基于PLC的油站潤滑控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計.docx

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1、 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文）基于PLC的油站潤滑控制系統(tǒng)設計學 生：明松學 號：20083325指導教師：簡毅專 業(yè)：機械電子工程重慶大學機械學院二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 Unive

2、rsityJune 2012重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 摘要摘 要油站的功能是為主機提供一定溫度的潤滑油和液壓動力油，降低摩擦、減小磨損、散熱防銹、降低震蕩沖擊及噪聲、排除污物以及為執(zhí)行機構提供動力。因此要求潤滑油的溫度嚴格控制在一定范圍內，有的油站由于采用噴射潤滑，因此還要求潤滑油壓力在一定的范圍內可調。因此對于油溫及油壓的控制程度好壞將直接決定油站的功能優(yōu)劣。由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、靈活性和通用性高、使用以及安裝簡單等優(yōu)點，因此可以實現(xiàn)對油站的潤滑油的溫度及壓力實行有效的、可靠的、精確的、實時自動控制。在這里采用了德國西門子公司的S7-300系列PLC，人機界面設備采用

3、西門子的觸摸屏TP 270 10型號，分別采用了Step7 V5.5和Wincc flexible 2008軟件進行組態(tài)。這里著重論述了油站信號的各種信號的處理方法，控制系統(tǒng)方案設計以及如何實現(xiàn)HMI、PLC和現(xiàn)場設備之間的通訊。關鍵詞：油站，S7-300 PLC，Wincc flexible 2008，組態(tài) 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） ABSTRACTABSTRACTOil station is a facility that is matched to provide lubricating oils and hydraulic oils whose temperature and

4、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 t

5、o 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, i

6、n 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 talke

7、d 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

8、重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 目錄目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論11.1 課題概述11.1.1 課題來源11.1.2 課題背景及意義11.1.3 PLC 的特點介紹。11.1.4 PLC的選型31.2 西門子S7-300 PLC的組成31.2.1 S7-300簡介31.2.2 硬件組成31.2.3 S7-300模塊簡介42. 油站的概述72.1.油站的基本結構組成72.2 油站的基本工作原理及流程72.2.1 低高壓泵系統(tǒng)72.2.2 過濾器控制82.2.3 加熱器控制82.2.4液位控制82.2.5 冷卻風機控制83. PLC的模擬量控制93.1 PLC模擬控制系統(tǒng)概述93

9、.1.1 PLC模擬量控制系統(tǒng)組成93.1.2 PLC模擬量控制系統(tǒng)特點93.1.3 PLC模擬量輸入/輸出方式103.2 A/D 與D/A轉換113.2.1 A/D轉換113.2.2 D/A轉換113.3 西門子PLC中模擬量的處理模式123.3.1 模擬值的精度133.3.2 不同測量范圍下模擬量表達方式144.傳感器的選型154.1 溫度傳感器154.2 壓力傳感器164.3 物位傳感器164.4流量傳感器174.5 電流傳感器175 .PLC控制系統(tǒng)設計205.1 控制系統(tǒng)的輸入輸出變量的分析205.1.1模擬量輸入與輸出205.1.2開關量的輸入輸出205.2 PLC的I/O模塊的選

10、型205.2.1數(shù)字量輸入模塊的選型205.2.2 數(shù)字量輸出模塊選型225.2.3 模擬量輸入模塊選型245.3 CPU的選型265.4 電源的選擇265.5 系統(tǒng)軟件設計265.5.1 程序設計前準備265.5.2 程序設計295.6 人機界面的設計356.總結38參考文獻39致 謝40 重慶大學本科學生在畢業(yè)設計（論文） 1緒論 1 緒 論1.1 課題概述1.1.1 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。原本沒有要求一定要用PLC做系統(tǒng)，曾經用單片機做過一個系統(tǒng)。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。

11、由于PLC可靠性高，抗干擾能力強，能夠用于惡劣的控制環(huán)境且運行靈活性和通用性很高，功能強大，維護也方便，所以決定用PLC來做油站潤滑系統(tǒng)。1.1.2 課題背景及意義 目前國內隨主機配套的油站的配套電控產品大多還停留在過去的傳統(tǒng)控制方式上，與當前的生產管理方式和控制水平不相適應。由于傳統(tǒng)方式控制柜均采用繼電器硬連線實現(xiàn)電控與聯(lián)鎖保護，存在著諸如可靠性低、聯(lián)鎖保護功能少及故障幾率高等許多問題，計算機全線監(jiān)控系統(tǒng)的信號聯(lián)鎖少甚至沒有，影響了現(xiàn)場巡檢、中控現(xiàn)場集中管理且在實際應用中，由于現(xiàn)場情況的變化，使得傳統(tǒng)方式下的控制柜的安裝與調試難度加大，進而影響了產品的加工質量等。尤其對于需要在惡劣外界條件下

