毕业设计（论文）-基于PLC的装配线空压机控制系统的改造设计.doc

河南科技学院河南科技学院 2009 届本科届本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 论论文文题题目：基于目：基于 PLC 的装配的装配线线空空压压控制系控制系统统的改造的改造 设计设计 学生姓名：学生姓名： 靳靳 志志 立立 所在院（系）：机所在院（系）：机电电学院学院 所学所学专业专业： ： 应应用用电电子技子技术术教育教育 导师导师姓名：姓名： 刘刘 法法 治治 完成完成时间时间： ： 2009 年年 5 月月 20 日日 河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书 题目名称 基于 PLC 的装配线空压机控制系统的改造设计 学生姓名靳志立所学专业应电技术教育班级043 班 指导教师姓名 刘法治所学专业机电一体化职称高级实验师 完成期限 2008 年 12 月 22 日 至 2009 年 6 月 5 日 论文（设计）主要内容及主要技术指标 1.主要内容 采用 PLC 控制技术对原有系统进行改造, 设计装配线空压机自动控制系统。研究内容 包括系统结构和控制方案、控制系统硬件设计、控制系统软件设计。 2.技术指标 （1）PLC 容量和性能要与任务相适应 ； （2）PLC 运行速度要满足实时控制的要求； （3）传感器接线形式要与 PLC 的 I/O 接口相匹配； （4）系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动空压机的电机过热保护， 故障报警等功能。 毕业论文（设计）的基本要求 1.毕业设计报告：有 400 字左右的中英文摘要，正文后有 20 篇左右的参考文献，正文 中要引用 5 篇以上文献，并注明文献出处。 2.有不少于 2000 汉字的与本课题有关的外文翻译资料。 3.毕业设计字数在 20000 字以上。 4.结构图和电路图。 5. I/O 地址表、梯形图或程序清单。 三、毕业论文（设计）进度安排 1.2008 年 12 月 22 日-2009 年 1 月 9 日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料 翻译和开题报告。 2. 2009 年 2 月 16-2 月 27 日（第 1-2 周），指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料 翻译。 3. 2009 年 3 月 2 日-4 月 24 日（第 3-10 周），毕业设计单元部分设计。 4. 2009 年 4 月 27 日-5 月 1 日（第 11 周），毕业设计中期检查。 5. 2009 年 5 月 4 日-5 月 22 日（第 12-14 周），设计仿真、程序调试、线路板制作调试，整 理、撰写毕业设计报告。 6. 2009 年 5 月 25-6 月 5 日（第 15-16 周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查 评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。 河南科技学院本科河南科技学院本科毕业论毕业论文（文（设计设计）中期）中期进进展情况展情况检查检查表表 学生姓名靳志立班级应教 043 班指导教师刘法治 论文（设计）题 目 基于 PLC 的装配线空压控制系统的改造设计 1.开题报告已经完成并且上交 2.资料的搜集工作结束，所需资料已经基本找到 3 资料的整理工作已经结束 4.设计的总体框架已经成型 目 前 已 完 成 任 务 是否符合任务书要求进度： 是 1.进行软硬件的结合 2.进一步修改参数，与理论对比 3.初次整理论文，交由老师指导 4.控制程序的编制 5.调试 尚 需 完 成 的 任 务 能否按期完成论文（设计）： 能 存 在 问 题 1.对于 PLC 与变频器的通讯还不太明白 2 PLC 的程序设计还有缺陷 3.论文中还有一些问题 存 在 问 题 和 解 决 办 法 拟 采 取 的 办 法 1.找指导老师，向老师详细请教不明白的地方 2 通过查阅相关资料，在硬件结构的设计中不断的完善软件结构的设计。 3.和其他同学互相讨论，解决存在的问题. 指导 教师 签字 日期 年 月 日 教学 院长 （主任） 意见 负责人签字： 年 月 日 河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告 题目名称 基于 PLC 的装配线空压控制系统的改造设计 学生姓名靳志立 专业应用电子技术教育 学号20040325034 指导教师姓名刘法治所学专业机电一体化职称高级实验师 完成期限 2008 年 12 月 12 日至 2009 年 6 月 5 日 一、选题的目的意义 目前，在现代生产力不断提高的情况下，空压站建设是一项重要的辅助工程。