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1、消防水泵变频调速系统 摘 要随着经济的发展和社会主义现代化的进程的推进，城市规模越来越大，高层建筑越来越多，大工业区不断增加，石油化工产业方兴未艾，豪华商场，宾馆拔地而起，人员和物质财富不断向城市集中，一旦失火，就可能对公共安全造成很大的威胁，所以消防工作越来越受到社会的重视。本论文根据消防供水的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统, 并利用组态软件开发良好的运行管理界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统包含两台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器
2、检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。关键词：消防水泵；变频调速；PLCFire pump frequency conversion speed regulation system AbstractWith the development of economy and the advancement of socialist modernization, the city scale is more and more big, more and more high-rise
3、 buildings, large industrial zone increasing, petroleum chemical industry is flourishing, luxury shopping malls, hotels, personnel and material wealth to urban concentration, once the fire, may poses a great threat to public safety, so the fire control work is becoming more and more brought to the a
4、ttention of the society. According to the requirements of the fire water supply, this paper designed a set of variable frequency speed regulation constant pressure water supply system based on PLC, and by using configuration software to develop good operation management interface. Variable frequency
5、 constant pressure water supply system by programmable controller, inverter, pump, pressure sensors, industrial control, etc. This system includes two water pump motors, their operation mode of frequency conversion cycle. For three-phase pump motor frequency control of motor speed is realized by usi
6、ng frequency converter, switching operation based on the principle of inception to stop. Current hydraulic pressure sensor signal, into PLC PID arithmetic is after compared with the set value, so as to control the output voltage and frequency of the inverter, and change the water pump motor speed to
7、 change water supply, eventually maintain stability of the pipe network pressure near the set point. Key words: fire pump; Frequency control of motor speed; PLC目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1消防的重要性11.2 消防水泵变频调速系统的介绍11.3消防泵变频调速控制效果及经济效益分析21.4变频调速系统的发展21.5变频调速系统的意义31.6本章小结4第二章 工艺介绍与方案设计原理52.1 消防水泵变频
8、调速系统工艺选择52.2消防水泵变频调速系统工艺要求52.3 总体方案设计62.3.1变频调速恒压供水系统62.3.2变频器睡眠功能的实现82.3.3消防水泵的自动巡检82.4本章小结10第三章 硬件设计113.1 PLC的选型113.1.1PLC的简介113.1.2 S7-300系列PLC及其扩展模块的选型143.2电动机的选型203.3变频器的选型203.4压力传感器的选型233.5自动巡检装置的选型243.6触摸屏的选型243.7继电器的选型253.8接触器的选型263.9空气断路器的选择273.10 本章小结28第四章 软件设计294.1 PLC程序的设计294.2 控制系统程序设计3
