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PLC 硬件系统设计

1 ． PLC 型号的选择

在作出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定是否选用 PLC 进行控制。

在控制系统逻辑关系较复杂（需要大量中间继电器、时间继电器、计数器等）、工艺流程和产品改型较频繁、需要进行数据处理和信息管理（有数据运算、模拟量的控制、 PID 调节等）、系统要求有较高的可靠性和稳定性、准备实现工厂自动化联网等情况下，使用 PLC 控制是很必要的。

目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的 PLC 产品，使用户眼花缭乱、无所适从。所以全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可从以下几个方面来考虑。

（ 1 ）对输入 / 输出点的选择

盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。

要先弄控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 ～ 20 ％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数。

另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得**过总输入点的 60 ％； PLC 每个输出点的驱动能力（ A/ 点）也是有限的，有的 PLC 其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般 PLC 的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。

PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC 。

（ 2 ）对存储容量的选择

对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘 10 字 / 点＋输出总点数乘 5 字 / 点来估算；计数器/ 定时器按（ 3 ～ 5 ）字 / 个估算；有运算处理时按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模拟量输入 / 输出的系统中，可以按每输入 / （或输出）一路模拟量约需（ 80 ～ 100 ）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口 200 字以上的数量粗略估算。后，一般按估算容量的50 ～ 100 ％留有裕量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。

（ 3 ）对 I/O 响应时间的选择

PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2 ～ 3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。

（ 4 ）根据输出负载的特点选型

不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的 PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的 PLC 。

（ 5 ）对在线和离线编程的选择

若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络，则 PLC 需要有通信联网功能，即要求 PLC 应具有连接其他 PLC 、上位计算机及 CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。

（ 7 ）对 PLC 结构形式的选择

在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。

2 ．分配输入 / 输出点

一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。

分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。

在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到输入点。

系统功能：

火力发电厂的锅炉给水泵，需要根据机组负荷的改变来调节给水压力和给水量。在几种调节方式中，因改变给水泵转速来调节流量具有明显的节能效果而被广泛采用。对于大容量机组的锅炉给水泵，通常以异步电动机为动力，几乎都是通过安装液力偶合器进行机械调速，并且这种调速方法具有空载起动电动机的良好作用[1]。 
液力偶合器属于电厂辅助设备，目前大多数都是采用分散仪表监控，有的甚至脱控运行，亟待运用测控新技术，对其运行状态参数进行自动监测和控制。西门子S7一200PLC是一个非常好的选择，它性价比高、系统组装和构建网络非常灵活、而且具有PID调节指令功能，编程和调试非常方便，因此，基于西门子PLC的控制系统将较大地提高整机运行的可靠性和经济性。 
1 调速原理 
液力偶合器安装于异步电动机和给水泵之间，它是一种利用液体通过泵轮和涡轮来传递功率的传动装置，主要由泵轮、涡轮、旋转外壳和勺管等部件组成，如图1.1所示。工作时，输入轴从电动机处获得能量，通过中间轴，泵轮将机械能转变为工作腔内的液体动能，推动涡轮转动，再变成机械能传给输出轴，带动锅炉给水泵工作。 

为适应机组工况的变化要求，在电动机转速恒定的情况下，调节勺管的开度，可改变偶合器工作腔里的充液量，不同的充液量可以得到不同的输出特性，因此，通过连续改变充液量既可实现输出轴的无级调速。 
调速机构中的勺管，由电动执行器通过简单的机械机构驱动。电动执行器接受标准电流信号，将其转换成相应的转输出，因此，调节转速实际上是调节控制系统的输出模拟量信号，西门子S7一200PLC满足这一主要功能要求。 
2 测控对象 
1）转速调节系统 
该系统较主要的测控对象是液力偶合器输出轴的转速。调速原理如图2.1所示，利用液位变送器，将反应锅炉水位的模拟量信号送给控制系统，同时利用测速变送器，将输出轴转速也反馈给控制系统，依据设定的PID控制算法计算后输出电流信号，电动执行器将之转换成相应的输出转，通过调节机构驱动勺管移动，其开度对应锅炉水位要求的泵轮转速。 

2）工作油系统 
液力偶合器工作腔内介质油的较佳工作温度为60°～70°C，油温高虽然有利于能量的传递，但过高反而有害无益，因此要限制工作油温度范围为35～100°C，采用铂电阻温度传感器，当油温**110°C时报警，当油温**130°C时停止主电机运行。另外在工作油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在60～100°C，将出口油度温控制在35～75°C。 
3）润滑油系统 
高转速、大功率液力偶合器带有滑动轴承，其润滑油系统独立于工作油系统，因此在输入轴、中间轴、输出轴等处设置6个铂电阻温度传感器，测量滑动轴承温度，避免温度过高使润滑性能变差，烧坏轴瓦。限定润滑油温度范围在35～85°C，当油温**90°C时报警，当油温**95°C时停止主机运行。另外在润滑油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在45～65°C，将出口油温度控制在35～55°C。 
为防止压力过低供油不足而造成润滑情况恶劣，限定润滑油压力范围在0.2～0.3Mpa，监测母管油压，当油压低于0.1Mpa时报警，并且启动辅助油泵，低于0.05Mpa则必须停止主电机运行。另外还要限定滤油器进出口压力差不**过0.6Mpa 。 
3 硬件组成 
反映系统状态的主要参数是水位、转速、油温、油压等物理量，选用各类变送器转换为4～20mA的标准电流信号，共计14路模拟量;各电机、阀门、报警指示灯等开关量输入输出共30点，因此系统的配置不甚复杂。采用西门子S7一200系列小型机控制，一旦发生故障影响面小、容易查找。 
首先选用CPU226模块，具有24点输出/16点输入，可连接7个扩展模块，提供1000mA的总线电流，并且具有32位浮点运算功能和内置集成的PID调节运算指令，非常适合液力偶合器调速的锅炉供水系统。 
其次扩展EM231模拟量输入模块（4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10mA）3块;扩展EM235模拟量输入输出模块（4路模拟量输入/1路模拟量输出，消耗DC5V电流为10mA）1块，通过DIP开关进行设置，输入输出端口时能够自动完成A/D和D/A的转换，即标准电流信号与一个字长（16bit）的数字信号的自动转换。系统总扩展模块数为4，CPU226的电源能满足所有扩展模块消耗DC5V总线电流的能力。 
另外，CPU226本机集成了两个通讯口，其中一个使用 MPI协议，使液力偶合器作为从站，完成其控制系统与主站的通讯;另一个用于TP070显示器接口，作为本机系统的显示界面[2]