论文-自控硬件设计

1、港口散粮装卸控制系统的研究与应用2 PLC控制系统随着技术的发展，PLC不仅可以实现一般的逻辑控制，还具备了包括模拟量在内的数值处理和网络通信等功能。PLC通信能力的增强，使得控制系统的配置可以更加灵活、方便。将计算机与PLC结合起来，可以充分利用PLC的可靠性、开发周期短、编程容易等显著特点；充分利用计算机友好的人机对话和监控功能，并可以进行一定的辅助决策，这样就可以组成高性能价格比的控制系统。本自动控制系统采用了国际上先进的MODICON公司Quantum系列产品，通过Modbus plus网络实现分布式I/O控制。控制系统PLC主机模块选用的是Quantum的140CPU42402和14

2、0CPU43402,控制系统PLC其他硬件也采用Quantum系列产品。Quantum是具有数字量处理能力的专用计算机系统,具有模板化、可扩展的体系结构，包括CPU模版、I/O模版、I/O接口、通讯模板、电源和底板。2.1 PLC模块2.1.1 PLC电源模块PLC输入模块采用Quantum系列140CPS11400,其主要参数如下:¨ 输入电源: 170-276VAC(模块接线端子开路)¨ 额定功率: 130VA¨ 内接熔断器容量: 2A¨ 输出到总线最大电流: 8A电源模块故障检查步骤:首先检查模块上Pwr OKLED是否亮,如果亮则表示电源已送到总

3、线,如果不亮则检查外供电源,外供电源正常则检查模块内接熔断器,内接熔断器正常则是模块故障。2.1.2 PLC主机模块PLC主机模块采用Quantum系列140CPU42402,其主要参数如下:¨ 用户逻辑存储容量：64KW¨ 最大I/O点数：64K(I/O任混)¨ 程序解算时间: 0.3mS/K1.4mS/K¨ DIO最大网络数：3¨ RS232（Modbus）通信口: 1个¨ RS485(Modbus Plus)通信口: 2个(冗余)网络主机模块LED显示功能描述及故障诊断:LED颜色LED ON时指示内容Ready绿CPU上电自检

4、通过Run绿CPU开始运行程序Modbus绿Modbus通信口正在通讯Modbus+绿Modbus Plus通信口正在通讯Mem Prt琥珀存储器写保护(存储器保护开关动作)Bat Low红锂电池电压低需更换Error A红Modbus+ A网通信故障Error B红Modbus+ B网通信故障主机模块前面板装有两个3位置滑动开关,该开关设置RS232（Modbus）通信口参数。主机模块后面板上装有2个旋转开关，用于设置该模块在Modbus Plus通信网络地址。2.1.3 PLC网络可选模块PLC网络可选模块采用Quantum系列140NOM21200，该模块具有1个RS232（Modbus

5、）通信口；2个(冗余)RS485(Modbus Plus)通信口。网络可选模块LED显示功能描述及故障诊断:LED颜色LED ON时指示内容Ready绿模块通过上电诊断Run绿设备为核心方式，正常操作总是OFFModbus绿Modbus通信口正在通讯Modbus+绿Modbus Plus通信口正在通讯Error A红Modbus+ A网通信故障Error B红Modbus+ B网通信故障网络可选模块前面板装有两个3位置滑动开关,该开关设置RS232（Modbus）通信口参数。网络可选模块后面板上装有2个旋转开关，用于设置该模块在Modbus Plus通信网络地址。2.1.4 PLC网络通信模块

6、PLC网络通信（DIO）模块采用Quantum系列140CRA21200，该模块具有2个(冗余)RS485(Modbus Plus)通信口。网络通信模块LED显示功能描述及故障诊断:LED颜色LED ON时指示内容Ready绿模块通过上电诊断Fauit红该模块与一个或更多DIO模块之间通信故障或一个输出模块被Modbus+网刷新Pwr ok绿总线电源正常Modbus+绿Modbus Plus通信口正在通讯Error A红Modbus+ A网通信故障Error B红Modbus+ B网通信故障网络通信模块后面板上装有2个旋转开关，用于设置该模块在Modbus Plus通信网络地址。140CRA2

7、1200主要技术参数：n 输入电源：85276VACn 熔断器容量（外接）：1.5An 输出总线电流：3An RS485(Modbus Plus)通信口: 2个(冗余)网络2.1.5 PLC A/D转换模块PLC A/D转换模块模块采用Quantum系列140ACI03000，该模块是8路单极性模拟量输入模板,可接受任混的电流和电压输入。在本系统中采用24VDC,4-20mA电流输入，其电流信号是由设备的电流传感器和电流变换器转换。PLC A/D转换模块的模拟量信号采集和接线参看“皮带机电流检测及PLC模拟量输入图”。2.1.6 PLC输入模块PLC输入模块采用Quantum系列140DDI3

