PLC控制自动上料系统

摘要在高炉冶炼中，各种原料如焦碳、烧结矿、球团矿和石灰石等以一 定比例经过准确称量后，经皮带运输到上料小车，再由上料小车送至高 炉内。传统的钢厂配料控制系统设备陈旧、精度低，不仅造成原材料的 浪费，更为严重的是导致许多工程质量不合格，因此需要一种高精度动 态配料控制系统。本设计是基于PLC控制、组态软件监控显示、变频器调速的高炉 配料自动控制系统，而系统以PLC控制为核心。本设计为4种原料的 配料系统，PLC、变频器分别为西门子公司的S7-300、M440。投料系 统的交流传动利用西门子公司的6SE70矢量型变频器和PLC结合来实 现。PLC程序的开发以西门子公司的Step7作为软件平台，采用了面 向对象的程序设计技术，模块化的设计，从而使系统具有良好的可移 植性和可维护性。在系统中，通过上位机的控制界面设置配料的参数输出到LC,然后 通过PLC自动控制协调各阀门的开关和变频器的输出变化对配料过程进 行控制，称量斗上的传感器通过变送器将重量信号送回到LC,以达到闭 环系统对给料的种类和速度的控制，并且对配料过程进行数据记录，使 配料过程有数可依，便于管理。关键词：自动配料，变频调速，自动补偿，可编程控制器S7-300引言研究背景随着课程的进度，我们开始了学业的最后部分毕业设计。经 过了四年时间的学习，在老师的教导下，我们已经具备了一定基础， 为了能够将所学联系起来，较好的应用到生产当中去,我们就需要在毕 业设计中好好的锻炼自己。在毕业设计中，我选择了这样一个题目就 是为了能较好的锻炼自己的应用能力以及分析问题、解决问题的能力。本设计的题目为高炉上料 PLC 控制系统，为工程类项目，是高炉 冶炼中的一部分。在高炉冶炼中，为了能高质量地进行冶炼，需要将 各种原料按照一定的重量和比例准确地添加到高炉中。传统的钢厂配料控制系统设备陈旧、精度低，不仅造成原材料的浪 费，更为严重的是导致许多工程质量不合格，因此需要一种高精度动态 配料控制系统。并且传统的配料以人为主体，而人的操作总是有失误的， 并不如机器可靠。对机器来说，做这些工作可靠，并且精度高，有助于 提高生产力，大大优于人工配料系统，所以急需一种可靠的自动的控制 配料系统来改造旧的传统的配料模式。本设计中，高炉冶炼中所需要的原料有很多，但工艺要求它们要 以准确的重量和配比添加到高炉中，才能确保高炉反应以高质量进行。 配料过程是否准确完成在一定程度上从开始决定了高炉生产能否顺利 进行。所以，准确、快速、灵活的进行配料，对高炉冶炼来说具有重 大的意义。本设计的第二部分为系统的概况与分析。介绍了，主要为工艺流 程和工艺与系统的联系。其中包括了工艺的重要性，工艺要求，还有 文献综述，列举了相关文献的内容以及参考资料等，这些资料对本设 计的理论指导和模型的建立有着莫大的帮助。系统的控制模块，包括 所用的 PLC 以及软件等的编程。系统完成的功能说明了该系统所能完 成的功能，这些功能也是根据工艺的特点所需要的，为了更好的完成 自动配料所需要的功能。系统的特点介绍了该系统在自动配料控制中 的优点。第三部分介绍了配料系统和卷扬系统的工艺以及要求。 第四部分介绍了整个设计的硬件设计。包括了各硬件的规格和它 们之间的电路连接，以及 PLC 的硬件组态。第五部分是关于 PLC 程序的设计过程，本设计的 PLC 程序以块为 结构，分为了若干的块，包括FB块,FC块。这种结构是S7-300的一 个特点，这样的结构对于编程本身非常有利。另外，这种结构的程序 在运行的时候会非常的稳定。1 系统的概况与分析11 配料系统概况高炉上料系统一般由焦炭仓 ,球团矿/ 烧结矿仓,石灰石/ 白灰石 仓以及原矿或废铁仓组成 ;每一个料仓下面设有一台电动给料机和一 台料斗计量秤;料斗的下部装有电动或液压卸料机构;有1 - 2 条皮带 机组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去 ;每 当高炉内的料位下降到一定程度时,启动卷扬机把料车提到炉顶;并分 时打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。12 料车卷扬系统概况高炉上料系统的主要任务是把炉料运送到高炉炉顶，装入炉顶受 料斗中。高炉卷扬上料小车是高炉炼铁中的主要尘产设备之。卷扬 上料小车在整个系统中起着至关重要的作用，该设备能否正常运行直 接影响高炉炉况、产品的质量和产量。为了满足冶炼要求，必须合理 确定控制方案。控制方案不仅与设计和选用设备有关，而且直接影响 高炉的操作条件。1、料车卷扬机采用 SINMENS 6SE70 系列变频器实现交流变频调速 控制。通过RS-232总线连接到主PLC,由PLC控制料车卷扬机的启动、 停止、高速、低速、加速、减速，并把检测到料车卷扬机的系统故障 信号传输给PLC进行处理。12 、料车的主要控制步骤料制由操作人员编制完成；槽下矿石汇总斗、焦碳称量斗称量料满； 卷扬机开动料车到料坑底；开启矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门；矿石汇总斗或焦碳称量斗放料至料空； 关闭矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门； 料车显示料满信号； 卷扬机开动料车到炉顶； 料车到炉顶后延时5秒显示料车料空，与此同时 异侧料车在料坑底装料； 上料过程中可加入“焦碳越位”、“空车”调整料 制，但不记入上料料制中。13 文献综述高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/ 烧结矿仓,石灰石/ 白灰石 仓以及原矿或废铁仓组成;每一个料仓下面设有一电动给料机和一台 料斗计量秤;料斗的下部装有电动或液压卸料机构;有1 - 2 条皮带机 组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去;每当 高炉内的料位下降到一定程度时,启动卷扬机把料车提到炉顶;并分时 打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。这就是高炉上料系统的流程。 针对这个流程，要设计一个自动控制系统，智能的完成此配料过程。