选矿厂矿石破碎s7300控制系统硬件说明书.doc

目录毕业设计说明书设计题目：选矿厂矿石破碎S7-300控制系统硬件设计摘要在选矿厂矿石破碎系统的硬件设计上，我们主要进行了硬件的选型和电气原理设计。首先，我们在对应了解其工艺流程的基础上对其测控点进行统计，然后依据工艺上的要求确定本系统整体的控制思想以及设计方案。其次，在PLC硬件的选型方面，我们选用西门子S7-300作为我们的核心控制器，工控机为上位机，WinCC界面为组态界面。其中我们对PLC的CPU模块，各种功能模块进行了选型。再次，针对工艺的要求，本系统选取了对应不同启动方式的电机。最后，利用CAD制图软件画出了系统原理图，电机的主电路以及控制电路，PLC柜以及配电柜的电气原理图和连接图。本文首先对系统的工艺进行了简单介绍，分析了系统工作原理，确定了整个系统的实现方案。然后，分别对可编程控制器、传感器、变频器和调速电机进行初步的选型，最终设计出硬件电气原理图，并说明了其实现功能。关键词：选矿自动化；硬件；PLC；S7-300；电机Abstract窗体顶端Hardware design of the concentrator ore crushing system, we carried out the selection of hardware and electrical schematic design.First, we in the corresponding understanding of the process on the basis of its monitoring and control point to statistics, in accordance with the requirements on the process to determine the overall system of thought control, as well as design.Secondly, in terms of PLC hardware selection, we selected Siemens S7-300 as the core controller, industrial computer as the host computer, the WinCC interface configuration interface. Which the PLC CPU module, a variety of functional modules selection.Again, for the process requirements, the system selected corresponding to different start motor.Finally, the use of CAD drawing software to draw the system diagram, the motor main circuit and control circuit, the electrical schematic and connection diagram of the PLC cabinet and power distribution cabinet.Firstly, a brief introduction to the process of the system, the system works to determine the overall system implementation. Then, programmable controllers, sensors, inverter and variable speed motors, a preliminary selection, the final design of the hardware electrical schematics, and describes its implementation functions.Keywords:： Mineral processing automation; hardware; PLC; S7-300; motor目录目录0 引言11 选矿自动化综述21.1选矿自动化及其主要内容21.2选矿自动化发展历史21.3我国选矿自动化现状、存在的问题31.4选矿厂破碎工艺流程及流程图41.5设计的理念及解决方案52选矿厂矿石破碎系统总体设计方案62.1系统总体设计思想62.2破碎筛分环节控制分析及优化62.3破碎筛分阶段的优化效果62.4 