选矿厂矿石破碎s7-300控制系统硬件设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

选矿厂矿石破碎s7-300控制系统硬件设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

组成，该工业控制器可满足中小型选矿厂的控制要求；三级系统为现场控制，由现场的具体控制设备构成，采 用电气控制箱、控制柜，完成现场的人工控制过程。 此过程主要在设备检修及调试过程中使用，亦可作为紧急状态下的控制。 [5] 一级系统 (上位机 )和二级系统 (下位机 )通过 MPI 总线联系通信； [6]二级和三级系统则通过数据电缆通信；这样三个系统构成了整个生产管理及控制体系。 一级系统完成数据集中管理任务。 二级系统用于采集和处理各种信号 ,并输入上位机 ,完成独立系统的分散控制功能。 [7]系统的硬件组成为： Ⅰ、上位机 (工业控制计算机 ):包括 1 台工业控制机 ,显示器 ,UPS 电源 ,打印机和操作键盘等是系统的中枢 ,它接收下位机的信 号 ,除显示打印存储外 ,还按照程序要求回馈下位机运行方式和数据。 Ⅱ、下位机 (PLC):采用抵抗工业恶劣环境能力强且可靠性高的 S7— 300 PLC河北联合大学轻工学院 8 实现。 系统总体布局图 图 3 系统总体布局图 现场控制与远程中央控制 现场设备控制柜设有启停等操作按钮，为继电接触器控制系统；远程中控室设置操作台和上位机，操作台上分别设置每个设备的启停等操作按钮，这些操作按钮连接 PLC输入端，由按钮通过 PLC 控制设备运行；远程中控室设置操作台设有“现场”和“手动”和“自动”切换开关，当开关放在“现场”位置时远程 中央控制失效，由操作员现场本地操作控制；当开关放在“手动”位置时，操作员可通过中控室操作台人工操作控制系统运行。 当开关放在“自动”位置时，操作员可通过中控室上位机组态监控软件 Wincc 操作控制系统。 3 综合自动化破碎系统硬件介 绍及选型 9 3 综合自动化破碎系统硬件介绍及选型 由于可编程序控制器在工业控制领域中所占的核心地位和日趋重要的发展态势。 本章对选矿厂分散控制系统中的可编程控制器进行了详细的介绍，并对可编程控制器 S7300的各个模块进行了细致的选型及设计。 S7300 PLC 及 PLC 选型要点 S7300 简介 西门子 S7300可编程序控制器是模块化小型 PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求。 其主要的组成部分有 :导轨、中央处理单元模板、接口模板 (IM)、信号模板 (SM)、功能模板 (FM)等。 S7300系统组成如图 4所示。 图 4 基于 PLC S7300的组态 PLC 的选型要点 在系统设计时，在确定控制方案以后，下一步工作就是 PLC设计选型。 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。 PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形 成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用 PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统， PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。 熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC和设计相应的控制系统。 （ 1）输入输出（ I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～ 20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。 实际订货时，还需根据制造厂商 PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整。 （ 2）存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。 CPUPS SM SM SM SM SMSMSM SM河北联合大学轻工学院 10 设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此大体上都是按数字量 I/O点数的 10～15倍，加上模拟 I/O点数的 100倍，以此数为内存的总字数（ 16位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。 （ 3）机型的选择 ① PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU字长分为 1位、 4位、 8位、 16位、 32位、 64位等。 从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型 PLC的 I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC提供多种 I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 ②输入输出模块的选择 输入输出 模块的选择应考虑与应用要求的统一。 例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。 对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。 输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。 可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。 考虑是否需要扩展机架或远程 I/O机架等。 ③电源的选择 PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC的供电电源应设计选用 220VAC电源，与国内电网电压一致。 重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。 如果 PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。 