自動(dòng)配料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

0 引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)配料系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)也日益成熟，并以其計(jì)量準(zhǔn)確、安全可靠、自動(dòng)化程度高，廣泛應(yīng)用于化工、礦山、建材、食品、冶金、港口、電力等多種行業(yè)。它既可以自成系統(tǒng), 獨(dú)立工作, 也可以接人DCS、FCS系統(tǒng)以下介紹的自動(dòng)配料技術(shù)設(shè)計(jì)合理、精度高、運(yùn)行可靠, 可完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)根據(jù)精細(xì)化工生產(chǎn)配料系統(tǒng)的功能要求，研究了變頻調(diào)速技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，根據(jù)原有的控制結(jié)構(gòu)，基于PLC技術(shù)，提出了一個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，采用此體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)配料系統(tǒng)，使之具有稱重、配比、流量控制、故障檢測(cè)報(bào)警及通訊功能，具有智能化程度高、控制穩(wěn)定、可靠、操作維修方便等特點(diǎn)，對(duì)各種原料能進(jìn)行精確的計(jì)量，保證化工產(chǎn)品準(zhǔn)確的成分。設(shè)計(jì)在對(duì)上述裝置分析研究后在自動(dòng)配料系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，該系統(tǒng)的總體方案：自動(dòng)配料控制由一個(gè)多輸入，多輸出，各條配料輸送生產(chǎn)線嚴(yán)格協(xié)調(diào)控制，對(duì)料位、流量及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。所以，系統(tǒng)由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、控制計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器等智能程度較高，處理速度快的設(shè)備。1 緒論1.1 配料系統(tǒng)的發(fā)展情況目前, 稱重配料系統(tǒng)的流程控制大多數(shù)由可編程控制器(PLC) 來(lái)實(shí)現(xiàn), 上位計(jì)算機(jī)主要用于配方管理、屏幕人機(jī)對(duì)話和稱重資料的存儲(chǔ)打印等工作。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展, 配料系統(tǒng)中的稱量?jī)x表由最初的專用積木式儀表發(fā)展為智能化的工業(yè)控制終端以及專門的配料控制器。配料控制器是用來(lái)控制一種或多種物料的配制的微電腦系統(tǒng), 可以完全或部分取代可編程控制器, 實(shí)現(xiàn)配料的自動(dòng)化。稱量?jī)x表的功能也由最初的資料顯示發(fā)展為具有自診斷、自動(dòng)零位跟蹤、置零去皮、預(yù)置點(diǎn)輸出、動(dòng)態(tài)稱重、數(shù)據(jù)通信等多項(xiàng)功能。近年來(lái), 隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣, 將傳統(tǒng)的配料控制系統(tǒng)改進(jìn)為基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)成為科技進(jìn)步的必然趨勢(shì)。目前, 許多用于配料的稱重儀表已經(jīng)有了Profibus、Modbus 等現(xiàn)場(chǎng)總線接口,使基于現(xiàn)場(chǎng)總線的配料控制系統(tǒng)成為可能, 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的配料控制系統(tǒng)正在迅速推廣。也有一部分采用的控制器為單片機(jī)，并利用其開發(fā)專用的稱重控制器。利用一臺(tái)或多稱重控制器和稱重傳感器構(gòu)成配料系統(tǒng)。這種方法控制程序用匯編語(yǔ)言編寫。具有成本低廉、設(shè)備可靠性高以及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但還是有兼容性能、再開發(fā)能力差的缺點(diǎn)。另外這種方法較適合于單臺(tái)設(shè)備的控制，對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)難以處理。1.2 設(shè)計(jì)背景隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展, 自動(dòng)配料系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)也日益成熟, 并以其計(jì)量準(zhǔn)確、安全可靠、自動(dòng)化程度高, 廣泛地應(yīng)用于化工、礦山、建材、食品、冶金、港口、電力等多種行業(yè)它既可以自成系統(tǒng), 獨(dú)立工作, 也可以接人DCS、FCS系統(tǒng)以下介紹的自動(dòng)配料技術(shù)設(shè)計(jì)合理、精度高、運(yùn)行可靠, 可完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。由于生產(chǎn)的需要，要求在某些時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)各種物料的不同比例搭配，在生產(chǎn)任務(wù)繁重的時(shí)候加快生產(chǎn)速度，要求能夠集中控制電機(jī)的啟動(dòng)、瀏覽生產(chǎn)工業(yè)流程圖、做出事故報(bào)警響應(yīng)、可調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度等。原配料系統(tǒng)的配料皮帶秤采用模擬電路控制滑差調(diào)速電機(jī)的方法進(jìn)行速度控制，只是采用PLC作為聯(lián)鎖控制，采用VC開發(fā)工具進(jìn)行控制界面和控制算法的開發(fā)。由于滑差電機(jī)調(diào)速方式在低速時(shí)特性差、效率低，現(xiàn)場(chǎng)外部工作環(huán)境又很惡劣，工業(yè)粉塵很多，這些粉塵很容易進(jìn)入滑差電機(jī)內(nèi)部而出現(xiàn)磨損、卡死等現(xiàn)象，維修、維護(hù)麻煩，造成工作故障多，影響正常生產(chǎn);另外由于采用模擬電路控制方式，控制不穩(wěn)定，精度低，調(diào)試煩瑣，使用極不方便。再者，采用VC開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)軟件的控制界面和控制算法功能是靠軟件工作人員通過(guò)編程從底層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，工作量大且設(shè)計(jì)的軟件通用性差，軟件功能可靠性也低。所以對(duì)配料系統(tǒng)要采用新的方案來(lái)提高系統(tǒng)的提高企業(yè)生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化水平，同時(shí)又提高了整個(gè)配料系統(tǒng)的精度和可靠性，提高了生產(chǎn)線的質(zhì)量。