在很多生产 场所所有空压站配备的主要设备为离心式空气压缩机、冷冻式空气干燥器，通过储气罐、连接 管道和阀门等组成压缩空气供气系统，并配套冷却系统、仪表空气系统，计算机检测系统，以 实现空压站为生产一线保证不同压力、不同负荷的用气需求。在此前提下确保合格的供气品 质，满足稳定的气源压力，自动调节供气流量等是空压站自动控制的基本任务。随着自动化水 平的不断提高，关于建设无人值守空压站的讨论，是一个发展过程中的必然的课题。 二、国内外研究现状 空压机控制系统经历了以下两个阶段： 传统的空压机控制系统采用压风系统采用开环方式，压力系统通过压力调节器来控制空 压机的载荷与卸荷。当风包压力超过设定的上限值时 ,压力调节器控制空压机卸荷 ,当风包压 力低于设定的下限值时 ,压力调节器控制空压机载荷 ,空压机和电动机满负荷运转。这种运行 方式存在如下的缺点： (1)压风系统采用开环控制方式 ,供风压力在上、下限之间波动 ,不能保证恒压供风。 (2) 空压机的电动机直接起动或电动机转子串电阻起动 ,起动时电流很大 ,对电网和机械设 备造成很大的冲击 ,缩短机械设备的寿命。 (3)空压机空运转时 ,其拖动电机还保持运转 ,其消耗的电能约为其额定值的 30 %左右 , 严重地浪费电能。随着电子技术和计算机控制技术广泛的应用，采用 plc 与变频器的协调控制， 变频器设有压力闭环控制和开环控制手动调节两种控制方式 ,有一个选择开关可以进行选择。 正常工作时 ,采用压力闭环控制方式 ,使用压力变送器检测空压机的实际供风压力 ,并将其与 供风压力的设定值相比较 ,用比较得到的差值调节空压机的转速 ,保持空压机的供风压力恒 定为设定值。在变频器控制柜的柜门上设有供风压力设定的电位器和数字显示 ,操作司机可 方便地设定供风压力。 三、主要研究内容 （1）PLC的选型，变频器的选型。 （2）控制方案的设计。 （3）传感器接线形式与 PLC 的 I/O 接口的设计； （4）系统的手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护，故障报 警设计。 （5）PLC程序的编制。 （6）系统可靠性设计。 （7）安装调试分析。 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 1. 基于 PLC 的装配线空压控制系统的改造设计方案 传统设计通常是采用压风系统采用开环方式，还要加上相应的软件。随着现代工业自动化 水平的不断进步，以及各种工艺要求的大幅提高，传统控制方式明显无法满足相应的要求。采 用 plc 与变频器的协调控制，采用压力闭环控制方式 ,使用压力变送器检测空压机的实际供风 压力 ,并将其与供风压力的设定值相比较 ,用比较得到的差值调节空压机的转速 ,保持空压机 的供风压力恒定为设定值。 2.主要的技术指标及要求 （1）PLC 容量和性能要与任务相适应 ； （2）PLC 运行速度要满足实时控制的要求； （3）传感器接线形式要与 PLC 的 I/O 接口相匹配； 3.需要完成的工作 （1）掌握空压机控制系统的传统设计方法及存在的问题和改进的方法； （2）空压机控制系统的总体框架设计，初步使用 plc 进行设计； （3）控制系统的软件框架设计； （4）系统集成调试； （5）总结 主要参考文献与资料 1 刘瑞国，陈艳，彭延生。煤矿机电J。变速调速技术在矿上空气压缩机中的应用。2005，1 2 石景丽，刘荣军，朱 平._压缩机技术J变频调速技术在压缩机节能一 改造上的应 用1998，3 3 林 梅，吴业正压缩机自动阀M西安：西安交通大学出版社，1991 4 黄立培，张学变频器应用技术及电动机调速M北京：人民邮电出版社，1998 5 廖常初S7-300400 PLC京：机械工业出版社，2005 6 崔 坚. 西门子工业网络通京：机械工业出版社2004 7 李方园变频器行业应用实践北京 ：中国电力出版社 ，2006 8 李方园变频器 自动化工程实践北京：电子工业出版社，2007 9 张燕宾，胡纲衡，唐瑞球使用变频调速技术培训教程北京：机械工业出版社，2004，8 10 吴忠智，吴加林 变频器应用手册(第2版)北京：机械工业出版社，2003 11 吴忠智，黄立培，吴加林调速用变频器及配套设备选用指南北京：机械工业出版社，2002 12 贾世胜，朱学军，等通风系统调整中常见问题及对策J山西煤炭，2002，(2) 13 丁纪凯，许逸舟基于PLC和现场总线的污水处理系统J机电一体化，2006，1 14 秋洁变频器应用基础M北京：机械工业出版社2003 15 玮矿井主要用通风机在线监测监控现状及展望J煤矿安全，1999，12 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 河南科技学院毕业论文（设计）课题河南科技学院毕业论文（设计）课题审核表审核表 院（系）名称机电学院 专业名称应用电子技术教育 指导教师 姓名及职称 刘法治 高级实验师 课题名称基于 PLC 的装配线空压机控制系统的改造设计 课题来源 横向联合 立题理由 和所具备 的条件 目前，在许多装配线的空压控制系统中，大多仍采用继电接触器控制 系统，但这种控制系统体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故 障困难等存在着很多的缺陷；且因工作空压机一直高速运行，而备用空压 机一直处于停止状态，不能轮休工作，易使工作空压机产生故障，降低了使 用寿命。 