集散型可编程序控制器调速秤配料系统

1、1自自动动化化专专业业综综合合设设计计说说明明书书 设计题目：设计题目：集散型可编程序控制器调速秤配料系统 学生姓名：学生姓名： 学学 号号： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 2013 年 12 月 28 日 2目目录录第一部分第一部分 摘要摘要 .4第二部分第二部分 设计主体设计主体 .5第一章：总体设计方案 .51.1 调速秤的工作原理.51.2 调速秤系统的一般结构.51.3 调速秤配料系统的工艺流程 .71.4 系统结构原理框图 .91.5 调速秤配料系统总体控制流程图 .10.6 系统的总体设计方案 .101.7 系统整体电气连接图 .11第二章 调速秤配料系统中的 PL

2、C 硬件选型与设计 .112.1 PLC 的基本知识 .112.2 S7-300 简介 .152.3 PLC 的选型要点 .172.4 PLC 的中央处理器 CPU 的选型 .202.5 PLC 数字量输入/输出模块的选型与线路连接 .212.6 PLC 的模拟量输入模块的选型与线路连接 .212.7 模拟量输出模块的选型与线路连接.232.8 PS307 电源模块容量计算及选型 .24第三章 调速秤配料系统中的传感器和变频器的设计与选型 .253.1 传感器.253.1.1 拉力传感器 .253.1.2 测速传感器.263.2 变频器选择 .283.2.1 变频器的基本构成 .283.2.2

3、 变频器元件作用 .29第四章 调速秤监控组态设计 .30.1 WinCC 工程的建立 .30.2 变量的建立 .31.3 组态画面的建立 .33.4 系统总体界面.35.5 各个组态界面图的绘制及变量连接过程.37.6 变量归档.41第五章 各环节梯形图设计.41.1 PLC 主循环程序 OB1 和初始化程序 OB100.41.2 中断程序 OB35 .46.3 控制输出功能模块 FC1 和 FC101 .49.4 PID 运算 FB1 和 FB101.50.5 报警功能 FC3 和 FB3.53.6 累计功能 FC4 和 FB4.55.7 数据检测 FB2 和 FB102.563.8 测皮

4、重 FB5 和 FB1O5.57.9 标定秤 FB6.60.10 运行初始化 FC10 .60.11 仿真模块 FB10 和 FB110.63第三部分第三部分 总结总结 .66第四部分第四部分参考文献参考文献 .674 第一部分第一部分 摘要摘要配料系统是水泥，钢铁,化工,医药等行业在生产过程控制方面应用自动化设备起步最早的领域,早在 90 年代初,国家重点支持和推荐微机应用项目中的生料微机配料的开发。配料系统主要由现场生产设备、单机皮带秤(包括输送机系统、皮带秤体、称重仪表、称重传感器、测速传感器设备)、调节器、变频控制器、PLCS7-300、电器控制柜、上位机、系统软件以及料位检测装置等组

5、成配料系统在配料工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到以后各生产环节的顺利进行。 近年来，随着传感器、电子技术和微机技术的崛起和 PLC 的发展，配料控制系统在选矿、烧结、水泥制造中得到了广泛的应用。PLC 的应用极大地提高了产品的质量和生产效率，在整个配料行业具有广阔的应用前景。 配料系统在诸多行业的工业生产过程中占有极其重要的地位，配料工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到以后各生产环节的顺利进行。调速定量给料秤作为固体物料的连续动态给料计量、定量和配料给料控制设备，是集给料输送、秤重计量和定量控制功能为一体, 机电一体化的连续给料动态计量装置。它主要由秤体、秤重和测速

6、传感器、秤重控制器等组成，随着工业生产过程自动化和企业技术管理现代化，在块、粒、粉体物料的定量给料和配料控制系统广泛应用。虽其工作原理与电子皮带秤基本相同，但其结构、配置、应用场合和设计参数有较大区别，速度传感器及称重传感器取代了机械式皮带秤的相应机构，而对速度、重量信号进行放大处理及实现各种运算都可以放在电子仪表中完成。调速秤以其可靠性高、系统响快、控制精度高, 工作稳定、平稳、污染小等优点，5在工业控制领域发挥其重要作用。第二部分第二部分 设计主体设计主体第一章：总体设计方案第一章：总体设计方案1.1 调速秤的工作原理调速秤的工作原理我们要实现的是八路调速秤配料的控制系统。该系统共有八路上

