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1、摘要本论文分析了锅炉空预器的漏风原因，介绍了基于PLC的回转式空气预热器间隙控制系统的组成和工作原理，以及可编程控制器PLC的结构特点和软件设计，并利用PLC和相关自动化控制设备实现对空气预热器的间隙自动控制。同时选用MCGS工控组态软件为本课题的工控组态软件，来实现现场画面的监控、数据显示、数据报表，同时可以进行故障处理和报警功能，对整个系统实现监测。本文中的锅炉空气预热器间隙控制系统就是通过测量调节来控制上部扇形板与转子上部径向密封板之间的间隙，在任何运行工况下，能保持该部的最小间隙，有效地降低预热器的漏风量，为机组的安全满负荷运行提供了有力保证，达到节能降耗、提高燃煤锅炉效率的目的。关键
2、词：空气预热器、间隙控制、可编程控制器PLC、传感器、MCGSAbstractThis paper analyzes the boiler air preheater leakage causes introduces PLC-based rotary air preheater clearance control system composition and working principle and structure characteristics of PLC programmable controller and software design, and the use of PLC
3、 and related automation control equipment to achieve the air preheater gap automatic control. MCGS Control software also selected as the subject control configuration software, to achieve on-site screen monitoring, data display, data reports, and can carry out troubleshooting and alarm function, the
4、 whole system implementation monitored.This boiler air preheater in the clearance control system is controlled by measuring the upper adjusting to the upper sector plate and the rotor radial clearance between the sealing plate in any operating conditions, to maintain the minimum gap portion effectiv
5、ely reduce preheater leakage quantity for the safety of the unit running at full capacity to provide a strong guarantee, to saving energy, improving the efficiency of coal-fired boilers purpose.Key Words: Air preheater, gap control, programmable logic controller PLC, sensors, MCGS.目录摘要IAbstractII第一章
6、 绪论11.1 引言11.2 论文的主要工作2第二章 锅炉空预器间隙控制系统的工艺分析32.1 概述32.2 空预器间隙控制系统的工作原理32.3 空预器间隙控制系统的结构组成42.3.1 高温间隙传感器42.3.2 扇形板提升机构42.3.3 转子停转检测开关52.3.4 控制柜62.4 空预器间隙控制系统的漏风分析6第三章 锅炉空预器间隙控制系统的设计93.1回转式空预器密封间隙控制的重点93.2 空预器间隙控制系统的通讯设备103.2.1 PROFIBUS简介113.2.2 PROFIBUS协议族113.3 可编程序控制器(PLC)的介绍133.3.1 PLC简述133.3.2 可编程序
