【正文】 ..........................38 參考文獻 .......................................................................................................................39 致 謝 ............................................................................................................................40 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1 1． 緒 論 課題概述 課題來源 該論文課題來源于與重慶鍵英液壓機電有限公司的項目合作。雖然單片機設計的系統(tǒng)價格更廉價些，但是由于其運行的穩(wěn)定性、可靠性、控制精度、以及運行速度都不是很理想。 課題背景及意義 目前國內(nèi)隨主機配套的油站的配套電控產(chǎn)品大多還停留在過去的傳統(tǒng)控制方式上，與當前的生產(chǎn)管理方式和控制水平不相適應。尤其對于需要在惡劣外界條件下工作的主機而言，其油站一般都放在主機旁供油，由于粉塵、振動等原因經(jīng)常使油站的控制和保護功能失靈。針對這些情況，重慶鍵英液壓機電有限公司決定采取自主設計的油站自動控制系統(tǒng)。 PLC 的特點介紹。 PLC 本身平均無故障時間可達幾十萬小時。 主要通過以下措施來提高可靠性： 1）從硬件設計、元器件的選擇到工藝制作都極為嚴格。 3）采用了冗余技術（可以根據(jù)需要采用多 CPU）。 ： 1）對所有的 I/O 接口電路都采用光電隔離。 3）內(nèi)部采用電磁屏蔽措施，防止輻射干擾。 5）完善的接地。 7） PLC 采用了周期循環(huán)掃描工作方式。因為這種方式對輸入輸出操作是集中進行的。因為干擾就是在輸入采樣時間內(nèi)進入 PLC 內(nèi)部的，因此 PLC 在運行時，大部分干擾都被阻擋在 PLC 之外。 （三）功能齊全、通用性強、靈活性好 除了 PLC 的常規(guī)功能外，大量的特殊功能模塊使 PLC 功能大大增強。 圖 PLC 簡單結(jié)構(gòu) 重慶大學本科學生在畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 3 （四）設計、安裝容易、維護工作量小 如上圖所示我們只需要編程設置內(nèi)部的 I/O 關系就夠了，而不需要過多的改 動虛線框外面的接線設備。 （六）聯(lián)網(wǎng)方便，便于系統(tǒng)集成，性價比高 PLC 配置了各種通訊接口例如 RS485，以及通訊模塊，這便于實現(xiàn) “管、控一體化 ”?？紤]到該系統(tǒng)用戶方的要求穩(wěn)定性能較高，且運用環(huán)境惡劣，因此決定選擇性能較好的國外PLC，由于第一次做工控，通過各種渠道了解了下國外一些 PLC 的相關情況，基本上各有優(yōu)劣，通過了解之前一些工程師對西門子 PLC 的應用經(jīng)歷得知西門子系列產(chǎn)品的性能不錯，且價格比較合理，售后等服務也較好，各種學習資料也齊全，這也為以后各種技術難題提供了幫助，多方考慮決定采用西門子 PLC。 西門子 S7300 PLC 的組成 S7300 簡介 S7300 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求，具有品種繁多的 CPU 模塊、信號模塊和功能模塊，用戶可以根據(jù)具體的情況選擇合適的模塊而且維修更換也方便。有的 CPU 還帶有集成的現(xiàn)場總線 PROFIBUS— DP 接口或者 PtP 串行通信接口。 通過系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能塊的調(diào)用，用戶可以使用集成在操作系統(tǒng)內(nèi)的程序，從而顯著減少所需要的用戶存儲器容量，它們可以用于中斷處理、出錯處理、復制和處理數(shù)據(jù)等。利用 STEP7 來為所有的模塊和網(wǎng)絡設置參數(shù)。S7300 按照指定的刷新速度自動地將數(shù)據(jù)傳送給 SIMATIC 人機界面。 一臺 S7300 PLC 可由以下部 重慶大學本科學生在畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 4 分組成： ○ 1 導軌、 ○ 2 電源模塊（ PS）、 ○ 3 CPU 模塊、 ○ 4 信號模塊（ SM）、 ○ 5 功能模塊（ FM） 、 ○ 6 接口模塊（ IM）、 ○ 7 通信處理器（ CP）。 電源模塊總是安裝在機架的最左邊， CPU 模塊緊靠電源模塊，如果有接口模塊，可以放在 CPU 模塊的右側(cè)。 