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摘要随着计算机控制技术的迅速发展,以微处理器为核心的可编程逻辑控制器PLC控制已逐步取代继电器控制,普遍应用于各行各业的自动化控制领域本文采用集中控制器对矿井水泵房设备运行实施实时监控,自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关,并具有自诊断功能,可实现水泵房的无人值守控制系统通过以太网接入矿井工业以太网,实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享,满足矿井自动化控制的要求集中控制器采用西门子S7200系列工业级PLC及先进的过程控制软件,综合考虑矿井各种安全信息,实现井下排水监控系统的最优控制策略;井下排水监控系统的报警,信息显示,报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统从而实现中央水泵房的自动控制功能本文重点讨论了中央水泵房的自动控制设计过程、通信、模拟仿真等问题关键字PLC,西门子S7200,MCGS,工业以太网第二章绪论井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一,担负着井下积水排除的重要任务然而,目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式本章分析这种排水系统的组成及工作过程,指出其存在的问题,为井下主排水系统自动控制的研究提供依据
2.1排水系统概述
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1.1矿井生产过程中排水的重要性在煤矿地下开采的过程中,由于地层中含水的涌出,雨水和江河中水的渗透,水砂充填和水力采煤矿井的井下供水,将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系,涌水量在不同的季节也呈现不同在一些大水矿井,矿井涌水量可达到每秒17立方米,甚至超过每秒20立方米另外,煤炭开采过程中,由于地层结构被破坏,岩层断裂,使采区与储水层连通,发生突水事故,涌水量会突然增加如果不能及时地将这些积水排送到井上,井下的生产就可能受到阻碍,井下的安全就会得不到保障,严重者会造成重大事故给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁因此,井下排水就显得尤为重要井下自动排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表根据统计,每开采1吨煤就要排出2--7吨矿井水,有时甚至要排出30--40吨矿井水井下排水设备所配备电机的功率,小的几千瓦到几十千瓦,大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中,井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%--41%,一般为20%左右因此,井下排水设备运转的可靠性安全运转与经济性效率高、电耗量小,具有十分重要的意义
2.
1.2矿井排水系统的组成部分井下排水系统一般采用离心式水泵,一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成
①滤水器和底阀滤水器安装在吸水管的下端,插入吸水井下面,不得低于O.5m其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内,导致水泵被堵塞或被磨损在滤水器内装有舌型底阀,其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水,以及停泵后的存水不致漏掉但是现在的排水系统中,为了提高排水效率,减小水泵腐蚀,一般不用底阀,而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水
②闸阀调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上,位于逆止阀的下方其功用为:
①调节水泵的流量和扬程;
②起动时将它完全关闭,以降低起动电流调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小,安装时无方向性,能够方便地来调节水泵的流量和扬程等其缺点是密封面容易擦伤,检修较为困难,高度尺寸较大,在安装位置受到限制时,安装不便,结构较复杂,价格较高放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上,其作用为检修排水管路时放水用
③逆止阀逆止阀安装在调节闸阀的上方,其作用是当水泵突然停止运转如突然停电时,或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时,能自动关闭,切断水流,使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏
④灌引水漏斗、放气栓和旁通管灌引水漏斗是在水泵初次起动时,向水泵和吸水管中灌引水用在向水泵和吸水管中灌引水时,要通过放气栓又叫气嘴将水泵和吸水管中的空气放掉当排水管中有存水时,也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水,此时要将旁通管上的阀门打开此外,还可通过旁通管,利用排水管中的压力水的反冲作用,冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物,但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起
⑤压力表和真空表压力表安装在水泵的排水接管上,为检测排水管中水压大小用常用的压力表为普通弹簧管压力表,根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种表壳的公称直径有60mm100mm150mm200mm和250mm五种压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力,它比绝对压力小1个大气压真空表安装在水泵的吸水接管上,为检测吸水管的真空度用根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种表壳的公称直径和压力表一样,也分为60100150,和250mm五种真空表测量范围为0--
0.1MPa一个大气压
⑥射流泵或真空泵离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态,否则水泵转动时将无法吸水,形成“干烧”,严重影响水泵的使用寿命在无底阀的排水系统中,水泵每次起动都要灌水,这一工作由抽真空设备完成,一般使用射流泵或真空泵如图1-2所示它们的工作原理不同,但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度,保证系统正常工作
2.2井下排水系统存在的问题目前,我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统,以离心式水泵系统为主这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础,泵站的起停时间判断,完全依赖于工人的经验和已有的操作规程当水仓水位到达设定的高水位时,工人打开射流泵或真空泵,为水泵抽真空,同时观测真空表的读数真空度达到要求后,起动水泵机组,使水泵运转当水泵出水口压力表读数达到要求时,开起闸阀进行排水,同时关闭抽真空的射流泵或真空泵停泵过程要进行相反的操作当水仓积水降至低水位时,先将闸阀关死,再停水泵机组根据现场涌水量的不同,工人还要判断同时投入几台水泵工作,以便于既能及时排出积水,又能使泵站合理使用,避免过度频繁的起停其存在的问题有如下几点
①效率低、可靠性差这种排水系统的工作流程完全由手工完成,工人按部就班的完成各个执行件的操作另外,对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验作业过程比较复杂,要求工人具有很强的责任心,否则可能出现误操作,甚至发生大的事故
②工人劳动强度大人工操作无法避免高强度的劳作尤其是闸阀的操作,劳动量最大而且,水泵房要时时有人值守,以便在发生异常情况时,及时报警检修
2.3排水系统为何要实现自动控制针对上述排水系统存在的问题,本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计自动控制系统的应用,将使得排水系统可靠性增强,整个工作流程通过软件的编程来实现,程序确定后,水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门,极大的减小工人的劳动强度PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机,管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态,又可根据自动化控制信息,实现井下主排水系统的遥测、遥控
2.4我国矿井主排水系统的现状井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程随着控制理论和现代检测技术的发展,自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步传统的继电器控制方法,用人工进行检测如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等,这种检测控制方法效率低,工人劳动强度大,且由于井下环境恶劣,故障率较高所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要,取而代之的是自动化排水系统随之,一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统问世由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统,特别是在管道和水泵等环节中,各变量之间又存在着交叉,因此矿井排水系统非常适合于采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断该系统采用先进的集散式控制方式,建立了多级模块化的结构体系,提出了多参数的模糊综合决策方法目前,PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用,在矿井排水系统中,采用PLC自动监测排水系统的运行状况,自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等,所得到的动态资料准确性高,控制的可靠性高第三章中央水泵房系统的特点
3.1安全可靠性本系统采用高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式所谓多线制结构模式就是控制核心PLC与被控设备采用多线制的开关量接口作为控制及反馈的接口,因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点,同时这种结构本身是一种“星型结构”,所以某一故障点不会影响其它环节的工作,也就是说整个系统具有极高的可靠性
[1]系统结构见下图图3-1多线制开关量接口“星型”结构模式这种结构形式具有如下特点
3.