为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 ④存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求 PLC的存储器容量，按 256个 I/O点至少选 8K存储器选择。 需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 PLC 及模块选型 鉴于以上要点，由于该选矿系统工艺过程比较固定，不易选用整体式结构的3 综合自动化破碎系统硬件介 绍及选型 11 PLC，易选用模块式结构的 PLC；系统以开关量控制为主、带少量数字量控制，对控制速度没有太多要求，带 A/D转换、 D/A转换、加减运算、数据传送功能就能满足要求；此外系统控制功能要求要实现 PID运算、闭环控制、通信联网等。 因此，S7300系列可编程控制器能满足性能要求。 本系统设计选用西门子 (Siemens)公司的 SIMATIC S7300模块化 PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。 [8] PLC 的中央处理器 CPU 的选型 根据被控对象的 I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，选用 SIEMENS公司的 S7300系列 PLC的 CPU为 3152DP。 [9]CPU315－ 2DP是唯一带现场总线（ PROFIBUS） SINEC L2DP接口的 CPU模板，具有 48KB的 RAM, 80KB的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储乳容量最大到 512KB。 最大可扩展 1024点数字量或 128个模拟量。 3152DP具有中、大规模的程序存储容量和数据结构，如果需要，可以供 SIMATIC功能工具使用，它对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力，可用于大规模的 I/O配置，建立分布式 I/O结构。 根据输入输出点数的要求选择 CPU315（ 6ES73152AF000AB0）作为本次设计的中央处理器。 [10] 图 5 CPU315模块面板布置示意图 图 5 CPU315模块面板布置示意图 PLC 数字量输入 /输出模块的选型与线路连接 数字 I/O模块包括用于 SIMATIC S7300的数字输入和输出 ,通过这些模块，可将数字传感器和执行元件与 SIMATIC S7300相连。 由于 3152DP PLC的 CPU本身没有输入输出接口，需要使扩展模块作为系统的 I/O口。 在本系统中我们采用 SM321 以及 SM322来满足系统的要求。 [11] SM321数字量输入模板将现场送来的数字信号电平转换成 S7300内部信号电平，有四种型号模板可供选择，即直流 16点输入，直流 32点输入，交流 8点输入，河北联合大学轻工学院 12 交流 32点输入。 因为破碎阶段统计出 DI=46点，根据统计出的 I/O点数，选择直流 32点和直流 16点输入的 SM321数字量输入模块。 选用的模块为： SM321(6ES7 3211BL000AA0)为 DI 32 24VDC；如下图 6所示。 图 6 SM321数字量输入模块线路连接图 图 6 SM321数字量输入模块线路连接图 SM322数字量输出模板将 S7300内部信号电平转换成所要求的外部信号电平，可直接驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。 破碎阶段统计出 DO=13点，根据统计出的 I/O点数选择 32点继电器输出数字量输出模板。 选用的模块为： SM322(6ES7 3221FL000AA0)为 DO 32 120/230VAC/1A；如下图 7所示。 3 综合自动化破碎系统硬件介 绍及选型 13 图 7 SM322数字量输出模块线路连接图 PLC 的模拟量输入模块的选型与线路连接 SIMATIC S7300的模拟输入用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻器和电阻式温度计。 SM331模拟输入模块将扩展过程中的模拟信号转化为 S7300内部处理用的数字信号。 电压和电流传感器、热电耦、电阻和电阻式温度计均可作为传感器与该模块相连。 在选矿自动化系统中需要采集多种模拟的信 号输送到 PLC中，这就需要用到模拟量的输入模板，模拟量的输入模板为 SM331. 本阶段选用 SM331 AI 8 12位模拟量输入模块。 SM331 AI8 12Bit是 8通道的模拟量输入模块，主要是由 A/D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。 A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。 积分式 A/D转换的积分时间直接影响到 A/D转换时间和 A/D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 :, , 20ms和 100ms。 相 对应的以位表示的精度为 112和 14。 为了抑制工频及谐波干扰，一般选用 20 ms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。 河北联合大学轻工学院 14 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 A/D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 S7300CPU及负载电压之间是光电隔离的。 8路输入模块的连接原理如图 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。 根据需要我们选用 SM 331（ 6ES7 3317KF020AB0）模拟量输入模板作为我们的模拟量输入模板，具体的参数如下： ① SIMATIC S7300的模拟输入 ②用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻器和电阻式温度计 ③ 8输入，高分辨率。 图 8 8路输入模块的连接原理示意图 SM 331（ 6ES7 3317KF020AB0）的接线图如下图 9所示： 3 综合自动化破碎系统硬件介 绍及选型 15 图 9 SM331数字量输出模块线路连接图 模拟量输出模块的选型与线路连接 河北联合大学轻工学院 16 图 10 SM332模拟量输出模块连接示意图 模拟量输出模块 SM332用于连接模拟量执行器 SM332可以输出电压，也可以输出电流。 在输出电压时，。