基于S7300.docx
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基于S7300
[摘要]本课题是用S7-300PLC和ADAM模块对模拟工程现场的压力、温度、流量、液位四大参数进行控制,主要完成控制实验台的设计。
用S7-300PLC、ADAM模块、智能仪表等做控制器,用变频器、调节阀、电加热丝做执行器,设计过程控制单双回路控制系统。
还包括实验台机械台架设计、交直流供电设计、端子排设计、防干烧联锁设计等工程设计。
设计过程按照过程控制工程项目设计的方法、步骤和内容,最后绘制出完整的工程图纸和仪表数据表。
实验台和控制对象配合在一起,可以满足过程控制实验、课程设计、毕业设计的需要,设计出的工程图纸和技术文档可以作为自动化教学科研的学习资料。
[关键词]实验台;S7-300PLC;亚当模块;过程控制
ProcessControlWorkbenchDesignBasedontheS7-300PLCandADAMModule
AutomationSpecialtyZHANGTian-peng
Abstract:
Thistaskusesthes7-300andADAMmoduletocontrolthepressure,temperature,flow,levelfourparametersonthesimulationprojectsite,majordesigningworkbench.UsingS7-300PLC,ADAMmodules,intelligentinstruments,ascontroller,inverter,controlvalves,heatingwireastheactuator,designprocesscontrolofsingleanddouble-loopcontrolsystem.Benchmechanicalrigdesign,ACandDCpowersupplydesign,terminaldesign,anti-dryinterlockingdesignengineering.Designprocessinaccordancewiththemethods,proceduresandcontentofthedesignofprocesscontrolprojects,andfinallydrawacompleteengineeringdrawingsandinstrumentdatasheets.Benchandthecontrolobjectscanmeettheprocesscontrolexperiment,curriculumdesign,graduatedesignneeds.Engineeringdrawingsandtechnicaldocumentationcanbeusedaslearningmaterialsforautomatedteachingandresearch.
Keywords:
Workbench;S7-300PLC;ADAMmodule;processcontrol
目录
1引言1
2实验台的设计和安装1
2.1实验台架的设计和安装1
2.1.1试验台架的设计1
2.1.2主要实验设备的安装2
2.1.3端子排设计2
2.2S7-300PLC的选型与安装2
2.2.1S7-300系统概述2
2.2.2S7-300系统结构3
2.3ADAM模块的选型与功能简介3
2.3.1ADAM-4017/4017+模块简介3
2.3.2ADAM-4021(4024)模块简介5
2.3.3ADAM4055模块简介6
2.3.4ADAM4520模块简介6
2.4变频器的选择与功能简介6
2.5智能仪表的选型与功能简介8
2.5.1AI系列智能仪表概述8
2.5.2技术规格8
2.5.3仪表接线9
2.5.4面板说明10
3控制台供电线路的设计与安装11
3.1空气开关线径线缆的选择11
3.1.1空气开关的选择11
3.1.2线径的选择11
3.1.3线缆的选择12
3.2控制台供电线路的设计12
3.3防干烧联锁设计13
4实验项目简介14
4.1恒压供水14
4.2水箱液位单回路PID控制15
4.3管道流量单回路PID控制17
4.4锅炉温度单回路PID控制18
4.5液位流量串级控制19
结束语21
参考文献22
附录23
致谢33
1引言
过程控制通常是指石油,化工,电力,冶金,轻工,建材,核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产工程自动控制,它是自动化技术的重要组成部分。