1.1手动模式为真正意义上的手动模式自动模式下由PLC通过开关量输出模块控制被控设备,当系统转为手动模式,或者PLC故障、PLC失电等特殊情况下,系统自动转为手动模式,可以通过操作就地控制柜上的按钮以继电控制的方式进行手动操作,而不是通过PLC或数据口通讯的方式控制被控设备如下图所示图3-2手动和自动模式转换
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1.2系统具有高可靠性因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点,同时这种结构本身是一种“星型结构”,所以某一故障点不会影响其它环节的工作,也就是说整个系统具有极高的可靠性C、手动操作方式为集中操作对于某一台泵而言,其手动操作完全可以通过在水泵附近的就地操作柜进行全部的手动操作,例如真空泵操作、排气阀操作、排水泵操作、主排水电动阀操作等等,不用到这些被控设备附近进行操作D、主排水泵运行电量的采集灵活主排水泵运行电量的采集即可以通过电磁启动器的微机综保的智能数据接口采集,也可以通过多线制方式直接采集二次侧的电流、电压输出,第二种采集方式特别适合于矿井电力自动化占用微机综保的智能数据接口情况下的电量采集E、系统布线较复杂由于系统采用了多线制星型的结构,所以必然造成布线较多、较复杂的缺点,但也正因如此,为系统的可靠运行提供了保证
[2]
3.2经济性
3.
2.1选泵依据水泵选型,应根据设计的工艺流程和排水要求,从以下几个方面加以考虑
1、流量是选泵的重要性能数据之一,它直接关系到整个排水系统的排水能力 在工艺设计中计算出水泵正常、最小和最大三种流量选泵时,以最大流量为依据,兼顾正常流量,在没有最大流量时,通常可取正常流量的
1.1倍作为最大流量
2、水泵的理论扬程是选泵的又一重要数据,一般要按放大5%—10%余量后得到的扬程来进行水泵选型3液体性质,包括液体介质名称,物理性质,化学性质和其它性质,物理性质有温度C密度D,粘度U,介质中固体颗粒直径和气体的含量等,这涉及到系统的扬程,有效气蚀余量计算和合适泵的类型;化学性质,主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性,是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据4 排水系统的管路布置条件吸入侧的最低液面,排出侧的最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等都要加以考虑,以便进行水泵扬程计算和汽蚀余量的校核 但是其中最主要的依据是所需要的流量
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2.2选泵原则水泵的选择应该以以下几个为原则1使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求2必须满足介质特性的要求3机械方面可靠性高、噪声低、振动小4经济上要综合考虑到设备费、运转费,维修费和管理费等,力求使的成本http://wiki.zhulong.com/baike/detail.aspt=总成本\t_blank最低5离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单http://wiki.zhulong.com/baike/detail.aspt=结构简单\t_blank、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修http://wiki.zhulong.com/baike/detail.aspt=维修\t_blank方便等特点综上所述,水泵的选择原则就是要满足在最不利工况的条件下水泵同样能够正常工作,并且在考虑各种工况下,尽可能节约投资,减少能耗对水泵台数和型号进行选定,满足对水量和水压的要求从经济和管理上对水泵台数和工作方式进行确定,做到投资,维修费最低,正常工作能耗最低
3.
