反渗透自动控制系统毕业设计.doc

1、反渗透自动控制系统摘要现今社会人民的生活水平的逐渐提高，人们对水的质量要求也越来越高。如今在很多领域都需要纯度极高的水，如固态电子器件、厚膜和薄膜电路、印刷电路、真空管等的制作都要使用超纯水。由于PLC的发展及显而易见的优点, 使其在工业生产过程控制中得到了广泛的应用, PLC控制系统具有安全可靠、功能完善、操作简便等优点从而大大的提高了水处理的自动化水平。本文主要介绍了双级反渗透水处理的发展背景及前景，对其自控系统的控制方式，设备选型进行了阐述。本文给出了双级反渗透水处理系统的主要电路原理图。本装置主要分为两大部分，一是水的预处理，经过预处理系统，将原水中的杂质、等有效去除。二是反渗透装置，

2、反渗透水处理是渗透的反过程，利用压力去除杂质，从而得到纯度极高的水来满足工业、生活等多方面的需求。为了增强系统运行的可靠性，提高控制精度和水质处理合格率，同时减轻操作负担，设计了基于Wincc 组态软件和可编程控制器( PLC) 的反渗透水处理系统。此系统实现了自动控制、数据集中管理、故障报警等多方面功能，图形化的人机界面显示了设备运行全过程，操作简明快捷。关键词：反渗透；自动控制；PLC通过工艺流程图和程序运行等模块即可说明 AbstractNowadays peoples living standards has gradually improved the quality of wate

3、r is bound to put forward higher requirements. Today, all fields are required high purity water. Such as solid state electronic devices, thick film and thin film circuits, printed circuits, vacuum tubes also have to use ultra-pure water production. With the development of PLC and the obvious advanta

4、ges of the process control in industrial production has been widely applied, PLC control system with safe, reliable, functional, convenient, and accurate, which greatly improved the water level of automation. This paper introduces the development of two reverse osmosis water treatment system and its

5、 background, its automatic control system of control, equipment selection are described. In this paper, two reverse osmosis water treatment system, the main circuit diagram.This device mainly consists of two parts .First, raw water pretreatment, municipal tap water into the original water tank, thro

6、ugh the pretreatment system, the original water impurities has effectively removed. Second, osmosis, osmosis is the process of penetration phenomena in concentrated solution, Using pressure to remove impurities, resulting in high purity water to meet the industry demand and other aspects of life.For

7、 the purpose of enhancing system reliability， improving the control precision and the passing rate of water treatment and reducing the burden on operators， a reverse osmosis water treatment monitoring system was designed based on WINCC and PLC， combining the practice in certain plant Automatic contr

8、ol， centralized data management， fault alarm， and many other functions were achieved; Graphical interface displays the whole process and operates easily Key Words：Reverse Osmosis；Automatic control；PLC目 录摘要1Abstract2目 录31 引言51.1 设计背景51.2 反渗透系统发展概况71.3国内反渗透膜及其应用81.3国外反渗透及其应用91.4纳滤膜及其应用102反渗透系统工艺流程123

9、反渗透水处理系统硬件设计143.1 可编程控制器PLC系统模块设计143.1.1 PLC简介143.1.2 PLC控制功能的选择163.1.3 PLC选型（西门子S7-200）173.1.4 模拟量I/O模块的种类183.1.5 PLC输入、输出电路193.2 控制电路设计213.2.1 变频器简介213.2.2 变频器的选型223.2.3变频器的端子接线253.2.4控制电路293.2.5控制面板及所需材料293.3 主电路设计303.4触摸屏的选型313.5反馈设备以及仪表343.5.1压力变送器343.5.2电接点压力表363.5.3 两线制和四线制仪表的接线区别363.6控制系统机构、