在现代化工业生产过程中,过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标,提高经济效益和劳动生产率,改善劳动条件,保护生态环境等方面起着越来越大的作用。
近几年来,由于计算机、通信、网络技术的迅速发展,工业监控系统也发展到新一代水平。
随着工艺流程由简单过程向大型化、连续化、复杂化方向发展,控制系统由简单控制系统发展为复杂控制系统。
现代工业生产过程中,随着生产规模的不断扩大、生产过程的强化、对产品质量的严格要求以及各公司之间的激烈竞争,人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求。
过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的装备,为保证现代企业安全、优质、低消耗和高效益生产提供了有效的技术手段。
而且随着资源能源的紧缺,人类生存环境条件的恶化,对过程工业的自动控制要求越来越高。
本课题是用S7-300PLC和ADAM模块对模拟工程现场的压力、温度、流量、液位四大参数进行控制,主要完成控制实验台的设计。
用S7-300PLC、ADAM模块、智能仪表等做控制器,用变频器、调节阀、电加热丝做执行器,设计过程控制单双回路控制系统。
还包括实验台机械台架设计、交直流供电设计、端子排设计、防干烧联锁设计等工程设计。
设计过程按照过程控制工程项目设计的方法、步骤和内容,最后绘制出完整的工程图纸和仪表数据表。
涉及过程控制工程项目设计的工作方法,工作内容,工作步骤。
2实验台的设计和安装
2.1实验台架的设计和安装
2.1.1试验台架的设计
本实验台的设计目的在于模拟工业现场对工业生产过程进行控制。
设计时力求与工业现场保持一致。
本实验台由基座和控制面板两大部分组成。
基座有三角钢通过人工截取和固定组建而成,主要为控制台提供支撑。
具体形状为一个长方体,长、宽、高,分别为100cm、50cm、75cm。
上面固定一块等大的PV塑料板。
控制面板由PV塑料板通过三角钢固定竖立在控制台正中间。
控制面板长、宽,分别为100cm、75cm。
各种设备安装在控制面板正面,配电线路以及端子排一律安装在控制面板后面,此举既能方便操作,又能有效的保护人身安全,符合工业现场设计规则[1]。
2.1.2主要实验设备的安装
为完成控制要求本实验台主要选用的设备有S7-300PLC、ADAM模块、变频器、智能仪表、空开开关、按钮等。
具体安装位置为,PLC的导轨安装在控制面板的右上角,S7-300的各个模块安装在导轨上。
右下方安装ADAM模块。
左上方安装变频器,变频器与PLC中间安装智能仪表,左侧中间安装两排S7-300的控制按钮,一共十六个。
左下方安装空气开关和开关指示灯。
一共有四个空气开关,分别命名为一号、二号、三号、四号。
其中一号开关控制变频器、磁力驱动泵,二号开关控制两个QS电动调节阀、两个电磁流量传感器、两个温度变送器,三号开关控制S7-300PLC、ADAM模块、压力传感器、24V直流电源,四号开关控制接触器、加热丝。
我们用四个空气开关对各个设备及对象分开控制。
这样做的好处是各个设备及对象单独供电,减少了因某个开关的损坏造成的影响,提高了设备的稳定性。
而且这样做可以做到需要用那些设备就给其供电,避免了需要用其中个别设备就全部供电的缺点,减少了能源消耗。
同时又提高了设备的安全性能。
这样做既符合工业生产过程中对设备稳定性和安全性的要求,也响应了国家节能减排的号召。
2.1.3端子排设计
电力电子配接线中,凡屏内设备与屏外设备相连接时,都要通过一些专门的接线子,这些接线端子组合起来,便称为端子排。
端子排的作用就是将屏内设备和平外设备的线路相连接,起到信号(电流电压)传输的作用。
有了端子排,使得接线美观,维护方便,在远距离线之间的联接时主要是牢靠,施工和维护方便。
选择的端子排型号为TB--1512L,600V15A。
一共分上中下三排。
上排连接PLC,中排连接ADAM模块、智能仪表,下排连接各个传感器,变送器及24V直流电源。
端子排图见附录。
2.2S7-300PLC的选型与安装
2.2.1S7-300系统概述
SIMATICS7-300PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。
其中,微型的有SIMATICS7-200系列,最小配置为8DI/6DO,可扩展2-7个模块,最大I/O点数为64DI/DO;12AI/4AO。
中小型的有SIMATICS7-300系列,中高档性能的S7-400系列。
SIMATICS7系列PLC都采用了模块化、无排风扇结构和易于用户掌握等特点,使得S7系列PLC成为各种从小规模到中等性能要求以及在规模应用的首选产品。
该系列提供了完成控制任务既方面以经济的解决方案。
