基于PLC的發(fā)電機監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計電氣自動化專業(yè)

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1、基于PLC的發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要 本系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)主要由可編程控制器、探測器、執(zhí)行機構(gòu)等組成?？删幊炭刂破髯鳛榭刂葡到y(tǒng)的大腦，按照工藝說明分析，對各種外部輸入信號按照發(fā)電機檢測系統(tǒng)的工藝分析結(jié)果及程序設(shè)計流程，完成系統(tǒng)各項工藝功能的實現(xiàn)，通過仿真將當前的狀態(tài)進行顯示和參數(shù)設(shè)定等控制。按照方案的選擇和設(shè)備型號的選擇，采用的可編程控制器為西門子S7-300 CPU313C，模擬量擴展模塊為EM331。確定該系統(tǒng)設(shè)計的工藝控制方案，完成系統(tǒng)硬件部分的型號選擇計算以及總體控制方案的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上進行硬件分析和圖紙設(shè)計，完成工藝流程圖的設(shè)計以及程序的編寫，通過程序仿真設(shè)計調(diào)試

2、和修改，系統(tǒng)安全可靠、使用靈活、擴展性強、開發(fā)周期短，后期修改方便，達到本設(shè)計的工藝要求，以及為后期系統(tǒng)升級改造創(chuàng)造條件。 關(guān)鍵詞：發(fā)電機檢測；可編程控制器；仿真設(shè)計 Abstract The generator detection and control system designed by this system is mainly composed of programmable controller, detector, actuator and so on. As the brain of the control sy

3、stem, the programmable controller completes the realization of the process functions of the system according to the process analysis results and the programming process of the generator detection system. The current state is displayed and the parameters are set by simulation. According to the choice

4、 of scheme and equipment type, the programmable controller is Siemens S7-300 CPU313C and the analog expansion module is EM331. Determine the process control scheme of the system design, complete the model selection calculation of the hardware part of the system and the design of the overall control

5、scheme. On this basis, hardware analysis and drawing design are carried out, process flow chart design and programming are completed. Through program simulation design debugging and modification, the system is safe and reliable, flexible in use, strong in expansibility, short in development cycle, c

6、onvenient in later modification, which meets the process requirements of this design, and creates conditions for later system upgrade and transformation. Key words: generator detection; programmable controller; simulation design 目錄 摘要 0 1 緒論 3 1.1 課題研究的目的及意義 3 1.2 課題研究的內(nèi)容

7、 4 1.3 課題研究的思路分析 4 2發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 6 2.1 發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的工藝分析 6 2.2可編程控制器的介紹及選型 6 2.2.1可編程控制器的結(jié)構(gòu) 7 2.2.2 可編程控制器的接口電路 7 2.2.3可編程控制器的選型 8 2.2.4 模擬量擴展模塊的選型 9 2.3電流互感器的選型 9 2.4溫度傳感器的選型 10 2.5系統(tǒng)方案的確定 10 3發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的硬件圖紙設(shè)計 11 3.1 硬件設(shè)計的思路分析 11 3.2主電路的接線設(shè)計 11 3.3 I/O分配設(shè)計 12 3.3可編程控制器的接線設(shè)計 13 3.4模擬

8、量擴展模塊的接線設(shè)計 15 4發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計 17 4.1程序設(shè)計流程的分析 17 4.2 STEP7編程軟件的介紹 17 4.3程序的設(shè)計及分析 18 4.3.1系統(tǒng)硬件組態(tài)的設(shè)計 18 4.3.2系統(tǒng)的符號表設(shè)計 18 4.3.3模擬量轉(zhuǎn)換控制 19 4.3.4 FC1調(diào)用程序設(shè)計 21 4.3.5合閘及分閘控制的程序設(shè)計 22 4.3.6報警控制的程序設(shè)計 23 5系統(tǒng)的仿真設(shè)計 24 總結(jié) 30 致謝 31 參考文獻 32 1 緒論 1.1 課題

9、研究的目的及意義 本課題對發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)進行PLC控制設(shè)計，研究對象為發(fā)電廠的四極發(fā)電機，該發(fā)電機運行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到發(fā)電廠的工作效率以及發(fā)電質(zhì)量的穩(wěn)定性。發(fā)電機的重要參數(shù)包括輸出電壓、各相輸出電流、發(fā)電機溫度、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機潤滑壓力、發(fā)電機冷卻泵運行狀態(tài)以及冷卻水位狀態(tài)等。對這些重要參數(shù)進行監(jiān)控，可以隨時了解發(fā)電機當前的工作狀態(tài)，并根據(jù)異常情況提前預(yù)知，制定管理方案，保證發(fā)電廠正常生產(chǎn)和運行。 發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)設(shè)計采用可編程控制器進行程序控制，達到系統(tǒng)工藝控制的目的。在詳細了解控制系統(tǒng)的工藝要求的基礎(chǔ)上，采用可編程控制器進行系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件編程調(diào)試，通過程序流程的思路和

