西门子6ES7341-1AH01-0AE0

用PLC和变频器实现石油气压缩机的自动控制

一 工艺要求

    (1)正常生产过程中，2台压缩机应至少有1台运行，即使在相互切换时，也不允许发生两台机器全部停止的现象。
    
    (2)保持压缩机出口压力在预定值上。
    
    (3)能实现对压缩机运行状态进行分析，以实现预测性检修。

    二 系统控制原理

    (1)工艺专业设定压缩机管网正常出口压力为P1，而现场实际测定压力为P2，根据ΔP(=P2-P1)值大小由PLC内PID功能模块进行PID运算，控制变频器来改变电动机转速，达到所要求的压力。当ΔP＞0时，现场压力偏高，则提高变频器输出频率，使电动机转速加快，提高实际风压；当ΔP＜0时，现场压力偏低，则使转速降低，ΔP减小。这样不断调整，使ΔP趋于0，现场实际压力在设定压力附近波动，保证压力稳定。系统结构如图1。

    (2)压缩机长期运行，造成各部件间隙变大，这样引起的振动会越来越大，容易造成压缩机各部件的损坏。由PLC对现场振动情况进行判断分析，可提前对压缩机进行计划性维护保养，这样可大大延长设备的使用寿命，提高设备运行可靠性，减少设备故障引起的非计划性停车。

    三 设计方案

    该方案主要由1台Siemens ECO1-7500/3变频器、1台S7-200型PLC(CPU215/216，配套EM235扩展模块)以及接触器、操作按钮、1台现场压力变送器和2台振动测量装置(振动变送器)组成，用PLC实现压缩机出口压力单回路闭环PID控制以及压缩机起动、停止、切换、故障处理等各种电气控制功能，由振动变送器对压缩机状态进行监控分析，以实现预测性维护维修。主回路如图2。

    
    (1)PID运算功能的实现
    S7-200系列中CPU215/216具有32位浮点运算指令和内置PID调节运算指令等特殊功能。使用时，只需在PLC内存中填写1张PID控制参数表(见下表)，再执行指令：PID TABLE, LOOP，即可完成PID运算。其中操作数TABLE使用变量存储器VBx，用来指明控制环的起始地址；操作数LOOP是控制环号(常数，0～7)。编号为2、4、5、6、7的参数固定不变，可在PLC主程序中设定；编号为1、3、8、9的参数具有实时性，须在调用PID指令时填入。

    由于S7-200输入和输出为开关量，而变频器、压力变送器和振动变送器的信号为模拟量，因此EM235模块要实现D/A转换。一个EM235模块可同时扩展3路模拟量输入通道(接1路压力信号，2路振动信号)和1路模拟量输出通道(接至变频器)。

    (2)起动
    M1和M2各有两种起动方式，可通过转换开关选择变频/工频起动方式。

    (3)运行
    正常情况下，电动机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机备用状态。现场压力变送器检测管网出口压力(4～20mA模拟量信号)，并与预定值相比较，经PLC内部专用PID指令进行运算，得到变频器所需频率信号，自动调节电动机转速，达到所需管网压力。

    (4)停止
    按下“停止按钮”，PLC控制所有接触器断开，变频器停止工作。

    (5)切换
    当需从电动机M1切换到M2时，接触器KM2断开，KM1闭合，此时电动机M1工作在工频下，在变频器完全停止后，KM4闭合，变频器重新起动，电动机M2在变频器驱动下起动；完全起动后，KM1断开，电动机M1停止，切换操作结束。电动机M2切换到M1过程类似。

    (6)报警及故障自诊断
    通过PLC内部程序设定报警及联锁保护，一旦出现故障立即停止相应操作并报警。对于故障自诊断功能，考虑到成本问题，未设计上位机，只设置相应故障代码，通过4位数码管显示，使维修人员可根据故障信息方便查找到故障点。如：(a)压缩机油压低、水压低等故障信号，可由现场防爆电接点压力表测得，直接送至PLC，由PLC控制实现声光报警和延时停车；(b)增设现场振动传感器，并将信号送至PLC，对压缩机运行状况进行显示和诊断。

    四 几点体会和设计中应注意的问题

    (1)采用变频控制后，实现了压缩机的软起动，减小了起动电流对电网的冲击；节电效果明显，1年内可回收全部投资。

    (2)采用PLC后，组成闭环自控系统，实现自动调节，运行更加稳定可靠。

    (3)变频器、PLC、接触器等可安装在一台控制柜内，可就地或远控操作，方式简单灵活。

    (4)系统可扩展性较好。若有多台压缩机在变频/工频供电方式下运行时，只需将增加信息或信号引至PLC，即可实现整个系统的自动控制；若生产需要，本系统也可方便接入DCS或上位机，建立人机界面的监控系统等。

    (5)预测性维护检修可大大延长压缩机使用寿命，提高可靠性，减少停车损失，降低运行费用。

    (6)PLC控制电动机在变频/工频供电方式下切换时，须保证各接触器闭合和断开顺序以及足够的延时，以防止电动机绕组产生的感应电动势加载到变频器的输出逆变桥上，造成损坏。

