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1、综合课程设计报告题目：集散型可编程序控制器调速秤配料系统 学 号：班 级： 姓 名： 指导教师： 计 算 机 与 自 动 控 制 学 院2012年 1 月 2 日目录第一章 总体设计方案3第二章 调速秤配料系统的总体设计52.1系统工作原理及工作过程52.2 系统整体工作框图52.3 系统整体电气连接图6第三章 调速秤配料系统中的PLC硬件选型与设计73.1 PLC的基本知识73.2 S7-300简介93.3 PLC的选型要点113.4 PLC的中央处理器CPU的选型133.5 PLC数字量输入/输出模块的选型与线路连接143.6 PLC的模拟量输入模块的选型与线路连接153.7 模拟量输出模
2、块的选型与线路连接163.8 PS307电源模块容量计算及选型16第四章 调速秤配料系统中的传感器和变频器的设计与选型184.1 传感器184.1.1 传感器的基本知识184.1.2 称重传感器184.1.2 测速传感器24第五章 调速秤监控组态设计26第六章 各环节梯形图设计37参考文献61摘要近年来，随着传感器、电子技术和微机技术的崛起和PLC的发展，配料控制系统在选矿、烧结、水泥制造中得到了广泛的应用。PLC的应用极大地提高了产品的质量和生产效率，在整个配料行业具有广阔的应用前景。配料系统在诸多行业的工业生产过程中占有极其重要的地位，配料工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到以
3、后各生产环节的顺利进行。调速定量给料秤作为固体物料的连续动态给料计量、定量和配料给料控制设备，是集给料输送、秤重计量和定量控制功能为一体, 机电一体化的连续给料动态计量装置。它主要由秤体、秤重和测速传感器、秤重控制器等组成，随着工业生产过程自动化和企业技术管理现代化，在块、粒、粉体物料的定量给料和配料控制系统广泛应用。虽其工作原理与电子皮带秤基本相同，但其结构、配置、应用场合和设计参数有较大区别，速度传感器及称重传感器取代了机械式皮带秤的相应机构，而对速度、重量信号进行放大处理及实现各种运算都可以放在电子仪表中完成。调速秤以其可靠性高、系统响快、控制精度高, 工作稳定、平稳、污染小等优点，在工
4、业控制领域发挥其重要作用。关键字：调速秤 配料 PLC 组态第一章 总体设计方案1.1调速秤系统的一般结构与工作原理图1-1 调速秤1. 系统结构定量给料机系统包括机械和电器两大部分。机械部分主要是秤体、电机、减速机以及料斗。秤体上装有称重传感器、测速传感器、跑偏开关和接线盒等。电器部分包括控制柜内的控制仪表、空气开关、变频调速器和接线端子等。2.秤体结构(1) 机架：是定量给料机的基础部件，各功能部件均安装在此机架上，构成定量给料机的机械秤体。(2) 驱动装置：包括电机和减速机，电机通过法兰与减速机相连。减速机具有体积小，速比大的特点并且是通过空心轴与主动滚筒连接，不采用联轴器，具有结构紧凑
5、的优点。速度传感器安装在电机轴端，直接测出电动机的速度。(3) 称重装置：由称重框架和称重托辊组成。皮带上的物料重量通过称重托辊作用到称重传感器上，框架设有配重装置与标定砝码支座，整个称重系统无水平和侧向位移，无摩擦影响，不需维护。(4) 主、从动滚筒及环形橡胶运输带：完成物料的输送与喂料。(5) 托辊：用于承受仓压及保证物料在称重过程中的平稳性。(6) 卸料罩：保证物料顺利进入生产流程，防止粉尘污染环境。(7) 挡料装置：防止物料从漏斗闸门流出后散落、外溢，保证设备正常运转。(8) 皮带外表面清扫装置及梨形内表面清扫器：防止皮带沾料，有利于提高计量精度并能防止皮带因卡料造成损坏。(9) 跑偏
6、自动开关：皮带跑偏超过允许值时报警，防止造成生产设备事故。(10) 标定砝码：用于给料机的静态、动态标定。(11) 供料料斗：根据物料不同的特性，配有用于散状物料的T型料斗，用于易起拱物料的带有振动器的V型料斗，用于倾泻性物料的S1和S2型料斗。(12) 自动张紧装置：保证皮带具有恒定张力，利于精度稳定。1.2 调速秤配料系统的实现方法通过产臂上皮带装置及料的重量测定流量，由电磁振动给料机控制给料量，连续计量秤。称重给料机将经过皮带上的物料，通过称重秤架下的称重传感器进行检测重量，以确定皮带上的物料重量；速度传感器检测出速度值，重量信号送入皮带给料机控制器，产生并显示累计量/瞬时量。给料控制器
7、将该量与速度值相乘并乘一比例系数,由控制器输出信号控制变频器，实现定量给料的要求。可由上位PC机设定各种相关参数，并与PLC实现系统的自动控制。它可以采用两种运行方式：自动方式和半自动/手动方式。图1-2 调速秤控制系统第二章 调速秤配料系统的总体设计2.1系统工作原理及工作过程我们要实现的是八路调速秤配料的控制系统。该系统共有八路上料，每一路的上料都是有一定的配比，受到各个参数的约束。 它的基本工作原理是：当系统开始运行，八路上料系统根据需要开始上料，每一路的上料与否以及根据产品配比的要求下料多少，是受PLC控制的。每一路上料的实际多少是由称重传感器测量，皮带传送速度由接近开关测出，将测得的