1.3 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容及意義本設(shè)計(jì)主要介紹了PLC(可編程程序控制器)的基本組成、工作原理、主要特點(diǎn)并分析西門子公司S7-300PLC的主要技術(shù)指標(biāo)和性能，變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，比較電機(jī)調(diào)速的幾種類型，深入探討變頻調(diào)速的原理和優(yōu)點(diǎn)，并且介紹三菱公司的FR-740變頻器。設(shè)計(jì)在對(duì)上述裝置分析研究后在自動(dòng)配料系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，該系統(tǒng)的總體方案：自動(dòng)配料控制由一個(gè)多輸入，多輸出，各條配料輸送生產(chǎn)線嚴(yán)格協(xié)調(diào)控制，對(duì)料位、流量及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。所以，系統(tǒng)由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、控制計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器等智能程度較高，處理速度快的設(shè)備。本設(shè)計(jì)根據(jù)精細(xì)化工生產(chǎn)配料系統(tǒng)的功能要求，研究了變頻調(diào)速技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，根據(jù)原有的控制結(jié)構(gòu)，基于PLC技術(shù)，提出了一個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，采用此體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)配料系統(tǒng)，使之具有稱重、配比、流量控制、故障檢測(cè)報(bào)警及通訊功能，具有智能化程度高、控制穩(wěn)定、可靠、操作維修方便等特點(diǎn)，對(duì)各種原料能進(jìn)行精確的計(jì)量，保證化工產(chǎn)品準(zhǔn)確的成分。1.4 小結(jié) 本章首先介紹了自動(dòng)配料系統(tǒng)的背景，通過(guò)對(duì)自動(dòng)配料系統(tǒng)控制方式的比較，展望了自動(dòng)配料系統(tǒng)控制方式的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了本課題研究的內(nèi)容及意義。2 可編程控制器（PLC）2.1 定義PLC可編程序控制器：PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)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)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。DCS集散系統(tǒng): DCS英文全稱 DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM ,中文全稱為集散型控制系統(tǒng)。DCS可以解釋為在模擬量回路控制較多的行業(yè)中廣泛使用的，盡量將控制所造成的危險(xiǎn)性分散,而將管理和顯示功能集中的一種自動(dòng)化高技術(shù)產(chǎn)品。DCS一般由五部份組成：1：控制器2：I/O板 3：操作站 4：通訊網(wǎng)絡(luò) 5：圖形及遍程軟件。2.2 發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1968年美國(guó)GM公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國(guó)數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器。稱ProgrammableController（PC）。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC）發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡(jiǎn)稱PC。 PLC的定義有許多種。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30-40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來(lái)，是無(wú)法取代的。2.3 PLC的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置?？删幊炭刂破鞯挠布晌⑻幚砥?、存儲(chǔ)器、I/O接口電路、電源、擴(kuò)展接口、外設(shè)接口及編程器等組成。如圖2-1所示圖2-1 可編程控制器的硬件簡(jiǎn)化框圖Fig.2-1 The hardware simplification frame diagram of PLCCPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 2.3.1 I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號(hào)，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 2.3.2 電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。2.3.3 底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問(wèn)底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。2.4 PLC的工作原理可編程控制器中CPU的掃描過(guò)程也就是PLC的工作過(guò)程，型號(hào)不同的可編程控制器的掃描過(guò)程有所差異，典型的掃描工作過(guò)程如圖2-2所示。如圖可知，可編程控制器有兩種基本的工作狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，只重復(fù)進(jìn)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)等工作。處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信服務(wù)、自診斷到輸入處理、用戶程序執(zhí)行、輸出處理，一直反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到可編程控制器停機(jī)或轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)。編程控制器工作時(shí)，它的CPU每一瞬間只能做一件事，也就是說(shuō)一個(gè)CPU每一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)操作而不可能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作。CPU對(duì)許多需要處理的任務(wù)依次按規(guī)定須序進(jìn)行訪問(wèn)和處理的工作方式為掃描工作方式。此掃描過(guò)程分為三個(gè)階段：輸入處理階段又叫輸入采樣階段。這一階段，PLC以掃描方式依次讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。程序執(zhí)行階段，PLC按從上到下、從左到右的順序掃描執(zhí)行梯形圖程序。CPU從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行存儲(chǔ)器中按步序號(hào)從小到大排列的由若干條指令組成的用戶程序。