基于S7-300实现的企业余热温度模拟控制系统设计.doc

目 录 1 引言 1 1 1 设计的背景及意义 1 1 2 设计相关技术的国内外现状 1 1 3 本课题研究内容 3 2 方案的提出和论证 4 2 1 方案的提出 4 2 2 方案的论证及确定 5 2 3 方案说明 5 2 4 本章小结 6 3 变频调速恒温系统硬件设计 7 3 1 主电路的设计 7 3 2 控制电路的设计 14 3 3 本章小结 23 4 变频调速恒温系统软件部分的设计 24 4 1 PID 算法简介 24 4 2 下位机 PLC 程序设计 27 4 3 上位机人机接口 WINCC监控画面的设计 30 4 4 本章小结 33 5 变频调速恒温供水系统调试 34 5 1 调试步骤 34 5 2 本章小结 34 6 全文总结 35 参考文献 36 致谢 37 附录一 系统程序梯形图 38 附录二 系统硬件原理图 53 1 引言 1 1 设计的背景及意义 能源是国民经济发展的基础 深入开展节能工作 不仅是缓解能源矛盾和保障国家经济 安全的重要措施 而且也是提高经济增长质量和效益的重要途径 1 由于我国工业领域余能 利用空间很大 工业冷却水 工业废水 地热尾水中蕴含着大量热能 利用热交换技术可将 废水中的低品位余热转换成高品位热能 再把这些高品位热能利用到冬季供暖 即可实现能 源再利用 2 在冬季供暖系统中 供暖质量的高低取决于供暖系统的调节 供暖调节主要是 根据室外温度的变化 调节供暖温度 循环水量等参数 保持室内温度恒定 防止供暖用户 室内温度过高过低 造成能源的浪费或影响供暖单位信誉度 以往供暖单位主要通过调整锅 炉的燃烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的 但由于循环水的 流量不变 循环水泵的耗电并未减少 因此 不符合国家的可持续发展战略 同时也增加了 供暖单位的供暖成本 综上 本文设计了以 PLC 为控制核心的的变频调速恒温供水系统 基 本上可以改进以上存在的问题 PLC 可编程控制器 是近年来被广泛应用于电气自动化中的一种数字运算操作的电子 系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式 输入或输出控制各种类型的机械或生产过程 PLC 不仅具有传统继电器控制系统的控制功能 而且能扩展输入输出模块 特别是可以 扩展一些职能控制模块 构成不同的控制系统 将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为 一体 将智能控制 闭环控制等融为一体的综合控制 3 现代 PLC 以集成度高 功能强 抗 干扰能力强 工作稳定受到普遍欢迎 在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用 以 PLC 控制的变频调速恒温供水系统可以替代布线复杂 维护困难 成本高的传统温度 控制系统 它不仅具有传统温度控制系统的优点 满足供暖系统的需求 也克服了传统温度 控制系统的耗电耗能的不足 在现实生活中具有重要的意义 4 1 2 设计相关技术的国内外现状 目前国内外对于温度控制的方法也有很多 如单片机控制 PLC 控制 模拟 PID 调节器 和数字 PID 调节器等等 一 利用单片机系统实现温度恒定的控制 其总体结构图如图 1 1 所示 系统主要包 数字式温度传感器 加热器 控制器 单 片 机 显示 越限报警 键盘 智能型 热电耦 温度表 SZ 4 PLC 输出 隔离 电路 可 控 硅 炉 体 给定值 热电耦 Vt 控制电平 电热丝 括现场温度采集 实时温度显示 加热控制参数设置 加热电路控制输出 与报警装置和系 统核心 AT89S52 单片机作为微处理器 图 1 1 单片机系统实现温度恒定的控制 温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机 单片机结合现场温度与用户设定的 目标温度 按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量 以此控制量控制固态继电 器开通和关断 决定加热电路的工作状态 使温度逐步稳定于用户设定的目标值 在温度到 达设定的目标温度后 由于自然冷却而使其温度下降时 单片机通过采样回的温度与设置的 目标温度比较 作出相应的控制 开启加热器 当用户需要比实时温度低的温度时 此电路 可以利用风扇降温 系统运行过程中的各种状态参量均可由数码管实时显示 二 利用 PLC 实现恒温控制系统 利用 PLC 实现对温度恒定的控制 其控制系统的结构框图如图 1 2 所示 采用 PLC 控制 实现电热丝加热全通 间断导通和全断加热的自动控制方式 来达到温度的恒定 智能型电 偶温度表将置于被测对象中 热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较 构成闭 环系统 生成温差电压 Vt PLC 自适应恒温控制电路 根据 Vt 的大小计算出全通 间接导 通和全断的自适应恒温控制电路 并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅 门极的通断 实现自适应的恒温控制 若温度升的过快 PLC 也将输出关断电平信号转换为 可控硅电路相匹配的输入信号 图 1 2 利用 PLC 实现恒温控制系统 三 利用模拟 PID 调节的恒温控制系统 基于模拟 PID 调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成 