基于PLC的油站润滑控制系统设计毕业设计.docx

重庆大学本科学生毕业设计（论文）基于PLC的油站润滑控制系统设计学 生：明松学 号：20083325指导教师：简毅专 业：机械电子工程重庆大学机械学院二O一二年六月Graduation Design (Thesis) of Chongqing UniversityThe lubrication control system design for oil station based on PLC Undergraduate: Ming SongSupervisor: Prof. Jian YiMajor: MechatronicsMechinery CollegeChongqing UniversityJune 2012重庆大学本科学生毕业设计（论文） 摘要摘 要油站的功能是为主机提供一定温度的润滑油和液压动力油，降低摩擦、减小磨损、散热防锈、降低震荡冲击及噪声、排除污物以及为执行机构提供动力。因此要求润滑油的温度严格控制在一定范围内，有的油站由于采用喷射润滑，因此还要求润滑油压力在一定的范围内可调。因此对于油温及油压的控制程度好坏将直接决定油站的功能优劣。由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、灵活性和通用性高、使用以及安装简单等优点，因此可以实现对油站的润滑油的温度及压力实行有效的、可靠的、精确的、实时自动控制。在这里采用了德国西门子公司的S7-300系列PLC，人机界面设备采用西门子的触摸屏TP 270 10型号，分别采用了Step7 V5.5和Wincc flexible 2008软件进行组态。这里着重论述了油站信号的各种信号的处理方法，控制系统方案设计以及如何实现HMI、PLC和现场设备之间的通讯。关键词：油站，S7-300 PLC，Wincc flexible 2008，组态 重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTOil station is a facility that is matched to provide lubricating oils and hydraulic oils whose temperature and pressure is certain for host machine so as to reducing friction and attrition, releasing heat, protecting the spindles and bearings from rusting, relieving shock and collision, clearing oil, and providing motive power for executive parts. So the temperature is a key factor needing to be controlled to within a reasonable data. In the meantime, some oil station need to provide fogged lubrication oil, so the pressure must be in control too. Therefore the advantages of the oil station are due to the control achievements of temperature and pressure.As we know, PLC is more reliable, easy to stall, in highly general use, and could prevent facility from being interrupted well, so it meets our requirements. Here, we choose the S7-300 series PLC and the touch panel TP270 10 coming from Siemens. Meanwhile, we take use of Step7 V5.5 and Wincc flexible 2008 to configure them. In the article, we talked more about how to deal with the digital signal and analog signal coming from the field facilities, how to design the supervisory and control system and how to realize the communication among the PLC, HMI, and Field facilities. Key words： Oil station, S7-300 PLC, Wincc flexible 2008, Configuration 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 课题概述11.1.1 课题来源11.1.2 课题背景及意义11.1.3 PLC 的特点介绍。