在程序執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)用戶程序的需要從輸入映像寄存器及其他的元件映像寄存器中將元件的“0/1”狀態(tài)讀出來(lái)，并按程序的要求進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入對(duì)應(yīng)的元件映像寄存器中。在輸出處理階段，CPU一次性集中將元件映像寄存器中輸出映像寄存器的“0/1”狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后送到輸出端子。圖2-2 PLC的掃描周期Fig.2-2 Scan cycle of PLC2.5 西門子S7-300簡(jiǎn)介2.5.1 概述西門子S7-300可編程序控制器是模塊化小型PLC系統(tǒng)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展，能滿足中等性能要求；其優(yōu)越的性能價(jià)格比，使之成為中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)理想的選擇。其主要特點(diǎn)為:1) 多種規(guī)格的處理器，系統(tǒng)采用獨(dú)特的導(dǎo)軌安裝；2) 高速的指令處理，可滿足快速程序控制要求；3) 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，可有效地實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；4) CPU內(nèi)集MPI接口，多種通訊模塊能用來(lái)連接AS-I接口、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；5) 具有時(shí)間/中斷驅(qū)動(dòng)、開環(huán)定位和PID等高級(jí)控制功能；6) I/O模塊采用前連接器方式，維修或更換十分方便；7) 系統(tǒng)自行組態(tài)，信號(hào)或通訊模塊不受限制地隨意安放；8) 具有滿足高速計(jì)數(shù)、步進(jìn)電機(jī)和伺服定位控制等特殊應(yīng)用的IIO模塊；9) STEP 7 編程語(yǔ)言具有大量的以STEP5 為基礎(chǔ)的指令集，使程序的編制簡(jiǎn)單快捷2.5.2 S7-300的功能SIMATIC S7-300的大量功能支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù)。1) 高速的指令處理:0.060.1的指令處理時(shí)間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。2) 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算:用此功能可以有效地實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算。3) 方便用戶的參數(shù)賦值:一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值，這樣就節(jié)省了入門和培訓(xùn)的費(fèi)用。4) 人機(jī)界面(HMI):方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面(HMI)從S7-30O中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送。5) 診斷功能:CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件(例如:超時(shí)，模塊更換，等等)。6) 口令保護(hù):多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。7) 操作方式選擇開關(guān):操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序。2.5.3 S7-300的組成S7-300 PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，它具有緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，其主要組成部分有:導(dǎo)軌、中央處理單元模板、接口模板(IM)、信號(hào)模板(SM)、功能模板(FM)等。S7-300組成如圖2-3所示。 槽號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10電源PS3075VCPU315-2DPIM365DI32DC24VDI32DC24VDI32DC24VDI32DC24VDO 16VReLAC120V/230VDO 16VReLAC120V/230VDO 16VReLAC120V/230VIM365AI812BitAI812BitAI812Bit圖2-3 S7-300的組成Fig.2-3 Compose of S7-3001) 負(fù)載電源模塊(PS)；用于將SIMATICS 7-300連接到120/230V 交流電源，或24/48/60/110 V直流電源。 2) 中央處理單元(CPU)：不同的CPU有不同的性能，有的CPU上集成有輸入/輸出點(diǎn)，有的CPU上集成有PROPIBUS-DP通訊接口等。3) 信號(hào)模塊(SM):用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。4) 通訊處理器(CP):用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。5) 功能模塊(FM):用于高速計(jì)數(shù)，定位操作(開環(huán)或閉環(huán)定位)和閉環(huán)控制。6) 接口模塊(IM):用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架(ER)。S7-300通過(guò)分布式的主機(jī)架(CR)和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架(ER)，可以操作多達(dá)32個(gè)模塊。運(yùn)行時(shí)無(wú)需風(fēng)扇。2.5.4 S7-300的類型1) 標(biāo)準(zhǔn)型:溫度范圍從0到60。2) 環(huán)境條件擴(kuò)展型:溫度范圍從-25到+60更強(qiáng)的耐受振動(dòng)和污染特性。2.5.5 S7-300的通訊方便用戶的STEP7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡(jiǎn)單。SIMATIC S7-300具有多種不同的通訊接口：1) 多種通訊處理器用來(lái)連接AS-I接口、和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)。2) 串行通訊處理器用來(lái)連接點(diǎn)到點(diǎn)的通訊系統(tǒng)。3) 多點(diǎn)接口(MPI)集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)。CPU支持下列通訊類型:1) 過(guò)程通訊2) 通過(guò)總線(AS-1或PROFIBUS)對(duì)u0模塊周期尋址(過(guò)程映象交換)3) 數(shù)據(jù)通訊在自動(dòng)控制系統(tǒng)之間或人機(jī)界面(HMI)和幾個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)通訊會(huì)周期地進(jìn)行或被用戶程序或功能塊調(diào)用。2.6 PLC的編程語(yǔ)言PLC與微機(jī)一樣，是以指令程序的形式進(jìn)行工作的，各種型號(hào)的PLC一般均以梯形圖語(yǔ)言為主，同時(shí)也兼顧一些其它形式的編程語(yǔ)言。