基于S7-300實現(xiàn)的企業(yè)余熱溫度模擬控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） I 目 錄 1 引言 .1 1.1 設(shè)計的背景及意義 .1 1.2 設(shè)計相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 .1 1.3 本課題研究內(nèi)容 .3 2 方案的提出和論證 .4 2.1 方案的提出 .4 2.2 方案的論證及確定 .5 2.3 方案說明 .5 2.4 本章小結(jié) .6 3 變頻調(diào)速恒溫系統(tǒng)硬件設(shè)計 .7 3.1 主電路的設(shè)計 .7 3.2 控制電路的設(shè)計 .14 3.3 本章小結(jié) .23 4 變頻調(diào)速恒溫系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計 .24 4.1 PID 算法簡介 .24 4.2 下位機(jī) PLC 程序設(shè)計 .27 4.3 上位機(jī)人機(jī)接口 WINCC監(jiān)控畫面的設(shè)計.30 4.4 本章小結(jié) .33 5 變頻調(diào)速恒溫供水系統(tǒng)調(diào)試 .34 5.1 調(diào)試步驟 .34 5.2 本章小結(jié) .34 6 全文總結(jié) .35 參考文獻(xiàn) .36 致謝 .37 附錄一 系統(tǒng)程序梯形圖 .38 附錄二 系統(tǒng)硬件原理圖 .53 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 引言 1.1 設(shè)計的背景及意義 能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，深入開展節(jié)能工作，不僅是緩解能源矛盾和保障國家經(jīng)濟(jì) 安全的重要措施，而且也是提高經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量和效益的重要途徑1。由于我國工業(yè)領(lǐng)域余能 利用空間很大，工業(yè)冷卻水、工業(yè)廢水、地?zé)嵛菜刑N(yùn)含著大量熱能，利用熱交換技術(shù)可將 廢水中的低品位余熱轉(zhuǎn)換成高品位熱能，再把這些高品位熱能利用到冬季供暖，即可實現(xiàn)能 源再利用2。在冬季供暖系統(tǒng)中，供暖質(zhì)量的高低取決于供暖系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，供暖調(diào)節(jié)主要是 根據(jù)室外溫度的變化，調(diào)節(jié)供暖溫度、循環(huán)水量等參數(shù)、保持室內(nèi)溫度恒定，防止供暖用戶 室內(nèi)溫度過高過低，造成能源的浪費或影響供暖單位信譽(yù)度。以往供暖單位主要通過調(diào)整鍋 爐的燃燒狀態(tài)和運行時間來控制供水溫度達(dá)到節(jié)省燃煤和鍋爐用電的目的，但由于循環(huán)水的 流量不變，循環(huán)水泵的耗電并未減少，因此，不符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時也增加了 供暖單位的供暖成本。綜上，本文設(shè)計了以 PLC 為控制核心的的變頻調(diào)速恒溫供水系統(tǒng)，基 本上可以改進(jìn)以上存在的問題。 PLC（可編程控制器）是近年來被廣泛應(yīng)用于電氣自動化中的一種數(shù)字運算操作的電子 系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序， 執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式 輸入或輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以 擴(kuò)展一些職能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為 一體，將智能控制、閉環(huán)控制等融為一體的綜合控制3?，F(xiàn)代 PLC 以集成度高、功能強(qiáng)、抗 干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用。 以 PLC 控制的變頻調(diào)速恒溫供水系統(tǒng)可以替代布線復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高的傳統(tǒng)溫度 控制系統(tǒng)，它不僅具有傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)點，滿足供暖系統(tǒng)的需求，也克服了傳統(tǒng)溫度 控制系統(tǒng)的耗電耗能的不足，在現(xiàn)實生活中具有重要的意義4。 1.2 設(shè)計相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外對于溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC 控制、模擬 PID 調(diào)節(jié)器 和數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器等等。 （一）利用單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)溫度恒定的控制，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖 1.1 所示。系統(tǒng)主要包 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 數(shù)字式溫度傳感器 加熱器 控制器 單 片 機(jī) 顯示 越限報警 鍵盤 智能型 熱電耦 溫度表 SZ-4 PLC 輸出 隔離 電路 可 控 硅 爐 體 給定值 熱電耦 Vt 控制電平 電熱絲 括現(xiàn)場溫度采集、實時溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、與報警裝置和系 統(tǒng)核心 AT89S52 單片機(jī)作為微處理器。 圖 1.1 單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)溫度恒定的控制 溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定的 目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的模糊控制算法計算出實時控制量。以此控制量控制固態(tài)繼電 器開通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。在溫度到 達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時，單片機(jī)通過采樣回的溫度與設(shè)置的 目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)的控制，開啟加熱器。