8、5300,该模块接受24VDC输入信号，该模块是32点输入模块，每8点为一组，共4组。输入模块是连接现场各种传感器、开关、电气设备保护信号与PLC的转换装置。输入模块接受以上来自现场检测设备的电信号,将这些信号对控制器进行隔离,并将这些信号转换成可接受的电压值以刷新PLC的状态RAM(随机存储器)。140DDI35300主要技术参数：n 输入工作电压（ON）：15-30VDCn 输入工作电压（OFF）：-3-5VDCn 输入工作电流（ON）：最小2mAn 输入工作电流（OFF）：最大2Man 内部阻抗：2.5KPLC输入模块对检测信号的输入和接线参看”现场检测信号输入PLC模块示例图”。2.1

9、.7 PLC输出模块 PLC输出模块采用Quantum系列140DDO35300,该模块是32点输出模块，每8点为一组，共4组。输出模块连接中间继电器去驱动接触器、电磁阀、指示灯、警铃、软启动器、变频器等设备。输出模块接受来自PLC的状态RAM的电信号，将这些信号与现场隔离，并把这些转换成合适的电压、电流值驱动以上设备。140DDO35300主要技术参数：n 输出工作电压（最大）：19.2-30VDCn 导通时压降/每点：0.4Vn 最大负载电流/每点：0.5An 最大负载电流/每组：4An 内置熔断器：5A/每组输出模块LED显示功能描述及故障诊断:LED颜色LED ON时指示内容Activ

10、e绿模块通过上电诊断并与总线通信Fauit红内置熔断器断或PLC掉电1-32绿输出点状态PLC输出模块设备的输出控制和接线参看“皮带机分时软启动及软启动器PLC控制图”中有关PLC输出控制皮带机及软启动器部分。2.2 PLC系统供电2.2.1 PLC系统所需电源种类PLC系统设备电源电压图纸电源名称PLC电源模块（140CPS11400）220VACPLC电源PLC通信模块(140CRA21200)220VACPLC电源PLC输入模块（140DDI35300）24VDCPLC输入电源PLC输出模块（140DDO35300）24VDCPLC输出电源中间继电器线圈24VDCPLC输出电源PLC A

11、/D模块（140ACI03000）24VDC电流传感器电源电磁闸阀线圈24VDC电磁阀驱动电源接触器线圈220VAC接触器线圈电源2.2.2 PLC系统供电PLC系统电源都是由变电所供给低压配电间电源直接供给，不经过配电间的受电开关。为了保证PLC电源及控制电源工作的可靠性，PLC及低压控制电源采用双电源自动互锁供电方式。见“PLC及低压控制电源和互锁电气原理图”。2.3 PLC系统通信网络 在大窑湾散粮PLC系统中采用两种通信网络：既Modicon Modbus Plus区域网络和Ethernet（以太网）网络。2.3.1 Modicon Modbus Plus本地网络Modbus Plus

12、是本地网络，它允许监控计算机、PLC和其它数据源以对等方式进行通信，数据传输送速度为1M位/秒，其通信介质是双绞线。由于大窑湾散粮工程被控设备分布范围广，因而PLC系统采用分布式I/O(DIO)控制方式，DIO控制方式采用Modicon Modbus Plus网络协议。为了确保控制系统的高可靠性，本网络系统采用双通信电缆（每根通信电缆指双绞线，既双缆冗余方式。双缆冗余方式使控制系统避免单缆断裂或连接器损坏引起危险，一根电缆断裂不会中断通信。PLC系统与监控计算机之间连接也采用双缆冗余Modicon Modbus Plus网络协议。监控计算机通过Modicon公司的SA85网卡与Modicon

13、Modbus Plus网络通信。2.3.2 大窑湾散粮PLC系统通信网络构成大窑湾散粮PLC系统采用一个主干网络和6个分布式DIO网络（见大窑湾散粮PLC系统网络图）。主干网络由中控室一层PLC主站、装车楼PLC主站、转接塔三层PLC主站、转接塔十层PLC主站、3#配电间PLC主站、卸船计量楼DIO分站、中转塔DIO分站组成，简称为M+1网络；装车楼一层DIO分站、交汇塔二楼DIO分站、装船计量楼一层DIO分站组成M+2网络；地沟配电间DIO分站、续建配电间DIO分站组成 M+3网络；转接塔十层DIO分站组成 M+4网络；转接塔三层DIO分站组成 M+5网络；3#配电间DIO分站、2#配电间D