10、控制原理、通讯383.6.1控制结构和原理383.6.2通讯384 系统软件设计394.1 系统软件设计概述394.1.1软件需求分析394.1.2软件设计404.2 PID控制设计404.2.1 PID控制原理404.2.2 PID控制器的参数整定414.2.3 PID的反馈逻辑424.2.4 P、I、D参数调整原则424.2.5PID恒压供水设计及实现424.3 STEP 7444.3.1 STEP7 概述444.3.2 STEP7硬件组态与参数设计444.4 PLC控制程序464.5人机界面设计474.5.1 SIMATIC WinCC 简介474.5.2监控设备结构514.5.3流程画

11、面545 结论58致谢59参考文献60附录611 引言反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。其原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。由于反渗透膜的膜孔径非常小（仅为10A左右），因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等（去除率高达97%-98%）。反渗透是目前高纯水设备中应用最广泛的一种脱盐技术，它的分离对象是溶液中的离子范围和分子量几百的有机物；反渗透（RO）、超过滤（UF）、微孔膜过滤（MF）和电渗析（EDI）技术都属于膜分离技术。二级反渗透装置是借助压力使水分子强迫透过对水分子有选择透过作用的反渗透膜，即是反渗透净水

12、的原理，这种装置为反渗透装置根椐各种物料的不同渗透压，可以大于渗透压的反渗透法进行分离、提取、纯化和浓缩。反渗透技术应用很广如电子、医疗、食品、锅炉补给水等工业中纯水、超纯水的制备，太空水、蒸馏水的制备及啤酒和饮料用水的净化，高压锅炉补给水的预脱盐处理，海水、苦咸水的脱盐淡化，制药、轻纺、化工、食品等工业用于分离、浓缩、液体脱色为目的的工艺，其它以分离细菌、热源、胶体微粒及有机物为目的的分离过程等1。1.1 设计背景(1) 渗透：是指稀溶液中的水分子自发地透过半透膜进入浓溶液的过程。(2) 渗透压：是指某溶液在自然渗透过程中，浓溶液液面不断升高，稀溶液液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵消了

13、水分子的迁移，溶液两侧的液面不再变化，渗透达到平衡点，此时的液柱高差称为该溶液的渗透压。(3) 反渗透：渗透平衡时，如果在浓溶液侧施加一个压力，那么浓侧的溶剂会在压力作用下向淡水一侧渗透，这个渗透由于与自然渗透相反，故叫反渗透（RO）。图1.1 反渗透的基本原理 (4) 渗透压的计算：渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身无关。计算公式如下（仅适用于稀溶液）： CRT 渗透压 C 离子浓度差 R 气体常数 T 绝对温度 (5) 影响反渗透性能的因素：产水通量和脱盐率是反渗透过程中的关键参数，针对特定系统条件，水通量和脱盐率主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值的影响。基本

14、关系式 1、产水率： 2、盐通量： (6) 反渗透预处理的选择： 反渗透预处理的必要性：反渗透的预处理是为了保证膜组件良好的设计性能和长时间的安全稳定运行、保证膜的使用寿命。 反渗透预处理解决的问题：解决反渗透系统的污堵结垢和膜本身发生化学变化。 污堵：有机物、胶体在膜表面上的沉积。 结垢：部分盐类的浓度超过其溶度积在膜表面的沉淀，例如碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶、氟化钙、磷酸钙等。 膜本身发生化学变化：使TFC膜的胺基受氧化而破坏、受到强酸强碱的溶解等。 图1.2 反渗透系统的配置(7) 反渗透系统的设计步骤： 考虑进水水源、水质，进水和产水流量以及所需的产水水质。 选择系统排列和级数。

15、膜元件的选择。 膜平均通量的确定。 计算所需的元件数量。 计算所需的压力容器数。 段数的确定。 确定排列比。 分析和优化膜系统。 运用反渗透计算软件进行系统模拟运算。1.2 反渗透系统发展概况1748年法国学者阿贝诺伦特(Abble Nellet)发现，水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，证实了这种膜的渗透过程，并创造了“Osmosis”一词来描述半透膜的这种现象。1854年，Graham通过对动物膀胱的一系列演示实验。发表了第一篇证实存在膜渗透现象方面的论文，并于1866年第一次提出了透过膜的机理。该机理至今仍具有实用价值。而关于渗透膜的发现及应用是从1860年开始