當(dāng)用戶需要比實時溫度低的溫度時，此電路 可以利用風(fēng)扇降溫。系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實時顯示。 （二）利用 PLC 實現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng) 利用 PLC 實現(xiàn)對溫度恒定的控制，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1.2 所示：采用 PLC 控制 實現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自動控制方式，來達(dá)到溫度的恒定。智能型電 偶溫度表將置于被測對象中，熱電偶的傳感器信號與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成閉 環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓 Vt，PLC 自適應(yīng)恒溫控制電路，根據(jù) Vt 的大小計算出全通、間接導(dǎo) 通和全斷的自適應(yīng)恒溫控制電路，并將占空比可調(diào)的控制電平經(jīng)輸出隔離電路去控制可控硅 門極的通斷，實現(xiàn)自適應(yīng)的恒溫控制。若溫度升的過快，PLC 也將輸出關(guān)斷電平信號轉(zhuǎn)換為 可控硅電路相匹配的輸入信號。 圖 1.2 利用 PLC 實現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng) （三）利用模擬 PID 調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng) 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 基于模擬 PID 調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)由數(shù)字電路部分和模擬電路兩部分組成，其控制系統(tǒng) 的機(jī)構(gòu)框圖如圖 1.3 所示。由按鍵設(shè)定某一溫度，單片機(jī)對設(shè)定溫度值進(jìn)行查表計算后轉(zhuǎn)換 為對應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過 16 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對應(yīng)的電壓信號，此電壓值于 熱敏電阻實際測量的電壓值進(jìn)行比較產(chǎn)生一個誤差信號，經(jīng)過 PID 電路后，獲得一個控制量 給制冷元件構(gòu)成實時閉環(huán)系統(tǒng)，同時實際測量的電壓值并顯示在液晶屏上。 液晶顯示 復(fù)位 E2PROM 單 片 機(jī) DA AD 鍵盤 PID電路 熱敏電 阻及反 饋電路 功放 制冷 元件 圖 1.3 利用模擬 PID 調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng) 根據(jù)以上系統(tǒng)的優(yōu)缺點本次設(shè)計了基于 PLC 的恒溫控系統(tǒng)。 1.3 本課題研究內(nèi)容 利用適當(dāng)?shù)腜LC和變頻器，應(yīng)用PID控制算法，進(jìn)行電動機(jī)工頻和變頻的切換及工作狀 態(tài)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)根據(jù)不同的需求條件來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和鍋爐工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變達(dá)到對用戶 的供水恒溫控制。其主要技術(shù)要求如下： (1)系統(tǒng)共設(shè)有 4 個泵，分別為 1 號泵，2 號泵，3 號泵，4 號泵； (2)系統(tǒng)采用自動及手動運行方式。自動運行方式中，能夠根據(jù)變頻實際運行頻率和當(dāng) 前實際供水溫度來決定泵的組合運行方式； (3)系統(tǒng)中，泵的組合運行方式共有 3 種狀態(tài)，為 3 變，3 工 4 變,全工。 (4)系統(tǒng)主電路采用一臺變頻器分別控制 2 臺水泵，使 2 臺水泵均為雙主回路的驅(qū)動方 式； (5)采用溫度傳感器測量室內(nèi)外的溫度，作為水泵投入和切換的控制信號。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 2 方案的提出和論證 2.1 方案的提出 冬季供暖質(zhì)量的高低取決于供暖系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。供暖調(diào)節(jié)主要是根據(jù)室外溫度的變化，調(diào) 節(jié)供暖溫度、循環(huán)水量等參數(shù)、保持室內(nèi)溫度恒定，防止供暖用戶室內(nèi)溫度過高過低，造成 能源的浪費或影響供暖單位信譽(yù)度。 供暖的方法直接影響了供暖的質(zhì)量，供暖的調(diào)節(jié)的方式分為兩種：第一種是質(zhì)調(diào)，第二 種是量調(diào)5。下圖 2-1 為供暖系統(tǒng)的原理框圖。 變頻器 PLC Wincc 循環(huán) 水泵 EM 鍋爐 循環(huán)水 檢測電路 按鈕電路 報警電路 圖 2-1 總體方案的系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)主要有幾大部分組成：可編程控制器、變頻器、PC 機(jī)（Wincc 監(jiān)控界面） 、檢測 電路、按鈕電路、報警電路、供暖對象、循環(huán)水泵、鍋爐等組成。 可編程控制器：系統(tǒng)的核心控制部分。對系統(tǒng)發(fā)出指令，達(dá)到控制的目的。 變頻器：主要用于 PLC 通過控制變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制循環(huán)水的流量。 Wincc 監(jiān)控界面：監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 檢測電路：主要用于檢測各種參數(shù)例如室外的溫度、水的流量和溫度等。 循環(huán)水泵：主要用于控制水的循環(huán)，可以使供熱源的熱量通過循環(huán)水傳遞到用戶。循環(huán) 水泵起到提供動力作用。 按鈕電路：主要用于系統(tǒng)的啟動和停止及一些參數(shù)的設(shè)定。 報警電路：主要用于提示人們系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，及時處理故障避免發(fā)生危險和傷害。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 鍋爐：主要用于加熱循環(huán)水。 2.2 方案的論證及確定 方案一：供暖的調(diào)節(jié)方式采用質(zhì)調(diào)。