8、数据送到PLC由预先使用STEP7编写好的程序进行处理，其中速度和重量是相乘的关系，这样可以得到每一路每一个小时下料的吨位。这个每小时的吨位与要求的吨位对比形成负反馈，反馈到PLC，经过预置程序的控制以及使用PID控制算法处理调节执行机构变频器控制电动机，使整个系统达到预先的要求，从而生产出合格的产品。这就是整个皮带秤配料系统的工作原理的简单介绍。2.2 系统整体工作框图如图所示，由上位机通过Wincc组态软件或者可编程控制器控制整个系统的启停。主体“调速秤”通过线路与两样设备连接：称重传感器、测速传感器、变频器。其中前两个设备的主要功能是信号采集，称重传感器采集各路皮带秤的数据，转换成相应的
9、电信号，反映到可编程序控制器中，由其中的CPU按照事先编制的程序进行计算，从而得到各路配料的实际情况和给定值之间的差距。这中算法是根据PID算法控制进行控制，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。本系统的核心控制算法也是基于PID控制算法。实现该系统控制流程的方式主要分两种：(1)通过STEP7编写好的程序由PLC按照设定的值进行PID控制。完成8路的自动配料。(2)通过手动控制，在变频器上输入PID参数，完成8路的自动配料。变频器的功能则是按照信息指令调节圆盘给料机电机的频率，达到对单路原料
10、进行控制配比的目的。对各路皮带秤进行总体调节，即可完成按工业要求进行配比工作。这时，PLC要完成两个工作：第一，要通过线路将各信号上传到上位机，由上位机的组态软件WinCC接收，从而使工作人员可以完成组态监控工作；第二，PLC向下将控制信号传送到各路变频器，变频器经过信号转换来控制皮带秤的圆盘给料机电机转速，实现各路配料按要求配比。在此过程中，工作人员可以通过上位机的组态画面实时监控系统的运行情况，一旦系统发生意外!异常的公式结尾情况，或进行定期不定期维护，即可由上位机对PLC进行控制。2.3 系统整体电气连接图 图2-1 系统整体电器连接图如图2-1所示，为系统的总体硬件连接图，其中最左部分
11、为工控机，通过上位机软件Wincc可以控制控制器PLC,同时系统的一些信息可以及时的反映在上位机的画面中，中间为PLC，它由CPU模块，模拟量输入输出模块和测速模块组成，最右边为变频器，通过变频器来控制各路电机，从而控制速度。第三章 调速秤配料系统中的PLC硬件选型与设计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。本章对配料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S7-300的各个模块进行了细致的选型及设计。3.1 PLC的基本知识PLC即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序
12、、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。分为：小型 PLC、中型PLC、大型PLC。（1）PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同如图3所示。 图3-1 PLC的结构中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、1/0以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器电源PLC的电源在整个系统
13、中起着十分重要得作用。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。输入输出元件 (1/O模块)1/O模块是CPU与现场UO装置或其它外部设备之间的连接部件。将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常工作。编程器和外部设备（2）PLC的工作原理 PLC采用了一种不同于一般计算机的运行方式即扫描方式。工作过程当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，如图4所示。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU
14、以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 图3-2 PLC的工作过程扫描周期PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图5所示。一个周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。 图3-3 PLC的扫描周期 (3)可编程序控制器的主要功能和应用可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用户的需要，PLC与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物理世界的接口(即I/0点)外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑功能不仅可以取代，而且远远超过诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能，从而为PLC在可靠性和便利性上形成特色奠定了基础。P