7、料，每一路的上料都是有一定的配比，受到各个参数的约束。 它的基本工作原理是：当系统开始运行，八路上料系统根据需要开始上料，每一路的上料与否以及根据产品配比的要求下料多少，是受 PLC 控制的。每一路上料的实际多少是由称重传感器测量，皮带传送速度由接近开关测出，将测得的数据送到 PLC 由预先使用 STEP7 编写好的程序进行处理，其中速度和重量是相乘的关系，这样可以得到每一路每一个小时下料的吨位。这个每小时的吨位与要求的吨位对比形成负反馈，反馈到 PLC，经过预置程序的控制以及使用 PID 控制算法处理调节执行机构变频器控制电动机，使整个系统达到预先的要求，从而生产出合格的产品。这就是整个皮带

8、秤配料系统的工作原理的简单介绍。1.2 调速秤系统的一般结构调速秤系统的一般结构图 1-1 调速秤1.2.11.2.1 系统结构系统结构定量给料机系统包括机械和电器两大部分。机械部分主要是秤体、电机、减速机以及料斗。秤体上装有称重传感器、测速传感器、跑偏开关和6接线盒等。电器部分包括控制柜内的控制仪表、空气开关、变频调速器和接线端子等。1.2.2 秤体结构 (1) 机架：是定量给料机的基础部件，各功能部件均安装在此机架上，构成定量给料机的机械秤体。(2) 驱动装置：包括电机和减速机，电机通过法兰与减速机相连。减速机具有体积小，速比大的特点并且是通过空心轴与主动滚筒连接，不采用联轴器，具有结构紧

9、凑的优点。速度传感器安装在电机轴端，直接测出电动机的速度。(3) 称重装置：由称重框架和称重托辊组成。皮带上的物料重量通过称重托辊作用到称重传感器上，框架设有配重装置与标定砝码支座，整个称重系统无水平和侧向位移，无摩擦影响，不需维护。(4) 主、从动滚筒及环形橡胶运输带：完成物料的输送与喂料。(5) 托辊：用于承受仓压及保证物料在称重过程中的平稳性。(6) 卸料罩：保证物料顺利进入生产流程，防止粉尘污染环境。(7) 挡料装置：防止物料从漏斗闸门流出后散落、外溢，保证设备正常运转。(8) 皮带外表面清扫装置及梨形内表面清扫器：防止皮带沾料，有利于提高计量精度并能防止皮带因卡料造成损坏。(9) 跑

10、偏自动开关：皮带跑偏超过允许值时报警，防止造成生产设备事故。(10) 标定砝码：用于给料机的静态、动态标定。7(11) 供料料斗：根据物料不同的特性，配有用于散状物料的 T 型料斗，用于易起拱物料的带有振动器的 V 型料斗，用于倾泻性物料的 S1 和S2 型料斗。(12) 自动张紧装置：保证皮带具有恒定张力，利于精度稳定。1.3 调速秤配料系统的工艺流程调速秤配料系统的工艺流程系统具有恒流量和配比控制两种功能。当选择恒流量控制时，电子皮带秤根据皮带上物料的多少自动调节皮带速度，来达到所设定流量要求。工艺流程如图 1-2 所示。加电后，皮带驱动电机开始旋转，微处理机根据当前操作控制电机转速，通过

11、链传动辊筒使皮带进行运转。料斗中的物料落在落料区，经皮带运送到达称重区，由电子皮带秤对皮带上的物料进行称重。称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号，经信号放大板放大，输出一正比于物料重量的计量电平信号，送至上位机的接口，经采样后转换成一流量信号，在上位机上显示当前流量值；同时将此流量信号送至 PLC 接口，与上位机设定的各种配料给定值进行比较，然后进行调节运算，其控制量送至变频器，以此来改变变频器的输出值，从而改变驱动电动机的转速，调整给定量，使之与设定值相等，完成自动配料过程。图 1-2 调速秤控制系统8对于系统的被控对象来说，上位机可以采用 plc，也可以采用工控机、如图 13 所示。