7、控制器的主要性能指标143.3.3 S7-300系列PLC的硬件结构及指令系统16第四章 锅炉空预器间隙控制系统的硬件设计184.1 空预器间隙控制系统的硬件系统184.1.1 空预器间隙控制系统的整体硬件构架184.1.2 空预器间隙控制系统PLC的I/0口分配表194.2 空预器间隙控制系统间隙测量装置的研究204.2.1 电涡流传感器的工作原理204.2.2 测量探头的安装形式224.2.2 信号变换器234.2.3 间隙传感器专用电源244.2.4 间隙指示表24第五章 锅炉空预器间隙控制系统的软件设计255.1 空预器间隙控制系统的控制要求255.2 MCGS的组态软件255.2.1
8、 MCGS组态软件的介绍255.2.2 MCGS组态软件的功能265.2.3 MCGS的构成265.3 空预器间隙控制系统的程序设计285.3.1 SIMATIC STEP7的介绍285.3.2 空预器间隙控制系统的软件系统结构305.3.3 空预器的间隙调节流程图及PLC程序编写32结论34致谢35参考文献36附录37第一章 绪论1.1 引言我国的电力能源消费构成中，燃煤机组的发电量占80%以上。由于我国常规能源结构中以煤炭为主，在相当长的时期内，这种状况将难以改变，因此研究提高燃煤电站循环热效率的技术，对于降低发电煤耗，减少环境污染，具有重要的社会效益和实用价值。锅炉是火力发电厂三大主力机
9、组之一，它的能量转换效率对整个电厂的效率具有重要影响。锅炉运行时需要消耗大量的燃料,其排烟热损失是锅炉热损失中最大的一项。降低排烟热损失是提高锅炉效率的有效途径,空气预热器(以下简称空预器) 是目前600 ,300 ,200MW 电站锅炉中广泛使用的一种节能设备。它的主要功能是利用锅炉燃烧排放的废烟气来预热即将进入锅炉燃烧的空气1。空预器由转动的筒形转子和固定的外壳组成。 装有传热元件的转子可重达几百吨,直径可近20 米。 高温烟气自上而下流经转子的一侧,加热传热元件,当已加热的传热元件转到另一侧时,空气自下而上流经传热元件把热量带走, 从而达到预热空气的目的。 由于空预器是承受冷热交替变化的
10、一个大型回转体,低温的支座和高温侧金属膨胀的同时存在,转子内存在的温度梯度使其发生蘑菇状变形,烟气侧和空气侧之间的密封间隙变大,增加了空气的泄漏量(图1.1) 。图1.1空预器转子“蘑菇状”变形空气预热器的漏风率多在30 %以上,有时甚至高达40 % ,漏风不仅增大锅炉排烟热损失和风机电耗,严重时将直接影响锅炉出力。处理漏风的关键在于调整好各个密封间隙。密封间隙过大,增大了漏风量;密封间隙过小,则会加速密封元件的磨损,在转子有热变形时甚至还会引起卡涩。随着我国电力工业的迅速发展，火力发电厂的装机容量和单机容量都日益增大，锅炉空预器间隙控制系统系统的规模也大幅度的上升。对其控制方式、运行水平的要
11、求也越来越高。锅炉空预器间隙控制系统主要是以可编程控制器（PLC）为主，实现控制系统的自动化控制。与传统的以单片机为核心的控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制;并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。近十几年来，国外PLC技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有PID等特殊控制功能。可直接进行A/D, D/A转换，还开发管控一体化。使操作、使用和项目开发变得简单、方便。与此同时，P
12、LC技术在电厂的锅炉控制系统中亦得到了广泛的应用。在实际的锅炉运行中,由于各种因素,如积灰等造成不同程度的漏风。空气预热器漏风使得送风机、一次风机和引风机的出力大增,增加了能耗。严重时,造成送入炉膛的风量不足,导致锅炉低负荷运行,影响机组安全、经济、稳定的运行。以300MW机组为例,转子上部边沿的极限变形量为30mm转子半径5 米，按三角型面积公式计算一块扇型板就可以形成0.075 平方米的漏风面积2。因此,漏风控制研究十分重要。长期以来,工程技术人员都在致力于从结构、安装和运行保护等方面来解决漏风问题。1.2 论文的主要工作锅炉空预器间隙控制系统是现代电厂锅炉的重要部件之一，该系统不仅有强大