15、LC的功能可分类如下:逻辑控制 定时控制 计数控制 步进(顺序)控制PID控制 数据控制:PLC具有数据处理能力 通信和联网其它:PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如:定位控制模块，CRT模块。(4)PLC的编程语言PLC与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的PLC一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。以下列出了三种编程语言。梯形图 (LAD) 指令语句表 (STL) 逻辑功能图(FBD) 图3-4 PLC的编程语言3.2 S7-300简介PLC选型依据 ：1)具有足够大的暂存器空间且独家提供档案暂存器空间，保证系统的配料配方量足够多足够大
16、，透过专用指令操作保证配方的绝对安全2)通讯功能强大，通讯协议编程简单方便3)可扩展多个通讯口，为系统延伸控制与联网提供硬件支持4)经济实惠，运行可靠稳定性要好 (1)概述 西门子S7-300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。(2)S7-300的组成S7-300主要组成部分有: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。S7-300组成如图7所示。 图3-5 S7-300的组成负载电源模块 (PS):用于将 SIMATIC S7-300连接到 120/220 V交流电源，或 24/48/
17、60/110 V直流电源。 中央处理单元 (CPU)不同的 CPU有不同的性能，有的 CPU上集成有输入/输出点，有的 CPU上集成有 PROPIBUS-DP通讯接口等。 信号模块 (SM):用于数字量和模拟量输入/输出。通讯处理器 (CP):用于连接网络和点对点连接 功能模块 (FM):用于高速计数，定位操作 (开环或闭环定位)和闭环控制。 接口模块 (IM):用于多机架配置时连接主机架 (CR)和扩展机架 (ER) 。S7-300通过分布式的主机架 (CR)和 3个扩展机架 (ER)，可以操作多达 32个模块。运行时无需风扇。（3）S7-300的类型 标准型 :温度范围从 0到 60 环境
18、条件扩展型:温度范围从-25 到+60更强的耐受振动和污染特性。（4） S7-300的功能SIMATIC S7-300的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。 高速的指令处理 :0.60.1s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。浮点数运算:用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 :一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。 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。SIMATIC人机界面 (HMI)从 S7-30O中取得数据，S7-3
19、00按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送 。 诊断功能 :CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件 (例如 :超时，模块更换，等等)。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。操作方式选择开关 :操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序(5) S7-300的通讯方便用户的STEP7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATIC S7-300具有多种不同的通讯接口:多种通讯处理器用来连接 AS-1
20、接口、和工业以太网总线系统。串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。 多点接口 (MPI)集成在 CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。CPU支持下列通讯类型:过程通讯通过总线 (AS-1或 PROFIBUS)对 u0模块周期寻址 (过程映象交换)数据通讯在自动控制系统之间或人机界面 (HMI)和几个自动控制系统之间，数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用 。3.3 PLC的选型要点在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。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
21、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