12、工作的主機而言，其油站一般都放在主機旁供油，由于粉塵、振動等原因經常使油站的控制和保護功能失靈。由于油站的控制失靈這就容易導致主機的主軸和軸承長期工作在非良好潤滑狀態(tài)下，最后主軸因為長期處于摩擦、磨損以及高溫環(huán)境條件下而壽命縮短甚至直接燒壞電機等。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)。這里我們選用基于PLC的油站潤滑控制系統(tǒng)設計。1.1.3 PLC 的特點介紹。（一）可靠性極高、抗干擾能力很強可靠性是PLC最突出的特點之一。PLC本身平均無故障時間可達幾十萬小時。一年有8765小時，這意味著PLC連續(xù)使用幾十年不會出問題，通常高于35年以上，可稱得上無故障設

13、備。1.PLC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。2）采取了一系列的抗干擾措施，例如PLC的I/O模塊都采用了光電隔離技術。3）采用了冗余技術（可以根據(jù)需要采用多CPU）。4）采用了故障診斷和自動恢復技術。2.抗干擾措施：1）對所有的I/O接口電路都采用光電隔離。2）對所有的輸入端均采用RC濾波，對于高速輸入端還采用了軟件數(shù)字濾波。3）內部采用電磁屏蔽措施，防止輻射干擾。4）采用優(yōu)良的的開關電源，防止由電源回路串入的干擾信號。5）完善的接地。6）采用諸如數(shù)字濾波、指令復執(zhí)、程序回卷、差錯校驗等一系列軟件抗干擾措施。7）PLC采用了周期循環(huán)掃描工作方式

14、。其本身就有利于屏蔽干擾。因為這種方式對輸入輸出操作是集中進行的。在一個循環(huán)周期中，僅有一小段時間進行I/O處理。因為干擾就是在輸入采樣時間內進入PLC內部的，因此PLC在運行時，大部分干擾都被阻擋在PLC之外。（二）編程簡單，使用方便PLC的梯形圖語言與繼電器控制電路很相似，編程直觀、容易掌握，不需要專門的計算機知識，只要具有一定電工知識的人很快能學會。（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。當控制系統(tǒng)要求變動或者改變控制功能時，大部分只需要修改程序即可滿足要求，故靈活性好。 圖1.1 PLC簡單結構（四）設計、安裝容易、維護工作量小

15、如上圖所示我們只需要編程設置內部的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。 （五）體積小、功耗低、便于機電一體化 由于體積小，PLC很容易嵌入機械設備內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想設備。 （六）聯(lián)網方便，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”。1.1.4 PLC的選型生產PLC的廠家有很多，比較知名的有西門子、斯耐德、ABB、三菱，歐姆龍等，國內也有很多生產廠家，例如和利時、浙大中控、智達等?？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

16、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的應用經歷得知西門子系列產品的性能不錯，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?？紤]到日后維護方便、系統(tǒng)的規(guī)模這里選擇了西門子模塊化的S7-300系列PLC。1.2 西門子S7-300 PLC的組成 1.2.1 S7-300簡介 S7-300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。S7300的每個CPU都有個編程用的RS-48

17、5接口，使用西門子的MPI通訊協(xié)議。有的CPU 還帶有集成的現(xiàn)場總線PROFIBUSDP接口或者PtP串行通信接口。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動抗沖擊能力和很強的耐污染性。通過系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能塊的調用，用戶可以使用集成在操作系統(tǒng)內的程序，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。S7-300使用STEP7作為編程軟件，功能非常強大，可以使用多種編程語言，有的編程語言還可以互相轉換。利用STEP7來為所有的模塊和網絡設置參數(shù)。S7-300已經將HMI服務集成到操作系統(tǒng)內，大大減少人機對話的編程要求。S7-300按照指定的刷新速度自動地將數(shù)據(jù)

18、傳送給SIMATIC人機界面。1.2.2 硬件組成 S7-300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結構。一臺S7-300 PLC可由以下部分組成：導軌、電源模塊（PS）、CPU模塊、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）、接口模塊（IM）、通信處理器（CP）。其中電源模塊、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通訊模塊都安裝在導軌上。 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。余下的位置可以任意安裝信號模塊、功能模塊和通信模塊。PLC還有一些輔助模塊，例如占位模塊、仿真模塊等。S7-300用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。背板總線集