其控制系统 的机构框图如图 1 3 所示 由按键设定某一温度 单片机对设定温度值进行查表计算后转换 为对应的电压数字值 通过 16 位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号 此电压值于 热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号 经过 PID 电路后 获得一个控制量 给制冷元件构成实时闭环系统 同时实际测量的电压值并显示在液晶屏上 液晶显示 复位 E2PROM 单 片 机 DA AD 键盘 PID电路 热敏电 阻及反 馈电路 功放 制冷 元件 图 1 3 利用模拟 PID 调节的恒温控制系统 根据以上系统的优缺点本次设计了基于 PLC 的恒温控系统 1 3 本课题研究内容 利用适当的PLC和变频器 应用PID控制算法 进行电动机工频和变频的切换及工作状 态的转变 实现根据不同的需求条件来调节电动机的转速和锅炉工作状态的转变达到对用户 的供水恒温控制 其主要技术要求如下 1 系统共设有 4 个泵 分别为 1 号泵 2 号泵 3 号泵 4 号泵 2 系统采用自动及手动运行方式 自动运行方式中 能够根据变频实际运行频率和当 前实际供水温度来决定泵的组合运行方式 3 系统中 泵的组合运行方式共有 3 种状态 为 3 变 3 工 4 变 全工 4 系统主电路采用一台变频器分别控制 2 台水泵 使 2 台水泵均为双主回路的驱动方 式 5 采用温度传感器测量室内外的温度 作为水泵投入和切换的控制信号 2 方案的提出和论证 2 1 方案的提出 冬季供暖质量的高低取决于供暖系统的调节 供暖调节主要是根据室外温度的变化 调 节供暖温度 循环水量等参数 保持室内温度恒定 防止供暖用户室内温度过高过低 造成 能源的浪费或影响供暖单位信誉度 供暖的方法直接影响了供暖的质量 供暖的调节的方式分为两种 第一种是质调 第二 种是量调 5 下图 2 1 为供暖系统的原理框图 变频器 PLC Wincc 循环 水泵 EM 锅炉 循环水 检测电路 按钮电路 报警电路 图 2 1 总体方案的系统框图 该系统主要有几大部分组成 可编程控制器 变频器 PC 机 Wincc 监控界面 检测 电路 按钮电路 报警电路 供暖对象 循环水泵 锅炉等组成 可编程控制器 系统的核心控制部分 对系统发出指令 达到控制的目的 变频器 主要用于 PLC 通过控制变频器来控制电机的转速 从而控制循环水的流量 Wincc 监控界面 监控系统的运行状态 检测电路 主要用于检测各种参数例如室外的温度 水的流量和温度等 循环水泵 主要用于控制水的循环 可以使供热源的热量通过循环水传递到用户 循环 水泵起到提供动力作用 按钮电路 主要用于系统的启动和停止及一些参数的设定 报警电路 主要用于提示人们系统出现的故障 及时处理故障避免发生危险和伤害 锅炉 主要用于加热循环水 2 2 方案的论证及确定 方案一 供暖的调节方式采用质调 目前普遍采用这种方法 质调是通过调整锅炉的燃 烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的 但由于循环水的流量不 变 循环水泵的耗电并未减少 方案二 供暖的调节方式采用量调 它是根据室外温度的变换来调节整个供暖系统水流 量的方法改变供暖温度 当室外温度升高时 使水泵转速降低 水流量降低 水在系统中流 动的时间加长 在相同的供水温度 t供 下 回水温度下降 供暖平均温度 t平 t供 t回 2 下降 从而起到温度调节的作用 流量调节可分为两种方法 一是通过控制循环水泵出水 阀门和系统各支路阀门的开度大小来调节 这种方法由于水泵电机转速不变 只是人为调节 系统阻力 电机功率变化不明显 起不到节电作用 另一种方法是加变频调速装置 自动调 节水泵电机的转速 达到控制流量的目的 这种方法操作简单 节电效果明显 是控制温度 较理想的方法 通过以上的论证和分析 本文设计的系统采用方案二即采用量调结合变频调速的方法进 行 满足需求且节能降耗 2 3 方案说明 方案二中的室内温度在实际供暖系统中 一般与室外温度和供水温度有关 而我们设计 的是一个模拟系统 因此 系统中室内温度的恒定主要是通过调节供水温度来维持的 该系 统通过控制循环水的流动来控制供水温度 从而达到控制室内温度的目的 变频恒温供水是使用变频器通过调节供水水泵的转速 以维持供水温度 并使其保持相 对恒定 因此又简称恒温供水 用变频器实现的闭环控制可以保证泵站的出口温度基本恒定 为了节省投资 一般只配 备一台变频器 某一台电动机用变频器驱动 其他电动机仍然用工频电源驱动 以实现多泵 并联变频恒温供水 达到理想的流量及温度调节效果 PLC的主要作用是根据室内室外的温度和供水的温度 控制变频及工频电源供电的水泵 台数 对泵站总的供水流量进行调节 在控制系统中 温度变送器将泵站出口管道的温度和室内室外的温度转换为标准量程的 电压或电流 这些反馈量直接送给 EM 模块的模数转换再送给 PLC PLC 根据室外温度和室内 温度和供水温度的偏差变化情况 经 PLC 内部的 PID运算 调节变频器的输出频率 控制变 频及工频电源供电的水泵台数 变频器的输出频率越高 泵站的出口流量就越高 选择最佳 的输出频率 既能保证供水温度 又能防止温度过高 可以节约大量的能源 PLC可以选择任意一台电动机作为变频运行 其余各台电动机由工频驱动 根据当前的 供水量和泵站出口处的温度 控制工频运行的水泵台数 对供水量和流量进行粗调 用变频 电动机进行细挑 假设各泵的电动机容量相同 当用水流量小于一台泵的流量时 由一台变 频泵自动调速供水 随着用水流量的增大 