22、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。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍
23、，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 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。 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
24、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。 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220V电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不
25、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。 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。3.4 PLC的中央处理器CPU的选型 根据输入输出点数的要求选择CPU315（6ES7315-2AG10-0AB0）作为本次设计的中央处理器。CPU31
26、5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/0或128路模拟量通道。CPU315内装硬件实时时钟。图3-6 CPU315模块面板布置示意图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OB。 CPU315可调用128个功能块FB (0-127);128个功能调用FC (0-127); 127个数据块DB (1-127, 0保留)。OB, FB, FC,DB的容量均不大于8KB。此外，还有3
27、8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/0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。CPU315满足系统的要求。3.5 PLC数字量输入/输出模块的选型与线路连接 在调速秤配料自动控制系统中，由于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SM323来满足系统的要求。SM 321为 DI 16 x DC 24 V，SM323数字量的输入/输出模块(6ES7 323-1BL00-0AA0)SM 323; DI 16/DO
28、 16 x DC 24 V/0.5 A 的属性： 16 点输入，电隔离为 16 组 16 点输出，电隔离为 8 组 额定输入电压 24 VDC 额定负载电压 24 VDC 输入适用于开关以及 2/3/4 线接近开关 (BERO) 输出适用于电磁阀、DC 接触器和指示灯 3.6 PLC的模拟量输入模块的选型与线路连接在调速秤配料系统的PLC硬件设计中需要将称重传感器的信号输送到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。SM331概述：SM331: AI8*12Bit是8通道的模拟量输入模块，在系统中用于输入称重传感器的测量值。模块主要是由A/D转换部件、模拟切换开关、
29、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:2.5ms, 16.7ms, 20ms和100ms。相对应的以位表示的精度为8、12、12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。S7-300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。S7-300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
30、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S7-300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
31、+，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: AI8*12BBIT模拟量输入模块的电气原理图如图10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 331-7NF00-0AB0）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SIMATIC S7-300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 8输入，高分辨率。 图3-7 8路输入模块的连接原理示意图3.7 模拟量输出模块的选型与线路连接模拟量输出模块SM332 用于连接模拟量执行器SM332可以
