第三章控制系统硬件设计.docx
《第三章控制系统硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章控制系统硬件设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第三章控制系统硬件设计
第三章：
控制系统硬件设计
3.1温控系统主电路
主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。
晶闸管电压调整器是半导体功率控制器的一种，是新型无触点功率控制器。
它基本上消除了各只晶闸管电压调整器之间的干扰，适应于大面积使用晶闸管，对电网冲击小、抗干扰能力强，是一种较为理想的控温系统。
每组电热元件负载采用星型连接，负载回路采用2只晶闸管反向并联后串联电热元件。
控制晶闸管的输出，即可控制退火炉的温度。
单组温度加热系统的电路如图3-1所示。
图3-1单组加热系统电路图
而实际电路是有相同的21组单组加热电路组成的，它们的加热电路相互独立，每组有自己单独的温度采集元件，与加热控制执行部件。
共同点就是温度采集的数值要送到同一个控制器中，经过用算后输出控制信号分别控制晶闸管的输出。
退火炉的加热元件采用电加热丝元件，分为21组独立的加热系统。
额定功率245kw，最高温度540℃，最低温度为室温。
每组负载采用星型连接，采用晶闸管电压调整器控制。
3.1.1参数计算
（1）断路器的计算
断路器的额定电压为220V交流，单组加热功率为245KW，故断路器的电流是372A。
所以在选择断路器时选择万能式断路器DW15-630。
其主要参数是：
额定电流最大值400A>372A；额定电流400A>372A；进线方式为上进线。
（2）熔断器的计算
熔断器额定电压UN为220V，额定电流IN为372A，主电路所用的熔断器主要用作加热丝短路保护的。
额定电流的选择原则是对于电炉负载，由于电流比较平稳，熔断器用于过流和短路保护，熔体额定电流IRN应大于或略等于额定电流IN。
即IRN≥（1.0~1.1）IN。
372×1.1=409A；所以确定的熔断器型号为无填料封闭式熔断器RM10-600。
其熔体熔断时封闭管内产生高气压，可以帮助和加速灭弧，检修较为方便，分段能力较大，保护特性好和运行好和运行安全可靠等优点。
3．2系统控制电路设计
控制回路是由直流信号电源、直流工作电源、电压反馈环节、触发脉冲产生器、温度检测器和PID温度调节器等部分组成。
3.2.1温度检测
（1）传感器
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
本论文采用的是K型热电阻。
（2）EM231模拟量输入模块
模拟量输入模块（EM231）具有4个模拟量输入通道。
模块上部共有12个端子，每3个点为一组，共4组。
每组可作为一路模拟量的输入通道（电压信号或电流信号），电压信号用两个端子（A+、A—），电流信号用3个端子（RC，C+，C—），其中RC与C+端子短接。
未用的输入通道应短接（B+、B—）。
该模块需要直流24V供电（M、L+端）。
可由CPU模块的传感器电源24VDC/400mA供电，也可由用户提供外部电源。
右端分别是校准电位器和配置DIP设定开关。
模拟量输入模块的外部接线图如图3-2所示。
图3-2EM231模拟量输入模块外部接线图
功率损失（耗散）为2W。
供电电源+5VDC时电流为20mA；供电电源为+24VDC时电流为60mA（从L+时）。
每个通道占用存储器AI区域2个字节。
该模块模拟量的输入值为只读数据。
模拟量输入模块（EM231）的输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数。
EM231模块的具体技术参数如表3-3所示。
表3-3EM231模块的技术参数表
点数
4路模拟量输入
功率损耗
模拟量输入特性
+5VDC（从I/O总线）
20mA
输入滤波器衰减
-3db@3.1KHz
从L+
60mA
最大输入电流
32mA
L+电压范围第2级或DC传感器供电
20.4～28.8
分辨率
12位A/D转换器
LED指示器
24VDC状态
亮=无故障灭=无24VDC电源
最大输入电压
30VDC
模拟量输入特性
输入阻抗
大于等于10MΩ
模拟量输入点数
4
模数转换时间
＜250μs
隔离（现场与逻辑电路间）
无
模拟量输入响应
1.5ms～95%
输入类型
差分输入
共模抑制
40dB，DCto60Hz
电压（单极性）
电压（双极性）
电流
0～10V，0～5V
±5V，±2.5V
0～20mA
共模电压
信号电压+共模电压（必须小于等于12V）
输入分辨率
电压（单极性）
电压（双极性）
电流
2.5mV（0～10V时）
1.25mV（0～5V时）
2.5mV（±5V时）
1.25mV（±2.5V时）
5μA（0～20mA时）
数据字格式
双极性，全量程范围
单极性，全量程范围
-32000～+32000
0～32000
（3）EM231CN配置
表3-4所示为如何用DIP开关设置EM231CN模块。
开关1、2和3可选择模拟量输入范围。
所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。
下表中，ON为接通，OFF为断开。
表3-4EM231CN选择模拟量输入范围的开关表
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
ON
OFF
ON
0到10V
2.5mV
ON
OFF
0到5V
1.25mV