由于闭环控制的作用 变频泵的转速自动升高 以维持恒温 如果变频泵的转速升高到工频转速时 管道出口温度仍未达到设定值 则启动 一台工频泵 依此类推 直到出口温度达到设定值 当用室外温度减少时 锅炉的加热状态也会降下来 变频泵的频率也将自动减小 降到 某一设定值时 如果管道温度仍高于设定值 则切除一台工频泵 切除后如果管道温度仍然 过高 再切除一台工频泵 直到管道温度等于设定值 本文设计的系统中共有 2 台水泵 其中只有一台变频泵 当供水设备供电开始时 先启 动变频泵 水温达到设定值时 变频器的输出频率稳定在某一数值上 而当用室外温度降低 时 供水水温就会升高 传感器将这一信号送入PLC前端的 EM 模块 PLC送出一个温度升高 信号 使锅炉的加热状态增加 也使变频器的输出频率上升 水泵的转速提高 水温上升 如果室外温度和室内温度降了很多 使变频器的输出频率达到最大值 仍不能使水温达到设 定值 则PLC就发出控制信号 再启动一台工频泵 反之 当用室外温度增加时 变频器的 频率达到最小值时 PLC发出减少一台工频泵的信号和减小炉的加热状态 系统处于自动运行方式 有 2 台工作水泵 系统初始上电时 先投入一个泵进行变频运 行 调节供水温度 此时系统为第一台泵变频 简称 3 变 工作方式 若当前温度没有达 到给定值 而水泵运行频率已经达到最高值 50Hz 则此时应将工作泵切换至工频运行 并将 另一待用泵投入变频运行状态 此时系统为第一台泵工频 第二台泵变频 简称 3 工 4 变 工作方式 若处于 3 工 4 变 状态时 其实际供水温度低于给定值 而变频泵运行低于指 定频率 则说明用室内温变大 此时只需 1 台泵工作即可 系统转入 3 变 运行状态 2 4 本章小结 本章主要确定变频调速恒温供水系统的设计方案 主要是针对实际要解决的问题选择用 变频调速的方案来解决 在变频调速恒温供水系统中 是通过变频器来改变水泵的转速 从 而改变水的流量 进而控制室内的温度 用 PLC 控制的变频恒温供水量调的方法取代调整锅 炉的燃烧状态质调的方法 使室内温度达到相对稳定的状态 在室外温度变化剧烈时 系统 自动切换到最佳状态运行 以进一步节能降耗 提高节能效果 3 变频调速恒温系统硬件设计 该系统硬件主要有两大部分组成 主电路和控制电路 主电路由电机 变频器 熔断器 交流接触器 热继电器等组成 完成电机的工频及变 频的切换 控制电路由 PLC 检测电路 按钮电路 报警电路等组成 完成温度信号的检测以及对 主电路电机的控制 以下详细介绍变频调速恒温系统硬件构成及工作原理 3 1 主电路的设计 M M1 KM1 M M3 M M2 M M4 QS L1 L2 L3 AOUT1 AOUT2 AIN1 AIN1 RL1 B RL1 C MM440 RL2 B RL2 C RL3 B RL3 C U V W FU1 FR1 KM2 FU2 FR2 KM3 FU3 FR3 KM4 FU4 FR4 FU5 KM5 KM6 KM7 FU0 N L3 L2 L1 图 3 1 主电路电气原理图 电气控制系统主电路包括两台水泵电机 两台其他控制用电机 刀开关 交流接触器 电机过载保护用的热继电器 熔断器以及变频器 3 1 1 水泵的选择 水泵型号和台数的选择 应根据当地的气温变化规律选择 即应满足当室外温度达到最 寒冷使所有用户室内温度稳定在较理想温度 6 还应考虑以下方面因素 1 水泵扬程应大于实际供热高度 2 扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内 以减少耗电量 3 水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小 以降低泵站造价 4 水泵构造应使泵站内管线简单 以减少水头损失 5 安装管理方便 根据模拟系统的硬件设计 选用的水泵型号是管道离心泵IRG32 160 共 4 台 水泵参 数如表 3 1 表 3 1 水泵参数 材质铸铁驱动方式电动 型号IRG32 160原理离心泵 流量4 5 m3 h 电动功率1 5 kw 转速2900扬程32 m 3 1 2 电机的选择 电动机选择的主要内容包括 电动机的类型 额定功率 额定电压 额定转速等 7 电 动机选择的一般原则 1 类型的选择 选择哪种类型的电动机 一方面要根据生产机械对电动机的机械特性 起动性能 调速 性能 制动方法和过载能力等方面的要求 另一方面在满足上述要求的前提下 还要从节省 初期投资 减少运行费用等经济方面进行综合分析 最后将电机的类型确定下来 对起动 调速等性能没有特殊要求的情况下 优先选用三相笼型异步电动机 2 功率的选择 正确地选择电动机的额定功率非常重要 额定功率选择得过大 电动机长期在欠载状态 下运行 不仅增加设备投资 还会降低其效率和功率因数 对异步电动机而言 等指标 增 加运行费用 额定功率选择太小 电动机长期在过载状态下运行 会使电动机过热而降低使 用寿命 甚至拖动不了生产机械 因此应使所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械所 需要的功率 3 电压的选择 根据电动机的额定功率和供电电压的情况选择电动机的额定电压 例如 三相异步电动 机电动机的额定电压主要有 380V 3000V 6000V 和 10000V 等几种 由于高压电器设备的初 期投资和维护费用比低压电器设备贵得多 一般当电动机额定功率 PN 200KW 时 往往选用 380V 电动机 PN 200KW 的电动机一般都是高压电动机 由于 3KV 电网的损失较大 而 10KV 电动机的价格有比较昂贵 