1S7-1200的应用

京东管业管业退火炉项目目录一、项目简介二、控制系统功能概述三、PLC硬件选型四、西门子S7-1200系列PLC介绍五、软件编程六、系统调试一、项目简介本项目是我公司为河北京东管业有限公司36米连续式退火炉增加天然气燃烧系统。退火炉的总功率900×104Kcal/h，原炉体两侧各有5台每小时燃烧1800Nm3/h的双蓄热式高炉煤气烧嘴，各有2台每小时燃烧1500Nm3/h的双蓄热式高炉煤气烧嘴，各有2台小型保温烧嘴。退火炉加热段温度为950±10℃，在退火炉尾部排烟，排烟温度约为650℃。现需要增加天然气燃烧系统，由于天然气系统为临时或者暂时用燃料，因此设计制作应本着简单、安全、投资低的原则。现在炉体加热段两侧各加装4台天然气燃烧器，天然气燃烧器位于两个高炉煤气烧嘴之间，每台燃烧器功100×104Kcal/h。二、控制系统功能概述1、以炉内温度为目标，自动完成燃料比例调节和鼓风风量比例调节（利用鼓风风门调节机构调节）。退火炉原有四个温度测点，新增的8台天然气燃烧器分为4个控制区域分别控制，每个区域可实现单独控温实现比例调节；2、每台燃烧器独立点火，独立探火；3、控制系统具有可靠的点火程序和熄火保护程序，每次点火前进行吹扫，吹扫时间至少为3分钟，熄火停炉后进行后吹扫，后吹扫时间至少为2分钟；4、控制系统具有燃气压力高、低报警保护，炉内温度高报警及保护，鼓风机、引风机等连锁保护功能。三、PLC模块选型根据控制系统的技术要求计算出所需的控制点数为：数字量输入点数（DI）：27个数字量输出点数（DO）：66个模拟量输入点数（AI）：20个模拟量输出点数（AO）：0个由于本项目和其他项目相比控制点数较多，我们常用的西门子S7-200SMART系列PLC虽然能够实现控制要求，但是已达到了可扩展的极限，不利于以后的扩展升级,所以我们选择了和西门子S7-300相比具有较高性价比的西门子S7-1200系列PLC。三、PLC模块选型下面是PLC模块的选型以上选型包含数字量输入点数（DI）30个，数字输出点数(DO)74个，模拟量输入点数(AI)24个,可以满足本项目要求且有足够的余量。名称规格型号数量备注西门子CPUCPU1214CDC/DC/DC114DI,10DO数字量输入输出模块SM1223DI16*24VDC/DQ16*24VDC116DI,16DO数字量输出模块SM1222DQ16*24VDC316DO模拟量输入模块SM1231AI8*13位38AI四、西门子S7-1200系类PLC介绍西门子S7-1200系列PLC的产品定位是低端小型PLC,是介于S7-200CN和S7-300之间的一款产品。S7-1200设计紧凑，组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。S7-1200的硬件组成包括：控制器即CPU，信号板，信号模块，通讯模块，附件如电源、存储卡等；四、西门子S7-1200系类PLC介绍S7-1200的功能与特点：S7-1200CPU最多可添加三个通信模块，支持多种通信协议；S7-1200CPU集成了PROFINET接口，可用于与编程设备、HMI及CPU之间的通信；S7-1200CPU带有多大6个高速计数器用于计数和测量；S7-1200CPU集成2个高速脉冲输出用于运动控制；S7-1200CPU中提供了多达16个带自动调节功能的PID控制回路，用于简单的闭环过程控制；S7-1200CPU支持SIMATIC存储卡，通过不同的设置可用作编程卡，传送卡和硬件更新卡三种功能；S7-1200CPU最多可扩展8个信号模块，以支持更多数字量和模拟量输入/输出信号连接。五、S7-1200软件编程工程软件平台TIA博途TIA博途是一款集成了SIMATICSTEP7、SIMATICWinCC和SINAMICSStartDrive的工程技术软件平台。通过SIMATICSTEP7可以对SIMATICS7-1200和SIMATICHMI精简系列面板进行高效组态。