设计采用 PLC 控制技术对原有装配线上空压控制系统进行改造, 设 计新的空压自动控制系统，使工作空压机和备用空压机定时轮换工作，提 高了空压控制系统稳定性和安全性，且节能效果显著， 同时 PLC 控制系 统具有对空压机的电机过热保护，故障报警等功能特点，为空压控制系统 的节能技术改造提供一条新途径。 学院具有 PLC 技术、电气技术、传感器技术等实验室，且课题老师长 期从事这方面的教学与研究，为课题的顺利进行作了必要的准备。 教研室 审批意见 教研室主任签字： 年 月 日 毕业论文（设 计）工作领导 小组审批意见 组长签字： 年 月 日 注：本表经教务处复审后存院（系）备查。 摘摘 要要 在现代生产力不断提高的情况下，建设无人值守的空压站，是一个社会发展 过程中的必然选择。本文主要论述了一种基于PLC的装配线空压机控制系统的改 造设计方案，采用PLC对空压机进行自动控制改造，实现空压机的远程控制和生 产设备的集中控制。在改造原有系统的基础上，将空压机电机的直接启动控制方 式改为变频控制，减小对系统电网的冲击和节约能源，同时制定了具体实施的控 制方式、设备启停步骤、软件功能、功能扩充、报警系统。并利用相应的控制算法， 实现供气的恒定，提高供气质量和效率，保证各项工作的安全生产。 关关键词键词： ：PLC，变频控制，自动控制 The design of Air assembly line based on PLC control system Abstract In a situation that modern productivity is improving constantly,it is an important project of assisting to pigeonhole while being empty and stand and build.Produce all place empty to press capital equipment allocated to stand for centrifugal air compressor,desiccator in a lot of freezing type air,make up the air supply system of the compressed air through gas tank,joining pipe.The main content of this text is to describe transforming the design plan of a kind of air compressor control system of assembly line based on PLC Key words：PLC,frequency conversion,Auto control 目目 录录 1 绪论.1 2 系统构成及工作原理.1 2.1 设计方案的确定.1 2.2 系统构成.2 2.3 工作原理.3 2.4 控制过程.3 2.4.1 恒压控制.3 2.4.2 节能控制.4 3 硬件电路设计.4 3.1 PLC 可编程控制器部分.5 3.1.1 PLC 概述.5 3.1.2 PLC 选型和性能指标.7 3.1.3 PLC 内部分配.7 3.1.4 输入输出外部接线.7 3.2 模数转换模块.9 3.3 传感器部分.11 3.4 变频器部分.12 3.5 监控对象空压机.13 3.6 系统的保护及故障警报的发出.14 4 系统的软件设计.14 4.1 系统的总体框图设计.14 4.2 程序的结构及程序功能的实现.16 4.2.1 系统的初始化程序.16 4.2.2 系统的主控制程序.16 4.2.3 系统的中断程序.17 5 结束语.17 致谢.17 参考文献.19 附录.20 1 1 绪论绪论 在现在工业生产中，空压机在冶金机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺 等行业都有广泛的应用。传统的空压机供气控制方式大都是采用加、卸载控制方 式。该控制方式虽然原理简单、操作简便，但是存在能耗大、进气阀易损坏、供气 压力不稳定等诸多问题。