1) 梯形圖 (LAD)梯形圖是一種圖形編程語(yǔ)言，是面向控制過(guò)程的一種“自然語(yǔ)言”，它延用繼電器的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和圖形符號(hào)，同時(shí)也增加了一些繼電器控制系統(tǒng)中沒有的特殊符號(hào)，以便擴(kuò)充PLC的控制功能。梯形圖語(yǔ)言比較形象、直觀，對(duì)于熟悉繼電器表達(dá)方式的電氣技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，不需要學(xué)習(xí)更深的計(jì)算機(jī)知識(shí)，極易被接受，因此在PLC編程語(yǔ)言中應(yīng)用最多。2) 指令語(yǔ)句表(STL)指令語(yǔ)句用助記符來(lái)表達(dá)PLC的各種控制功能，一般與梯形圖語(yǔ)言一一對(duì)應(yīng)。它類似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，但比匯編語(yǔ)言通俗易懂，因此也是應(yīng)用很廣泛的一種編程語(yǔ)言。指令語(yǔ)句通常由地址、操作碼和操作數(shù)(器件編號(hào))三部分組成。這種編程語(yǔ)言可使用簡(jiǎn)易編程器編程，編程設(shè)備簡(jiǎn)單、邏輯緊湊，連接范圍不受限制，但比較抽象，一般與梯形圖語(yǔ)言配合使用，互為補(bǔ)充。3) 邏輯功能圖(FBD)這種編程語(yǔ)言基本上延用了半導(dǎo)體邏輯電路的邏輯方塊圖形式。對(duì)于每一種功能都使用一個(gè)運(yùn)算方塊，其運(yùn)算功能由方塊內(nèi)的符號(hào)確定。常用“與”、“或”、“非”等邏輯功能表達(dá)控制邏輯。采用這種編程語(yǔ)言對(duì)于熟悉邏輯電路和只有邏輯代數(shù)基礎(chǔ)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，是非常方便的。3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)概述3.1 變頻器變頻調(diào)速器也稱變頻器，全稱為變頻變壓調(diào)速器VVVFI(Variable Voltage Variable Frequency Inverter)，是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它采用大功率晶體管GTR作為功率元件，以單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，采用SPWM正弦脈寬調(diào)制方式，是電力電子與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。從結(jié)構(gòu)上看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩類。間接變頻裝置先將工頻交流電原通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換為可控頻率的交流，因此又稱為有中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置。直流變頻裝置則將工頻交流一次變換為可控頻率的交流，沒有中間環(huán)節(jié)，目前應(yīng)用較多的還是間接變頻裝置。間接變頻裝置如圖3-1所示。圖3-1 間接變頻裝置Fig.3-1 Indirect Converter(a) 電壓源變頻器 (b) 電流源變頻器圖3-2 電壓源和直流電源交直交變頻器Fig.3-2 DC voltage source and the AC power inverter對(duì)于交-直-交變頻裝置，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內(nèi)陰為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，叫做電壓源變頻器；當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流回路中的電流波形比較平直，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，叫做電流源變頻器。如圖3-2所示表3-1 電壓源與電流源交-直-交變頻器主要特點(diǎn)比較Tab3-1 Current voltage source and the source of AC-DC-AC inverter main features comparison變頻器類別比較項(xiàng)目電 壓 源電 流 源直流回路濾波環(huán)節(jié)輸出電壓波形輸出電流波形輸出阻抗回饋制動(dòng)調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)晶閘管的要求適用范圍電容器矩形波決定于負(fù)載的功率因數(shù)，有較大的諧波分量小須在電源側(cè)設(shè)置反并聯(lián)逆變器較慢關(guān)斷時(shí)間要短，對(duì)耐壓要求一般較低多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源電抗器決定于負(fù)載，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載近似為正弦波矩形波大方便，主回路不需附加設(shè)備快耐壓高，對(duì)關(guān)斷時(shí)間無(wú)特殊要求單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，可逆拖動(dòng)在基于晶閘管的交-直-交變頻器供電的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了獲得變頻調(diào)速所要求的電壓頻率協(xié)調(diào)控制，調(diào)速時(shí)須同時(shí)控制整流器和逆變器。要采用PWM控制。它利用了采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指矩形脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。根據(jù)這個(gè)原理，可以用一系列等幅而不等寬的脈沖來(lái)近似正弦波，且脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，這種方法稱為SPWM(SinusoidalPWM )。SPWM各脈沖的寬度和間隔可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的SPWM波形。但這種計(jì)算很繁瑣，較為常用的方法是采用調(diào)制的方法。正弦波脈寬調(diào)制原理：正弦波脈寬調(diào)制分為單極性和雙極性脈寬調(diào)制，它使每一輸出矩形脈沖的面積與對(duì)應(yīng)的正弦波電壓面積成正比。把正弦基波作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度線性關(guān)系，且左右對(duì)稱，當(dāng)它與正弦波調(diào)制信號(hào)相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合SPWM控制的要求。3.2 三菱公司的FR-740變頻器三菱FR-740變頻器的功率范圍：0.75630KW，采用了磁通矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)3Hz時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)120%；最佳勵(lì)磁控制方式，實(shí)現(xiàn)更高節(jié)能運(yùn)行。