除了支持编程以外，SIMATICSTEP7还为硬件和网络配置、诊断等提供通用的项目组态框架。下面是打开博图的画面五、S7-1200软件编程1、新建项目在桌面中双击“TIAPortalV14”图标启动软件，在Portal视图中，单击“创建新项目”，并输入项目名称，路径和作者等信息，然后点击“创建”即可生成新项目，如图所示2、硬件组态下面介绍在项目视图中如何进行项目硬件组态。进入项目视图，在左侧的项目树中，双击“添加新设备”，随即弹出添加新设备对话框，在该对话框中选择与实际系统完全匹配的设备即可。如图所示在添加完成新设备后，与该新设备匹配的机架也会随之生成。所有通信模块都要配置在S7-1200CPU左侧，而所有信号模块都要配置在CPU的右侧，在CPU本体上可以配置一个扩展板。步骤：①单击打开设备视图；②打开硬件目录；③选择要配置的模板；④拖拽到机架上相应的槽位；3、编辑程序3.1用户程序组成S7-1200PLC可在程序块中添加组织块（OB）、功能（FC）、功能块（FB）和数据块（DB）。组织块（OB）组织块为程序提供结构，是操作系统和用户程序之间的接口，OB是由事件驱动的；功能（FC）是不含存储区的代码块,常用于对一组输入值执行特定运算；功能块（FB)是使用背景数据块保存其参数和静态数据的代码块;数据块（DB）在用户程序中创建数据块(DB)以存储代码块的数据。用户程序中的所有程序块都可访问全局DB中的数据，而背景DB仅存储特定功能块(FB)的数据。3.2用户程序结构类型可根据实际应用要求，选择线性结构或模块化结构用于创建用户程序：线性程序按顺序逐条执行用于自动化任务的所有指令。通常，线性程序将所有程序指令都放入用于循环执行程序的OB(OB1)中。模块化程序调用可执行特定任务的特定代码块。要创建模块化结构，需要将复杂的自动化任务划分为与过程的工艺功能相对应的更小的次级任务。每个代码块都为每个次级任务提供程序段。通过从另一个块中调用其中一个代码块来构建程序。本项目中采用模块化结构。3.3在程序块中添加块用户可继续根据自动化任务设计用户程序。用户可以在程序块中添加：组织块（OB）、功能（FC）、带背景数据的功能块（FB）、数据块（DB）。点击左侧的项目树中的“添加新块”即可打开添加新块的窗口，如下图所示：3.4S7-1200PLC编程的指令S7-1200PLC指令包括基本指令、扩展指令和工艺指令。基本指令主要包括位逻辑运算、定时器、移动、比较、数学函数等；扩展指令包括时间日期和时钟、中断、脉冲、诊断等；工艺指令包括高速计数器、PID控制和运动控制。下面就结合本项目介绍一下常用的指令：3.4.1标定和标准化指令通过这两个指令可以对模拟量输入信号进行处理，把输入的电流信号转换为实际显示的工程值。来自模拟量输入模块的4-20mA电流信号对应的数值范围5530-27648，假如模拟量输入代表温度，其中模拟量输入值5530表示0℃，27648表示500℃，要将模拟值转换为对应的工程单位，应将输入标准化为0.0到1.0之间的值，然后再将其标定为0.0到500.0之间的值。3.4.2定时器指令使用定时器指令可创建编程的时间延时。用户程序中可以使用的定时器数仅受CPU存储器容量限制。每个定时器均使用16字节的IEC_Timer数据类型的DB结构来存储功能框或线圈指令顶部指定的定时器数据。STEP7会在插入指令时自动创建该DB。这是和S7-200和S7-300都不同的地方。注：S7-1200的IEC定时器没有定时器号（即没有T0、T37这种带定时器号的定时器)。S7-1200包含四种定时器：生成脉冲定时器（TP）、接通延时（TON）、关断延时定时器（TOF）、时间累加器（TONR）。下面对我们常用的接通延时定时器进行说明：IN从“0”变为“1”，定时器启动；当ET=PT时，Q立即输出“1”，ET立即停止计时并保持；在任意时刻，只要IN变为“0”，ET立即停止计时并回到0，Q输出“0”。