9、04.3本章小结33第五章 结束语34参考文献35附录A36附录B39致 谢41第一章 绪论1.1消防的重要性 消防工作是国民经济和社会发展的重要组成部分，是发展社会主义市场经济不可缺少的保障条件。消防工作直接关系人民生命财产的安全和社会的稳定。近年来我国发生的一些重特大火灾，一把火就造成几十人甚至数百人的伤亡，造成百万、上千万甚至几亿元的经济损失，这不仅给许多家庭带来了不幸，而且还使大量的的社会财富化为灰烬。不仅如此，而且事故的善后处理往往也牵扯了政府很多精力，严重影响了经济建设的发展和社会的稳定，有些火灾事故还成为国内为舆论的焦点，造成了不良的社会影响，教训是十分沉重和深刻的。因此做好消防
10、工作、预防和减少火灾事故特别是群死群伤的恶性火灾事故发生，具有十分重要的意义。消防工作是一项社会性很强的工作，它涉及到社会的各个领域，于各个行业和人们的生活都有着十分密切的关系。随着社会的发展，仅就用火、用电、用气的广泛而言，消防安全问题所涉及的范围几乎无处不在。全社会每个行业、每个部门、每个单位、甚至每个家庭，都有随时预防火灾、确保消防安全的问题。总结以往的火灾教训，绝大多数火灾都是由于一些领导、管理者和职工群众思想麻痹、行为放纵、不懂消防规章或者有章不循、管理不严、明知故犯、冒险工作造成的。火灾发生后，有不少人缺乏起码的消防科学知识，遇到火情束手无策，不知如何报警，甚至不会逃生自救，导致严
11、重后果。“隐患险于明火、防患胜于救灾、责任重于泰山”的科学论断，用辩证唯物主义观点，科学的阐述了消防安全工作的重要意义，深刻地揭示了消防安全工作的内在规律，突出强调火灾预防是做好消防安全工作的关键性问题，对指导和加强消防安全工作具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。因此，全社会、各部门、各行业、各单位以及每个社会成员都要高度重视并认真做好消防工作，认真学习并掌握基本的消防安全知识，共同维护公共消防安全。只有这样，才能从根本上提高一个城市、一个地区乃至全社会预防和抗御火灾的整体能力。1.2 消防水泵变频调速系统的介绍近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技
12、术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。1.3消防泵变频调速控制效果及经济效益分析采用变频调速控制的消防泵恒压供水控制系统, 克服了原系统的缺点, 主要优点如下:(1) 手动、自动可以来回切换, 确保供水系统的安全
13、使用。系统自动化程度高, 安全可靠, 避免了由于人为因素而造成的失误。PLC 的定期巡检功能消除了泵体本身的故障对系统的影响, 更增加了系统的可靠性。(2) PLC 和变频器的控制下始终维持管道内的压力恒定, 有效地保证了火情发生时的及时供水, 并且由于在大部分时间内电动机是在低于额定转速的状态下运行, 故节能降耗效果显著。(3) 由于电机实现了软启动, 延长了电机的寿命, 同时由于无冲击电流, 因此减少了对管网的冲击, 也延长了管网的寿命。使用变频器后, 电机运行温度明显下降, 同时减少了机械磨损, 机械检修工作量也大大减少。( 4) 节能效果显著。电机功率明显下降43% ( 原工频电源有功
14、功率为64. 9kW, 变频电源有功功率为36. 7kW) , 电源频率下降18%, 流量减少12%, 功率因数提高0. 03, 转速下降15%。1.4变频调速系统的发展20 世纪60 年代以后, 半导体功率器件从普通晶闸管( SCR) 、门极可关断晶闸管( GTO) 、双极型晶体管( BJT) 、金属氧化硅场效应管( MOSFET) 、静电感应晶体管( SIT) 、静电感应晶闸管( SITH) 、MOS控制晶体管( MGT ) 、MOS 控制晶闸管( MCT ) 逐步发展到今天的绝缘栅双极型晶体管( IGBT ) 和耐高压绝缘栅双极型晶体管( HV IGBT) 。器件的每一次更新都为调速技术
15、的发展注入了新的活力。电动机的调速从直流发电机电动机组调速、静止晶闸管整流直流调压调速逐步发展到交流感应电动机变频调速, 而且随着控制技术和控制手段的不断提高,变频调速又由变压变频控制的变频调速发展到了矢量控制变频调速, 通过控制交流电动机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化, 提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性, 使得交流电动机变频调速系统的性能超过了直流电动机调压调速系统的性能。为了简化控制系统, 减少设备故障率, 在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。在一些对动静态特性要求不太高的应用中, 无速度传感器的矢量控制变频调速已完全可以和有速度传感器的矢量控
16、制变频调速相媲美。矢量控制对交流电机调速具有划时代的意义。交流电机采用变频调速技术是当代电机调速的潮流, 它以体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点超过以往的任何调速方式, 深受钢铁、有色、石油、化工、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、航海、电力机车、自来水、养殖等行业的欢迎。随着电力电子技术和数字控制技术的发展, 交流电机变频调速系统的实际应用比重会逐步增高, 直到最后完全取代直流调速和其它调速方式。1.5变频调速系统的意义由于变频调速系统以上特点, 使交流调速的性能全面优于其它调速方式。1990 年以后国内企业已开始使用变频调
