PLC在ACC循环水系统控制系统上的应用毕业论文.doc

113 兰州理工大学设计说明书 PLC在ACC循环水系统控制系统上的应用毕业论文目 录第1章 绪 论51.1本课题设计背景及现实意义51.2 毕业设计任务要求6第2章 干燥机概述72.1 转鼓式离心干燥机的构造72.2干燥机的工作原理9第3章 系统硬件电路设计10 3.1 控制系统的方案选择103.2 系统总体概述113.3 西门子S7-300简介113.3.1 S7-300的概况113.3.2 S7-300的结构123.3.3 S7-300主要特点：143.3.4 本设计控制系统组成：143.3.5 系统设计所需的元器件设备及其型号153.3.6模块介绍163.4 MM440变频器的应用213.5 PLC控制系统主电气控制图253.6 电动机的选择26第4章 触摸屏284.1 触摸屏的概述284.2 触摸屏的原理294.3 触摸屏的分类304.4触摸屏人机界面控制方式334.4.1 触摸屏人机界面的特点334.4.2触摸屏人机界面的功能334.5触摸屏与PLC的连接与编程控制354.5.1触摸屏通讯方式概述354.5.2触摸屏与PLC的连接方法424.6 西门子触摸屏TP270系列简介及说明47第5章 干燥机系统的软件设计515.1 PLC控制系统设计的基本原则515.2 PLC I/O模块的选择步骤与原则525.2.1 开关量IO模块的选择525.2.2 模拟量IO模块的选择545.2.3 特殊功能模块的选择545.3 西门子S7-300软件语言说明545.3.1 STEP7-Micro/WIN编程软件545.3.2 STEP7-Micro/WIN编程软件的主要功能545.4干燥机控制系统软件设计555.4.1 系统主控程序设计565.4.2 子程序设计575.5 PID控制原理595.5.1干燥度模糊决策子程序和模糊自学习子程序605.5.2干燥机的自适应模糊控制器605.5.3性能测量615.5.4控制量的校正62第6章 总结体会63参考文献64外文资料64原文64译文73结束语80附录一：干燥机控制系统的器件清单81附录二：PLC的I/O分配表82 第一章 绪论1.1 本课题设计背景及现实意义 ACC(轧后加速冷却)循环水系统主要由收集装置、热水池、冷却塔、冷水池、高位水箱、中间水箱、冷却设备及各种管路组成。系统的核心控制对象是由变频器、电动机和水泵本体组成的广义的水泵。给水泵组由9台泵组成，其中3台200kw的工频泵，3台200kw的变频泵，3台90kw的变频泵，相同型号均为两用一备。侧喷泵组为2台160kw的变频泵，一用一备，冷却泵组为3台280kw的变频泵，两用一备，提升泵组为3台160kw的变频泵，两用一备.ACC循环水泵站水循环处理系统有别于普通的水泵站，它必须满足ACC工艺和设备所提出的各种要求，如满足ACC短时间大水量间隙脉冲工作方式，调节水流量使ACC主体设备中高位水箱的水位恒定，控制ACC主体设备中侧喷泵水流量不变，保证ACC主体设备喷水温度恒定在某个低温值上，使冷水池和热水池水位保持在某个工作范围内等。要满足以上这些要求，就必须在循环水泵站设置相应的自动控制系统。该系统能够自动地监测整个循环水泵的运行状况。 水处理泵站PLC系统控制担负着为ACC（轧后加速冷却）设备平稳供水的任务，该循环水泵站要求对水泵的起停控制具有自动和手动两种功能，工作泵出现故障后能够自动切换到备用泵，并且要求设定必要的保护功。 该泵站是集监督、测量、控制、保护、信号、管理等于一体的计算机综合自动化系统。它包括对变电所、泵站主机运行参数的测量、控制、保护、相应的辅助设备、以及水情数据的收集处理，实现主室内集中数据显示、分析、处理，现场分散控制和保护，并能通过计算机网络将泵站的运行数据和状态实时、真实地展现在各级管理人员面前。总装机容量100kW以上的大中泵站在工业水循环、农田水利、防洪排涝泵站中占有相当大的比例。为了降低大中泵站运行费用，提高泵站的自动化程度，根据大中型泵站的运行工艺特点，采用可编程序控制器（PLC）进行控制，通过设定运行程序对整座泵站进行运行和监控，实现半无人值守或无人值守。通过传输设备联网，可以实现无人值守泵站运行，大大降低大中型泵站运行人工费用，让有限的运行费用更多的用于泵站设备改造、维修和维护，更有效提高泵站设备完好率和可用保证率。目前国内对大中泵站自动化的研究还处于起步阶段，尤其对冷却水循环系统的研究设计还刚刚开始。本课题的主要研究目的就是设计与工艺上先进可靠的轧后加速冷却循环水处理的电气自动控制系统。以西门子S7-300系列可编程控制器（PLC）为核心应用人机界面，技术等先进的工业控制技术，以保证系统的最优运转，实现最佳的效率，具有很好的可靠性和性价比。该课题的设计有一定的工业通用性，设计的完成将对PLC产品的开发具有一定的参考价值。1.2 PLC在冷却水循环中的应用随着PLC和网络技术的飞速发展，使得PLC的联网通讯功能日益强大，也对冷却水循环自动化系统提出了更高的要求。