19、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。安裝時，先將總線連接器插在CPU模塊的背后并固定在導軌上，然后依次裝入各個模塊。S7-300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。 圖1.2 S7-300 PLC硬件結構1.2.3 S7-300模塊簡介 1.電源模塊（PS）S7-300有多種電源模塊供選擇，其中PS307普通型電源模塊，輸入電壓為交流120V、230V,輸出電壓為直流24V，適合應用于大多數(shù)場合。 根據(jù)輸出電流的不同，PS307有三種電源模塊：2

20、A、5A、10A，它們的工作原理和接線端子完全一樣。一個實際的PLC系統(tǒng)，在確定所有的模塊后，要選擇合適的電源模塊。所選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。2. CPU模塊S7-300 PLC的CPU型號有CPU312 IFM、CPU 314、CPU314 IFM、CPU315、CPU315-2DP、CPU 314C-2DP、CPU 314C-PtP等多種型號，其中IFM代表該CPU模塊上集成有數(shù)字量I/O接口、模擬量I/0接口和特殊功能，-2DP表示該CPU模塊都有第二通信接口，C代表緊湊型CPU，緊湊型CPU和標

21、準CPU主要區(qū)別是CPU模塊本身帶有數(shù)量不等的數(shù)字I/O點和模擬I/O通道，集成高速計數(shù)輸入、高速脈沖輸出等功能。如上圖所示CPU上有各種功能開關以及指示燈，還有MPI，DP網絡接口等。 圖1.3 S7-300 CPU面板圖 3接口模塊（IM）接口模塊用于S7-300 PLC的中央機架到擴展機架的連接，S7-300有三種規(guī)格的接口模塊，即IM360、IM361、IM365。其中IM365模塊專用于S7-300 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。對于IM360和IM361模塊必須配合使用，其中IM360用于發(fā)送數(shù)據(jù)，IM361用于接收數(shù)據(jù)。4.信號模塊

22、（SM）S7-300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。1）數(shù)字量輸入模塊SM321 數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場的數(shù)字信號電平轉換成PLC內部信號電平，經過光隔離和濾波后，送到輸入緩沖區(qū)等待CPU采樣，采樣后信號狀態(tài)經過背板總線進入輸入映像區(qū)。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。2）數(shù)字量輸出模塊SM322 數(shù)字量輸出模塊將S7-300內部信號電平轉換成現(xiàn)場外部信號電平，可直接驅動電磁閥線圈、接觸器線圈、微型電動機、指示燈等。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）、

23、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。3）數(shù)字量輸入/輸出模塊 SM323數(shù)字量輸入/輸出模塊在一塊模塊上同時具有數(shù)字量輸入點和輸出點。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。4）模擬量輸入模塊SM331可將控制過程中的模擬信號轉換為PLC內部處理用的數(shù)字信號，目前有8種規(guī)格，常用模塊規(guī)格有AI816位、AI812位、AI8RTD位、AI8TC位、AI1212位等。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。所有模塊均內部設有

24、光電隔離電路。5）模擬量輸出模塊SM332SM332用于將S7-300 PLC的數(shù)字量信號轉換成系統(tǒng)所需要的模擬量信號，控制模擬量調節(jié)器或執(zhí)行機構。目前有4種規(guī)格的模塊，AO812bit、AO416bit、AO412bit、AO212bit。均采用了光電隔離技術。6）模擬量輸入/輸出模塊該模塊具有SM334和SM335兩個子系列。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。5.功能模塊（FM）S7-300 PLC有大量的功能模塊。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。用戶也可以大量減少編程工作量。例如閉

25、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。462. 油站的概述2.1.油站的基本結構組成前面緒論中我們已經說明了油站的基本功能，在這里介紹下該油站的主體結構。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。其具體構成圖如下所示： 圖2.1 潤滑油站系統(tǒng)圖2.2 油站的基本工作原理及流程 2.2.1 低高壓泵系統(tǒng)由圖2.1潤滑油站系統(tǒng)圖中我們知道該油站由高低壓泵站，其工作原理為在主機啟動前先啟動低壓泵，當?shù)蛪罕眠\行穩(wěn)定后再啟動高壓泵。當高壓泵提供的壓力油

26、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，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。待主機完全停穩(wěn)后，手動停止高壓泵。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。此時如果系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降到第二壓力調定的最低壓力時，報警器將發(fā)出壓力過低事故訊號。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。 這是最基礎的數(shù)據(jù)，公司油站的壓力設定在0.

