【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 組成，該工業(yè)控制器可滿足中小型選礦廠的控制要求；三級(jí)系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)控制，由現(xiàn)場(chǎng)的具體控制設(shè)備構(gòu)成，采 用電氣控制箱、控制柜，完成現(xiàn)場(chǎng)的人工控制過(guò)程。此過(guò)程主要在設(shè)備檢修及調(diào)試過(guò)程中使用，亦可作為緊急狀態(tài)下的控制。 [5] 一級(jí)系統(tǒng) (上位機(jī) )和二級(jí)系統(tǒng) (下位機(jī) )通過(guò) MPI 總線聯(lián)系通信； [6]二級(jí)和三級(jí)系統(tǒng)則通過(guò)數(shù)據(jù)電纜通信；這樣三個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)生產(chǎn)管理及控制體系。一級(jí)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)集中管理任務(wù)。二級(jí)系統(tǒng)用于采集和處理各種信號(hào) ,并輸入上位機(jī) ,完成獨(dú)立系統(tǒng)的分散控制功能。 [7]系統(tǒng)的硬件組成為： Ⅰ、上位機(jī) (工業(yè)控制計(jì)算機(jī) ):包括 1 臺(tái)工業(yè)控制機(jī) ,顯示器 ,UPS 電源 ,打印機(jī)和操作鍵盤等是系統(tǒng)的中樞 ,它接收下位機(jī)的信 號(hào) ,除顯示打印存儲(chǔ)外 ,還按照程序要求回饋下位機(jī)運(yùn)行方式和數(shù)據(jù)。 Ⅱ、下位機(jī) (PLC):采用抵抗工業(yè)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)且可靠性高的 S7— 300 PLC河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 8 實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)總體布局圖 圖 3 系統(tǒng)總體布局圖 現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程中央控制 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制柜設(shè)有啟停等操作按鈕，為繼電接觸器控制系統(tǒng)；遠(yuǎn)程中控室設(shè)置操作臺(tái)和上位機(jī)，操作臺(tái)上分別設(shè)置每個(gè)設(shè)備的啟停等操作按鈕，這些操作按鈕連接 PLC輸入端，由按鈕通過(guò) PLC 控制設(shè)備運(yùn)行；遠(yuǎn)程中控室設(shè)置操作臺(tái)設(shè)有“現(xiàn)場(chǎng)”和“手動(dòng)”和“自動(dòng)”切換開關(guān)，當(dāng)開關(guān)放在“現(xiàn)場(chǎng)”位置時(shí)遠(yuǎn)程 中央控制失效，由操作員現(xiàn)場(chǎng)本地操作控制；當(dāng)開關(guān)放在“手動(dòng)”位置時(shí)，操作員可通過(guò)中控室操作臺(tái)人工操作控制系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)開關(guān)放在“自動(dòng)”位置時(shí)，操作員可通過(guò)中控室上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件 Wincc 操作控制系統(tǒng)。 3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介 紹及選型 9 3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介紹及選型 由于可編程序控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域中所占的核心地位和日趨重要的發(fā)展態(tài)勢(shì)。本章對(duì)選礦廠分散控制系統(tǒng)中的可編程控制器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)可編程控制器 S7300的各個(gè)模塊進(jìn)行了細(xì)致的選型及設(shè)計(jì)。 S7300 PLC 及 PLC 選型要點(diǎn) S7300 簡(jiǎn)介 西門子 S7300可編程序控制器是模塊化小型 PLC系統(tǒng)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展，能滿足中等性能要求。其主要的組成部分有 :導(dǎo)軌、中央處理單元模板、接口模板 (IM)、信號(hào)模板 (SM)、功能模板 (FM)等。 S7300系統(tǒng)組成如圖 4所示。 圖 4 基于 PLC S7300的組態(tài) PLC 的選型要點(diǎn) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在確定控制方案以后，下一步工作就是 PLC設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。 PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形 成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用 PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 （ 1）輸入輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù)的估算 I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～ 20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商 PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 （ 2）存儲(chǔ)器容量的估算 存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。