0到20mA
5uA
双极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
OFF
OFF
ON
±5V
2.5mV
ON
OFF
±2.5V
1.25mV
3.2.2温度采集原理
温度是连续变化的模拟量，某些执行机构要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。
模拟量首先被传感器和变送器转换成标准的电流和电压。
其中，D/A转换器将PLC的数字输出量转换成模拟电压或电流，再去控制执行机构。
模拟量I/O模块的主要任务就是完成A/D转换和D/A转换。
根据设计要求，本次设计选用模拟量输入模EM231，该模块用4个12位模拟量输入通道。
模拟量输入采用S7—2OO专门用于采集和处理热电偶输入的模块EM231，该模块有4路热电偶输入，集成16位A／D转换器，分辨率达0．1℃，能自动进行线性化处理，有冷端补偿功能．只要将热电偶接到EM231的接线端子上，不再需要外部变送器，1个模块就能完成数据采集及数据处理功能，其使用非常方便。
温度采集系统采用铠装式热电偶，其特点是：
内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。
铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。
K式热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。
一路温度采集与控制时的热电偶模块及PLC接线图如图3-5所示，热电偶模块通过扁平电缆接到PLC，构成数据通道。
同时热电偶模块还必须外接+24V直流电源到M、L+接线端，可以接到PLC的+24V直流电源的输出端M、L+，由PLC向热电偶模块提供+24V工作电源，接上电源后，模块上的DC+24V指示灯亮。
EM231通过扁平电缆接到PLC，4个通道以2字节递增的方式分配地址，PLC分别按AIW0、AIW2、AIW4、AIW6地址读温度数据．
图3-5热电偶模块及PLC的连线
3.2.3触发电路
双向可控硅是一种功率半导体器件,也称双向晶闸管,在单片机控制系统中,可作为功率驱动器件,由于双向可控硅没有反向耐压问题,控制电路简单,因此特别适合做交流无触点开关使用。
双向可控硅接通的一般都是一些功率较大的用电器,且连接在强电网络中,其触发电路的抗干扰问题很重要,通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。
为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰,交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。
过零触发意思是在零电压和零电流状态下导通可控硅，可以承受大的电流，同时触发完后免除了电流和电压的冲击，对可控硅的使用寿命有很好的保护作用。
过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通。
由于采用过零触发,因此上述电路还需要正弦交流电过零检测电路。
可控硅触发电路应满足下列要求：
触发脉冲的宽度应保证可控硅可靠导通；触发脉冲应有足够的幅度；不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内；应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
采用单结晶体管或三极管电路比较简单可靠而且容易调整，也可以用专业厂家生产的集成电路实现。
晶闸管的触发方式有移相触发和过零触发两种。
常用的触发电路与主回路之间由于有电的联系，易受电网电压的波动和电源波形畸变的影响，为解决同步问题，往往又使电路较为复杂。
MOTOROLA公司生产的MOC3061器件可以很好的解决这些问题。
MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件,它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。
该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。
下面以MOC3061为例介绍其工作原理和应用。
MOC3061内部结构及主要性能参数：
MOC3061的内部结构及管脚排列见图3-4，它采用双列直插6脚封装。
主要性能参数：
可靠触发电流5-15mA；保持100μA；超阻断电压600V；重复冲击电流峰值1A；关断状态额定电压上升率
。
MOC3061的管脚排列如下图所示：
1、2脚为输入端；4、6为输出端；3、5脚悬空。
图3-6MOC3061内部结构
晶闸管是目前比较理想的交流开关器件。
本设计采用双向可控硅（晶闸管）控制。
PLC的控制端输出一个脉宽调制信号作用于MOC3061的导通控制信号端2脚，其输出端加到可控硅的控制极，可直接控制可控硅的导通时间，从而控制加热平均功率。
MOC3061是带过零触发的光电耦合器，用于防止电气干扰、吸收尖峰干扰信号等，可控硅上并联阻容吸收电路：
电容C两端电压不能突变，可吸收可控硅关断时引起的反向尖峰电压。
控制电路如下图3-7：
图3-7触发电路
图3-7中R1为限流电阻,使输入的LED电流为15mA（MOC3061）R1，可按下式计算:
式中:
为红外发光二极管的正向电压,可取1.2～1.4V;
为红外发光二极管触发电流,若工作温度在25℃以下,