随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电 子技术、自动控制技术的高度发展和应用，使变频器的节能效果更为显著，它不 但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能 实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制相对于其它调速方式(如:降压调速、变 极调速、滑差调速、交流串级调速等)具有更大的优势，变频调速性能稳定、调速 范围广、效率高。为此本文采用 PID 技术和变频器实现对螺杆式空气压缩机的 节能改造。整个工作系统的安全性和稳定性都有了很大提高，节能效果显著，实 用性好。 2 系系统统构成及工作原理构成及工作原理 2.1 设计设计方案的确定方案的确定 传统的空压机控制系统采用开环方式，压力系统通过压力调节器来控制空压 机的载荷与卸荷。当风包压力超过设定的上限值时 ，压力调节器控制空压机卸 荷，当风包压力低于设定的下限值时，压力调节器控制空压机载荷，空压机和电 动机满负荷运转1。这种运行方式的缺点： （1）压风系统采用开环控制方式 ，供风压力在上、下限之间波动，不能保证 恒压供气。当压力达到设定的高限时，卸荷阀关闭，空压机和电动机空运转，当 压力达到设定的低限时，卸荷阀打开，空压机和电动机满负荷运转，这种运行方 式过于频繁地起动设备和电动机，对电网和机械设备造成较大的冲击，使设备的 寿命缩短，设备维护量加大。 （2）空压机的电动机直接起动或电动机转子串电阻起动，起动时的电流很大， 对电网和机械设备造成很大的冲击，缩短机械设备的寿命。 （3）空压机空运转时，其拖动电机还保持运转，其消耗的电能约为其额定值 的 30 %左右，严重地浪费电能。空压机及其拖动电机长期全速运转时，使电动机 和空压机传动部件的寿命降低，润滑油消耗也大，成本加大，另外，空压机运行 一段时间后温度升高很快，需要频繁地切换空压机。 本设计采用变频器的控制，变频器设有压力闭环控制和开环控制手动调节 两种控制方式，有一个选择开关可以进行选择。正常工作时，采用压力闭环控制 方式，使用压力变送器检测空压机的实际供风压力，并将其与供风压力的设定值 相比较，用比较得到的差值调节空压机的转速，保持空压机的供风压力恒定为设 2 定值。在变频器控制柜的柜门上设有供风压力设定的电位器和数字显示，操作司 机可方便地设定供风压力。为了使压力变送器发生故障时，变频系统也可以应急 工作，变频器也可以使用电位器手动调节电机的转速，在一定范围内调节空压机 的供风压力。在变频控制柜上的柜门设有变频故障复位按钮，在变频器发生故障 时，操作工可方便地对故障进行复位。把空压机原有的监控装置的接点引入变频 器控制回路进行联锁 ，当空压机的压力、温度等参数超过高限值或出现断气信 号时，自动停止变频运行。别外，在空压机拖动电机底部设置一个冷却风扇，当 电机低速运转时对电机进行冷却，起到很好的效果。 PLC 作为装配线空压机控制系统主要控制器，其主要任务就是代替调节器 实现空气压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字 PID 调节;它还控制空 压机的运行与切换，在多台空压机组恒压供气站中，为了使设备均匀的磨损，空 压机是轮换的工作2。如规定和变频器相连接为空压机(空压机也是轮流担任的)， 主空压机在运行时达到最高频时，须增加一台工频机投入运行。PLC 则是机组管 理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制。恒压供气站中变频器常常采用模拟 量控制方式，这需采用 PLC 的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受 到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经 PID 处理后 得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，空压站的 其他控制逻辑也由 PLC 承担，如:手动、自动操作转换，空压站的工作状态指示， 空压站的工作异常的报警，系统的自检等等。 2.2 系系统统构成构成 本系统是采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优 化控制空压机组的调速运行，并自动调整空压机组的运行台数，完成空气压力的 闭环控制，在管网流量变化时达到稳定空气压力和节约电能的目的。系统的控制 目标是空压机站总管的出口空气压力，系统设定的给定空气压力值与反馈的总 管压力实际值进行比较，其差值输入 CPU 运算处理后，发出控制指令，控制空压 机的投运台数和运行变量电动机的转速，从而达到空气总压力稳定在设定的压 力值上。恒压供气就是利用变频器的 PID 或 PI 功能实现的工业过程的闭环控制。 即将压力控制点测的压力信号(420)直接输入到变频器中，由变频器将其与 用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置 PID 运算将结果转换为频率调 节信号调整电机的电源频率，从而实现控制空压机转速成。