2.3水泵选型本设计中使用了三台工作水泵,一台备用水泵,但每台水泵都设置了独立的排水管路为了便于采购及系统的管理,选取相同型号的四台水泵水泵主要有叶片泵、齿轮泵、离心泵三种类型,这些水泵的原理及优缺点参见《液压元件与系统》在选取水泵的时候主要考虑两个参数,即排水流量Q及扬程H设计依据是,由于存在沿程损失,局部阻尼损失等,所以水泵的实际流量和扬程要比设计流量和扬程大水泵在运行时,流量减小系数,这里取,则每台工作水泵的流量根据上一章节,得立式水泵虽然节约安装面积,但由于煤矿矿井安装空间有限,吊装困难,所以选择卧式离心水泵综合上述因数考虑,参照[卧式水泵隔振及安装],选取IS80-50-315型卧式离心水泵其参数为流量,扬程与之匹配的电机型号为Y200L2-2,电动机参数为额定转速,额定功率为了自动控制方便,这里将水泵进行以下分组编号,如表2-1表2-1水泵分组首先启动机组联动启动第一台机组联动启动第二台机组备用机组1号2号3号4号
3.3适用性和先进性由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠并且采用了MCGS组态软件控制技术取代了VC.net编程技术,不仅使可靠性大为提高而且使程序更加具有通用性,也使系统的二次开发及扩容变得更加规范、容易对于多级提升的矿井排水系统可以通过安装多级自动化排水设备做到由地面调度中心根据各级泵房水仓容量及液位统筹调度,实现高效、经济地运行同时在发生透水事故时可以做到统一动作、统一指挥本系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中,与其它子系统实现数据的共享水泵前轴预装温度、振动一体化传感器,即保证的测试精度,同时又为设备维护创造了方便的条件与其它系统的接口本系统除地面监控中心的数据接口外还提供了丰富的与电力等系统的接口,例如与高压开关柜及软启动柜之间的开关量报警接口、可以输入0-100V及0-5A的模拟量输入接口
[4]还提供了可以接入RS485通讯口的智能接口,该接口可以接入高压电机液阻启动器或低压电抗启动器,以实现对电机启动的更加全面的监视PLC控制程序采用模块化结构,系统可按程序模块分段调试,分段运行该程序结构具有清晰、简捷、易懂,便于模拟调试,运行速度快等特点;并可利用PLC控制柜上的触摸屏,可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能第四章中央水泵房系统的配置及工作原理
4.1系统设备及组成水泵房监控装置包括PLC柜、就地控制箱和外围传感器以及上位计算机等,系统组成示意图如3-1图4-1水泵房监控装置示意图控制柜(PLC柜)主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成,主要完成对信号的接受、变换、放大,并由PLC运算、判断发出各种控制信号,监控水泵的运行工况,实现水泵房的无人值守PLC的输出信号应用中间继电器隔离,实现对变频器的控制PLC的I/O接口应有不少于20%的备用量PLC柜为矿用隔爆型,PLC选用西门子公司S7200系列PLC柜电源箱和小功率多回路组合开关输入电源AC127V、50HZ,内置控制变压器和UPS(考虑为PLC和传感器提供后备电源)PLC柜通过以太网模块(光口)接入工业以太干网,实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享集中控制柜为隔爆兼本质安全型,显示屏(嵌装)、指示灯、按钮、转换开关、继电器、电源开关、蜂鸣器等都安装在集中控制台内按钮、指示灯、转换开关、继电器等采用品牌优质电器元件
[6]集中操作用于完成整套系统的控制与监视投标方应根据技术规格书的系统功能特性要求对集中控制台布置做详细设计现场设备及传感器包括就地控制箱、传感器和电磁阀等组成就地控制箱就地控制箱主要由按钮、指示灯等组成,每个就地箱备有急停按钮与相关按钮等传感器包括超声水位计、管路静压传感器、电机温度传感器等,所检测的参数主要有水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度及设备工作状态等在水泵与电机联接处增加KR-939SB2型一体化温度、振动传感器内部分别集成振动、温度探测.对水泵的运行状态进行实时监测上位计算机通过工业以太网与PLC柜里面的触摸屏进行通讯,对水泵系统的信息和数据进行采集,计算机安装了MCGS组态软件,通过组态软件将采集到的数据显示出来
4.2水泵管路系统图止回阀ZH又称单向阀或逆止阀,其作用是防止管路中的介质倒流采用微阻缓闭式止回阀防爆电动闸阀DZ使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门,实现阀门的开关、调节动作用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节,是AI控制采用AC660V电动闸阀或电液控闸阀排真空阀QF采用本质安全型电动球阀,工作电压DC24V,可手、电动由电动执行机构和球阀http://baike.baidu.com/view/
91625.htm共同构成电动球阀,是工业自动化http://baike.baidu.com/view/
712167.htm过程控制的一种管道压力http://baike.baidu.com/view/
84918.htm元件,通常用于管道介质的远程开、关(接通、切断介质)控制电动球阀它具有旋转90度的动作,旋塞体为球体,有圆形通孔或通道通过其轴线球阀在管路中主要用来做电动球阀切断、分配和改变介质的流动方向,它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密球阀最适宜做开关、切断阀使用,但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用,如V型球阀压力表P以弹性元件为敏感元件,测量并指示高于环境压力的仪表采用抗振式压力表与压力传感器配接负压表Z采用抗振式真空表与真空度传感器配接流量计Q指示被测流量和或在选定的时间间隔内流体总量的仪表采用隔爆兼本质安全型超声流流量计手动闸阀SF手动闸阀的启闭件是闸板,闸板的运动方向与流体方向相垂直,闸阀只能作全开和全关,不能作调节和节流采用DN
250、DN200(PN
1.6)手动闸阀水泵管路系统图如下图所示该图是用CAXA软件画出来的图4-2水泵管路系统图
4.3系统工作原理及工作方式泵房水泵启动开关的电量参数由PLC配以各种开关量、模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块共同完成PLC自动巡检,通过扩展工业以太网模块及井下以太网交换机及光纤收发器传给地面调度中心全自动运行时,系统的井下下位机PLC实时采集水仓水位和浮球状态,并根据水仓水位情况和浮球的状态,按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机不需要人工参与下位机在正常运行过程中,可以脱离上位机的通讯仍能正常运行就地手动工作方式时,根据水仓水位或浮球状态,就地通过现场手动控制柜手动控制水泵的启停远程手动工作时由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止;系统在正常运行过程中,不论何种工作方式,均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度室
4.4水泵控制的控制原则水泵开启时,首先检测水仓水位,当水位超过低水位(满足开泵条件),开启一台水泵,当系统第一次运行,开启一号泵当开启一台水泵运行一段时间后,发现水位仍然上涨,则顺序开启下一序号的水泵当水位下降到低水位限以下时,则停止一台水泵对于具备开启条件的水泵,在开启前首先启动真空系统,检测真空度,真空度达到后即可开启当水位超过警戒水位时出现涌流,水泵全部开启当水泵出现故障时,及时停泵,检修该无人值守系统以水仓水位作为水泵的起停的基本条件,在此条件满足的前提下,然后再根据均匀磨损的原则、电价避峰填谷的原则实现水泵的起停该原理为首先设定四个水位限值H
1、H
2、H
3、H4当水位达到报警水位时,可以开启两台水泵;当水位继续上升至超限水位时,则表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水,以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水,启动所有水泵不论投入几台水泵,水位必须下降到低限水位方可停泵即当PLC读取的水仓水位值为H4时,表示水仓水位低于低限水位,水泵机组将不投入运行;水位值≥H3,一台水泵机组投入运行,则等待水位上涨到H2时再投入一台水泵机组运行当一台机组处于运行状态时水位仍然上涨到H1,则陆续投入所有水泵机组运行至水位下降到H4时,水泵机组退出运行程序流程图如下图图4-3程序流程图
4.