除特大型电机外一般大中型电动机都选用 6KV 电压 4 转速的选择 根据生产机械的转速和传动方式 通过经济技术比较后确定电动机的额定转速 额定功 率相同的电动机额定转速高 电动机的重量轻 体积小 价格低 效率和功率因数 对三相 异步电动机而言 也较高 若生产机械的转速比较低 电动机的额定转速比较高 则传动机 构复杂 传动效率降低 增加传动机构的成本和维修费用 因此 应综合分析电动机和生产 机械二方面的各种因素最后确定电动机的额定转速 5 外形结构的选择 根据电动机的使用环境选择电动机的外型结构 电动机的外型结构有以下几种 开启式 防护式 封闭式 密封式 防爆式 6 安装形式的选择 根据电动机在生产机械中的安装方式来选择电动机的安装型式 我国目前生产的电动机 的安装型式主要有 B3 卧式 机座带底脚 端盖上无凸缘 B5 卧式 机座不带底脚 端 盖上有凸缘 B35 卧式 机座带底脚 端盖上有凸缘 V1 立式 机座不带底脚 端盖 上有凸缘 每种又分单轴 一端有转轴伸出 和双轴两种 两端都有转轴伸出 两种 7 工作制的选择 根据电动机的工作方式选择电动机的工作制 国产电动机按发热与冷却情况不同 分为 九种工作制 如连续工作制 短时工作制 断续周期工作制等等 选择工作制与实际工作方 式相当的电动机比较经济 系统中根据前述各项的选择原则选择电动机的型号 根据以上原则 选择本系统所需的电动机型号为 y90s 2 其各参数如表 3 2 表 3 2 电动机的参数 电机名称 Y 系列三相异步电机型号 Y90S 2 额定功率 kw 1 5转速 r min 2840 电流 3 4效率 78 功率因数 0 85堵转电流额定电流 3 4 堵转转矩额定转矩 2 2最大转矩额定转矩 2 3 重量 21噪音 75 类别 Y 系列 3 1 3 变频器的选择及确定 变频器的选择及确定应充分考虑到所应用场合使用工况条件的最恶劣情况 留有足够的 设计裕度和必要的保护措施 8 在选型时应对技术性能和经济指标进行综合考虑 以选择相 应的变频器规格容量 变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流 如果电动机额定电流小于同功 率的变频器额定电流 一般来说用同等功率的就足够了 但如果大了 只好用大一级的变频 器 对于鼠笼式异步电动机 变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正 常工作电流的 1 1 倍为原则 这样可以最大限度地节约资金 在选用变频器时除了考虑技术 性和可靠性外还应考虑经济性 一般不要留有太大功率余量 变频器与电动机两者的功率应 相匹配 不但经济性好而且输出波型更好 变频器的选择主要考虑以下因素 1 电压等级与驱动电动机相符 2 额定电流为所驱动电动机额定电流的 1 1 1 5 倍 3 根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式 由于电动机的额定功率为 1 5KW 所以变频器的容量 1 5KW 即可 本设计采用西门子的 变频器 MM440 系列型号为 6SE6440 2UD21 5AA1 MicroMaster440 是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器 它采用高性能的矢量控 制技术 提供低速高转矩输出和良好的动态特性 同时具备超强的过载能力 以满足广泛的 应用场合 变频器使用时 首先应该结合实际应用对其功能参数进行设置 因此 本次设计中选用 的变频器参数设置如表 3 3 所示 表 3 3 变频器参数 功能代码含义设定值作用 P0700选择命令源2由端子排输入 P0701数字输入1功能1正转 停车命令 P0725PNP NPN 数字输入0NPN P0731数字输出1功能52 3变频器故障信号 P0732数字输出2功能52 2实际频率降至最低频率 P0733数字输出3功能52 A实际频率等于50Hz P0756ADC 类型00 10V P0771DAC 的功能21反映实际频率 P1330变频器的控制方式2带抛物线特性的 U f 曲线 P2200运行 PID 投入1允许投入 P2253PID 设定值信号源2250已激活的 PID 设定值 P2264PID 反馈信号755 0AIN1 P2271PID 反馈形式0 P2274PID 微分时间 D 一般设为0 默认值 微分不起作用 P2280PID 比例系数 P P2285PID 积分时间 I 实际调试确定 初始值可采用 3 1 4 热继电器的选择 热继电器的作用是对连续运行的电动机实施过载及断相保护 可防止因过热而损坏电动 机的绝缘材料 9 由于热继电器中发热元件有热惯性 在电路中不能作瞬时过载保护 更不 能作短路保护 热继电器按相数来分有单项 二相和三项 3 种类型 三相式热继电器常用于 三相交流电动机的过载保护 按功能不同可分为带断相保护和不带断相保护两种类型 热继电器的工作原理是热继电器是由流入热元件的电流产生热量 使有不同膨胀系数的 双金属片发生形变 当形变达到一定距离时 就推动连杆动作 使控制电路断开 从而使接 触器失电 主电路断开 实现电动机的过载保护 热继电器的选用应综合考虑电动机的形式 工作环境 起动情况 负荷情况等几方面因 素 1 原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择 对于过载能力较差的电 动机 其配用的热继电器 主要是发热元件的额定电流 为电动机的额定电流 60 80 2 在不需要频繁起动的场合 要保证热继电器在电动机的起动过程中不产生误动作 