可编程控制器为本系 统的逻辑控制部件，是整个控制系统的核心部分， 选用了德国西门子公司的产 品，型号为 S7-200。其输入输出模块均为继电器型节点，非常适合本系统的控制 需要。变频器为无级调节空压机电机速度的部件，是系统的传动部分，选用了西 门子公司的产品，该变频器采用 MM440 模块，可大大降低电机高频噪声，减少 3 对电网的污染，同时也能降低空压机电机温升，系统构成如图 1 所示。 图 1 系统框图 2.3 工作原理工作原理 本系统采用闭环控制。启动前，工矿企业根据生产情况，把生产所需的管网 压力通过 PID 设定给系统。启动后，系统以管网压力作为反馈， 把同时工作的 空压机分成两组。在计算机(PLC)控制下，由变频调速器控制其中一台异步空压 机的转速，降低或提高当前机组的供气量，在小范围内稳压；其余空压机当前机 组由(PLC)人机对话系统通过继电器- 交流接触器控制装置，自动启、停工频运 行，在大范围内满足管网压力的需要3。从而达到了系统既保持管网压力的恒定， 满足生产的需要，又节约能源的目的。空压系统的整体自动调控一般可以使用以 下方法来实现：采用 PLC 系统进行通讯和控制。该方法可靠性高，适用于工业控 制系统。当监控计算机出现故障时，PLC 还可以按照设定的程序进行自动控制。 除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络， 实现集中控制，或与工厂控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控，实 现真正的无人值守。 2.4 控制控制过过程程 2.4.1 恒恒压压控制控制 系统恒压控制是通过变频调压和增减当前空压机运行的台数来实现的。系 统启动后，压力传感器把当前管网压力转换成 420mA 电流信号送给 PID， PID 与设定值比较，如发现压力偏低或偏高，一方面向 PLC 发出调压申请，另一 S7-200 可编程控制器 1#定子温度传感器 1#轴承温度传感器 2# 空 压 机 组 2#轴承温度传感器 2#定子温度传感器 1# 空 压 机 组 空气压力传感器 空气压力传感器 1 EM231 扩展模 块 开关信号 声光报警 控制回路 EM235 扩展模 块 变频器 2 变频器 1 4 方面则通过 PID 控制算法计算出调节量送给变频器。当 PLC 接到调压信号后， 如是压力偏低信号，PLC 先检查变频器运行状态，如没有运行在工频状态，则 PLC 命令变频器加速运行，提高系统供气量，这就是变频调压，满足系统小范围 稳压;如变频器已运行在工频状态，则 PLC 提示系统增加一台工频运行的空压机， 在大范围调压，提高管网压力，如此往复直至最后一台空压机的压力合适，正常 运行为止。当 PLC 检测到管网压力过高时，检查变频器运行状态，如已运行在频 率低限(30Hz)，则命令系统依次停工频运行的空压机，直至压力合适。控制过程 如图 2 所示： 图 2 控制过程 2.4.2 节节能控制能控制 系统节能是通过变频器控制空压机的转速来达到的。根据异步机转速公式： n= 60f (1- S)p （1） 在磁极对数不变的前提下，改变电源频率，就可实现异步机的无级调速。而 又由空压机的运行特性可知：风量与转速一次方成正比；风压与转速二次方成正 比；轴功率与转速三次方成正比4。因此，系统可根据空气压力大小变频降速，降 低空压机功耗，实现节能目的。 3 硬件硬件电电路路设计设计 传统硬件控制系统采用空压机设备与控制系统的配合使用。空压机设备自 身带有的 CMC 控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息， 具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有 LCD 显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有 RS422/485 通讯接口，可以 实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。空压站的自控系统通过 plc 可编 程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过 RS422/485 通讯接口采集进 PLC 控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但 是没有对空压机进行控制。空压机设备自带的 CMC 控制器已经能很好的控制单 台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空 压机的调整，空压系统的整体自动调控具有更重要的意义。 