4.1水泵的开机顺序每个水泵在确定需要打开后,首先启动真空泵,自动抽真空;通过真空表判断真空度是否达到开启水泵的标准;如果达到要求,则抽真空完毕,开启水泵;打开排水管路上电动阀门;关闭真空泵运行;水泵自动开机完毕图4-4水泵起动流程图
4.
4.2水泵关机顺序每个水泵在确定关闭之后,首先关闭出水电动阀门;判断闸阀是否关到位;停止排水泵运行图4-5水泵停机流程图
4.5系统配置
4.
5.1软件配置主监控系统操作系统软件为WindowsXPProfessional,编程软件采用西门子公司的STEP7V
5.3SP3,组态软件采用MCGS
4.
5.2设备清单ZP-30矿用自动排水控制装置设备清单名称规格数量生产厂家集中操作台KXJ1-200/660-3C1广州市昌宁机电设备有限公司集中控制柜KXJ1-200/660-33就地控制柜KXJ1-200/660-3L7电源柜KDW6601北京鼎天数码本安接线盒KHH系列4常熟市练塘胶木塑料配件厂传感器真空度传感器GYD-16上海鼎鑫仪器仪表有限公司压力传感器GYD-108投入式液位传感器GUY10量程
6.5m2上海坤嘉自动化科技有限公司超声波流量传感器LCZ-8032唐山汇中大方浮球开关ZQK-600-3K2大连玛赫显示仪表耐震真空度表YN-600-
1.6MPa6无锡市特种压力表有限公司耐震压力表YN-608无锡市特种压力表有限公司阀门电动球阀DFH25/7DN2019淄博德贝尔矿山设备有限公司手动球阀Q11FP-16C,DN2015天津塘沽阀门厂电动闸阀Z941H-40CDN3006常州贝斯特异径外接头DN50*201广州市昌宁机电设备有限公司软件人机界面软件 1PLC控制软件 1上位机组态软件WINCC1西门子上位机组态应用软件 1广州市昌宁机电设备有限公司监控中心光口工业换机KIEN-20001 东土科技工控机IPC-610H1 研华科技不锈钢水箱400*600*6002广州市昌宁机电设备有限公司真空泵SZB-42博山超亚第五章PLC泵房自动化控制系统设计
5.1PLC程序设计PLC程序设计采用STEP7软件编制STEP7软件是用于西门子S7-300/400型PLC创建可编程逻辑程序的标准软件,可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制S7系列PLC包括一个供电单元、一个CPU,以及输入和输出模块I/O模块PLC应用STEP7软件编制的S7程序监视控制整个系统,并通过地址寻址寻找I/O模块,实现数据的输入输出
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5.1PLC程序设计PLC程序设计采用STEP7软件编制STEP7软件是用于西门子S7-300/400型PLC创建可编程逻辑程序的标准软件,可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制S7系列PLC包括一个供电单元、一个CPU,以及输入和输出模块I/O模块PLC应用STEP7软件编制的S7程序监视控制整个系统,并通过地址寻址寻找I/O模块,实现数据的输入输出PLC编制程序时首先作硬件组态其主要任务就是在STEP7中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统生成网络、网络中各个站的机架和模块以及设置各硬件组成部分的参数即给参数赋值硬件组态确定了输入/输出变量的地址为编制顺序控制程序打下了基础然后根据手动、半自动、自动控制的方式选择,进入相应的程序流程整个程序主要包括运行前水位和供电状态检测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等模块,程序流程如图5-1所示STEP7软件通过建立在线连接下载程序到PLC以对编制好的程序进行调试,可实现程序的运行状态监视、强制性数据变更和输入输出信号的强制开/关等图5-1控制程序流程图
5.2基于PLC的井下自动排水系统总体设计
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2.1控制系统总体结构系统采用现场层远程IO控制层PLC和管理层工业计算机组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制工业计算机利用友好人机界面实现人机对话和远程监控功能,PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务,远程IO实现现场数据的采集和上传控制系统总体结构如图所示5-2系统总体结构图
5.2基于PLC的矿井主排水控制系统设计系统由PLC(可编程逻辑控制器)、触摸屏、检测部分(模拟量和开关量采集)和执行部分等组成,其硬件结构如图4-2所示5-3排水控制系统硬件结构图
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2.1PLC的主要特点PLC(ProgrammableLogicController),即可编程逻辑控制器,定义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,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
1.PLC的特点1灵活、通用在继电器控制系统中,使用的控制装置是大量的继电器,整个系统是根据设计好的电气控制图,由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的,其过程费时费力如果因为工艺上少许变化,需要改变电气控制系统时,原先整个电气控制系统将被全部拆除,而重新进行布线、焊接、固定等工作,耗费大量人力、物力、和时间而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能,若控制功能需要改变,只需修改程序及少量接线即可而且,同一台PLC还可用于不同控制对象,通过改变软件则可实现不同控制的控制要求因此,PLC具有很大的灵活性和通用性,结构形式多样化,可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求2可靠性高、抗干扰能力强可靠性是工业控制器件的重要指标因此,要求在各种恶劣工作环境和条件如电磁干扰、灰尘等下可靠工作,将故障率降至最低PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力,不会出现继电器一接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象,故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”3编程简单、使用方便PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程,容易掌握目前,PLC大多采用梯形图语言编程方式,它既继承了继电器控制线路的清晰直观感,又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际,电气技术人员易于编程,程序修改灵活方便这种面向控制过程、面向问题的编程方式,与汇编语言相比,虽然增加了解释程序和程序执行时间,但对大多数机电控制设备来说,PLC的控制速度还是足够快的此外,PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接如继电器、接触器、电磁阀等联接,具有较强的驱动能力4接线简单PLC只需将输入设备如按钮、开关等与输入端子联接,将输出设备如接触器、电磁阀等与输出端子联接接线极其简单、工作量极少5功能强PLC不仅具有条件控制、定时、计数、步进等控制功能,而且还能完成A/D.D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等因此,PLC既可对开关量进行控制,又可对模拟量进行控制可控制一台单机、一条生产线,也可控制一个机群、多条生产线可用于现场控制,也可用于远距离控制可控制简单系统,又可控制复杂系统6体积小、重量轻、易于实现机电一体化PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机,其结构紧凑、坚固耐用,以及有很强的可靠性和抗干扰能力,易于嵌入机械设备内部因此,PLC在机电一体化产品中被广泛应用