27、150.25MP之間。2) 壓力下限。即備用泵投入運行時的壓力值，這里設定為工作壓力（5070）%。3）壓力下極限值。即系統(tǒng)因為某些原因使壓力下降到必須向運行系統(tǒng)發(fā)送緊急停機信號時的壓力值。這里設定為0.05MP。2.2.2 過濾器控制濾油器采用雙筒網式磁性過濾器，一筒工作，另一筒備用，當過濾器壓差達到0.1MPa時，則啟用備用過濾器，取出堵塞過濾器進行清洗。2.2.3 加熱器控制油箱中設有電加熱器。當油箱中的溫度低于某個設定值時，則自動啟動加熱器進行加熱，當溫度高于某個設定值時則停止加熱。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，形

28、成不易清除的結塊；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。因此，這里設定當油箱溫度低于20時，啟動加熱器，當溫度到達了40時則停止加熱。當溫度高于50時則啟動報警。2.2.4液位控制油箱中裝有干簧式浮球液位傳感器，當液位低于設定的警戒線時，就會發(fā)出訊號，啟動報警，提示油箱液位過低，需要向油箱中加油。 2.2.5 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。這里我們安裝的冷卻風機為2個，都具有雙速調節(jié)功能。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

29、、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。 3. PLC的模擬量控制3.1 PLC模擬控制系統(tǒng)概述 3.1.1 PLC模擬量控制系統(tǒng)組成 PLC是基于計算機技術發(fā)展而產生的數(shù)字控制型產品。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。但其內部的存儲單元是一個多位開關量的組合，可以表示為一個多位的二進制數(shù)，稱為數(shù)字量。我們知道可以經過采樣離散化把模擬量轉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。同樣PLC處理的數(shù)字量不能直接送到執(zhí)行器，必須經過轉換變成模

30、擬量后才能控制執(zhí)行器。這種把模擬量轉換成數(shù)字量的電路叫做“模/數(shù)轉換器”簡稱A/D轉換器；把數(shù)字量轉換成模擬量的電路叫做“數(shù)/模轉換器”簡稱D/A轉換器。如圖3.1所示，其實PLC充當?shù)墓δ芟喈斢陂]環(huán)控制框圖中的比較器和控制器的組合。干擾PLCD/A執(zhí)行器被控對象A/D傳感器設定值X被控制值Y 圖3.1 PLC模擬量控制系統(tǒng)組成框圖3.1.2 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。前面也說了，在PLC模擬量控制系統(tǒng)中是通過A/D轉換器來完成轉換功能的。這個過程由兩部分組成：一是

31、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轉換器轉換成相應的二進制數(shù)字量，這個過程叫量化。采樣和量化是所有數(shù)字控制設備處理模擬量所需的過程。采樣和量化使PLC處理模擬量具有以下特點。（1） 經過量化后的數(shù)字量與采樣的模擬量的原值一定存在誤差，而且這個誤差可以通過A/D轉換后的二進制數(shù)進行控制。也就是說，A/D轉換模塊的的位數(shù)決定了轉換的精度，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?？梢哉f，PLC的量化誤差可以控制是PLC模擬量控制的一個優(yōu)點。它可以通過增加A/D轉換的位數(shù)來控制精度。而模擬電路的誤差卻難以控制。（2） 采樣是一個時間上不連續(xù)的控

32、制動作。它受到PLC工作原理的束縛，僅當PLC對I/O點進行刷新時才把采樣值數(shù)字量讀入PLC，把上次采樣值運算處理結果通過D/A模塊作為控制信號傳送給系統(tǒng)。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。只有失真較少才能保證控制的穩(wěn)定性和準確性。（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。一個采樣后的量不能像模擬電路那樣馬上通過電路作用將輸出送到系統(tǒng)，而是要延遲一定時間才能將輸出送至系統(tǒng)。這種延時作用的特點是PLC模擬量控制的不足之處。在響應速度要求非常好的系統(tǒng)中，PLC控制不能夠擔當重任。PL

33、C的響應速度與程序掃描時間關系很大。因此，確定控制算法、設計控制程序和選擇合適的控制參數(shù)就顯得非常重要。（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。綜上所述，PLC模擬量控制的穩(wěn)定性和準確性基本上是可以保證的，能夠滿足大部分模擬量控制系統(tǒng)的要求。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。3.1.3 PLC模擬量輸入/輸出方式（1）PLC控制模擬量輸入方式目前大部分PLC是采用模擬量輸入進行模擬量輸入。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

34、過相應的傳感器和變送器變換為標準的電壓（010V，-1010V等）和電流（020mA,420mA）才能接入模塊通道。模擬量輸入轉換模塊不僅能完成對模擬量的轉換，還可以做多種數(shù)字量的處理，如濾波、求平均值、標定的變換等。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換成頻率可調的脈沖序列送入PLC。這時，輸入脈沖序列的頻率表示所輸入模擬量信號的大小。（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 重慶大學本科學生在畢業(yè)設計（論文） 4傳感器的選型上的