选矿厂破碎系统组成环节72.5 系统总体布局图82.6 现场控制与远程中央控制83 综合自动化破碎系统硬件介绍及选型93.1 S7-300 PLC及PLC选型要点93.1.1 S7-300简介93.1.2 PLC的选型要点93.2 PLC及模块选型103.2.1 PLC的中央处理器CPU的选型113.2.2 PLC数字量输入/输出模块的选型与线路连接113.2.3 PLC的模拟量输入模块的选型与线路连接133.2.4 模拟量输出模块的选型与线路连接153.2.5 PS307电源模块容量计算及选型163.3低压电器介绍及选型173.3.1接触器173.3.2电磁式继电器183.3.3热继电器193.3.4熔断器213.3.5断路器213.3.6万能转换开关223.3.7控制按钮223.4传感器选型223.5破碎设备简介233.6 CAD简介253.6.1系统功能263.6.2基本功能273.6.3用途简介274 破碎筛分环节的硬件系统设计284.1 破碎筛分环节设备及控制要求284.2系统的启动、运行与停止324.2.1启动前准备阶段324.2.2远程操作台/上位机控制系统的启停324.3 I/O点数统计及符号表334.3.1需要采集的信号、控制信号及控制要求334.3.2破碎筛分设备分组及I/O点数统计符号表334.4 PLC系统硬件组态374.5 选矿厂分散控制系统破碎筛分环节电气原理图384.5.1低压配电一次系统方案图384.5.2 PLC柜原理图、接线图394.5.3配电柜原理图、接线图434.5.4控制台面板设计444.6系统的功能实现455 结论46参考文献47谢辞480 引言0 引言近年来，新型破碎设备及其控制系统发展很快。国内外众多厂商从商品结构上对该类设备不断进行改进、完善，取得了比较好的效果，并且相继推出了众多可靠、高效、节能的新产品。选矿综合自动化控制系统是以可编程控制器（PLC）来完成控制功能的。PLC在安全、可靠及抗干扰的性能上比较出色。本设计正是完成以PLC为控制器的选矿综合自动化控制系统矿石破碎的硬件设计。在该系统的硬件设计上，我对整个矿石破碎系统经行了电气原理设计，并对硬件部分进行选型，对PLC控制柜进行了矿石破碎部分设计及内部设计。在硬件的选型方面，我们选用西门子S7-300作为核心控制器，其中又详细对PLC的CPU模块，各种功能模块进行了选型。硬件的选型还包括各种传感器（温度、浓度、料位等）和变频器的选型，各种开关，接触器，继电器等低压控制设备的选型；在电气原理设计方面，完成了矿石破碎选矿工艺流程图的设计及矿石破碎系统整体的电气连接图和各部分屏图的设计。本文首先对选矿工艺进行了简单介绍，分析了选矿综合自动化控制系统的工作原理，确定了整个系统的实现方案，后续章节对矿石破碎控制系统的硬件进行了详细设计。51 选矿自动化综述1.1选矿自动化及其主要内容选矿自动化(automation of mineral proeess- ing)在选矿生产中，采用仪表、自动装置、电子计 算机等技术和设备，对选矿生产设备状态和选矿生产 流程状况实行监测、模拟、控制，并对生产进行管理的技术。其主要内容包括选矿测试技术、选矿过程控制、选矿过程数学模型和选矿过程模拟以及选矿生产的计算机管理。选矿自动化综合应用了传感器技术、电子技术、自动控制理论、通讯技术及电子计算机科学等多方面的成就，选矿自动化的发展与这些学科密切相关。同时，选矿自动化又必须以选矿工艺流程以及生产技术经济要求为依据。而矿物资源的贫化，选矿设备的大型化和智能化，以及选矿工艺的不断发展，对设备的效率和可靠性、过程参数的稳定及各段产品的质量提出了更高的要求，这就促进了选矿自动化的发展，使其成为选矿厂正常生产的必要手段和提高选矿厂综合效益的有效途径。11.2选矿自动化发展历史1941年，苏联卡瓦尔斯基(H.儿 KaBa:Ibc阴初等在选矿厂的调度检查和自动控制一书中曾论述了选矿自动化问题。20世纪50年代，选矿自动化是对选矿工艺中某单个参数进行检测或控制，如苏联、瑞典、日本等的一些选厂对混入矿石中的金属物体进行自动探测，在苏联的一些选厂采用差压式或了射线密度计对分级机溢流浓度进行检测并构成闭环控制。