12、由上位机通过 Wincc 组态软件或者可编程控制器控制整个系统的启停。主体“调速秤”通过线路与两样设备连接：称重传感器、测速传感器、变频器。其中前两个设备的主要功能是信号采集，称重传感器采集各路皮带秤的数据，转换成相应的电信号，反映到可编程序控制器中，由其中的 CPU按照事先编制的程序进行计算，从而得到各路配料的实际情况和给定值之间的差距。这中算法是根据 PID 算法控制进行控制，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。本系统的核心控制算法也是基于 PID 控制算法。实现该系统控制流程的方式主要

13、分两种：(1)通过 STEP7 编写好的程序由 PLC 按照设定的值进行 PID 控制。完成 8 路的自动配料。(2)通过手动控制，在变频器上输入 PID 参数，完成 8 路的自动配料。变频器的功能则是按照信息指令调节圆盘给料机电机的频率，达到对单路原料进行控制配比的目的。对各路皮带秤进行总体调节，即可完成按工业要求进行配比工作。这时，PLC 要完成两个工作：第一，要通过线路将各信号上传到上位机，由上位机的组态软件 WinCC 接收，从而使工作人员可以完成组态监控工作；第二，PLC 向下将控制信号传送到各路变频器，变频器经过信号转9换来控制皮带秤的圆盘给料机电机转速，实现各路配料按要求配比。在

14、此过程中，工作人员可以通过上位机的组态画面实时监控系统的运行情况，一旦系统发生意外情况，或进行定期不定期维护，即可由上位机对 PLC 进行控制。 1.4 系统结构原理框图：系统结构原理框图： 图 1-3 调速秤配料控制系统图 1-4 系统原理图101.5 调速秤配料系统总体控制流程图调速秤配料系统总体控制流程图根据实际工艺流程，做出系统总体控制流程图如下所示。 .6 系统的总体设计方案系统的总体设计方案 变频器柜 頻压转换板 信号放大板 7-332 7-331 7-331 电源 7-315 2PN/DP 监控计算机 8 8 8 以太网 变频器柜 頻压转换板 信号放大板 7-332 7-331

15、7-331 电源 7-315 2PN/DP 监控计算机 8 8 8 以太网 图6系统的总体设计方案图 1-5 系统总体控制流程图111.7 系统整体电气连接图系统整体电气连接图 1 1322345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2224 25 26 27 28 2930 311A AF F 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 723C C P PU U 8 8# # - -8 8# # + +8 8# # + +8 8# # - -7 7# # - -7 7# # + +7 7# # + +7 7# # - -6 6# # - -6 6#

16、 # + +6 6# # + +6 6# # - -5 5# # + +5 5# # - -5 5# # - -5 5# # + +3 3# # + +3 3# # - -3 3# # - -3 3# # + +2 2# # + +2 2# # - -2 2# # - -2 2# # + +1 1# # - -1 1# # + +1 1# # + +1 1# # - -4 4# # + +4 4# # - -4 4# # - -4 4# # + +12345678 1#2#3#4#5#6#7#8# 1#2#3#4#5#6#7#8#运行指示灯报警铃变频器手动或自动控制选择1#-8#变频器停止或启

17、动选择1#-8#1#2#3#4#5#6#7#8#振动下料停止或启动选择1#-8#S SMM 3 32 23 3 S SMM 3 32 21 1 S SMM 3 32 23 3 24V DC24V DCGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND 8 88#电振给料机启停7#电振给料机启停6#电振给料机启停5#电振给料机启停4#电振给料机启停3#电振给料机启停1#电振给料机启停8#变频器启停7#变频器启停6#变频器启停5#变频器启停4#变频器启停3#变频器启停2#变频器启停1#变频器启停2#电振给料机启停322345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2

18、1 2224 25 26 27 28 29 30 311A AF FV V 238 8# # 8 8# # - -8 8# # + +7 7# # + +7 7# # - -7 7# # 6 6# # + +6 6# # - -6 6# # 5 5# # - -5 5# # + +5 5# # 3 3# # - -3 3# # + +3 3# # 2 2# # - -2 2# # + +2 2# # 1 1# # + +1 1# # 4 4# # - -4 4# # + +4 4# # 1 1# # - -12345678910 11 12 13 14 15 16 17 182021 22 2