其中,S7-300由于其系统的优良特性,近年来,被广泛应用于专用机床、纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化、电器制造工业及相关产业等诸多领域。
S7-300提供了多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块,各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务,使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块,而且当控制任务增加并且愈加复杂时,可随时附加模块对PLC进行扩展,系统扩展灵活[2]。
2.2.2S7-300系统结构
中央处理单元(CPU)。
SIMATICS7-300提供了多种不同性能的CPU,以满足用户不同的要求,包括有CPU312FM、CPU314、CPU315、CPU315-2等。
这里使用的是CPU315-2。
CPU模块除完成执行用户程序的主要任务外,还为S7-300背板总线提供5V直流电源,并通过MPI与其他中央处理品或编程装置通信
信号模块(SM)。
模块SM使不同的过程信号电平和S7-300的内部信号相匹配,主要有SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块、SM322模拟量输出模块。
每个信号模块都配有自编码的螺钉型前连接器,外部信号可方便地连在信号模块的前连接器上。
特别指出的是其模拟量输入可以接入热电偶、热电阻、4-20mA电流、0-10V等18种不同的信号,输入量程范围很宽。
通信处理器(CP)。
用于连接网络和点对点连接,例如,具有RS-232C接口的CP340,CP5412等。
功能模块(FM)。
用于高速计数、定位操作(开环或闭环控制)和闭环控制。
例如FM352电子凸轮控制模块、FM353步进电机定位模块、FM351伺服电动机位模块等。
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),可以操作达32个模块。
S7-300具有高电磁兼容性和强抗振动、冲击性,使其具有最高的工业环境适应性。
电源模块。
有多种电源模块可以为S7-300PLC和需要24V直流的传感器/执行器供电,比如PS305,PS307。
PS305电源模块是直流供电,PS307是交流供电。
CPU模块。
对于某些CPU,单元配置和数量不同。
CPU315-2DP具有48KB的装载存储器,可用存储卡扩充装载存储器容量最大到512KB。
每执行1000条二进制指令约需0.3ms,最大扩展1024点数字量或128个模拟量通道,最大可配置4个机架、32个模块。
2.3ADAM模块的选型与功能简介
ADAM模块我们选择研华RS-485I/O模块(ADAM-4000和ADAM-5000/485系列)各个模块简介如下:
2.3.1ADAM-4017/4017+模块简介
ADAM-4017/4017+是16位A/D8通道的模拟量输入模块,可以采集电压、电流等模拟量输入信号。
它为所有通道都提供了可编程的输入范围,这些模块为工业测量和监控的应用中提供很好的性价比;而且它的模拟量输入通道和模块之间还提供了3000V的电压隔离,这样就有效的防止模块在受到高压冲击时而损坏。
ADAM-4017支持6路差分,2路单端信号,输入范围+/-150mV,+/-500mV,+/-1V,+/-5V,+/-10V,+/-20mA。
如果测试电流信号,需在该通道的输入端口并联一125欧姆的精密电阻。
ADAM-4017+支持8路差分信号,还支持Modbus协议。
各通道可独立设置其输入范围,同时在模块右侧使用了一个拨码开关来设置INT和正常工作状态的切换,4017+还增加了4~20mA的输入范围,测量电流时,不需要外接电阻,只需打开盒盖,设置跳线到△即可。
ADAM-4017+如图1所示。
图1ADAM-4017+
ADAM-4017/4017+通讯连接如图2所示。
图2ADAM-4017/4017+通讯连接
变送器的“+”接24V供电电源的高电压端,变送器的“-”接模块/板卡的Vin+,Vin-接24V电源对应的低电压端(GND)。
注意在模块/板卡的Vin+和Vin-并联250ohm电阻。
ADAM-4017+8通道模拟量输入模块接线如图3所示。
图3ADAM-4017+8通道模拟量输入模块接线图
2.3.2ADAM-4021(4024)模块简介
ADAM-4021是1路模拟量输出通道,分辨率为12位,输出范围0~20mA,4~20mA,0-10V。
ADAM-4024是4路模拟量输出通道,分辨率为12位,输出范围0~20mA,4~20mA,+/-10V,支持Modbus协议。