10、編程技巧達到系統(tǒng)的工藝目的?？删幊炭刂破骺煽啃阅芨?、抗干擾性強、經(jīng)濟實用、功能完善、體積小巧、擴展性好等優(yōu)點，是現(xiàn)代工廠控制系統(tǒng)設(shè)計的最佳選擇。以往的繼電器-接觸器電路由于接線線路復(fù)雜，電器元件使用較多，觸點容易老化，故障排查和解決比較困難，可靠性低等缺點，沒法滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的使用要求。根據(jù)本課題研究的工藝對象，采用可編程控制器進行系統(tǒng)設(shè)計，對本人大學學習期間的總結(jié)和實戰(zhàn)，在認真學習可編程控制器的硬件手冊和軟件教程的基礎(chǔ)上，完成圖紙設(shè)計及程序編寫和調(diào)試，達到系統(tǒng)的工藝要求。詳細了解控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟和方法，認真學習控制系統(tǒng)的調(diào)試思路和仿真方法，為后期的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。 1.2 課題研究的

11、內(nèi)容 發(fā)電機是指將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機械設(shè)備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅(qū)動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能傳給發(fā)電機，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。本系統(tǒng)設(shè)計主要對發(fā)電機檢測的電流、電壓、溫度、轉(zhuǎn)速以及潤滑壓力等進行顯示，并對出線側(cè)的斷路器進行合閘和分閘控制，對冷卻泵進行啟?？刂?，并對當前異常情況進行報警顯示。 1.3 課題研究的思路分析 按照發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容，詳細分析該系統(tǒng)的具體工藝，對要實現(xiàn)的功能進行說明，并明確系統(tǒng)的輸入控制部分和輸出控制部分，確定控制策略，提出控制方案，對方案進行綜合比較，選擇最佳設(shè)計策略。按照系統(tǒng)選擇的最佳策

12、略進行總體分析設(shè)計，對可編程控制器進行具體型號選擇，對傳感器進行具體型號選擇，以及其他的控制電氣元件的型號。根據(jù)選擇的設(shè)備電氣元件型號詳細分析總體設(shè)計方案，保證工藝控制的基本要求。硬件設(shè)計部分進行設(shè)計分析，明確硬件設(shè)計的基本要求，包括預(yù)留擴展、系統(tǒng)安全保護、以及電路的設(shè)計詳細分析等，使用AUTO CAD軟件完成系統(tǒng)的硬件圖紙設(shè)計，并分析圖紙接線的具體設(shè)計。軟件編程部分進行設(shè)計分析，為了方便系統(tǒng)設(shè)計和后期調(diào)試，進行系統(tǒng)I/O分配的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)工藝控制策略以及硬件選型，進行程序流程的設(shè)計，詳細考慮工藝功能的具體實現(xiàn)，按照程序流程，采用編程軟件進行程序的設(shè)計編寫，完成仿真調(diào)試，達到工藝設(shè)計的要求。

13、  2發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 2.1 發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的工藝分析 發(fā)電機作為發(fā)電廠非常重要的設(shè)備，該設(shè)備的運行狀況直接關(guān)系到發(fā)電廠的生產(chǎn)運行。對發(fā)電機進行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，主要對該發(fā)電機的輸出電流、輸出電壓、發(fā)電機溫度、轉(zhuǎn)速以及潤滑壓力等進行顯示，并對出線側(cè)的斷路器進行合閘和分閘控制，對冷卻泵進行啟停控制，并對當前異常情況進行報警顯示。本系統(tǒng)主要對220KW的發(fā)電機進行監(jiān)控系統(tǒng)研究，該發(fā)電機為4極發(fā)電機，同步轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘，輸出頻率為50HZ工頻。 按照系統(tǒng)的設(shè)計對象進行以下分析： （1）系統(tǒng)分為邏輯控制和模擬量數(shù)據(jù)計算和轉(zhuǎn)換控制。 （2）邏輯控制部分主要對發(fā)電機出線

14、端的斷路器進行控制，斷路器分為主斷路器和備用斷路器，采用外部按鈕進行斷路器的合閘和分閘。 （3）發(fā)電機的冷卻是保證發(fā)電機正常穩(wěn)定運行的重要措施，系統(tǒng)采用循環(huán)水冷的方式進行發(fā)電機冷卻，對冷卻泵進行外部按鈕啟停控制。并對水箱水位進行檢測，當水位低于低限位時，發(fā)出報警信號。 （4）對發(fā)電機的輸出電流、輸出電壓、發(fā)電機溫度、轉(zhuǎn)速以及潤滑壓力等進行顯示。當發(fā)電機溫度大于70攝氏度時，發(fā)出報警信號；當發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過1550轉(zhuǎn)/分鐘時，發(fā)出報警信號；當潤滑壓力低于4Mpa時，發(fā)出報警信號。 2.2可編程控制器的介紹及選型 可編程控制器主要應(yīng)用于工業(yè)控制環(huán)境，是一種通過數(shù)字運算和邏輯控制操作的電子系統(tǒng)