35、執(zhí)行器。而且，模擬量輸出的模擬量信號能連續(xù)地、無波動地變化，其精度也可以通過轉換的二進制數(shù)位數(shù)的多少來控制。同理，模擬量輸出還可以采用占空比可調的脈沖序列信號輸出。3.2 A/D 與D/A轉換 3.2.1 A/D轉換A/D轉換包含三部分：采樣、量化、和編碼。在PLC中，量化和編碼都是同時完成的。采樣是將模擬信號在時間上離散化的過程，量化是將模擬量信號在幅值上離散化的過程，編碼是指將每個量化后的樣值用一定的二進制代碼表示。A/D轉換的原理可分為逐次逼近式、雙積分式、并行式等多種。下面以逐次逼近式轉換為例，說明A/D轉換器的工作原理與性能指標。逐次逼近式AD轉換器與計數(shù)式A/D轉換類似，只是數(shù)字量

36、由“逐次逼近寄存器SAR”產生。SAR使用“對分搜索法”產生數(shù)字量，以8位數(shù)字量為例，SAR首先產生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量Vi的大小，若VoVi，清除最高位，若VoVi,保留最高位。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。在bit6確定后，SAR以對分搜索法確定bit5位，即以低6位的一半yy100000B(y為已確定位) 試探模擬量的大小。重復這一過程，直到最低位bit0被確定，轉換結束。 圖3.2 逐次逼近式A/D轉換示意圖3.2.2 D/A轉換模擬量經過A/D轉換成的數(shù)字量在PL

37、C中經過運算處理后輸出，要驅動執(zhí)行器則需要進行D/A轉換。D/A轉換的基本原理是用電阻網絡將數(shù)字量按每位數(shù)碼的權值轉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轉換。這里以T型網絡為例，簡要說明數(shù)模轉換的工作原理。 圖3.3 T型電阻網絡D/A轉換電路原理圖 圖3.3所示為一個4位T型電阻網絡數(shù)/模轉換原理圖。電路由R-2R電阻解碼電路、模擬電子開關D0D3和求和運算放大器組成。4位數(shù)字開關由數(shù)字控制器的數(shù)字量控制。 利用疊加原理可以很快求出電流Ir的值。即當D0=1，D1=D2=D3=0時，可以求得 Ir1=Vref3R12121212=Vref3RD024當D

38、3=1,D0=D1=D2時，同理可以求得其電流分量Ir4為Ir4=Vref3RD32當D1=1,D0=D2=D3=0時，Ir2=Vref3RD123當D2=1，D0=D1=D3=0時，Ir3=Vref3RD222將以上結果進行疊加，有Ir=Vref3R(D024+D123+D222+D32)若取Rf=3R,運算放大器的輸出電壓V0=Vref(D024+D123+D222+D32)式中，D0D3為4位數(shù)字開關，其取值只能是1或者0。3.3 西門子PLC中模擬量的處理模式 在西門子PLC中，模擬量首先通過傳感器轉換成電流或者電壓信號，由于S7-300 PLC的模擬量輸入模塊只能處理標準的例如040

39、mA的電流、010V的電壓和電阻值。因此還需要通過變送器將傳感器信號轉換成標準的PLC模擬量模塊能夠處理的電流或者電壓信號。經過MR濾波器濾波后送入A/D轉換器，將所得的數(shù)字量結果送入PLC的外設PI存儲區(qū)中，供PLC運算處理。進過PLC處理后的結果再輸出到外設PQ存儲區(qū)中，經過D/A轉換成模擬量后送到執(zhí)行器控制外部設備運行，其流程圖如圖5.6所示。圖3.4 Siemens PLC模擬量處理流程 3.3.1 模擬值的精度 CPU以二進制格式來處理模擬值。數(shù)字化模擬值適用于相同標稱范圍的輸入和輸出值。模擬值均為二進制補碼形式的實數(shù)，符號始終設在Bit15。模擬值可能的精度如表3.1所示。表中以符