应适当增加。
R2是双向可控硅的门极电阻,当可控硅灵敏度较高时,门极阻抗也很高,并上R2可提高抗干扰能力。
R3是触发功率双向可控硅的限流电阻,其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定,可按下式选取:
（一般可取1A.浪涌电流是指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。
浪涌电流有上下两个级，这个参数可用来作为设计保护电路的依据。
）
3.2.4可控硅的选择
可控硅主要参数：
（1）额定电压
断态重复峰值电压U0：
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压：
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。
通常取可控硅的和中较小的标值作为该器件的额定电压。
选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍。
（2）额定电流
可控硅在环境温度为40～c和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取可控硅并非应留一定的裕量，一般取1．5～2倍。
3.2.5PLC系统的选型和硬件配置
PLC的选型与配置可分为：
编程器选型、开关量I/O模块的选择、编程器与外部设备的选择和通信功能的选择。
1台S7-200 PLC包括一个单独的S7-200 CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。
S7-200 CPU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。
输入和输出是系统的控制点:
输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;电源向CPU 及其所连接的任何设备提供电力。
通讯端口允许将S7-200 CPU同编程器或其他一些设备连起来。
状态信号灯显示了CPU 的工作模式（运行或停止），本机I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。
通过扩展模块可提供其通讯性能;通过扩展模块可增加CPU的I/O点数。
（1）S7-200PLC选型
S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。
S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。
并可以将这些模块安装在同一机架上。
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。
SiemensS7-200主要功能模块介绍：
CPU模块的顶部端子盖内：
电源及输出端子。
底部端子盖内：
输入端子及传感器电源。
中部右侧前盖内：
CPU工作方式开关（RUN/STOP）、模拟调节电位器和扩展I/O接口左侧：
状态指示灯LED、存储卡、及通讯口。
状态指示灯——显示CPU的工作方式、本机I/O的状态、系统错误状态。
存储卡（EEPOM卡）可以存储CPU程序。
RS-485的串行通讯端口——PLC主机实现人一机对话、机—机对话的通道。
实现PLC与上位计算机的连接，实现PLC与PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接。
2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
扩展接口——PLC主机与输入、输出扩展模块的接口，作扩展系统之用。
主机与扩展模块之间由导轨固定，并用扩展电缆连接。
（1）CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。
CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元：
①CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。
②CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点，和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。
③CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。
④CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。
它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。
⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。
CPU226XM模块最多可带7个扩展模块，且7个扩展模块中最多只能带2个智能扩展模块。
（2）开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。
通常开关量I/O模块产品3种类型:
输入模块,输出模块以及输入/输出模块。
为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。