17、速系统。变频调速的重要作用主要体现在:（1） 节省电能。茂名石化公司从1990 年先后在糖醛、蒸溜、催化、酮苯等20 多条生产线使用变频装置161 台, 1990 年10 月至1992 年2 月对其中30 台泵进行测试, 在同样工艺条件下, 采用调节阀控制的电能损耗为999. 9 kW, 采用变频控制的电耗为396.7kW, 节电603. 2kW, 节电率60. 3% 。1994 年以后,该厂又用了6kV 大容量变频装置, 节电率达到4070% 。我国现有风机、泵和空气压缩机约1500 万台, 耗电量占全国总发电量40 50% 。风机平均运行效率50% , 泵平均运行效率41%, 如采用变频调
18、速将电能利用率提高20 30% , 年节电500 亿kWh以上, 节能潜力巨大。（2） 提高产量和质量。承德钢铁公司炼钢厂三套20 吨转炉倾动和氧枪升降采用交流变频控制取代直流控制, 1994 年5 月投产至今年增产钢1. 5 万吨。株洲冶炼厂锌浸出渣挥发回转窑1991 年6 月完成变频调速改造, 每年超产117. 82 万元。宁夏中卫造纸厂1760/ 330 纸机原采用晶闸管直流电动机调速方式, 只能生产60 100g 铜板原纸和60 70g 的静电复印纸, 采用交流变频调速改造后, 还能生产40 50g 无碳复写原纸, 年产量由原来的6000 吨提高至10000 吨以上。由此可见, 变频调
19、速为企业带来的经济效益十分明显。（3）提高设备的可靠性, 减轻工人的劳动强度, 减少故障停机和检修维护时间, 延长易损件的使用寿命, 降低原材料及备品备件的消耗。1.6本章小结本章首先介绍了消防的重要性，又结合消防水泵的变频调速介绍了变频调速系统的控制效果及经济效益，发展趋势及重要意义。第二章 工艺介绍与方案设计原理2.1 消防水泵变频调速系统工艺选择 目前交流异步电机的节电措施是采用不同方式的调速节能, 一般较为常用的调速方法有液力耦合器调速、串级调速、电磁调速和变频调速四种。相比之下变频调速节能效果较显著, 近年来应用较为广泛, 尤其适用于风机、水泵类负载。变频调速基本原理是根据交流电机工
20、作原理中的转速关系: n= 60f ( 1-s ) /p , 从公式中可以看出: 均匀改变电动机定子绕组的电源频率f , 就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢, 轴功率就相应减少, 电动机输入功率也随之减少, 这就是水泵变频调速的节能作用。为了保持调速时电动机的最大转矩不变, 需要维持电动机的磁通恒定, 因此, 要求定子绕组电压也要作相应的调节, 变频调速器因此具有调频、调压的两种功能, 变频调速器就是基于此原理实现调速的。原消防泵供水系统由两台75kw电动机组成, 系统完全由手动控制、人工管理, 当火情发生时消防泵不能自动投入供水, 自动化程度低, 可靠性差, 另外, 人为因素的
21、失误也会造成供水延误, 无法满足实际消防用水的要求。消防泵电机为直接启动, 对所在电网、机械和电气设备冲击大, 并且严重影响电动机的使用寿命。消防泵电机一经启动即为全速运行, 不能根据供水要求进行调速, 无法满足节能降耗的要求。为此, 我们提出设计安装一套变频调速系统, 以改善现有状况，实现消防泵恒压供水控制。2.2消防水泵变频调速系统工艺要求消防供水设备一般有两台供水泵，向建筑物的消火栓或水幕供水，控制要求如下：没有火情时，靠变频器控制使管网内水压保持在一较低值，保证网内充满水，有火情时，靠变频器控制使管网内水压保持在一较高值，保证管网内水压足够高。变频器要有睡眠功能，即用水量很小，管网压力
22、满足要求时，变频器频率自动降为0，管网压力下降到一定值时，变频器自动运行，维持管网压力。控制柜对水泵可实现定期巡检，即每隔数天每台水泵自动运行1分钟，巡检时既可无压巡检（以最低频率20到30Hz）也可带压巡检（按设定压力巡检，管路装有电磁阀，巡检时电磁阀打开）。控制柜设有巡检试验按钮，在按下试验按钮后，立即进入巡检状态。变频器故障或者报警时，能自动切换到另一台水泵工频运行；水泵工频运行时，采用自耦变压器降压启动；变频柜可接受来自消防中心的控制信号，同时可把运行信号返回到消防中心。变频柜可进行异地控制，控制电压在36V以下的安全电压。2.3 总体方案设计2.3.1变频调速恒压供水系统PLC控制变
23、频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.1所示： 管道水泵机组 变频器压力设定值 压力传感器图2.1 变频恒压供水系统闭环控制回路从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入现场管网，其中由两台水泵泵构成（一台备用），变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；一台水泵工作，出现故障时启用另一台。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管
24、网水压信号。管网水压信号反映的是现场供水管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。 (3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运
