【正文】 外部設(shè)備傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的信號電平是 多種多樣的，而 PLC中 CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以 I/O單元需實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。同時 PLC又通過 I/O接口將處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程。位處理器的采用，加快了 PLC的掃描速度，使 PLC 能較好的滿足實時控制要求 二、輸入 /輸出部件 輸入 /輸出部件通常亦稱 I/O單元或 I/O模塊， PLC通過 I/O單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。 字處理器是主處理器，由它處理字節(jié)操作指令，控制系統(tǒng)總線、內(nèi)部計數(shù)器、內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，統(tǒng)一管理編程接口，同時協(xié)調(diào)位處理器及輸入輸出。一個為字處理器，多為8位或 16位微處理器。它通過輸入裝置讀入外設(shè)的狀態(tài)，由用戶程序去處理，并根據(jù)結(jié)果通過輸出裝置去控制外設(shè)。除此之外，它自帶的 STEP7編程軟件功能強(qiáng)大，使用方便，也使開發(fā)過程變得簡單快捷 。 其主要組成部分有導(dǎo) 軌 (RACK)、電源模塊 (PS)、中央處理單元模塊 (CPU)、接口模塊 (IM),信號模塊 (SM)、功能模塊 (FM)等。 S7300系列 PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種單獨模塊之間可 以 進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。 選用： CPU3152 DP處理器； PS307 電源模塊； ET200M 遠(yuǎn)程控制單元； CP3422DP通信模塊； CP340 通信模塊； SM321 數(shù)字量輸入模塊； SM322 數(shù)字量輸出模塊； SM331 模擬量輸入模塊。最大配置 4個機(jī)架， 32 塊模塊。其中最主要的原因是 CPU3152 DP 是 S7300系列中唯一帶現(xiàn)場總線 (PROFIBUS) SINEC L2DP接口的 CPU模塊。如果要跨范圍使用 PLC，或者應(yīng)用中的某些功能或信號有特別的速度要求時，確定 PLC的型號就應(yīng)特別慎重。所以存儲器容量為 : ( 7410+ 655+ 26100)/1024= 工程實踐中，大多采用粗略估算，加大裕量，實際選型時參考此值采用就高不就低的原 則。作為一般應(yīng)用下的一種經(jīng)驗公式是： 存儲器容量 ( ) ( 1. 1 ~ 1. 25 ) ( 10 5 / 10 0) / 10 24K B D I D O AI O? ? ? ? ? ? ? 其中： DI為數(shù)字量輸入總點數(shù)； DO為數(shù)字量輸出總點數(shù)； AI/O為模擬量 I/O通道總數(shù) 。目前，大多用統(tǒng)計經(jīng)驗公式進(jìn)行存儲器容量估算。選定的 PLC機(jī)型的 I/O能力極限值必須大于 I/O點數(shù)估計值，并應(yīng)盡量避免使 PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有 30％的裕量。 表 模擬量輸入通道統(tǒng)計表 模擬量輸入 通道數(shù) 水倉水位 1 水泵真空度 3 出水口壓力 3 排水管流量 3 水泵軸承溫度 3 電機(jī)溫度 3 電機(jī)電流 3 電機(jī)電壓 3 總計 22 表 42數(shù)字量輸入點數(shù)統(tǒng)計表 數(shù)字量輸入 點數(shù) 電動閘閥開 3 電動閘閥關(guān) 3 電動閘閥停 3 電動閘閥開到位 3 電動閘閥關(guān)到位 3 電動閘閥開過轉(zhuǎn)矩 3 電動閘閥關(guān)過轉(zhuǎn)矩 3 真空泵狀態(tài) 2 電機(jī)合閘 3 電機(jī)分閘 3 電機(jī)合閘到位 3 電機(jī)分閘到位 3 真空泵球閥開到位 2 真空泵球閥關(guān)到位 2 球閥開到位 9 球閥關(guān)到位 9 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁 故障復(fù)位 1 急停 1 操作方式選擇 3 真空泵射流管啟動方式選擇 1 總計 64 表 43數(shù)字量輸出點數(shù)統(tǒng)計表 數(shù)字量輸出 點數(shù) 真空泵球閥開 2 真空泵球閥關(guān) 2 排水泵球閥開 9 排水泵球閥關(guān) 9 電動閘閥開 3 電動閘閥關(guān) 3 電動閘閥開到位 3 電動閘閥關(guān)到位 3 電動閘閥開過轉(zhuǎn)矩 3 電動閘閥關(guān)過轉(zhuǎn)矩 3 真空泵電機(jī)開 3 真空泵電機(jī)關(guān) 3 水泵電機(jī)開 3 水泵電機(jī)關(guān) 3 警鈴 1 故障顯示燈 1 總計 54 考慮到前面的設(shè)計中 I/O 點數(shù)可能有疏漏，并考慮到 I/O 端的分組情況以及隔離與接地要 求，應(yīng)在統(tǒng)計后得出的 I/O 總點數(shù)基礎(chǔ)上，增加 10％到15％的裕量。系統(tǒng)可隨時轉(zhuǎn)換為自動和半自動工作方式運(yùn)行。 自動時，由 PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號，自動完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動工作方式時，由工作人員選擇某臺或幾臺泵組投 入， PLC 自動完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動檢修方式為故障檢修和手動試車時使用，當(dāng)某臺水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時，該泵組將自動退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 運(yùn)。