11.1.4 PLC的选型31.2 西门子S7-300 PLC的组成31.2.1 S7-300简介31.2.2 硬件组成31.2.3 S7-300模块简介42. 油站的概述72.1.油站的基本结构组成72.2 油站的基本工作原理及流程72.2.1 低高压泵系统72.2.2 过滤器控制82.2.3 加热器控制82.2.4液位控制82.2.5 冷却风机控制83. PLC的模拟量控制93.1 PLC模拟控制系统概述93.1.1 PLC模拟量控制系统组成93.1.2 PLC模拟量控制系统特点93.1.3 PLC模拟量输入/输出方式103.2 A/D 与D/A转换113.2.1 A/D转换113.2.2 D/A转换113.3 西门子PLC中模拟量的处理模式123.3.1 模拟值的精度133.3.2 不同测量范围下模拟量表达方式144.传感器的选型154.1 温度传感器154.2 压力传感器164.3 物位传感器164.4流量传感器174.5 电流传感器175 .PLC控制系统设计205.1 控制系统的输入输出变量的分析205.1.1模拟量输入与输出205.1.2开关量的输入输出205.2 PLC的I/O模块的选型205.2.1数字量输入模块的选型205.2.2 数字量输出模块选型225.2.3 模拟量输入模块选型245.3 CPU的选型265.4 电源的选择265.5 系统软件设计265.5.1 程序设计前准备265.5.2 程序设计295.6 人机界面的设计356.总结38参考文献39致 谢40 重庆大学本科学生在毕业设计（论文） 1绪论 1 绪 论1.1 课题概述1.1.1 课题来源该论文课题来源于与重庆键英液压机电有限公司的项目合作。原本没有要求一定要用PLC做系统，曾经用单片机做过一个系统。虽然单片机设计的系统价格更廉价些，但是由于其运行的稳定性、可靠性、控制精度、以及运行速度都不是很理想。由于PLC可靠性高，抗干扰能力强，能够用于恶劣的控制环境且运行灵活性和通用性很高，功能强大，维护也方便，所以决定用PLC来做油站润滑系统。1.1.2 课题背景及意义 目前国内随主机配套的油站的配套电控产品大多还停留在过去的传统控制方式上，与当前的生产管理方式和控制水平不相适应。由于传统方式控制柜均采用继电器硬连线实现电控与联锁保护，存在着诸如可靠性低、联锁保护功能少及故障几率高等许多问题，计算机全线监控系统的信号联锁少甚至没有，影响了现场巡检、中控现场集中管理且在实际应用中，由于现场情况的变化，使得传统方式下的控制柜的安装与调试难度加大，进而影响了产品的加工质量等。尤其对于需要在恶劣外界条件下工作的主机而言，其油站一般都放在主机旁供油，由于粉尘、振动等原因经常使油站的控制和保护功能失灵。由于油站的控制失灵这就容易导致主机的主轴和轴承长期工作在非良好润滑状态下，最后主轴因为长期处于摩擦、磨损以及高温环境条件下而寿命缩短甚至直接烧坏电机等。针对这些情况，重庆键英液压机电有限公司决定采取自主设计的油站自动控制系统。这里我们选用基于PLC的油站润滑控制系统设计。1.1.3 PLC 的特点介绍。（一）可靠性极高、抗干扰能力很强可靠性是PLC最突出的特点之一。PLC本身平均无故障时间可达几十万小时。一年有8765小时，这意味着PLC连续使用几十年不会出问题，通常高于35年以上，可称得上无故障设备。1.PLC主要通过以下措施来提高可靠性：1）从硬件设计、元器件的选择到工艺制作都极为严格。2）采取了一系列的抗干扰措施，例如PLC的I/O模块都采用了光电隔离技术。3）采用了冗余技术（可以根据需要采用多CPU）。4）采用了故障诊断和自动恢复技术。2.抗干扰措施：1）对所有的I/O接口电路都采用光电隔离。2）对所有的输入端均采用RC滤波，对于高速输入端还采用了软件数字滤波。3）内部采用电磁屏蔽措施，防止辐射干扰。4）采用优良的的开关电源，防止由电源回路串入的干扰信号。5）完善的接地。6）采用诸如数字滤波、指令复执、程序回卷、差错校验等一系列软件抗干扰措施。7）PLC采用了周期循环扫描工作方式。其本身就有利于屏蔽干扰。因为这种方式对输入输出操作是集中进行的。在一个循环周期中，仅有一小段时间进行I/O处理。因为干扰就是在输入采样时间内进入PLC内部的，因此PLC在运行时，大部分干扰都被阻挡在PLC之外。（二）编程简单，使用方便PLC的梯形图语言与继电器控制电路很相似，编程直观、容易掌握，不需要专门的计算机知识，只要具有一定电工知识的人很快能学会。（三）功能齐全、通用性强、灵活性好除了PLC的常规功能外，大量的特殊功能模块使PLC功能大大增强。当控制系统要求变动或者改变控制功能时，大部分只需要修改程序即可满足要求，故灵活性好。 图1.1 PLC简单结构（四）设计、安装容易、维护工作量小如上图所示我们只需要编程设置内部的I/O关系就够了，而不需要过多的改动虚线框外面的接线设备。 （五）体积小、功耗低、便于机电一体化 由于体积小，PLC很容易嵌入机械设备内部，是实现机电一体化的理想设备。 （六）联网方便，便于系统集成，性价比高 PLC配置了各种通讯接口例如RS485，以及通讯模块，这便于实现“管、控一体化”。1.1.4 PLC的选型生产PLC的厂家有很多，比较知名的有西门子、斯耐德、ABB、三菱，欧姆龙等，国内也有很多生产厂家，例如和利时、浙大中控、智达等。