目前普遍采用這種方法，質(zhì)調(diào)是通過調(diào)整鍋爐的燃 燒狀態(tài)和運行時間來控制供水溫度達(dá)到節(jié)省燃煤和鍋爐用電的目的，但由于循環(huán)水的流量不 變，循環(huán)水泵的耗電并未減少。 方案二：供暖的調(diào)節(jié)方式采用量調(diào)，它是根據(jù)室外溫度的變換來調(diào)節(jié)整個供暖系統(tǒng)水流 量的方法改變供暖溫度，當(dāng)室外溫度升高時，使水泵轉(zhuǎn)速降低，水流量降低，水在系統(tǒng)中流 動的時間加長，在相同的供水溫度（t供）下，回水溫度下降，供暖平均溫度 t平=（t供+t回） /2 下降，從而起到溫度調(diào)節(jié)的作用。流量調(diào)節(jié)可分為兩種方法：一是通過控制循環(huán)水泵出水 閥門和系統(tǒng)各支路閥門的開度大小來調(diào)節(jié)，這種方法由于水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，只是人為調(diào)節(jié) 系統(tǒng)阻力，電機(jī)功率變化不明顯，起不到節(jié)電作用。另一種方法是加變頻調(diào)速裝置，自動調(diào) 節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制流量的目的。這種方法操作簡單，節(jié)電效果明顯，是控制溫度 較理想的方法。 通過以上的論證和分析，本文設(shè)計的系統(tǒng)采用方案二即采用量調(diào)結(jié)合變頻調(diào)速的方法進(jìn) 行，滿足需求且節(jié)能降耗。 2.3 方案說明 方案二中的室內(nèi)溫度在實際供暖系統(tǒng)中，一般與室外溫度和供水溫度有關(guān)，而我們設(shè)計 的是一個模擬系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)中室內(nèi)溫度的恒定主要是通過調(diào)節(jié)供水溫度來維持的。該系 統(tǒng)通過控制循環(huán)水的流動來控制供水溫度，從而達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的。 變頻恒溫供水是使用變頻器通過調(diào)節(jié)供水水泵的轉(zhuǎn)速，以維持供水溫度，并使其保持相 對恒定，因此又簡稱恒溫供水。 用變頻器實現(xiàn)的閉環(huán)控制可以保證泵站的出口溫度基本恒定。為了節(jié)省投資，一般只配 備一臺變頻器，某一臺電動機(jī)用變頻器驅(qū)動，其他電動機(jī)仍然用工頻電源驅(qū)動，以實現(xiàn)多泵 并聯(lián)變頻恒溫供水，達(dá)到理想的流量及溫度調(diào)節(jié)效果。 PLC的主要作用是根據(jù)室內(nèi)室外的溫度和供水的溫度，控制變頻及工頻電源供電的水泵 臺數(shù)，對泵站總的供水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在控制系統(tǒng)中，溫度變送器將泵站出口管道的溫度和室內(nèi)室外的溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的 電壓或電流，這些反饋量直接送給 EM 模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換再送給 PLC，PLC 根據(jù)室外溫度和室內(nèi) 溫度和供水溫度的偏差變化情況，經(jīng) PLC 內(nèi)部的 PID運算，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制變 頻及工頻電源供電的水泵臺數(shù)。變頻器的輸出頻率越高，泵站的出口流量就越高。選擇最佳 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 的輸出頻率，既能保證供水溫度，又能防止溫度過高，可以節(jié)約大量的能源。 PLC可以選擇任意一臺電動機(jī)作為變頻運行，其余各臺電動機(jī)由工頻驅(qū)動。根據(jù)當(dāng)前的 供水量和泵站出口處的溫度，控制工頻運行的水泵臺數(shù)，對供水量和流量進(jìn)行粗調(diào)，用變頻 電動機(jī)進(jìn)行細(xì)挑。假設(shè)各泵的電動機(jī)容量相同，當(dāng)用水流量小于一臺泵的流量時，由一臺變 頻泵自動調(diào)速供水。隨著用水流量的增大，由于閉環(huán)控制的作用，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動升高， 以維持恒溫；如果變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速時，管道出口溫度仍未達(dá)到設(shè)定值，則啟動 一臺工頻泵。依此類推，直到出口溫度達(dá)到設(shè)定值。 當(dāng)用室外溫度減少時，鍋爐的加熱狀態(tài)也會降下來，變頻泵的頻率也將自動減小，降到 某一設(shè)定值時，如果管道溫度仍高于設(shè)定值，則切除一臺工頻泵，切除后如果管道溫度仍然 過高，再切除一臺工頻泵，直到管道溫度等于設(shè)定值。 本文設(shè)計的系統(tǒng)中共有 2 臺水泵，其中只有一臺變頻泵。當(dāng)供水設(shè)備供電開始時，先啟 動變頻泵，水溫達(dá)到設(shè)定值時，變頻器的輸出頻率穩(wěn)定在某一數(shù)值上。而當(dāng)用室外溫度降低 時，供水水溫就會升高，傳感器將這一信號送入PLC前端的 EM 模塊，PLC送出一個溫度升高 信號，使鍋爐的加熱狀態(tài)增加，也使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉(zhuǎn)速提高，水溫上升。 如果室外溫度和室內(nèi)溫度降了很多，使變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值，仍不能使水溫達(dá)到設(shè) 定值，則PLC就發(fā)出控制信號，再啟動一臺工頻泵。反之，當(dāng)用室外溫度增加時，變頻器的 頻率達(dá)到最小值時，PLC發(fā)出減少一臺工頻泵的信號和減小爐的加熱狀態(tài)。 系統(tǒng)處于自動運行方式，有 2 臺工作水泵。系統(tǒng)初始上電時，先投入一個泵進(jìn)行變頻運 行，調(diào)節(jié)供水溫度，此時系統(tǒng)為第一臺泵變頻（簡稱“3 變” ）工作方式。若當(dāng)前溫度沒有達(dá) 到給定值，而水泵運行頻率已經(jīng)達(dá)到最高值 50Hz，則此時應(yīng)將工作泵切換至工頻運行，并將 另一待用泵投入變頻運行狀態(tài)，此時系統(tǒng)為第一臺泵工頻、第二臺泵變頻（簡稱“3 工 4 變” ） 工作方式。若處于“3 工 4 變”狀態(tài)時，其實際供水溫度低于給定值，而變頻泵運行低于指 定頻率，則說明用室內(nèi)溫變大，此時只需 1 臺泵工作即可，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入“3 變”運行狀態(tài)。 