內(nèi)置PID，變頻器/工頻切換和可以實(shí)現(xiàn)多泵循環(huán)運(yùn)行功能；內(nèi)置獨(dú)立的RS485通訊口；它具有廣泛的使用環(huán)境，便利的維護(hù)特點(diǎn)及各類簡(jiǎn)易操作的實(shí)用功能，使用更為方便。3.2.1 FR-740系列變頻器的功能特點(diǎn)1) 發(fā)揮普通電機(jī)的最佳性能：驅(qū)動(dòng)無(wú)編碼器的普通電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度和快速度響應(yīng)運(yùn)行的矢量控制。在0.3Hz的超低速下最高可實(shí)現(xiàn)120%的輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩模式下控制范圍1：20；響應(yīng)水平進(jìn)一步提高，速度響應(yīng)120rad/s，速度范圍1:200。2) 驅(qū)動(dòng)帶編碼器的電機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能的矢量控制：閉環(huán)矢量控制下，變頻器可達(dá)到比無(wú)傳感器矢量控制時(shí)更高精度和更快速度響應(yīng)的性能。速度控制范圍1:1500；速度波動(dòng)率0.01%；速度響應(yīng)300rad/s。轉(zhuǎn)矩控制范圍1:50；并具零速控制和伺服鎖定功能。位置控制中，內(nèi)置15段預(yù)設(shè)位置段，并且可與PLC或脈沖單元連接后可構(gòu)成通用伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定位操作。3) 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能：內(nèi)置USB接口，方便連接變頻器設(shè)置軟件。4) 內(nèi)置EMC濾波器：有效地抑制電磁噪聲，無(wú)需外部配置，節(jié)省安裝空間。5) 長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)：主回路電容、控制回路電容、新設(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)壽命為十年。3.2.2 FR-740系列變頻器的主要功能參數(shù)1) 控制特性：輸出頻率范圍為0.5400Hz。模擬輸入的頻率設(shè)定分辨率：00.15Hz(端子2、4：010V)；0.03Hz/060Hz(端子2、4：05V,020mA )；0.06Hz/060Hz(端子1：05V)。數(shù)字輸入的頻率設(shè)定分辨率：0.01Hz。模擬輸入的頻率精度：最大輸出頻率的0.2%以內(nèi)（）。數(shù)字輸入的頻率精度：設(shè)定輸出頻率的0.01%以內(nèi)。電壓/頻率特性：基準(zhǔn)頻率可以在0400Hz之間任意設(shè)定，可以選擇恒轉(zhuǎn)矩曲線，變轉(zhuǎn)矩曲線。V/F5點(diǎn)可調(diào)整。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：設(shè)定轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償時(shí)120%（3Hz時(shí)）。加/減速時(shí)間設(shè)定：03600s，可選擇直線或S形加減速模式。直流制動(dòng)：動(dòng)作頻率為0120Hz，動(dòng)作時(shí)間為010s，動(dòng)作電壓為030%可變。失速防止動(dòng)作水平：動(dòng)作電流水平可以設(shè)定在0150%間可變，可以選擇有或無(wú)。2) 運(yùn)行特性：模擬輸入頻率設(shè)定信號(hào)：端子2、4可在010V,05V,420mA間選擇；端子1可在-10+10V，-5+5間選擇。數(shù)字輸入頻率設(shè)定信號(hào)：用操作面板的M旋鈕，參數(shù)單元及BCD4位或者16bit二進(jìn)位制。啟動(dòng)信號(hào)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)分別控制，啟動(dòng)信號(hào)自動(dòng)保持輸入（3線輸入）可以選擇。輸入信號(hào)：在多段速選擇，第2功能選擇，端子4輸入選擇，點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行選擇。瞬間停電再啟動(dòng)選擇，外部熱保護(hù)輸入、HC連接（變頻器運(yùn)行許可信號(hào)），HC選擇（瞬間停電檢測(cè)），PU操作外部互鎖信號(hào)，PID控制有效端子，PU操作，外部操作切換，輸出停止，啟動(dòng)自保持警惕，正轉(zhuǎn)指令，反轉(zhuǎn)指令，復(fù)位變頻器，PTC熱電阻輸入，PID熱電阻輸入，PID正反動(dòng)作切換，PU-NET操作，NET外部操作切換，指令權(quán)切換中可以用Pr178-189（輸入端子功能選擇）選擇任意的12種。運(yùn)行功能：上下限頻率設(shè)定，頻率跳變操作、外部熱繼電器輸入選擇，極性可逆操作、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)運(yùn)行，瞬時(shí)停電運(yùn)行繼續(xù)，工頻切換運(yùn)行、防止正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，操作模式選擇，PID控制，計(jì)算機(jī)通信操作。3) 保護(hù)和報(bào)警功能：加速時(shí)過(guò)電流，恒速時(shí)過(guò)電流，減速時(shí)過(guò)電流，加速時(shí)過(guò)電壓，恒速時(shí)過(guò)電壓，減速時(shí)過(guò)電壓，變頻器過(guò)熱保護(hù)繼電器動(dòng)作，電面保護(hù)熱繼電器動(dòng)作，風(fēng)扇過(guò)熱，發(fā)生瞬時(shí)停電，制動(dòng)晶體管異常。電壓不足，輸入缺相，電機(jī)過(guò)載，輸出側(cè)直接接地過(guò)電流，輸出缺相，外部熱繼電器動(dòng)作。4) 環(huán)境：周圍溫度：LD：；SLD：。周圍濕度：90%RH以下。保存溫度：。周圍環(huán)境：室內(nèi)（無(wú)腐蝕性氣體，可燃性氣體，油霧，塵埃）。海拔高度，振動(dòng)：海拔1000m以下，以下。3.3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)3.3.1 概述變頻調(diào)速是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)供電電源頻率進(jìn)行調(diào)速的一種方法，頻率在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電動(dòng)機(jī)和控制理論的飛速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有了很大的提高，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，用晶閘管或全控型器件組成逆變器，容量從幾十瓦到幾十千瓦的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)大量投入到工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域中應(yīng)用。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。3.3.2 異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)在三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，電磁力對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)l(fā)生改變，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也隨之發(fā)生改變。