在冷却水循环系统中应用可编程序控制器(简称PLC)进行电气控制和仪表检测系统的改造已经十分普遍，现已发展为全套控制，并实现各系统之间互相通讯，多个泵站联网，实现系统冗余、数据共享，系统整理并统计生产数据，从而为实现冷却水循环过程控制和生产管理自动化提供有力的系统支持。但是目前作为冷却水循环系统的控制一般采用的都是人工控制，这给整个系统的联网和统一管理带来了很大不便。影响整个高炉系统的效率，并且造成一定的能源和资源的浪费。1.2.1 PLC在泵站系统中的应用总装机容量100kW以上的大中型泵站在冷却水循环、农田水利、防洪排涝泵站中占有相当大的比例。为了降低泵站运行费用，提高泵站的自动化程度，根据泵站的运行工艺特点，采用可编程序控制器（PLC）进行控制，通过设定运行程序对整座泵站进行运行和监控，实现半无人值守或无人值守。通过传输设备联网，可以实现无人值守泵站运行，大大降低小型泵站运行人工费用，让有限的运行费用更多的用于泵站设备改造、维修和维护，更有效提高泵站设备完好率和可用保证率。目前国内对大中型泵站自动化的研究还处于起步阶段，尤其对ACC水循环系统的研究设计还刚刚开始。.1 ACC设备的基本原理 ACC(轧后加速冷却)循环水系统主要由收集装置、热水池、冷却塔、冷水池、高位水箱、中间水箱、冷却设备及各种管路组成。系统的核心控制对象是由变频器、电动机和水泵本体组成的广义的水泵。给水泵组由9台泵组成，其中3台200kw的工频泵，3台200kw的变频泵，3台90kw的变频泵，相同型号均为两用一备。侧喷泵组为2台160kw的变频泵，一用一备，冷却泵组为3台280kw的变频泵，两用一备，提升泵组为3台160kw的变频泵，两用一备.其工作过程如图所示：ACC循环水泵站水循环处理系统有别于普通的水泵站，它必须满足ACC工艺和设备所提出的各种要求，如满足ACC短时间大水量间隙脉冲工作方式，调节水流量使ACC主体设备中高位水箱的水位恒定，控制ACC主体设备中侧喷泵水流量不变，保证ACC主体设备喷水温度恒定在某个低温值上，使冷水池和热水池水位保持在某个工作范围内等。要满足以上这些要求，就必须在循环水泵站设置相应的自动控制系统。该系统能够自动地监测整个循环水泵的运行状况。水处理泵站PLC系统控制担负着为ACC（轧后加速冷却）设备平稳供水的任务，该循环水泵站要求对水泵的起停控制具有自动和手动两种功能，工作泵出现故障后能够自动切换到备用泵，并且要求设定必要的保护功。 该泵站是集监督、测量、控制、保护、信号、管理等于一体的计算机综合自动化系统。它包括对变电所、泵站主机运行参数的测量、控制、保护、相应的辅助设备、以及水情数据的收集处理，实现主室内集中数据显示、分析、处理，现场分散控制和保护，并能通过计算机网络将泵站的运行数据和状态实时、真实地展现在各级管理人员面前。 2 系统工作原理2.1 控制系统要求2.1.1 控制系统功能要求本次设计应实现： 本设计的主要内容是对ACC水处理系统进行研究，设计ACC水处理系统，满足ACC水处理系统基本控制要求。该设计主要实现如下功能:水泵的起停控制要求具有手动和自动两种功能,工作泵出现故障后自动切换到备用泵.人机界面及故障报警功能.保护功能(包括短路,缺相,过载,过压,欠压等). 本地设备通过报警检测，系统应具有一定的自诊断能力，能实现部分故障的自我修复，对于不能修复的故障，应能迅速指示出故障所在处，以便检修人员能迅速的对故障做出处理。2.1.3 设计原则ACC冷却水循环系统的的设计应根据钢铁厂发展规划进行，做到远近期结合，以近期为主，正确处理近期建设与远期发展的关系，适当考虑扩建的可能。水资源循环利用，电能节约利用，降低能耗提高效率，不给环境造成不良影响。整个系统的性价比高，所选控制器及其外围稳定可靠，出现故障易修复。ACC冷却水循环系统的设计，必须从全局出发，工艺参数、工程特点和系统所处的实际条件，结合国情合理地确定设计方案；必须坚持节约用地的原则；同时还应符合现行的国家有关标准和规范的规定。2.2 系统控制方案的确定2.2.1 方案概述根据毕业设计的要求，本次的设计是基于PLC的电气控制系统的设计。系统的水压和温度要求在进行软件设计时可以实现。故障水泵的要求，设计本身采用的是各个泵之间的互备技术，任何情况下每个泵都有一个或两个泵作为其他泵的备份，个泵循环作为备用泵，确保不会因为长时间不用损坏而不能起到备用的可靠性，互备技术不用一对一的给各个泵做备份，节约了成本，也减轻了控制系统的负担。3.1 控制系统的方案选择在传统的水循环系统中，系统的控制主要是以继电器为主的控制电路来达到目的,然而,传统的控制电路有着不可抗拒的不利因素，从继电器的材料来看，继电器的触点表面是由一层氧化层镀在上面，通常为银制，长期的碰撞和电弧温度的灼烧熔化导致时常要去检修并伴随着短路停机的发生，安全性和抗干扰性较差；同时，继电器一旦用得太多，必然伴随着导线线路的连接增加，检查起来十分不便，并且导线的发热导致电流的不稳定，对需要精确控制的系统带来了很大的不便。