考虑到该系统用户方的要求稳定性能较高，且运用环境恶劣，因此决定选择性能较好的国外PLC，由于第一次做工控，通过各种渠道了解了下国外一些PLC的相关情况，基本上各有优劣，通过了解之前一些工程师对西门子PLC的应用经历得知西门子系列产品的性能不错，且价格比较合理，售后等服务也较好，各种学习资料也齐全，这也为以后各种技术难题提供了帮助，多方考虑决定采用西门子PLC。考虑到日后维护方便、系统的规模这里选择了西门子模块化的S7-300系列PLC。1.2 西门子S7-300 PLC的组成 1.2.1 S7-300简介 S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求，具有品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块，用户可以根据具体的情况选择合适的模块而且维修更换也方便。S7300的每个CPU都有个编程用的RS-485接口，使用西门子的MPI通讯协议。有的CPU 还带有集成的现场总线PROFIBUSDP接口或者PtP串行通信接口。S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力和很强的耐污染性。通过系统功能和系统功能块的调用，用户可以使用集成在操作系统内的程序，从而显著减少所需要的用户存储器容量，它们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。S7-300使用STEP7作为编程软件，功能非常强大，可以使用多种编程语言，有的编程语言还可以互相转换。利用STEP7来为所有的模块和网络设置参数。S7-300已经将HMI服务集成到操作系统内，大大减少人机对话的编程要求。S7-300按照指定的刷新速度自动地将数据传送给SIMATIC人机界面。1.2.2 硬件组成 S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构。一台S7-300 PLC可由以下部分组成：导轨、电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）、通信处理器（CP）。其中电源模块、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通讯模块都安装在导轨上。 电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块，如果有接口模块，可以放在CPU模块的右侧。余下的位置可以任意安装信号模块、功能模块和通信模块。PLC还有一些辅助模块，例如占位模块、仿真模块等。S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在各个模块上，各个模块通过U型总线连接器相连，每个模块都有一个总线连接器，总线连接器插在模块的背后。安装时，先将总线连接器插在CPU模块的背后并固定在导轨上，然后依次装入各个模块。S7-300的电源模块通过电源连接器或者导线与CPU模块相连，为CPU模块提供DC 24V电源，也可为信号模块提供DC 24V电源。 图1.2 S7-300 PLC硬件结构1.2.3 S7-300模块简介 1.电源模块（PS）S7-300有多种电源模块供选择，其中PS307普通型电源模块，输入电压为交流120V、230V,输出电压为直流24V，适合应用于大多数场合。 根据输出电流的不同，PS307有三种电源模块：2A、5A、10A，它们的工作原理和接线端子完全一样。一个实际的PLC系统，在确定所有的模块后，要选择合适的电源模块。所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块及所有I/O模块、各种智能模块等消耗功率之和，并且要留有30%左右的裕量。2. CPU模块S7-300 PLC的CPU型号有CPU312 IFM、CPU 314、CPU314 IFM、CPU315、CPU315-2DP、CPU 314C-2DP、CPU 314C-PtP等多种型号，其中IFM代表该CPU模块上集成有数字量I/O接口、模拟量I/0接口和特殊功能，-2DP表示该CPU模块都有第二通信接口，C代表紧凑型CPU，紧凑型CPU和标准CPU主要区别是CPU模块本身带有数量不等的数字I/O点和模拟I/O通道，集成高速计数输入、高速脉冲输出等功能。如上图所示CPU上有各种功能开关以及指示灯，还有MPI，DP网络接口等。 图1.3 S7-300 CPU面板图 3接口模块（IM）接口模块用于S7-300 PLC的中央机架到扩展机架的连接，S7-300有三种规格的接口模块，即IM360、IM361、IM365。其中IM365模块专用于S7-300 PLC的双机架系统扩展，在使用时成对使用，一个为发送模块，另外一个作接收模块。对于IM360和IM361模块必须配合使用，其中IM360用于发送数据，IM361用于接收数据。4.信号模块（SM）S7-300的信号模块有数字输入输出模块、模拟量输入输出模块以及用于危险场合的输入输出模块。