32、输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路能获得比较高的输出精度。模拟量输出(简称模出(AO)模块SM332目前有三种规格型号，即4AOl2位模块、2AO12位模块和4AOl6位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。SM332与负载/执行装置的连接。我们选择SM332（6ES7 332-5HF00-0AB0）模拟量输出模板控制执行机构变频器。3.8 PS307电源模块容量计算及选型 PS307是西门子公司为S7-300专配的24 V DC电源。PS307系列模块除输出额定电流
33、不同外(有2 A、5 A、10 A三种)，其工作原理和各种参数都相同。 PS307可安装在S7-300的专用导轨上，除了给S7-300 CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。图11为PS307 5A模块端子接线图。 S7-300模块使用的电源由S7-300背板总线提供，一些模块还需从外部负载电源供电。在组建S7-300应用系统时，考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的. 一个实际的S7-300 PLC系统，确定所有的模块后，要选择合适的电源模块，所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并且要留有30左右的裕量。当同一电源模块既要为
34、主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25 V。PS307电源模块的输入接单相交流，输入电压为120/230V, 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3-8 PS307 5A模块端子接线图S7-300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I/0模块之和。表1 S7-300各模块电流耗量和功率损耗模块通过背板总线吸取的电流（最大值）从24V负载电源吸收的电流（不带负载运行）功率损耗（正常运行）CPU315供1.2A1A8WSM32125MA1MA3.5WSM3238
35、0MA100MA6.5WSM33160MA60MA1.3WSM33260MA340MA6WCM35150MA -如上表所示，该系统各个模块从S7-300背板总线吸取的电流为60+60+150+80+25=375MA没有超过CPU315所能转供的电流1. 2A。考虑到电源应留有一定的余量，所以电源模块应选PS307 (5A) 。第四章 调速秤配料系统中的传感器和变频器的设计与选型4.1 传感器4.1.1 传感器的基本知识信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信
36、息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。（1）传感器的工作原理进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。（2）以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信
37、号(包括直接和间接转换)。开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。4.1.2 称重传感器 （1）称重传感器的介绍称重传感器是皮带秤力与电转换的核心部件，称重传感器按变换原理分类。主要有：电阻应变片式、差动变压器式、电容式、压磁式、压电式等，其中，电阻应变片式称重传感器有以下主要优点：结构简单、体积小、密封性好线性度和重复性好频率响应快，能进行动态称重长期稳定性好，工作可靠和称重秤架联接简单、方便综合误差小。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随
38、同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），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，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为便于利用的电信号（电压或电流），电桥测量电路是进行这种变换的常用方法，从而完成了将外力变换为电信号的过程。因此可以通过对电阻的测量来测量压力。如图所示直流电桥测量电路原理：图4-1 称重传感器的原理在我们的皮带秤配料自动控制系统中，由于称重传感器输出信号非常小，容易受大环境温度的影响。为了保证称重传感器的精度，我们的称重传感器不仅需要电压的驱动而且要加上一个电源驱动电路，以保证称重传感器的信号的准确。（2）称重传感器的选用原则称重传