PLC 還有一些輔助模塊，例如占位模塊、仿真模塊等。背板總線集成在各個模塊上，各個模塊通過 U 型總線連接器相連，每個模塊都有一個總線連接器，總線連接器插在模塊的背后。 S7300 的電源模塊通過電源連接器或者導線與 CPU 模塊相 連，為 CPU 模塊 提供 DC 24V 電源，也可為信號模塊提供 DC 24V 電源。 根據(jù)輸出電流的不同， PS307 有三種電源模塊： 2A、 5A、 10A，它們的工作原理和接線端子完全一樣。所選 重慶大學本科學生在畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 5 定的電源模塊的輸出功率必須大于 CPU 模塊及所有 I/O 模塊、各種智能模塊等消耗功率之和，并且要留有 30%左右的裕量。如上圖所示 CPU 上有各種功能開關以及指示燈，還有 MPI， DP 網(wǎng)絡接口等。其中 IM365 模塊專用于 S7300 PLC的雙機架系統(tǒng)擴展，在使用時成對使用，一個為發(fā)送模塊，另外一個作接收模塊。 （ SM） S7300 的信號模塊有數(shù)字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊以及用于危險場合的輸入輸出模塊。根據(jù)輸入信號的極性及端子數(shù)， SM321 共有 14 種數(shù)字量輸入模塊，后面在選用的時候再作介紹。根據(jù)負載回路使用電源的要求，數(shù)字量輸出模塊分為直流輸出模塊（晶體管輸出方式）、交流輸出模塊（晶閘管輸出方式）和交直流兩用輸出模塊（繼電器輸出方式）等。SM323 有 2 種模塊，一種帶有 8 個共地輸入端和 8 個共地輸出端；另外一種帶有 16 個共地輸入端和 16 個共地輸出端，兩種模塊的輸入輸出特性相同。其中帶有 RTD 的模塊只能連接電阻或熱電阻輸入，帶有 TC 的模塊是只能連接熱電偶輸入。 5）模擬量輸出模塊 SM332 SM332 用于將 S7300 PLC 的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的模擬量信號，控制模擬量調(diào)節(jié)器或執(zhí)行機構(gòu)。均采用了光電隔離技術。 SM334 為通用模擬量輸入 /輸出模塊， SM335 為高速模擬量輸入 /輸出模塊，并具有一些特殊功能。功能模塊自身帶有 CPU，并能實現(xiàn)特定的功能，可為 PLC 的 CPU 分擔大量的任務。例如閉環(huán)控制模塊、計數(shù)器模塊、稱重模塊等，這里就不具體介紹了。組成該油站的部件主要有：油箱、截止閥、球式電磁換向閥、加熱器、鉑熱電阻測溫器、球閥、粗過濾器、齒輪泵、電機、雙筒壓力管式過濾器、低壓溢流閥、耐震壓力表、蓄能器、單向閥、冷卻器等。當高壓泵提供的壓力油達到一定的數(shù)值時，即足以浮動主軸，此時就可以開動主機運轉(zhuǎn)，運行平穩(wěn)后自動停止高壓泵，改由低壓泵提供潤滑油， 高壓系統(tǒng)還用于主機停機前即先將高壓泵開啟，壓力達到一定的穩(wěn)定值時，方可停主機。 對于低壓泵系統(tǒng)，我們可以看到， 設有兩臺齒輪泵，正常情況下，一臺工作，一臺備用，遇有意外，低壓系統(tǒng)壓力降到低于第一壓力設定值時，備用油泵投入重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 2 油站的概述 8 工作，保證向軸承繼續(xù)提供潤滑油，壓力達到正常時，備用泵自動停止。以下是與油站壓力控制設定的一些相關參數(shù)： 1）工作壓力。 2) 壓力下限。 3）壓力下極限值。這里設定為 。 加熱器控制 油箱中設有電加熱器。油箱中裝有 Pt100 鉑熱電阻溫度傳感器用于檢測油箱溫度，由于潤滑油的溫度低于 20℃時容易造成潤滑油凝結(jié)，形成不易清除的結(jié)塊；另外如果進入主軸的油溫高于 50℃時，則由于溫度過高，導致潤滑油的黏度下降，不易形成油膜。當溫度高于 50℃時則啟動報警。 冷卻風機控制 冷卻器用于當出油口檢測到油溫過高時，啟動來冷卻油液。大概分幾個階段，設定一定的溫度值界限來判斷冷卻風機的運行情況，這里設定為四種：即冷卻風機 1 高速、冷卻風機2 高速，冷卻風機 1 高速、冷卻風機 2 低速，冷卻風機 1 低速、冷卻風機 2 低速，冷卻風機 2 低速。它本身只能處理開關量信號，可方便可靠地進行邏輯關系的開關量控制，不能直接處理模擬量。我們知道可以經(jīng)過采樣離散化把模擬量轉(zhuǎn)化成在時間上是離散的，但取值上卻可以表示模擬量變化的一連串的數(shù)字量，那么 PLC 就可以通過對這些數(shù)字量的處理來進行模擬量控制。