高炉炼铁生产是连续性作业,如果入炉料的矿石/ 焦炭比例波动 大,则引起炉温产量的波动; ,从而对产品的质量和都带来不利的影响, 因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件1。所以，本设计应主要解决如下问题:1 物料准确计量和误差自动补偿,当配料过程中由于机械设备 的性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。2 按炼铁工艺要求自动完成顺序上料,根据本高炉的炉况编制 上料制度并把该上料制度输入到控制系统后,控制系统自动完成上料 操作。3 检测控制大小料钟和料尺,料线到规定值时发出允许上料讯 号,把料车的料送到炉顶。4 打印记录生产数据和控制参数。5 检测并屏幕显示系统工作情况,当外部机械设备发生故障时 及时发出报警信号和故障处理指令。对于误差的补偿可以采用积累误差补偿法 2,这种方法主要是对 每一次的配料值都进行误差的计算，然后在下一次配料时进行补偿， 这样一来，每一次的补偿都相当于是对以往配料的一个总的补偿，那 么经过N次上料后，相对差值就近于0了。这是一种比较好的补偿方法。 对于传感器来说，它的输出也有误差，也以进行补偿。用零极点配置 的方法3,它的原理就是使动态补偿数字滤波器的传递函数是传感器 传递函数的倒数, 则整个测量系统的传递函数为1, 这样便具有理想 的频率响应特性。然而本设计中的传感器并不要求有太高的精度就能 满足要求。所以无需补偿。电子秤- PLC - 微机控制上料系统具有较高的可靠性和稳定性, 大大减少了高炉入炉料的重量和配比的波动,消除了电气控制时的人 为误操作,为高炉炼铁生产过程连续稳定进行创造了条件4。在目前的自动配料控制系统中各个单位和不同环节的系统大同小 异，基本组成分为三个单元：控制单元，称重单元和上位机组态软件。那么对于本系统的设计来说，电子秤作为测量仪器实现系统的回 路输入，PLC作为控制环节的核心，全面的进行控制、和计算输出，微 机作为上位机主要实现各种参数的输入和输出。流程中的一些可操作 控制等，并要求以友好、简洁明了的操作界面进行控制。这是一个比 较稳定、可靠的系统模式。那么，本设计也将采用这种电子秤- PLC - 微机模式。对于称重有很多种传感器，一般使用压阻式。传感器将压力信号 传至变送单元，由变送器将信号转换为420mA或15V标准信号再送 至PLC的输入单元，这样便形成了一个闭环控制系统。电子秤方面实际上只要求有一个传感器和一个变送器即可，因为 对于显示和操作来说，都可以在友好的人机界面上完成。因为传感器 的输出信号很弱，而实际环境又是十分复杂的6。所以要求传感器要 紧接着变送器进行连接。根据现场复杂的环境，可以选取西门子的S7-300这款PLC。它采用 可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定 时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输 出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、 适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点7。然而这只是控制方面，对于下料仓的速度变化控制应采用变频器 控制。变频调速器本身的可靠性很高：一般情况下可连续使用10万h 以上。而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各 种保护功能9。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速 控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现有电动机的调速 控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正 反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对 电动机进行高速驱动，适应各种环境等等10。对生产过程进行打印记录是一个必不可少的功能，这里对此功能 提出以表重要。因为，及时记录和打印生产过程中的数据，使生产有 数可依，管理更系统，强化了炼铁生产计量管理手段11。 本设计大致分为几个方面组态软件的设计，电路设计， PLC 程序设计等。在上位机组态软件的设计中，主要包括控制画面、 数据显示画面以及上位机和 PLC 的通讯。在 PLC 设计中，主要包括 4 种原料的顺序组合，阀门的顺序开关，模拟信号的采集，变频器的速 度控制以及配料的补偿算法。根据系统工艺的要求和硬件的组成等因素完成之后进行一定的程 序开发，程序的开发是以这两个为前提的，也是最后对系统的运行起 决定性作用的一个重要环节。程序开发分为两个大的方面：PLC程序开 发和组态软件程序开发。根据系统工艺的要求我们可将PLC程序分为三个大的方面：1、手动操作2、自动操作3、数据采集自动操作又分为三个大的方面：1、顺序控制2、加料控制3、自动补偿之所以这样划分一是根据系统的需要，另外，S7-300这款PLC的编 程中可以以块为结构，称为用户程序结构。组态软件的编程主要是控制画面的设计，将组态程序做好就能有 一个友好的界面来实现人与控制系统的结合，使配料在自动的情况下 进行，但人又可以在控制界面中对控制过程进行干预，并且监控配料 过程的进行，对过程数据进行考查和记录。2配料系统21配料系统简介高炉上料系统一般由焦炭仓，球团矿/烧结矿仓,石灰石/白灰 石仓以及原矿或废铁仓组成；每一个料仓下面设有一台电动给料机和 一台料斗计量秤;料斗的下部装有电动或液压卸料机构;矿石在槽下经 振动给料机、振动筛后（杂矿和溶剂不过筛），合格的矿石进入称量漏 斗，称量好的矿石再经过主皮带机运至料坑矿石汇总称量斗。碎矿皮 带机设在料坑两侧的筛下，筛下的碎矿由皮带机转运至返矿仓。焦碳 经由振动给料筛进入称量斗，在需要时直接进入料车。料坑内设有两 个矿石汇总称量斗闸门和焦炭称量斗闸门，分别将矿石、焦炭和各种 杂矿装入左右料车中.如图1。图1配料系统工艺流程图2. 