PT输入时间以毫秒为单位输入S7-1200定时器创建有以下几种方法：A.功能框指令直接拖入块中，自动生成定时器的背景数据块，该块位于“系统块程序资源”中。见下图B、功能框指令直接拖入FB块中，生成多重背景，参见下图，这种方法定时器的参数会存储在对应FB的背景数据块中。C、功能框指令直接拖入FB、FC块中，生成参数实例，这种方法需要在调用FC是为定时器分配存储地址。3.4.3PID控制指令PID功能PID功能用于对闭环过程进行控制。PID控制适用于温度，压力，流量等物理量，是工业现场中应用最为广泛的一种控制方式，其原理是，对被控对象设定一个给定值，然后将实际值测量出来，并与给定值比较，将其差值送入PID控制器，PID控制器按照一定的运算规律，计算出结果，即为输出值，送到执行器进行调节，其中的P,I,D指的是比例，积分，微分，是一种闭环控制算法。通过这些参数，可以使被控对象追随给定值变化并使系统达到稳定，自动消除各种干扰对控制过程的影响。S7-1200CPUPID控制器结构PID控制器功能主要依靠三部分实现，循环中断块，PID指令块，工艺对象背景数据块。用户在调用PID指令块时需要定义其背景数据块，而此背景数据块需要在工艺对象中添加，称为工艺对象背景数据块。PID指令块与其相对应的的工艺对象背景数据块组合使用，形成完整的PID控制器。添加PID控制的步骤：第一步，在程序块中添加循环中断组织块（OB30），见下图第二步，在循环中断组织块中调用PID指令时，STEP7会自动为指令创建工艺对象和背景数据块。背景数据块包含PID指令要使用的所有参数。每个PID指令必须具有自身的唯一背景数据块才能正确工作。方法：在指令树中找到PID_Compact指令拖到程序段中，会弹出如下图所示的对话框，然后点击确定。PID常用参数说明参数类型数据类型说明SetpointINRealPID控制器在自动模式下的设定值,也就是目标值InputINReal用户程序的变量用作过程值的源，即工程值作为过程变量的反馈值Input_PERINWord模拟量输入用作过程值的源，即模拟量输入值作为过程变量的反馈值ManualEnableINBool启用或禁用手动操作模式。值为1时激活手动操作模式，为0时启用Mode分配的工作模式。ManualValueINReal手动模式下的PID输出值，即手动给定值OutputOUTRealREAL格式的输出值Output_PEROUTWord模拟量输出值第三步，组态PID控制器，PID组态编辑器可点击图标打开。使用PID控制器前，需要对其进行组态设置，分为基本设置、过程值设置、高级设置三部分。界面如下图基本设置—控制器类型a、控制器类型为设定值、过程值和扰动变量选择物理量和测量单位。b、反转控制逻辑，如果未选择该选项，则PID回路处于直接作用模式，在输入值小于设定值时，PID回路的输出会增大；如果选择了该选项，则在输入值大于设定值时，PID回路的输出会增大。c、选择CPU重启后的工作模式。基本设置—定义Input/Output参数定义PID过程值和输出值的内容和数据类型：输入，为过程值选择Input或Input_PER参数（用于模拟量）；输出，为输出值选择Output参数或Output_PER参数（用于模拟量）。模拟量可直接进入模拟量输入输出模块。过程值设置—过程值的限制和标定：限制，输入的过程值必须在限制的范围内，如果过程值低于下限或高出上限，则PID回路进入未激活模式，并将输出值设置为0；标定，要使用Input_PER，必须对模拟量输入的过程值进行标定。当输入的模拟量为4-20mA电流信号时，模拟量的下限值为5530.0对应0.0%，上限27648.0对应应100.0%。高级设置—输出值限制，在“输出值的限值”窗口中，以百分比形式组态输出值的限值。无论是在手动模式还是自动模式下，都不要超过输出值的限值。高级设置--手动输入PID参数：在PID组态界面可以修