随着现代技术的发展，自动控制技术及电子技术在工业应用中的应用越来越广，基于PLC的电控系统也越来越成熟和完善，由于PLC的引入使得上述的情况得以解决，通过端口的设置及编程使得继电器为主所构成的控制回路可以以编程的形式得以解决，操作较为容易，除主电路外，只需要部分的检测和控制电路就可以达到控制目的，且软件自身拥有的辅助继电器数量不受限制，体积较小安装方便，价格相对长期投入的继电器来说便宜且程序可以改写，方便易行，检修容易，抗干扰能力优于传统控制电路，是工厂自动控制的发展趋势和方向。在本次设计中，利用可编程控制器为系统的控制单元，并且辅以响应的外围器件，包括模拟量输入模块、变频器、水泵、软启动器以及各种保护元件。PLC采用SIEMENS公司S7-300系列产品，用于对变频单元和水泵电机的控制。采用PLC可编程逻辑控制器组成的控制系统。其最大的特点便是可靠性和稳定性高，抗干扰能力强，适用于工业现场。对单项过程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，但缺点是成本较高。PLC编程简单，逻辑性很强，使得功能易于实现。它的许多功能是依靠软件来实现的，这样可减少外围硬件的使用，从而减少了故障发生的几率，通常PLC都具有510万小时的运行寿命。综上所述，鉴于PLC控制系统的方便性及可靠性，本次毕业设计采用西门子S7-300PLC来完成。3.2 系统总体概述 众所周知，研制开发PLC的最初动因是为了取代继电器，构成新型的控制开关量的装置，因此，从一开始，逻辑控制就是PLC的强项。PLC是以控制开关量起家的，采用循环扫描方式，为了不丢失输入信号，要求循环扫描周期短，这就使得在PLC中配置的处理器性能好，速度快。这些高性能的微处理器本身有很大的潜能，早期PLC只利用速度快这一条，其他潜能并没有得到充分得利用。后来发现处理好不同性质的实时多任务的调度，在PLC中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。采用电动机调速装置与PLC构成控制系统，进行优化控制,完成供水压力、温度、流量的恒定控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力、温度和流量的控制和节约电能的目的。系统的最终控制目标是泵站水泵水流量的控制，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管各项参数稳定在设定的压力值上。通过安装在水箱中的压力传感器，把水压转换成420mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当水位过高时，水箱压力大于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，输出水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使水箱压力恒定在设定压力上；反之亦然。工作流程是利用设置在水箱内的压力传感器将水箱内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得水箱内的水压与控制压力一致。 ACC循环水系统承担的主要任务就是为ACC主体设备平稳供水，所以根据系统的控制要求，在设计中主要进行水流量、水压、水位、水温度这些模拟量的控制。本设计整个系统以PLC为核心，再加上输入输出部分，组成一个可靠的、稳定的系统。ACC循环水系统控制系统的总体结构图如图3-1所示。 电机保护 水压 水位 流量温度 西门子 S7-300PLC 操作面板 变频器 水泵电动机 控制回路 系统组成结构图 采用该方案有如下的优点：1.稳定性好，抗干扰能力强，采用开关量控制对电磁干扰的能力较强，不会产生误动作。2.系统简单，初期投入少，系统的性价比高。3.系统安装方便，维护简单，发生故障后能迅速恢复。4.通过自动控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。本系统的任务是保证高炉冷却水循环系统供水安全可靠，该系统对控制精度要求不高，但是对系统的可靠性要求很高，且在高炉附近电磁干扰强，要求系统必须有较好的抗干扰能力。综合考虑方案I和方案II并结合高炉的实际情况决定采用方案（2）。2.3 系统工作原理2.3.1 系统整体结构模型本系统控制对象为水箱水位、水流量、喷水温度。系统有较大的时间常数，由于系统要求控制精度不太高，针对这些特性对系统可以进行如下结构框架设计。系统的被控对象为：水箱内的水位、主体设备的喷水温、度侧喷水流量。系统的控制器为：PLC，系统的检测单元为：压力检测部分、温度检测部分和流量检测部分，系统的执行机构为：四组水泵，系统的控制方式为PLC开关量控制，系统的整体结构图2-1。 