13、的工程应用背景，而且有极大的市场潜力。本文所述的回转式空预器间隙控制系统,就是通过测量调节密封间隙来控制上部扇形板与转子上部径向密封板之间的间隙,在任何运行工况下,能保持该部的最小间隙,配合其它的密封措施,减少漏风量,达到节能降耗、提高整个机组的运行效率的目的. 系统同时可以检测多路故障(如转子停转、传感器异常、电机过载等) ,并进行故障处理和报警。作者在导师马明前的悉心指导下，确定锅炉空预器间隙控制系统的方案为研究内容，并利用西门子S7-300 PLC对扇形板与转子之间的间隙进行控制，利用组态软件MCGS对现场进行实时监控，对锅炉空预器间隙控制系统作了一定程度上的改进。第二章 锅炉空预器间隙
14、控制系统的工艺分析2.1 概述空气预热器是热电厂锅炉的重要部件之一,是利用锅炉尾气的烟气热量加热锅炉燃烧时用的一种热交换装置。它一般安置在锅炉排烟的尾部。对于600、300、200MW机组多采用“三分仓”式结构的空气预热器。这种空气预热器由可转动的筒形转子和固定的圆筒形外壳等组成。回转式空气预热器是一种转动机构,转动部分与固定部分存在一定间隙。另外,流经空气预热器的空气与烟气之间存在压差,也存在气流间的相互泄漏,因此需要采取密封措施以减少泄漏损失。热态运行时,由于转子内部存在热交换,上部平均温度高(热端) ,下部平均温度低(冷端) ,因此会产生(蘑菇状) 变形,造成有的地方间隙变大(如热端外侧
15、) ,直接影响空气预热器的工作效率;有的地方间隙变小(如冷端外侧) ,会造成扇形板与转子发生摩擦,主机电流增大,损坏电机。对于轴向、旁路及冷端径向间隙均可采用在冷态下预留间隙的方法,使在转子热态变形后仍可获得满意的密封间隙3。间隙控制系统则是为解决空气预热器热端径向密封而设计,控制系统主要是对扇形板底面和径向密封片之间的密封间隙进行自动跟踪控制,使密封间隙保持在设定范围内,从而达到对空气预热器漏风量进行自动控制的目的,提高整个机组的运行效率。2.2 空预器间隙控制系统的工作原理系统通过安装在空气预热器扇形板上的高温间隙传感器检测出扇形板对转子法兰面间的间隙值,经转换单元转换为标准电信号送到可编
16、程序控制器( PLC) 系统. PLC 系统对采集到的间隙信号与给定值进行比较,根据偏差的正负决定机构的动作方向(提升、下放、不动) ,由偏差大小决定动作时间,形成自动的间隙调整系统. 设实测间隙为S ,设定值为S0 ,给定偏差带为S1 ,下偏差为S2 。S S0 + S1 ，下放扇形板。S S0 - S2 ，提升扇形板，S0 - S2 S S0 + S1，扇形板不动偏差逾大,动作时间越长,最终保持间隙在给定偏差带以内,从而保证机组满负荷运行,起到节能降耗的作用(见图2.1)，以下是系统工作原理图。图2.1 系统工作原理图2.3 空预器间隙控制系统的结构组成系统主要由高温间隙传感器、扇形板提升
17、机构、转子停转检测开关和控制柜4 个部分组成。2.3.1 高温间隙传感器间隙传感器下端面与密封扇形板下表面在同一水平位置.。被测的基准面是转子法兰上端面。转子法兰安装好后,法兰上端面需经机械加工,形成一个较平整和光洁的测量基准面。传统的测量多采用接触式机械传感器，这种传感器在实际的应用中存在很多缺点，如传感器探头的磨损，在多尘、高温下连续工作易发生故障、测量不准确等。针对上述情况，本系统采用非接触式电涡流式传感器，它可以连续测量密封扇形板下表面与转子法兰上表面之间的间隙，并把间隙值转化为电信号，具有较好的稳定性和较宽的线性范围，灵敏度高，可在烟气腐蚀及多粉尘的环境中工作，没有任何机械磨损，测量
18、精确。传感器内有备用元件，探头不需要冷却，可在高温环境中连续、可靠地工作。探头安装在空预器内部，其余部分安装在就地箱中。每块扇形板配有一个探头和一个就地箱。2.3.2 扇形板提升机构扇形板提升机构是一个由电动机驱动的多级齿轮-蜗轮蜗杆减速装置。为使工作过程更为可靠，采用了双电机。每块扇形板配有一台提升机构，每台提升机构有两个提升杆，可保证两侧同步跟踪，冷态时可通过单独调节任何一侧提升杆使扇形板保持平衡。机构采用全封闭式结构。 为限制螺杆的上下行程,保证执行机构和整个系统的安全性,执行机构设有两个上限位开关和一个下限位开关,开关位置可调整。 执行机构外壳上设有标尺,指针指为零时表明预热器扇形板也