2工艺要求高炉炼铁生产是连续性作业，如果入炉料的矿石/焦炭比例波动尢则引起炉温产量的波动；，从而对产品的质量和都带来不利的影响, 因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件。自动化 上料控制系统主要解决如下问题:1、物料准确计量和误差自动补偿,当配料过程中由于机械设备的 性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。2、按炼铁工艺要求自动完成顺序上料,根据本高炉的炉况编制上 料制度并把该上料制度输入到控制系统后,控制系统自动完成正装,倒 装,同装,分装以及混装等上料操作。3、检测控制大小料钟和料尺,料线到规定值时发出允许上料讯号, 把料车的料送到炉顶。4、打印记录生产数据和控制参数。5、检测并屏幕显示系统工作情况,当外部机械设备发生故障时及 时发出报警信号和故障处理指令。23 系统实现的功能1、实现各配料秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停。2、实现各配料秤的重量配比控制。3、实现对配料的初始数值的设定。4、报警。对经常出现的故障进行声光同时报警。5、报表打印。人工干预，和定时打印各种时报、班报和月报等。6、断电保护。断电后再次供电时，系统时行初始化复位，保证各 台设备均处于停机状态，以防发生人身和设备事故。3 卷扬系统31 卷扬系统简介高炉上料的形式主要有两种：一是卷扬料车上料，二是皮带上料， 由于料车上料占地面积小，在中小高炉中得到广泛应用，如中型高炉 卷扬系统采用双电机控制，小高炉采用单电机控制。卷扬上料系统的 主要过程是：各种原料经过槽下配料后放入中间斗，料车到料坑后， 中间斗把料放如料车，中间料斗阀门关到位并且炉顶准备好后，料车 启动，经过一加速二加速全速一级减速二级减速 检查位，到达炉顶停车。32 控制方案321 上料及炉顶系统及主要电气设备1、卷扬机构交流电机功率160KW，三相交流380V 台。2、冷却风机电机3.7KW，三相交流380V 台。3、料车制动器1KW,两相交流380V两台。4、料车行程编码器，OMRON 台。5、智能主令控制器一台。6、料车切换柜一面、交流变频传动柜两面（一用一备）， 制动电阻柜一面。7、料车变频器选西门子6SE70 200KW两台，配套制动单 元。322 基本工艺要求1、料车卷扬机：料车卷扬机按料车行程曲线运行；2、在PLC操作台手动方式下，满足高、中、低速调速要 求；3、料车启动、停车及加、减速平稳，速度控制受负载（空 载或满载）影响较小；4、主卷扬有钢绳松弛保护和极限张力保护装置（过流保 护）；5、料车有行程极限，超极限保护装置，低速检查保护323 设计方案系统方框图如图3所示图2系统方框图本设计采用西门子公司的6SE70全数字交流变频调速供电装置。系统配置了配套制动单元和独立的制动电阻柜，采用能耗制动方式实 现卷扬系统的制动。供电装胃的工作方式选用一备用方式，通过 切换柜中的三刀双掷刀丌关完成备用切换，并配有触摸屏作为人机界 面。每个变频器的控制信号通过切换柜的电（设备求完成基本联锁及 控制，在主PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互 隔离，使抖车的控制可以山PLC或操作台分别控制系统，提高整个系 统的可靠性。抱闸山6SE70装冒中的抱闸专用控制功能来实现料车运 行中的抱闸控制及联锁控制。在此过程中，各加减速设计主要是山与上料小车在斜桥上运行至 炉顶卸料时必须有一段弯轨。装满料的小车启动时也不宜有过大的冲 击。所以，采用变频器对其主卷扬电机频率进行转化来实现各种运行 操作。变频器频率的变化原则主要依据现场主令控制器的状态，现场 主令控制器的状态送到PLC输入端子，山PLC控制，通过PLC的开关 量输出端子控制变频器的频率，实现主卷扬的速度调整。启动后，电 机随之平滑、无级调速运转，如果运行中出现欠压、逆变器过载、电 机过载、故障等运行约束条件出现。综合报警就会动作，切断控制回 路，同时在逆变器面板上的数字监视器显示相应的故障信号为了保 证载料小车上料周期，提高产量，减少小车故障。载料小车在上升或 下降过程中，运行状态分成三个阶段：低速段、高速段、低速段。调速装置的交流进线是通过交流进线电抗器解耦，并且进线电抗 器设置在电源切换柜中，相当于两套变频器共用一台进线电抗器。在 切换开关后面分别接两台出线电抗器，消除出线高次谐波，保护电机高炉上料卷扬系统是炼铁生产中的关键设备，主要作用是将炼铁 所需的原料源源不断地送到高炉内，保证炼铁的正常需要，而整个高 炉上料卷扬系统的核心就是料车的主提升设备，交流变频调速可以获 得理想的效果。电力电子变频器可分为交-直-交和交-交两大类。U/f恒定、速度开环控制方式和转差频率速度闭环控制方式通用变 频器，基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。然而，当生产机械 对调速系统的动、静态性能提出更高要求是，上述系统还是比直流调 速系统略逊一筹。原因在于其系统控制的规律是从异步电动机稳定性、 起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。考虑到异 步电动机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接 通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢 量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的转换，则可以 把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进 行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就等效为一台直 流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢 量控制。