本系统工作过程2.3.2 系统组成及框图该系统为开关量的逻辑控制，当系统采用自动控制策略时，首先设定压力、温度、流量给定，然后启动四个泵组，经过一定的时间延迟后对各项参数进行检测比较然后确定各个水泵的运行方式，通过改变泵的个数来改变水箱水位、改变泵的转速保持侧喷流量和ACC主体设备喷水温度的恒定。传感器和变送器包括远程压力表、温度传感器、流量表在系统中起到检测系统参数并转换为标准信号供控制系统检测系统运行情况。系统的控制器为PLC，PLC是整个系统的核心部分，由PLC来控制各个泵的启停，及故障水泵的自动切换。系统的执行器继电器，由PLC发出的信号经继电器后驱动执行机构变频器和水泵。系统的执行机构为变频器和水泵，通过变频器和水泵来改变维持系统稳定。系统的连锁保护机构包括报警指示灯和扬声器，在PLC内部程序上采用连锁保护。系统由以上部分组成闭环，由于系统本身特性，系统为有差系统。系统的结构框图如图2-2所示。图2-2 系统结构框图压力检测水泵变频器继电器PLC流量监测温度检测2.3.3 系统主要工作流程当系统启动后，首先有PLC对系统进行初始化。当主程序开始时系统做初始准备，系统首先检测是采用集中控制还是本地控制，也就是采用手动控制还是自动控制，根据系统的控制方式来确定采用的控制方法。然后进行系统自检，检查电机和变频器是否发生故障，检查系统水位是否正常，如果采用手动的控制方式，则系统等待输入各个泵的启动信号。当采用自动控制策略的时候，系统首先启动各个水泵机组，然后等待各个系统参数的采集，再确定具体的运行方式。系统采用两用一备或一用一备的工作流程倒泵，各泵之间会为备份。采用两备两用的控制策略时系统采用两备两用的工作流程倒泵，各泵之间会为备份。1.3毕业设计任务要求冷却水循环系统是整个钢铁生产过程的重要环节，由管道设备及水泵和控制电路按一定的组织方式所构成，冷却对象主要为钢板，其冷却强度对钢板质量起着决定性的作用。以前的供水方式一直采用人工控制，使用后的水未经循环，直接外排，浪费很大，同时还存在水质差、水量不足、水压低等问题。考虑到以前供水方式已暴露出如上很多弊端，且无事故供水措施，严重制约了炼铁厂生产的发展和经济效益的提高。因此本课题所研究的冷却水循环泵站自动控制系统具有很强的现实意义。系统从水池中抽水，通过管道传输，利用对压力、流量、温度等参数的检测来决定泵站的水泵的控制策略和各个泵站间的切换。通过对泵站的改造可以提高循环利用率，能缓解生产用水紧张的局面，同时也能确保整个泵站用水的安全性和可靠性，各项供水指标明显改善。根据实际工程中工艺参数的要求，设计出泵站控制系统的软硬件结构，可编程控制器做为整个系统的中心，完成对泵站内各泵启动、停止的控制、实现泵站的无人值守，自动控制满足工艺参数要求，故障发生时自动处理防止意外发生。整个泵站系统相对于人工控制系统在可靠性、实时性有很大的提高。 第三章 系统硬件电路设计3.3 PLC简介可编程序控制其定义如下:可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储运算、顺序控制、定时、计数和算术运算、等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。（一）PLC的特点 PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要有以下特点：1可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：A硬件方面 I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制高频干扰；对PLC等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了连锁保护、自诊断电路等。B软件方面 PLC采用的是扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障前的状态，继续原来的工作。2 编程简单、使用方便目前，大多数的PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。3 功能完善、通用性强现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。4 设计安装简单、维护方便由于PLC是用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。5 体积小、重量轻、能耗低由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。(二) PLC的应用领域目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩展。