15、?？删幊炭刂破魍ㄟ^專用的編程軟件進行設(shè)備組態(tài)和工藝程序的編制，來實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場邏輯控制運算、順序功能控制、時間控制、計數(shù)控制以及各種數(shù)據(jù)計算和控制，達到工業(yè)現(xiàn)場系統(tǒng)自動化、智能化的工藝控制目的?？删幊炭刂破鲗⑾冗M的自動化控制技術(shù)、計算機硬件和軟件技術(shù)、通信科學技術(shù)等多領(lǐng)域的學科融為一起，形成強大的電子控制產(chǎn)品。就當前工業(yè)自動化發(fā)展趨勢而言，可編程控制器是最重要、能夠在各種場合下實現(xiàn)控制的工業(yè)工控產(chǎn)品。 2.2.1可編程控制器的結(jié)構(gòu) （1）中央處理單元 中央處理單元也稱為CPU，是可編程控制器的“大腦”，CPU可以進行電源自檢、硬件組態(tài)自檢、存儲器調(diào)用、I/O點的狀態(tài)調(diào)用等。當可編程控制器處

16、于運行狀態(tài)時，CPU通過循環(huán)掃描的方式將現(xiàn)場的信號數(shù)據(jù)接收，存入相應(yīng)的輸入映象區(qū)，然后按照用戶編寫的程序進行掃描執(zhí)行程序，將程序運算的結(jié)果輸出到輸出映象區(qū)。CPU不斷地循環(huán)掃描執(zhí)行程序，直到可編程控制器處于停止狀態(tài)。CPU的運行速度是非常重要的硬件參數(shù)，該參數(shù)往往決定著可編程控制器的指令處理能力，I/O數(shù)量的計算和軟件程序的容量等。 （2）存儲器 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器，系統(tǒng)存儲器主要存放CPU系統(tǒng)的程序，該程序不為用戶使用，是可編程控制器的內(nèi)部程序。而用戶存儲器可以存放用戶編寫的應(yīng)用程序，在可編程控制器運行過程中，用戶存儲器隨時調(diào)用參數(shù)，達到系統(tǒng)命令執(zhí)行的目的。

17、 （3）通信接口 通信接口是可編程控制器必不可少的接口，常用的接口有MPI接口，DP接口，以太網(wǎng)接口、RS-232接口/RS-485接口等?？删幊炭刂破魍ㄟ^這些接口可以連接上位機、儀表、變頻器等其他單元。 （4）電源 可編程控制器為內(nèi)部電子系統(tǒng)提供工作電源，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行起著非常重要的作用，通常使用的可編程控制器有AC220V交流電源和DC24V直流電源兩種。 2.2.2 可編程控制器的接口電路 可編程控制器的輸入接口為光耦合電路和微機的輸入接口，通過該接口設(shè)計，可以達到現(xiàn)場干擾信號隔離、輸入接口保護等作用；輸出接口主要由數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路等集成，可

18、以將可編程控制器的計算結(jié)果進行輸出，控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)，完成現(xiàn)場控制干預(yù)。對于常用的可編程控制器接口信號分類如下： （1）開關(guān)量：開關(guān)量信號主要包括繼電器隔離和晶體管隔離兩種，有不同等級的電壓，在可編程控制器選型時，要結(jié)合系統(tǒng)的輸入輸出信號電壓類型，進行選擇。 （2）模擬量：按照當前常用的模擬量標準信號，主要分為電壓型信號（0-10V）、電流型信號（4-20MA）,對于模擬量信號的輸入輸出，也有精度之分，常用的精度有12bit、14bit和16bit。也有一些特殊的模擬量接口模塊，專用于特殊場合，比如常用的熱電偶接口模塊、脈沖輸入接口模塊等。 2.2.3可編程控制器的選型 目前使用比較

19、多的可編程控制器品牌主要為日本三菱公司生產(chǎn)的各系列PLC、德國西門子公司生產(chǎn)的各系列PLC、日本歐姆龍公司生產(chǎn)的各系列PLC、美國AB公司生產(chǎn)的各系列PLC等，按照本系統(tǒng)設(shè)計的工藝要求，選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300中型PLC，進行系統(tǒng)的主控制器設(shè)計。 S7-300可編程控制器具有很高的可靠性能，指令集比較豐富，可以進行各種功能的設(shè)計編譯，具有強大的通信功能，可以和上位機進行通信，具有豐富的擴展模塊，最多可以連接7個擴展功能模塊。S7-300可編程控制器有各種型號，本系統(tǒng)按照功能要求，選用CPU313C型號可編程控制器，該型號控制器具有16個數(shù)字量輸入點和16個數(shù)字量輸出點，可以擴展7個模

20、擬量模塊，程序存儲空間為128K，具有六路獨立的30KHZ高速計數(shù)器和PID控制器。通訊接口為兩個RS-485接口，可以進行MPI協(xié)議通訊。采用的編程軟件為?Step7。該可編程控制器運行速度快，擴展能力強，適合于一般場合的中型控制系統(tǒng)設(shè)計。 圖2-1 S7-300可編程控制器 2.2.4 模擬量擴展模塊的選型 西門子模擬量擴展模塊型號包括EM331模擬量輸入模塊、EM332模擬量輸出模塊和EM335模擬量輸入/輸出模塊。在現(xiàn)場經(jīng)常遇到模擬量信號，比如溫度信號、壓力信號、流量信號等，模擬量擴展模塊將外部模擬量轉(zhuǎn)換為標準的模擬量信號，通常為4-20MA電流信號或者0-10V電壓信號，將