用户可以通过配置软件配置电压或电流的建立速率和启动输出。
(1)ADAM-4024如图4所示。
图4ADAM-4024
(2)ADAM-4021(4024)通讯连接如图5所示。
图5ADAM-4021(4024)通讯连接
(3)ADAM-4021(4024)模块简单控制接线如图6所示。
图6ADAM-4021(4024)模块简单控制接线图
2.3.3ADAM4055模块简介
ADAM-4055带LED显示的16路隔离数字量输入/输出模块,提供8通道数字输入和8通道隔离数字输出。
输入接收10~50V电压,且输出提供5~40VDC开放式采集。
主要特点:
●I/O类型:
8DO/8DI
●输入电压电平:
10~50Vdc
●集电极开路40Vdc
●支持modbus/RTU协议
2.3.4ADAM4520模块简介
ADAM-4520隔离转换器可以将RS-232信号转换为隔离RS-422或RS-485信号。
ADAM-4520中的电路自动侦测数据流的方向,免除了网络中的握手请求,仅需两根导线就可以构建一个RS-485网络。
传输速率最高可达115.2Kbps。
规格如下:
●输入:
RS-232(4线制)RS-232接口:
DB-9接口
●输出:
RS-485(2线制)或RS-422(4线制)
●速度(bps):
1200、2400、4800、9600、19.2k、38.4k、57.6k、115.2k,RTS控制和RS-422模式(可切换)
●RS-422/485接口:
插入式螺钉端子
●隔离电压:
3000VDC
●功耗:
1.2W
2.4变频器的选择与功能简介
本实验装置使用的是SIEMENS公司的MICROMASTER440系列交流变频调速器,功率是0.37KW。
本变频器由微处理器控制,并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。
因此,它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的,因而降低了电动机运行的噪声。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护[3]。
(1)实际接线
模拟量输入:
选用端子4“ADC1+”和端子4“ADC1-”向变频器传送信号。
数字量输入:
用5,7,9三个端子输,5、9两端子用作电机开关,用来控制电机的启动。
而7、9两端子表示电机的复位作用。
实际接线如图7所示。
图7仪表输出控制变频器的模拟量信号接线图
(2)工厂设置值
变频器的缺省设置(与变频器的型号和容量有关)是按4极电动机数据进行配置的:
①由数字输入端控制(ON/OFF命令)②通过模拟输入1输入设定值P1000=2③感应电动机P0300=1④电动机冷却方式为自冷P0335=0⑤电动机的过载系数P0640=150%⑥最小频率P1080=0Hz⑦最大频率P1082=50Hz⑧斜坡上升时间P1120=10s⑨斜坡下降时间P1121=10s⑩线性的V/f特性P1300=0。
(3)变频器上的状态显示屏
MICROMASTER变频器前面板上有状态显示SDP,如图8所示。
图8状态显示屏
面板上的两个LED用于显示变频器的工作状态[4]具体状态如表1所示。
表1SDP上LED指示的变频器状态
2.5智能仪表的选型与功能简介
2.5.1AI系列智能仪表概述
●输入采用数字校正系统,内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格,测量精度高达0.2级。
●采用先进的AI人工智能调节算法,无超调,具备自整定(AT)功能。
●采用先进的模块化结构,提供丰富的输出规格,能广泛满足各种应用场合的需要,交货迅速且维护方便。
●人性化设计的操作方法,易学易用。
●全球通用的100~240VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电,并具备多种外型尺寸供客户选择。
●通过新的2000版ISO9001质量认证,品质可靠。
●产品经第三方权威机构检测获得CE认证标志,抗干扰性能符合在严酷工业条件下电磁兼容(EMC)的要求。
2.5.2技术规格
●输入规格(一台仪表即可兼容):
热电偶:
K、S、R、T、E、J、B、N、WRe3-WRe25、WRe5-WRe26
热电阻:
Cu50、Pt100
线性电压:
0~5V、1~5V、0~1V、0~100MV、0~60MV、0~20MV等;0~10V(需在MIO位置安装I31模块)
线性电流(需外接精密电阻分流或在MIO位置安装I4模块):
0~20mA、4~20mA等
线性电阻:
0~80欧、0~400欧(可用于测量远传电阻压力表)