2.PLC的主要功能PLC是应用面很广,发展非常迅速的工业自动化装置,在工厂自动化FA和计算机集成制造系统CIMS内占重要地位今天的PLC功能,远不仅是替代传统的继电器逻辑PLC系统一般由以下基本功能构成.多种控制功能.数据采集、存储与处理功.通信联网功能.输入/输出接口调理功能.人机界面功能.编程、调试功能1控制功能逻辑控制:PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能,可以代替继电器进行开关量控制定时控制:它为用户提供了若干个电子定时器,用户可自行设定:接通延时、关断延时和定时脉冲等方式计数控制:用脉冲控制可以实现加、减计数模式,可以连接码盘进行位置检测顺序控制:在前道工序完成之后,就转入下一道工序,使一台PLC可作为多部步进控制器使用2数据采集、存储与处理功能数学运算功能包括:.基本算术:加、减、乘、除.扩展算术:平方根、三角函数和浮点运算.比较:大于、小于和等于数据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出模拟数据处理:PID、积分和滤波3输入/输出接口调理功能具有A/D.D/A转换功能,通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节精度,可以根据用户要求选择具有温度测量接口,直接连接各种电阻或电偶4通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术,有RS232或RS485接口,可进行远程I/O控制,多台PLC可彼此间联网、通信,外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间,实现程序和数据交换,如程序转移、数据文档转移、监视和诊断通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移在系统构成时,可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络,以便完成较大规模的复杂控制通常所说的SCADA系统,现场端和远程端也可以采用PLC作现场机5人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息;允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用,以便作决策和调整实现人机界面功能的手段:从基层的操作者屏幕文字显示,到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统6编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏,进行编程、调试、监视、试验和记录,并通过打印机打印出程序文件
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2.2PLC的基本工作原理PLC运行时,内部要进行一系列操作,大致可分为四大类以故障诊断、通信处理为主的公共操作,联系工业现场的数据输入和输出操作,执行用户程序的操作,以及服务于外部设备的操作(如果外部设备有中断请求)其过程示意图如图4-3所示与其它计算机系统一样,PLC的CPU是采用分时操作的原理,每一时刻执行一个操作,随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描PLC的用户程序由若干条指令组成,指令在存储器中按序号顺序排列CPU从第一条指令开始,顺序逐条地执行用户程序,直到用户程序结束然后返回第一条指令开始新的一轮扫描PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环的PLC接通电源后,在进行循环扫描之前,PLC首先确定自身的完好性,这是起始操作的主要工作PLC进行清零或复位处理,消除各元件状态的随机性;检查I/O单元连接是否正确;启动监控定时器T0,执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序,如果所用的时间不超过T0,则可证实自身完好,否则系统关闭此后,将监控定时器T0复位,允许扫描用户程序PLC的基本工作过程为图PLC工作原理示意图1公共操作公共操作是在每次扫描程序前进行自检,若发现故障,除了故障灯外,还可判断故障性质一般性故障,只报警不停机,等待处理;严重故障,则停止运行用户程序,此时PLC切断一切输出联系
2、数据I/O操作数据I/O操作也称为I/O状态刷新它包括两种操作一个是采样输入信号,即刷新输入状态表的内容;二是送出处理结果,即用输出状态表的内容刷新输出电路在PLC的存储器中,有一个专门存放I/O的数据区,其中对应于输入端子的数据区,我们称之为输入映像存储器当CPU采样时输入信号由缓冲区进入映像区,这就是数据输入状态刷新;同样道理,CPU不能直接驱动负载当前处理的结果放在输出映像存储器区内,在程序执行结束后,才将输出映像区的内容通过锁存器输出到端子上这步操作称为输出状态刷新
3、执行用户程序操作在程序执行前复位监控定时器T1,即执行程序并开始计时监控定时器T1就是通常所说的“看门狗”,它是用来监视程序执行是否正常的,正常时,执行完用户程序所用的时间不会超过T1的设定值,执行完用户程序后立即使“看门狗”复位,表示程序执行正常当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环时,“看门狗”会发出超时报警信号,使程序重新开始执行如果是偶然因素造成超时,重新扫描程序不会再遇到“偶然干扰”,系统便转入正常运行;若由于不可恢复的确定性故障,则系统会自动地停止执行用户程序、切断外部负荷、发出故障信号,等待处理
4、处理外设请求操作每次执行完用户程序后,就进入服务外设请求命令的操作,外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断外设请求一般不会影响系统正常工作,而且可能更有利于系统的控制和管理如果没有外设请求,系统则会自动循环地扫描进行
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2.3PLC地址分配和实现控制功能从系统的控制功能上来说,应具备以下七大功能
一、数据自动采集与检测数据自动采集与检测主要分为两类模拟量数据和数字量数据模拟量检测的数据主要有水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3台水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力;数字量检测的数据主要有水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动闸阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电动球阀状态数据自动采集主要由PLC实现,PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位,将水位变化信号进行转换处理,计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率,从而判断矿井的涌水量,控制排水泵的启停影响水位的因素主要来自两方而:一是水位计故障如遭受杂物撞击,二是水位信号受干扰如水波动较大对于前一个因素采用双水位计,在水仓中设置两个同样的水位计,PLC同时对两个水位计取样如果两路信号相差大于
0.15m时系统报警,要求值班人员进行检查;而对于信号干扰,则采用软件过滤,只有当信号在某一值附近稳定足够时间,且回差足够小时才作为控制量使用,防止了因干扰而泞致机组误动的情况在数据采集过程中,模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号(A/D转换),其变换速度由采样定律确定一般情况下,采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2倍以上,这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换,可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化,适用于噪音严重的工业场所
