西門子V90伺服系統(tǒng)              西門子V90伺服系統(tǒng)

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SIMATIC S7-300, 數(shù)字輸入SM 321, 光隔離,16 數(shù)字量輸入, DC 48 - 125V, 20 針

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PLC 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 ． PLC 型號(hào)的選擇

在作出系統(tǒng)控制方案的決策之前，要詳細(xì)了解被控對(duì)象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進(jìn)行控制。

在控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系較復(fù)雜（需要大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等）、工藝流程和產(chǎn)品改型較頻繁、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息管理（有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬量的控制、 PID 調(diào)節(jié)等）、系統(tǒng)要求有較高的可靠性和穩(wěn)定性、準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。

目前，國內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家提供了多種系列功能各異的 PLC 產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無所適從。所以全面權(quán)衡利弊、合理地選擇機(jī)型才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個(gè)方面來考慮。

（ 1 ）對(duì)輸入 / 輸出點(diǎn)的選擇

盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會(huì)造成一定浪費(fèi)。

要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點(diǎn)數(shù)，再按實(shí)際所需總點(diǎn)數(shù)的 15 ～ 20 ％留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需 PLC 的點(diǎn)數(shù)。

另外要注意，一些高密度輸入點(diǎn)的模塊對(duì)同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)有限制，一般同時(shí)接通的輸入點(diǎn)不得超過總輸入點(diǎn)的 60 ％； PLC 每個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力（ A/ 點(diǎn)）也是有限的，有的 PLC 其每點(diǎn)輸出電流的大小還隨所加負(fù)載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環(huán)境溫度的升高而有所降低等。在選型時(shí)要考慮這些問題。

PLC 的輸出點(diǎn)可分為共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點(diǎn)之間可以采用不同的電壓種類和電壓等級(jí)，但這種 PLC 平均每點(diǎn)的價(jià)格較高。如果輸出信號(hào)之間不需要隔離，則應(yīng)選擇前兩種輸出方式的 PLC 。

（ 2 ）對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇

對(duì)用戶存儲(chǔ)容量只能作粗略的估算。在僅對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)中，可以用輸入總點(diǎn)數(shù)乘 10 字 / 點(diǎn)＋輸出總點(diǎn)數(shù)乘 5 字 / 點(diǎn)來估算；計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個(gè)估算；有運(yùn)算處理時(shí)按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸入 / 輸出的系統(tǒng)中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 ～ 100 ）字左右的存儲(chǔ)容量來估算；有通信處理時(shí)按每個(gè)接口 200 字以上的數(shù)量粗略估算。后，一般按估算容量的50 ～ 100 ％留有裕量。對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，選擇容量時(shí)留有裕量要大些。

（ 3 ）對(duì) I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇

PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間延遲（一般在 2 ～ 3 個(gè)掃描周期）等。對(duì)開關(guān)量控制的系統(tǒng)，PLC 和 I/O 響應(yīng)時(shí)間一般都能滿足實(shí)際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問題。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問題。

（ 4 ）根據(jù)輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型

不同的負(fù)載對(duì) PLC 的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC 有許多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價(jià)格相對(duì)較便宜，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級(jí)范圍大等。所以動(dòng)作不頻繁的交、直流負(fù)載可以選擇繼電器輸出型的 PLC 。

（ 5 ）對(duì)在線和離線編程的選擇

離線編程示指主機(jī)和編程器共用一個(gè) CPU ，通過編程器的方式選擇開關(guān)來選擇 PLC 的編程、監(jiān)控和運(yùn)行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時(shí)， CPU 只為編程器服務(wù)，而不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機(jī)和編程器各有一個(gè) CPU ，主機(jī)的 CPU 完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制，在每一個(gè)掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機(jī)，在下一個(gè)掃描周期主機(jī)將按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)輔助編程既能實(shí)現(xiàn)離線編程，也能實(shí)現(xiàn)在線編程。在線編程需購置計(jì)算機(jī)，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應(yīng)根據(jù)需要決定。