25、行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本设计中采用前者。变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制。恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号进入变频器，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最
26、终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。变频恒压供水系统控制流程如下:(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。(2) 当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值，使水压回到原来设定的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通
27、过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值，同样使水压回到原来设定的稳定值。(3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件(在下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。 (4) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。2.3.2变频器睡眠功能
28、的实现当没有灾情无需供水时，电机停止转动，变频器也可启用睡眠功能，变频器的频率自动降为0，达到节能。但是控制和监控功能在睡眠期间仍要执行，如果实际值下降到低于唤醒等级时唤醒功能开始，变频器自动运行，维持网管压力。其有关参数设定要求如表1：表1 变频器睡眠功能参数表F5.13睡眠频率F0.13(下限频率) F0.05(设置为0HZ时睡眠功能无效)HZ000.00F5.14睡眠延时1030.0SS030.0SF5.15唤醒值5.010.0%(反馈值相对于满量程的百分比)010.0%2.3.3消防水泵的自动巡检 消防水泵自动巡检的3种方式：消防泵转速的自动巡检方式可分为常速自动巡检方式和低速自动巡检
29、方式,其中低速自动巡检方式中又有软启动器方法和变频方法。通过对消防泵的这两种自动巡检方式的比较和分析,指出了消防泵自动巡检的技术要求,为消防泵自动巡检方式的应用提供了一定的技术依据和保障。消防给水设备是水灭火系统中的一个重要组成部分,而消防泵又是消防给水中的关键设备。在消防给水系统中,消防泵给水的可靠性直接决定了灭火的成功与否。建筑消防给水设备在运行上具有一个普遍的特点,即这些设备平时很少运行,一旦灭火时却需要可靠地投入使用。但是,这些设备由于长期不用,灭火时却不一定能保证设备的正常运行。其中,消防泵也不例外。为加强消防泵给水的可靠性,上海市工程建设标准民用建筑水灭火系统设计规程(DGJ08-
30、94-2001) 在国内首次提出了消防泵的自动巡检问题。该规程规定,超高层建筑、一类高层公共建筑的消防泵宜设定时自动巡检装置。另在修订中的建筑设计防火规范也提出:消防给水设备必须具有自动巡检功能。消防泵的自检即自动巡检,它是在设定的时间周期内自动地启动消防泵,对消防泵的运行进行检查。消防泵自动巡检的目的在于增加消防泵的可靠性,保证消防给水系统整体的可靠。采用消防泵的定时自动巡检装置,有利于及时了解消防泵的实际性能,解决消防泵的锈蚀卡死问题、保持消防泵良好的工况,也有利于消防系统管理的智能化。它对提高消防给水系统的安全可靠性有一定的意义。一、消防泵自动巡检方式1、常速自动巡检方式常速自动巡检方式
31、又称工频自动巡检方式。它是定期将消防泵以额定转速运行一段时间后自动停泵。为保证自动巡检时消防泵运行的压力对系统不造成破坏,必须对消防泵原有的进出水管路进行调整完善。在消防泵从消防水池吸水的方式中,应在出水管上设旁通管。自动巡检时打开旁通管上的电磁阀,消防泵自动巡检运行的出水从旁通管排至消防水池,自动巡检完成后关闭电磁阀,恢复原正常工作状态。在消防泵从市政给水管网吸水的方式中,也应考虑自动巡检运行时的超压。此时,在消防泵的进出水管上设旁通,自动巡检时打开电磁阀,使出水又回到进水管路。运行超压后,从系统的泄压阀排至室外明沟。同时,为防止对市政给水的二次污染,在消防泵的吸水管路上须设置倒流防止器。2
32、、 低速自检方式低速自检方式也是消防泵定期巡检的方式之一。消防泵在自检时是以独特的低速方式运行,它对消防给水管网不必作较大的改动(见图3) 。在低速自检方式中,消防泵的转速较低,其出水压力较小。根据控制方法的不同,可分为软启动器方法和变频方法。二、 软启动器方法它利用软启动器来控制消防泵的自动巡检,不考虑降压启动。在预先设定的周期内,按预先设定的软启动器运行方式进行消防泵的自动巡检。这种运行方式是由软启动器来控制消防泵的启动阶段,即消防泵的定时软启动技术(SSD) 。它时间较短,一般在10 s左右。整个过程运用可编程控制技术( PLC) 来实现,以达到消防泵始终保持良好的准备状态。三、变频方法
33、这种方法是由微机控制器( PCL) 中的巡检周期时钟启动巡检子程序,从变频调速器中输出一个较低的频率去驱动消防泵。通常,控制消防泵的频率所产生的转速在300 r/ min 左右。因其转速远低于消防泵的额定转速,故系统中不会出现较大的增压,消防给水系统可采用原有的管路。在巡检过程中,变频器是从零Hz 开始馈电,消防泵的启动也就较平缓,消防泵无机械冲击,消防泵的转速使叶轮保持转动但不出水的临界状态,不致造成系统管网的超压。消防水泵自动巡检控制设备是消防系统的重要组成部分，消防联动报警系统等种自动消防设备对灾情的判断直至给出报警，最终还是要以启动消防给水设备为根本目的。消防水泵的巡检功能很好的解决了