16、的。1861年，Gramer等人通过进一步实验，提出了透过与非透过的机理在于膜的孔径。首先提出了膜孔径的理论。同年，Sehmidt首次发现了膜超滤现象，并公开了第一个超滤实验，证明牛心胞膜能部分截留溶解的阿拉伯树胶。1907年，HBechold发表了第一篇系统研究微孔滤膜性质的报告，并首先提出了用气泡法测定滤膜的孔径。而且他第一次在报告中使用了“超滤”(Uhrafiltration)一词。1911年，Donnan提出了膜平衡的概念，后称Donnan理论，至今仍被用于解释半透膜和离子交换膜的选择透过性。1931年，Zemieke位相显微镜和Ardenne Ruska电子显微镜开始出现，并用于对细

17、胞膜的观察研究。从此细胞膜的存在得到了确认，进一步促使了膜分离技术的飞速发展。1935年，Groy开始引出了离子具有主动迁移(active transport)的概念。1936年，Teorell和Meyer以及Sievers通过实验表明荷电型膜既体现了Donnan膜平衡理论，又体现了扩散电位学说。1942年，Goldman定电位学说问世，进一步补充和发展了膜学说。1945年，GE(General Electric)公司成功地用放射线痕迹腐蚀法制得核孔性超滤膜。1950年，Juda论证了从电解质水溶液中分离水和电解质的可能性，并用人工合成的方法制得了第一张离子交换膜，促进了电渗析技术的发展。同年

18、，加利福尼亚大学的Reid和Hassle第一次提出了关于海水渗透膜的设想，同时也开始了对离子交换膜和电渗析技术的研究。1952年，美国研制成功实用性离子交换膜，并组装成功第一台电渗析苦咸水淡化装置。1953年，美国佛罗里达大学的Reid在美国内务部盐水局(OSW)开始反渗透的研究，并向美国国会提交了脱盐报告，首次建议把反渗透用于脱盐。1954年，世界上第一台离子交换膜电渗析的工业装置在美国诞生。同年，沙特阿拉伯也开始使用离子交换膜电渗析装置进行地下水除盐。1960年洛布和索里拉金制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维索膜。为反渗透和超滤膜的分离技术奠定了基础。同年，Loeb和Milstein用

19、他们研制成功的醋酸纤维索反渗透膜研究并组装成功第一个实验室规模的板框式反渗透膜装置。1961年美国Hevens公司首先提出管式膜组件的制造方法；1964年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；1965年美国加利福尼亚大学制造出用于苦咸水淡化的管式反渗透装置，生产能力为19 td；1967年美国社邦公司首先研制出以尼龙一66为膜材料的中空纤维膜组件；1970年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“Permasep-9”中空纤维膜组件，并获得1971年美国柯克帕特里克化学工程最高奖1。反渗透技术在美国、日本的研究应用较早。我国的反渗透研究始于1965年，而1967年开始的全国海水淡化会战则为CA不对称

20、反渗透膜的开发打下了良好的基础。因此我国对反渗透的开发与国外起步时间相差不大。但事实上由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。而对超滤的研究探索则开始于70年代初。近年来反渗透技术在我国已得到广泛应用。反渗透技术最初只用于海水淡化，后来逐步扩大到苦咸水淡化、食品加工、医药卫生、饮料净化、超纯水制备等方面，产生了很高的经济效益。1.3国内反渗透膜及其应用我国从60年代中期开始研制反渗透膜，与国外起步时间相距不远，但由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。相比面言，我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透，始于7