（ 6 ）據(jù)是否聯(lián)網(wǎng)通信選型

若 PLC 控制的系統(tǒng)需要聯(lián)入工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，則 PLC 需要有通信聯(lián)網(wǎng)功能，即要求 PLC 應(yīng)具有連接其他 PLC 、上位計(jì)算機(jī)及 CRT 等的接口。大、中型機(jī)都有通信功能，目前大部分小型機(jī)也具有通信功能。

（ 7 ）對(duì) PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇

在相同功能和相同 I/O 點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實(shí)際需要選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)形式。

2 ．分配輸入 / 輸出點(diǎn)

一般輸入點(diǎn)和輸入信號(hào)、輸出點(diǎn)和輸出控制是一一對(duì)應(yīng)的。

分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號(hào)，分配給每一個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，即進(jìn)行編號(hào)。

在個(gè)別情況下，也有兩個(gè)信號(hào)用一個(gè)輸入點(diǎn)的，那樣就應(yīng)在接入輸入點(diǎn)前，按邏輯關(guān)系接好線（如兩個(gè)觸點(diǎn)先串聯(lián)或并聯(lián)），然后再接到輸入點(diǎn)。

西門子中國一級(jí)代理商產(chǎn)品遠(yuǎn)銷：

1．華北地區(qū)：北京、天津、河北、內(nèi)蒙古（2個(gè)市，2個(gè)省）。

2．東北地區(qū)：遼寧、吉林、黑龍江、大連，齊齊哈爾（3個(gè)省、2市）。

3．華東地區(qū)：上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、（7個(gè)?。?/p>

4．華中地區(qū)：河南、湖北、湖南、廣東、廣西、海南、深圳（7個(gè)省、市）。

5．西南地區(qū)：重慶、四川、貴州、云南、西藏（5個(gè)省、市）。

6．西北地區(qū)：陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆、山西、（6個(gè)省、區(qū)）

 抱閘控制時(shí)序轉(zhuǎn)矩限制：轉(zhuǎn)矩限值是允許的大轉(zhuǎn)矩，針對(duì)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行和回饋運(yùn)行設(shè)置不同的轉(zhuǎn)矩限值，且由轉(zhuǎn)矩限制，電流設(shè)置和功率限制共同決定。需要確認(rèn)設(shè)定的回饋功率是否滿足電機(jī)回饋運(yùn)行。                                       轉(zhuǎn)矩限制變頻器控制信號(hào)設(shè)定：本樣機(jī)中變頻器速度給定值通過二進(jìn)制選擇的固定頻率給定實(shí)現(xiàn)。                                       固定頻率給定二進(jìn)制選擇變頻器的故障信號(hào)輸出信號(hào)連接到電梯控制主板，因?yàn)樵谙到y(tǒng)上電時(shí)，電梯的控制主板啟動(dòng)時(shí)間比變頻器時(shí)間要短，當(dāng)變頻器沒有準(zhǔn)備好，電梯控制主板提前啟動(dòng)變頻器，有可能會(huì)導(dǎo)致意外發(fā)生，所以需要故障信號(hào)輸出信號(hào)取反后發(fā)送到電梯控制主板。當(dāng)變頻器控制單元正常運(yùn)行后才能把故障信號(hào)取反發(fā)送出去，所以變頻器在正常運(yùn)行的情況才會(huì)發(fā)出常1信號(hào)，當(dāng)變頻器斷電或者變頻器故障時(shí)，電梯控制主板不能接收到這個(gè)常1信號(hào)，就認(rèn)為變頻器不具備啟動(dòng)條件，整個(gè)電梯系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。電梯運(yùn)行舒適性設(shè)置：為了滿足乘客乘坐電梯時(shí)舒適性的要求，需要通過擴(kuò)展斜坡函數(shù)發(fā)生器和轉(zhuǎn)速控制器適配來實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展的斜波函數(shù)發(fā)生器提供電機(jī)啟動(dòng)加速過程中的起始圓弧和結(jié)束圓弧，實(shí)現(xiàn)了速度的平穩(wěn)過渡，在電梯整個(gè)加減速過程中實(shí)現(xiàn)變加速度的功能，在電梯啟動(dòng)瞬間和快加速到達(dá)給定速度時(shí)，減小了電梯運(yùn)行加速度，提高了電梯乘坐的舒適性,避免了電梯從靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)和電梯加速到設(shè)定速度時(shí)的沖擊。                                       帶初始和結(jié)束圓弧的斜波發(fā)生器