19、处于零位位置,标尺直观地显示预热器扇形板上升下降的位移情况。机构具有电机过载,热保护继电器动作; 驱动超时、紧急提升限时、传感器异常、预热器主电动机过流等保护作用。执行机构可以电动操作,也可通过离合器上的手动操作轴进行手动操作,依据标尺上的刻度调整预热器扇形板的位置。如图2.2所示：图2.2漏风间隙调整机构技术参数：电动机：型号YDFC222-4；功率0.55KW; 转速1380r/min。螺杆最大行程：+20mm50mm。螺杆升降速度：3mm/min。额定提升负荷 23.0t。2.3.3 转子停转检测开关选用进口的停转检测开关，当空预器转子停止转动或转速过低时发出报警信号。采用电涡流式工作原
20、理。安装在预热器转子主轴旁的适当位置，与主轴上所装的金属凸块配合，将信号送入主机柜。此开关为无触点电子开关，它通过运动的金属片接近开关的感应面在无接触又无压力情况下自动发出检测信号，以驱动继电器或逻辑电路。具有重复定位精度高、频率响应快、抗干扰性能好、使用寿命长等优点。2.3.4 控制柜控制柜可以实现对扇形板的手动控制和自动控制。手动控制功能通过按钮实现；自动控制功能通过可编程控制器（PLC）实现。在自动控制状态下，自动跟踪的指令和各种反馈信号由可编程控制器的I/O 作为接口，启动以后由CPU按编制的程序进行自动跟踪。PLC的配置：PLC 已是目前广泛采用的工控设备, PLC 使用方便,可维护
21、性好,更兼有适应电厂恶劣环境下运行的高可靠性,围绕主机配套的PLC 扩展功能单元,使PLC 功能更趋完善。本系统采用西门子S7-300系列的PLC，此系列PLC运行环境范围大，能在高点噪声，无线电干扰和振动环境中连续运行，从而很好地适应了工业化要求4。CPU 及功能：提供足够的存储器，满足数据存储和处理需要。电池可以更换且程序不会丢失，并提供“电池不足”指示灯并报警；能提供过程控制、监视和故障排除的功能，如：数学运算、逻辑运算、数据比较、数据传输、子程序跳转等。输入和输出（I/O）模块：数字量输入单元（SM321）3 块，每块16 点，外部24 VDC 供电；数字量输出单元(SM322)2 块
22、，每块16点，继电器输出型（24VDC）；模拟量输入单元(SM331)2 块，每块8 点，接受420mA 输入信号。所有I/O 模块输入/输出点在I/O 的现场侧有一指示灯，当现场接点闭合（对于输入）或当输出指令合上时指示灯亮。所有I/O 模块都包含光隔离装置，能提供1500 V RMS 的隔离。2.4 空预器间隙控制系统的漏风分析回转式空气预热器是冷热介质(空气和烟气) 交替地流过受热面而进行热交换的。它有两种基本类型:受热面回转式(又称容克式) 和风罩回转式(又称脱谬勒式) 。风罩回转式空气预热器由于漏风率相当大,而且在实际运行中又难以有效的消除,故应用的较少。目前我国的大型发电机组( 多
23、为300MW、600MW) 绝大多数使用的是容克式空气预热器,其结构如图2.3所示。图2.3容克式空气预热器工作原理风罩回转式空气预热器是转子旋转而风罩固定的一种预热器,其主要部件是一个体积较为庞大的(直径10 米以上) 、作为热交换元件的低速转子(转速1 r/ min) 。高速烟气自下而上流经转子的左侧,加热转子中的蓄热元件(转子扇形隔仓) ,当已加热的蓄热元件转到右侧(空气侧) 时,空气从上往下流经蓄热元件,将热量带走,从而达到预热空气的目的。空气预热器的漏风主要包括两部分:携带漏风和直接漏风。携带漏风是由于预热器自身旋转时,造成空气随受热面旋转进入烟气侧,形成漏风。这部分漏风是回转式空气
24、预热器本身结构决定的,不可消除。已有的研究表明,其漏风率较小,不是主要的漏风源。直接漏风是由于空气侧与烟气侧的压差以及空气预热器动、静部分之间的间隙所引起的。间隙越大,压差越大,漏风也就越大。这是回转式空气预热器漏风的主要原因,其漏风量占总漏风量的80 %90 %。因此控制间隙的大小是控制漏风的关键。空气预热器在设计上有专门的密封装置减小间隙,以减少漏风。封闭装置一般由七部分组成:热端径向密封、冷端径向密封、轴向密封、冷端旁路密封、热端旁路密封、扇形板密封、中心筒密封。其总漏风量Q总可由(1) 式来表示:Q总= (Q1 + Q2 + Q3 + + Q7) + Q8 (1)式中,Q1 :热端径向