●测量范围:
K(-100~+1300℃)、S(0~1700℃)、R(0~1700℃)、T(-200~+390℃)、E(0~1000℃)、J(0~1200℃)B(600~1800℃)、N(0~1300℃)、WRe3-WRe25(0~2300℃)、WRe5-WRe26(0~2300℃)Cu50(-50~+150℃)、Pt100(-200~+800℃)
线性输入:
-9990~+30000由用户定义
●测量精度:
0.2级(0.2%FS±0.1℃)
●分辨率:
0.1℃(当测量温度大于999.9℃时自动转换为按1℃显示),可选择按1℃显示
●温度漂移:
≤0.01%FS/℃(典型值约50ppm/℃)
●响应时间:
≤0.3秒(设置数字滤波参数dL=0时)
●调节方式:
位式调节方式(回差可调)
AI人工智能调节,包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法
●输出规格(模块化):
继电器触点开关输出(常开+常闭):
250VAC/1A或30VDC/1A
可控硅无触点开关输出(常开或常闭):
100~240VAC/0.2A(持续),2A(20mS瞬时,重复周期大于5S)
SSR电压输出:
12VDC/30mA(用于驱动SSR固态继电器)
可控硅触发输出:
可触发5~500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块
线性电流输出:
0~10mA或4~20mA可定义(安装X模块时输出电压≥10.5V;X4模块输出电压≥7V)
●电磁兼容:
IEC61000-4-4(电快速瞬变脉冲群),±4KV/5KHz;IEC61000-4-5(浪涌),4KV
●隔离耐压:
电源端、继电器触点及信号端相互之间≥2300VDC;相互隔离的弱电信号端之间≥600VDC
●电源:
100~240VAC,-15%,+10%/50~60Hz;或24VDC/AC,-15%,+10%
●电源消耗:
≤5W
●使用环境:
温度-10~+60℃;湿度≤90%RH
2.5.3仪表接线
D型面板仪表(72mmX72mm)接线如图9所示。
图9D型面板仪表(72mmX72mm)接线图
注1:
线性电压量程在1V以下的由13、12端输入,0~5V及1~5V的信号由11、12端输入。
注2:
4~20mA线性电流输入可用250欧电阻变为1~5V电压信号,然后从11、12端输入。
注3:
COMM位置安装S或S4通讯接口模块时用于通讯;安装继电器/无触点开关/SSR电压输出模块时用于AL1报警输出;安装I5模块并将baud参数设置为1,则可虚拟MIO模块开关量输入功能,在3、4端外接的开关实现SV1/SV2切换。
2.5.4面板说明
仪表面板如图10所示。
图10面板图
①上显示窗②下显示窗③设置键④数据移位(兼手动/自动切换)⑤数据减少键⑥数据增加键⑦10个LED指示灯,其中MAN灯灭表示自控制状态,亮表示手动输出状态;PRG表示仪表处于程序控制状态;M2、OP1、OP2、AL1、AL2、AU1、AU2等等分别对应模块输入输出动作;COM灯亮表示正与上位机进行通讯[5]。
3控制台供电线路的设计与安装
3.1空气开关线径线缆的选择
3.1.1空气开关的选择
空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器,它集控制多种保护功能于一身。
除了能完成接触和分断电路外,尚能对电路或电气设备发生的短路.严重过载及欠电压等进行保护,同时也可以用于不频繁地启动电动机。
目前家庭使用DZ系列的空气开关,主要型号有:
C16、C25、C32、C40、C60、C80、C100、C120等。
工业上常见的型号有,DW和DZ型,例如:
DW20、DW32、DW50、DW63、DW80、DW250、DZ20、DZ32、DZ47、DZ100、DZ250等。
DZ47型空气开关如图11所示。
图11空气开关
3.1.2线径的选择
空气开关是用来保护电线及防止火灾,所以要根据电线的大小选配而不是根据电器功率的大小选配的。
如果空气开关选用太大,就不会保护电线,当电线超载,空气开关仍不会跳,就会为家庭安全带来隐患。
所以应该先检查电线的大小,如果电线允许更大的空气开关,则可以换大一点的空气开关。
1.5平方毫米线配C10的开关,2.5平方毫米线配C16或C20的开关,4平方毫米线配C25的开关,6平方毫米线配C32的开关。
如果电线太小,应该给大功率用电器配专用线。
可以参考下列铜线安全计算方法:
(1)2.5平方毫米铜电源线的安全载流量--28A;
(
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