西門子V90伺服系統              西門子V90伺服系統

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PLC 硬件系統設計

1 ． PLC 型號的選擇

在作出系統控制方案的決策之前，要詳細了解被控對象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進行控制。

在控制系統邏輯關系較復雜（需要大量中間繼電器、時間繼電器、計數器等）、工藝流程和產品改型較頻繁、需要進行數據處理和信息管理（有數據運算、模擬量的控制、 PID 調節等）、系統要求有較高的可靠性和穩定性、準備實現工廠自動化聯網等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。

目前，國內外眾多的生產廠家提供了多種系列功能各異的 PLC 產品，使用戶眼花繚亂、無所適從。所以全面權衡利弊、合理地選擇機型才能達到經濟實用的目的。一般選擇機型要以滿足系統功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設備資源的浪費。機型的選擇可從以下幾個方面來考慮。

（ 1 ）對輸入 / 輸出點的選擇

盲目選擇點數多的機型會造成一定浪費。

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

另外要注意，一些高密度輸入點的模塊對同時接通的輸入點數有限制，一般同時接通的輸入點不得超過總輸入點的 60 ％； PLC 每個輸出點的驅動能力（ A/ 點）也是有限的，有的 PLC 其每點輸出電流的大小還隨所加負載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環境溫度的升高而有所降低等。在選型時要考慮這些問題。

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

（ 2 ）對存儲容量的選擇

對用戶存儲容量只能作粗略的估算。在僅對開關量進行控制的系統中，可以用輸入總點數乘 10 字 / 點＋輸出總點數乘 5 字 / 點來估算；計數器/ 定時器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個估算；有運算處理時按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸入 / 輸出的系統中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 ～ 100 ）字左右的存儲容量來估算；有通信處理時按每個接口 200 字以上的數量粗略估算。后，一般按估算容量的50 ～ 100 ％留有裕量。對缺乏經驗的設計者，選擇容量時留有裕量要大些。

（ 3 ）對 I/O 響應時間的選擇

PLC 的 I/O 響應時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間延遲（一般在 2 ～ 3 個掃描周期）等。對開關量控制的系統，PLC 和 I/O 響應時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應問題。但對模擬量控制的系統、特別是閉環系統就要考慮這個問題。

（ 4 ）根據輸出負載的特點選型

不同的負載對 PLC 的輸出方式有相應的要求。例如，頻繁通斷的感性負載，應選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC 有許多優點，如導通壓降小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，其負載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。所以動作不頻繁的交、直流負載可以選擇繼電器輸出型的 PLC 。

（ 5 ）對在線和離線編程的選擇

離線編程示指主機和編程器共用一個 CPU ，通過編程器的方式選擇開關來選擇 PLC 的編程、監控和運行工作狀態。編程狀態時， CPU 只為編程器服務，而不對現場進行控制。編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機和編程器各有一個 CPU ，主機的 CPU 完成對現場的控制，在每一個掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發給主機，在下一個掃描周期主機將按新的程序對現場進行控制。計算機輔助編程既能實現離線編程，也能實現在線編程。在線編程需購置計算機，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應根據需要決定。

（ 6 ）據是否聯網通信選型

若 PLC 控制的系統需要聯入工廠自動化網絡，則 PLC 需要有通信聯網功能，即要求 PLC 應具有連接其他 PLC 、上位計算機及 CRT 等的接口。大、中型機都有通信功能，目前大部分小型機也具有通信功能。

（ 7 ）對 PLC 結構形式的選擇

在相同功能和相同 I/O 點數據的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優點，要按實際需要選擇 PLC 的結構形式。

2 ．分配輸入 / 輸出點

一般輸入點和輸入信號、輸出點和輸出控制是一一對應的。

分配好后，按系統配置的通道與接點號，分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進行編號。

在個別情況下，也有兩個信號用一個輸入點的，那樣就應在接入輸入點前，按邏輯關系接好線（如兩個觸點先串聯或并聯），然后再接到輸入點。

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 抱閘控制時序轉矩限制：轉矩限值是允許的大轉矩，針對電機電動運行和回饋運行設置不同的轉矩限值，且由轉矩限制，電流設置和功率限制共同決定。需要確認設定的回饋功率是否滿足電機回饋運行。                                       轉矩限制變頻器控制信號設定：本樣機中變頻器速度給定值通過二進制選擇的固定頻率給定實現。                                       固定頻率給定二進制選擇變頻器的故障信號輸出信號連接到電梯控制主板，因為在系統上電時，電梯的控制主板啟動時間比變頻器時間要短，當變頻器沒有準備好，電梯控制主板提前啟動變頻器，有可能會導致意外發生，所以需要故障信號輸出信號取反后發送到電梯控制主板。當變頻器控制單元正常運行后才能把故障信號取反發送出去，所以變頻器在正常運行的情況才會發出常1信號，當變頻器斷電或者變頻器故障時，電梯控制主板不能接收到這個常1信號，就認為變頻器不具備啟動條件，整個電梯系統無法正常運行。電梯運行舒適性設置：為了滿足乘客乘坐電梯時舒適性的要求，需要通過擴展斜坡函數發生器和轉速控制器適配來實現。擴展的斜波函數發生器提供電機啟動加速過程中的起始圓弧和結束圓弧，實現了速度的平穩過渡，在電梯整個加減速過程中實現變加速度的功能，在電梯啟動瞬間和快加速到達給定速度時，減小了電梯運行加速度，提高了電梯乘坐的舒適性,避免了電梯從靜止狀態突然啟動和電梯加速到設定速度時的沖擊。                                       帶初始和結束圓弧的斜波發生器