25、密封漏风;Q2 :冷端径向密封漏风;Q3 :轴向密封漏风;Q4 :热端旁路密封漏风;Q5 :冷端旁路密封漏风;Q6 :扇形板密封漏风;Q7 :中心筒密封漏风;Q8 :携带漏风。图2.4转子“蘑菇状”变形图已有的研究结果表明,在引起漏风的各种因素中,热端径向密封漏风是空气预热器漏风的最主要因素,占总量的30 %50 % ,这是由于预热器转子在热态运行时产生的”蘑菇状”变形导致径向密封间隙增大造成的,如图2.4 所示。转子在运行中受热膨胀,由于转子冷热端存在温度差,一般在250 左右,使得冷热端的膨胀量不同,造成转子产生蘑菇状变形。变形量可用下式表达 :式中,为变形量;= 12 10 - 6/ (
26、钢材热膨胀系数) ;H 为转子高度;D 为转子直径;R 为转子半径; t 为温差。因此,漏风控制系统主要是针对控制热端径向密封间隙而设计。这也是本文研究的根本所在,即设计一套控制系统,尽可能地减小热端径向密封间隙,以达到减小漏风的目的。第三章 锅炉空预器间隙控制系统的设计3.1回转式空预器密封间隙控制的重点如何减小回转式空气预热器径向漏风量是密封控制系统的重点,因为它占漏风总量的比例最大,对机组经济性的影响最大,而轴向和周向漏风可采取其他措施加以控制。根据漏风量计算表达式可知 ,漏风量与间隙面积F、压差P的平方根成正比。图3.1所示的双密封技术可将压差降低50% ,漏风量减小29%, 已被世界
27、各国普遍采用。图3.1回转式空气预热器双密封技术密封间隙F值越小越好,但考虑转子高温变形和冷态间隙预留, F不能为零,所以对不同位置必须采用不同的密封措施。图3.2为600 MW回转式空气预热器密封系统,其密封间隙包括热端径向、冷端径向、轴向和周向密封间隙。对于冷端径向间隙的控制一般采用冷态预留、热态弥补的方法,即在冷态安装调整时,冷端内侧间隙为0 mm,而外侧预留出一定间隙；热态运行时,内侧间隙由0 mm变为支撑端轴的膨胀值,外侧间隙由于转子的图3.2 600MW回转式空气预热器密封系统蘑菇状下塌接近0 mm;周向密封作为轴向密封的第一道防线,如果保证周向旁路密封的安装质量,就能减轻轴向密封
28、负担,所以只需根据转子热态蘑菇状变形膨胀量,正确预留周向密封间隙即可(见表1) 。热端径向漏风直接影响火电机组效率,加装漏风自动控制系统(LCS)是减小热端径向漏风最有效的措施。3.2 空预器间隙控制系统的通讯设备西门子S7-300系列PLC通信网络主要有四种方式:通过多点接口（MPI）协议的数据通信、PROFIBUS、工业以太网、点对点连接、通过AS-i网络的过程通信。根据现场环境状况，本系统宜采用目前较为流行的现场总线通信方式PROFIBUS。同时从系统设计要求可以看出，本系统是一个基于顺序控制小规模的集散系统，而PLC正好擅长顺序控制，并且性能稳定，价格较为便宜，所以用PLC来实现该系统
29、一种经济实用的选择。根据调研论证，发现目前市场上普及率较高的几大PLC体系如西门子，立石，ABB等，都不约而同的采用同一种现场总线协议PROFIBUS。从价格和市场声誉出发，最后决定选用西门子公司的小规模PLC系统:S7-300系列来实现本系统。3.2.1 PROFIBUS简介随着网络技术的成熟，工业现场总线(FiledBus)近年来迅速普及，它是目前控制系统和分布式的现场设备通信的主要手段。从大量的工程实例表明:现场总线要比传统通讯方式节省大约40%的布线和设备维护费用。现场总线的迅速发展不仅仅是替代4-20mA仪表，它实际上是控制领域新时代的开始，它能真正形成分散型控制系统，将多层自动化系
30、统控制任务下移。九十年代以前，现场总线是由各个厂家独立开发，不兼容的协议使得各个厂家生产的设备不能混用。九十年代以后，开放性体系成为潮流，产品纷纷向一些标准的协议靠拢，使得用户不再被绑死在一家厂商的产品上，而可以从不同的厂商自由地选择最经济实用的产品。PROFIBUS就是在这种背景下产生的一种工业现场总线标准，它由欧洲工业界的各大厂家联合开发，目前是欧洲最为流行现场总线协议，并得到了世界的广泛认可，包括北美的很多重要厂家也在生产与其兼容的产品。它的管理协会(PROFIBUS International)是目前世界上最大的关于现场总线的组织。PROFIBUS的基本特点如下:（1）可靠性高，造价低