1）数字量输入模块SM321 数字量输入模块将现场的数字信号电平转换成PLC内部信号电平，经过光隔离和滤波后，送到输入缓冲区等待CPU采样，采样后信号状态经过背板总线进入输入映像区。根据输入信号的极性及端子数，SM321共有14种数字量输入模块，后面在选用的时候再作介绍。2）数字量输出模块SM322 数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成现场外部信号电平，可直接驱动电磁阀线圈、接触器线圈、微型电动机、指示灯等。根据负载回路使用电源的要求，数字量输出模块分为直流输出模块（晶体管输出方式）、交流输出模块（晶闸管输出方式）和交直流两用输出模块（继电器输出方式）等。3）数字量输入/输出模块 SM323数字量输入/输出模块在一块模块上同时具有数字量输入点和输出点。SM323有2种模块，一种带有8个共地输入端和8个共地输出端；另外一种带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种模块的输入输出特性相同。4）模拟量输入模块SM331可将控制过程中的模拟信号转换为PLC内部处理用的数字信号，目前有8种规格，常用模块规格有AI816位、AI812位、AI8RTD位、AI8TC位、AI1212位等。其中带有RTD的模块只能连接电阻或热电阻输入，带有TC的模块是只能连接热电偶输入。所有模块均内部设有光电隔离电路。5）模拟量输出模块SM332SM332用于将S7-300 PLC的数字量信号转换成系统所需要的模拟量信号，控制模拟量调节器或执行机构。目前有4种规格的模块，AO812bit、AO416bit、AO412bit、AO212bit。均采用了光电隔离技术。6）模拟量输入/输出模块该模块具有SM334和SM335两个子系列。SM334为通用模拟量输入/输出模块，SM335为高速模拟量输入/输出模块，并具有一些特殊功能。5.功能模块（FM）S7-300 PLC有大量的功能模块。功能模块自身带有CPU，并能实现特定的功能，可为PLC的CPU分担大量的任务。用户也可以大量减少编程工作量。例如闭环控制模块、计数器模块、称重模块等，这里就不具体介绍了。462. 油站的概述2.1.油站的基本结构组成前面绪论中我们已经说明了油站的基本功能，在这里介绍下该油站的主体结构。组成该油站的部件主要有：油箱、截止阀、球式电磁换向阀、加热器、铂热电阻测温器、球阀、粗过滤器、齿轮泵、电机、双筒压力管式过滤器、低压溢流阀、耐震压力表、蓄能器、单向阀、冷却器等。其具体构成图如下所示： 图2.1 润滑油站系统图2.2 油站的基本工作原理及流程 2.2.1 低高压泵系统由图2.1润滑油站系统图中我们知道该油站由高低压泵站，其工作原理为在主机启动前先启动低压泵，当低压泵运行稳定后再启动高压泵。当高压泵提供的压力油达到一定的数值时，即足以浮动主轴，此时就可以开动主机运转，运行平稳后自动停止高压泵，改由低压泵提供润滑油，高压系统还用于主机停机前即先将高压泵开启，压力达到一定的稳定值时，方可停主机。待主机完全停稳后，手动停止高压泵。对于低压泵系统，我们可以看到，设有两台齿轮泵，正常情况下，一台工作，一台备用，遇有意外，低压系统压力降到低于第一压力设定值时，备用油泵投入工作，保证向轴承继续提供润滑油，压力达到正常时，备用泵自动停止。此时如果系统压力继续下降到第二压力调定的最低压力时，报警器将发出压力过低事故讯号。以下是与油站压力控制设定的一些相关参数：1）工作压力。 这是最基础的数据，公司油站的压力设定在0.150.25MP之间。2) 压力下限。即备用泵投入运行时的压力值，这里设定为工作压力（5070）%。3）压力下极限值。即系统因为某些原因使压力下降到必须向运行系统发送紧急停机信号时的压力值。这里设定为0.05MP。2.2.2 过滤器控制滤油器采用双筒网式磁性过滤器，一筒工作，另一筒备用，当过滤器压差达到0.1MPa时，则启用备用过滤器，取出堵塞过滤器进行清洗。2.2.3 加热器控制油箱中设有电加热器。当油箱中的温度低于某个设定值时，则自动启动加热器进行加热，当温度高于某个设定值时则停止加热。油箱中装有Pt100铂热电阻温度传感器用于检测油箱温度，由于润滑油的温度低于20时容易造成润滑油凝结，形成不易清除的结块；另外如果进入主轴的油温高于50时，则由于温度过高，导致润滑油的黏度下降，不易形成油膜。因此，这里设定当油箱温度低于20时，启动加热器，当温度到达了40时则停止加热。当温度高于50时则启动报警。2.2.4液位控制油箱中装有干簧式浮球液位传感器，当液位低于设定的警戒线时，就会发出讯号，启动报警，提示油箱液位过低，需要向油箱中加油。 2.2.5 冷却风机控制冷却器用于当出油口检测到油温过高时，启动来冷却油液。这里我们安装的冷却风机为2个，都具有双速调节功能。大概分几个阶段，设定一定的温度值界限来判断冷却风机的运行情况，这里设定为四种：即冷却风机1高速、冷却风机2高速，冷却风机1高速、冷却风机2低速，冷却风机1低速、冷却风机2低速，冷却风机2低速。 3. PLC的模拟量控制3.1 PLC模拟控制系统概述 3.1.1 PLC模拟量控制系统组成 PLC是基于计算机技术发展而产生的数字控制型产品。它本身只能处理开关量信号，可方便可靠地进行逻辑关系的开关量控制，不能直接处理模拟量。但其内部的存储单元是一个多位开关量的组合，可以表示为一个多位的二进制数，称为数字量。