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流 矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进 行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机 的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩 的电流矢量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值 和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。 原理结构如图4所示：图3采用矢量控制方式的通用变频器不仅可以在调速范围上与直流电 动机媲美，而且可以控制异步电动机产生的转矩。主卷扬系统的特点是卷扬电机工作频繁，负荷重，启动转矩要求 高，要有足够的运载能力。变频器设计转矩计算比较复杂，实际选用 时多以经验选型，变频器容量应比卷扬电机容量大12档。根据卷扬系 统电动机的额定电流和负载特性，选择富士 FRENIC5000G11S通用变频器。33 料车定位高炉卷扬料车的传统定位方式是机械的主令控制器，目前来看， 使用起来有很多问题，定位精度差，现场环境恶劣，机械触点容易氧 化，位置发生变化后，必须休风，跑几次空车，调整料车位冒。我们 现在采用的方案是智能主令控制器与编码器（PLC）结合对料车进行定 位，料车定位采用绝对值编码器来完成，信号是格雷码，以开关量的 形式送给PLC；主令控制器采用增量式编码器，脉冲信号送给主令控主令控制箱图4 zklk系列主令控制器产品结构及工作原理图制器的内部小PLC。料车定位编码器通过ProfibusDP与PLC联网。通过数字面板 来调整料车位置,如料车位置发生变化，只需在数字面板上改变料车位 罟的数值即可完成对料车的定位。同时，主令控制器所检测到的数据 与主PLC中的数据相比较，差小于允许值时认为定位准确。图5为ZKLK 系列主令控制器产品结构及工作原理图。部件采用先进、可靠的SIMATIC可编程序控制器(PLC)和OMRON 旋转编码器组成。主令控制器主要山传感器单元、处理控制单元、电 缆及联接单元三部分组成。核心主令控制器主要山传感器单元、处理 控制单元、电缆及联接单元三部分组成。核心系统通过齿轮将主卷扬 减速机的低速轴同传感器箱啮合，减速机带动卷扬滚筒转动，从而 实现对料车位冒移动的控制，并将移动的距离传给旋转编码器产生位 胃码送给PLC,通过其CPU的程序处理实现精确定位或限位，发送相 应的控制信号和保护输出，这样，被控对象的位置就实现控制；同时， 控制箱上的操作面板通过PPI通讯与PLC联接，这一良好的人机界面 使得被控对象的当前位置显示准确直观、参数的设定与调整简洁方便。4 系统硬件说明4. 1 PLC简介一、PLC的发展历程在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。在工业生产过 程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按 照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传 统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1969年，美国 数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程 序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller ( PC )。后来可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller (PLC)。它采用可编程序的存贮器， 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的 机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性 高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是 顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。二、PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合 成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、 电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。三、PLC的编程器编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件， 用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作 状况，但它不直接参与现场控制运行。目前一般由计算机（运行编程 软件）充当编程器。STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和 编程的标准软件包。STEP 7的功能如下：-可通过选择SIMATIC 工业软件中的软件产品进行扩展-为功能模板和通讯处理器赋值参数-强制和多处理器模式-全局数据通讯-使用通讯功能块的事件驱动数据传送PLC 的这些的诸多优点就注定了它要成为工控系统中不可被替代 作用。稳定，可靠，强大的功能，这正是工业控制中所越来越需要的， 是发展的趋势。4. 2 PLC模块配置S7-300PLC 采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接 起来。除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器。安装时先将总 线连接器CPU模块并固定在导轨上，然后依次将各模块装入。电源模 块与CPU模块和其它信号模块之间是通过电缆连接。111. PLC的中央处理器CPU315CPU315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点数字量I/O或 128路模拟量通道。CPU315内装硬件实时时钟。