交流電動(dòng)機(jī)的異步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 （3-1）其中為電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；為供電電源頻率(Hz)；為電動(dòng)機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)；為轉(zhuǎn)差率。所以，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率、改變轉(zhuǎn)差率及改變極對(duì)數(shù)等三種。其中改變轉(zhuǎn)差率又可通過(guò)調(diào)定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)差電壓及定、轉(zhuǎn)子頻率差等方法實(shí)現(xiàn)。3.3.3 變頻調(diào)速的原理異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式:n = n1(1-s)=60f1(1-S)/Pn,式中:n：電機(jī)轉(zhuǎn)速,n1:旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速,S:轉(zhuǎn)差率,f1:定子電源頻率,Pn:極對(duì)數(shù),由上式可知,改變f1、S、Pn 中任意一個(gè)變量,n都會(huì)隨之相應(yīng)改變通常采用的是改變f1 的方式。此方式調(diào)速范圍寬,平滑性好,效率高,動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能良好。受交流變頻器控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在調(diào)速過(guò)程中有兩種工作狀態(tài),一種是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速狀態(tài),另一種是恒功率調(diào)速狀態(tài)。已知異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí),磁通f1N時(shí),由于電機(jī)所用電壓受繞組絕緣強(qiáng)度的影響,不能無(wú)限制提高,保持U1=U1N ,則磁通減小,但由于轉(zhuǎn)速增加,輸出功率近似不變,相當(dāng)于恒功率調(diào)速。把基頻以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況合起來(lái)，可得圖中所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升條件允許下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，在基頻以上屬于“恒功率調(diào)速”。 (a)基頻以下調(diào)速機(jī)械特性 (b)變頻調(diào)速控制特性圖3-3 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性Fig.3-3 VVVF asynchronous motor control characteristics把基頻以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況合起來(lái)，可得圖中所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升條件允許下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，在基頻以上屬于“恒功率調(diào)速”。如圖3-3所示3.3.4 交流變頻調(diào)速的特點(diǎn)1) 調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性效率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。2) 調(diào)速范圍較大，精度高。3) 起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯。4) 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便。5) 易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。6) 必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高。7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大為降低。 8) 性能上優(yōu)于以往的變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速等交流電機(jī)調(diào)速方式，并且將會(huì)逐步以這種嶄新的調(diào)速技術(shù)取代直流電機(jī)調(diào)速。用交流異步電機(jī)取代直流電機(jī)，將使調(diào)速系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。3.3.5 應(yīng)用、功能交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)有60%-65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)用電就節(jié)約了15%-20%的電量。目前產(chǎn)品己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、石化、鋼鐵、冶金、礦山、機(jī)械、紡織、建筑、造紙等行業(yè)，適用于水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)床等產(chǎn)品的電機(jī)調(diào)速。它除節(jié)電外，還有變頻調(diào)速系統(tǒng)自身?yè)p耗小，工作效率高；電機(jī)總可以保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗；可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊。4 自動(dòng)配料系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料控制由一個(gè)多輸入，多輸出，各條配料輸送生產(chǎn)線嚴(yán)格協(xié)調(diào)控制，對(duì)料位、流量及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。所以，系統(tǒng)由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、控制計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器等智能程度較高，處理速度快的設(shè)備。4.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)在生產(chǎn)工藝過(guò)程中，將輔料與主料按一定比例配合，由皮帶秤完成對(duì)皮帶輸送并對(duì)輸送的物料進(jìn)行計(jì)量，PLC主要承擔(dān)對(duì)輸送設(shè)備、秤量系統(tǒng)的過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并完成對(duì)系統(tǒng)故障檢測(cè)，顯示及報(bào)警，同時(shí)向變頻器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)控制，使系統(tǒng)可在工作環(huán)境溫度在1020攝氏度，并且具有累計(jì)量和瞬時(shí)流量的顯示功能、停電數(shù)據(jù)記憶功能、較秤去皮功能、手動(dòng)自動(dòng)控制功能、皮帶自動(dòng)糾偏功能、自動(dòng)故障檢測(cè)報(bào)警功能、流量累計(jì)量的報(bào)表打印功能、流量配比值等參數(shù)的設(shè)定和修改功能等。