通常 当电动机起动电流为其额定电流的 6 倍以及起动时间不超过 6S 时 若很少连续起动 则可以按电动机的额定电流选取热继电器 3 当电动机为重复短时工作时 首先要确定热继电器的允许操作频率 因为热继电 器的操作频率是很有限的 如果用来保护操作频率较高的电动机 效果很不理想 有时甚至 不起作用 4 对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机 不宜采用热继电器作为过载保护装 置 而应使用温度继电器或热敏电阻来保护 根据上述选型的原则 系统中选择热继电器型号为 JR16 20 2 2 3 5 3 1 5 交流接触器的选择 接触器是一种用来频繁地接通和断开 交 直流 负荷电流的电磁式自动切换电器 主 要用于控制电动机 电焊机 电容器组等设备 具有低压释放的保护功能 适用于频繁操作 和远距离操作 是电力拖动自动控制系统中使用最广泛的电气器件之一 10 接触器按流过主 触点电流性质的不同 可分交流接触器和直流接触器 接触器选择遵守以下原则 1 接触器的类型选择 根据接触器所控制负载的轻重和负载电流的类型 来选择交 流接触器或直流接触器 2 额定电压的选择 接触器的额定电压应大于或等于负载回路电压 3 额定电流的选择 接触器的额定电流应大于或等于被控回路的额定电流 对于电 动机负载可按下式计算 3 10 N c N P I KU 式中 IC 流过接触器主触点的电流 A PN 电动机额定功率 KW UN电动机的额定电压 V K 经验系数 一般取 1 1 4 选择接触器的额定电流应大于等于 IC 接触器如使用在电动机频繁起动 制动或正反转 的场合 一般将接触器的额定电流降一个等级来使用 4 吸引线圈的额定电压选择 吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压相 一致 对简单控制电路可直接选用交流 380V 220V 电压 对复杂 使用电器较多者 应选 用 110V 或更低的控制电压 5 接触器的触点数量 种类选择 接触器的触点数量和种类应根据主电路和控制电 路的要求选择 如辅助触点的数量不能满足要求时 可通过增加中间继电器的方法解决 交流接触器的选用 是根据负荷的类型和工作参数合理选用的 本次设计采用 CJX2 1810 其参数见表 3 4 表 3 4CJX2 1810 参数 型号 CJX2 1810 是否提供加工定制是 品牌海康额定电压24 440 V 机械寿命100 万次 电寿命50 万次 产品认证 CCC 适用范围工控系统 CJX2 1810 型的交流接触器的特点 CJX2 1810 交流接触器主要用于交流 50Hz 或 60Hz 额定工作电压至 660V 在 AC 3 使用 类别下额定工作电压为 380V 额定工作电路中 供远距离接通与分断电路之用 CJX2 1810 和 CJX2 1810 交流接触器并可与热继电器直接插接组成电磁起动器 以保护可能发生操作过 负荷的电路 CJX2 1810 交流接触器还可组装积木式辅助触头组 空气延时头 机械联锁机 构等附件 组成延时接触器 可逆接触器 星三角起动器 3 1 6 低压断路器的选择 低压断路器又称自动空气开关 可用来分配电能 不频繁地起动异步电动机 保护电动 机及电源等 具有过载 短路 欠电压等保护功能 11 低压断路器的选择应遵守以下原则 1 低压断路器的额定电流和额定电流应大于或等于线路 设备的正常工作电压和工作电 流 2 低压断路器的极限分断能力应大于或等于电路短路电流 3 过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流 4 欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压 低压断路器QF是保护消防电动机过电流 短路和欠压电压的保护设备 QF在电机主回 路中 额定电压U应为AC380V 因电动机功率Pe为 1 5KW 电机额定电流为 3 4A 系统中选用的是DZ47 60 小型断路器 其适用于照明配电系统 C型 或电动机的配电系 统 D型 主要用于交流 50Hz 60Hz 额定电压至 400V 额定电流至 60A的线路中起过载 短路保护 同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路 3 1 7 熔断器的选择 熔断器是根据电流超过规定值一段时间后 以其自身产生的热量使熔体熔化 从而使电 路断开 运用这种原理制成的一种电流保护器 12 熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制 系统以及用电设备中 作为短路和过电流的保护器 是应用最普遍的保护器件之一 1 熔断器类型的选择 选择熔断器的类型时 主要依据负载的保护特性和短路电流的 大小 例如 用于保护照明和电动机的断路器 一般是考虑他们的过载保护 这时 希望熔 断器熔断系数适当小些 所以容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体为铅锌合金的RC1M 系列的断路器 而大容量的照明线路和电动机 除过载保护外 还应考虑短路时的分断短路 电流的能力 若短路电流较小时 可采用熔体为锡质的RC1A系列或熔体为锌质的RM10 系 列的熔断器 用于车间低压供电线路的保护熔断器 一般是考虑短路时候的分断能力 当短 路电流较大时 宜采用具有较高分断能力的RL1 系列熔断器 当短路电流相当大时 宜采用 有限流作用的RT0 及RT12 系列熔断器 2 熔体额定电流的选择 