如光电隔离,输入保护（浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻）,高频滤波,输入数据缓冲器等。
由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。
按照输出开关器件种类不同又分为3种：
继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。
这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。
在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
（3）编程器编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。
编程器一般分为简易型和智能型两类。
简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。
而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。
操作方便且功能强大。
（4）电源PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
本论文采用的是CUP226。
它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
CPU226XM模块最多可带7个扩展模块，且7个扩展模块中最多只能带2个智能扩展模块。
每一个s7-200CPU模块提供5VDC和24VDC电源；每一个CPU模块都有一个24VDC传感器电源，他为本机和扩展模块继电器线圈提供24VDC。
如果电源要求超过了CPU模块24VDC电源的定额，可以增加一个外部24VDC电源来供给扩展模块的24VDC.当有扩展模块连接时CPU也为其提供5VDC电源。
表3-8为CPU226模块中央处理单元的功率消耗及电流参数。
表3-8中央处理单元（CPU）
模块名称
功耗
电流供应
+5VDC
+24VDC
CPU226DC/DC/DC24输入/16输出
11W
1000mA
400mA
CPU226AC/DC/继电器24输入/16继电器
17W
1000mA
400mA
（2）PLC的配置
本次设计以退火窑炉为主要设计对象，其中，退火窑炉总加热功率为245KW，采用电加热方式，分上、下及侧面共计21组加热丝加热；炉温温度采集采用热电偶检测，共有21路。
每个温度控制回路需要1只温度变送器和1只调节器，即可控硅。
分别占用1个AI通道和1个DO通道。
由于温度控制采用21段的多段控制，根据控制规模和功能需求，现统计出现场仪表数量为，热电偶1×21=21（个），可控硅1×21=21（组），
S7200PLC端口数量为：
AI通道21。
DO通道21。
由于采用的是热电偶模拟量输入模块（EM231）具有4个模拟量输入通道，所以需要至少6个热电偶模块（EM231）。
针对统计出的通道数量，现配制出SiemensS7-200PLC的硬件见表3-9
表3-9硬件配置表
序号
模块名称
说明
数量
1
CPU模块
CPU226
1
2
AI模块
EM231：
4通道
6
3
DO模块
EM222:
8通道
1
4
扁平电缆
连接各模块
若干
5
PC-PPI电缆
通讯
一条
（3）直流输出模块
1）直流输出模块（EM2228×24VDC），有8个数字量输出点，接线图中8个数字量输出点分成2组。
1L+、2L+分别是两组输出点内部电路的公共端，每组需用户提供一个DC24V的电流。
数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散型（ON/OFF）负载。
典型的负载包括：
继电器线圈，接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等。
每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连，输出电路把CPU运算处理的结果转换成能够驱动现场执行机构的各种大功率的开关信号。
PLC的输出端子是PLC向外部负载发出控制命令的窗口。
图3-10为EM222直流输出模块外部接线图。
图3-10EM222直流输出模块外部接线图
2）直流输出电路
输出映象寄存器为“1”状态时负载在外部电源激励下通电工作。
输出映象寄存器为“0”状态时外部负载断电，停止工作。
直流输出电路外部工作原理图如下图3-11所示。
图3-11直流输出外部电路接线原理图
（4）PLC硬件控制系统原理图如图3-12所示
图3-12PLC硬件控制系统图
3.2.6PLC内部电源的负载能力
PLC内部5VDC电源的负载能力
主机和扩展模块正常工作时，需要5VDC工作电源。
主机内部电源单元提供的5VDC电源为主机和扩展模块提供了工作电源。
系统配置后，必须对主机内部的5VDC电源的负载能力进行校验。
表3-13为CPU各型号提供电流大小，表3-14为所选模块的消耗电流，通过计算可以判断CPU226提供的电源是否满足要求。
表3-13CPU提供的电流
CPU型号
221
222
224
226
最大扩展电流（mA）
0
340
660
1000
表3-14各模块消耗电流
扩展模块编号
扩展模块型号
模块消耗电流（mA）
1
EM222DO8×DC24V
50
2
EM222DO8×继电器
40
3
EM231AI4×热电偶
60
由上面两个表中的数据可以得知，CPU226提供5VDC电源的最大电流为1000mA。
各
升级会员 