从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：1 开关量逻辑控制利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。2 运动控制大多数PLC都有拖动步进机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。3 过程控制大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理以及闭环位置控制和速度控制等方面。4数据处理和通信联网现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，如计算机数值控制设备。PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与其他智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要。西门子S7-300型PLC简介 S7-300型PLC包括电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）和通信处理器（CP）等。S7-300CPU模块都有一个编程用的RS-485接口，有的CPU还有PROFIBUS-DP接口或Pt串行通信接口，可以建立一个MPI(多点接口)网络或网络。CPU采用智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常并记录错误和特殊系统事件。功能最强的CPU的RAM为512Kb,最大有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最大为65536，模拟量通道最大为4096，计数器的计数范围为1999，定时器的定时范围为10ms9990s，有350多条指令。S7-300中还有看门狗中断、过程报警、日期时间中断和定时中断等功能。S7-300已经将HMI（人机接口）服务集成到操作系统内部，这样就大大减少了人机对话的编程难度。 图3-2 S7-300 PLC模块 S7-300产品采用先进的模块化结构，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。其具体构成如上图3-2所示。 1电源模块 电源模块用来将交流120/230v电压转换为24v直流工作电压，为S7-300CPU和24v直流负载电路（信号模块、传感器、执行器等）提供电源。S7-300的电源模块有四种：PS 305(2A)、PS 307（2A）、PS 307（5A）、PS 307（10A）。2 CPU模块 CPU模块主要用来执行用户程序，同时还为S7-300背板总线提供5v电源。在MPI网络中，通过MPI还能与其它MPI网络节点进行通信，对于专用CPU还有其它一些功能。CPU模块有20多种型号，如CPU 312IFM、CPU 313、CPU 314等。3 信号模块 信号模块使不同级的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配。S7-300的信号模块有：数字量输入模块、数字量输出模块、数字量I/O模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量I/O模块等。4功能模块功能模块用于时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务，如定位或闭环控制。5接口模块 接口模块用于连接各个机架，其附件为连接电缆。如：IM360等。有了各种模块后，只要将这些模块按照一定的顺序安装连接起来，就可构成一个PLC系统，通常有两种连接方式。一是采用DIN导轨进行安装连接；二是直接固定法。S7-300控制站的中央处理器模块采用最先进的计算机技术和电子集成电路，模块体积小巧，但功能强大，是中小型系统理想产品。本系统CPU采用PLC313-2DP。该CPU上集成了两个PROFIBUS-DP接口，其中一个作为MPI口，通过该口与装有Step7的计算机连接可进行编程、调试、诊断等，另一个DP接口，可以将S7-300作为DP主站加入到PROFIBUS-DP总线网中。对驱动器和现场操作台HMI设备连接，实现相关控制。S7-300的各类模块带有LED自诊断指示灯，通过这些指示灯来指示状态，可为维护人员提供诊断信息。中央处理器模件带有96K的RAM存储器，还可通过插入式存储卡来扩展达512K的FLASH程序存储区来存储系统数据和用户程序，有电池来后备程序，程序可停电半年保护，电池的更换不影响中央处理器的正常工作。3.3.4 本设计控制系统组成： 1.