觸摸屏與監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)均可動態(tài)顯示主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點以提醒操作人員注意。 六、 通訊接口 PLC通過通訊接口和通訊協(xié)議，與觸摸屏進(jìn)行全雙工通訊，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)傳至觸摸屏，完成各數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示；同時，操作人員也可利用觸摸屏將操作指令傳至 PLC，控制水泵運(yùn)行。 五、 動態(tài)顯示 動態(tài)模擬顯示選用西門子公司的 ET200M（觸摸屏），系統(tǒng)通過圖形動 態(tài)顯示水泵、真空泵、電動閘閥和電動球閥的運(yùn)行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報警。 電動機(jī)故障：利用 PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。 四、 系統(tǒng)保護(hù)功能 超溫保護(hù)：水泵長期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護(hù)裝置及 PLC 實現(xiàn)超限報警。 三、 “ 避峰填谷 ” 所謂 “ 避峰填谷 ” ，是指調(diào)度水泵在用電的 “ 谷段 ” 和“平段”時間段工作，盡量避免在“峰段”啟動。 PLC 所采用的A/D 模塊均以積分方式變換，可使輸入信號的尖峰噪音和感應(yīng)噪聲平均化，適用于噪音嚴(yán)重的工業(yè)場所。一般情況下，采樣頻率應(yīng)為模擬信號中最高頻率成 分的 2倍以上，這樣經(jīng) A/D變換的精度可完全恢復(fù)到原來的模擬信號精度。如果兩路信號相差 大于 時系統(tǒng)報警，要求值班人員進(jìn)行檢查 ；而對于信號干擾，則采用軟件過濾，只有當(dāng)信號在某一值附近穩(wěn)定足夠時間，且回差足夠小時才作為控制量使用，防止了因干擾而濘致機(jī)組誤動的情況。 影響水位的因素主要來自兩方而 :一是水位計故障 (如遭受雜物撞擊 )， 二 是 水位信號受干擾 (如水波動較大 )。模擬量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水倉水位、電機(jī)工作電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、 3 臺水泵的流量 、 水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力；數(shù)字量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水泵高壓啟動柜真空斷路器和電抗器柜真空接觸器的狀態(tài)、電動閘閥的工作狀態(tài)與啟閉位置、真空泵工作狀態(tài)、電動球閥狀態(tài)。如果沒有外設(shè)請求，系統(tǒng)則會自動循環(huán)地掃描進(jìn)行。 處理外設(shè)請求操作 每次執(zhí)行完用戶程序后，就進(jìn)入服務(wù)外設(shè)請求命令的操作，外設(shè)的請求命令包括操作人員的介入和硬件設(shè)備的中斷。當(dāng)程序執(zhí)行過程中因某種干擾使掃描失控或進(jìn)入死循環(huán)時， “ 看門狗 ” 會發(fā)出超時報警信號，使程序重新開始執(zhí)行。 執(zhí)行用戶程序操作 在程序執(zhí)行前復(fù)位監(jiān)控定時器 T1，即執(zhí)行程序并開始計時。當(dāng)前處理的結(jié)果放 在輸出映像存儲器區(qū)內(nèi)，在程序執(zhí)行結(jié)束后，才將輸出映像區(qū)的內(nèi)容通過鎖存器輸出到端子上。在 PLC的存儲器中，有一個專門存放 I/O 的數(shù)據(jù)區(qū)，其中對應(yīng)于輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，我們稱之為輸入映像存儲器。 數(shù)據(jù) I/O 操作 數(shù)據(jù) I/O 操作也稱為 I/O 狀態(tài)刷新。此后，將監(jiān)控定時器 T0 復(fù)位，允許掃描用戶程序。 PLC接通電源后，在進(jìn)行循環(huán)掃描之前， PLC首先確定自身的完好性，這是起始操作的主要工作。然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。 與其它計算機(jī)系統(tǒng)一樣， PLC 的 CPU 是采用分時操作的原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨著時間的延伸一個動作接一個動作順序地進(jìn)行。 PLC 的基本工作原理 PLC運(yùn)行時，內(nèi)部要進(jìn)行一系列操作，大致可分為四大 類：以故障診斷、通信處理為主的公共操作，聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入和輸出操作，執(zhí)行用戶程序的操作，以及服務(wù)于外部設(shè)備的操作（如果外部設(shè)備有中斷請求）。 實現(xiàn)人機(jī)界面功能的手段 :從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機(jī) 的 CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機(jī)、工 業(yè)計算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。通常所說的 SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場端和遠(yuǎn)程端也可以采用 PLC作現(xiàn)場 機(jī)。 通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程 序 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或 電偶。 模擬數(shù)據(jù)處理 :PID、積分和濾波。 .比較 :大于、小于和等于。 2)數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能 數(shù)學(xué)運(yùn)算功能包括 : .