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0B. CPU315可调用12日 个功能块FB(0127) ； 12日个功能调用FC(0127) ；127个数据块DB(1127, 0保留)。0B，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适用于要求高速处理和中 等I/O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。2接口模块 IM360 和 IM361当PLC系统的规模较大时,一个机架不能容纳所有的模块时, 就要增添扩展机架，这时装有CPU的机架称为主机架。主机架和扩展机架之 间通过接口模块IM1360和1M361形成统一的整体。每个机架的接口模 块通过总线连接器连接到I / 0模块。接口模块是自组态的，无需进行 地址分配。具有指示系统状态和故障的发光二极管LED。如果CPU不 确认此机架，则LED闪烁。一个系统可以有中央机架和最多三个扩展机架，每个机架最多 八个扩展模块，相邻机架的间隔为4厘米到10米。IM360必须安装在S7-300的0号主机架上:数据通过连接线368 山IM360传输到IM361： IM360和IM361之间的最大距离不超过10米。IM361接口模块安装在S7300的l号到3号的机架上；数据通过连 接线368由IM360传输到IM361,再从IM361传输到下个机架上的 IM361；每个IM361需要一个外部24V电源，向扩展机架上的所有模块 供电。可通过电源连接器连接P5307负载电源。3 .通讯处理模块CP3435CP343-5通讯处理器是用于PROFIBUS-FMS总线系统的SIMATIC57300的通讯处理器。它内部带有微处理器，用来分担CPU的通讯任务, 并支持其它的通讯连接。它可以通过PROFIBUSFMSPROFIBUS站点通 讯：与编程器、人机界面装置进行通讯：与其他SIMATICS7300系统 进行通讯。CP3435通讯处理器具有SIMIITIC57300系统结构紧 凑的优点，其9针D型连接器用于连接PROFIBUS, 4针端子排用于立 连接外部24V直流电源电压。4. 32 路数字输出模块 SM322 D032*24VDC/05A数字输出模块将S7-300的内部信号电平转化为控制过程所需 的外部信 号电平。按负载回路使用的电源不同分为：直流输出模块、交流输出 模块和交直流两用输出模块。SM322D032*24VDCO5A 属于晶体管输出方式的模块，只能带 直流负载：32个输出点，分成8组；0. 5A的输出电流；该模块输出具有 短路保护功能，适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机灯和电机启 动器。其前视图与原理图如图 7 所示，图中可以看出背板总线接口产 生的位电平信号驱动光电祸合器，实现与外部电路的隔离。5. 8路12位分辨率模拟量输入模块SM331SM331： AI8*12Bit是8通道的模拟量输入模块，在系统中用于 输入电子称的测量值.模块主要是由 AD 转换部件、模拟切换开关、补偿电 路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。AD 转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分 式 AD 转换的积分时间直接影响到 AD 转换时间和 AD 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。在我国为了抑制工频及谐波干扰，一般选用 20ms的积分时间，相应精度为12位。S7300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。S7300模拟输入模块的 输入测量值范围很宽，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S7300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 AD 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： A18*12BIT模拟量输入模块的电气原理图如图8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。6. 电源模块PC307(5A)及其容量计算PS307 电源模块的输入接单相交流,输入电压为 120230V,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。图9是PS307(5A)电源模块前面板。电源输出指示器用一个LED24伏直流输出。如果正常输出额定电压24V,则绿色LED点亮：如输 出电路过载，则LED闪烁；输出电流长期在5A到7A之间时，输出电 压下降，电源寿命缩短；电流超过7A时，电压跌落，跌落后可自动恢 复；如输出短路，则输出电压为0v, LED变暗，在短路消失后电压自 动恢复。PS307 （5A）的基木电路图如图10所示.12在实时控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要办 法。如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分一千扰问题。在确定所有的模块并组建S7300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 I0 模块之 和，并且要有 30左右的余量。故在设计系统时考虑每块模块的电流 消耗和功率损耗是非常必要的。表1列出了在24V直流负载电源下， 所选用的各种S7300模块的心流损耗以及从24V负载电源吸取的电 流。14表 1 各模块电源容量表模块通过背板总线 吸取的电流（最 大值）从24V负载电源 吸取的电流（不 带负载运行）功率损耗（正常运行）CPU3151.2A1A8WIM360350mA2WIM3610.8A0.5mA5WCP343-570mA0.6mA7.25WSM32125mA1mA3.5WSM32270mA100mA4.9WSM33160mA60mA1.3W机架0上24V电源由CPU315向其它模板供电、另外插入IM360,CP3435各1块，SM331模拟输入板2块，SM322数字输出板3块。