2.4 本章小結(jié) 本章主要確定變頻調(diào)速恒溫供水系統(tǒng)的設(shè)計方案，主要是針對實際要解決的問題選擇用 變頻調(diào)速的方案來解決，在變頻調(diào)速恒溫供水系統(tǒng)中，是通過變頻器來改變水泵的轉(zhuǎn)速，從 而改變水的流量，進(jìn)而控制室內(nèi)的溫度。用 PLC 控制的變頻恒溫供水量調(diào)的方法取代調(diào)整鍋 爐的燃燒狀態(tài)質(zhì)調(diào)的方法，使室內(nèi)溫度達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在室外溫度變化劇烈時，系統(tǒng) 自動切換到最佳狀態(tài)運行，以進(jìn)一步節(jié)能降耗，提高節(jié)能效果。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 3 變頻調(diào)速恒溫系統(tǒng)硬件設(shè)計 該系統(tǒng)硬件主要有兩大部分組成：主電路和控制電路。 主電路由電機(jī)、變頻器、熔斷器、交流接觸器、熱繼電器等組成，完成電機(jī)的工頻及變 頻的切換。 控制電路由 PLC、檢測電路、按鈕電路、報警電路等組成，完成溫度信號的檢測以及對 主電路電機(jī)的控制。 以下詳細(xì)介紹變頻調(diào)速恒溫系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作原理。 3.1 主電路的設(shè)計 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 圖 3-1 主電路電氣原理圖 電氣控制系統(tǒng)主電路包括兩臺水泵電機(jī)、兩臺其他控制用電機(jī)，刀開關(guān)，交流接觸器， 電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器、熔斷器以及變頻器。 3.1.1 水泵的選擇 水泵型號和臺數(shù)的選擇，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁刈兓?guī)律選擇，即應(yīng)滿足當(dāng)室外溫度達(dá)到最 寒冷使所有用戶室內(nèi)溫度穩(wěn)定在較理想溫度6。還應(yīng)考慮以下方面因素： (1)水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實際供熱高度。 (2)揚(yáng)程應(yīng)在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)，以減少耗電量。 (3)水泵型號應(yīng)使泵站建筑面積和泵站的基礎(chǔ)埋深為最小，以降低泵站造價。 (4)水泵構(gòu)造應(yīng)使泵站內(nèi)管線簡單，以減少水頭損失。 (5)安裝管理方便。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 根據(jù)模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計，選用的水泵型號是管道離心泵IRG32-160，共 4 臺。水泵參 數(shù)如表 3-1。 表 3-1 水泵參數(shù) 材質(zhì)鑄鐵驅(qū)動方式電動 型號IRG32-160原理離心泵 流量4.5（m3/h）電動功率1.5（kw） 轉(zhuǎn)速2900揚(yáng)程32（m） 3.1.2 電機(jī)的選擇 電動機(jī)選擇的主要內(nèi)容包括：電動機(jī)的類型、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等7。電 動機(jī)選擇的一般原則： （1）類型的選擇 選擇哪種類型的電動機(jī)，一方面要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)的機(jī)械特性、起動性能、調(diào)速 性能、制動方法和過載能力等方面的要求，另一方面在滿足上述要求的前提下，還要從節(jié)省 初期投資，減少運行費用等經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行綜合分析，最后將電機(jī)的類型確定下來。 對起動、調(diào)速等性能沒有特殊要求的情況下，優(yōu)先選用三相籠型異步電動機(jī)。 （2）功率的選擇 正確地選擇電動機(jī)的額定功率非常重要，額定功率選擇得過大，電動機(jī)長期在欠載狀態(tài) 下運行，不僅增加設(shè)備投資，還會降低其效率和功率因數(shù)（對異步電動機(jī)而言）等指標(biāo)，增 加運行費用；額定功率選擇太小，電動機(jī)長期在過載狀態(tài)下運行，會使電動機(jī)過熱而降低使 用壽命，甚至拖動不了生產(chǎn)機(jī)械，因此應(yīng)使所選電動機(jī)的額定功率等于或稍大于生產(chǎn)機(jī)械所 需要的功率。 （3）電壓的選擇 根據(jù)電動機(jī)的額定功率和供電電壓的情況選擇電動機(jī)的額定電壓。例如，三相異步電動 機(jī)電動機(jī)的額定電壓主要有 380V、3000V、6000V 和 10000V 等幾種，由于高壓電器設(shè)備的初 期投資和維護(hù)費用比低壓電器設(shè)備貴得多，一般當(dāng)電動機(jī)額定功率 PN200KW 時，往往選用 380V 電動機(jī)；PN200KW 的電動機(jī)一般都是高壓電動機(jī)，由于 3KV 電網(wǎng)的損失較大，而 10KV 電動機(jī)的價格有比較昂貴，除特大型電機(jī)外一般大中型電動機(jī)都選用 6KV 電壓。 （4）轉(zhuǎn)速的選擇 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速和傳動方式，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。額定功 率相同的電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速高，電動機(jī)的重量輕、體積小、價格低、效率和功率因數(shù)（對三相 異步電動機(jī)而言）也較高。若生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速比較低，電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速比較高，則傳動機(jī) 構(gòu)復(fù)雜、傳動效率降低，增加傳動機(jī)構(gòu)的成本和維修費用，因此，應(yīng)綜合分析電動機(jī)和生產(chǎn) 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 機(jī)械二方面的各種因素最后確定電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。 （5）外形結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)電動機(jī)的使用環(huán)境選擇電動機(jī)的外型結(jié)構(gòu)。電動機(jī)的外型結(jié)構(gòu)有以下幾種：開啟式、 防護(hù)式、封閉式、密封式、防爆式。 （6）安裝形式的選擇 根據(jù)電動機(jī)在生產(chǎn)機(jī)械中的安裝方式來選擇電動機(jī)的安裝型式。我國目前生產(chǎn)的電動機(jī) 的安裝型式主要有 B3（臥式，機(jī)座帶底腳，端蓋上無凸緣） 、B5（臥式，機(jī)座不帶底腳，端 蓋上有凸緣） 、B35（臥式，機(jī)座帶底腳，端蓋上有凸緣） 、V1（立式，機(jī)座不帶底腳，端蓋 上有凸緣） 。每種又分單軸（一端有轉(zhuǎn)軸伸出）和雙軸兩種（兩端都有轉(zhuǎn)軸伸出）兩種。 （7）工作制的選擇 根據(jù)電動機(jī)的工作方式選擇電動機(jī)的工作制。國產(chǎn)電動機(jī)按發(fā)熱與冷卻情況不同，分為 九種工作制，如連續(xù)工作制、短時工作制、斷續(xù)周期工作制等等。選擇工作制與實際工作方 式相當(dāng)?shù)碾妱訖C(jī)比較經(jīng)濟(jì)。 系統(tǒng)中根據(jù)前述各項的選擇原則選擇電動機(jī)的型號。 根據(jù)以上原則，選擇本系統(tǒng)所需的電動機(jī)型號為 y90s-2，其各參數(shù)如表 3-2。 表 3-2 電動機(jī)的參數(shù) 電機(jī)名稱：Y 系列三相異步電機(jī)型號：Y90S-2 額定功率 kw：1.5轉(zhuǎn)速 r/min：2840 電流：3.4效率：78 功率因數(shù)：0.85堵轉(zhuǎn)電流額定電流：3.4 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.2最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩：2.3 重量：21噪音：75 類別：Y 系列 3.1.3 變頻器的選擇及確定 變頻器的選擇及確定應(yīng)充分考慮到所應(yīng)用場合使用工況條件的最惡劣情況，留有足夠的 設(shè)計裕度和必要的保護(hù)措施8。在選型時應(yīng)對技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，以選擇相 應(yīng)的變頻器規(guī)格容量。 變頻器與電動機(jī)的匹配主要是電動機(jī)的額定電壓及電流，如果電動機(jī)額定電流小于同功 率的變頻器額定電流，一般來說用同等功率的就足夠了，但如果大了，只好用大一級的變頻 器。對于鼠籠式異步電動機(jī)，變頻器的容量選擇應(yīng)以變頻器的額定電流大于電動機(jī)的最大正 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 常工作電流的 1.1 倍為原則，這樣可以最大限度地節(jié)約資金。在選用變頻器時除了考慮技術(shù) 性和可靠性外還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，一般不要留有太大功率余量，變頻器與電動機(jī)兩者的功率應(yīng) 相匹配，不但經(jīng)濟(jì)性好而且輸出波型更好。 變頻器的選擇主要考慮以下因素： (1)電壓等級與驅(qū)動電動機(jī)相符。 (2)額定電流為所驅(qū)動電動機(jī)額定電流的 1.11.5 倍。 (3)根據(jù)被驅(qū)動設(shè)備的負(fù)載特性選擇變頻器的控制方式。 由于電動機(jī)的額定功率為 1.5KW，所以變頻器的容量 1.5KW 即可。本設(shè)計采用西門子的 變頻器 MM440 系列型號為 6SE6440-2UD21-5AA1。 MicroMaster440 是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它采用高性能的矢量控 制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強(qiáng)的過載能力，以滿足廣泛的 應(yīng)用場合。 變頻器使用時，首先應(yīng)該結(jié)合實際應(yīng)用對其功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此，本次設(shè)計中選用 的變頻器參數(shù)設(shè)置如表 3-3 所示。 表 3-3 變頻器參數(shù) 功能代碼含義設(shè)定值作用 P0700選擇命令源2由端子排輸入 P0701數(shù)字輸入1功能1正轉(zhuǎn)/停車命令 P0725PNP/NPN 數(shù)字輸入0NPN P0731數(shù)字輸出1功能52.3變頻器故障信號 P0732數(shù)字輸出2功能52.2實際頻率降至最低頻率 P0733數(shù)字輸出3功能52.A實際頻率等于50Hz P0756ADC 類型0010V P0771DAC 的功能21反映實際頻率 P1330變頻器的控制方式2帶拋物線特性的 U/f 曲線 P2200運行 PID 投入1允許投入 P2253PID 設(shè)定值信號源2250已激活的 PID 設(shè)定值 P2264PID 反饋信號755.0AIN1 P2271PID 反饋形式0 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 P2274PID 微分時間（D）一般設(shè)為0（默認(rèn)值） ，微分不起作用 P2280PID 比例系數(shù)（P） P2285PID 積分時間（I） 實際調(diào)試確定，初始值可采用 3.1.4 熱繼電器的選擇 熱繼電器的作用是對連續(xù)運行的電動機(jī)實施過載及斷相保護(hù)，可防止因過熱而損壞電動 機(jī)的絕緣材料9。由于熱繼電器中發(fā)熱元件有熱慣性，在電路中不能作瞬時過載保護(hù)，更不 能作短路保護(hù)。熱繼電器按相數(shù)來分有單項、二相和三項 3 種類型。三相式熱繼電器常用于 三相交流電動機(jī)的過載保護(hù)，按功能不同可分為帶斷相保護(hù)和不帶斷相保護(hù)兩種類型。 熱繼電器的工作原理是熱繼電器是由流入熱元件的電流產(chǎn)生熱量，使有不同膨脹系數(shù)的 雙金屬片發(fā)生形變，當(dāng)形變達(dá)到一定距離時，就推動連桿動作，使控制電路斷開，從而使接 觸器失電，主電路斷開，實現(xiàn)電動機(jī)的過載保護(hù)。 熱繼電器的選用應(yīng)綜合考慮電動機(jī)的形式、工作環(huán)境、起動情況、負(fù)荷情況等幾方面因 素。 （1）原則上熱繼電器的額定電流應(yīng)按電動機(jī)的額定電流選擇。對于過載能力較差的電 動機(jī)，其配用的熱繼電器（主要是發(fā)熱元件的額定電流）為電動機(jī)的額定電流 60%-80%。 （2）在不需要頻繁起動的場合，要保證熱繼電器在電動機(jī)的起動過程中不產(chǎn)生誤動作。 通常，當(dāng)電動機(jī)起動電流為其額定電流的 6 倍以及起動時間不超過 6S 時，若很少連續(xù)起動， 則可以按電動機(jī)的額定電流選取熱繼電器。 （3）當(dāng)電動機(jī)為重復(fù)短時工作時，首先要確定熱繼電器的允許操作頻率。因為熱繼電 器的操作頻率是很有限的，如果用來保護(hù)操作頻率較高的電動機(jī)，效果很不理想，有時甚至 不起作用。 （4）對于正反轉(zhuǎn)和通斷頻繁的特殊工作制電動機(jī)，不宜采用熱繼電器作為過載保護(hù)裝 置，而應(yīng)使用溫度繼電器或熱敏電阻來保護(hù)。 根據(jù)上述選型的原則，系統(tǒng)中選擇熱繼電器型號為 JR16-20/2.2 3.5。 