21、標準的模擬量信號輸入到可編程控制器的模擬量擴展模塊，轉(zhuǎn)換為可編程控制器內(nèi)部對應(yīng)的數(shù)值，4-20MA信號對應(yīng)6400-32000；0-10V信號對應(yīng)0-32000。在模擬量擴展模塊中有DIP開關(guān)進行輸入類型的設(shè)置和量程范圍的設(shè)置。模擬量擴展模塊使用時需要校準，校準時斷開模塊的輸入電源，設(shè)置DIP開關(guān)，然后進行PLC和模擬量擴展模塊上電，采用標準的電壓源或電流源你模擬量接線到擴展模塊上，通過可編程控制器進行數(shù)值顯示，按照要求進行調(diào)節(jié)電位計，直到數(shù)值為零，表示校準成功。本系統(tǒng)按照設(shè)計的要求，選用模擬量輸入模塊EM331,進行系統(tǒng)的模擬量信號輸入和處理。 圖2-2模擬量擴展模塊 2.3電流互感

22、器的選型 對于電流檢測來說，需要對進線斷路器等進行電流檢測，觀察當前設(shè)備是否運行正常。而對于發(fā)電機來說，測量裝置不能直接接入一次側(cè)進行測量，而是需要按照比值變換的方式進行測量，對電氣設(shè)備按照比例變換的測量，需要安裝電流互感器進行比例變換。按照計算容量和計算電流可知，選擇的互感器型號為BH-0.4/200，該互感器主要應(yīng)用于0.4KV測量的場合，選擇的額定電流為200A，由于0.4KV側(cè)的計算最大持續(xù)電流值為150A，所以本次選擇的電流互感器滿足使用條件。 2.4溫度傳感器的選型 PT100溫度傳感器的原理是如果外部的溫度發(fā)生變化，傳感器內(nèi)的電阻阻值也跟隨外部溫度的變化而變化

23、，基本上外部溫度的變化和電阻阻值的變化成正比例關(guān)系。經(jīng)過研究表明，PT100溫度傳感器使用時，在-100攝氏度到500攝氏度之間的線性關(guān)系很好，外部溫度每變化1攝氏度，傳感器的電阻阻值就變化0.39歐姆。PT100溫度傳感器的介質(zhì)有兩種，分別為銅介質(zhì)和鉑介質(zhì)，銅介質(zhì)在使用中的線性關(guān)系比較好，但是在長時間使用過程中，銅介質(zhì)容易被氧化；而鉑介質(zhì)穩(wěn)定性好，溫度偏移很小。所以按照系統(tǒng)設(shè)計的要求，鉑介質(zhì)的PT100溫度傳感器完全滿足現(xiàn)場系統(tǒng)使用的需求，數(shù)據(jù)準確，響應(yīng)快以及穩(wěn)定性好。 2.5系統(tǒng)方案的確定 按照系統(tǒng)的設(shè)計思路及工藝分析，選用S7-300 CPU313C可編程控制器進行設(shè)計，選用一個擴展

24、模塊EM331進行模擬量輸入設(shè)計。系統(tǒng)對發(fā)電機檢測的電流、電壓、溫度、轉(zhuǎn)速以及潤滑壓力等進行顯示，并對出線側(cè)的斷路器進行合閘和分閘控制，對冷卻泵進行啟?？刂?，并對當前異常情況進行報警顯示。系統(tǒng)方案如下圖2-3所示。 圖2-3控制系統(tǒng)設(shè)計方案框圖  3發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的硬件圖紙設(shè)計 3.1 硬件設(shè)計的思路分析 按照發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計工藝以及總體方案設(shè)計，對該系統(tǒng)的硬件部分進行詳細設(shè)計。認真學習掌握設(shè)備選型元件的工作原理和具體接線方法，結(jié)合系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求，設(shè)計出適合本系統(tǒng)的硬件圖紙。特別是可編程控制器的硬件接線，認真考慮分析電源部分、輸入接口部分及輸出接口部分的具體接線

25、，確保界限準確無誤。根據(jù)設(shè)備選型，可編程控制器的電源以及輸入輸出接口電路考慮使用DC24V，采用PS307 5A進行電源模塊設(shè)計，這樣做的目的是保證系統(tǒng)不受干擾，運行穩(wěn)定可靠，這就需要增加開關(guān)電源的設(shè)計。 按照以上的分析，可編程控制器的硬件設(shè)計重點考慮輸入部分電路、輸出部分電路和電源電路。以上的輸入和輸出都要考慮預(yù)留余量，為后期的系統(tǒng)升級改造留有空間，要達到本系統(tǒng)可擴展性的要求。電源部分按照設(shè)備硬件選型的具體要求，使用DC24V電源供電，確保使用的穩(wěn)定性和可靠性。模擬量擴展模塊的硬件設(shè)計重點考慮該模塊的電源部分和輸入輸出接線部分，這些接線都要按照硬件選型手冊的接線原理進行。 3.2主電路的

