基于PLC的载物转台控制系统的设计毕业论文.doc

黑龙江科技大学本科毕业论文基于PLC的载物转台控制系统的设计毕业论文目录摘要IAbustructII目录III第1章 绪 论11.1引 言11.2设计的背景及意义11.3 PLC载物台控制系统的现状21.4转台的计算机控制系统综述31.4.1单机集中控制形式31.4.2多机集散控制形式4第2章 转台的控制方案论证62.1应用单片机进行控制（51单片机）62.2应用工控机进行控制72.3应用PLC进行控制9第3章 载物转台控制系统的硬件设计133.1 PLC可编程控制器的选型133.1.1 S7-300系列模块的选择153.2人机界面HMI的选择193.3 接近开关的选择213.4 行程开关的选择223.5 变频器的选择233.5.1 变频器的基本结构原理233.5.2 变频器的选型依据283.6温度传感器的选择293.7 转速编码器的选择303.7.1 编码器的工作原理323.7.2 编码器选型333.8主电路设计333.9控制电路设计353.9.1 数字量、模拟量输入模块地址分配353.9.2 数字量输出模块接线和地址分配39第4章 载物转台控制系统的软件设计424.1 软件设计概况424.1.1 STEP7软件介绍424.1.2 PLC程序流程设计454.1.3 中断组织块514.1.4 循环中断程序流程设计534.1.5 模拟量处理程序544.2 MCGS触摸屏软件设计554.2.1 MCGS软件介绍554.2.2 MCGS组态设计57第5章 系统的仿真及模拟运行625.1 MCGS 触摸屏的模拟运行显示625.2 控制程序仿真635.2.1仿真结果64第6章 结论66 致谢 67参考文献68 附录1 PLC控制载物转台程序附录2 PLC控制载物转台硬件电路设计图DirectoryAbustruct.I目录.IIDirectory.III1Introduction111.1 Introduction.11.2 Background and Significance.11.3 PLC stage control system status11.4 Summary turntable computer control system.21.4.1Single centralized control.21.4.2Multi-machine distributed control.32 Control scheme turntable.42.1 SCM Control.42.2 IPC Control.52.3 PLC Control.63 Hardware Design.83.1 PLC Selection83.1.1 S7-300 series module selection.93.2 HMI133.3 Proximity switches.143.4 Limit switch.143.5 Inverter.153.5.1 Basic Structure.153.5.2 Selection193.6 Temperature sensor213.7Speedencoder. .22 3.7.1 Works.223.7.2 Selection233.8 Main Circuit Design.233.9 Control Circuit Design.243.9.1 Digital, analog input module.243.9.2 Digital output module.284 Loading turntable control system software design.304.1 Software Design Overview.304.1.1 STEP7 Software.304.1.2 PLC programming process design.324.1.3 Interrupt Organization Blocks.374.1.4 Cyclic interrupt program flow design.384.1.5 Analog processing.394.2 MCGS touch screen software design.404.2.1 MCGS Software.404.2.2 MCGSConfiguration Design.445 System simulation and simulation runs485.1 Simulation runs show575.2 Control program simulation.585.2.1 The simulation results626 Summary and Outlook. 66Acknowledgements.67References.68Appendix 1 PLC control loading turntable hardware circuit designAppendix 2 PLC control loading turntable ladderV第1章 绪 论1.1引 言随着自动化系统、智能化系统的普及和人们生活生产水平的不断加快，生产效率也在不断的提高着。计算机技术的兴起让人们的生活方式由了很大的转变。由于微电子技术和计算机软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使自动控制技术快速发展，不言而喻已经成为了一个国家军事实力和经济实力的重要标志，同时自动控制技术也已经成为了关系到国家经济命脉和生存安危的重要技术之一。转台作为机械、电气、自动化控制等领域中进行半实物仿真和控制的关键硬件设备，在实际应用中起着极其重要的作用，推动了工业自动化的快速发展。1.2设计的背景及意义科学的进步，转台的工业设计取得了前所未有的进步，因其在工业生产中极大的提高了工作效率，被广泛的应用于各种工业生产的领域，包括航空航天等。本课题的目的和任务是通过比较几个流行的控制方式，来选择一种比较在经济和工程上都比较适中载物转台控制系统，用来完成对载物转台各轴物件定位角度的实时采集、监视以及运动姿态的控制等工作。