CPUPS SM SM SM SM SMSMSM SM河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 10 設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此大體上都是按數(shù)字量 I/O點(diǎn)數(shù)的 10～15倍，加上模擬 I/O點(diǎn)數(shù)的 100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 （ 3）機(jī)型的選擇 ① PLC的類型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類；按 CPU字長(zhǎng)分為 1位、 4位、 8位、 16位、 32位、 64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點(diǎn)數(shù)選型。 整體型 PLC的 I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC提供多種 I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 ②輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出 模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。 可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程 I/O機(jī)架等。 ③電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn) PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般 PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用 220VAC電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果 PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡(jiǎn)單的二極管或熔絲管隔離。 ④存儲(chǔ)器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求 PLC的存儲(chǔ)器容量，按 256個(gè) I/O點(diǎn)至少選 8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。 PLC 及模塊選型 鑒于以上要點(diǎn)，由于該選礦系統(tǒng)工藝過(guò)程比較固定，不易選用整體式結(jié)構(gòu)的3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介 紹及選型 11 PLC，易選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC；系統(tǒng)以開關(guān)量控制為主、帶少量數(shù)字量控制，對(duì)控制速度沒有太多要求，帶 A/D轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能就能滿足要求；此外系統(tǒng)控制功能要求要實(shí)現(xiàn) PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等。因此，S7300系列可編程控制器能滿足性能要求。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用西門子 (Siemens)公司的 SIMATIC S7300模塊化 PLC系統(tǒng)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。 [8] PLC 的中央處理器 CPU 的選型 根據(jù)被控對(duì)象的 I/O點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，選用 SIEMENS公司的 S7300系列 PLC的 CPU為 3152DP。 [9]CPU315－ 2DP是唯一帶現(xiàn)場(chǎng)總線（ PROFIBUS） SINEC L2DP接口的 CPU模板，具有 48KB的 RAM, 80KB的裝載存儲(chǔ)器，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)乳容量最大到 512KB。最大可擴(kuò)展 1024點(diǎn)數(shù)字量或 128個(gè)模擬量。 3152DP具有中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果需要，可以供 SIMATIC功能工具使用，它對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力，可用于大規(guī)模的 I/O配置，建立分布式 I/O結(jié)構(gòu)。 根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的要求選擇 CPU315（ 6ES73152AF000AB0）作為本次設(shè)計(jì)的中央處理器。 [10] 圖 5 CPU315模塊面板布置示意圖 圖 5 CPU315模塊面板布置示意圖 PLC 數(shù)字量輸入 /輸出模塊的選型與線路連接 數(shù)字 I/O模塊包括用于 SIMATIC S7300的數(shù)字輸入和輸出 ,通過(guò)這些模塊，可將數(shù)字傳感器和執(zhí)行元件與 SIMATIC S7300相連。由于 3152DP PLC的 CPU本身沒有輸入輸出接口，需要使擴(kuò)展模塊作為系統(tǒng)的 I/O口。在本系統(tǒng)中我們采用 SM321 以及 SM322來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。 [11] SM321數(shù)字量輸入模板將現(xiàn)場(chǎng)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成 S7300內(nèi)部信號(hào)電平，有四種型號(hào)模板可供選擇，即直流 16點(diǎn)輸入，直流 32點(diǎn)輸入，交流 8點(diǎn)輸入，河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 12 交流 32點(diǎn)輸入。