    (7)PLC须实现KM2和KM4间的互锁，以防止2台电动机同时变频起动，使变频器因过载而损坏。

    (8)因2台电动机会在短时间内分别在工频和变频下同时运行，故变频控制柜的总电源开关需按2台电动机负载量考虑。 

S7-200系列PLC自由通信口初始化及通信指令 西门子PLC

在该通信方式下，通信端口完全由用户程序所控制，通信协议也由用户设定。PC机与PLC之间是主从关系，PC机始终处于主导地位。PLC的通信编程首先是对串口初始化，对S7-200PLC的初始化是通过对特殊标志位SMB30（端口0）、SMB130（端口1）写入通信控制字，设置通信的波特率，奇偶校验位、停止位和字符长度。显然，这些设定必须与PC的设定相一致。SMB30和SMB130的各位及含义如下：

其中，校验方式：00和11均为无校验、01为偶校验、10为奇校验；字符长度：0为传送字符有效数据是8位、1为有效数据是7位；波特率：000为38400baud、001为19200baud、010为9600baud、011为4800baud、100为2400baud、101为1200baud、110为600baud、111为300baud；通信协议：00为PPI协议从站模式、01为自由口协议、10为PPI协议主站模式、11为保留，缺省设置为PPI协议从站模式。

XMT及RCV命令分别用于PLC向外界发送与接收数据。当PLC处于RUN状态下时，通信命令有效，当PLC处于STOP状态时通信命令无效。

XMT命令将指定存储区内的数据通过指定端口传送出去，当存储区内**后一个字节传送完毕，PLC将产生一个中断，命令格式为 XMT TABLE，PORT，其中PORT指定PLC用于发送的通信端口，TABLE为是数据存储区地址，其**个字节存放要传送的字节数，即数据长度，**为255。

RCV命令从指定的端口读入数据存放在指定的数据存储区内，当**后一个字节接收完毕，PLC也将产生一个中断，命令格式为RCV  TABLE，PO RT，PLC通过PORT端口接收数据，并将数据存放在TBL数据存储区内，TABLE的**个字节为接收的字节数。

在自由口通信方式下，还可以通过字符中断控制来接收数据，即PLC每接收一个字节的数据都将产生一个中断。因而，PLC每接收一个字节的数据都可以在相应的中断程序中对接收的数据进行处理。

PLC梯形图程序设计的常用方法——转换法

就是将继电器电路图转换成与原有功能相同的PLC内部的梯形图。这种等效转换是一种简便快捷的编程方法，其一，原继电控制系统经过长期使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能；其二，继电器电路图与PLC的梯形图在表示方法和分析方法上有很多相似之处，因此根据继电器电路图来设计梯形图简便快捷；其三，这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持了原有系统的外部特性，操作人员不用改变长期形式的操作习惯。
（1） 基本方法。
根据继电器电路图来设计PLC的梯形图时，关键是要抓住它们的一一对应关系，即控制功能的对应、逻辑功能的对应以及继电器硬件元件和PLC软件元件的对应。
（2） 转换设计的步骤。
1） 了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。
2） 确定PLC的输入信号和输出信号，画出PLC的外部接线图。
3） 确定PLC梯形图中的辅助继电器（M）和定时器（T）的元件号。
4） 根据上述对应关系画出PLC的梯形图并进一步优化使梯形图既符合控制要求又具有合理性、条理性和可靠性。

可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图1 所示。

（1）    深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求

1)  被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。

2)  控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。

图1 控制系统一般设计步骤

（2）    确定 I/O 设备

根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。

（3）    选择合适的 PLC 类型

根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等。

（4）    分配 I/O 点

分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。接着九可以进行PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

（5）    设计应用系统梯形图程序

根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的**核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

（6）    将程序输入 PLC

当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。

（7）    进行软件测试

程序输入 PLC 后，应**行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。

（8）    应用系统整体调试

在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可**行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。

（9）    编制技术文件

系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC 梯形图。

停车场PLC自动控制程序设计一、问题提出

假设有一汽车停车场，**容量只能停车50辆。为了表示停车场是否有空位，试用PLC来实现控制。

二、硬件设计

1、I/O分配表

2、接线图

略

三、程序设计

《案例》PLC环系列按钮步进彩灯电路——set切动分离方案

1.PLC实验接线简图

2.SFC图→(译为)梯形图→(译为)指令表

西门子S7 PLC用I0.0控制接在Q0.0～Q0.7上的8个彩灯循环移位梯形图

PLC逻辑设计法的特点

 逻辑设计法是以布尔代数为理论基础，根据生产过程中各工步之间的各个检测元件（如行程开关、传感器等）状态的变化，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，再转换成梯形图。该方法在单一的条件控制系统中，自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了**发展，在**各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 
作为离散控的制的**产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，**范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 
 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到**终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出**的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。 
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（**多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器，PLC产业一定会有一个美好的未来 。非常好用，相当于组合逻辑电路，但和时间有关的控制系统中，就很复杂。

PLC的常规维护及故障排除的方法

1、常规检查与维护

2、外部故障的排除方法

1）总体检查

2）电源故障检查

3）运行故障检查

4）输入输出故障检查

5）外围环境的检查

6）故障的处理

3、内部错误的故障诊断

1）故障诊断的基本方法

2）利用CPU诊断缓冲区进行详细故障诊断

3）错误处理组织块

基本组成可归为四大部件： 中央处理单元（CPU板）——控制器的核心

                         输入部件 （I/O部件）——连接现场设备与CPU之间

                         输出部件                的接口电路

                         电源部件——为PLC内部电路提供能源

整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内

模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成

I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合

另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内

    PLC的基本组成框图：