我们知道可以经过采样离散化把模拟量转化成在时间上是离散的，但取值上却可以表示模拟量变化的一连串的数字量，那么PLC就可以通过对这些数字量的处理来进行模拟量控制。同样PLC处理的数字量不能直接送到执行器，必须经过转换变成模拟量后才能控制执行器。这种把模拟量转换成数字量的电路叫做“模/数转换器”简称A/D转换器；把数字量转换成模拟量的电路叫做“数/模转换器”简称D/A转换器。如图3.1所示，其实PLC充当的功能相当于闭环控制框图中的比较器和控制器的组合。干扰PLCD/A执行器被控对象A/D传感器设定值X被控制值Y 图3.1 PLC模拟量控制系统组成框图3.1.2 PLC模拟量控制系统特点我们知道一个在时间和取值上连续的模拟量可以用一个在时间和取值上都是离散的数字量来代替，这个数字量仅仅是在某些时间点上等于模拟量的值。前面也说了，在PLC模拟量控制系统中是通过A/D转换器来完成转换功能的。这个过程由两部分组成：一是在指定时间点上向模拟量取值，这个过程叫采样；二是取出模拟量后，通过A/D转换器转换成相应的二进制数字量，这个过程叫量化。采样和量化是所有数字控制设备处理模拟量所需的过程。采样和量化使PLC处理模拟量具有以下特点。（1） 经过量化后的数字量与采样的模拟量的原值一定存在误差，而且这个误差可以通过A/D转换后的二进制数进行控制。也就是说，A/D转换模块的的位数决定了转换的精度，位数越多，分辨率越高，精度也越高，与模拟量原值的误差就越小。可以说，PLC的量化误差可以控制是PLC模拟量控制的一个优点。它可以通过增加A/D转换的位数来控制精度。而模拟电路的误差却难以控制。（2） 采样是一个时间上不连续的控制动作。它受到PLC工作原理的束缚，仅当PLC对I/O点进行刷新时才把采样值数字量读入PLC，把上次采样值运算处理结果通过D/A模块作为控制信号传送给系统。PLC模拟量控制的这个特点所带来的问题是如何才能保证所采样的不连续的取值能够较少失真地恢复原来模拟量信号。只有失真较少才能保证控制的稳定性和准确性。（3）PLC模拟量控制中，无论是采样、量化、信息处理，还是控制输出，都需要一定的时间。一个采样后的量不能像模拟电路那样马上通过电路作用将输出送到系统，而是要延迟一定时间才能将输出送至系统。这种延时作用的特点是PLC模拟量控制的不足之处。在响应速度要求非常好的系统中，PLC控制不能够担当重任。PLC的响应速度与程序扫描时间关系很大。因此，确定控制算法、设计控制程序和选择合适的控制参数就显得非常重要。（4）PLC的一个优点就是采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，控制的可靠性也得到极大提高，这对控制系统的稳定性是极其重要的。综上所述，PLC模拟量控制的稳定性和准确性基本上是可以保证的，能够满足大部分模拟量控制系统的要求。但它的控制响应滞后性也是明显的，可以说，PLC控制的稳定性和准确性是用其响应滞后得到的。3.1.3 PLC模拟量输入/输出方式（1）PLC控制模拟量输入方式目前大部分PLC是采用模拟量输入进行模拟量输入。用模拟量输入模块进行模拟量输入一般都要先把模拟量通过相应的传感器和变送器变换为标准的电压（010V，-1010V等）和电流（020mA,420mA）才能接入模块通道。模拟量输入转换模块不仅能完成对模拟量的转换，还可以做多种数字量的处理，如滤波、求平均值、标定的变换等。PLC也可以用采集脉冲方式输入模拟量信号，但必须先通过压频变送器把电压转换成频率可调的脉冲序列送入PLC。这时，输入脉冲序列的频率表示所输入模拟量信号的大小。（2）PLC控制模拟量输出方式在PLC控制模拟量输出方面，用得最多的仍然是通过模拟量输出模块输出，一般D/A模块都具有两路以上通道，可以通过输出两个以上模拟量控制两个以 重庆大学本科学生在毕业设计（论文） 4传感器的选型上的执行器。而且，模拟量输出的模拟量信号能连续地、无波动地变化，其精度也可以通过转换的二进制数位数的多少来控制。同理，模拟量输出还可以采用占空比可调的脉冲序列信号输出。3.2 A/D 与D/A转换 3.2.1 A/D转换A/D转换包含三部分：采样、量化、和编码。在PLC中，量化和编码都是同时完成的。采样是将模拟信号在时间上离散化的过程，量化是将模拟量信号在幅值上离散化的过程，编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码表示。A/D转换的原理可分为逐次逼近式、双积分式、并行式等多种。下面以逐次逼近式转换为例，说明A/D转换器的工作原理与性能指标。逐次逼近式AD转换器与计数式A/D转换类似，只是数字量由“逐次逼近寄存器SAR”产生。SAR使用“对分搜索法”产生数字量，以8位数字量为例，SAR首先产生8位数字量的一半，即10000000B,试探模拟量Vi的大小，若VoVi，清除最高位，若VoVi,保留最高位。在最高位确定后，SAR又以对分搜索法确定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y为已确定位) 试探模拟量Vi的大小。在bit6确定后，SAR以对分搜索法确定bit5位，即以低6位的一半yy100000B(y为已确定位) 试探模拟量的大小。