因?yàn)槠扑殡A段統(tǒng)計(jì)出 DI=46點(diǎn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的 I/O點(diǎn)數(shù)，選擇直流 32點(diǎn)和直流 16點(diǎn)輸入的 SM321數(shù)字量輸入模塊。選用的模塊為： SM321(6ES7 3211BL000AA0)為 DI 32 24VDC；如下圖 6所示。 圖 6 SM321數(shù)字量輸入模塊線路連接圖 圖 6 SM321數(shù)字量輸入模塊線路連接圖 SM322數(shù)字量輸出模板將 S7300內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成所要求的外部信號(hào)電平，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、小型電動(dòng)機(jī)、燈和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器等。破碎階段統(tǒng)計(jì)出 DO=13點(diǎn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的 I/O點(diǎn)數(shù)選擇 32點(diǎn)繼電器輸出數(shù)字量輸出模板。選用的模塊為： SM322(6ES7 3221FL000AA0)為 DO 32 120/230VAC/1A；如下圖 7所示。 3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介 紹及選型 13 圖 7 SM322數(shù)字量輸出模塊線路連接圖 PLC 的模擬量輸入模塊的選型與線路連接 SIMATIC S7300的模擬輸入用于連接電壓和電流傳感器、熱電耦、電阻器和電阻式溫度計(jì)。 SM331模擬輸入模塊將擴(kuò)展過(guò)程中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為 S7300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。電壓和電流傳感器、熱電耦、電阻和電阻式溫度計(jì)均可作為傳感器與該模塊相連。 在選礦自動(dòng)化系統(tǒng)中需要采集多種模擬的信 號(hào)輸送到 PLC中，這就需要用到模擬量的輸入模板，模擬量的輸入模板為 SM331. 本階段選用 SM331 AI 8 12位模擬量輸入模塊。 SM331 AI8 12Bit是 8通道的模擬量輸入模塊，主要是由 A/D轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。 A/D轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。積分式 A/D轉(zhuǎn)換的積分時(shí)間直接影響到 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和 A/D轉(zhuǎn)換精度。積分時(shí)間越長(zhǎng)，被測(cè)值的精度越高。 SM331可選的積分時(shí)間有 :, , 20ms和 100ms。相 對(duì)應(yīng)的以位表示的精度為 112和 14。為了抑制工頻及諧波干擾，一般選用 20 ms的積分時(shí)間，相應(yīng)精度為 12位。 S7300的 CPU用 16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼表示模擬量的值，其中最高位為符號(hào)位 S。 河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 14 0”表示正值，“ 1”表示負(fù)值。 S7300模擬輸入模塊的輸入測(cè)量值范圍很寬，可直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)。它用于連接不帶附加放大器的模擬執(zhí)行元件和傳感器，可以將擴(kuò)展過(guò)程中的模擬信一號(hào)轉(zhuǎn)化為 S7300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。 SM331的 8個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式 A/D轉(zhuǎn)換部件。即通過(guò)模擬切換開關(guān) ，各個(gè)輸入通道按順序一個(gè)接一個(gè)轉(zhuǎn)換。某一通道從開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起，一直持續(xù)到再次開始轉(zhuǎn)換的時(shí)間稱為輸入模塊的循環(huán)時(shí)間。循環(huán)時(shí)間是對(duì)外部模擬信號(hào)的采樣間隔。對(duì)于一個(gè)積分時(shí)間設(shè)定為 20ms, 8個(gè)輸入通道都接有外部信號(hào)且都需斷線監(jiān)視的 SM331,其循環(huán)時(shí)間為 (22+10) 8=256ms。 SM331的每?jī)蓚€(gè)輸入通道構(gòu)成一個(gè)輸入通道組，可以按通道組任意選擇測(cè)量方法和測(cè)量范圍。模塊上需接 24VDC的負(fù)載電壓 L+，有反接保護(hù)功能。模塊與 S7300CPU及負(fù)載電壓之間是光電隔離的。 8路輸入模塊的連接原理如圖 8所示 。 另外，為了使模擬量輸入模塊獲得最佳的抗干擾性能，可以將不使用的通道與 M短接。根據(jù)需要我們選用 SM 331（ 6ES7 3317KF020AB0）模擬量輸入模板作為我們的模擬量輸入模板，具體的參數(shù)如下： ① SIMATIC S7300的模擬輸入 ②用于連接電壓和電流傳感器、熱電耦、電阻器和電阻式溫度計(jì) ③ 8輸入，高分辨率。 圖 8 8路輸入模塊的連接原理示意圖 SM 331（ 6ES7 3317KF020AB0）的接線圖如下圖 9所示： 3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介 紹及選型 15 圖 9 SM331數(shù)字量輸出模塊線路連接圖 模擬量輸出模塊的選型與線路連接 河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 16 圖 10 SM332模擬量輸出模塊連接示意圖 模擬量輸出模塊 SM332用于連接模擬量執(zhí)行器 SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時(shí)，