驗(yàn)收測(cè)試及后期優(yōu)抱閘力檢測(cè)功能:為了保證電梯曳引機(jī)抱閘系統(tǒng)的正常運(yùn)行，增加了抱閘力檢測(cè)功能。當(dāng)電梯處于空閑模式時(shí)，電梯控制器會(huì)輸出抱閘力測(cè)試請(qǐng)求，由變頻器負(fù)責(zé)給電機(jī)一定的堵轉(zhuǎn)力矩，由電梯控制板檢測(cè)曳引輪是否出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。如果有打滑認(rèn)為抱閘力不夠，電梯停用，否則認(rèn)為測(cè)試正常。具體實(shí)現(xiàn)方法為：通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置，利用MOP的斜坡發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了抱閘力測(cè)試的要求。隱藏式電機(jī)停機(jī)去電流：永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般可分為凸極式（IPMSM）和隱級(jí)式(SPMSM)。對(duì)于IPMSM具有明顯的凸極效應(yīng)，即直軸電感與交軸電感不相等（一般）Ld < Lq對(duì)于SPMSM沒有凸極效應(yīng)，即Ld = Lq在永磁同步曳引機(jī)在電梯主提升的應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)隱級(jí)式同步電機(jī)在停車時(shí)會(huì)發(fā)出有別于抱閘閉合的響聲，影響了電梯乘坐的舒適感。由下圖發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控電電機(jī)停車S120去使能瞬，由在電機(jī)零速停車時(shí)，發(fā)現(xiàn)有3rpm的速度震蕩，這個(gè)速度震蕩導(dǎo)致了停車噪音的出現(xiàn)。                                                 電機(jī)零速停車速度曲線根據(jù)永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般可分為凸極式（IPMSM）和隱級(jí)式(SPMSM)的主要不同點(diǎn)是Ld 和 Lq不相等，懷疑是否因?yàn)槿ナ鼓軙r(shí)電流突然變?yōu)榱?，?dǎo)致了電機(jī)的震動(dòng)。所以為了驗(yàn)證電流突變是否震蕩的直接原因，所以了通過DCC編程減緩了電機(jī)去使能時(shí)的電流突變。                                                DCC功能圖實(shí)現(xiàn)的主要原理是在電梯控制主板不發(fā)啟動(dòng)命令給變頻器時(shí)，激活DCC斜坡函數(shù)。通過扭矩限幅的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流按照斜坡緩慢下降，達(dá)到消除電機(jī)停車震動(dòng)的問題。由下圖可以看到，當(dāng)電流按照斜坡下降時(shí)，電機(jī)速度沒有出現(xiàn)抖動(dòng)。                                      帶去電流功能的零速停車曲線To the top of the page五、樣機(jī)開發(fā)結(jié)果此電梯電力拖動(dòng)系統(tǒng)，從調(diào)試結(jié)束至今已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了一年多，產(chǎn)品性能和電梯乘坐舒適度都得到了客戶的認(rèn)可?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試了兩臺(tái)電梯永磁同步無齒曳引機(jī)，通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置，以及優(yōu)化速度環(huán)比列Kp_n和積分Tn_n，容易實(shí)現(xiàn)客戶要求的性能,DCC和BICO功能，大大提高了系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性。  水泥取材于石灰石，經(jīng)加工煉制成廣泛使用的建筑材料用于城市建設(shè)。