當(dāng)系統(tǒng)的被控對(duì)象比較多，分布在一個(gè)較大的區(qū)域里，相互之間比較遠(yuǎn)，而且被控對(duì)象之間經(jīng)常的交換數(shù)據(jù)和信息。這時(shí)系統(tǒng)的控制器需由若干個(gè)想互這間具有通信功能的PLC構(gòu)成，上位機(jī)可以采用PLC，也可以采用工控機(jī)。這種控制系統(tǒng)稱為分布式PLC控制系統(tǒng)。如圖4-1所示。圖4-1 分布式PLC系統(tǒng)Fig.4-1 Control system of distributed PLC4.1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成配料裝置主要由原料倉(cāng)、輸送機(jī)構(gòu)、配料稱及電氣控制等部分構(gòu)成。原料倉(cāng)為圓筒形，PVC原料及主要輔助材料儲(chǔ)存在其中。輸送機(jī)構(gòu)是用來(lái)將原料輸送到配料稱中。配料稱為圓錐形，被懸空放置在V形刀口上，有原料入口和排出口。配料秤上有電子稱，連桿處裝有重力傳感器，將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如圖4-2所示。圖4-2 系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.4-2 Composting of system配料系統(tǒng)中,由上位機(jī)進(jìn)行配料,料流計(jì)量控制,建立配料模型,統(tǒng)計(jì)打印。下位機(jī)用PLC進(jìn)行皮帶順序控制，皮帶機(jī)變頻調(diào)速控制。用變頻器控制皮帶輸送機(jī)，確保配料的誤差。本設(shè)計(jì)是由于4臺(tái)電子皮帶秤配料線組成，這4臺(tái)電子皮帶秤為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)。其中1號(hào)為主料秤，其余為輔料秤。系統(tǒng)中主、輔秤均由PLC和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)控制。4.1.2 工作原理自動(dòng)配料系統(tǒng)工作原理是利用皮帶秤稱量所需要原料的重量，將原料重量數(shù)據(jù)傳送給控制儀表和系統(tǒng)工控機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度以實(shí)現(xiàn)所需原料的重量調(diào)節(jié)。皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)的速度調(diào)節(jié)通過(guò)控制儀表的PID調(diào)節(jié)器對(duì)變頻器的頻率調(diào)節(jié)，變頻器控制皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)的管理通過(guò)系統(tǒng)工控機(jī)來(lái)完成。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)表自動(dòng)生成,調(diào)節(jié)參數(shù)在線修改，工藝流程圖界面友好，數(shù)據(jù)報(bào)表自動(dòng)打印，各種原料重量自動(dòng)累計(jì)等功能。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，包括驅(qū)動(dòng)皮帶的電動(dòng)機(jī)，電子皮帶秤體，速度傳感器，稱重傳感器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器，料斗料位傳感器，各種電磁閥，西門子可編程控制器及其擴(kuò)展模塊等。PLC采集電機(jī)、電磁閥、變頻器等有關(guān)的控制對(duì)象的信息，經(jīng)過(guò)對(duì)輸入信息的處理，反饋控制監(jiān)控對(duì)象，將信息送入上一級(jí)監(jiān)控機(jī)(上位機(jī))。另一方面接受監(jiān)控機(jī)的控制指令，通過(guò)對(duì)輸入和操作指令的分析判斷，進(jìn)行綜合處理，輸出控制信號(hào)，控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作，完成監(jiān)控機(jī)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的實(shí)際控制。工作原理如圖4-3所示圖4-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4-3 Systemic configurable sketch fig本系統(tǒng)中，實(shí)行一臺(tái)變頻器對(duì)一臺(tái)電機(jī)變頻調(diào)速控制。用PLC輸出的數(shù)字量信號(hào)作為變頻器的控制端輸入信號(hào)，通過(guò)接受PLC的信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并且向PLC反饋?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)信號(hào)；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能夠向PLC及上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，變頻器對(duì)驅(qū)動(dòng)皮帶秤的電機(jī)的控制具有完善的自我保護(hù)和電機(jī)保護(hù)功能。為保證系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)采用較高性能的PLC，選擇合適的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集模塊，選用合適的變頻器。同時(shí)，在控制室里由一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)以及打印機(jī)等組成，上位PC接受PLC采集的信息，對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行故障報(bào)警以及參數(shù)顯示；向下屬PLC發(fā)送控制信息。在本系統(tǒng)中，具有生產(chǎn)工業(yè)流程圖顯示、電機(jī)啟動(dòng)停止控制、變頻器工作狀態(tài)顯示、事故報(bào)警顯示、變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和顯示等功能。4.2 PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1) 設(shè)計(jì)依據(jù)在實(shí)際工程應(yīng)用中，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)需根據(jù)控制對(duì)象而定，其中包括控制對(duì)象的工藝要求、設(shè)備狀況、控制功能、I/O點(diǎn)數(shù)和種類，并據(jù)此構(gòu)成比較先進(jìn)的控制系統(tǒng)。工藝要求:工藝要求是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)。本系統(tǒng)要求工藝流程是把各種配料按一定的比例進(jìn)行混合，成為滿足要求的混合料。