14、IO分站、1#配电间DIO分站组成 M+6网络。2.3.3 网络节点地址构成网络节点地址是指Modbus Plus网络中每个通信设备（节点）地址，在大窑湾散粮控制系统中，Modbus Plus通信设备是指PLC主机模块、网络可选模块、网络通信接口模块（140CRA21200）和监控计算机上的网络SA85接口板。Modbus Plus通信设备网络节点地址是由首地址(Head slot)和节点地址(Drop)组成。PLC主机模块首地址总是0，网络可选模块首地址是由它在主机底板所占槽位数确定。通信接口模块和SA85接口板首地址由它所在网络的PLC主机模块或网络可选模块在主机底板所占槽位数确定。节点地

15、址是由节点设备上的DIP开关设置，同一网络内节点地址不能设置相同。节点首地址与地址均要在PLC组态软件根据以上要求设置,影射在PLC组态软件I/O位图(MAP)上,设置方法参阅“Modicon Modsoft软件手册”。2.3.4 大窑湾散粮PLC系统的M+网络构成2.5.2.10 M+1网构成² M+1网络地理分布 M+1网络按大窑湾散粮工程按地理位置分布共有以下5个站：1. 办公楼中心控制室PLC分站2. 办公楼一层低压配电间PLC分站3. 卸船计量塔二层低压配电间PLC分站4. 中转塔三层低压配电间PLC分站5. 装车楼控制室² M+1网络节点地址M+1网络节点位图表

16、地理位置分布 网络设备名称首地址节点地址办公楼二楼中心控制室PLC分站SA85(MC1)24SA85(MC2、MC3)25SA85(MC4、MC5)26SA85(MC6、MC7)27SA85(MC8)28SA85(MC9)29SA85(MC10)210SA85(MC11)211办公楼一楼低压配电间PLC分站140CPU4240220140CRA21200(2)21计量楼二层低压配电间140CRA2120022中转塔三层低压配电间140CRA2120023装车楼控制室SA85(MC1、MC2)212SA85(MC3)2132.5.2.11 M+2网构成² M+2网络地理分布 M+2网络

17、按大窑湾散粮工程按地理位置分布共有以下3个站：l 装车楼一层低压配电间PLC分站l 交汇塔二层低压配电间PLC分站l 装船计量楼一层低压配电间PLC分站² M+2网络节点地址M+2网络节点位图表地理位置分布 网络设备名称首地址节点地址装车楼一层低压配电间140CRA2120031 140CRA2120032140CPU4240200交会塔二层低压配电间140CRA2120033140CRA2120034 装船计量楼低压配电间PLC分站140CRA21200(1)35140CRA21200(1)36140CRA21200(2)37140CRA21200(3)382.5.2.12 M+3

18、网构成² M+3网络地理分布 M+3网络按大窑湾散粮工程按地理位置分布共有以下2个站：续建配电间PLC分站地沟低压配电间PLC分站² M+3网络节点地址M+3网络节点位图表地理位置分布 网络设备名称首地址节点地址续建配电间PLC分站140CRA21200(1)35140CRA21200(1)36140CRA21200(2)37140CRA21200(1)38SA85(MC2、MC3)39地沟低压配电间140CRA2120031140CRA21200(1)32140CRA21200(1)33140CRA21200(1)342.5.2.13 M+4网构成² M+4网络

19、地理分布 M+1网络按大窑湾散粮工程按地理位置分为转接塔十层配电间PLC站：² M+4网络节点地址M+4网络节点位图表地理位置分布 网络设备名称首地址节点地址转接塔十层低压配电间PLC分站140CPU4240200140CRA21200(1)21140CRA21200(2)22140CRA21200(1)23140CRA21200(1)24140CRA21200(1)25140CRA21200(1)262.5.2.14 M+5网构成² M+5网络地理分布 M+5网络按大窑湾散粮工程按地理位置分布为转接塔三层配电间PLC站。² M+5网络节点地址M+5网络节点位图表

20、地理位置分布 网络设备名称首地址节点地址转接塔三层低压配电间PLC分站140CPU4240200140CRA21200(1)21140CRA21200(2)222.5.2.15 M+6网构成² M+6网络地理分布 M+6网络按大窑湾散粮工程按地理位置分布共有以下3个站：1#配电间PLC分站2#配电间PLC分站3#配电间PLC分站² M+6网络节点地址M+6网络节点位图表地理位置分布 网络设备名称首地址节点地址1#配电间PLC分站140CRA21200(2)213SA85(BM85)214 2#配电间PLC分站SA85(MC1)27SA85(MC2、MC3)28SA85(MC