19、3 2419输出输出 图 1-7 系统整体电器连接图如图 1-7 所示，为系统的总体硬件连接图，其中最左部分为工控机，通过上位机软件 Wincc 可以控制控制器 PLC,同时系统的一些信息可以及时的反映在上位机的画面中，中间为 PLC，它由 CPU 模块，模拟量输入输出模块和测速模块组成，最右边为变频器，通过变频器来控制各路电机，从而控制速度。第二章第二章 调速秤配料系统中的调速秤配料系统中的 PLC 硬件选型与设计硬件选型与设计由于可编程序控制器在工业控制领域中所占的核心地位和日趋重要的发展态势。本章对配料系统中的可编程控制器进行了详细的介绍，并对可编程控制器 S7-300 的各个模块进行了

20、细致的选型及设计。2.1 PLC 的基本知识的基本知识PLC 即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、12执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。分为：小型 PLC、中型 PLC、大型 PLC。（1） PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同如图 2-1 所示。 图 2-1 PLC 的结构中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编

21、程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、1/0以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上系统程序存储器系统程序存储器电源编程器中央处理单元CPU输入点输出点13去。输入输出元件 (1/O 模块)1/O 模块是 CPU 与现场 UO 装置或其它外部设备之间的连接部件。将外部输入信号变换成 CPU 能接受的信号，或将 CPU 的输出信号变换成需要的控制信号

22、去驱动控制对象，以确保整个系统正常工作。编程器和外部设备（2）PLC 的工作原理 PLC 采用了一种不同于一般计算机的运行方式即扫描方式。工作过程当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，如图 2-2 所示。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 图 2-2 PLC 的工作过程扫描周期PLC 的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图 2-3 所示。一个周期等于第第N个个扫扫描描周周期期第第（n-1）个个扫扫描描周周期期第第（n+1）个个扫扫描描周周期期输输入入采采样样输输出出刷刷

23、新新用用户户程程序序执执行行输输入入采采样样输输出出刷刷新新 图图 3.2 PLC的工作过程故障上电RUN自诊断通讯输入采样用户程序执行输出刷新图2-3 PLC 的扫描周期 14自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。 (3)可编程序控制器的主要功能和应用可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用户的需要，PLC 与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物理世界的接口(即 I/0 点)外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑功能不仅可以取代，而且远远超过诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能，从而为 PLC 在可靠性和便

24、利性上形成特色奠定了基础。PLC 的功能可分类如下:逻辑控制 定时控制 计数控制 步进(顺序)控制PID 控制 数据控制:PLC 具有数据处理能力 通信和联网其它:PLC 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如:定位控制模块，CRT 模块。(4)PLC 的编程语言PLC 与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的 PLC一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。以下列出了三种编程语言。梯形图 (LAD) 指令语句表 (STL) 逻辑功能图(FBD) 图 2-4 PLC 的编程语言152.2 S7-300 简介简介PLC 选型依据 ：1)具有足够大的暂存器空

25、间且独家提供档案暂存器空间，保证系统的配料配方量足够多足够大，透过专用指令操作保证配方的绝对安全2)通讯功能强大，通讯协议编程简单方便3)可扩展多个通讯口，为系统延伸控制与联网提供硬件支持4)经济实惠，运行可靠稳定性要好 (1)概述 西门子 S7-300 可编程序控制器是模块化小型 PLC 系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求。(2)S7-300 的组成S7-300 主要组成部分有:导轨、中央处理单元模板、接口模板 (IM)、信号模板(SM)、功能模板 (FM)等。S7-300 组成如图 2-5 所示。 图 2-5 S7-300 的组成负载电源模块 (PS):用

26、于将 SIMATIC S7-300 连接到 120/220 V 交流电源，或 24/48/60/110 V 直流电源。 中央处理单元 (CPU)不同的 CPU 有不同的性能，有的 CPU 上集成有输入/输出点，有的 CPU 上集成有 PROPIBUS-DP 通讯接口等。 信号模块 (SM):用于数字量和模拟量输入/输出。通讯处理器 (CP):用于连接网络和点对点连接CPUPSSMSMSMSMSMSMSMSM16 功能模块 (FM):用于高速计数，定位操作 (开环或闭环定位)和闭环控制。 接口模块 (IM):用于多机架配置时连接主机架 (CR)和扩展机架 (ER) 。S7-300 通过分布式的主