用于保护照明或电热设备的熔断器 因为负载电流比较稳定 所以 熔体的额定电流应等于或稍微大于负载的额定电流 即 ere II 式中 熔体的额定电流 re I 负载的额定电流 e I 用于保护单台长期工作电动机 即供电支线 的熔断器 考虑电动机起动时不应熔断 即 ere II 5 2 5 1 式中 熔体的额定电流 re I 电动机的额定电流 e I 轻载起动或起动时间比较短时 系数可取近 1 5 带重载起动或起动时间比较长时 系 数可取近 2 5 用于保护频繁起动的电动机 即供电支线 的熔断器 考虑频繁起动时的发热 熔断器也 不应熔断 即 ere II 5 3 3 式中 熔体的额定电流 re I 电动机的额定电流 e I 用于保护多台电动机 即供电支线 的熔断器 在出现尖蜂电流时也不应熔断 通常 将其中容量最大的一台电动机起动 而其余电动机正常运行时出现的电流作为其尖蜂电流 为此 熔体的额定电流应满足下述关系 即 eere III max 5 3 3 式中 多台电动机中容量最大的一台电动机额定电流 maxe I 其余电动机的额定电流之和 e I 3 熔断器之间的配合 为了防止发生超级熔断 上 下级 即供电干 支线 4 熔断器额定电压的选择 熔断器的额定电压应等于或者大于所在电路的额定电压 根据上述选择原则 系统中选择RT14 30 型的熔断器 3 2 控制电路的设计 3 2 1 可编程控制器的选择及确定 本次设计可编程控制器的选择及确定主要根据了工艺过程的特点 控制要求 控制任务 和范围 所需的操作和动作 根据控制要求 估算了输入输出点数 所需存储器容量 确定 PLC 的功能 外部设备特性等 最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统 从控制要求来看需要从以下几方面来选则控制器的型号 13 1 输入输出 I O 点数 I O 点数估算时应考虑适当的余量 通常根据统计的输入输出点数 再增加 10 20 的 可扩展余量后 作为输人输出点数估算数据 本次设计大约使用 20 个 I O 点数根据要求需 要 24 个 I O 点数 M M 20 I O总实 1 10 2 存储器容量 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小 程序容量是存储器中用 户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于存储器容量 经程序调试之后 得知 程序容量为 1M 需要 1M 的存储器容量 3 控制功能的选择 该选择包括运算功能 控制功能 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 PLC 的运算功能包括逻辑运算 计时和计数功能 普通 PLC 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 PLC 中还有模拟量 的 PID 运算和其他高级运算功能 我们需要 PID 运算 即需要选择中型 PLC 作为此次设计的 控制器 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 PLC 主要用于顺序逻辑控制 因此 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人输出单元完成所需的控制功能 提高 PLC 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 PLC 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 PLC 系统的通信接口应包括串行和并行通信接口 RS 232C 422A 423 485 RIO 通信口 工业以太网 常用 DCS 接口等 大中型 PLC 通信总线 含接口设备和电缆 应 1 1 冗余配置 通信总线应符合国际标准 通信距离应满足装置实际要求 4 编程功能 PLC 的编程有离线编程和在线编程两种 5 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 一 般的可编程控制器都能满足以上要求 5 诊断功能 PLC 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 根据工艺要求有必要选择大中型 PLC 作为控制器 6 处理速度 PLC 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 PLC 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 PLC 接点的响应 快 速度高 每条二进制指令执行时间约 0 2 0 4 As 因此能适应控制要求高 相应要求 快的应用需要 扫描周期 处理器扫描周期 应满足 小型 PLC 的扫描时间不大于 0 5 ms K 大中型 PLC 的扫描时间不大于 0 2ms K 根据工艺要求一般的 PLC 都能满足要求 输人输出点数对价格有直接影响 每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用 当点 数增加到某一数值后 相应的存储器容量 机架 母板等也要相应增加 因此点数的增加对 CPU 选用 存储器容量 控制功能范围等选择都有影响 从经济性的考虑 同时考虑应用的可扩展性 可操作性 投入产出比等因素 进行比较 和兼顾 最终选用中型 PLC 作为控制器 CPU 的型号为 314C 2 DP 输入 I O 