二、自动轮换工作为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现,当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时,而不能及时投入以至影响矿井安全,本系统程序设计了3台泵自动轮换工作控制,控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计,系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路,使各水泵及其管路的使用率分布均匀,当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时,系统自动发出声光报警,并在触摸屏上动态闪烁显示,记录事故,同时将故障泵或管路自动退出轮换工作,其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作,以达到有故障早发现、早处理,以免影响矿井安全生产的目的
三、“避峰填谷”所谓“避峰填谷”,是指调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作,尽量避免在“峰段”启动要实现“避峰填谷”,需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段,将水仓的水位排至设定的低位,以便水仓能够腾出尽可能大的容积,使其在“峰段”容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵
四、系统保护功能超温保护水泵长期运行,当轴承温度或定子温度超出允许值时,通过温度保护装置及PLC实现超限报警流量保护当水泵启动后或正常运行时,如流量达不到正常值,通过流量保护装置使本台水泵停车,自动转换为启动另一台水泵电动机故障利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障,并参与控制电动闸阀故障由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障,并参与水泵的联锁控制
五、动态显示动态模拟显示选用西门子公司的ET200M(触摸屏),系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电动闸阀和电动球阀的运行状态,采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置,实时显示水泵抽真空情况和压力值用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位,并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警,用不同音响形式提醒工作人员注意采用图形、趋势图和数字形式直观地显示3趟管路的瞬时流量及累计流量,对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、超限报警,自动记录故障类型、时间等历史数据,并在屏幕下端循环显示最新出现的3条故障(故障显示条数可在触摸屏上设置),以提醒工作人员及时检修,避免水泵和电机损坏
六、通讯接口PLC通过通讯接口和通讯协议,与触摸屏进行全双工通讯,将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏,完成各数据的动态显示;同时,操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PLC,控制水泵运行PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机,与全矿井安全生产监控系统联网,管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态,又可根据自动化控制信息,实现井下主排水系统的遥测、遥控,并为矿领导提供生产决策信息触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表,记录系统运行和故障数据,并显示故障点以提醒操作人员注意
七、三种工作方式系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式自动时,由PLC检测水位、压力及有关信号,自动完成各泵组运行,不需人工参与;半自动工作方式时,由工作人员选择某台或几台泵组投入,PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作;手动检修方式为故障检修和手动试车时使用,当某台水泵及其附属设备发生故障时,该泵组将自动退出运行,不影响其它泵组正常运PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮,设备检修时,可防止其他人员误操作,以保证系统安全可靠系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行经过粗略计算,需要数字量输入64点,数字量输出56点,模拟量输入通道22路,其具体分配见表5-1,5-2,5-3表5-1模拟量输入通道统计表模拟量输入通道数水仓水位1水泵真空度3出水口压力3排水管流量3水泵轴承温度3电机温度3电机电流3电机电压3总计22表5-2数字量输入点数统计表数字量输入点数电动闸阀开3电动闸阀关3电动闸阀停3电动闸阀开到位3电动闸阀关到位3电动闸阀开过转矩3电动闸阀关过转矩3真空泵状态2电机合闸3电机分闸3电机合闸到位3电机分闸到位3真空泵球阀开到位2真空泵球阀关到位2球阀开到位9球阀关到位9故障复位1急停1操作方式选择3真空泵射流管启动方式选择1总计64表5-3数字量输出点数统计表数字量输出点数真空泵球阀开2真空泵球阀关2排水泵球阀开9排水泵球阀关9电动闸阀开3电动闸阀关3电动闸阀开到位3电动闸阀关到位3电动闸阀开过转矩3电动闸阀关过转矩3真空泵电机开3真空泵电机关3水泵电机开3水泵电机关3警铃1故障显示灯1总计54考虑到前面的设计中I/O点数可能有疏漏,并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求,应在统计后得出的I/O总点数基础上,增加10%到15%的裕量考虑裕量后的I/O总点数即为I/O点数估计值选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估计值,并应尽量避免使PLC能力接近饱和,一般应留有30%的裕量
(2)存储器容量选择PLC的I/O点数估算值大小,在很大程度上反映了PLC系统的功能要求,因此可以在I/O点数估算值的基础上计算对PLC存储器容量的需求目前,大多用统计经验公式进行存储器容量估算这种方法是以PLC处理每个信息量所需存储器数的统计平均经验值为依据,乘以信息量数再考虑一定的裕量计算得到存储器需要容量作为一般应用下的一种经验公式是存储器容量(KB)=L1L25×DI×Do×5+AI/o×1001024其中DI为数字量输入总点数;DO为数字量输出总点数;AI/O为模拟量I/O通道总数DI点数估计值为64×
1.15=74,DO点数估计值为56×
1.15=65,AI通道估计值为22×
1.15=26个所以存储器容量为:
1.2×74×10+65×5+26×100/1024=
3.58KB工程实践中,大多采用粗略估算,加大裕量,实际选型时参考此值采用就高不就低的原则
(3)响应速度PLC是为工业自动化而设计的通用控制器,不同档次的PLC的响应速度一般能满足起应用范围内的需要如果要跨范围使用PLC,或者应用中的某些功能或信号有特别的速度要求时,确定PLC的型号就应特别慎重通过上面的计算,考虑系统通讯要求,选用SIMATICS7-300系列中的CPU315-2DP是最合适的其中最主要的原因是CPU315-2DP是S7-300系列中唯一带现场总线PROFIBUSSINECL2-DP接口的CPU模块内置80KBRAM,随机存储器为48KB,最大数字量I/O点数为1024个,最大模拟量I/O通道数为128个最大配置4个机架,32块模块满足设计需要选用CPU315-2DP处理器;PS307电源模块;ET200M远程控制单元;CP342-2DP通信模块;CP340通信模块;SM321数字量输入模块;SM322数字量输出模块;SM331模拟量输入模块
5.