31、，易于安装和调试。（2）符合OSI网络体系标准，由物理层，数据链路层，应用层组成，应用层采用制造信息规范(MMS)子集。（3）主从式令牌总线结构，并具有最优化的帧格式短报文以满足实时性要求。（4）体系开放，适用于不同的控制环境。（5）支持介质冗余的工作方式。3.2.2 PROFIBUS协议族 PROFIBUS是一种基于主从式令牌总线的协议，其协议族有三个主要成员，DP, FMS和PA。它们的应用范围如图3.3所示：控制器单元现场设备 PEOFIBUS-FMSCNCIPCHOST PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA VME/PCPLCDCSI/O变送器现场设备传动设 备现场设 备图3
32、.3 PROFIBUS 协议族上图是一个标准的集散系统模型，包含现场级（Field Lever）、单元级（Cell Lever）和工厂管理级（Factory Lever）三级系统。三种协议在其中的应用标注如图所示5。（1）PROFIBUS-DP为了获得极高的实时性，这种协议经过了特殊的优化以提高通信速度，缩短令牌周期。所以它主要使用于控制系统和分布式现场设备之间的通信。本项目用到的西门子S7-300 CPU模块就是用它来和远程I/O模块通信。 （2）PROFIBUS-PA该协议专为过程控制系统开发，它允许数据通信和电源公用两根总线，它的物理层采用IEC1558-2标准。（3）PROFIBUS-
33、FMS该协议是为了完成较为复杂的通信任务而提出的一种通用型的解决方案，它提供的服务范围很广，灵活性和通用性较强。一般应用于控制单元与控制单元之间的信息交换。本项目在方案设计时曾经提出过应用该协议的方案。由于本人的设计只是粗落的涉及，所以只做简单的介绍。由于本系统采用了DP协议，所以以下将对其做着重介绍：PROFIBUS-DP 是一种优化的高速协议，一般用于分布式现场设备和控制器之间的通讯。该协议允许在一个总线上挂多至128个主站或从站。 在DP协议里，站点按功能可以分为三大类，如图3.4，第一类DP主设备（DP Master Class简写DPM1）：这类设备是主站，在持有令牌时轮询从属于自己
34、的从站。PLC、工控PC就是典型的DMP1。第二类DP主设备（DP Mster Class 2 简写DPM2）：这类设备也是主站，一般是编辑器，调试设备或操作面板。只有在某一个特定的委托时间它们才能配置或调试DP设备。DP从设备（DP Slave）：这类设备是从站，一般是外围的现场设备，如阀门，电机驱动装置，和I/O设备。 在一个总线上，可以同时存在这三种设备。工作时，任意主站可以读取所有从站的输入或输出的数据。但是只允许一个主站对其进行操作。主站采取轮询的方式逐一访问从属于自己的设备6。DPM2DPM1CNCI/O从站电机驱动设备I/OPLC现场设备PCDPM1DP-Slave PROFIB
35、US-DP图3.4 主站对从属于自己的设备的访问3.3 可编程序控制器(PLC)的介绍3.3.1 PLC简述可编程序控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，如图3.5,图3.6。是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，其应用领域包括数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理等。本章在介绍可编程序控制器基本配置的基础上，重点讲述西门子S7-300系列PLC的处理器、I/0设备7。图3.5 功模