点数为 24 点 输出点数为 16 点 3 2 2 step 300 硬件介绍 SIMATIC S7 300 系列PLC是模块化结构设计 各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展 它的主要组成部分有导轨 RACK 电源模块 PS 中央处理单元模块 CPU 接口模块 IM 信号模块 SM 功能模块 FM 等 它通过MPI网的接口直接与编程器PG 操作员面板OP和 其它S7 PLC相连 一 SIMATIC S7 300 主要功能 1 高速的指令处理 0 1 0 6 us的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟 了全新的应用领域 2 人机界面 HMI 方便的人机界面服务已经集成在S7 300 操作系统内 因此人机对 话的编程要求大大减少 3 诊断功能 CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常 记录错误和 特殊系统事件 4 口令保护 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 二 CPU模块 S7 300 的CPU 模块 简称为CPU 都有一个编程用的RS 485 接口 有的有PROFIBUS DP接口或PtP串行通信接口 可以建立一个MPI 多点接口 网络或DP 网络 西门子模块共 有 8 种不同的中央处理单元可供选择 CPU315 2DP CPU316 2DP CPU318 2DP都具有现场 总线扩展功能 CPU以梯形图LAD 功能块FBD或语句表STL进行编程 根据本系统的要求 最后选择了CPU314C 2DP系统的CPU CPU 314C 2 DP 是一个用于分布式结构的紧凑型CPU 通过其扩展的工作存储器 该紧 凑型CPU也适用于中等规模的应用 内置数字量和模拟量I O可以连接到过程信号 PROFIBUS DP 主站 从站接口可以连接到单独的I O单元 14 因此 314C 2 DP CPU 可以用 作局部单元进行快速预处理 也可以用作带从属现场总线系统的一个高级控制 此外 可以 使用于过程处理相关的功能 计数 频率测量 PID 控制 1 CPU 314C 2 DP 安装有 微处理器 处理器处理每个二进制指令的时间达到 100 200 ns 扩展存储器 96 KB 高速 RAM 相当于大约 32 K 的指令 用于执行相关的程序部 分 为用户程序提供充分的空间 微存储卡 最大 8 MB 作为程序的装载存储器 也允许 在 CPU 中保存项目 包括完整符号和注解 灵活的扩展能力 多达 31 个模块 4 排结构 多点接口 MPI 内置 MPI 接口可以最多同时建立 12 个与 S7 300 400 或与 PG PC OP 的连接 在这些连接中 始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接 通过 全局 数据通讯 MPI可以用来建立最多 16 个CPU组成的简单网络 PROFIBUS DP 接口 带有 PROFIBUS DP 主 从接口的 CPU 314C 2 DP 可以用来建立 高速 易用的分布式自动化系统 对用户来说 分布式I O单元可作为一个集中式单元来处 理 相同的组态 编址和编程 内置输入 输出 24 个数字量输入 所有输入都可用作中断处理 和 16 个数字量输出 以及 4 个模拟量输入和 2 个模拟量输出 使得CPU 314C 2 DP是一款完美的PLC 表 3 5 和表 3 6 分别为数字量输入输出和模拟量输入输出的特性 15 表 3 5 数字量输入输出特性 数字量输入数字量输出 数字量输入点数24数字量输出点数16 其中可用于技术功能的输入16其中高速输出4 输入电压输出电压 额定值 DC 24 V 1 信号 最小L 0 8 V 0 信号 3 至 5 V输出电流 1 信号15 至 30 V 1 信号 额定值500 mA 输入电流 1 信号允许范围 最小5 mA 1 信号 典型值9 mA 1 信号允许范围 最大0 6 A 从 0 到 1 最大8 s 1 最小负载电流5 mA 0 信号残余电流 最大0 5 mA 阻性负载 最大100 Hz 感性负载 最大0 5 Hz 表 3 6 数字量输入输出特性 模拟量输入模拟量输出 模拟量输出点数2用于电压 电流测量的模拟量 输入点数 4 电压输出 最大短路电流55 mA 电流输出 空载 最大17 V用于电阻 温度测量的模拟量 输入点数 1 0 至 10 V 电压输出范围 10 至 10 V电压输入时允许的输入电压 破坏极限 最大 30 V 恒压 电流输出范围0 20 mA 20 至 20 mA用于电流输入的允许输入频 率 破坏极限 最大 2 5 V 恒压 4 20 mA 输入阻抗 在额定输出范围内 用于电压输入的允许输入电 流 破坏极限 最大 0 5 mA 恒流 电压输出时 最小1 k 电压输出时 最大容性负载0 1 F电流输入时允许的输入电流 破坏极限 最大 50 mA 长期 电流输出时 最大300 0 至 10 V电流输出时 最大感性负载0 1 mH 输入范围 额定值 电压 10 V 至 10 V 0 20 mA 20 至 20 mA输入范围 额定值 电流 4 20 mA 2 集成功能 计数器 4 个计数器 最高 60kHz 具有独立方向的比较器 可直接连接到 24V增量 编码器 4 通道频率测量 允许进行频率测量 高达 60 kHz 例如 测量轴速或吞吐量 每 个测量周期内的件数 脉宽调制 4 个输出可直接连接控制阀 执行器 