34、消防泵因长期闲置不用而带来的生锈等原因造成不能启动的难题。消防水泵自动巡检控制柜可采用可编程控制器，变频调速器，应用人机等控制技术实现消防水泵的自动巡检。通过自动巡检，使消防水泵长期保持在可靠的运行状态。火灾信息由消防控制中心发出，当消防控制系统检测到建筑物内发生火灾时，消防控制中心立即发出启动消防泵的接点信号到水泵控制系统PLC，PLC收到信息立即退出目前的任务。启动消防泵，当没有火灾的时候，PLC控制消防泵定期巡检。系统自动运行时，每隔2天每台水泵自动巡检1分钟。巡检时PLC控制变频器以较低的频率逐一的驱动水泵。由于驱动功率较小，节能比较显著。同时由于水泵低速运行，达不到水泵的出水速度，不
35、会对管网压力产生影响。巡检时间到时，PLC巡检程序，控制变频器切换到第一台水泵。然后接触器KM1闭合，将消防泵接到变频器的负载端，KM1闭合以后启动变频器低频运行并开始计时，则消防泵在变频器低频运行，定时时间到，变频器则停止。变频器停止后，分开接触器KM1，控制KM2吸合，将消防泵接到变频器的负载端，KM2闭合以后启动变频器低频运行并开始计时，则消防泵在变频器低频运行，定时时间到，变频器则停止。2.4本章小结本章主要针对消防水泵变频调速系统的工艺方案做了介绍，并对各环节的工作原理做了介绍。第三章 硬件设计 3.1 PLC的选型 3.1.1PLC的简介（一）PLC技术的概念 PLC即可编程控制器
36、（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。（二）PLC技术的发展历史 长期以来，计算机控制和传统PLC控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法，PLC自1969年问世以来，以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域得到迅速推广，成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。但传统的PLC
37、体系结构是封闭的，各个PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统各异，用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，学习特定的编程语言，不利于终端用户功能的扩展。近年来，工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结构更趋于分散化和复杂化，需要更多的用户接口。同时，企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通讯能力，使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息，灵活选择解决方案，配置硬件和软件。此外为了扩大控制系统的功能，许多新型传感器被加装到控制单元上。我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术
38、、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。（三 ）PLC的发展趋势1、功能向增强化和专业化的方向发展，针对不同行业的应用特点，开发出专业化控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如速度、温度、电流、电压等）进行PID控制。4、定时、定位、计数控制PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块，以实现各种需求的定位控制。PLC具有计数控制的功能，
39、它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数控制。 5、顺序（步进）控制在工业控制中，选用PLC实现顺序控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图进行设计，可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。6、网络通信现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。PLC还可与其它智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。PLC与变频器组成联合控
40、制系统，可提高交流电动机的自动化控制水平。7、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。 （四） PLC的功能随着自动化技术、计算机技术及网络通信技术的迅速发展，PLC的功能日益增多。它不仅能实现单机控制，而且能实现多机群控制；不仅能实现逻辑控制，还能实现过程控制、运动控制和数据处理等，其主要功能如下： （1）开关量逻辑控制这是PLC的最基本的功能。PLC具有强大的逻辑运算能力