因为转台是一种中小型的机械设备运用的生产，应用PLC进行转台的控制可以发挥其功耗小，操作、安装和维护方便，可靠性高，抗干扰能力等所有的优势。PLC的转台控制装置设计在流水作业中起着举足轻重的作用。设计起来简单易懂，逻辑清晰，易于修改和升级能在工业生产中发挥最大的功能取得最高的利润。1.3 PLC载物台控制系统的现状随着航天、航空工业的发展，对惯性元件的精度要求不断提高，同时也对测试转台的性能指标要求越来越高。本文以PLC载物台控制研究为背景，根据转台总体方案，着重讨论控制器的设计和实时软件的开发1。科学的发展也推动了机械的不断前进不管是在外观、材料还是性能等方面都有了大幅度的提高。在控制系统方面随着时代的变迁转台机越来越趋向于自动化。，传动则由单机联动到单独传动工作温度也由常温常压发展到高温高压由紧式发展到松式。目前转台设计控制正朝着不锈钢、阔幅、松式、高温、小巧、美观大方等多方面相结合的方向发展。其中最为显著的特点是机电一体化程度越来越高，机电一体化是目前新转台发展的必然趋势和目标。机电一体化系统是将传统的机械技术与新兴的微电子技术及信息技术相结合可以说机电一体化是现代机械的标志。目前在国内外机械的机电一体化设计具有以下几个特点： 1.自动控制技术、计算机应用技术不断深入。 由于计算机硬件的大批量生产成本的下降使其在自动设计、自动控制、自动管理方面的应用越来越广泛。2.采用新的控制方法。 在国外有些国家其驱动系统采用液压马达与交流电机和直流电机控制相比其电气控制较为简单但是价格较为昂贵。国内采用变频器和计算机进行恒线速控制价格也相对偏高。 3.多种方式控制技术相结合。 当一台机器需要控制多个参数时，一般不用一种控制方式，而采用多种方式相结合来加以控制。 4.控制系统的数字化、计算机化。随着数字技术、计算机技术的发展，为了使控制更为精确，运行更为可靠，制造厂家普遍采用了数字化技术。并且随着微电子技术的发展，当控制系统较为复杂时，采用微处理机作为主要控制装置，向控制的计算机方向发展。由此可见由单片机、PLC和测速系统实现的转台恒线速控制不仅适合机电一体化的发展方向而且目前这种控制方式是一种新型的控制方式。具有工作可靠、成本低的优点。 1.4转台的计算机控制系统综述计算机的兴起是因为其完美的自动化运行能力和劳动力的完全剥离。除了前期的开发，在整个工作过程中，完全实现了无人参与的实现。这是人权的一次解放。由于计算机的参与，转台的在精度控制，自动运行，自动检测方面有了飞跃的发展。转台的计算机控制系统的发展也经历了由单机集中的方式到多机集散式的控制方法。如图1-1 所示。1.4.1单机集中控制形式由于早期自动控制理论的发展束缚，控制系统的设计思路是一台计算机控制一台转台的运行和控制。整个转台的角度、电机等都由计算机自动完成检测，并完成对电机的精确控制。计算机不联网，省去了很多现代通信功能。当时来看，它的功能单一但是结构简单可维护性较高，操作方便。但是，对整个自动化生产线而言，它并不适合集中的管理和状态显示，现在它只用在对管理要求不高的场合，如车床类的和人工参与程度较大的工业生产线。1.4.2多机集散控制形式随着通信技术和人机界面的发展，现在的转台可以说是发生了非常大的变化，无论是从外观还是到具体的操作模式和通信功能。它既可以实现自动的运行，还能通过各种通信协议上传到集控室里，让工作人员对其进行全状态的检测，万一有问题出现，能及时的报警并自动急停。目前高性能转台多采用集散控制（DCS）机制 ，采用上、下位机构成两 级分布式计算机系统，实现对整个转台的集中综合管理和分散实时控制。上位机采用可视化语言（如VB、VC+）容易建立良好的人机界面，便于用户实现向下位机发送自检信息，并在检测到故障时进行故障处理，设置转台的工作状态和工作参数，向下位机发送命令，接收下位机送回的信息，对出现的异常情况进行报警，以及数据的采集与处理等工作；下位机根据上位机的命令完成对转台各种运动状态的实时控制，主要实现对转台测角系统（旋转变压器、感应同步器）的实时监控和测角数据的读取、处理以及转台数据的及时回传等工作2。 A单机集中控制结构形式 B多机集散控制结构形式 图1-1 转台控制系统两种形式第2章 转台的控制方案论证2.1应用单片机进行控制（51单片机）单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用3。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用4。 单片机自身优点：1.单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031 无）、128B 容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。 2.系统结构简单，使用方便，实现模块化。 3.单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障；4.处理功能强，速度快。5.低电压，低功耗，便于生产便携式产品6.控制功能强7.环境适应能力强。比较其他控制器其缺点：用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。2.2应用工控机进行控制工控机（Industrial Personal Computer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机5。工控机的主要结构：1.全钢机箱IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无缘底板。2.无缘底板无缘底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，改板为四层机构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。3.工业电源为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250,000小时。