重复这一过程，直到最低位bit0被确定，转换结束。 图3.2 逐次逼近式A/D转换示意图3.2.2 D/A转换模拟量经过A/D转换成的数字量在PLC中经过运算处理后输出，要驱动执行器则需要进行D/A转换。D/A转换的基本原理是用电阻网络将数字量按每位数码的权值转换成相应的模拟信号，然后用运算放大器求和电路将这些模拟量相加就完成了D/A转换。这里以T型网络为例，简要说明数模转换的工作原理。 图3.3 T型电阻网络D/A转换电路原理图 图3.3所示为一个4位T型电阻网络数/模转换原理图。电路由R-2R电阻解码电路、模拟电子开关D0D3和求和运算放大器组成。4位数字开关由数字控制器的数字量控制。 利用叠加原理可以很快求出电流Ir的值。即当D0=1，D1=D2=D3=0时，可以求得 Ir1=Vref3R12121212=Vref3RD024当D3=1,D0=D1=D2时，同理可以求得其电流分量Ir4为Ir4=Vref3RD32当D1=1,D0=D2=D3=0时，Ir2=Vref3RD123当D2=1，D0=D1=D3=0时，Ir3=Vref3RD222将以上结果进行叠加，有Ir=Vref3R(D024+D123+D222+D32)若取Rf=3R,运算放大器的输出电压V0=Vref(D024+D123+D222+D32)式中，D0D3为4位数字开关，其取值只能是1或者0。3.3 西门子PLC中模拟量的处理模式 在西门子PLC中，模拟量首先通过传感器转换成电流或者电压信号，由于S7-300 PLC的模拟量输入模块只能处理标准的例如040mA的电流、010V的电压和电阻值。因此还需要通过变送器将传感器信号转换成标准的PLC模拟量模块能够处理的电流或者电压信号。经过MR滤波器滤波后送入A/D转换器，将所得的数字量结果送入PLC的外设PI存储区中，供PLC运算处理。进过PLC处理后的结果再输出到外设PQ存储区中，经过D/A转换成模拟量后送到执行器控制外部设备运行，其流程图如图5.6所示。图3.4 Siemens PLC模拟量处理流程 3.3.1 模拟值的精度 CPU以二进制格式来处理模拟值。数字化模拟值适用于相同标称范围的输入和输出值。模拟值均为二进制补码形式的实数，符号始终设在Bit15。模拟值可能的精度如表3.1所示。表中以符号位对齐，未用的地位则用“0”来填补，表中用“*”来表示未用的位。表3.1 模拟值可能精度3.3.2 不同测量范围下模拟量表达方式 表3.2如表3.2所示，在额定范围内，传感器送到PLC中的模拟信号在PLC中经过A/D转换后的数字量值如果是单极性的话则在027648范围内，如果是双极性的话则在-2764827648。另外我们可以看出对于Pt100铂热电阻其转换后的值即为工程量的10倍。对于其它的模拟量则可以通过这个线性比例和工程量值进行换算。 4.传感器的选型4.1 温度传感器 通过前面油站的分析可知，我们所测量的几个温度的范围为不超过100，其它的性能方面对传感器没有特殊的要求，因此这里我们选择的是最常用的Pt100铂热电阻，100表示在温度为0时，其欧姆值为100。RTD具有较高的精度，其温度工作范围为可从-200+850，它们还有较好的稳定性，利用适当的数据处理设备就可以传输、显示和并记录其温度输出。这些特性符合我们的设计要求。热敏电阻的阻值和温度成正比的关系，设计人员只需将已知电流流过该电阻，就可以得到对应的电压值，从而可以利用欧姆定律得出此时的电阻值R，再根据Pt100的温度阻值分度表就可以得出所测温度。Pt100的部分温度分度表如下所示：温度 0123456789电阻值（）-40-30-20-10084.2788.2292.1696.09100.0083.8787.8391.7795.6999.6183.4887.4391.3795.3099.2283.0887.0490.9894.9198.8382.6986.6490.5994.5298.4482.2986.2590.1994.1298.0481.8985.8589.8093.7397.6581.5085.4689.4093.3497.2681.1085.0689.0192.9596.8780.7084.6788.6292.5596.48010203040100.00103.90107.79111.67115.54100.39104.29108.18112.06115.93100.78104.68108.57112.45116.31101.17105.07108.96112.83116.70101.56105.46109.35113.22117.08101.95105.85109.73113.61117.47102.34106.24110.12114.00117.86102.73106.63110.51114.38118.24103.12107.02110.90114.77118.63103.51107.40111.29115.15119.015060708090119.40123.24127.08130.90134.71119.78123.63127.46131.28135.09120.17124.01127.84131.66135.47120.55124.39128.22132.04135.85120.94124.78128.61132.42136.23121.32125