這種把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 的電路叫做“模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器”簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器；把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路叫做“數(shù) /模轉(zhuǎn)換器”簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器。 圖 PLC 模擬量控制系統(tǒng)組成框圖 PLC 模擬量控制系統(tǒng)特點 我們知道一個在時間和取值上連續(xù)的模擬量可以用一個在時間和取值上都是離散的數(shù)字量來代替，這個數(shù)字量僅僅是在某些時間點上等于模擬量的值。這個過程由兩部分組成：一是在指定時間點上向模擬量取值，這個過程叫采樣；二是取出模擬量后，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的二進制數(shù)字量，這個過程叫量化。 采樣和量化使 PLC 處理模擬量具有以下特點。也就是說， A/D 轉(zhuǎn)換模塊的的干擾 PLC D/A 執(zhí)行器 被控對象 A/D 傳感器 設定值 X 被控制值 Y 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 PLC 的模擬量控制 10 位數(shù)決定了轉(zhuǎn)換的精度，位數(shù)越多，分辨率越高， 精度也越高，與模擬量原值的誤差就越小。它可以通過增加 A/D 轉(zhuǎn)換的位數(shù)來控制精度。 （ 2） 采樣是一個時間上不連續(xù)的控制動作。 PLC 模擬量控制的這個特點所帶來的問題是如何才能保證所采樣的不連續(xù)的取值能夠較少失真地恢復原來模擬量信號。 （ 3） PLC 模擬量控制中，無論是采樣、量化、信息處理，還是控制輸出，都需要一定的時間。這種延時作用的特點是PLC 模擬量控制的不足之處。 PLC 的響應速度與程序掃描時間關系很大。 （ 4） PLC 的一個優(yōu)點就是采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，控制的可靠性也得到極大提高， 這對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是極其重要的。但它的控制響應滯后性也是明顯的，可以說，PLC 控制的穩(wěn)定性和準確性是用其響應滯后得到的。用模擬量輸入模塊進行模擬量輸入一般都要先把模擬量通過相應的傳感器和變送器變換為標準的電壓（ 0~10V， 10~10V 等）和電流（ 0~20mA,4~20mA） 才能接入模塊 通道。 PLC 也可以用采集脈沖方式輸入模擬量信號，但必須先通過壓頻變送器把電壓轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的脈沖序列送入 PLC。 （ 2） PLC 控制模擬量輸出方式 在 PLC控制模擬量輸出方面，用得最多的仍然是通過模擬量輸出模塊輸出，一般 D/A 模塊都具有兩路以上通道，可以通過輸出兩個以上模擬量控制兩個以重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 PLC 的模擬量控制 11 上的執(zhí)行器。同理，模擬量輸出還可以采用占空比可調(diào)的脈沖序列信號輸出。在 PLC 中，量化和編碼都是同時完成的。A/D 轉(zhuǎn)換的原理可分為逐次逼近式、雙積分式、并行式等多種。 逐次逼近式 AD 轉(zhuǎn)換器與計數(shù)式 A/D 轉(zhuǎn)換類似，只是數(shù)字量由 “逐次逼近寄存器 SAR”產(chǎn)生。在最高位確定后， SAR 又以對分搜索法確定次高位，即以低 7 位的一半 y1000000B(y為已確定位 ) 試探模擬量 Vi 的大小。重復這一過程，直到最低位 bit0 被確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 D/A 轉(zhuǎn)換的基本原理是用電阻網(wǎng)絡將數(shù)字量按每位數(shù)碼的權值轉(zhuǎn)換成相應的模擬信號，然后用運算放大器求和電路將這些模擬量相加就完成了 D/A 轉(zhuǎn)換。重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 PLC 的模擬量控制 12 圖 T 型電阻網(wǎng)絡 D/A 轉(zhuǎn)換電路原理圖 圖 所示為一個 4 位 T 型電阻網(wǎng)絡數(shù) /模轉(zhuǎn)換原理圖。 4 位數(shù)字開關由數(shù)字控制器的數(shù)字量控制。即當 D0=1， D1=D2=D3=0 時，可以求得 Ir1=Vref3R 1212121