27、机架 (CR)和 3 个扩展机架 (ER)，可以操作多达 32 个模块。运行时无需风扇。（3）S7-300 的类型 标准型 :温度范围从 0到 60 环境条件扩展型:温度范围从-25 到+60更强的耐受振动和污染特性。（4） S7-300 的功能SIMATIC S7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。 高速的指令处理 :0.60.1s 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。浮点数运算:用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 :一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。 人机界面 (HMI

28、):方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面 (HMI)从 S7-30O 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 。 诊断功能 :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)。口令保护:多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，17防止未经允许的复制和修改。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。这样就防止非法删除或改写用户程序(5) S

29、7-300 的通讯方便用户的 STEP7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATIC S7-300 具有多种不同的通讯接口:多种通讯处理器用来连接 AS-1 接口、和工业以太网总线系统。串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。 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。CPU 支持下列通讯类型:过程通讯通过总线 (AS-1 或 PROFIBUS)对 u0 模块周期寻址 (过程映象交换)数据通讯在自动控制系统之间或人机界面 (HMI)和几个自动控制系统之间，数据通讯会周

30、期地进行或被用户程序或功能块调用 。2.32.3 PLCPLC 的选型要点的选型要点在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要18求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作

31、和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统。 （1）输入输出（I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行调整。 （2）存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，

32、程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。 （3）机型的选择 PLC 的类型 PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。19从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

33、 整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量

34、输出等，与应用要求应一致。 可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。 电源的选择 PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220V 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。 如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 存储器的选择 20 由于

35、计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。2.4 PLC 的中央处理器的中央处理器 CPU 的选型的选型根据输入输出点数的要求选择 CPU315（6ES7315-2AG10-0AB0）作为本次设计的中央处理器。CPU315 是 S7-300 的大脑，其装载存储器的基本容量为 48K 字节或80K 字节，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可达到 512KB。每执行1000 条二进制指令约需 0.3ms，最大可扩充 1024

36、点数字量 I/0 或 128 路模拟量通道。CPU315 内装硬件实时时钟。图 2-6 CPU315 模块面板布置示意图CPU315 的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU 响应哪个事件，操作系统自动调用该事件的组织块 OB。 CPU315 可调用 128 个功能块FB (0-127);128 个功能调用 FC (0-127); 127 个数据块 DB (1-127, 0 保21留)。OB, FB, FC,DB 的容量均不大于 8KB。此外，还有 38 个系统功能块SFC 集成在操作系统中供用户调用;有 9 个系统数据块 SDB 装载 S7-300 系统参数。CPU315 适用于要求高

37、速处理和中等 I/0 规模的任务。它可以装载中等规模的程序，并具有中等的指令执行速度。CPU315 满足系统的要求。2.52.5 PLCPLC 数字量输入数字量输入/ /输出模块的选型与线路连接输出模块的选型与线路连接 在调速秤配料自动控制系统中，由于 PLC 的 CPU 本身没有输入输出接口，需要使扩展模块作为系统的 I/O 口。在本系统中我们采用 SM321 以及 SM323 来满足系统的要求。SM 321 为 DI 16 x DC 24 V，SM323 数字量的输入/输出模块(6ES7 323-1BL00-0AA0)SM 323; DI 16/DO 16 x DC 24 V/0.5 A

38、的属性： 16 点输入，电隔离为 16 组 16 点输出，电隔离为 8 组 额定输入电压 24 VDC 额定负载电压 24 VDC 输入适用于开关以及 2/3/4 线接近开关 (BERO) 输出适用于电磁阀、DC 接触器和指示灯 2.6 PLC 的模拟量输入模块的选型与线路连接的模拟量输入模块的选型与线路连接在调速秤配料系统的 PLC 硬件设计中需要将称重传感器的信号输送到PLC 中，这就需要用到模拟量的输入模板，模拟量的输入模板为 SM331。SM331 概述：SM331: AI8*12Bit 是 8 通道的模拟量输入模块，在系统中用于输入称重传感器的测量值。模块主要是由 A/D 转换部件、