.16128.99132.80136.61121.71125.54129.37133.18136.99122.09125.93129.75133.57137.37122.47126.31130.13133.95137.75122.86126.69130.52134.33138.13100110120130140138.51142.29146.07149.83153.58138.88142.67146.44150.21153.96139.26143.05146.82150.58154.33139.64143.43147.20150.96154.71140.02143.80147.57151.33155.08140.40144.18147.95151.71155.46140.78144.56148.33152.08155.83141.16144.94148.70152.46156.20141.54145.31149.08152.83156.58141.91145.69149.46153.21156.95 表 4.1 Pt100 分度表这里为什么不选择热电偶作温度传感器，是因为热电偶用于500以上较高温度的情况，当温度低于500时，热电偶测温就不很准确。这是因为低温时热电偶输出热电势很小，极易受到干扰，而且在低温时，参比端温度不易得到完全补偿，相对误差就很突出。4.2 压力传感器由于测量的是润滑油的压力，该介质是易燃物质，而且供油管道比较狭窄，要求传感器体积小。通过调查知光导纤维压力传感器与传统压力传感器相比其绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在高压、易燃易爆的环境中检测压力、液位流量等信号；而且灵敏度高，体积小，可挠性好，可以插入狭窄的空间中进行测量，根据其以上特性可以判断其满足我们的测量要求 ，因此选择光导纤维压力传感器作为系统的压力传感器。压力传感器是压力检测系统的重要组成部分，当被测压力作用于膜片杯时，膜片发生位移，从而改变光导纤维于膜片间的距离，使光导纤维接收到反射光量变化。光量由光电元件接收器接收，并转换成电量，经过放大器放大后，送到PLC的模拟量输入模块，供PLC 分析处理用。根据具体控制情况，该处压力传感器量程选用01MPa，其信号输出为420mA的电流，其标准供电电源为DC 24V。4.3 物位传感器 在该项目中要检测油箱的最低液位，即油箱的液位低于设定值时需报警提示，发出液压信号供PLC处理。即只需要进行液面控制，毋须对液位的变化进行连续检测。基于这种检测要求，我们选择了干簧管式浮球液位传感器。干簧管是干式舌簧管的简称，又叫磁簧管。它是一种有触点的无源电子开关元件，具有结构简单、体积小便于控制等优点。其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中装有两个铁质的弹性簧片电板，还灌有一种惰性气体。平时，玻璃管中的两个有特殊材料制成的簧片是分开的。当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而相互吸引接触，簧片就会吸和在一起，使节点所接的电路接通。外磁力消失后，簧片在自身的弹力作用下分开，进而断开电路。因此，作为一种利用磁场信号来控制的线路开关器件，干簧管可以作为传感器用于计数、限位等。对于浮球液位开关，是在密封的非磁性金属或塑胶管内根据需要设置一点或多点干簧开关，再将中空而内部有环形永久磁铁的浮球固定在杆径内干簧管开关相关位置上，使浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁铁去吸引干簧开关的闭合，产生开关动作，从而达到液位控制的目的。4.4流量传感器控制系统要求测量出油口管道的油液流量，流量测量过程中并没有特殊的要求，只要能置于油液中进行测量，体积大小符合要求，反应灵敏就行。因此在这里我们选择了常用的一种流量传感器即涡轮流量计。涡轮流量计类似于叶轮式水表，在管道中安装一个可以自由转动的叶轮，流体流经叶轮，使叶轮旋转，流量越大，流速越高，则动力越大，叶轮转速越高。涡轮流量计具有安装方便、精度高、反应快、刻度线性和量程宽等特点，信号易远传，且便于数字显示，可直接与计算机配合进行流量计算和控制。由于叶轮的叶片具有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力据和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定条件下，转速和流速成正比。由于叶片具有导磁性，它处于信号检测器的磁场中，旋转的叶片切割磁场线，周期性地改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成具有一定幅值的、连续的矩形脉冲波。 此处我们选择的涡轮流量计的量程比为1：10，其输出为420mA的脉冲信号。外部供电电源为24V DC。4.5 电流传感器此处需要的测量电流为主机电机的互感电流，电流传感器种类比较多，这里我们选用的是霍尔电流传感器，接下来就介绍下开环和闭环霍尔传感器的工作原理。以下以西安新敏电子科技公司的产品进行举例说明。