4.CPU卡IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、P、P主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是：工作温度0-600；装有“看门狗”计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。5.其他配件IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CUP、内存、显卡、硬盘、软驱、显示器等。工控机自身的优点：工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：1.机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。2.机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。3.机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。4.要求具有连续长时间工作能力。5.一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。比较其他控制器其缺点：1.能耗比较大，不利于节约电能。2.成本相对较高，预算投入过大。3.数据安全性比较低。4.存储选择性小。5.配置硬盘容量小2.3应用PLC进行控制PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大6。PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。因为在本文第三章还会有关于PLC的介绍，在这里就不多说了，主要说一下PLC的特性7。可编程控制器（PLC）的优点： 1.功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化8。 2.使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。 PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。 3.安装简单，容易维修。PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。 4.抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。 5.环境要求低。PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。 6.易学易用。PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此，很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流 PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计通过上面的方案论证，三者都没有本质上的区别，都是基于计算机（处理器，存储器，I/O接口等），通过计算机的各种运算控制实现对过程的控制，因为他们的应用范围不同，各有各自的特点；相比较而言，PLC更偏重于开关量的逻辑控制，在成本和可靠性稳定性等原因相比较下，选PLC进行载物台的控制9。第3章 载物转台控制系统的硬件设计3.1 PLC可编程控制器的选型 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等10。3.1.2 S7-300系列模块的选择SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的西门子PLC之S7家族的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；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；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；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12。S7-300 PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形电源（PS）、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。CPU的右边是可以选择的IM接口模块，如果只用主架导轨而没有使用扩展支架可以不选择IM接口模块。S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，CPU和IM分别放在导轨的1号槽、2号槽和3号槽上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。如：DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等。(1)S7-300 CPU模块CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为背板总线提供5V电源。CPU有4种操作模式：STOP（停机），STARTUP（启动），RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：1. 6种紧凑型CPU，带有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。2. 革新的标准型CPU：CPU 312、314和315-2DP。3. 5种标准的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。