40、號位對齊，未用的地位則用“0”來填補，表中用“*”來表示未用的位。表3.1 模擬值可能精度3.3.2 不同測量范圍下模擬量表達方式 表3.2如表3.2所示，在額定范圍內，傳感器送到PLC中的模擬信號在PLC中經過A/D轉換后的數(shù)字量值如果是單極性的話則在027648范圍內，如果是雙極性的話則在-2764827648。另外我們可以看出對于Pt100鉑熱電阻其轉換后的值即為工程量的10倍。對于其它的模擬量則可以通過這個線性比例和工程量值進行換算。 4.傳感器的選型4.1 溫度傳感器 通過前面油站的分析可知，我們所測量的幾個溫度的范圍為不超過100，其它的性能方面對傳感器沒有特殊的要求，因此這里我們

41、選擇的是最常用的Pt100鉑熱電阻，100表示在溫度為0時，其歐姆值為100。RTD具有較高的精度，其溫度工作范圍為可從-200+850，它們還有較好的穩(wěn)定性，利用適當?shù)臄?shù)據(jù)處理設備就可以傳輸、顯示和并記錄其溫度輸出。這些特性符合我們的設計要求。熱敏電阻的阻值和溫度成正比的關系，設計人員只需將已知電流流過該電阻，就可以得到對應的電壓值，從而可以利用歐姆定律得出此時的電阻值R，再根據(jù)Pt100的溫度阻值分度表就可以得出所測溫度。Pt100的部分溫度分度表如下所示：溫度 0123456789電阻值（）-40-30-20-10084.2788.2292.1696.09100.0083.8787.83

42、91.7795.6999.6183.4887.4391.3795.3099.2283.0887.0490.9894.9198.8382.6986.6490.5994.5298.4482.2986.2590.1994.1298.0481.8985.8589.8093.7397.6581.5085.4689.4093.3497.2681.1085.0689.0192.9596.8780.7084.6788.6292.5596.48010203040100.00103.90107.79111.67115.54100.39104.29108.18112.06115.93100.78104.68108.

43、57112.45116.31101.17105.07108.96112.83116.70101.56105.46109.35113.22117.08101.95105.85109.73113.61117.47102.34106.24110.12114.00117.86102.73106.63110.51114.38118.24103.12107.02110.90114.77118.63103.51107.40111.29115.15119.015060708090119.40123.24127.08130.90134.71119.78123.63127.46131.28135.09120.17

44、124.01127.84131.66135.47120.55124.39128.22132.04135.85120.94124.78128.61132.42136.23121.32125.16128.99132.80136.61121.71125.54129.37133.18136.99122.09125.93129.75133.57137.37122.47126.31130.13133.95137.75122.86126.69130.52134.33138.13100110120130140138.51142.29146.07149.83153.58138.88142.67146.44150

45、.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 分度表這里為什么不選擇熱電偶作溫度傳感器，是因為熱電偶用于500以上較高溫度

46、的情況，當溫度低于500時，熱電偶測溫就不很準確。這是因為低溫時熱電偶輸出熱電勢很小，極易受到干擾，而且在低溫時，參比端溫度不易得到完全補償，相對誤差就很突出。4.2 壓力傳感器由于測量的是潤滑油的壓力，該介質是易燃物質，而且供油管道比較狹窄，要求傳感器體積小。通過調查知光導纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器相比其絕緣好，耐腐蝕，無電火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中檢測壓力、液位流量等信號；而且靈敏度高，體積小，可撓性好，可以插入狹窄的空間中進行測量，根據(jù)其以上特性可以判斷其滿足我們的測量要求 ，因此選擇光導纖維壓力傳感器作為系統(tǒng)的壓力傳感器。壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)的重要組成部分，當被測壓力作

47、用于膜片杯時，膜片發(fā)生位移，從而改變光導纖維于膜片間的距離，使光導纖維接收到反射光量變化。光量由光電元件接收器接收，并轉換成電量，經過放大器放大后，送到PLC的模擬量輸入模塊，供PLC 分析處理用。根據(jù)具體控制情況，該處壓力傳感器量程選用01MPa，其信號輸出為420mA的電流，其標準供電電源為DC 24V。4.3 物位傳感器 在該項目中要檢測油箱的最低液位，即油箱的液位低于設定值時需報警提示，發(fā)出液壓信號供PLC處理。即只需要進行液面控制，毋須對液位的變化進行連續(xù)檢測?；谶@種檢測要求，我們選擇了干簧管式浮球液位傳感器。干簧管是干式舌簧管的簡稱，又叫磁簧管。它是一種有觸點的無源電子開關元件，