这些模块从S7300背板总线吸取的电流为350+70+2*60+3*70=750(mA)没有超过CPU315所能转供的电流1. 2A.机架1上由24V电源通过IM361向其它模板供电，另外插入SM322 块，数字输入板SM321共5块，这些模块从S7300背板总线吸取的电流为70+5*25=185(mA)也没有超过IM361所能转供的电流0. 8A.那么各模块从24V电源吸取的总电流为1000+600+2*60+4*100+5*1+500=2625(mA)。考虑到电源应留有一定的余量，所以电源模块应选PS307(5A).43 称重变送器的分析和设计随着工业自动化的发展，计算机技术在工业生产过程中的广 泛应用，在冶金、化工、煤炭等连续生产的工业中都提出不同形式的连续自动称 量以及配料控制等要求，传统的机械杠杆式称重装置己不能满足。目 前工业应用的各种大、中型重量变送器(电子秤)，按其用途区分，常 见的有以下几类：容器秤主要对液体、颗粒状或粉状料进行称重和配料;吊钩秤对大型构件、集装箱等在吊卸运输过程中进行称 重；皮带秤对散装物料在皮带运输过程中进行称重;平台秤有地中衡、汽车衡等;轨道秤专用于铁道车辆称重。称重传感器本质上是测量质量受到地球引力的作用而产生的 力，所以电子秤在移到不同的地方时，必须对该秤重新较准。电子秤山承重和传 力机构、称重传感29、电子测量显示仪表和电源等部分组成。电子称 的称重变送器的功能是把机械力转换成一个电信号，可以远距离地传 送，显示、记录，并可由计算机进行数据处理，给出控制信号，进而 实现生产过程的自动化。称量传感器被做成密封型，从而有良好的防 潮、防腐蚀性能，可以在恶劣环境下工作。电子称是槽下配料系统中的必备设备。在该系统中， 4 个矿 斗的称重、2 个中间仓和 2 个焦仓的称重工作均由电子秤来完成。使用的这种电 子称是容器秤的一种，对料斗中的矿石和焦炭进行称重。容器秤由三 个荷重传感器支撑料斗进行重量的检测。采用的是电阻应变式传感器。 在矿斗、中间仓和焦仓底部设有称重变送器，称重变送器将其所受的 矿石压力转换成电信号进行传送，并通过 LED 显示出矿石的重量。电阻应变式称重传感器是将应变电阻片粘贴在测量压力的弹 性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变化产生变形，这个变 形应力使应变片的电阻也产生变化，这称为电阻应变效应。实验证明， 在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，因此可以 通过对电阻的测量来测量压力。控制系统中一般必须将物理量转化为便于利用的电流或电 压，因此需要把电阻的变化进一步转换成电流或电压的变化。电桥测量电路是进行 这种变换的常用方法。根据电源不同，电桥可分为直流电桥与交流电桥。交、直流电桥的原理相似，为便于说明，下面就如图3. ?所示直 流电桥对其测量原理进行分析。图11中E和R为高稳定的精密电源和电阻。当传感元件R、 处于其某基准状态R时(如空载时)，电桥处于平衡状态，输出电压V为0。当 0重量变化时，传感元件的阻值变化为只R(1+6)，将导致电桥处于不 平衡状态：V=El/2-R/R+R (1+6 ) =E*6/2* (2+6 )(1)0RRS-EjFR1rVo1W图5电桥工作原理4.4变频器的简介及选型变频调速是近代电气工程中发展最快的一种电动机调速方式，变频 2D的优良性能其在工业中得到越来越广泛的应用。t，4本次设计中 使用PLC控制变频器的控制端，变频gD在料车起步和停车时实现变速 控制，在启动时缓起，在停止的时候缓停。异步电动机本身可以正反第25页共46页转运行，对于使用工频供电的电动机，只需改变电动机电塬的相序， 即可以改变电动机的转向。当使用变频2S作为电动机电源时,有些变 频8S具有控制电动机正反转的功能，有的不具备此功能。对具有正反 转控制功能的变频器，可以利用接触器切换变频器输出的相序，在设 计它的控制电路时，需要考虑不可将电动机直接从正转切换到反转， 应该确保电动机已经停止，再切换到反转，否则，切换的过程中会产 生很大的电流，将会对变频器和电动机产生损害。1变频器的工作原理和控制方式(1) 变频器工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：n=60 f(l 一 s) / p式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率：s电动机转差率；P电动机极对数。山上式可知，转速n与频率f成币比，只要改变频率fBp可改变 电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调 节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的， 是一种理想的高效率、高性能的调速手段。(2) 变频器控制方式低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0. 75400kW， 工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历了以下四 代。 U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 根据电机学的原理，异步电动机的同步转速山电频率和电机 极数决定，在改变频率时，电机的同步转速随着改变。当电 机负载运行时，电机转子转速略低于电机的同步转速，即存 在滑差，滑差的大小与电机的负载大小有关。Uf 恒定控制是在控制电动机的电源变化的同时控制变频器的 输出电压，并使二者之比U/f恒定。从而使电动机的磁通基本保持恒 定。其特点是控制电路结构简成本较低，机械特性硬度也较好，能够 满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。 