4. 户外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314户外型和315-2DP。5. 大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。6. 主从接口安全型CPU：CPU 315F-2DP3。(2） I/0模块的选择1、I/O模块点数估算PLC系统所要求的I/O点数与接入的输入/输出设备类型有关。实际选择时一般还需留有10%15%的I/O余量。根据控制要求，估算出本系统有30个开关量输入/输出点。西门子数字量输入模块SM321;DI32*24DC(订货号：6ES7 321-1BL00-0AA0)。其属性为：32点数字量输入，16组电气隔离，额定输入电压为24V适用于开关及2-/3-/4-线接近开关（BERO）。主要技术数据为：电缆长度：非屏蔽600m，屏蔽1000m。允许的电位差：不同电路之间75VDC/60VAC绝缘测试电压：500VDC电流消耗： 背板总线最大15mA同时控制的输入点数：1、水平安装位置时32点。2、垂直安装位置16点。西门子数字量输出模块SM322;D032*DC24V/0.5A(订货号：6ES7 322-1BL00-0AA0)。其技术属性为：32点数字量输出，电气隔离为8组。输出电流0.5mA。适用于电磁阀、DC接触器和信号灯。 技术数据为：1. 输出点数：32点 2. 电缆长度：1、非屏蔽600M,屏蔽1000M。 3. 额定负载电压:L+ 24VDC。 4. 累计输出电流（每组）：水平安装位置最大4A； 垂直安装位置最大2A。 5. 通道之间分成的组数：8组 6. 允许的电位差：不同电路之间75VDC/60VDC 7. 电流消耗：背板总线供电最大110mA 负载电压L+(空载)供电最大160mA 8. 模块功率损耗：通常为6.6W 3、模拟量模块的选择 模拟量输入模块SM331;AI8*12位；（订货号：6ES7 331-7NF00-0AB0）。属性是：1. 4个通道中的8个点输入；2. 测量精度9位+符号，12位+符号，14位+符号；3. 每个通道的可选测量方法：电压、电流、电阻、温度；4. 每个通道组的用户特定测量范围选择；5. 可编程诊断；6. 可编程诊断中断；7. 带限制值监视功能的2个通道；8. 超限时的可编程硬件中断；9. 与背板总线接口电气隔离；10. 与负载电压电气隔离；3.2人机界面HMI的选择 人机界面是一种新型可编程控制终端，是新一代高科技产品，适用于现场控制，可靠性高，编程简单，使用维护方便。在工艺较多又需要人机交互时使用触摸屏，可使整个生产自控化的功能得到大大加强。随着科技进步，智能化、人性化的控制系统越来越得到操作人员的认可，还可以减轻劳动强度、优化生产工艺、提高劳动生产率和降低生产成本起着非常重要的作用。触摸屏结合PLC的使用在变频调速节能环节的应用，让操作者可以直观的设定某些数据如压力、温度、转速等，更加方便快捷，提高生产效率13。北京MCGS昆仑通态组态软件公司是专注于人机界面的专业化公司。MCGS即“监视与控制通用系统”，英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点14。MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下：1概念简单，易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。2功能齐全，便于方案设计。MCGS从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用。3. 实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。4. 建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。 5.设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。 6. “面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。7.完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS 5.1还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。8.强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。9良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS 5.1组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接15。 选用MCGS型号为TPC1062K的触摸屏，分辨率为800*480,10.2英寸TFT液晶屏，ARM CPU ,主频400MHz，64M DDR2内存，128M NAND Flash。3.3 接近开关的选择 西门子3RG4 是专门为检测金属物件而设计的电感式接近开关。外界金属物体对传感器的高频振荡器产生非接触感应作用。振荡器通过传感器的感应表面发出高频交变电磁场，当导电体或导磁材料接近电场时，由于涡流效应使振荡器减振，并经过电子电路产生开关作用。3RG4电感式接近开关能可靠快速的检测金属物体，同时具备特别高的开关精度和操作频率以及长使用寿命。此外还集成有一下保护功能：所有开关均可以选电缆式或插头式链接，作为标准配置电缆链接开关带有2米长的防油PRU电缆。插头式开关的接头为8毫米接头连接器或M12接头16。根据不同的使用要求，BERO电感式接近开关能提供：2线、3线、4线制式。接头方式从圆形3毫米到方形80*40*100毫米；感应距离自0.6毫米到75毫米。PNP/NPN型。常开或者常闭触电型等多种类型和接线方式供用户使用。