26、接線設(shè)計 主電路主要對發(fā)電機和冷卻泵電機進行電路設(shè)計，主電路接線圖如下圖3-1所示。 圖3-1 主電路圖 QF01主要切斷主電源，QF2切斷備用電源，通過KM1或KM2的合閘實現(xiàn)主電源和備用電源之間的切換。對于冷卻泵，主電路采用自鎖電路，分別控制執(zhí)行電機的啟動和停止。 3.3 I/O分配設(shè)計 按照發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)設(shè)計的工藝要求，進行I/O分配設(shè)計，對于可編程控制器的軟件設(shè)計，I/O分配設(shè)計必不可少，這樣做的目的是為后期程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試提供依據(jù)，可以有效的縮短系統(tǒng)研發(fā)周期、減小程序設(shè)計錯誤，調(diào)試過程中有利于故障查詢和解決。在程序設(shè)計過程中，通過查詢I/O分配表，可以減

27、小程序編譯出錯的可能性，也能夠最大限度的完善系統(tǒng)功能，避免輸入和輸出的漏算，做到心中有數(shù)，有條不紊。在進行系統(tǒng)仿真調(diào)試時，可以根據(jù)I/O分配表井然有序地進行逐步調(diào)試，比如某個開關(guān)的動作名稱，按照工藝要求，該限位開關(guān)是否有信號輸入，輸入指示燈是否亮等，來判斷系統(tǒng)執(zhí)行的正確性和可靠性。如果執(zhí)行輸出過程中，如果執(zhí)行單元未動作，可以查詢I/O分配表，判斷該輸出指示燈是否亮，如果不亮，說明程序沒執(zhí)行輸出；如果亮，說明該執(zhí)行元件的接線可能錯誤。通過I/O分配設(shè)計，將快速準確的判斷系統(tǒng)狀態(tài)，非常方便。對于本系統(tǒng)的設(shè)計，I/O分配設(shè)計如下表3-1和表3-2所示。 表3-1 I點分配設(shè)計表 電氣符號 I

28、點地址 功能 SB1 I124.0 出線側(cè)合閘 SB2 I124.1 出線側(cè)分閘 SB3 I124.2 備用出線側(cè)合閘 SB4 I124.3 備用出線側(cè)分閘 SB5 I124.4 冷卻泵打開 SB6 I124.5 冷卻泵關(guān)閉 SQ1 I124.6 冷卻水低液位 PIW256 A相電流模擬量 PIW258 B相電流模擬量 PIW260 C相電流模擬量 PIW262 電壓模擬量 PIW264 溫度模擬量 PIW266 實時轉(zhuǎn)速模擬量 PIW268 潤滑壓力模擬量 表3-2 O點分配設(shè)計表 電氣

29、符號 I點地址 功能 KM1 Q124.0 出線側(cè)合閘接觸器 KM2 Q124.1 備用側(cè)合閘接觸器 KM3 Q124.2 冷卻泵接觸器 HL1 Q124.3 出線側(cè)合閘指示 HL2 Q124.4 備用側(cè)合閘指示 HL3 Q124.5 冷卻泵運行指示 HL4 Q124.6 低液位指示 HL5 Q124.7 溫度報警指示 HL6 Q125.0 轉(zhuǎn)速報警指示 HL7 Q125.1 壓力報警指示 HD1 Q125.2 聲光報警 3.3可編程控制器的接線設(shè)計 本系統(tǒng)設(shè)計采用S7-300可編程控制器，采用電源模塊為PS307 5A

30、，采用的CPU 為CPU313C，采用的模擬量擴展模塊為EM331?？删幊炭刂破鞯挠布泳€按照該型號PLC的硬件手冊分為三部分設(shè)計。首先是電源部分設(shè)計，采用可編程控制器專用的PS307電源供電，該電源模塊的輸入為AC220V，輸出為DC24V，輸出部分主要為CPU313C供電，并且對模擬量擴展模塊和數(shù)字量輸入輸出部分進行DC24V供電。輸出的電源端子不能接反，否則可編程控制器有燒毀的現(xiàn)象。其次是輸入接口的電路設(shè)計，輸入接口部分公共端子為M端子，該端子接負極，外部主令按鈕或開關(guān)的一端接入24V正極，另一端接入相應(yīng)的端子，比如外部輸入元件FR1，該元件的一端接24V，另一端接入I124.0接口，當

31、該元件動作，I124.0接口有電壓輸入，輸入指示燈亮。最后是輸出接口的電路設(shè)計，輸出接口部分的公共端子為L+，該端子接24V正極，執(zhí)行元件線圈的一端接輸出信號，另一端接負極。比如外部輸出元件KM1，一端接Q124.0，另一端接負極。 圖3-1 可編程控制器的接線圖 3.4模擬量擴展模塊的接線設(shè)計 本系統(tǒng)設(shè)計中采用EM331模擬量擴展模塊進行設(shè)計，主要對電流、電壓進行顯示、溫度顯示、速度顯示、潤滑壓力顯示。設(shè)計具體接線圖如下圖3-2所示。 圖3-2模擬量輸入模塊接線圖 模擬量輸入擴展模塊的接線按照硬件手冊查詢分為兩部分設(shè)計接線。首先是電源接線，模擬量模塊的電源端子采用開關(guān)電源供