39、模拟切换开关、补偿电22路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D 转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分式 A/D转换的积分时间直接影响到 A/D 转换时间和 A/D 转换精度。积分时间越长，被测值的精度越高。SM331 可选的积分时间有:2.5ms, 16.7ms, 20ms 和100ms。相对应的以位表示的精度为 8、12、12 和 14。为了抑制工频及谐波干扰，一般选用 20 ms 的积分时间，相应精度为 12 位。S7-300 的 CPU用 16 位的二进制补码表示模拟量的值，其中最高位为符号位 S。 0”表示正值， “1”表示负值。S7-300 模拟输入模块的输入

40、测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。它用于连接不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，可以将扩展过程中的模拟信一号转化为 S7-300内部处理用的数字信号。SM331 的 8 个模拟量输入通道共用一个积分式 A/D 转换部件。即通过模拟切换开关，各个输入通道按顺序一个接一个转换。某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直持续到再次开始转换的时间称为输入模块的循环时间。循环时间是对外部模拟信号的采样间隔。对于一个积分时间设定为20ms, 8 个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的 SM331,其循环时间为(22+10) *8=256ms。SM331 的每两个输入通道构成一个输入

41、通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需接 24VDC 的负载电压 L+，有反接保护功能。模块与 S7-300CPU 及负载电压之间是光电隔离的。SM331: AI8*12BBIT 模拟量输入模块的电气原理图如图 10 所示。另外，为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能，可以将不使用的通道与 M 短接。根据需要我们选用 SM 331（ 6ES7 331-7NF00-0AB0）模23拟量输入模板作为我们的模拟量输入模板，具体的参数如下SIMATIC S7-300 的模拟输入 用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻器和电阻式温度计 8 输入，高分辨率。 图 2-7 8 路输入模块

42、的连接原理示意图2.7 模拟量输出模块的选型与线路连接模拟量输出模块的选型与线路连接模拟量输出模块SM332 用于连接模拟量执行器SM332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路能获得比较高的输出精度。模拟量输出(简称模出(AO)模块SM332目前有三种规格型号，即4AOl2位模块、2AO12位模块和4AOl6位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。SM332与负载/执行装置的连接。我们选择SM332（6ES7 332-5HF00-0AB0）模拟量输出模板控制执行机2

43、4构变频器。2.8 PS307 电源模块容量计算及选型电源模块容量计算及选型 PS307是西门子公司为S7-300专配的24 V DC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外(有2 A、5 A、10 A三种)，其工作原理和各种参数都相同。 PS307可安装在S7-300的专用导轨上，除了给S7-300 CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。S7-300模块使用的电源由S7-300背板总线提供，一些模块还需从外部负载电源供电。在组建S7-300应用系统时，考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的. 一个实际的S7-300 PLC系统，确定所有的模块后，要选择合适的电源模块，所选定的

44、电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并且要留有30左右的裕量。当同一电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25 V。PS307 电源模块的输入接单相交流，输入电压为 120/230V, 50/60HZ;输出电压 24VDC，输出电流 5A;在输入和输出之间有可靠的隔离。25图2-8 PS307 5A模块端子接线图S7-300 系统时要选择合适的电源模块。其选择准则是电源模块的输出功率必须大于 CPU 模块与所有 I/0 模块之和。表 1 S7-300 各模块电流耗量和功率损耗模块通过背板总线

45、吸取的电流（最大值）从 24V 负载电源吸收的电流（不带负载运行）功率损耗（正常运行）CPU315供 1.2A1A8WSM32125MA1MA3.5WSM32380MA100MA6.5WSM33160MA60MA1.3WSM33260MA340MA6WCM35150MA -如上表所示，该系统各个模块从 S7-300 背板总线吸取的电流为60+60+150+80+25=375MA 没有超过 CPU315 所能转供的电流 1.2A。考虑到电源应留有一定的余量，所以电源模块应选 PS307-5A 。第三章第三章 调速秤配料系统中的传感器和变频器的设计与选型调速秤配料系统中的传感器和变频器的设计与选型