21、0年代，但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格低廉，不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入，而且也扩大了应用范围。国内反渗透应用始于70年代后期，最早多限于电子、半导体纯水，80年代以后逐渐扩大到电力及其它工业，90年代起在饮用水处理方面获得普及，现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用大发展阶段。根据保守的估计，各种反渗透膜元件1997年的国内销售额在11.5亿人民币左右。随着国内几条引进生产线的陆续开工生产，预计今后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗透应用市场，有以下几个特点：1.大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途据不完全统计，我

22、国已建成和在建的100吨/小时以上的反渗透装置已超过50套，但除少数电子等行业以外，大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发电厂，后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为600吨/小时，估计本世纪内会出现超过1000吨/小时的超大型反渗透水处理装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验，现国内承建过100吨/小时以上规模反渗透装置的水处理工程公司已超过10家。2.饮用水处理应用限于中、小规模在国外，100010000吨/小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内在饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨/小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及，这一

23、领域的应用前景很大。3.油田用水及废水处理应用还有待开发由于这一领域的应用技术难度较高和经济成本原因，目前国内还处于研究、开发阶段，伴随石油工业发展和水再利用、环境保护呼声日益高涨，膜技术大量进入这一领域已为时不会太远，对膜厂家和工程公司也是一个商业机会。4.纳滤膜应用刚刚开始纳滤膜在饮用水净化处理，污、废水排放处理，各种水溶液的浓缩与精制领域的优越性虽然已逐渐为人们所认识，但由于膜成本较高的和应用经验不足，国内在此领域还刚刚起步，预计今后会有很大发展。1.3国外反渗透及其应用我国从60年代中期开始研制反渗透膜，与国外起步时间相距不远，但由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产

24、成本高，还没有形成规模化生产。相比面言，我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透，始于70年代，但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格低廉，不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入，而且也扩大了应用范围。国内反渗透应用始于70年代后期，最早多限于电子、半导体纯水，80年代以后逐渐扩大到电力及其它工业，90年代起在饮用水处理方面获得普及，现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用大发展阶段。根据保守的估计，各种反渗透膜元件1997年的国内销售额在11.5亿人民币左右。随着国内几条引进生产线的陆续开工生产，预计今后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗

25、透应用市场，有以下几个特点：1.大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途据不完全统计，我国已建成和在建的100吨/小时以上的反渗透装置已超过50套，但除少数电子等行业以外，大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发电厂，后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为600吨/小时，估计本世纪内会出现超过1000吨/小时的超大型反渗透水处理装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验，现国内承建过100吨/小时以上规模反渗透装置的水处理工程公司已超过10家。2.饮用水处理应用限于中、小规模在国外，100010000吨/小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内在饮用水用

26、途的反渗透装置还都是数十吨/小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及，这一领域的应用前景很大。3.油田用水及废水处理应用还有待开发由于这一领域的应用技术难度较高和经济成本原因，目前国内还处于研究、开发阶段，伴随石油工业发展和水再利用、环境保护呼声日益高涨，膜技术大量进入这一领域已为时不会太远，对膜厂家和工程公司也是一个商业机会。4.纳滤膜应用刚刚开始纳滤膜在饮用水净化处理，污、废水排放处理，各种水溶液的浓缩与精制领域的优越性虽然已逐渐为人们所认识，但由于膜成本较高的和应用经验不足，国内在此领域还刚刚起步，预计今后会有很大发展。1.4纳滤膜及其应用1.纳滤膜的定义及种类纳滤(NF)膜早期

27、称为松散反渗透(Loose RO)膜，是80年代初继典型的反渗透(RO)复合膜之后开发出来的。其准确定义到目前为止，学术界还没有一个统一的解释，这里暂表达为：(1) NF膜介于RO与UF膜之间，对NaCl的脱除率在90%以 下，RO膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率，但NF膜 只对特定的溶质具有高脱除率；(2) NF膜主要去除直径为1个纳米(nm)左右的溶质粒子，截留 分子量为1001000，在饮用水领域主要用于脱除三卤甲 烷中间体、异味、色度、农药、合成洗涤剂，可溶性有机 物、Ca、Mg等硬度成分及蒸发残留物质。纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷性。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截