在已有的 PLC 系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自 PID 压力给定量 SP偏差 ePID 输出 Y 过程变量 压力反馈量 PV _ + 变频调速系统 5 带的 CMC 控制器提供了 RS422/485 通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通 过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要 改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制5。除空压机设备外，还可以 将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到 RS422/485 网络中来，实现空压供气设 备的全面自控。除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如 水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统 控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控 制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。 本设计系统主要由 plc、变频器、空压机组成。现场仪表，受控设备、执行器、 带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等，监控计算机。实现操作简单，无 人值守；良好的实时调节，防止了人为因素滞后；具有高可靠性；减轻工作人员负 担；节省人力成本。需要控制的参数和可能的控制方式。空压站需要的控制需求； 高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）；系统自动供压控制；空压机温度控 制；自动报警控制等等。 3.1 PLC 可可编编程控制器部分程控制器部分 3.1.1 PLC 概述概述 PLC 是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工 业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输 出接口，控制各种类型的机械或生产过程。由中央处理单元（CPU）、存储器 （RAM、ROM、EPROM、EEPROM 等）、输入接口、输出接口、I/O 扩展接口、外部 设备接口以及电源等组成。内部结构如图 3 所示： 图 3 PLC 内部结构 CPU 单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储 输 输 入 出 单 单 元 元 电源部分 CPU 存储器 编程器或其他编程单元 电磁阀 接触 器 行程开关 继电器触 点 按钮 指示灯 6 器等组成，它是 PLC 的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯 片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和 数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条 读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数 据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运 算任务，并根据运算结果控制输出设备。 存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器 （ROM）。随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数， 在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状 态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存 储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防止断电后数据丢失， 可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存 5 年，当电池电压降低时，欠电压 指示灯发光，提醒用户更换电池。只读存储器在两种，一种是不可擦除 ROM，这 种 ROM 只能写入一次，不能改写。另一种是可擦除 ROM，这种 ROM 经过擦除 以抂这可以重写。其中 EPROM 只能用紫外线探险内部信息，E2PROM 可以用电 擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留 10 年左右。 