但是，这种控制方式在低频时，山于输出电压较低，转矩受定子电阻 压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究 没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意， 且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电 机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性 能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 电压空间矢量(SVPWM)控制方式它是口二相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形 旋转磁场轨迹为目的，一次女成二相调制波形，以内切多边形逼近圆 的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能 消除速度控制的误差：通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻 的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控 制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根 本改善。 矢量控制(VC)方式9根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态 方程式相同的形 式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动 机类似的控制性能，这就是矢量控制。从产生电动机的旋转磁场看，三相绕组中通以三相对称电流可以 产尘圆形旋转磁 场，二相绕组中通以互差的电流亦可以产尘圆形旋转磁场，因而从磁 场作用看，三相绕组产生的磁场可以用二；目绕组产生的磁场宋等 效。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子 电流la、lb、Ic通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系F的交 流电流Iai、Ibl，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转 坐标系下的直流电流Iml、Itl(lml相当于直流电动机的励磁电流;Itl 相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法， 求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动 机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度， 磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流 而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现下交或解耦控制。矢 量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，山于转子 磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直 流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果 难以达到理想分析的结果。 直接转矩控制(DTC)方式和转矩。它不需要将交流电动机锌效为直流电动机，因而省去了矢量 旋转变换中的许多复杂计算：它不需要模仿直流电动机的控制，也不 需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。该技术在很大程度上解决 了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、徇沽明了的系统结构、 优良的动静态性能得到了迅速发展目前，该技术已成功地应用在电 力机车牵引的大功率交流传动上。2变频骆的功能及特点，：1SINMENS 6SE70 系列变频器在所有功率范围中的装冒和系统元件 都有一个统一的设计和相同的接线系统。它们能以任何方式组合井能 并列安装以满足传动系统各种要求。6SE70系列矢量控制的变频器是 采用IGBT元件、全数字技术的电压源型变频器它同西门子三相交流 电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解 决方案。选用西门子矢量型变频调速器6SE70,特点如下：(1) 工业型变频器，比通用型产品更适合于环境恶劣的T,Ik生产 现场。(2) 标准化及模块化。整个变频器的结构非常紧凑，主板及扩展板 都是通过总线插槽连接。山于集成度的提高，使装冒具有很高的可靠性。(3) 抗干扰性好，运行可靠，不受元器件老化和温度漂移的影响， 能长期保持稳定的控制精度。(4) 适应电源电压波动范围广，能自动适应电网频率变化 45 65HZ。(5) 具有很强的自诊断处理功能，提供有关故障原因的补充信息， 使故障排除更为简单，维护方便。(6) 灵活多变的通讯能力。32位CPU全数字控制，组态功能丰富。(7) 可针对具体交流电机进行优化，以达到优良的控制性能。(8) 低速时也能提供额定转矩。5 PLC程序设计51 程序简介STEP 7是S7-300系列PLC的编程软件。梯形图、语句表（即指 令表）和功能块图是标准的STEP 7的3种编程语言，这3种语言可以 在STEP 7中相互转换。在本设计中均采用了梯形图的编程方式。另外，在本设计的程序中所应用的 S7-300 的一个重要的功能就 是程序的块结构。主程序的块为OB1,那么在主程序块中扩展了 FC块 和FB块。FC块为用编写的包含经常使用的功能的子程序，无存储区， 其临时变量都存储在数据堆栈中，功能执行结束后，这些数据就丢失 了。FB块是用户编写的有自己的存储区（背景数据块）的块，每次调 用功能块时需要提供各种类型的数据给功能块，功能块搬弄是非返回 变量给调用它的块。这些数据以静态变量（STAT）背景数据块中的数 据不会丢失，但是不会保存局域数据堆栈中的数据。