28、留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。例如日东电工的NTR-7250膜为正电荷膜，NTR-7450为负电荷膜。鉴于国内许多科研及使用单位对纳滤膜不如反渗透膜那样熟悉，现将国外主要的纳滤膜及其性能列于表3和表4，以供参考。2.纳滤膜的应用(1) 软化水处理对苦咸水进行软化、脱盐是纳滤膜应用的最大市场。在美国目前已有超过40万吨/日规模的纳滤膜装置在运转，大型装置多数分布在佛罗里达半岛，其中最大的两套装置规模分别为3.8万吨/日(1989年)和3.6万吨/日(1992年)，这两套装置均为Hydranautics公司承建，使用聚乙烯醇材质的PVD1膜。Film tec公司的NF-70膜也在多套

29、万吨/日以上的大型装置中获得了成功应用。(2) 饮用水中有害物质的脱除传统的饮用水处理主要通过絮凝、沉降、砂滤和加氯消毒来去除水中的悬浊物和细菌，而对各种溶解性化学物质的脱除作用很低。随着水源的环境污染加剧和各国饮水标准的提高，可脱除各种有机物和有害化学物质的“饮用水深度处理”日益受到人们的重视。目前的深度处理方法主要有活性炭吸附、臭氧处理和膜分离。膜分离中的微滤(NF)和超滤(UF)因不能脱除各种低分子物质，故单独使用时不能称之为深度处理。纳滤膜由于本身的性能特点，故十分适用于此用途的应用。美国环保局(FDA)曾用大型装置证实了纳滤膜脱除有机物、合成化学物的实际效果。日本也曾于1991199

30、6年组织国家攻关项目“MAC 21”(Membrane Aqua Century 21)开发膜法水净化系统。该项目的前三年侧重于微滤/超滤膜的固液分离，后三年重点开发以纳滤膜为核心，以脱除砂滤法不能脱除的溶解性微量有机污染物为目的的饮水深度净化系统。大量工业装置的运行实践表明，纳滤膜可用于脱除河水及地下水中含有的三卤甲烷中间体THM（加氯消毒时的副产物为致癌物质）、低分子有机物、农药、异味物质、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质。(3) 中水、废水处理中水一般指将大型建筑物（宾馆、写字楼、商场等）中排出的生活污水处理后用于厕所冲洗等非饮用再利用水，在中水领域的膜利用，日本作了很多的工作。纳滤

31、膜在各种工业废水的应用也有很多实例，如造纸漂白废水处理等。生活废水中，纳滤膜与生物处理（活性污泥）相结合也已进入实用阶段。(4) 食品、饮料、制药行业此领域中的纳滤膜应用十分活跃，如各种蛋白质、氨基酸、维生素、奶类、酒类、酱油、调味品等的浓缩、精制。(5) 化工工艺过程水溶液的浓缩、分离如化工、染料的水溶液脱盐处理。2反渗透系统工艺流程本设计的主体工艺流程图如下：(1) 原水：原水为城市管网水，要求达到条件送水量。(2) 原水箱：主要是减少管网水的压力及供水量的波动对系统的影响。(3) 活性碳过滤器：主要用于除去原水中的余氯，以防止余氯对膜的氧化破坏作用；活性炭同时可以部分吸附水中可能存在的有