驗收測試及后期優抱閘力檢測功能:為了保證電梯曳引機抱閘系統的正常運行，增加了抱閘力檢測功能。當電梯處于空閑模式時，電梯控制器會輸出抱閘力測試請求，由變頻器負責給電機一定的堵轉力矩，由電梯控制板檢測曳引輪是否出現打滑現象。如果有打滑認為抱閘力不夠，電梯停用，否則認為測試正常。具體實現方法為：通過簡單的參數設置，利用MOP的斜坡發生器，實現了抱閘力測試的要求。隱藏式電機停機去電流：永磁同步電機根據轉子結構一般可分為凸極式（IPMSM）和隱級式(SPMSM)。對于IPMSM具有明顯的凸極效應，即直軸電感與交軸電感不相等（一般）Ld < Lq對于SPMSM沒有凸極效應，即Ld = Lq在永磁同步曳引機在電梯主提升的應用過程中，發現隱級式同步電機在停車時會發出有別于抱閘閉合的響聲，影響了電梯乘坐的舒適感。由下圖發現現場監控電電機停車S120去使能瞬，由在電機零速停車時，發現有3rpm的速度震蕩，這個速度震蕩導致了停車噪音的出現。                                                 電機零速停車速度曲線根據永磁同步電機根據轉子結構一般可分為凸極式（IPMSM）和隱級式(SPMSM)的主要不同點是Ld 和 Lq不相等，懷疑是否因為去使能時電流突然變為零，導致了電機的震動。所以為了驗證電流突變是否震蕩的直接原因，所以了通過DCC編程減緩了電機去使能時的電流突變。                                                DCC功能圖實現的主要原理是在電梯控制主板不發啟動命令給變頻器時，激活DCC斜坡函數。通過扭矩限幅的方式實現電機電流按照斜坡緩慢下降，達到消除電機停車震動的問題。由下圖可以看到，當電流按照斜坡下降時，電機速度沒有出現抖動。                                      帶去電流功能的零速停車曲線To the top of the page五、樣機開發結果此電梯電力拖動系統，從調試結束至今已經穩定運行了一年多，產品性能和電梯乘坐舒適度都得到了客戶的認可?，F場實際調試了兩臺電梯永磁同步無齒曳引機，通過簡單的參數設置，以及優化速度環比列Kp_n和積分Tn_n，容易實現客戶要求的性能,DCC和BICO功能，大大提高了系統功能的可擴展性。  水泥取材于石灰石，經加工煉制成廣泛使用的建筑材料用于城市建設。在環境污染日益嚴重的今天，水泥行業因高耗能和粉塵污染而被詬病，節能減排已成為行業可持續發展的核心主題，且看西門子如何助力華潤水泥將該主題付諸實施。將顆粒狀的石灰石送入原料磨，加入粘土質原料、以及少量的校正原料磨成成分合適、質量均勻的生料；生料進入回轉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，視不同的品種還會加入一定量的混合材，共同進入水泥磨磨細，制成可供建筑使用的水泥。這一歷程即水泥生產的“兩磨一燒”過程，也是華潤水泥旗下水泥企業的主要生產流程。華潤水泥屬國家重點支持的大型水泥企業集團之一，是華南地區具競爭力的水泥和商品混凝土供應商，在中國水泥行業中具有重要地位，其業務區域分布于廣東、廣西、福建、海南、山西、云南、貴州、內蒙古及港澳等地。近年來，華潤水泥攜手西門子，將西門子“管理節能+工藝節能+ 設備節能”的綜合節能理念貫穿于水泥生產中，廣泛采用能源管理系統、DCS、高低壓變頻器、電機和齒輪箱減速機等西門子產品和解決方案，實現了立磨循環風機、窯頭窯尾排風機、高溫風機等大型設備的節能，不斷為水泥生產過程的能耗“減負”，將水泥行業的節能減排綠色夢想帶進現實。在橫跨廣西、廣東兩省的西江流域，華潤水泥旗下的封開、平南和貴港等生產基地中就演繹了華潤水泥與西門子共創節能佳績的故事。為原料運輸搭建一座高架橋水泥原料中約80%的成分是石灰石，分布于石灰巖礦豐富的山區。華潤水泥（封開）有限公司的石灰石礦場位于距離生產基地63公里的山區，若使用汽車運輸原料，其成本約為11.3萬元/天，這將帶來巨大的運輸及能耗成本。經過周密規劃，華潤封開水泥在石灰石礦場和生產基地之間建設了一條運輸皮帶廊，橫臥在封開的崇山峻嶺中，好像一座架在群山之間的藍橋，又像一掛瀑布，渾然天成。皮帶廊全程規劃為52公里（一期40公里已建成運行），相當于北京三環路的全長，通過衛星也清晰可見，堪稱水泥行業世界之。皮帶廊為全密封雙線設計，單條皮帶運力為2500 t/h，年運輸能力達到1000萬噸，兩條皮帶可*6條5000t/d生產線的需求。要讓40公里的皮帶廊帶著5000多噸的物料運轉起來，需控制不同節點的電機同步運行。為了保障穩定運輸，皮帶廊被分為3大段，均采用Simatic PCS 7控制系統，皮帶上不同節點裝有張力傳感器，控制系統根據張力反饋，通過變頻器調節整各部分電機的轉速，可以讓皮帶在15分鐘內快速啟動。皮帶廊平穩運行后大速度可達4.95m/s，石灰石從礦場運輸到廠區只需短短兩個小時。在西門子技術的協助下，皮帶廊低成本高效運轉，與汽車運輸相比，每年節約費用1.79億元，節約燃油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。高壓變頻讓風機輕松變速為了防止污染，“兩磨一燒”的過程是在相對封閉的空間里進行的，生產效果極大依賴于高壓風機的協助：從生料的攪拌、選取，到水泥窯中的煅燒、煤粉的添加，以及后期產品輸送，都離不開風機的作用。