中央处理单元 不同CPU 有不同的性能，例如，有的CPU 上集成有输入/输出点，有的 CPU 上集成有Profibus-DP通讯接口等。 2.信号模块 用于数字量和模拟量输入/输出。 3.功能模块 用于高速计数，定位操作和闭环控制。4.通讯 SIMATIC S7-300具有多种不同的通讯接口： 多种通讯处理器用来连接PROFIBUS 和工业以太网总线系统通讯处理器用来连接点到点的通讯系统多点接口(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。这一部分主要是对PLC的模块的选型，因为通常PLC都有自己的电源，所以我们必须先选一个给PLC供电的电源，然后是CPU，接着是对应我们的输入点和输出点的相应的输入和输出模块，这些选好后，我们就可以进行组装了，以下是西门子S7-300所需设备展示PLC所需设备表：1 电源模块(6ES7307-1EA00-0AA0) 120/230VAC输入,24VDC/5A 输出。 PS307电源模块(5A)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2 CPU模块 6ES7 313-6CE01-0AB0 (120mm) 额定输入电压 24 VDC 适用于开关和 2/3/4 线BERO(接近开关)SM 321 DI 16 24 VDC 的输入值取决于CPU 的运行状态和供电电压： 西门子PLC-PS307（电源）6ES7307-1EA00-0AA0西门子PLC-CPU312-2DP（中央处理器）6ES7312-1AE13-0AB0西门子PLC-SM321(数字量输入-16点)6ES7321-1BH02-0AA0西门子PLC-SM322(数字量输出-16点)6ES7322-1BH01-0AA0西门子PLC-EM231(模拟量输入-4点)6ES7231-0HC22-0XA0 西门子 PLC-RACK导轨6ES7390-1AE80-0AA03数字量输入模块（6ES7 321-1BH02-0AA0）SM 321 DI 16 24 VDC 数字量输入模板具有以下显著特性 16 个输入点带隔离16 点为一组 CPU工作状态电源L+到数字量模块数字量模块输入值 电源开 RUN有L+过程值无L+0信号 STOP有L+过程值无L+0信号 电源关-有L+-无L+-4数字量输出模块（6ES7 322-1BH01-0AA0） SM 322 DO 16 24 VDC/0.5A 数字量输出模板具有以下显著特性 16 个输出点带隔离8 点为一组 0.5A 输出电流 24 VDC 额定负载电压 适用于电磁阀 直流接触器和指示灯5模拟量输入模块（6ES7231-0HC22-0XA0 ）模拟量输入模板EM 位具有以下特性和特点 输入连接为四组，每组占用3个连接端，分别为Rn、n+、n-，可以连接模拟电压与电流输入 被测值精度 每组可设定取决于所设定的积分时间 9 位 + 符号； 12 位 + 符号； 14 位 + 符号 每个通道组的可选测量方法 电压； 电流； 电阻； 温度 每个通道组的可选测量范围 可编程诊断 可编程诊断中断 带有极限监控功能的两个通道 可编程极限中断 与底板总线接口的光电隔离 与负载电压的光电隔离 不适用于双线变送器6 导轨型号(6ES7390-1AE80-0AA0) S7-300 PLC用导轨长度为483mm。3.4 变频器的选择及应用（一）概述变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器通常包括整流电路、中间直流电路、平波电路、控制电路、驱动电路、逆变电路等几大部分。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电在逆变成交流电。（二）变频器的主回路的构成1.交-直部分（1）整流。由三相整流桥组成，将电源的三相交流电全波整流成直流电。在电源的线电压为380V(AC)的情况下，三相全波整流后平均直流电压为513V,峰值直流电压为537V。 （2）滤波。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个或者两个以上的电容器组串联而成。滤波电路的作用是滤平在整流器整流后含有电源6倍频率脉动直流电压的纹波；当负载变化时，逆变器产生的脉动电流也使直流电压脉动，为了抑制直流电压的波动，一般通用变频器电源的直流部分均采用电容滤波电路，使直流电压保持平稳。 图3-5 变频器的结构图 （3）限流电阻。当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流很大，过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏，同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。