32、電，輸入DC24V直流電，電源接線端子分別為M、L+。其中M端子接負極，L+端子接正極。電源端子不能接反，否則模擬量擴展模塊有燒毀的現(xiàn)象。其次是信號輸入接線，以第一組傳感器接線為例，模擬量接線要采用兩芯屏蔽電纜，型號為BVVP-2X1.0電纜，電線顏色分別為紅色線和藍色線。在傳感器側(cè)，紅線接模擬量信號的正極，藍線接模擬量信號的負極。在模塊側(cè)，紅線接A+和RA,藍線接A-。屏蔽層連接至系統(tǒng)的公共屏蔽地線。  4發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計 4.1程序設(shè)計流程的分析 本系統(tǒng)設(shè)計采用STEP7編程軟件進行設(shè)計，當系統(tǒng)啟動后，調(diào)用OB1進行運行，首先通過功能FC1對程序外部模擬量（640

33、0-32000）進行數(shù)值變換和計算轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換出的值為相應(yīng)的實數(shù)值。以A相電流模擬量為例，輸入信號為PIW256，該值為WORD類型，該值范圍為6400-32000；將通過FC1轉(zhuǎn)換后，可以將進線側(cè)B相電流模擬量變換為0-200A的值。在OB1里調(diào)用FC1，對12個模擬量進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，得到的結(jié)果存儲在DB1數(shù)據(jù)塊。對外部的邏輯控制進行編寫，主要通過外部合閘輸入和分閘輸入，對斷路器進行合閘和分閘操作，并且對當前的合閘狀態(tài)進行顯示。具體設(shè)計程序流程圖如下圖4-1所示。 圖4-1 程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 對于系統(tǒng)的設(shè)計流程分析，當系統(tǒng)初始化后，首先啟動冷卻泵，冷卻泵啟動后，電動機開始啟動運行。系統(tǒng)啟動

34、后，首先將電流模擬量輸入值、電流模擬量輸入值、溫度模擬量輸入值、壓力模擬量輸入值以及轉(zhuǎn)速模擬量輸入值等進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換為顯示的實數(shù)值。當反饋的電流值大于設(shè)定的電流值，將進行電流報警輸出；當反饋的電壓值小于設(shè)定的電壓值，將進行電壓報警輸出；當反饋的溫度值大于設(shè)定的溫度值，將進行溫度報警輸出，當反饋的壓力值大于設(shè)定的壓力值，將進行壓力報警輸出，當反饋的速度值大于設(shè)定的速度，將進行速度報警輸出。對當前所有的開關(guān)合閘狀態(tài)進行監(jiān)控，并進行狀態(tài)顯示。如下圖4-2所示。 圖4-2 程序設(shè)計流程圖 4.2 STEP7編程軟件的介紹 西門子S7-300的編程軟件STEP7必須安裝在微軟開發(fā)的操作

35、系統(tǒng)上，比如經(jīng)常使用的XP系統(tǒng)，WIN7系統(tǒng)等。為了能夠下載或監(jiān)控程序，用戶需要自備編程電纜，常用的編程電纜為MPI電纜。當軟件安裝后，如果需要使用中文界面，可以在“工具”欄的“選項”對話框修改語言為中文，這樣編程環(huán)境就轉(zhuǎn)換為中文界面，便于學習和理解。 如果用戶使用MPI編程電纜，在進行通訊之前必須安裝該編程電纜的驅(qū)動程序，設(shè)置使用的波特率，一般情況下我們使用187.5kbis/s的波特率。對通訊參數(shù)進行設(shè)置，選擇可編程控制器的地址為2，選擇波特率為187.5kbit/s，選擇協(xié)議為MPI協(xié)議，使用計算機的USB端口。以上設(shè)置好后，可以進行刷新，這樣軟件可以自動搜索S7-300的地址，并建立

36、CPU型號的圖標，表示通訊正常。STEP7軟件的主界面主要包含硬件組態(tài)、符號表、塊等，菜單條的功能包含文件、編輯、視圖、PLC、工具等。如下圖4-2所示。 圖4-3 STEP7軟件編程界面 4.3程序的設(shè)計及分析 4.3.1系統(tǒng)硬件組態(tài)的設(shè)計 本系統(tǒng)設(shè)計組態(tài)如下： 圖4-4 系統(tǒng)設(shè)計組態(tài)圖 該組態(tài)中包含設(shè)備的型號，CPU選擇CPU313C;電源模塊選擇PS 307 5A;模擬量擴展模塊選擇EM331，一共八路輸入。 4.3.2系統(tǒng)的符號表設(shè)計 系統(tǒng)符號表的作用是對變量進行符號定義，這樣在編寫程序時，可以進行參考，提高程序設(shè)計效率。系統(tǒng)符號表如下圖4-5所示。 圖4