為了使混合料不僅有一定的化學(xué)成分，而且有一定的化學(xué)成分穩(wěn)定性和良好的透氣性，要求物料流量的測(cè)量精度高，給料倉(cāng)的物料下料量控制準(zhǔn)確。設(shè)備狀況:控制對(duì)象的設(shè)備狀況需滿足整個(gè)工藝要求，而對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)備又是具體的控制對(duì)象?？刂乒δ埽罕鞠到y(tǒng)是模塊式的、半自動(dòng)的控制系統(tǒng)，包括各臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行控制、各種故障的處理、過(guò)程變量的計(jì)算、PID調(diào)節(jié)以及校秤操作。根據(jù)這些要求，配料系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)檢測(cè)。下位機(jī)采用功能強(qiáng)大、可靠性高、維護(hù)方便且抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器完成對(duì)設(shè)備的控制功能。2) PLC的機(jī)型選擇德國(guó)的西門子(SIEMENS)公司是歐洲最大的電子、電氣制造商。它以品質(zhì)精良的電子、電氣產(chǎn)品聞名于世。在大、中型PLC領(lǐng)域中，德國(guó)西門子與美國(guó)的A-B占據(jù)著同樣重要的地位。本系統(tǒng)采用了西門子S7-300系列PLC。前面已經(jīng)介紹S7-300系列的PLC具有以下特點(diǎn)：a) 循環(huán)周期短、處理速度高，一般每1K語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)間為0.30.6ms,位操作時(shí)間僅為0.0330.6； b) 指令集功能強(qiáng)大、可用于復(fù)雜功能；c) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊、可用于空間有限的場(chǎng)合；d) 模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，最多可擴(kuò)展3個(gè)機(jī)架，即共可掛接模塊32個(gè)； e) 有不同檔次的CPU、各種各樣的功能模塊和I/O模塊可供選擇；f 100%免維護(hù)；g) 已檢定合格的、可在惡劣氣候條件下露天使用的模塊類型。S7-300系統(tǒng)圖如圖4-4所示圖4-4 S7-300系統(tǒng)圖Fig.4-4 The S7-300 system diagramPLC與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是通過(guò)I/O接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLC有許多I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。根據(jù)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)和種類，確定系統(tǒng)的規(guī)模、機(jī)型和配置。I/O點(diǎn)數(shù)的確定要按實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)以及20%-30%的備用量。a) I/O點(diǎn)的配置I/O點(diǎn)數(shù)包括開關(guān)量的I/O點(diǎn)數(shù)、數(shù)字量的I/O點(diǎn)數(shù)、模擬量的I/O點(diǎn)數(shù)以及特殊功能模塊。本系統(tǒng)中共有四套電子皮帶秤裝置，用PLC控制這四臺(tái)電子皮帶秤。每一電子皮帶秤有一臺(tái)皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)、二臺(tái)料位傳感器、一臺(tái)速度傳感器、一臺(tái)變頻器、若干個(gè)自稱重傳感器，構(gòu)成被控對(duì)象。電動(dòng)機(jī)的啟、停由開關(guān)量控制，PLC數(shù)字量輸出05V電壓信號(hào)作為變頻器的控制輸入，然后經(jīng)變頻器調(diào)制輸出高頻脈沖給異步電動(dòng)機(jī)。料位傳感器作為料斗有無(wú)物料的測(cè)量裝置，速度傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)字量輸入：8點(diǎn)，包括稱量皮帶秤、定量皮帶秤的流量檢測(cè)信號(hào)和電機(jī)速度檢測(cè)信號(hào)；開關(guān)量輸入：25點(diǎn)，包括稱量皮帶電機(jī)、圓盤給料機(jī)、定量皮帶電機(jī)、集料皮帶電機(jī)的工作方式(手動(dòng)、自動(dòng))選擇信號(hào)和變頻器工作信號(hào)、故障信號(hào)，料位傳感器信號(hào)以及跑偏檢測(cè)電位器信號(hào)；開關(guān)量輸出:24點(diǎn)，包括各臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)的控制回路接觸器、電磁閥、信號(hào)燈，此外還有變頻器啟停信號(hào)和給定速度信號(hào)。I/O點(diǎn)數(shù)量和類型如表4-1。表4-1 I/O點(diǎn)數(shù)量和類型Tab.4-1 I/O point quantity and typeI/O類型 數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù) 開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù) 開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)信號(hào)類型 流量信號(hào)4 按鈕 3 電磁閥 4速度信號(hào)4 料位傳感器 8 信號(hào)燈 8變頻器故障 4 接觸器 9變頻器運(yùn)行 4 變頻器調(diào)速信號(hào) 3自動(dòng)、手動(dòng)切換開關(guān)SA 2 跑偏檢測(cè)電位器RP2 4小計(jì) 33 24總計(jì) 33/24b) CPU的配置根據(jù)被控對(duì)象的I/O點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，選用西門子公司S7-300系列PLC的CPU為315-2DP，它具有128KB的RAM和最大為8MB的裝載存儲(chǔ)器。用它進(jìn)行邏輯和數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)各部分的工作。S7-315-2DP系列的CPU主要由微型存儲(chǔ)卡(MMC)的插槽、接口X2、電源連接、接口X1(MPI)、模式選擇器開關(guān)、狀態(tài)和錯(cuò)誤顯示組成。 微型存儲(chǔ)卡被用作存儲(chǔ)器模塊，可以將MMC用作裝載存儲(chǔ)器和便攜式存儲(chǔ)介質(zhì)。DP接口X2，一般帶有“DP”名稱后綴的CPU至少配有一個(gè)DP X2接口。它主要用于連接分布式I/O每個(gè)CPU都配有一個(gè)雙孔電源插座。CPU出廠時(shí)，帶有螺絲接線端子的連接器即插在此插座中。接口X1用于PG/OP連接或用于在MPI子網(wǎng)中進(jìn)行通訊的CPU接口。模式選擇開關(guān)用于設(shè)置CPU操作模式。帶有用于CPU存儲(chǔ)器復(fù)位的按鈕功能的模式選擇器開關(guān)位置。采用模式選擇器開關(guān)方式的CPU存儲(chǔ)器復(fù)位需要特定操作順序。狀態(tài)和錯(cuò)誤顯示是常規(guī)顯示。c) 響應(yīng)速度響應(yīng)速度一般從程序的掃描速度來(lái)考慮，通常在PLC的性能指標(biāo)中給出每千字的掃描時(shí)間。3)