因此，为了减小冲击电流，先将限流电阻串接在直流电路中，将电容器的充电电流限制在允许范围内。2. 直-交部分（1）逆变。逆变电路主要包括由逆变管组成的逆变桥和驱动电路。常见的低压变频器通常由IGBT组成逆变桥，根据驱动电路的驱动信号把整流所得的直流电在逆变成频率可调的交流电，这是变频器实现变频功能的具体执行环节，也是变频器的核心部分。驱动电路作为逆变电路的一部分，对变频器的三相输出具有巨大的影响。驱动电路一般电路有以下几种：分立插脚式元件的驱动电路、光耦驱动电路、厚膜驱动电路以及专用集成驱动电路。（2）续流二极管。逆变桥中每只逆变管旁边都有续流二极管，它的作用是：电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量。续流二极管可为无功电流返回直流电源提供“通道”。当频率下降的较快时，电动机可能处于再生制动状态，此时的再生电流将通过续流二极管整流后回馈给直流回路。（3）制动。包括制动电阻和制动控制单元。 制动电阻：电动机在工作频率急剧下降时，被拖动系统的动能要反馈到变频器的直流回路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流回路的能量消耗掉，将制动电阻投入并处于再生制动状态，是直流电压保持在允许的范围内。制动电阻就是用来消耗能量的。 制动单元：制动单元通常由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其功能是起开关的作用，为放电电流流经制动电阻提供通路。3.控制部分（1）电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源， 开关电源提供的低压电源有：5V、15V 、24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。（2）驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。（3）控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分。（四）变频器的选择原则及选型 1)根据负载特性选择变频器，如负载为恒转矩负载需选siemensMM420/MM440变频器，如负载为风机、泵类负载应选择MM430变频器。2)选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外,应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此用变频器给电动机供电和用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10而温升会增加20左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。4)对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率（尤其是在楼宇自控等对噪音限制较高的应用场所使用时需注意）、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。5)当变频器用于控制并联的几台电机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为V/F控制方式，并且变频器无法实现电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机侧加熔断器来实现保护。7)变频器用于变极电动机时，应充分注意选择变频器的容量，使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行极数转换时，应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时会造成变频器损坏。10)变频器驱动绕线转子异步电动机时，大多是利用已有的电动机。绕线电动机和普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小。因此，容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。一般绕线电动机多用于飞轮力矩GD2较大的场合，在设定加减速时间时应多注意。11)变频器驱动同步电动机时，和工频电源相比，会降低输出容量1020，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流和同步牵入电流的标幺值的乘积13)变频器驱动潜水泵电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大,所以选择变频器时，其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。