21、4、MC5)29SA85(MC6、MC7)210SA85(MC8、MC9)211140CRA21200(2)2123#配电间PLC分站140CPU4240200140CRA2120021140CRA2120022140CRA2120023140CRA2120024140CRA2120025140CRA21200262.5.3 Ethernet（以太网）网络设在中心控制室PLC的CPU主机底板上Ethernet网络模块（140NOE21100）与大窑湾散粮工程计算机管理系统通信连接，使管理计算机系统共享控制系统信息。2.4 PLC系统控制方式及主要设备监控2.5.1 PLC系统控制方式PLC的控

22、制方式分为现场手动控制方式、中控室手动控制方式、流程自动控制方式。2.5.1.1 中心控制室按工艺流程自动控制方式 中心控制室操作员按作业要求在监控计算机上选择、确认、启动、停止、急停对应工艺流程，计算机向PLC发出控制指令，由PLC控制对应工艺流程的相关设备。中心控制室自动控制时,所选工艺流程的相关设备的现场机旁操作箱内选择开关选择为“集中”方式。2.5.1.2 中心控制室设备手动控制方式 中心控制室操作员可通过监控计算机启动、停止、急停未被自动流程选中的设备。 中心控制室设备手动控制方式时，相关设备现场机旁操作箱内选择开关选择为“集中”方式。2.5.1.3 现场手动控制方式 现场设备机旁操

23、作箱选择“本地”方式时，现场操作人员通过机旁操作箱内按钮启动、停止、急停设备。2.5.1.4 控制方式优先权 以上三种控制方式中，现场手动控制具有优先权，如果所选自动控制流程中对应设备选择“本地”方式，该流程将不能启动。2.5.2 主要设备监控为了保证人和设备的安全，确保设备的可靠运行，降低事故发生率，散粮系统的各主要设备均设置了不同的保护装置、检测元件及操作按钮，这些保护装置、检测元件及操作按钮的状态信息均由PLC系统检测，PLC系统根据检测信息通过程序确定设备的运行情况，并通过网络与监控计算机通信。2.5.2.1 气垫带式输送机监控1) 皮带跑偏监控气垫式皮带机在运行过程中容易发生皮带偏离

24、中心轴线的现象，简称皮带跑偏。在每台气垫皮带机头部和尾部各设1个2级跑偏开关，1级跑偏开关动作报警，2级跑偏开关动作流程设备顺序停机。跑偏开关选用电感型接近开关，取其常开输出点作为PLC数字量输入检测点。2) 皮带机堵塞监控 当物料流量过大时，在皮带机头部会发生物料赌赛，从而损坏设备，因此在每台气垫皮带机头部设堵塞开关。堵塞开关选择为接近开关，取其常开触点作为PLC数字量输入检测点。当赌赛开关动作时，对应的流程设备急停。3) 皮带机失速监控每台气垫皮带机尾部设失速开关。失速检测开关选用感应式接近开关，皮带机尾部轴每转一周触发一次失速感应开关。取失速开关的常开触点作为PLC数字量输入检测点，由软

25、件的计数器计数单位时间内失速开关输入的脉冲数，当检测到的脉冲数低于设定值时，此时由软件发出设备停机命令，使设备急停。4) 气室内气压的检测气垫式皮带机的运行主要靠风机产生的气膜的托起和运行电机的拖动，所以风机压力达不到要求时皮带将产生滑动摩擦，损伤皮带。在气垫皮带机供气段末端设有气压低报警开关，用来检测风机气室的压力。取风机压力开关的常开触点作为PLC的数字量输入点。在气垫式皮带机启动时首先启动该皮带机的所有风机，并且有程序设定一个延时时间，等待风机压力达到设定值，即风机压力开关的压力信号输入PLC。延时时间到达后，若风机压力开关的压力信号已经输入PLC，则自动启动皮带机；若风机压力开关的压力

26、信号没有输入PLC，则不启动皮带机。在皮带机运行过程中，气压低报警开关动作，输入PLC的压力信号消失，则流程设备急停。5) 气垫机皮带张紧力检测 每台气垫机设张紧下限位检测装置，用来检测皮带是否张紧。当皮带张紧力不足时，张紧下限位开关动作，其常开触点作为数字量信号输入PLC,有程序设定流程急停。6) 拉绳开关/急停按钮开关控制 皮带机长度超过20m以上每40m设1个拉绳开关。长度低于20m皮带机头部和尾部设急停按钮开关。为了保证停止命令的可靠输入，取拉绳开关和急停按钮的常闭触点作为PLC数字量输入点。当发生事故或紧急情况时，工作人员可按下急停按钮或拉动拉绳开关使设备急停。拉绳开关和急停按钮具有

