，PLC正在向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。PLC自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷(xiāo)售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價(jià)格則不斷下降。作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC在我國(guó)的應(yīng)用已有30年的歷史，PLC自20世紀(jì)70年代后期進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。PLC進(jìn)入中國(guó)時(shí)最初是從成套設(shè)備引進(jìn)應(yīng)用，由于PLC價(jià)格昂貴，引進(jìn)的PLC主要用于冶金、電力、

45、自動(dòng)化生產(chǎn)線等大的設(shè)備和系統(tǒng)。在引進(jìn)國(guó)外PLC產(chǎn)品的過(guò)程中，我國(guó)也曾組織了相關(guān)單位消化、吸收PLC的關(guān)鍵技術(shù)，試圖對(duì)PLC進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。到80年代在、等20多家科研單位、大專(zhuān)院校和工廠研制和生產(chǎn)PLC產(chǎn)品，具體的單位有：機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所、工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、組合機(jī)床研究所、機(jī)床電器研究所、中科院計(jì)算機(jī)所與自動(dòng)化所、一汽、起重電器廠、香島機(jī)電公司、自力電子設(shè)備廠等單位。但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，都沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，PLC產(chǎn)品運(yùn)作是否成功不是由簡(jiǎn)單的一兩種因素決定的。近10年來(lái)，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用PLC進(jìn)行控制。（2

46、）現(xiàn)狀與趨勢(shì)PLC被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一，從世界圍來(lái)看，PLC的產(chǎn)量、銷(xiāo)量都非常的高，在我國(guó)也呈直線上升，幾乎在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有部門(mén)得到了迅速的普與與推廣。全世界PLC與其系統(tǒng)的研究與制造達(dá)200多家公司，生產(chǎn)著100多個(gè)系列的產(chǎn)品。但若按其發(fā)展的歷史淵源和所受的地域影響來(lái)劃分，大體可分為三個(gè)流派，即美國(guó)產(chǎn)品、日本產(chǎn)品與歐洲產(chǎn)品。PLC集三電（電控、電儀、電傳）于一體。從現(xiàn)代控制裝置來(lái)看，無(wú)論是邏輯控制、過(guò)程控制還是運(yùn)動(dòng)控制都使用計(jì)算機(jī)的控制裝置，計(jì)算機(jī)稱為三電一體的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著PLC的處理器處理速度的不斷提高，PLC的功能不斷增多，現(xiàn)在發(fā)展成具有

47、邏輯控制功能、過(guò)程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能的名符其實(shí)的多功能控制器。1、功能向增強(qiáng)化和專(zhuān)業(yè)化的方向發(fā)展，針對(duì)不同行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出專(zhuān)業(yè)化的PLC產(chǎn)品。以此來(lái)提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的易用性和專(zhuān)業(yè)化水平。2、規(guī)模向小型化和大型化的方向發(fā)展，小型化是指提高系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)；大型化是指應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域較大的應(yīng)用市場(chǎng)，應(yīng)用的規(guī)模從幾十點(diǎn)擴(kuò)展到上千點(diǎn)，應(yīng)用功能從單一的邏輯運(yùn)算擴(kuò)展幾乎能滿足所有的用戶要求。3、系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化方向發(fā)展，以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)符合全新一體化開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的PLC。

48、通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化的接口，可以很方便地將PLC接入其它系統(tǒng)。1.3.5 西門(mén)子S7-300PLC簡(jiǎn)介（1）S7-300PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)S7-300 PLC是模擬式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨(dú)立的，可以通過(guò)U形總線把電源（PS）。CPU和其他模塊緊密固定在西門(mén)子S7-300的標(biāo)準(zhǔn)軌道上。每個(gè)模塊都有一個(gè)總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機(jī)架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊，如果只用主架導(dǎo)軌而沒(méi)有使用擴(kuò)展支架可以不選擇IM接口模塊。S7編程軟件組態(tài)主架導(dǎo)軌硬件時(shí)，電源，CPU和IM分別放在導(dǎo)軌的1號(hào)槽、2號(hào)槽和3號(hào)槽上。一條

49、導(dǎo)軌共有11個(gè)槽號(hào)：1號(hào)槽至11號(hào)槽，其中4號(hào)槽至11號(hào)槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、FM（功能模塊）和CP（通信模塊）等。（2）S7-300 PLC的CPU模塊CPU模塊是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的中央控制責(zé)任，存儲(chǔ)并執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)通信功能，為U形總線提高5V電源。CPU有4種操作模式：STOP（停機(jī)），STARTUP（啟動(dòng)），RUN（運(yùn)行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過(guò)MPI接口與其他設(shè)備通信。S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類(lèi)：1、6種緊湊型CPU，帶有集成的

50、功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。2、革新的標(biāo)準(zhǔn)型CPU：CPU 312、314和315-2DP。3、5種標(biāo)準(zhǔn)的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。4、戶外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314戶外型和315-2DP。5、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。6、主從接口安全型CPU：CPU 315F-2DP。表3.3列出了部分中央處理單元CPU的主要特性，包括存儲(chǔ)器容量、指令執(zhí)行時(shí)間、最大I/O點(diǎn)數(shù)、各類(lèi)編程元件(位存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器