3.1.5 交流接觸器的選擇 接觸器是一種用來頻繁地接通和斷開（交、直流）負(fù)荷電流的電磁式自動切換電器，主 要用于控制電動機(jī)、電焊機(jī)、電容器組等設(shè)備，具有低壓釋放的保護(hù)功能，適用于頻繁操作 和遠(yuǎn)距離操作，是電力拖動自動控制系統(tǒng)中使用最廣泛的電氣器件之一10。接觸器按流過主 觸點電流性質(zhì)的不同，可分交流接觸器和直流接觸器。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 接觸器選擇遵守以下原則 （1）接觸器的類型選擇。根據(jù)接觸器所控制負(fù)載的輕重和負(fù)載電流的類型，來選擇交 流接觸器或直流接觸器。 （2）額定電壓的選擇。接觸器的額定電壓應(yīng)大于或等于負(fù)載回路電壓。 （3）額定電流的選擇。接觸器的額定電流應(yīng)大于或等于被控回路的額定電流。對于電 動機(jī)負(fù)載可按下式計算： 3 10 N c N P I KU 式中 IC流過接觸器主觸點的電流（A）； PN電動機(jī)額定功率（KW）； UN電動機(jī)的額定電壓（V）； K經(jīng)驗系數(shù)，一般取 11.4； 選擇接觸器的額定電流應(yīng)大于等于 IC。接觸器如使用在電動機(jī)頻繁起動、制動或正反轉(zhuǎn) 的場合，一般將接觸器的額定電流降一個等級來使用。 （4）吸引線圈的額定電壓選擇。吸引線圈的額定電壓應(yīng)與所接控制電路的額定電壓相 一致。對簡單控制電路可直接選用交流 380V、220V 電壓，對復(fù)雜、使用電器較多者，應(yīng)選 用 110V 或更低的控制電壓。 （5）接觸器的觸點數(shù)量、種類選擇。接觸器的觸點數(shù)量和種類應(yīng)根據(jù)主電路和控制電 路的要求選擇。如輔助觸點的數(shù)量不能滿足要求時，可通過增加中間繼電器的方法解決。 交流接觸器的選用，是根據(jù)負(fù)荷的類型和工作參數(shù)合理選用的。 本次設(shè)計采用 CJX2-1810. 其參數(shù)見表 3-4。 表 3-4CJX2-1810 參數(shù) 型號 CJX2-1810 是否提供加工定制是 品牌?？殿~定電壓24/440（V） 機(jī)械壽命100（萬次）電壽命50（萬次） 產(chǎn)品認(rèn)證 CCC 適用范圍工控系統(tǒng) CJX2-1810 型的交流接觸器的特點： CJX2-1810 交流接觸器主要用于交流 50Hz 或 60Hz，額定工作電壓至 660V，在 AC-3 使用 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 類別下額定工作電壓為 380V 額定工作電路中，供遠(yuǎn)距離接通與分?jǐn)嚯娐分?。CJX2-1810 和 CJX2-1810 交流接觸器并可與熱繼電器直接插接組成電磁起動器，以保護(hù)可能發(fā)生操作過 負(fù)荷的電路。CJX2-1810 交流接觸器還可組裝積木式輔助觸頭組、空氣延時頭、機(jī)械聯(lián)鎖機(jī) 構(gòu)等附件，組成延時接觸器、可逆接觸器、星三角起動器。 3.1.6 低壓斷路器的選擇 低壓斷路器又稱自動空氣開關(guān)，可用來分配電能、不頻繁地起動異步電動機(jī)、保護(hù)電動 機(jī)及電源等，具有過載、短路、欠電壓等保護(hù)功能11。 低壓斷路器的選擇應(yīng)遵守以下原則 （1）低壓斷路器的額定電流和額定電流應(yīng)大于或等于線路、設(shè)備的正常工作電壓和工作電 流。 （2）低壓斷路器的極限分?jǐn)嗄芰?yīng)大于或等于電路短路電流。 （3）過電流脫扣器的額定電流應(yīng)大于或等于線路的最大負(fù)載電流。 （4）欠電壓脫扣器的額定電壓等于線路的額定電壓。 低壓斷路器QF是保護(hù)消防電動機(jī)過電流，短路和欠壓電壓的保護(hù)設(shè)備，QF在電機(jī)主回 路中，額定電壓U應(yīng)為AC380V，因電動機(jī)功率Pe為 1.5KW，電機(jī)額定電流為 3.4A。 系統(tǒng)中選用的是DZ47-60 小型斷路器，其適用于照明配電系統(tǒng)(C型)或電動機(jī)的配電系 統(tǒng)(D型)。主要用于交流 50Hz/60Hz，額定電壓至 400V，額定電流至 60A的線路中起過載、 短路保護(hù)，同時也可以在正常情況下不頻繁地通斷電器裝置和照明線路。 3.1.7 熔斷器的選擇 熔斷器是根據(jù)電流超過規(guī)定值一段時間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電 路斷開；運用這種原理制成的一種電流保護(hù)器12。熔斷器廣泛應(yīng)用于高低壓配電系統(tǒng)和控制 系統(tǒng)以及用電設(shè)備中，作為短路和過電流的保護(hù)器，是應(yīng)用最普遍的保護(hù)器件之一。 (1)熔斷器類型的選擇：選擇熔斷器的類型時，主要依據(jù)負(fù)載的保護(hù)特性和短路電流的 大小。例如，用于保護(hù)照明和電動機(jī)的斷路器，一般是考慮他們的過載保護(hù)，這時，希望熔 斷器熔斷系數(shù)適當(dāng)小些，所以容量較小的照明線路和電動機(jī)宜采用熔體為鉛鋅合金的RC1M 系列的斷路器，而大容量的照明線路和電動機(jī)，除過載保護(hù)外，還應(yīng)考慮短路時的分?jǐn)喽搪?電流的能力，若短路電流較小時，可采用熔體為錫質(zhì)的RC1A系列或熔體為鋅質(zhì)的RM10 系 列的熔斷器。用于車間低壓供電線路的保護(hù)熔斷器，一般是考慮短路時候的分?jǐn)嗄芰?，?dāng)短 路電流較大時，宜采用具有較高分?jǐn)嗄芰Φ腞L1 系列熔斷器，當(dāng)短路電流相當(dāng)大時，宜采用 有限流作用的RT0 及RT12 系列熔斷器。 (2)熔體額定電流的選擇：用于保護(hù)照明或電熱設(shè)備的熔斷器，因為負(fù)載電流比較穩(wěn)定， 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 所以，熔體的額定電流應(yīng)等于或稍微大于負(fù)載的額定電流，即 ere II 式中熔體的額定電流； re I 負(fù)載的額定電流。 e I 用于保護(hù)單臺長期工作電動機(jī)(即供電支線)的熔斷器，考慮電動機(jī)起動時不應(yīng)熔斷，即 ere II)5 . 25 . 1 ( 式中： 熔體的額定電流； re I 電動機(jī)的額定電流。 e I 輕載起動或起動時間比較短時，系數(shù)可取近 1.5，帶重載起動或起動時間比較長時，系 數(shù)可取近 2.5。 用于保護(hù)頻繁起動的電動機(jī)(即供電支線)的熔斷器，考慮頻繁起動時的發(fā)熱，熔斷器也 不應(yīng)熔斷，即 ere II)5 . 33( 式中：熔體的額定電流； re I 電動機(jī)的額定電流。 e I 用于保護(hù)多臺電動機(jī)（即供電支線）的熔斷器，在出現(xiàn)尖蜂電流時也不應(yīng)熔斷。通常， 將其中容量最大的一臺電動機(jī)起動，而其余電動機(jī)正常運行時出現(xiàn)的電流作為其尖蜂電流， 為此，熔體的額定電流應(yīng)滿足下述關(guān)系。即 eere III max )5 . 