输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是 PLC 与现场输入 输出设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC 通过输入模块把工业设备或生 产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通 过输出模块输出给执行单元。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到 PLC 外部，输出模块具有隔离 PLC 内部电路和外部执行单元的作用，还具有功 率放大的作用。输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。 接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是 用于扩展输入输出单元。它使 PLC 的控制规模配置得更加灵活。这种接口为总 线形式，可以配置开关量的 I/O 单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊 I/O 单元及通信适配器等。编程器接口是连接编程器的，PLC 本体通常是不带编程器 的。为了能对 PLC 编程及监控，PLC 上专门设置有编程器接口。通过这个接口可 以接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作。存储器接口是 为了扩展存储器而设置的。用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可 以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的，通信接口是为了在微 机与 PLC、PLC 与 PLC 之间建立通信网络而建立的接口。 3.1.2 PLC 选选型和性能指型和性能指标标 根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、I/O 点数、以及设置数据需要 7 得内存大小，本文中所选用的 PLC 是西门子公司的产品 S7-200 系列，CPU 的型 号是 CPU226。CPU226 集成了 24 点输入和 16 点输出，共有 40 个数字量 I/O 点。 可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O。CPU226 有 13KB 程序和数据存储空间，6 个独立的 30kHz 高速脉冲输出， 具有 PID 控制器。CPU226 配有 2 个 RS-485 通信编程口，具有 PPI 通信、MPI 通 信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。 3.1.3 PLC 内部分配内部分配 CPU226I/O 接口及内部寄存器分配如表 1 和表 2。 表 1 内部存储器使用 触摸屏 PID 参数设定置VW10风机组启动位M00 触摸屏 PID 参数增益VW12手动、自动转换M01 触摸屏 PID 参数采样时间VW14电机急停M02 触摸屏 PID 参数积分时间VW16自动空压机组 1 启动位M10 触摸屏 PID 参数微分时间VW18自动空压机组 2 启动位M11 PID 反馈量（PVn）VD100手动空压机组 1 启动位M12 PID 给定置（SPn）VD104手动空压机组 2 启动位M13 PID 输出置（Yn）VD108防止空压机组 1 频繁启动位M14 PID 增益（KC）VD112防止空压机组 2 频繁启动位M15 PID 采样时间（T）VD116压力下限位M20 PID 积分时间（TI）VD120空压机组 1 轴温报警位M200 PID 微分时间（TD）VD124空压机组 1 轴温断电切换位M201 模拟输入压力值存储VD128空压机组 1 定温报警位M202 压力下限存储VD132空压机组 1 定温断电切换位M203 空压机组 1 轴承温度VD180空压机组 2 轴温报警位M204 空压机组 1 定子温度VD184空压机组 2 轴温断电切换位M205 空压机组 2 轴承温度VD188空压机组 2 定温报警位M206 空压机组 2 定子温度VD192空压机组 2 定温断电切换位M207 手动报警VD196 3.1.4 输输入入输输出外部接出外部接线线 CPU226 接线规则如下： （1）DC 输入端中 1M、I0.0I1.4 为第 1 组，2M、I1.5I2.7 为第 2 组组成， 1M、2M 分别为各级公共端。DC24V 的负极接公共端 1N 或 2M。输入开关的一 8 端接天 DC24V 的正极，输入开关的另一端连接到 CPU226 各输入端。DC 输出端 中 1M、1L+、Q0.0Q0.7 为第 1 组，2M、2L+、Q1.0Q1.7 为第 2 组组成。 1L+、2L+分别为公共端。