46、3.1 传感器传感器3.1.1 拉力传感器电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏图 3-1 拉力传感器电路图26感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下图为压力放大板：3.1.2 测速传感器测速传感器本设计选用的测速传感器为：HSH 齿轮测速传感器。HSH 齿轮测速传感器通过分辨转过检测面的每一个齿顶和齿

47、谷，将其转换成方波，对应 2345678910111213141516171819208#重量传感器电源-8#重量传感器电源+8#重量传感器信号+8#重量传感器信号-2#重量传感器信号+2#重量传感器信号-2#重量传感器电源-2#重量传感器电源+3#重量传感器信号+3#重量传感器信号-3#重量传感器电源-3#重量传感器电源+4#重量传感器信号+4#重量传感器信号-4#重量传感器电源-4#重量传感器电源+5#重量传感器信号+5#重量传感器信号-5#重量传感器电源-5#重量传感器电源+6#重量传感器信号-6#重量传感器信号+6#重量传感器电源+6#重量传感器电源-7#重量传感器信号-7#重量传感器

48、信号+7#重量传感器电源+7#重量传感器电源-1#重量传感器信号-1#重量传感器信号+1#重量传感器电源+1#重量传感器电源-131 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 109876543232压力放大板图 3-2 压力放大板 3-3 接近开关27的一对齿顶和齿谷，将有一个周期的方波输出，通过计算将其转换成转速。它的接线图如下所示： 图 3-4 测速传感器的内部结构该接近开关的特性如下所示： 供电电源：DC4.5V24V 输出电流：50MA 响应频率：20KHZ 环境温度：-30 摄氏度50 摄氏度 动作距离：

49、（正常运转）下图为速度调理板： 2423222120191817161514131211109876543211#速度传感器电源+1#速度传感器电源-1#速度传感器信号12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 322#速度传感器信号2#速度传感器电源-2#速度传感器电源+3#速度传感器信号3#速度传感器电源-3#速度传感器电源+4#速度传感器信号4#速度传感器电源-4#速度传感器电源+5#速度传感器信号5#速度传感器电源-5#速度传感器电源+6#速度传感器信号6#速度传感器电源-6#速度

50、传感器电源+7#速度传感器信号7#速度传感器电源-7#速度传感器电源+8#速度传感器电源+8#速度传感器电源-8#速度传感器信号速度调理板010输出05输出图 3-5 测速调理板283.2 变频器选择变频器选择 3.2.1 变频器的基本构成变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图 3-6 示的基本结构。图 3-7 给出了一个典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图。而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以 DSP（数字信号处理器）为主的转矩计算用 CPU

51、以及相应的磁通检测和调节电路。 图图 3-63-6图 3-7 变频器的硬件结构框图293.2.2 变频器元件作用 （1）电容 C1：是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波，变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 （2）压敏电阻：有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要。热敏电阻：过热保护。霍尔:安装在 UVW 的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的 2 倍左右。 （3）充电电阻：作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压

52、为 0V；所以在上电的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于 380V 电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300。 （4）储能电容：又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN 端的电压电压工作范围一般在 430VDC700VDC 之间，而一般的高压电容都在 400VDC 左右，为了满足耐压需要就必须是二个 400VDC 的电容串起来作 800VDC。容量选择60uf/A （5）均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完

53、全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。30（6）C2 电容：吸收电容,主要作用为吸收 IGBT 的过流与过压能量。 （）直-交部分：VT1-VT6 逆变管（IGBT 绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。VT1-VT6 是续流二极：作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管 VT1-VT6 在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。 （）控制部分:电源板、驱动板、控制板（CPU 板） 电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路

54、、检测电路及风扇等提供低压电源，开关电源提供的低压电源有：5V、15V 、24V 向CPU 其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。 驱动板：主要是将 CPU 生成的 PWM 脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励 IGBT 输出电压。 （）控制板（CPU 板）：也叫 CPU 板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分。第四章第四章 调速秤监控组态设计调速秤监控组态设计.1 WinCC 工程的建立工程的建立首先打开 WinCC 资源管理器，如图所示建立一个新项目 单击“确定” ，出现“创建新项目”窗口，在窗口中命名工程及确定保存路径。 在“项目名称”一栏输入“皮带秤控制组态”单击“创建