1）直放式（开环）霍尔电流传感器 图4.1 开环霍尔电流传感器电路原理如图4.1所示，当原边电流IP流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压VS精确的反映原边电流IP。 2）磁平衡电流（闭环）传感器磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。 具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1s，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。 图4.2 磁平衡式霍尔电流传感器电路原理由于闭环式霍尔电流传感器采用了磁平衡原理其响应速度相对来说比较快且精度较高。且从其参数表可以看出一般闭环霍尔传感器用于测量较小的电流而开环式则用于测量大电流。根据来自公司的指标，主电机电流经过电流互感器得来的互感电流不超过10A，因此综合考虑这里选择了闭环式的霍尔电流传感器。如下图所示是该公司一些产品的参数表。 图4.3 磁平衡式霍尔电流传感器电参数这里我们根据实际情况要求选择了CSM010SY型号的磁平衡霍尔电流传感器。 5 .PLC控制系统设计5.1 控制系统的输入输出变量的分析5.1.1模拟量输入与输出由产品设计要求可知该控制系统没有模拟量输出，需要控制的模拟量为油箱的温度、油站出油口温度、油站回油口温度、供油压力、供油流量以及主机的互感电流。由于要实现对以上模拟量的控制首先得通过传感器和变送器将其实时值送入PLC中进行处理，由此可知模拟量输入即为以上所列总共6路。由之前传感器的介绍章节我们知道，除了温度传感器Pt100以外，涡轮流量计、光纤压力传感器的输出均为420mA的电流，电流传感器的输出为45%V的电压。5.1.2开关量的输入输出1）开关量输入开关量输入有：液压计信号、堵塞压力发讯器信号、油泵电机1的热继电器信号、油泵电机2的热继电器信号、冷却电机1的热继电器信号、冷却电机2的热继电器信号、调整泵电机启动信号、电磁阀通断信号、油泵电机1启动信号、油泵电机2启动信号、主机启动信号、主机关闭信号、星三角启动信号、油泵电机1停、油泵电机2停、电源开关。 2）开关量输出开关量输出量即控制执行器的开关量有：加热器运行、油泵1运行、泵2运行、冷却电机1高速、冷却电机1低速、冷却电机2高速、冷却电机2低速、主机运行、主机启动中、主轴上升、主轴下降、报警器、油箱温度传感器失效、出油口温度传感器失效、回油口温度传感器失效、压力传感器失效、流量传感器失效、互感电流传感器失效、流量低指示灯、过滤器堵塞指示灯、时序错误指示、液位低指示、电源指示、主机运行指示。5.2 PLC的I/O模块的选型由上面的分析可知我们需要的I/O模块类型有数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块。5.2.1数字量输入模块的选型我们已知数字量输入总共有15路，再留20%30%的裕量的话则需要接近20路数字量输入接点。由于西门子S7-300系列PLC没有20路输入接点的模块，因此这里选择32路数字量输入接点的模块。如图5.1和5.2所示，表中列举了各个类型数字量输入模块的属性。根据现场的需求以及经济的角度我们选择数字量输入模块为SM 321 DI32DC24 V 型号，其订货号为6ES7-321-1BL00-0AA0。它的接线外观图如图5.3所示。具体的地址分配如下：I0.0 电源开关、I0.1 堵塞压力发讯器信号、I0.2 泵1热继电器信号、I0.3 泵2热继电器信号、I0.4 冷却电机1热继电器信号、I0.5 冷却电机2热继电器信号、I0.6 调整泵电机启动信号、I0.7 泵1启动、I1.0 泵1停止、I1.1 油泵电机2启动、I1.2 油泵电机2停止、I1.3 主轴电机启动、I1.4 主轴电机停止、I1.5 电磁阀启动、I1.6 星三角时序错误、I1.7 液压计信号。 图5.1 数字量输入模块图5.2 数字量输入模块（续） 图5.3 SM321 DI32DC24V （-1BL00-）接线图 5.2.2 数字量输出模块选型我们已经知道了数字量输出总共有24路，再考虑到留有的裕量，所以选择具有32路通道的数字量输出模块。由于驱动的是直接接触器和电磁阀和指示灯，因此近一步确定了选用晶体管输出。选用晶体管输出还可以增加系统的反映时间。故数字量输出模块型号选定为：SM322 DO3224V DC0.5A，订货号为6ES7 322-1BL00-0AA0。其内部的接线图见图5.4。数字量输出模块的地址分配如下：Q0.0 加热器运行、Q0.1 泵1线圈、Q0.2 泵2线圈、Q0.3 冷却电机1低速、Q0.4 冷却电机1高速、Q0.5 冷却电机2低速、Q0.6 冷却电机2高速、Q0.7 主机运行、Q1.0 主机启动中、Q1.1 主轴上升、Q1.2 主轴下降、Q1.3 报警、Q1.4 压力传感器失效、Q1.5 油箱温度传感器失效、Q1.6 流量传感器失效、Q1.7 液位指示灯、Q2.0 电源指示灯、Q2.1 主机运行指示灯、Q2.2 回油口温度传感器失效、Q2.3 流量低指示、Q2.4 出油口温度传感器失效、Q 2.5 电流传感器失效、Q2.6 时序错误指示灯、Q2.7 过滤器堵塞指示。图5.4 DO3224V DC/0.5A 接线框图 图5.5 DO32