27、对设备控制的最高优先权，无论现场操作箱内选择集中还是本地，拉绳开关或急停按钮动作时设备都会急停。7) 机旁操作箱控制 为了便于现场操作和管理，在每台气垫机头部设机旁操作箱,机旁操作箱内设气垫机集中/本地选择开关、气垫机启动/停止按钮、全部风机启动/停止按钮。气垫机长度超过100米以上，每台风机驱动端设启动/停止按钮盒。机旁操作箱内选本地操作时可单独启动/停止风机。 所有操作箱和按钮盒内的转换开关和按钮的机械出点均作为PLC的数字量输入点。2.5.2.2 埋刮板式输送机监控1) 埋刮板机堵塞健控 每台机头部设堵塞开关，堵塞开关动作流程设备急停。埋刮板机的赌塞开关工作原理及作用于皮带机赌塞开关工作

28、原理及作用相同。2) 埋刮板机失速监控 每台埋刮板式输送机尾部设失速开关，失速报警时流程设备急停。埋刮板机的失速开关工作原理及作用于皮带机失速开关工作原理及作用相同。3) 拉绳开关/急停按钮开关可控制 埋刮板式输送机长度超过20m以上每40m设1个拉绳开关。长度低于20m头部和尾部设急停按钮开关。拉绳开关和急停按钮动作时设备急停。 埋刮板机的拉绳开合急停按钮的工作原理及作用于皮带机拉绳开关和急停按钮的工作原理及作用相同。4) 机旁操作箱控制 每台埋刮板式输送机头部设机旁操作箱,机旁操作箱内设埋刮板式输送机集中/本地选择开关、埋刮板式输送机启动/停止按钮。 埋刮板机的机旁操作箱的工作原理及作用于

29、皮带机拉绳开关和急停按钮的工作原理及作用相同。2.5.2.3 斗式提升机监控斗式提升机跑偏检测、赌赛检测和失速检测，跑偏检测开关、赌塞检测开关、失速检测开关的工作原理和作用均与气垫式皮带机的相应检测开关的工作原理与作用相同。斗式提升机除设有急停按钮开关和机旁操作箱等现场操作装置外，在头部还设有机旁检修箱，作为现场检修时操作检修电机使用。 1) 跑偏监控 斗式提升机头部和尾部各设1个2级跑偏开关，1级跑偏开关动作报警，2级跑偏开关动作流程设备顺序停机。2) 堵塞监控 斗式提升机头部和尾部各设1个堵塞开关，头部堵塞开关动作报警，尾部堵塞开关动作流程设备急停。3) 失速监控 斗提机尾部设失速开关，失

30、速报警时流程设备急停。4) 急停按钮开关控制 斗提机头部、中部(观察孔)和尾部各设一个急停按钮开关，急停按钮开关动作时流程设备急停。5) 机旁操作箱控制 斗提机头部设机旁操作箱,机旁操作箱内设斗提机集中/本地选择开关、启动/停止按钮。6) 机旁检修箱控制斗提机头部设机旁检修箱, 机旁检修箱内设斗提机检修选择开关、检修电机启动/停止按钮。当检修箱内选择开关转到检修档时，该设备的所有控制室操作将被禁止。2.5.2.4 电动阀门监控1) 6.4.1 开、关门检测 每个电动阀门设开、关门检测限位开关。此限位开关选择为带有无源触点的行程开关，取其常开触点作为PLC的数字量输入点。开关门限位开关既是电动阀

31、门的状态显示点，又是阀门开关行程的限制点。2) 6.4.2 机旁按钮盒控制 每个电动阀门设机旁按钮盒，按钮盒内设开、关门按钮。开、关门按钮的常开触点作为PLC的数字量输入点。3) 阀门推杆过扭矩检测每个电动阀门设阀门推杆过扭矩检测开关，该开关检测阀门推杆的扭矩，当超过限定值时，该开关动作报警，其触点将数字量信号输入PLC,阀门停止动作。2.5.2.5 气动阀门监控 大窑湾散粮系统中使用的气动阀门主要有气动平板门、气动翻板门和气动蝶阀。每台气动阀门设开/关门限位检测装置，其中 气动平板门和气动翻板门的检测限位开关选择为接近开关，气动蝶阀自带有凸轮式行程开关。所有气动阀门的限位开关的常开触点均作为PLC的数字量输入点。气动阀门的限位开关既是阀门状态的显示点又是阀门动作的限制点。2.5.2.6 除尘系统1) 控制点&