48、具有結構簡單、體積小便于控制等優(yōu)點。其外殼一般是一根密封的玻璃管，管中裝有兩個鐵質的彈性簧片電板，還灌有一種惰性氣體。平時，玻璃管中的兩個有特殊材料制成的簧片是分開的。當有磁性物質靠近玻璃管時，在磁場磁力線的作用下，管內的兩個簧片被磁化而相互吸引接觸，簧片就會吸和在一起，使節(jié)點所接的電路接通。外磁力消失后，簧片在自身的彈力作用下分開，進而斷開電路。因此，作為一種利用磁場信號來控制的線路開關器件，干簧管可以作為傳感器用于計數(shù)、限位等。對于浮球液位開關，是在密封的非磁性金屬或塑膠管內根據(jù)需要設置一點或多點干簧開關，再將中空而內部有環(huán)形永久磁鐵的浮球固定在桿徑內干簧管開關相關位置上，使浮球在一定范圍

49、內上下浮動，利用浮球內的磁鐵去吸引干簧開關的閉合，產生開關動作，從而達到液位控制的目的。4.4流量傳感器控制系統(tǒng)要求測量出油口管道的油液流量，流量測量過程中并沒有特殊的要求，只要能置于油液中進行測量，體積大小符合要求，反應靈敏就行。因此在這里我們選擇了常用的一種流量傳感器即渦輪流量計。渦輪流量計類似于葉輪式水表，在管道中安裝一個可以自由轉動的葉輪，流體流經葉輪，使葉輪旋轉，流量越大，流速越高，則動力越大，葉輪轉速越高。渦輪流量計具有安裝方便、精度高、反應快、刻度線性和量程寬等特點，信號易遠傳，且便于數(shù)字顯示，可直接與計算機配合進行流量計算和控制。由于葉輪的葉片具有一定的角度，流體的沖力使葉片具

50、有轉動力矩，克服摩擦力據(jù)和流體阻力之后葉片旋轉，在力矩平衡后轉速穩(wěn)定，在一定條件下，轉速和流速成正比。由于葉片具有導磁性，它處于信號檢測器的磁場中，旋轉的葉片切割磁場線，周期性地改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應出電脈沖信號，此信號經過放大器的放大整形，形成具有一定幅值的、連續(xù)的矩形脈沖波。 此處我們選擇的渦輪流量計的量程比為1：10，其輸出為420mA的脈沖信號。外部供電電源為24V DC。4.5 電流傳感器此處需要的測量電流為主機電機的互感電流，電流傳感器種類比較多，這里我們選用的是霍爾電流傳感器，接下來就介紹下開環(huán)和閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理。以下以西安新敏電子科技公司的產品進行舉例說

51、明。1）直放式（開環(huán)）霍爾電流傳感器 圖4.1 開環(huán)霍爾電流傳感器電路原理如圖4.1所示，當原邊電流IP流過一根長導線時，在導線周圍將產生一磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，產生的磁場聚集在磁環(huán)內，通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件進行測量并放大輸出，其輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。 2）磁平衡電流（閉環(huán)）傳感器磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產生的磁場通過一個次級線圈電流所產生的磁場進行補償，其補償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。 具體工作過程為：當主回路有一電流通過時，在導線上產生的磁場被磁環(huán)聚集并感應到霍爾器件上，

52、所產生的信號輸出用于驅動功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產生磁場，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數(shù)相乘所產生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時可以通過Is來測試Ip。當Ip變化時，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復上述過程重新達到平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經功率放大后，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1s，這是一個動態(tài)平衡的過程。因此，從

53、宏觀上看，次級的補償電流安匝數(shù)在任何時間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等。 圖4.2 磁平衡式霍爾電流傳感器電路原理由于閉環(huán)式霍爾電流傳感器采用了磁平衡原理其響應速度相對來說比較快且精度較高。且從其參數(shù)表可以看出一般閉環(huán)霍爾傳感器用于測量較小的電流而開環(huán)式則用于測量大電流。根據(jù)來自公司的指標，主電機電流經過電流互感器得來的互感電流不超過10A，因此綜合考慮這里選擇了閉環(huán)式的霍爾電流傳感器。如下圖所示是該公司一些產品的參數(shù)表。 圖4.3 磁平衡式霍爾電流傳感器電參數(shù)這里我們根據(jù)實際情況要求選擇了CSM010SY型號的磁平衡霍爾電流傳感器。 5 .PLC控制系統(tǒng)設計5.1 控制系統(tǒng)的輸入輸出變量的分析