33( 式中：多臺電動機(jī)中容量最大的一臺電動機(jī)額定電流； maxe I 其余電動機(jī)的額定電流之和。 e I (3)熔斷器之間的配合：為了防止發(fā)生超級熔斷，上、下級（即供電干、支線） 。 (4)熔斷器額定電壓的選擇：熔斷器的額定電壓應(yīng)等于或者大于所在電路的額定電壓。 根據(jù)上述選擇原則，系統(tǒng)中選擇RT14-30 型的熔斷器。 3.2 控制電路的設(shè)計 3.2.1 可編程控制器的選擇及確定 本次設(shè)計可編程控制器的選擇及確定主要根據(jù)了工藝過程的特點、控制要求，控制任務(wù) 和范圍，所需的操作和動作。根據(jù)控制要求，估算了輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 從控制要求來看需要從以下幾方面來選則控制器的型號13。 1、輸入輸出(I/O)點數(shù) I/O 點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加 10%-20%的 可擴(kuò)展余量后，作為輸人輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。本次設(shè)計大約使用 20 個 I/O 點數(shù)根據(jù)要求需 要 24 個 I/O 點數(shù)。 / M=M+%20% I O總實 （1 10） 2、存儲器容量 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用 戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。經(jīng)程序調(diào)試之后，得知 程序容量為 1M 需要 1M 的存儲器容量。 3、控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的 選擇。 （1）運算功能 簡單 PLC 的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通 PLC 的運算功能還包括數(shù)據(jù) 移位、比較等運算功能；較復(fù)雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC 中還有模擬量 的 PID 運算和其他高級運算功能。我們需要 PID 運算，即需要選擇中型 PLC 作為此次設(shè)計的 控制器。 （2）控制功能 控制功能包括 PID 控制運算、前饋補(bǔ)償控制運算、比值控制運算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確 定。PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬 量的控制，有時也采用專用的智能輸人輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度 和節(jié)省存儲器容量。例如采用 PID 控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、ASC 碼 轉(zhuǎn)換單元等。 （3）通信功能 大中型 PLC 系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議(如 TCP/IP),需要時應(yīng)能與工廠管 理網(wǎng)(TCP/IP)相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合 ISO/IEEE 通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開放的通信網(wǎng)絡(luò)。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 PLC 系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口(RS-232C/422A/423/485),RIO 通信口、 工業(yè)以太網(wǎng)、常用 DCS 接口等;大中型 PLC 通信總線(含接口設(shè)備和電纜)應(yīng) 1:1 冗余配置， 通信總線應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實際要求。 （4）編程功能 PLC 的編程有離線編程和在線編程兩種。5 種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言:順序功能圖(SFC)、梯形 圖(LD)、功能模塊圖(FBD)三種圖形化語言和語句表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)兩種文本語言。一 般的可編程控制器都能滿足以上要求。 （5）診斷功能 PLC 的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修 時間。根據(jù)工藝要求有必要選擇大中型 PLC 作為控制器。 （6）處理速度 PLC 采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號持續(xù)時間 小于掃描時間，則 PLC 將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的丟失。 處理速度與用戶程序的長度、CPU 處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，PLC 接點的響應(yīng) 快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時間約 0.2-0.4 /As，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求 快的應(yīng)用需要。掃描周期(處理器掃描周期)應(yīng)滿足:小型 PLC 的掃描時間不大于 0. 5 ms/K; 大中型 PLC 的掃描時間不大于 0.2ms/K. 根據(jù)工藝要求一般的 PLC 都能滿足要求。 輸人輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當(dāng)點 數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。 從經(jīng)濟(jì)性的考慮，同時考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較 和兼顧，最終選用中型 PLC 作為控制器，CPU 的型號為 314C-2 DP， 輸入 I/O 點數(shù)為 24 點， 輸出點數(shù)為 16 點。 3.2.2 step-300 硬件介紹 SIMATIC S7-300 系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種單獨模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。 它的主要組成部分有導(dǎo)軌(RACK)、電源模塊(PS)、中央處理單元模塊(CPU)、接口模塊(IM)、 信號模塊(SM)、功能模塊(FM)等。