41、，它提供了与、或、非等各种逻辑指令，可实现继电器触点的串联、并联和串并联等各种连接的开关控制，常用于取代传统的继电器控制系统。使用PLC提供的定时、计数指令，可实现定时、计数功能，其定时值和计数值既可由用户在编程时设定，也可用数字拨码开关来设定，其值可进行在线修改，操作十分灵活方便。 （2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。PLC提供了各种智能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻用模拟量输入模块、热电阻用模拟量输出模块等，通过使用这些模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理；而CPU处理的数字结果
42、，经D/A转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。 （3）闭环过程控制使用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如速度、温度、电流、电压等）进行PID控制。 （4）定时、定位、计数控制PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块，以实现各种需求的定位控制。PLC具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。计数器的计数值
43、可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数控制。 （5）顺序（步进）控制在工业控制中，选用PLC实现顺序控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图进行设计，可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。 （6）网络通信现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。PLC还可与其它智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。PLC与变频器组成联合控制系统，可提高交流电动机的自动化控制水平。 （7）
44、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。 （五） PLC的特点 （1）通用性强、灵活性好、功能齐全PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序，改变控制逻辑，其连线少，
45、体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此，灵活性和扩展性都很好。 （2）可靠性高、抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波。光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。（3）编程简单、使用方便PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程，这种
46、梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简单、直观性强，广大电气人员容易接受。用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。(4)模块化结构、安装简单、调试方便PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计，由机架和电缆将各模块连接起来，由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。调试工作大部分是室内调试，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，可
47、以根据它进行测试、排错和修改。3.1.2 S7-300系列PLC及其扩展模块的选型（一）S7-300系列PLC的概述本设计选择西门子S7-300系列PLC，S7-300适用于灵活度更高和复杂逻辑的情况。它采用的是插槽板卡模块式设计，有完备的模拟量和开关量组合搭配，程序可以直接存在存储卡中，在生产制造工程中应用非常广泛。S7-300 是由各种模块部件所组成，各模块能以各种不同方式组合在一起，可将控制系统根据需要设计成不同的应用，有各种不同性能档次的CPU 可供控制器使用，以满足不同的需求。S7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下： (1) 高速的指令处理。0.10.6 us的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。(1) 人机界面(HMI)。方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。(3) 诊断功能。CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件。(4) 口令保护。多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。（二）S7-300系列PLC的组成S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。其系统构成如图3.1所示。它的主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(P