54、5.1.1模擬量輸入與輸出由產品設計要求可知該控制系統(tǒng)沒有模擬量輸出，需要控制的模擬量為油箱的溫度、油站出油口溫度、油站回油口溫度、供油壓力、供油流量以及主機的互感電流。由于要實現(xiàn)對以上模擬量的控制首先得通過傳感器和變送器將其實時值送入PLC中進行處理，由此可知模擬量輸入即為以上所列總共6路。由之前傳感器的介紹章節(jié)我們知道，除了溫度傳感器Pt100以外，渦輪流量計、光纖壓力傳感器的輸出均為420mA的電流，電流傳感器的輸出為45%V的電壓。5.1.2開關量的輸入輸出1）開關量輸入開關量輸入有：液壓計信號、堵塞壓力發(fā)訊器信號、油泵電機1的熱繼電器信號、油泵電機2的熱繼電器信號、冷卻電機1的熱繼電

55、器信號、冷卻電機2的熱繼電器信號、調整泵電機啟動信號、電磁閥通斷信號、油泵電機1啟動信號、油泵電機2啟動信號、主機啟動信號、主機關閉信號、星三角啟動信號、油泵電機1停、油泵電機2停、電源開關。 2）開關量輸出開關量輸出量即控制執(zhí)行器的開關量有：加熱器運行、油泵1運行、泵2運行、冷卻電機1高速、冷卻電機1低速、冷卻電機2高速、冷卻電機2低速、主機運行、主機啟動中、主軸上升、主軸下降、報警器、油箱溫度傳感器失效、出油口溫度傳感器失效、回油口溫度傳感器失效、壓力傳感器失效、流量傳感器失效、互感電流傳感器失效、流量低指示燈、過濾器堵塞指示燈、時序錯誤指示、液位低指示、電源指示、主機運行指示。5.2 P

56、LC的I/O模塊的選型由上面的分析可知我們需要的I/O模塊類型有數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊。5.2.1數(shù)字量輸入模塊的選型我們已知數(shù)字量輸入總共有15路，再留20%30%的裕量的話則需要接近20路數(shù)字量輸入接點。由于西門子S7-300系列PLC沒有20路輸入接點的模塊，因此這里選擇32路數(shù)字量輸入接點的模塊。如圖5.1和5.2所示，表中列舉了各個類型數(shù)字量輸入模塊的屬性。根據(jù)現(xiàn)場的需求以及經濟的角度我們選擇數(shù)字量輸入模塊為SM 321 DI32DC24 V 型號，其訂貨號為6ES7-321-1BL00-0AA0。它的接線外觀圖如圖5.3所示。具體的地址分配如下：I0.0 電

57、源開關、I0.1 堵塞壓力發(fā)訊器信號、I0.2 泵1熱繼電器信號、I0.3 泵2熱繼電器信號、I0.4 冷卻電機1熱繼電器信號、I0.5 冷卻電機2熱繼電器信號、I0.6 調整泵電機啟動信號、I0.7 泵1啟動、I1.0 泵1停止、I1.1 油泵電機2啟動、I1.2 油泵電機2停止、I1.3 主軸電機啟動、I1.4 主軸電機停止、I1.5 電磁閥啟動、I1.6 星三角時序錯誤、I1.7 液壓計信號。 圖5.1 數(shù)字量輸入模塊圖5.2 數(shù)字量輸入模塊（續(xù)） 圖5.3 SM321 DI32DC24V （-1BL00-）接線圖 5.2.2 數(shù)字量輸出模塊選型我們已經知道了數(shù)字量輸出總共有24路，再考

58、慮到留有的裕量，所以選擇具有32路通道的數(shù)字量輸出模塊。由于驅動的是直接接觸器和電磁閥和指示燈，因此近一步確定了選用晶體管輸出。選用晶體管輸出還可以增加系統(tǒng)的反映時間。故數(shù)字量輸出模塊型號選定為：SM322 DO3224V DC0.5A，訂貨號為6ES7 322-1BL00-0AA0。其內部的接線圖見圖5.4。數(shù)字量輸出模塊的地址分配如下：Q0.0 加熱器運行、Q0.1 泵1線圈、Q0.2 泵2線圈、Q0.3 冷卻電機1低速、Q0.4 冷卻電機1高速、Q0.5 冷卻電機2低速、Q0.6 冷卻電機2高速、Q0.7 主機運行、Q1.0 主機啟動中、Q1.1 主軸上升、Q1.2 主軸下降、Q1.3 報警、Q1.4 壓力傳感器失效、Q1.5 油箱溫度傳感器失效、Q1.6 流量傳感器失效、Q1.7 液位指示燈、Q2.0 電源指示燈、Q2.1 主機運行指示燈、Q2.2 回油口溫度傳感器失效、Q2.3 流量低指示、Q2.4 出油口溫度傳感器失效、Q 2.5 電流傳感器失效、Q2.6 時序錯誤指示燈、Q2.7 過濾器堵塞指示。圖5.4 DO3224V DC/0.5A 接線框圖 圖5.5 DO32