32、机物，减少对膜的污染。总处理水量约为，操作方式为按设定时间自动运行。(4) 阻垢加药系统：反渗透膜的工作原理是原水在膜的一侧从一端流向另一端，水分子透过膜从原水侧到达另一侧，而无机盐离子就留在原来的一侧。随着原水的向前流动，水分子不断从原水中取走，留在原水中的盐含量逐步增大，即原水逐步得到浓缩，而最终成为浓水从装置中排出。浓水被浓缩后各种离子浓度将成倍增加，基本上接近于原水浓度的4倍。而自然水源中的Ca2+、Mg2 、Ba2+、Sr2+、CO32-、HCO3-、SO42-、SiO2等倾向于产生结垢的离子浓度积常数一般都小于其平衡常数，所以不会有结垢出现，但经浓缩后，各种离子的浓度积常数都有可能

33、超过平衡常数，因此会产生严重的结垢现象。本系统推荐选用的进口阻垢剂是绿色环保型非磷有机复合物，它可以大大提高水中的难溶物质的饱和度，从而防止结垢的产生。(5)高压泵：原水在经过预处理后，已满足反渗透膜进水水质的要求，通过高压泵加压之后，达到反渗透系统的工作压力（1.01.5MPa）。 高压泵为变频启动。 高压泵采用南方特种泵厂生产的立式多级离心泵，其出力及扬程满足工艺系统产水水量的变化要求，高压泵所有过流部分为304不锈钢。 (9) 反渗透装置：采用反渗透膜组件。(10) 反渗透清洗系统：定期清洗反渗透设备。3 反渗透水处理系统硬件设计3.1 可编程控制器PLC系统模块设计3.1.1 PLC简

34、介 (1) PLC基本概念：早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 (2) PLC的基本组成：PLC主要由CPU、存储器、I/O接口、外设接口

35、、电源、编程设备等组成。图3.1 PLC的基本结构(2) PLC的工作过程：PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期5。PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务： 运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，WDT的时间设定值一般为扫描周期的23倍，通常为100200 ms。 与编程器交换信息任务。编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，用户把应用程序输入到PLC中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。编程器在完成

36、处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给PLC。 与数字处理器(DPU)交换信息任务。一般大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU) ，在一般小型PLC中是没有这个任务的。 与外部设备交换信息任务。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。 执行用户程序任务。系统的全部控制功能都在这一任务中实现。 输入/输出信息处理任务。电源ON 内部处理输入处理（输入传送、远程I/O）通信服务（外设、CPU、总线服务）更新时钟、特殊寄存器CPU运行方式？执行程序处理程序执行自诊断PLC正常？存放自诊断错误结果致命错误？CPU强制为STOP图3.2 PLC的工

37、作过程(3) PLC的基本工作原理：PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式： 每次扫描过程集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。 输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度，指令本身占有的时间，指令条数。 由于采用集中采样、集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。3.1.2 PLC控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、

38、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1、运算功能简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。2、控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，

39、大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。3、通信功能大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP)，需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线(含接口设备和电缆)应1:1冗余配置，通信总线应符合国

40、际标准，通信距离应满足装置实际要求。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线)通信处理器。4、编程功能离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较

41、高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准(IEC6113123)，同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。5、诊断功能可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

42、可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。6、处理速度可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。综上所述，再结合实际情况，为便于今后系统的改造或者升级，需要留出一定

43、的I/O点以做扩展使用。我们选用西门子S7-200PLC作为主控制器，其中主机型号：CPU226。3.1.3 PLC选型（西门子S7-200）本系统主要是低端控制，点数不多而且精密要求也不是很高，所以选择西门子公司PLC模块。SIMATIC S7-200是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独 西门子PLC的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-200 PLC采用模块化结构，具备高速的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-

44、200操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-200中取得数据，S7-200按用户指定的刷新速度传送这些数据6。S7-200操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-200 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-200 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面

45、提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-200 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：1)极高的可靠性

46、；2)极丰富的指令集；3)易于掌握；4)便捷的操作；5)丰富的内置集成功能；6)实时特性；7)强劲的通讯能力；8)丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制。CPU226的主要技术指标:1.集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。2.可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。3. 13K字节程序和数据存储空间。4. 6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。5. 2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由