也就是说用一个 FB块就要定义一个或几个DB块与之对应。这些便是在本设计中所应 用到的四种块，其它不做介绍。52 程序设计思想本设计中主要流程是以块为基础的循环扫描过程，即在块OB1中 为共享应用程序、手动程序（FC块）和自动控制程序（FC块）的循环 过程，在自动控制程序中为顺序控制程序（FC块）和单个料仓的自动 加料程序（FB块）（共4个）。采用这种结构的程序，看起来结构比较鲜明、工整、严谨，并且 在查错的时候也比较方便。另外，对于FB块为单个料仓的自动加料程 序，那么它就对应了 4个DB块，分别为14号料仓的数据块。这样 一来就节省了一定的程序，因为4个加料过程共用一个加料程序，而 且使数据分别用自己的块，这样有利于数据的记录。具体的程序块调用的分层结构见图 6。图 6 程序组织结构图53 系统应用的算法在本设计中，所应用的算法有配料的自动补偿，配料顺序的读取 和信号的采集等。应用的算法决定了编程的思路以及程序的稳定性等。1、自动补偿在自动配料过程中，加料的准确度也是有限的，误差在约在15Kg 左右（根据物料的颗粒的大小）。那么当出现了有误差之后，在下 一次的加料过程中，就要求对上一次的加料误差进行一定的补偿。本 设计中，的补偿算法就是对本次的加料值进行记录，并与设定值进行 比较，差值记录下来，作为下一次的补偿值。补偿值=本次设定值一实际加料值下次应加值二设定值+上次补偿值这样一来，本次的加料差值就会在下一次的加料中得到补偿，然 而补偿也并非准确，这时的差值又会在下下次的加料中得到补偿。依 次类推，经过多次加料后，实际的误差值就很小了，相当于一次加料 的误差。2、配料顺序配料顺序的算法主要为编程的算法，用于将在 WinCC 上设定的顺 序提取出来，并按此实际地安排加料顺序。在 WinCC 中，设置了一个数字输入框，由此输入加料的顺序。如 果要设置加料顺序为 4，2，3。则在输入框输入“324”。这个 数字将被送到 PLC 的内存中，然后程序按取余顺次取出 4、3、2等， 并以此做为加料顺序，指导加料程序工作。3、信号的采集本设计中用到了 4 个 16 位的模拟信号输入模块，将变送器送来的 420mA的模拟信号转化为16位的数字信号，为了避免信号的抖动和 干扰对采集的结果造成影响，所以，对信号的采集做了一个程序。这 个程序的控制算法实际上就是对从模拟块采来的数字值进行累加，累 加1 0次后然后取平均值，这样，就可以减小了干扰所带来的影响。而 且，由于程序扫描周期非常的快，这样的信号采集程序对控制程序来 说不会发生滞后，而且还会使控制更准确。54 程序说明在介绍程序之前，先介绍一下本设计在编程过程中解决所遇到的 问题所用到的一些知识或者编程经验等。1、在用户程序中，同一编程元件的线圈使用了两次或多次，称为 双线圈输出。图 7 中有输出继电器 Y0 的两个线圈，在同一扫描周期，两个线圈 的逻辑运算结果可能刚好相反，即Y0的线圈一个“通电”，一个“断电”。因为在程序执行完后才将Y0的ON/OFF状态送到输出模块， 对于Y0控制的外部负载来说，真正起作用的是最后一个Y0的线圈的 状态。it划图7双线圈输出由P L C的工作原理可知，PLC程序执行的结果（即运算得到的 线圈的通断状态），马上就可以被后面的逻辑运算使用。Y0的线圈的 通断状态除了对外部负载起作用外，通过它的触点，还可能对程序中 别的元件的状态产生影响。图la中Y0两个线圈所在的电路将梯形图 划分为3个区域。因为PLC是循环执行程序的，A区和C区中Y0的状 态相同。如果两个线圈的通断状态相反，不同区域中Y0的触点的状态 也是相反的，可能使程序运行异常。所以一般应避免出现双线圈输出 现象。但是，在跳步条件相反的两个程序段（如自动程序和手动程序） 中，允许出现双线圈现象，即同一元件的线圈可以在两个程序段中分 别出现一次。或者，在调用条件相反的两个子程序中，允许出现双线 圈现象，即同一元件的线圈可以在两个子程序中分别出现一次。在一 个扫描周期内只能调用一个子程序，实际上只执行正在处理的子程序 中双线圈元件的线圈输出指令。2、使用置位复位指令的顺序控制梯形图编程方法。使用置位复位 指令的顺序控制梯形图编程方法又称为以转换为中心的编程方法。这种编程方法中，需要有两种控制位：步骤位和条件位。第33页共46页如图 8 所示，这个程序的实现是按步骤进行的，初始步为 M0.0，依次为MO.l, M0.2, M0.3和M0.4，然后再回到初始步循环进行。步的执行过程中，需要有步的转换，要实现转换需要同时满足两个条件：图 8 顺序控制梯形图a) 该转换所有的前级步都是活动步,比如 M0.2 为活动步,即 M0.2 为 1 状态,才能进行 M0.3 的步的实现。b) 满足转换条件。即当M0.2为活动步时，10.1为1时，进 行 M0.3 步的动作。我们可以看到，在这个程序中，多次用到了10.1，但是，由于有 步的控制，I0.1的作用也就不尽相同，由此我们可以看到这种编程方 法的特点：步与步之间有着严格的对应关系，在任何情况下，代表步的存储 器位的控制电路都可以用这一个统一的规则来设计，每一个转换对应 一个控制置位和复位的电路块，有多少个这样的电路块。这种编程方 法特别有规律，在设计复杂的顺序功能图的梯形图时既容易掌握，又 不容易出错。用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，更能显示出它 的优越性。如以此种方法编自动控制程序，将会非常的稳定。3、PLC硬件组态PLC的硬件组态就是对PLC所应用的硬件进行设计，针对要完成 什么样的功能，需要有什么样的CPU,多少个数字量输入，数字量输 出，模拟量输入，模拟量输出等，根据这些要求对PLC的硬件进行设 计。PLC不并不像单片机那样是个成型的东西，它实际上是一个组合 体，包括：电源，CPU，输入，输出等。要完成不同的一项工程，那 么它对CPU,对输入输出等都有不同的要求，针对这些要求来特定地对 PLC的硬件进行组态，以便能达到适用，经济的目的，这就是PLC的 硬件组态。对于本设计来说具体的PLC硬件组态见下表：表2 PLC硬件地址Slo tModuleMPI addressI addre ssQ address1PS 307 5A2CPU 314C-2 DP23AI8*16Bit256271