36、块、数据存储器与用户程序 图3.6 系统工作示意图3.3.2 可编程序控制器的主要性能指标（1）可编程序控制器的存储器的组成它由两部分组成，一部分用来存放系统程序，在机器出厂前由生产广家将程序写入，用户无法改变也不能访问；另一部分用来存放用户程序所需的数据。存储容量一般指后者，包括程序存储器与数据存储器。数字输入/输出量在数据存储器中建立的文件分别称为输入/输出映象文件，也叫输入/输出映象表。模拟输入/输出量通常在数据存储器中建立块传送文件。生产厂家在生产可编程序控制器时，己按照机器型号的不同，设置了不同容量的存储器，小在lk到几k，大至1-2M。用户可根据控制对象的复杂程度不同，预估所需容量
37、，进而选择机型。在16位可编程序控制器中，存储器容量通常以字(不是字节)为基本单位，1字等于2字节；而在介绍32位可编程序控制器处理器的资料中，存储容量常以字节计。 （2）控制容量可编程序控制器的控制容量就是I/O容量，也叫I/O能力，通常以离散量(数字量)个数计。不同的可编程序控制器I/O容量的差别很大，一些微型的可编程序控制器I/O能力在20点以下，而大型可编程序控制器的I/O能力可达10K以上。由于I/O容量大小与存储容量的大小基本一致，生产厂家在生产可编程序控制器时。常常以容量的大小来设置不同的存储器容量。I/O模块、数据存储器与程序存储器之间的关系。（3）扫描周期可编程序控制器扫描周
38、期也叫处理器扫描时间。机器上电后先进行初始化工作，如复位定时器、检查I/O组件连接等，然后在此基础上开始进入系统的扫描周期，如图3.4所示。通常，将输入扫描与输出扫描合称为I/O扫描，因此处理器扫描时间为I/O扫描与程序扫描(逻辑扫描)之和。I/O扫描时间是指处理器把其输出映象表的数据写到输出模块和把输人数据从输入模块读人到处理器输入映象数据表的时间。当处理器完成了系统中所有I/O刷新之后，就开始逻辑扫描。逻辑扫描是执行用户程序的时间，程序指令对某些条件进行检查并将诙杀件与输入映象表中的位相比较。如果映象表中的位与被检查的条件相符，则逻辑为真，处理器就刷新输出映象表中相应的位(注意:不是直接改
39、变输出模块)。这个过程将连续不断地进行，直至执行到逻辑扫描的结束语句为止。这时就开始I/O扫描。在I/O扫描期间，处理器将完成内务处理和离散数据传送两项工作。内务处理时间(一般不大于4.5ms)包括处理器内部检查:用输出映象表数据刷新处理器基本框架上驻留本地I/O输出模块；用输出映象表的数据刷新远程I/O缓冲区；用处理器基本框架内的I/O输入状态刷新输入映象表；用存放在远程I/O缓冲区的远程I/O输入状态刷新输入映象表。在完成内务处理之后，处理器将进行扩展本地I/O框架(如果存在)的扫描，扩展本地I/O的离散数据在处理器数据映象表和扩展本地FO框架中的I/O之间进行交换，扫描扩展本地I/O框架
40、所需要的时间加上内务处理时间就是总的I/O扫描时间。远程I/O系统是一种独立的与程序扫描不同步的扫描。远程I/O扫描从远程I/O缓冲区取输出数据送给输出模块，并将来自输入模块的输人数据放人远程I/O缓冲区;然后CPU在I/O扫描期间，再与远程I/O缓冲区进行输入和输出映象表数据的交换。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含I/O扫描与用户程序扫描(逻辑扫描)，而这两个过程在机器运行过程中所用的时间往往是可变的。特别对程序中有条件调用和子程序调用等情况，程序中指令数目就难于确定，因此通常初略地用执行1000条指令的时间(ns/k字)来衡量机器的运行速度。（4）指令功能及软件支持由于历史的原因
41、，各厂家的PLC指令差异很大，尚无一种编程语言是各厂家的可编程序控制器互相通用的。从总体看，这些语言如梯型图、顺序功能图以及结构化文本语言等都是尽可能面向一般工程技术人员的。不同厂家产品的主要差异表现在指令的表达方式和指令的完整性上。最初的可编程序控制器只是一些简单的开关量逻辑控制器件，而且其控制数目有限，因此只有基本的输入输出及程序控制指令编程设备也很简陋;但可编程序控制器发展到现在，不仅其I/0能力大大增强，且实现了对模拟量的各种控制，其指令系统也得到充分的扩展，变得相当完善。（5）网络与通信随着计算机技术的发展，现在的PLC不仅执行速度快，单机的内存及I/O容量可以做得很大，网络通信能力