37、-5 系統(tǒng)設(shè)計符號表 4.3.3模擬量轉(zhuǎn)換控制 本系統(tǒng)設(shè)計的模擬量通過FC1進行轉(zhuǎn)換，在FC1中，首先通過使能打開，外部模擬量可以進行數(shù)據(jù)傳輸。將外部模擬量信號傳輸?shù)?L1，對#L1進行上下限程序編譯，如果反饋值大于上限值，將上限值給反饋值；如果反饋值小于下限值，將下限值給反饋值。將模擬量的最大值減去最小值得到的結(jié)果為#L4；模擬量反饋值除以#L4，得到的結(jié)果為#L8，將實數(shù)反饋值的最大值減去最小值，得到的結(jié)果為#L9，然后#L8乘以#L9得到的結(jié)果為實數(shù)反饋值。 4.3.4 FC1調(diào)用程序設(shè)計 首先在OB1中調(diào)用FC1，以A相電流模擬量轉(zhuǎn)換為實時電流顯示實數(shù)值為例，如下：

38、在該調(diào)用塊中，PIW256為模擬量輸入擴展模塊的值，范圍為6400-32000.其中M10.1為使能，當系統(tǒng)自動運行時，M10.1接通。輸出值的上下限范圍為0.0到200.0，表示當外部模擬量輸入為下限時，顯示溫度為0A，當外部模擬量輸入為上限時，顯示進線側(cè)A相電流為200A。 4.3.5合閘及分閘控制的程序設(shè)計 本系統(tǒng)設(shè)計的邏輯控制，主要對外部斷路器進行合閘和分閘控制，并且對該斷路器進行狀態(tài)顯示。以出線側(cè)合閘線圈為例，當按下外部按鈕I124.0時，合閘線圈Q124.0吸合并自鎖，當按下外部按鈕I124.1時，合閘線圈失電。Q125.0進行當前進線側(cè)合閘線圈的狀態(tài)顯示。如下程序設(shè)計。

39、 4.3.6報警控制的程序設(shè)計 對一些報警條件判斷梯形圖，當冷卻水低液位I124.6接通時，輸出Q124.6低液位報警指示；當發(fā)電機溫度大于70攝氏度時，溫度報警；當發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于1550轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速報警；當潤滑壓力小于4MPa時，壓力報警。梯形圖設(shè)計如下： 5系統(tǒng)的仿真設(shè)計 按照發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)設(shè)計的工藝分析，完成系統(tǒng)的硬件接線和軟件編程，就要對系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，對系統(tǒng)的各個功能按照程序流程進行試驗，來驗證系統(tǒng)是否達到工藝設(shè)計的要求。對系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，是系統(tǒng)投入使用運行的必要階段，是通過實物檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和可擴展靈活性的最有效的手段。按照系統(tǒng)調(diào)試的步驟分析，需

40、要進行以下的步驟完成。 （1）準備工作：按照系統(tǒng)設(shè)計的要求，準備必要的設(shè)備硬件，設(shè)備硬件要符合設(shè)備的選型要求，特別是可編程控制器，要考慮電源輸入電壓、輸入端口數(shù)量、輸出端口數(shù)量是否滿足設(shè)計要求。對軟件調(diào)試部分要準備該設(shè)備調(diào)試專用的編程電纜，并安裝好電纜驅(qū)動，保證能夠順利進行程序下載和監(jiān)控。準備好I/O分配表，為后期的調(diào)試做好準備。 （2）硬件接線：按照系統(tǒng)的要求，對硬件接線必須嚴格符合圖紙設(shè)計，特別是可編程控制器的接線，要搞清楚電源輸入電壓類型，正負極不要接反；信號輸入部分的公共端為+24V，以開關(guān)為例，開關(guān)的一端接入公共端+24V，另一端接入相應(yīng)的輸入點；信號輸出部分的公

41、共端為0V，以指示燈為例，指示燈的一端接入0V，另一端接入可編程控制器的輸出點。按照接線要求對其他主電路部分、控制電路部分進行接線，注意接線頭金屬盡量不要裸露，接線美觀大方，不要橫拉豎放，為后面查線提供方便。 （3）系統(tǒng)上電：按照硬件接線圖完成接線后，要細心檢查接線是否與圖紙相符，特別檢查的部分是每個電氣元件的電源電壓是否正確，接線是否存在短路現(xiàn)象或接地現(xiàn)象，檢查是否常開點和常閉點接錯，檢查是否存在漏接情況。以上檢查準確無誤后，進行系統(tǒng)上電，系統(tǒng)上電之前，將所有斷路器或空氣開關(guān)打到OFF狀態(tài)，將所有的外部輸入部分打到初始狀態(tài)。當系統(tǒng)上電后，使用萬用表檢查斷路器或空氣開關(guān)上端接線的電壓是

42、否滿足要求，如果確認無誤，在進行斷路器或空氣開關(guān)合閘操作。直到系統(tǒng)所有開關(guān)上電成功。按下每個輸入部分按鈕或開關(guān)，觀察可編程控制器相應(yīng)的輸入指示燈是否亮，如果亮，說明信號能夠接通。 （4）程序下載：上電成功后，進行程序下載，使用編程電纜連接可編程控制器和電腦，判斷通訊連接是否正常。打開程序，進行程序下載，然后將系統(tǒng)處于RUN狀態(tài)，系統(tǒng)開始運行，程序進行循環(huán)掃描執(zhí)行輸出。 （5）提前準備好I/O分配表和工藝程序流程圖，明確各個部分的輸入和輸出的名稱和功能，詳細了解工藝程序流程。手動調(diào)試時，按照工藝流程進行每個動作的調(diào)試，外部按鈕輸入信號后，如果滿足工藝條件，將有信號輸出，首先觀察可