39、感器最大称量的选用原则：安全系数安全系数的确定必须注意承载器的自重、最大称量、称重传感器的灵敏度和过载能力等指标。、承载器的自重值这个值是计算称重传感器最大称量的依据之一。对于一般衡器来讲，在计算称重传感器最大称量值时可以不考虑承载器的自重值，因为其占衡器总输出信号量的一小部分，平均到每个传感器上就更少了。例如，一台80吨的地磅，用8只最大称量为30吨的传感器，自重为18吨，负载量最大的称重传感器也只有3吨自重，而满载时负荷最大的达到15.5吨。但对于一些特殊衡器，称重量占总输出信号的一小部分时就不得不考虑承载器自重值。、冲击载荷在一些自动衡器和专用衡器设计时，在选择称重传感器时必须注意在称量
40、过程中，被称车辆或物料对承载器的冲击作用。、称重传感器的灵敏度目前常用的称重传感器当中，柱式结构的灵敏度通常为1 mV/V，桥式结构、悬臂梁结构、平行梁结构的灵敏度通常为2 mV/V，另有一小部分悬臂梁结构、S型结构的灵敏度通常为3 mV/V。在选用时必须注意到，灵敏度为1 mV/V的称重传感器其安全过载能力一般是最大称量的200，极限过载能力一般大于最大称量的500；灵敏度为2 mV/V的称重传感器其安全过载能力一般是最大称量的150，极限过载能力一般大于最大称量的300。衡器的灵敏度一台衡器能否正常工作，必须考虑这个系统中各个部件的技术参数能否匹配，对衡器来讲，也就是称重传感器所选用最大称
41、量、灵敏度值；称重仪表所选用的供桥电压值、最高灵敏度值等。而且这些参数最终必须满足这个系统的整体指标。衡器的每个检定分度值输出信号大于称重仪表最高输入灵敏度时，衡器能够正常工作。称重传感器准确度的选用原则：对于一台衡器来讲，选用的称重传感器的准确度越高越好，但也有两个前提条件：一是能采购得到，二是采购价格能够承受。称重传感器准确度是由许多指标构成的，当最终确定一只传感器为某一个准确度等级时，是按许多测试结果中最大的误差值，作为此传感器的准确度等级的依据，而其他测试项目的误差可能远远优于该等级的值。因而要根据实际要求，细分准确度指标，挑选合适的传感器。称重传感器结构的选用原则：安装方便任何产品设
42、计时除需考虑整体功能和性能上能满足工艺要求外，还应注意产品安装维修问题，衡器产品也不例外。衡器结构特点的要求 衡器选用传感器，在许多情况下时根据个人手边的传感器样本确定的。不过其中也遵循了一些不成文的原则。、承载器的安装空间一些作为流水线中一部分的专用衡器，在称重传感器的选型时就要考虑空间限制的问题。、安装维护方便、侧向力的影响在选择传感器时，必须考虑此衡器在使用中是否存在侧向力的情况。按剪应力原理设计的称重传感器抗侧向力的能力比较强；按正应力原理设计的称重传感器抗侧向力的能力比较弱。、刚度问题这里讲的刚度是指承载器的刚度，基础结构的刚度和辅件的刚度。这些结构的刚度会直接影响到变形量，从而影响
43、计量的准确度。承载器的结构不论是梁式，还是板框式，还是容器式，必须针对不同的加载方式，被称量物的结构和称量方式，确定其刚度大小。不同用途的衡器所安装的基础结构不同，但都要遵守结构刚度必须保证衡器使用要求的原则。辅件是指安装称重传感器的结构件，如悬臂梁称重模块就要考虑其安装板的厚度。、选用传感器的数量问题 选用数量的一般原则是承载器较长，面积较大的衡器选用的传感器较多。温度的影响问题 对于承载器较长，面积较大的室外用衡器，必须考虑承载器的线膨胀系数问题。、湿度的影响问题 对于室外用衡器或恶劣工况用衡器，必须考虑承传感器的密封问题8。(3) 称重传感器的放大电路称重传感器的输出信号一般只有l020
44、mV在工业现场极易受干扰，也不能进行远距离传输，如果不采用放大电路，传感器输出的毫伏信号只能传递几十米；往往不能满足实际使用现场的要求，因此增加放大器电路，将称重信号进行放大，变换成420mA电流信号进行远距离传输，信号传输距离可达1.5km，放大装置的框图。放大器中设置传感器的供桥电源，称重传感器的输出送到放大器进行电压放大，经电压放大后的信号一般为l 2V，后经V/I转换电路对放大后的信号进行电压、电流转换，然后进行远距离传输，放大装置的性能，主要取决于放大电路的性能指标，这里介绍经常使用的简单的差动放大器电路。图4-2 简单的差动放大器电路图中，由一个运算放大器和四个匹配的电阻构成，共模
45、电压的存在是大多数传感器的特点。共模电压是电桥中的直流电平或噪声干扰。假设运算放大器是理想的，根据零子模型条件，在两个输入瑞的电压相等，且通过两输入端的电流为零，则很容易导出差动放大器的运算方程：或改写成：式中： 共模输入信号电压。V0的两个方程都带有共模输入信号电压，显然第一项是反相输入信号对输出的贡献；第二项是同相输入信号对输出的贡献；第三项是共模输入信号对输出的影响，显然这运算放大器是理想的。但差动放大器的输出端仍有共模信号的干扰，主要原因在于差动运算电路的外部参数不理想，即反馈网络参数有差异，而使闭环共模特性变坏，四个电阻不匹配和比例失调是关键因素，若取四个电阻满足条件。即：则的方程可以简化成：因此可以看出，四个电阻匹配的足够好，相当于两个差动信号闭环增益绝对值相等的条件。此时，共模输入信号对输出贡献为零9。实际上，四个电阻很难做到完全匹配，所以在差动放大器输出端总存在一定大小的共模干扰信号，在高精度差动放大器中，应当把这个共模干扰信号控制在一定的范围之内。下图为压力放大板：图4-3 压力放大板(4) 滤波电路 滤波器的作用是防止噪声，将不需要的电信号过滤。本毕业设计中用到的滤波器为低通滤波器其电路图如下： 图4-4 皮带秤配料系统中简单低通滤波电路4.1