在其中，还有专门供PLC使用的型号。可用于直接与PLC编程器相通信，漏电流和电压降完全适合PLC的输出要求。符合高标准的感应距离，低成本的接线方式、由PLC直接向开关提供电源。3.4 行程开关的选择行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。行程开关的应用方面很多，很多电器里面都有它的身影。它主要是起连锁保护的作用。最常见的例子莫过于其在洗衣机和录音机（录像机）中的应用了。在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成17。西门子3SE塑壳行程开关的功能是相应于移动机械的位置产生电信号，设备使用于任何气候条件，3SE32开关可作控制系统中的安全位置开关，常闭接点通过栓塞杆强制断开开关的NC触头（正常断开）。为了保证这一可靠切断，行程开关必须被驱动超过额定行程。此外，常开触头仅在常闭触头断开之后闭合（不包括缓动先闭后开触头）。3.5 变频器的选择变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变异步电动机的供电频率进行调速的方法。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，使用方便，调速范围大，稳定性好，运行效率高，可靠性高，经济效益显著。通用变频器已在各行各业中的各种设备上得到广泛应用，并成为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量、改善环境、推动技术进步的主要手段之一。3.5.1 变频器的基本结构原理 作为日常生产生活中应用最广泛的动力来源，电动机可谓是无所不能。无论是家用的水泵、电风扇还是电冰箱、空调，都必须有电机作为起动力系统。在大型工业工厂里，其电机的容量非常大，是整个工厂的用电大户，其80%的电能将被电机消耗掉。电机按电能的类型可以分为：1、直流电机；2、交流电机。交流电机又可以分为：交流同步电机（同步发电机）、交流异步电动机。目前绝大多数的工厂和家庭用到的是交流异步电动机，其制造简单、维护方便，容易控制。而直流电机主要用来控制大功率的设备，但是随着材料技术的发展，直流电机有被取代的趋势18。 异步电动机的的转速公式为： (3-1) 其中： n：电机转速（r/min） f：电源频率（HZ） p：电机磁极对数 s：转差率从以上公式看，调节转速的最佳方法是调节供电电源的频率，调节电源频率的设备就称作变频器，变频器的英文标识为VSD, VFD, Converter, Inverter, Speed Drive等等。实际也称为VVVF：即Variable Voltage Variable Frequency。变频器综合了电子技术、电机控制、计算机技术、控制技术等多种技术为一体。是一种广泛应用于各行各业的电力电子设备，它通过控制电机的旋转速度来满足各行业的需求。 控制模式：变频器一般有三种基本方式可选择： 1有速度传感器矢量控制，闭环矢量。 2无速度传感器矢量控制，开环矢量。 3V/F控制。其中，最常用的是第一种方法，有速度传感器闭环矢量控制，其控制精度很容易达到所需要的精度要求，并且闭环控制可以防止变频器在无人值守的情况下出现危险，损坏机器设备，造成不必要的损失。 使用变频器的好处： A调速方便（相对与调压调速、转子电子调速等）。 B节能（与具体负载、使用情况有关）。 C启动电流小、对电网冲击小（与直接启动比）。 D功能多样，有利于自动化生产、提高生产效率及自动化水平。 使用变频器的坏处： A对其他设备干扰大。 B输出电压是PWM波形，对电机温升及绝缘有不利影响。 C是一个故障源，容易损坏（相对而言）。 D调试、维护等需要一定的技术水平。变频器的使用满足了电能节约和电机速度的要求，但是大功率变频器会给电网造成很大的噪声污染，使地区的电网出现无功功率比较大，谐波较高的情况，所以大功率变频器安装的同时，必须要有就地补偿电抗器，这样就可以抵消变频器的不足之处。电源：变频器的进线电源可以是三相380-500V，或三相200240V，也可以是单相200240V；也可以是690V。电源电压在690V以下时，称作低压变频器，1000V以上时，称作高压变频器。三相电源进线时，不用考虑相许问题，其不影响电机的转向。图3-4 变频器原理图整流部分：D1-D6六个功率二极管组成变频器的全桥整流电路。大多数的变频器都采用三相全波整流，其相对于三相半波整流电路来说有更高效率和更大的输出电压值。三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1.35倍，例如电网电压为400V，则这时直流母线电压为540V左右。但随着负载的波动，直流母线电压也会波动。上电缓冲：上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值1.414U的电压，对储能电容快速充电。为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后，用接触器将该电阻旁路掉。该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。储能滤波：变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高变频器则停止输出。有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。直流电抗器是串联在直流中间回路的一个或两个扼流圈, 因其通过的电流为直流电流, 故亦成为直流扼流圈。直流电抗器的作用是抑制变频器的进线电流谐波,从而减少对电网的污染。通常采用适当大小的直流电抗器,即可使变频器的谐波污染减少到符合标准,这是一种低成本的方案。制动单元:制动单元是一个或一组晶体管,与制动电阻串联之后,接在直流母线上。当直流母线电压超过某规定电压时,制动晶体管导通,直流母线电容和电机向制动电阻释放能量.使直流母线电压降低,降低到另一规定电压后,制动晶