18)如果变频器的供电电源是自备电源，最好加上进线电抗器。1、控制方式选择变频器控制方式的选择由负荷的力矩特性所决定，电动机的机械负载转矩特性根据下列关系式决定：p= t n/ 9550式中：p电动机功率(kw)t转矩(nm)n转速(r/ min)转矩t和转速n的关系根据负载种类大体可分为3种：(1) 即使速度变化转矩也不大变化的恒转矩负载，此类负载如传送带、起重机、挤压机、压缩机等。(2) 随着转速的降低，转矩按转速的平方减小的负载。此类负载如风机、各种液体泵等。(3) 转速越高，转矩越小的恒功率负载。此类负载如轧机、机床主轴、卷取机等。变频器提供的控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。v/f控制中有线性v/f控制、抛物线特性v/f控制。将变频器参数p1300设为0，变频器工作于线性 v/f控制方式，将使调速时的磁通和励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。将p1300设为2，变频器工作于抛物线特性v/f控制方式，这种方式适用于风机、水泵类负载。这类负载的轴功率n近似地和转速n的3次方成正比。其转矩m近似地和转速n的平方成正比。对于这种负载，如果变频器的v/f特性是线性关系，则低速时电机的许用转矩远大于负载转矩，从而造成功率因数和效率的严重下降。为了适应这种负载的需要，使电压随着输出频率的减小以平方关系减小，从而减小电机的磁通和励磁电流，使功率因数保持在适当的范围内。2、快速调试在使用变频器驱动电机前，必须进行快速调试。参数p0010设为1、p3900设为1，变频器进行快速调试，快速调试完成后，进行了必要的电动机数据的计算，并将其它所有的参数恢复到它们的缺省设置值。在矢量或转矩控制方式下，为了正确地实现控制，非常重要的一点是，必须正确地向变频器输入电动机的数据，而且，电动机数据的自动检测参数p1910必须在电动机处于常温时进行。当使能这一作用 (p1910 =1)时，会产生一个报警信号a0541，给予警告，在接着发出on 命令时，立即开始电动机参数的自动检测。3、加减速时间调整加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。加速时间和减速时间选择的合理和否对电机的起动、停止运行及调速系统的响应速度都有重大的影响。加速时间设置的约束是将电流限制在过电流范围内，不应使过电流保护装置动作。电机在减速运转期间，变频器将处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能转换为电能并通过逆变器将电能回馈到直流侧。回馈的电能将导致中间回路的储能电容器两端电压上升。因此，减速时间设置的约束是防止直流回路电压过高。加减速时间计算公式为：加速时间:ta=(jm+jl)n/9.56(tma-tl)减速时间:tb=(jm+jl)n/9.56(tmb-tl)式中：jm 一 电机的惯量jl 负载惯量n 额定转速tma 电机驱动转矩tmb 电机制动转矩tl 负载转矩加减速时间可根据公式算出来，也可用简易试验方法进行设置。首先，使拖动系统以额定转速运行(工频运行)，然后切断电源，使拖动系统处于自由制动状态，用秒表计算其转速从额定转速下降到停止所需要的时间。加减速时间可首先按自由制动时间的1/21/3进行预置。通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警，调整加减速时间设定值，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。4、转动惯量设置电机和负载转动惯量的设置往往被忽视，认为加减速时间的正确设置可保证系统正常工作。其实，转动惯量设置不当会使得系统振荡，调速精度也会受到影响。转动惯量公式：j=t/d/dt电机和负载转动惯量的获得方法一样，让变频器工作频率在合适的值，510hz。分别让电机空载和带载运行，读出参数r0333额定转矩和r0345电动机的起动时间，再将变频器工作频率换算成对应的角速度，代入公式，计算得出电机和负载转动惯量。设置参数p0341(电动机的惯量)和参数p0342(驱动装置总惯量 / 电动机惯量的比值)，这样变频器就能更好的调速。根据变频器的选择原则及本设计的具体要求，在本设计中选用MM430变频器。MM430是西门子公司的一种用于控制三相交流电动机速度通用型变频器。该系列有多种型号，额定功率范围为120KW200KW，有恒定转矩CT和变转矩VT等控制方式。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。MM440的主要特征： 基于 PID控制器对三个附加传动装置的控制 (电动机分级控制多机循环