55、” ，系统即会生成一个新的项目。31图-1 建立一个新项目.2 变量的建立变量的建立如下图在“变量管理器”中添加需要的新的驱动程序。图-2 添加驱动程序内部变量驱动是系统默认生成的，可以在其中建立中间变量，过程变32量或变量组等，这样可以节省大量 I/O 点，以保证软件的经济性。内部变量如下图所示：图-3 内部变量如下图选择“SIMATIC S7 Protocol SuiteCHN”驱动程序，此驱动包括大部分 S7300 编程组件。图-4 选择编程组件选择此驱动程序中“MPI”模块，建立新的驱动连接33右击 MPI 在“连接属性”对话框中命名连接名称。 图-5 命名连接即可在所建立的连接“pd

56、c”中建立外部变量或变量组。.3 组态画面的建立组态画面的建立依照系统要求将变量建立完之后，就可以在“图形编辑器”中建立过程画面，即组态画面和监控画面等。 图-6 建立过程画面34当然，也可以对建立的画面进行“重命名”等操作.图-7 重命名操作单击“打开画面” ，WinCC 资源管理器将会自动打开“图形编辑器”对过程画面进行编辑。新建一个画面，开始绘制组态、监控即其他画面。 图8 新建画面.4 系统总体界面系统总体界面图-9 状况图报警图：35 图-10 报警图历史趋势图：图-11 历史趋势图PID 控制图：36图-12 PID 控制图重量信号模拟图：图-13 重量信号模拟图.5 各个组态界面

57、图的绘制及变量连接过程各个组态界面图的绘制及变量连接过程1 1）启动环境设置：）启动环境设置：在 tiaoshucheng 工程中选中计算机右击点属性，在弹出的对话框中选中“图形运行系统”页，点“浏览”选中 zhujiemian.pdl37作为启动环境，如下图。图-14 选择启动环境2 2）个界面组态过程）个界面组态过程工艺过程界面详细组态过程：从对象选项板中选择输入/输出域，按钮，和文本框放在图中相应位置并为每个控件分别命名（后面的组态界面中的这三种控件均是这样得来） 。从“查看” ， “库”中选择适合的图标：图-15 组态图标38选择罐 4 作为配料系统得料仓。如下图：图-16 配料系统得

58、料仓报警图界面详细组态：从对象选项板中将”wincc Alarm Control”控件添加到界面中,如下图: 图-17 报警图界面详细组态 1双击报警图控件将弹出对话框，在常规页中点击“选择”弹出指定选者对39话框，选中系统快和消息等级的复选框。如下图：图-18 报警图界面详细组态 3工艺给定界面详细组态：在任意输入/输出域框中右击选择组态对话框. 如下图:图-19 工艺给定界面详细组态 1在弹出的对话框中点击”变量”按钮,选择相应的变量.其中返回主界面的按钮实现从任意界面快速切换到工艺过程图界面,它的动40作实现方法如下:双击该按钮,在对象属性对话框中选鼠标中的鼠标动作，双击动作箭头在弹出的

59、对话框中的常量单选框后输入 pdcgy.pdl 图-20 工艺给定界面详细组态 3.6 变量归档变量归档打开工程中变量记录栏在空白处右击选归档向导，点下一步直到出现下图，选择图中的重量信号 141 图-21 选中要记录的变量重复，建立 8 路重量信号的归档。第五章第五章 各环节梯形图设计各环节梯形图设计.1 PLC 主循环程序主循环程序 OB1 和初始化程序和初始化程序 OB1001.主循环程序在程序中有运行、停止开关用以启动系统，整个控制过程循环进行，对各个功能模块的调用，可以实现皮带秤的自动配料功能。先将“停止模式”置位，接通后“运行模式” “测皮模式” “标秤模式”复位。“运行” 、 “测皮” “标秤”接通后， “停止模式”开关复位。程序如下：42接通后，每一路的压力信号大于零时才开始运行、运行初始化。43将每一路的压力信号检测值赋零。程序段 9：442.初始化程序系统初始化程序。 “测试”和“停止”置位， “停止模式”接通后，“运行模式” “测皮模式” “标称模式”复位，MD 值赋零。45.2 中断程序中断程序 OB35OB35 用于调用其他环节的各个模块程序如下：多路仿真环节和数据检测环节的调用46多路 PID 和报警环节的调用程序：