43、編程控制器輸出指示燈是否亮，如果亮說明程序計算無誤，再觀察相應(yīng)的執(zhí)行元件是否動作，如果動作說明回路沒問題，程序正常。 （6）總結(jié)：對以上步驟完成后，進行調(diào)試總結(jié)，分析調(diào)試過程中的問題，為后期積累經(jīng)驗。 采用PLC SIM進行程序的在線仿真調(diào)試，如下圖所示。 圖5-1 PLC SIM仿真控制器 通過系統(tǒng)的調(diào)試和仿真，對模擬量模塊仿真如下： 通過系統(tǒng)的調(diào)試和仿真，對數(shù)字量模塊仿真如下： 按照以上的仿真和修改程序，最終程序設(shè)計工藝滿足系統(tǒng)的要求。仿真調(diào)試結(jié)束。  總結(jié) 按照發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計工藝要求，對發(fā)電機檢測進行了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計包括工藝分析

44、、選型設(shè)計、方案確定、硬件圖紙、軟件程序及仿真等設(shè)計。從最終的仿真效果來看，達到了設(shè)計的基本工藝要求，為后期設(shè)計起到借鑒作用。本系統(tǒng)的設(shè)計，工藝比較復(fù)雜，特別在可編程控制器的硬件和軟件方面，需要進行詳細的工藝設(shè)計。具體設(shè)計總結(jié)如下： （1）對發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計要求和工藝，查詢資料可知，采用可編程控制器的控制方案比較合理，易于擴展升級，為后期的改造升級提供了很大的空間。 （2）在硬件設(shè)計中，特別是可編程控制器的輸入電路和輸出電路設(shè)計，輸入部分電路的公共部分為L公共線，而輸出部分電路的公共部分為M公共線，此硬件線路比較容易混淆，是系統(tǒng)硬件設(shè)計的關(guān)鍵部分。 （3）在軟件設(shè)計中，發(fā)電機檢測

45、控制系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計，是整個軟件程序設(shè)計的綱領(lǐng)性工藝，依據(jù)工藝流程的設(shè)計思路，對程序編寫，可以減小設(shè)計周期，不容易出錯，而且在后期調(diào)試，方便查詢問題，節(jié)約大量時間。 （4）在仿真設(shè)計中，通過調(diào)試的步驟分析，使用仿真軟件對發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)進行程序仿真，按照程序流程進行一系列的方針和修改，達到了基本的工藝要求。 通過本設(shè)計，對發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)的了解更加深刻，對設(shè)計的基本思路熟練掌握，掌握了硬件設(shè)計的基本規(guī)范和程序設(shè)計的基本技巧，收獲頗豐。本系統(tǒng)設(shè)計在實現(xiàn)基本工藝要求的同時，對一些工藝技術(shù)問題進行改進突破，但是要完全滿足自動化無人監(jiān)控的設(shè)計，還需要更進一步進行分析研究。  致謝 經(jīng)

46、過大學期間的刻苦學習以及本次畢業(yè)設(shè)計的鍛煉和考驗，終于到了大學學習的收尾階段。此次畢業(yè)設(shè)計課題為發(fā)電機檢測控制系統(tǒng)設(shè)計，是檢測本人大學期間對每個科目學習和設(shè)計能力的大考驗，從最開始的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，到圖書館資料借閱查詢、學習課題設(shè)計技巧和設(shè)計基本流程、設(shè)計方案選擇確定、接線圖繪制、程序編寫和仿真調(diào)試等，經(jīng)歷了艱難而富有收獲的課題設(shè)計過程。通過本次設(shè)計，我深深掌握到課題設(shè)計的基本方法和思路，遇到設(shè)計問題該怎樣學習和處理，也深深感受到學無止境的真正含義。仔細回想整個設(shè)計過程，發(fā)現(xiàn)自己對電氣自動控制行業(yè)越來越有興趣，特別是可編程控制器的開發(fā)和程序設(shè)計，使我對以后的工作充滿了激情和信心，讓我明確今后工作

47、努力的方向，提高自學能力，滿懷激情投入到電氣工作。 畢業(yè)設(shè)計是個艱難而收獲極大的綜合測試，在此期間我遇到許多設(shè)計上的問題，特別是程序的設(shè)計技巧和仿真調(diào)試，讓我曾經(jīng)止步前行，我們的指導(dǎo)老師給了我極大的幫助，老師兢兢業(yè)業(yè)，細心輔導(dǎo)我對一些設(shè)計流程該采用怎樣的設(shè)計方法，系統(tǒng)調(diào)試時該注意那些問題，在圖紙設(shè)計中，明白那些設(shè)計規(guī)范。我也特別感謝我的同學，我和他們一起并肩戰(zhàn)斗，熬夜設(shè)計，對設(shè)計中的問題互相討論，互相學習和進步。我也感謝父母長期對我的經(jīng)濟支持，讓我順利完成課業(yè)。我將在電氣控制行業(yè)越走越穩(wěn)，越走越遠，回報自己感謝他人。  參考文獻 [1]徐灝.PLC控制原理[M].北京：機械

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