2.4S7--300PLC的基本组成本系统选用德国西门子公司的SIMATICS7-300系列PLC系统S7-300系列PLC是模块化结构设计,各种单独模块之间可以进行广泛组合和扩展它的系统构成如图5-4所示其主要组成部分有导轨RACK、电源模块PS、中央处理单元模块CPU、接口模块IM信号模块SM、功能模块FM等它可以通过MPI连接电缆或通讯模块与计算机进行通讯,再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术,使其具有极高的可靠性,极其适合本系统的需求除此之外,它自带的STEP7编程软件功能强大,使用方便,也使开发过程变得简单快捷图5-4S7-300PLC系统构成框图
一、中央处理单元CPU同一般的微处理器一样,中央处理单元是PLC的主要部分,是系统的核心它通过输入装置读入外设的状态,由用户程序去处理,并根据结果通过输出装置去控制外设一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统一个为字处理器,多为8位或16位微处理器另一个是位处理器,也称为布尔处理器,是一些厂家设计制造的专用芯片字处理器是主处理器,由它处理字节操作指令,控制系统总线、内部计数器、内部定时器,监视扫描时间,统一管理编程接口,同时协调位处理器及输入输出位处理器也称从处理器,它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现PLC编程语言向机器语言的转换位处理器的采用,加快了PLC的扫描速度,使PLC能较好的满足实时控制要求
二、输入/输出部件输入/输出部件通常亦称I/O单元或I/O模块,PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系通过I/O接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数,以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据同时PLC又通过I/O接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O单元,有各种各样的I/O单元供用户选用外部设备传感器和执行机构所需的信号电平是多种多样的,而PLC中CPU处理的信息只能是标准电平,所以I/O单元需实现这种转换I/O单元的主要类型有数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等SM321数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平对于现场输入元件,仅需要提供开关触点即可输入信号进入模块后,一般都经过光电隔离和滤波,然后才送至输入缓冲器等待CPU采样数字量输入模块SM321有直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入四种型号模块可供选择SM322数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平,可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等按负载回路使用的电源不同分为直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块按输出开关器件的种类不同又可分为晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器输出方式晶体管输出方式的模块,只能带直流负载,属于直流输出模块,没有反极性保护措施,输出具有短路保护功能,使用于驱动电磁阀和直流接触器可控硅输出方式属于交流输出方式,适用于驱动交流电磁阀、接触器、电机启动器和灯继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块,其额定负载电压范围较宽,直流可以从24V到120V,交流可以从48V到230VSM322有16点晶体管输出、32点晶体管输出、16点可控硅输出、8点晶体管输出、8点可控硅输出、8点继电器输出和16点继电器输出共七种型号输出模块可供选择SM331模拟量输入模块主要由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,积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数,也即积分时间越长,被测值的精度越高SM331可选四档积分
2.5ms,
16.7ms,20ms,100ms,相对应的以位表示的精度为9,12,12,14位模拟量模块都装有量程模块,调整量程块的插入位置可改变模块的硬件结构“A”位置用于测量±1000MV以内的小电压信号,由于电阻和热电偶信号均属于这个范围,所以“A”位置适用于它们“B”位置适合测量±10V以内的大电压信号,如±
2.5V,±5V,1~5V等“C”位置用于测量由4线变送器产生的±20mA以内的电流信号“D”用于测量2线变送器产生的4~20mA电流信号,并通过测量信号线对变送器供电SM331有8×12位和2×12位两种规格型号模块SM332模拟量输出模块可以输出电压,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线回路可以获得比较高的输出精度如图4-5所示,检测线S+和S-直接接到负载上这样,在负载端直接测量和校准电压采用2线回路时,S+和S-可以保持开路,但是输出精度不如4线回路高在电流输出方式时,将负载连接到QI和MANA上即可QI和QV实际上是同一个端子图5-5通过4线回路将负载与隔离的模出模块相连