第 1 组 DC24V 的负极接 1M 端，正极接 1L+端。输出负 载的一端接到 1M 端，输出负载的另一端接到 CPU226 各输出端。第 2 组的接线 与第 1 组相似。接继电器输出端的 1L 端。负载的另一端分别接到 CPU226 各继 电器输出端子。第 2 组的接线与第 1 组相似。根据接线规则，PLC 输入/输出接线 和变频器接线图如图 4 所示。 表 2 I/O 接口分配表 输入输出 空压机启动SB1I00空压机组 1 输出KM1Q00 空压机停止SB2I01空压机组 2 输出KM2Q01 手动自动转换SB3I02工频输出KM3Q02 空压机组选择SB4I03空压力下限指示灯L1Q04 变频工频转换SB5I04空压机组 1 运行指示灯L2Q05 报警解除按钮SB6I05空压机组 2 运行指示灯L3Q06 空压机组 1 转子测速器输入SB7I06空压机组 1 温度上限指示灯L4Q07 空压机组 2 转子测速器输入SB8I07空压机组 2 温度上限指示灯L5Q10 急停SB9I10蜂鸣器 1SpeakerQ11 压力传感器输入 1AIW0急停指示灯L6Q12 压力传感器输入 2AIW2空压机组错选指示灯L7Q13 空压机组 1 轴温度传感器输入AIW4空压机组 1 机械故障指示L8Q14 空压机组 1 定温度传感器输入AIW6空压机组 2 机械故障指示L9Q15 空压机组 2 轴温度传感器输入AIW8手动指示灯L10Q16 空压机组 2 定温度传感器输入AIW10自动指示灯L11Q17 压力模拟量输出QW0 （2） DC 输入继电器输出端与 CPU226 的 DC 输入 DC 输出的相同。继电器 输出端由 3 组构成，其中 N（-）、1L、Q0.0Q0.3 为第 1 组，N（-）、 2L、Q0.4Q1.0 为第 2 组，N（-）、3L、Q1.1Q1.7 为第 3 组。各组的公共端为 1L、2L 和 3L。第 1 组负载电源的一端 N 接负载的 N（-）端，电源的另一 L（+）。 KM1 2L Q0.6L3 Q0.4 L1 Q0.5L2 Q0.7 L4 Q1.0 L5 3L Q1.6L1 0 Q1.7 L1 Q1.2 L6 Q1.3 L7 Q1.4L8 Q1.5L9 Q1.1 Speaker Q0.0 KM2 Q0.1 1L KM3 Q0.2 1M I0.0 SB1 I0.1 SB2 I0.2 SB3 I0.3 SB5 I0.5 SB7 I0.6 SB8 I0.7 SB9 I1.0 SB10 SB6 9 图 4 PLC 输入/输出和变频器接线图 3.2 模数模数转换转换模模块块 模数转换模块分为 A/D 转换模块和 D/A 转换模块。PLC 模拟量处理功能主 要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感 器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到 PLC 中。PLC 根据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过 模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。 表 3 EM231 性能指标 型号6ES7231-7PD22-0XA0模块更新时间405ms 10 模块名称及描述EM231 模拟输入热电偶 4 输入数据字格式-32767 到 +32767 尺寸（mm） WHD7128062基本误差 01%FS（电压） 重量210g冷端误差 15 功耗18W重复性 005%FS +5VDC87mA导线长度到传感器最长 100m +24VDC60mA输入阻抗 1M 输入类型悬浮型热电偶最大输入电压30VDC 输入范围TC 类型（选择一种） S，T，R，E，N，K，J 电压范围： +/-80mV 输入滤波衰减-3dbat21kHz 输入分辨率01/0115 位加符号位24VDC 电压范围 204288V DC PLC 模拟量扩展单元的配置及应用，PLC 的普通输入输出端口均为开关量 处理端口，为了使 PLC 能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式 PLC 加配 模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为 PLC 可处理的数字 量及将 PLC 内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有 单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。 如用 S7-200 系列 PLC 的模拟量扩展模块 EM235，它具有四路模拟量输入及一 路模拟量输出，可以用于恒压供气控制中。 本系统设计有 6 路模拟量输入和 1 路模拟量输出，其中有四路是温度传感 器输入。所以本设计选用一块 EM231 热电偶模