51、、可調(diào)用塊)數(shù)量等。表1.1中央處理單元CPU的主要特性特性CPU312 IFMCPU313CPU314CPU315/CPU315-2DP裝載存儲(chǔ)器 置20KB RAM置20KBEEPROM置20KRAM最大可擴(kuò)展256存儲(chǔ)器卡置40KRAM最大可擴(kuò)展512存儲(chǔ)器卡置80K RAM最大可擴(kuò)展512存儲(chǔ)器卡隨機(jī)存儲(chǔ)器6KB12KB24KB48KB執(zhí)行時(shí)間位操作0.6 s0.6 s0.3 s0.3 s字操作2 s2 s1 s1 s定點(diǎn)加3 s3 s2 s2 s浮點(diǎn)加60 s60 s50 s50 s最大數(shù)字I/O點(diǎn)數(shù)1441285121024最大模擬I/O通道323264128最大配置1個(gè)機(jī)架1個(gè)機(jī)

52、架4個(gè)機(jī)架4個(gè)機(jī)架（3）S7-300PLC的模擬量輸入輸出模塊在生產(chǎn)過(guò)程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來(lái)測(cè)量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強(qiáng)電量，例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無(wú)功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的量程的直流電流和直流電壓信號(hào)，例如DC15V和DC420mA。S7-300PLC的CPU用16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼表示模擬量值。其中最高位為符號(hào)位S，“0”表示正值，“1”表示負(fù)值，被測(cè)值的精度可以調(diào)整，取決于模擬量模塊的性能和它的設(shè)定參數(shù)，對(duì)于精度小于15位的模擬量值，低字節(jié)中冪項(xiàng)低的位不用。表3.7表示了S7-3

53、00模擬量值所有可能的精度，標(biāo)有“×”的位就是不用的位，一般填入“0”。S7-300PLC模擬量輸入模塊可以直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)，而模擬量輸出模塊可以輸出010V，15V，10V+10V，020mA，420mA，20+20mA等模擬信號(hào)。 1、模擬量輸入模塊SM331模擬量輸入(簡(jiǎn)稱模入(AI)模塊SM331目前有三種規(guī)格型號(hào)，即8AI×l2位模塊、2AI×l2位模塊和8AI×l6位模塊。SM331主要由A/D轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開(kāi)關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。A/D轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法，被測(cè)

54、模擬量的精度是所設(shè)定的積分時(shí)間的正函數(shù)，也即積分時(shí)間越長(zhǎng)，被測(cè)值的精度越高。SM331可選四檔積分時(shí)間：2.5ms、16.7ms、20ms和l00ms，相對(duì)應(yīng)的以位表示的精度為8、12、12和14。 2、模擬量輸出模塊SM332模擬量輸出(簡(jiǎn)稱模出(AO)模塊SM332目前有三種規(guī)格型號(hào)，即4AO×l2位模塊、2AO×12位模塊和4AO×l6位模塊，分別為4通道的12位模擬量輸出模塊、2通道的12位模擬量輸出模塊、4通道的16位模擬量輸出模塊。SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時(shí)，可以采用2線回路和4線回路兩種方式與負(fù)載相連。采用4線回路能獲得比較

55、高的輸出精度。（4）S7-300PLC的數(shù)字量輸入輸出模塊 1、數(shù)字量輸入模塊SM321數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程送來(lái)的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成S7-300部信號(hào)電平。數(shù)字量輸入模塊有直流輸入方式和交流輸入方式。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入元件，僅要求提供開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)即可。輸入信號(hào)進(jìn)入模塊后，一般都經(jīng)過(guò)光電隔離和濾波，然后才送至輸入緩沖器等待CPU采樣。采樣時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。數(shù)字量輸入模塊SM321有四種型號(hào)模塊可供選擇，即直流16點(diǎn)輸入、直流32點(diǎn)輸入、交流16點(diǎn)輸入、交流8點(diǎn)輸入模塊。 2、數(shù)字量輸出模塊SM322數(shù)字量輸出模塊SM322將S7-300部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過(guò)程所要求的外部信號(hào)電平，可直接

56、用于驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、小型電動(dòng)機(jī)、燈和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器等。晶體管輸出模塊只能帶直流負(fù)載，屬于直流輸出模塊；可控硅輸出方式屬于交流輸出模塊；繼電器觸點(diǎn)輸出方式的模塊屬于交直流兩用輸出模塊。從響應(yīng)速度上看，晶體管響應(yīng)最快，繼電器響應(yīng)最慢；從安全隔離效果與應(yīng)用靈活性角度來(lái)看，以繼電器觸點(diǎn)輸出型最佳。 3、數(shù)字量I/O模塊SM323SM323模塊有兩種類(lèi)型，一種是帶有8個(gè)共地輸入端和8個(gè)共地輸出端，另一種是帶有16個(gè)共地輸入端和16個(gè)共地輸出端，兩種特性一樣。I/O額定負(fù)載電壓24 V DC，輸入電壓“1”信號(hào)電平為1130V，“0”信號(hào)電平為35V，I/O通過(guò)光耦與背板總線隔離。在額定輸入電壓下，輸入延遲為1.24.8ms。輸出具有電子短路保護(hù)功能。1.4 控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展1.4.1 工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)），發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）。對(duì)諸如圖像、語(yǔ)音信號(hào)等大數(shù)據(jù)量、高速率傳輸?shù)囊?，又催生了?dāng)前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無(wú)線技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來(lái)，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)