三、存储器在可编程控制器系统中,存储器主要存放系统程序、用户程序及工作数据系统程序是由PLC的制造厂家在研制系统时确定的,和机器的硬件组成有关,完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信和各种参数设定等功能系统程序在PLC使用过程中是不变动的,中小型PLC多使用EPROM或PROM来存放,大型PLC多使用熔丝快速ROM存放系统程序关系到PLC的性能,用户不能访问,修改这一部分存储器的内容用户程序是随PLC的应用对象而定的,它是用户根据使用环境和生产工艺的控制要求来编写的用户程序一般存放于带有后备电池的CMOS静态RAM、紫外线可擦的EPROM和电可改写的EEPROM中为保证在断电和加电的瞬间,RAM中的数据不丢失或被随机改写,应采取掉电抗干扰保护措施和选择带控制端的CMOSRAM,控制端有效时禁止外电路对存储器的读写,只维持数据,避免了电源波动和正常电源与后备电池切换时产生的误写入工作数据是PLC在应用过程中经常变化、经常存取的一些数据这部分数据存储在RAM中,以适应随机改写的要求在PLC系统的工作数据存储区,开辟有输入输出数据映像区、计数器、定时器、辅助继电器等逻辑部件,这些部件的设定值和当前值是根据用户程序的初始设置和运行状况而确定的根据需要,部分数据在停电时用后备电池维持现行状态在掉电时可以保持数据的存储器区域称保持数据区综上所述,PLC所用存储器基本上由PROM、EPROM、EEPROM及RAM等组成,存储容量的大小随机器的型号而变化由于系统程序用户不可改变,因而PLC产品样本或使用说明书中所列存储器容量,系指用户程序和数据存储器而言
四、外部设备
1、人机接口人机接口装置可分为操作员接口、加固的“半智能”型CRT接口、“智能”接口操作员接口用于实现操作人员与PLC控制系统之间的对话,人机接口的最简单和最普通的形式是由安装在控制台上的按钮、转换开关、指示灯、LED数字显示器和声光报警器等元件组成加固的“半智能”型CRT接口为密封型,可以长期安装在操作台和控制柜的面板上,通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT终端上显示出来用于PLC控制系统的最高级、最复杂的人机接口是一种“智能”终端,它有自己的微处理器和存储器,能够与操作人员快速地交换信息,并通过通信接口与PLC相连,它可以作为本地通信网络的接口
2、外存储器PLC的CPU模块内的半导体存储器称内存储器,或者简称内存有时用磁带和磁盘来存储PLC的用户程序磁带和磁盘称为外存储器存储在它们里面的信息可以长期保存如果存放在PLCRAM内的程序丢失,可以重新装入保存在磁带或磁盘中的程序盒式磁带录音机和磁盘驱动器可能在编程器系统之内,也可能是单独的装置,由编程器或其它智能模块向它们提供接口在离线开发用户程序可编程装置中,外存储器特别有用
3、EPROM写入器EPROM写入器用来把用户程序写入到EPROM中去它提供了一个非易失的用户程序的保存方法,存放在EPROM中的程序在没有电源的情况下也不会丢失同一PLC系统的各种不同应用场合的用户程序可以分别写入到几片EPROM中,在改变系统的工作方式时只要更换EPROM就可以了
五、电源部件PLC配有开关式稳压电源,供内部电路使用与普通电源相比,PLC电源稳定性好,抗干扰能力强有些机型还向外提供24VDC的稳压电源,用于对外部传感器供电,这就避免了由于电源污染或不合格电源产品而引起的故障S7-300系列PLC就配有专用电源模块PS
3075.3西门子ET200M与PROFIBUS-DP总线
5.
3.
1、ET200MSIMATICET200M是采用模块化的设计,方便安装于控制柜且与SIMATICS7-300I/O模块及功能模块兼容,安全性高支持“热插拔”功能,适合过程控制中危险区域使用,远程扩展使用等特殊情况ET200M是高密度配置的模块化I/O站,保护等级为IP20它可用S7-300可编程序控制器的信号、功能和通讯模块扩展由于模块的种类众多,ET200M尤其适用于复杂的自动化任务可插入模拟量HART的输入和输出模块,意味着ET200M适用于过程工程它也适宜于与冗余系统一起使用ET200M是在PROFIBUS-DP上的被动站从站最大数据传输速率为12M位/SET200M也可以在运行过程中,在有电源情况下配置S7-300I/O模块的有源总线模块,其余模块仍继续运行ET200M由以下部分组成
1、IM153接口用于与PROFIBUS-DP现场总线的连接;
2、各种I/O模块用总线连接器连接或插入在有源总线模块内总线连接器设计,在运行过程中不能更换模块;有源总线模块设计,在运行过程中能更换模块;
3、电源如有必要;
4、S7-300自动化单元的所有I/O模块都可应用功能和通信模块只用于SIMATICS7/M7主设备;
5、HART模块ET200M最多可扩展8个I/O模块,每个ET200M的最大地址区128字节输入和128字节输出ET200M通过RPOFIBUS-DP与PLC控制柜连接通信
5.
3.2PROFIBUS-DP总线PROFIBUS是世界上最大的开放式工业现场总线网络之一这种网络能够支持32个节点,最高运行速度为12Mbps与大多数现场总线系统一样,PROFIBUS能够减少运营成本,提高生产效率,加快新品上市时间,并改善产品质量与标准4~20mA控制不同,PROFIBUS能够在由一根双绞线电缆组成的单一总线网段上,支持32个工作站PROFIBUS-DP是PROFIBUS现场总线的三个兼容版本之一,它是专为自动控制系统和设备分散I/O之间通信设计的,是经过优化的高速、廉价的通信连接PROFIBUS-DP的特点
1、代替PLC/PC与I/O之间昂贵的电线;
2、快速,传输1千字节的输入数据和1千字节的输出数据所需时间2ms;
3、强有力的工具,减少组态和维护费用;
4、被所有主要的PLC制造商支持;
5、有广泛的产品PLCPCI/O驱动器编码器等;
6、允许周期性和非周期性的数据传输;
7、单主和多主网络;
8、每个站的输入和输出数据最多可达244字节多线制开关了量接口多线制开关量接口多线制模拟量接口光纤地面监控服务器PLC控制器现场传感器真空泵启动柜操作面板1#真空泵2#真空泵1#真空泵阀2#真空泵阀1#泵就地控制柜操作面板1#泵启动柜1#电动阀门1#逆止阀......启动按钮自动模式被控设备手动模式PLC开关量输出停止按钮闭锁触点。