开关设备 加热装置等 例如采样 频率为 2 5 kHz 可设置周期长度并可在运行时修改占空比 定位控制 集成在操作系统中的SFB可通过 2 个数字量输出或 1 个模拟量输出对 1 个 轴进行定位控制 中断输入 所有数字量输入 中断输入可以检测过程事件 并在最时间内对响应进 行触发 三 电源模块 PS307 是西门子公司为S7 300 专配的 24 V DC电源 PS307 系列模块除输出额定电流不 同外 有 2 A 5 A 10 A三种 其工作原理和各种参数都相同 PS307 可安装在S7 300 的 专用导轨上 除了给S7 300 CPU供电外 也可给I O模块提供负载电源 本次设计我选用的电源型号是PS307 5A 其具有以下显著特性 输出电流 5A 输出电压 24VDC 防短路和开路保护 连接单相交流系统 输入电压 120 230 VAC 50 60Hz 可靠的隔离特性 符合EN 60 950 可用作负载电源 PS307 5A的技术特性如表 3 7 所示 表 3 7 技术特性 输入额定值输出额定值 输入电压120 230VAC 系统频率 容许误差 50Hz 60Hz 47Hz 63Hz 输出电压 允许误差 上升时间 24VDC 24V 5 空载状态 最大2 5s 输出电流5A 不能以并联方式连接输入电流 230V 时 120V 时 0 5A 0 8A 短路保护 电子式 非锁定 1 1 1 3 IN 起动电流 25 时 20A残余纹波最大150mVss I2t 在起动电流时 1A2s 3 2 3 传感器和变送器的选择及确定 温度传感器主要从输出信号上分为数字式温度传感器和模拟式温度传感器 数字式温度 传感器和模拟式温度传感器各有优缺点 数字式传感器与模拟式传感器相比 由于采取高集成度设计和数字化处理 在可靠性 抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点 但受半导体本身限制 数字式传感器还存 在以下不够理想的地方 1 数字式传感器测量的是其自身管芯的温度 并且管芯温度接近于引线的温度 所以 每个传感器必须安置在与被监视环境有良好热耦合的位置 实际应用时会出现传感器所测温 度值要小于环境温度 需要加修正值 2 数字式传感器对温度转换为数字量的时间都较长 3 测温范围不宽 均在 55 125 摄氏度 4 数字式传感器的传递函数存在有一定的非线性 可有软件校正 不过 数字式传感 器最好在常温下使用 超过常温范围它的误差较大 所以数字式传感器目前还不适合于对温 度变化敏感 环境恶劣的行业 5 数字式传感器的价格比模拟式传感器的高 做大范围应用时有一定的难度 基于以上原因本次设计采用模拟式温度传感器 本次设计温度传感器的测量范围为 0 100 所以采用 pt100 温度传感器即可 型号为 WZP 230 温度传感器 表 3 8 WZP 230 温度传感器参数 型号WZP 230分度号Pt100温度范围 200 500 螺纹27 2管粗16长度300 温度传感器和变送器的原理是 PT100 阻值跟温度的变化成正比 PT100 的阻值与温度变 化关系为 当 PT100 温度为 0 时它的阻值为 100 欧姆 在 100 时它的阻值约为 138 5 欧 姆 它的工业原理 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆 它的阻值会随着温度 上升而成匀速增长的 表 3 9 为 PT 各温度下对应的阻值 表 3 9 PT 各温度下对应的阻值 50 度80 31 欧姆 40 度84 27 欧姆 30 度88 2 欧姆 20 度92 16 欧姆 10 度96 09 欧姆0 度100 0 欧姆 10 度103 90 欧姆20 度107 79 欧姆30 度111 67 欧姆 40 度115 54 欧姆50 度119 40 欧姆60 度123 24 欧姆 70 度127 08 欧姆80 度130 90 欧姆90 度134 71 欧姆 100 度138 51 欧姆110 度142 29 欧姆120 度146 07 欧姆 130 度149 83 欧姆140 度153 58 欧姆150 度157 33 欧姆 160 度161 05 欧姆170 度164 77 欧姆180 度168 46 欧姆 190 度172 17 欧姆200 度175 86 欧姆 通过把 PT100 传感器接到模拟量模块 通过总线连接 以便 PLC 根据温度的高低做出决 策 3 2 3 继电器的选择及确定 继电器是一种根据某种输入信号的变化来接通或断开控制电路 实现自动控制和保护的 电器 其输入量可以是电压 电流等电气量 也可以是温度 时间 速度 压力等非电量 继电器种类很多 常用的有电压继电器 电流继电器 功率继电器 时间继电器 速度 继电器 温度继电器等 本次设计所用的 PLC 输出形式为晶体管输出 允许负载电压一般为 DC5V 30V 允许负 载电流为 0 2A 0 5A 不能直接驱动交流接触器 需要通过控制中间继电器控制交流接触器 继电器的选择及确定是根据控制回路的控制电压和主电路电压和电流确定的 系统使用 的 PLC 可以提供直流输出电源 24V 所以选用的电压继电器的直流控制侧的电压也应为 24V 此次设计选用 HH54P 系列的继电器 表 3 10 为 HH54P MY4 小型电磁继电器参数 表 3 10 HH54P MY4 小型电磁继电器参数 外形尺寸27 5 21 35 3mm触点形式4Z C 4H A 触点容量3A 250VAC 3A 28VDC线圈电压DC V 24V 线圈功率DC W 0 9吸合电压 80 V 释放电压D