基本算術(shù) :加、減、乘、除。 計數(shù)控制 :用脈沖控制可以實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可以連接碼盤進(jìn) 行位置檢測。 PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構(gòu)成 .多種控制功能 .數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功 .通信聯(lián)網(wǎng)功能 .輸入 /輸出接口調(diào)理功能 .人機(jī)界面功能 .編程、調(diào)試功能 1)控制功能 邏輯控制 :PLC 具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運(yùn)算功能， 可以代替繼電器進(jìn)行開關(guān)量控制。 2. PLC的主要功能 PLC是應(yīng)用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動 化 (FA) 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 和計算機(jī)集成制 造系統(tǒng) (CIMS)內(nèi)占重要地位。由于 PLC 是專為工業(yè)控 制而設(shè)計的專用計算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，以及有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部?？煽刂坪唵蜗到y(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。可控 制一臺單機(jī)、一條生產(chǎn)線，也可控制一個機(jī)群、多條生產(chǎn)線。 5)功能強(qiáng) PLC不僅具有條件控制、 定 時、計數(shù)、步進(jìn)等控制功能，而且還能 完成A/D. D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過程監(jiān)控 等。 4)接線簡單 PLC只需將輸入設(shè)備 (如按鈕、開關(guān)等 )與輸入端子聯(lián)接，將輸出設(shè) 備 (如接觸器、電磁閥等 )與輸出端子聯(lián)接。此外， PLC 的 I/O 接口可直接與控制現(xiàn)場的用戶設(shè)備聯(lián)接。 目前， PLC 大多采用梯形圖語言編程方式，它既繼承了繼電器控制線路 的清晰直觀感，又考慮到電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用實際，電氣技術(shù)人員易于編程，程序修改靈活方便。 PLC 具有很高的可靠性和抗干擾能力，不會出現(xiàn)繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中接線老化、脫焊、觸點電弧等現(xiàn)象，故被稱為“專為適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機(jī)”。 2)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 可靠性是工業(yè)控制器件的重要指標(biāo)。而且，同一臺 PLC還可用于不同控制對象，通過改變軟件則可實現(xiàn)不同 控制的控制要求。如果因為工藝 上少許變化，需要改變電氣控制系統(tǒng)時，原先整個電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進(jìn)行布線、焊接、固定等工作， 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 耗費(fèi)大量人力、物力、和時間。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算 ， 順序控制 、定時 、 計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 1井 井 井 井 井井 井井 井 井 井P L C 井 井 井井 井井 井 井 井 井P R O F I B U S D P4 8 5井 井 井 井 井 井 井井 井 井 井 井 井 井井 井 井 井 井 井 井井 井 井 井 井井 井 井 井井 井 井 井圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 基于 PLC 的 礦井主 排水控制系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)由 PLC（ 可編程邏輯控制器 ）、觸摸屏、檢測部分（模擬量和開關(guān)量采集）和執(zhí)行部分等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖 42所示。工業(yè)計算機(jī)利用友好人機(jī)界面實現(xiàn)人機(jī)對話和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能， PLC 作為控制器完成邏輯處理和控制任務(wù)，遠(yuǎn)程 IO實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和上傳。% （典型值） 重復(fù)性 177。 水泵負(fù)壓檢測 NSK型負(fù)壓傳感器采用先進(jìn)的靜電焊接技術(shù)形成穩(wěn)定的參考腔，可以用來測量小于大氣壓的壓力和真空度，廣泛用于石油、化工、冶金、制藥冷凍、真空儀表等自動化行業(yè)。這些閾值只有在現(xiàn)場根據(jù)每臺水泵不同的流量特性設(shè)定出相應(yīng)的閾值。 隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的加強(qiáng)和進(jìn)步，電磁流量計達(dá)到抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性 可靠、整體防爆的要求，適合在煤礦井下使用，且也逐步的推廣和使用。電磁流量計可以達(dá)到以下要求 : ① 420mA信號輸出型 ； ② 抗干擾性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性可靠