在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，水泥行業(yè)因高耗能和粉塵污染而被詬病，節(jié)能減排已成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心主題，且看西門子如何助力華潤水泥將該主題付諸實(shí)施。將顆粒狀的石灰石送入原料磨，加入粘土質(zhì)原料、以及少量的校正原料磨成成分合適、質(zhì)量均勻的生料；生料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯中煅燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的熟料；熟料加入適量石膏，視不同的品種還會(huì)加入一定量的混合材，共同進(jìn)入水泥磨磨細(xì)，制成可供建筑使用的水泥。這一歷程即水泥生產(chǎn)的“兩磨一燒”過程，也是華潤水泥旗下水泥企業(yè)的主要生產(chǎn)流程。華潤水泥屬國家重點(diǎn)支持的大型水泥企業(yè)集團(tuán)之一，是華南地區(qū)具競(jìng)爭(zhēng)力的水泥和商品混凝土供應(yīng)商，在中國水泥行業(yè)中具有重要地位，其業(yè)務(wù)區(qū)域分布于廣東、廣西、福建、海南、山西、云南、貴州、內(nèi)蒙古及港澳等地。近年來，華潤水泥攜手西門子，將西門子“管理節(jié)能+工藝節(jié)能+ 設(shè)備節(jié)能”的綜合節(jié)能理念貫穿于水泥生產(chǎn)中，廣泛采用能源管理系統(tǒng)、DCS、高低壓變頻器、電機(jī)和齒輪箱減速機(jī)等西門子產(chǎn)品和解決方案，實(shí)現(xiàn)了立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭窯尾排風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備的節(jié)能，不斷為水泥生產(chǎn)過程的能耗“減負(fù)”，將水泥行業(yè)的節(jié)能減排綠色夢(mèng)想帶進(jìn)現(xiàn)實(shí)。在橫跨廣西、廣東兩省的西江流域，華潤水泥旗下的封開、平南和貴港等生產(chǎn)基地中就演繹了華潤水泥與西門子共創(chuàng)節(jié)能佳績(jī)的故事。為原料運(yùn)輸搭建一座高架橋水泥原料中約80%的成分是石灰石，分布于石灰?guī)r礦豐富的山區(qū)。華潤水泥（封開）有限公司的石灰石礦場(chǎng)位于距離生產(chǎn)基地63公里的山區(qū)，若使用汽車運(yùn)輸原料，其成本約為11.3萬元/天，這將帶來巨大的運(yùn)輸及能耗成本。經(jīng)過周密規(guī)劃，華潤封開水泥在石灰石礦場(chǎng)和生產(chǎn)基地之間建設(shè)了一條運(yùn)輸皮帶廊，橫臥在封開的崇山峻嶺中，好像一座架在群山之間的藍(lán)橋，又像一掛瀑布，渾然天成。皮帶廊全程規(guī)劃為52公里（一期40公里已建成運(yùn)行），相當(dāng)于北京三環(huán)路的全長(zhǎng)，通過衛(wèi)星也清晰可見，堪稱水泥行業(yè)世界之。皮帶廊為全密封雙線設(shè)計(jì)，單條皮帶運(yùn)力為2500 t/h，年運(yùn)輸能力達(dá)到1000萬噸，兩條皮帶可*6條5000t/d生產(chǎn)線的需求。要讓40公里的皮帶廊帶著5000多噸的物料運(yùn)轉(zhuǎn)起來，需控制不同節(jié)點(diǎn)的電機(jī)同步運(yùn)行。為了保障穩(wěn)定運(yùn)輸，皮帶廊被分為3大段，均采用Simatic PCS 7控制系統(tǒng)，皮帶上不同節(jié)點(diǎn)裝有張力傳感器，控制系統(tǒng)根據(jù)張力反饋，通過變頻器調(diào)節(jié)整各部分電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以讓皮帶在15分鐘內(nèi)快速啟動(dòng)。皮帶廊平穩(wěn)運(yùn)行后大速度可達(dá)4.95m/s，石灰石從礦場(chǎng)運(yùn)輸?shù)綇S區(qū)只需短短兩個(gè)小時(shí)。在西門子技術(shù)的協(xié)助下，皮帶廊低成本高效運(yùn)轉(zhuǎn)，與汽車運(yùn)輸相比，每年節(jié)約費(fèi)用1.79億元，節(jié)約燃油1.4萬噸，減排二氧化碳4.2萬噸，成為華潤封開水泥的驕傲。高壓變頻讓風(fēng)機(jī)輕松變速為了防止污染，“兩磨一燒”的過程是在相對(duì)封閉的空間里進(jìn)行的，生產(chǎn)效果極大依賴于高壓風(fēng)機(jī)的協(xié)助：從生料的攪拌、選取，到水泥窯中的煅燒、煤粉的添加，以及后期產(chǎn)品輸送，都離不開風(fēng)機(jī)的作用。