42、亦成了PLC的一个重要的指标。只有具备网络通信能力的PLC才有可能完成工厂级的控制。可编程序控制器根据在控制系统中的不同需要，通常内置不同的通信功能或集合几种通信功能。另提供一个协处理器接口，可以插以太网模块提供与以太网的连接，或插PROFIBUS协处理器模块，可在PROFIBUS网络上与其它各站通信8。3.3.3 S7-300系列PLC的硬件结构及指令系统S7-300属于模块式PLC,主要有机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。S7-300的CPU有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口。因此S7-300不需要添加任何通信处理器就可以建立一个P
43、ROFIBUS-DP网络。功能最强的CPU的RAM为512KB，最大8192各存储器位，521各定时器和512个计数器，数字量最多65536，模拟量通道最多为4096。计数器的技术范围为1999，定时器的定时范围为10ms9990s。S7-300的CPU具有智能化的诊断系统，监控系统是否正常，记录故障和系统事件。S7-300有看门狗中断、过程报警、定时中断等功能。S7-300的模块都安装在导轨上。有不同长度的导轨供用户选择。电源模块总是安装在机架的最左边，紧靠电源的是CPU模块。如果系统有本地扩展接口模块，安装在CPU的右侧。S7-300的所有模块（除了电源）都集成了背板总线，用U型总线连接器
44、将各个模块的背板总线连接在一起。除了电源模块、CPU模块和本地扩展模块，其他任何模块都可以插在任何一个槽上。系统根据其位置自动分配地址。每个机架最多能安装8个信号模块、功能模块或通信模块。如果模块数量超过8个，则可以扩展机架，用本地扩展模块IM来实现。除了带CPU的中央机架（CR）,最多可以扩展3个机架（ER），每个机架可以插8个模块（不包括电源、CPU和接口模块IM），4个机架最多可插32个模块。S7-300的CPU模块。S7-300有20中不同型号的CPU，分别适用于不同规模及不同控制要求的项目：（1）紧凑型CPU:CPU 312C, 313C, 313C-PtP, 313C-2DP, 3
45、14C-PtP和314C-2DP。各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有I/O。（2）标准型CPU:CPU 312,CPU 313,314,315,315-2DP和316-2DP。(3)户外型CPU:CPU 312 IFM,314 IFM,314户外型和315-2DP。（4）高端CPU:317-2DP和CPU 318-2DP。（5）故障安全型CPU:CPU 315F。CPU内的元件封装在一个塑料壳内，面板上有模式选择开关、通信接口、状态和故障选择指示灯LED。CPU有四种操作模式:STOP(停机)、STARTUP(启动)、RUN(运行)及HOLD(保持)。S7-
46、300的输入/输出模块。输入/输出模块统称为信号模块（SM）,包括数字量（或称开关量）输入输出模块，模拟量输入输出模块。（一）数字量输入模块接受外部开关信号，开关信号主要来自按钮、二线式光电开关、接近开关、低压电器的触点等。数字量输入模块将现场的开关信号的电平转换成PLC内部的信号电平。SM321是S7-300的数字量输入模块。（二）数字量输出模块将PLC内部信号电平转换为控制工程所需要的外部信号电平，同时有隔离和功率发大的作用。可直接用于驱动电磁阀、接触器、继电器、灯和电动机启动器等负载。SM322是S7-300的数字量输出模块，SM322是数字量输入/输出模块，即输入和输出集成在一个模块上，有两种型号可选择：DC24V,8输入/输出及DC24,16输入/16输出。(三)模拟量输入模块用于接受来自生产过程的连续变化等模拟量信号。如温度、压力、流量、液位及频率等非电量；电压、电流、有功功率、无功功率等电量。传感器检测的模拟量信号通过相应的变送器转化成标准的直流电压和电流信号，例如:DC 010,DC -10+10V,DC 1V5V;010mA和420mA。模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信号，即A/D转换。SM331是S7-300的模拟量输入模块，其输入通道能接受不同量程的电流输入或电压输入，通过模块侧面的量程卡选择输入信号的类型，