它通過MPI網(wǎng)的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和 其它S7 PLC相連。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 一、SIMATIC S7-300 主要功能： (1) 高速的指令處理。0.10.6 us的指令處理時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) 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 話的編程要求大大減少。 (3) 診斷功能。CPU的智能化的診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯誤和 特殊系統(tǒng)事件。 (4) 口令保護(hù)。多級口令保護(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。 二、CPU模塊 S7-300 的CPU 模塊（簡稱為CPU）都有一個編程用的RS-485 接口，有的有PROFIBUS- DP接口或PtP串行通信接口,可以建立一個MPI（多點接口）網(wǎng)絡(luò)或DP 網(wǎng)絡(luò)。西門子模塊共 有 8 種不同的中央處理單元可供選擇。CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有現(xiàn)場 總線擴(kuò)展功能。CPU以梯形圖LAD、功能塊FBD或語句表STL進(jìn)行編程。根據(jù)本系統(tǒng)的要求 最后選擇了CPU314C-2DP系統(tǒng)的CPU。 CPU 314C-2 DP 是一個用于分布式結(jié)構(gòu)的緊湊型CPU。通過其擴(kuò)展的工作存儲器，該緊 湊型CPU也適用于中等規(guī)模的應(yīng)用。內(nèi)置數(shù)字量和模擬量I/O可以連接到過程信號， PROFIBUS DP 主站/從站接口可以連接到單獨的I/O單元14。因此，314C-2 DP CPU 可以用 作局部單元進(jìn)行快速預(yù)處理，也可以用作帶從屬現(xiàn)場總線系統(tǒng)的一個高級控制。此外，可以 使用于過程處理相關(guān)的功能：計數(shù)、頻率測量、PID 控制。 (1) CPU 314C-2 DP 安裝有： 微處理器：處理器處理每個二進(jìn)制指令的時間達(dá)到 100 - 200 ns 擴(kuò)展存儲器：96 KB 高速 RAM (相當(dāng)于大約 32 K 的指令) 用于執(zhí)行相關(guān)的程序部 分，為用戶程序提供充分的空間；微存儲卡（最大 8 MB）作為程序的裝載存儲器，也允許 在 CPU 中保存項目（包括完整符號和注解） 。 靈活的擴(kuò)展能力：多達(dá) 31 個模塊， （4 排結(jié)構(gòu)） 多點接口 MPI：內(nèi)置 MPI 接口可以最多同時建立 12 個與 S7-300/400 或與 PG、PC、OP 的連接。在這些連接中，始終分別為 PG 和 OP 各保留一個連接。通過“全局 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 數(shù)據(jù)通訊” ，MPI可以用來建立最多 16 個CPU組成的簡單網(wǎng)絡(luò)。 PROFIBUS DP 接口：帶有 PROFIBUS DP 主/從接口的 CPU 314C-2 DP 可以用來建立 高速、易用的分布式自動化系統(tǒng)。 對用戶來說,分布式I/O單元可作為一個集中式單元來處 理(相同的組態(tài)、編址和編程). 內(nèi)置輸入/輸出：24 個數(shù)字量輸入(所有輸入都可用作中斷處理)和 16 個數(shù)字量輸出， 以及 4 個模擬量輸入和 2 個模擬量輸出，使得CPU 314C-2 DP是一款完美的PLC。 表 3-5 和表 3-6 分別為數(shù)字量輸入輸出和模擬量輸入輸出的特性15。 表 3-5 數(shù)字量輸入輸出特性 數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出 數(shù)字量輸入點數(shù)24數(shù)字量輸出點數(shù)16 其中可用于技術(shù)功能的輸入16其中高速輸出4 輸入電壓輸出電壓 額定值(DC)24 V1信號, 最小L+ (-0.8 V) 0信號-3 至 5 V輸出電流 1信號15 至 30 V1信號,額定值500 mA 輸入電流1信號允許范圍, 最小5 mA 1信號, 典型值9 mA1信號允許范圍, 最大0.6 A 從0到1, 最大8 s1 最小負(fù)載電流5 mA 0信號殘余電流, 最大0.5 mA 阻性負(fù)載,最大100 Hz 感性負(fù)載,最大0.5 Hz 表 3-6 數(shù)字量輸入輸出特性 模擬量輸入模擬量輸出 模擬量輸出點數(shù)2用于電壓/電流測量的模擬量 輸入點數(shù) 4 電壓輸出，最大短路電流55 mA 電流輸出,空載,最大17 V用于電阻/溫度測量的模擬量 輸入點數(shù) 1 0 至 10 V 電壓輸出范圍 -10 至 +10 V電壓輸入時允許的輸入電壓 （破壞極限） ，最大 30 V；恒壓 電流輸出范圍0 - 20 mA 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 -20 至 20 mA用于電流輸入的允許輸入頻 率(破壞極限),最大 2.5 V；恒壓 4 - 20 mA 輸入阻抗(在額定輸出范圍內(nèi))用于電壓輸入的允許輸入電 流(破壞極限),最大 0.5 mA；恒流 電壓輸出時，最小1 k 電壓輸出時，最大容性負(fù)載0.1 F電流輸入時允許的輸入電流 （破壞極限） ，最大 50 mA; 長期 電流輸出時，最大300 0 至 +10 V電流輸出時，最大感性負(fù)載0.1 mH 輸入范圍(額定值)，電壓 -10 V 至 +10 V 0 - 20 mA -20 至 20 mA輸入范圍(額定值)，電流 4 - 20 mA (2)集成功能： 計數(shù)器：4 個計數(shù)器(最高 60kHz)，具有獨立方向的比較器，可直接連接到 24V增量 編碼器。 4 通道頻率測量：允許進(jìn)行頻率測量（高達(dá) 60 kHz） ，例如，測量軸速或吞吐量（每 個測量周期內(nèi)的件數(shù)） 脈寬調(diào)制：4 個輸出可直接連接控制閥、執(zhí)行器、開關(guān)設(shè)備、加熱裝置等，例如采樣 頻率為 2.5 kHz。 可設(shè)置周期長度并可在運行時修改占空比。 定位控制：集成在操作系統(tǒng)中的SFB可通過 2 個數(shù)字量輸出或 1 個模擬量輸出對 1 個 軸進(jìn)行定位控制。 中斷輸入（所有數(shù)字量輸入）：中斷輸入可以檢測過程事件，并在最時間內(nèi)對響應(yīng)進(jìn) 行觸發(fā)。 三、電源模塊 PS307 是西門子公司為S7-300 專配的 24 V DC電源。PS307 系列模塊除輸出額定電流不 同外(有 2 A、5 A、10 A三種)，其工作原理和各種參數(shù)都相同。PS307 可安裝在S7-300 的 專用導(dǎo)軌上，除了給S7-300 CPU供電外，也可給I/O模塊提供負(fù)載電源。 本次設(shè)計我選用的電源型號是PS307-5A。其具有以下顯著特性：