到60年代，已广泛采用电动单元组合仪表进行模拟控制，同时单个参数和单一机组的控制也发展为以车间或全厂为单位的集中控制，各种就地安装的仪表盘被集中到控制室内;60年代末期，开始采用电子计算机进行直接数字控制(如加拿大的累克一杜弗特选厂用PDPS计算机实现DDc控制)，用于流程分析的 在线X荧光分析仪也已在个别选厂应用，(如芬兰皮卡萨尔米选矿厂)到了70年代，随着电子技术的发展，在线品位分析仪、粒度分析仪、电子皮带秤等检测仪表的应用数量不断增多，有更多的选矿厂采用了计算机控制系统，除DDC外，也有了用两、三台计算机构成的多级控制系统，测量、控制的参数覆盖了整个选矿过程;在控制方式上，稳定化控制渐趋成熟，并开始进行过程最优控制的试验研究，如芬兰皮卡萨尔米选厂的锌浮选控制;同时加强了对磨矿、浮选过程的动力学研究，以进行过程的数学模拟;控制室内的流程监测装置也由模拟流程图发展为实时屏幕显示。80年代，随着计算机技术的推广，选矿厂使用的测量控制装置在信号规范化、数字化方面有了较大发展，很多仪表自身带有计算机芯片或设备;计算机集散控制系统也逐步在1 选矿自动化综述一些大型选矿厂应用;一些基于单板机、单片机、可编程控制器、智能调节器构成的控制系统，以及一些集检测、控制功能于一体的专用智能仪表，在各个选矿作业过程中得到应用;控制方式上，不仅有常规的串级、前馈加反馈等复杂系统，还针对控制对象的时变特性，研究采用自适应最优控制、模糊控制等控制策略。如中国研制的自学习模糊控制器，用于破碎机负荷控制，有的选矿厂还采用了专家系统指导生产作业;同期，选矿生产的计算机管理也为大多数选矿厂采用。 测量和控制的主要参数选矿生产的特点是生产 具有连续性;原矿的物质组成复杂，性质多变，而且含 腐蚀性及对人体有害物质;设备类型多、能耗大;生产车间潮湿、多尘，震动大。实现自动化可以提高有用矿物回收率、产品质量和劳动生产率，增加企业的经济效 益，改善劳动条件，降低生产成本，实现生产的高效和安全。1.3我国选矿自动化现状、存在的问题近年来我国选矿自动化取得了很大的进步。随着电子技术、控制技术、计算机技术等的不断发展，以及选矿厂对自动化的重视，在激烈的市场竞争压力作用下，我国选矿自动化将得到迅速的发展。但是由于国内选矿自动化研究和应用起步较晚，与国外相比，技术水平明显落后，许多矿山企业不注重成本效益，科技投入少，运营成本高，生产效率低，损耗浪费严重。进入20世纪80年代以后，在市场竞争的压力下，选矿自动化技术逐步得到重视，自动化水平得到提高，许多新建的矿山引进国外先进控制设备，采用先进的计算机集散控制系统进行选厂自动化控制，一些先进技术得到应用。选矿与其他行业(如化工)比较，自动化的普及程度与装备水平相对较低，除了流程生产对仪表的依赖程度不同外，制约选矿自动化发展的几个主要因素在于：1)选矿过程的传感器缺乏创新性，而且质量达不到要求。一些选矿关键过程传感器仍然存在安装复杂、可靠性低、测量精度低等老问题，这是影响选矿自动化应用和发展的最重要的因素。另外由于选矿环境比较差导致传感器使用寿命短，检测数据误差大也是一个原因。2)选矿自动控制设计、开发不合理。这是许多控制系统不能长期正常运行甚至无法运行的主要原因。有的设计开发不切合实际，主要表现在控制过程的程序设计不合理；仪表选型不合理，不能充分发挥其性能，对仪表可能出现的问题没有充分估计。3)一些控制系统投运后需要大量的维护工作，维护成本较高。有的需要维护人员频繁处理或频繁更换仪表。许多选矿厂在对自动化系统的长期使用和维护方面缺乏必要的重视，没有长久的系统维护计划，缺乏相关专业的技术人员进行自动化系统的维护，无法自行解决系统可能出现的故障。一旦系统开发方的技术支持减弱，系统很可能因为设备故障、工况变化、人员变化等情况而难以正常运行。一些选矿厂认为控制系统投运后就可一劳永逸，不作备品备件，出现问题后既不更换也不维修，特别是一些关键的仪表，出现故障后相关的控制回路甚至整个控制系统无法正常运行。1.4选矿厂破碎工艺流程及流程图当前我们国内选矿厂处理的铁矿石主要有磁铁矿和赤铁矿两大类，其中磁铁精矿产量约占我国铁精矿产量的3/4，而且国内大部分铁矿山在选矿技术革新方面针对的也主要是这两类矿石。在铁矿资源中，鞍山式铁矿分布最广，是我国最重要的铁矿床，其储量约占全国铁矿石总储量的一半以上，而且规模一般比较大，其矿石类型以磁铁矿为主，是当前国内厂最主要的入选矿石类型。近年来出现的比较成功的新工艺具有代表性的主要有：“阶段磨矿弱磁选反浮选工艺”，“全磁选选别工艺”，“超细碎湿式磁选抛尾工艺”。2本设计依据磁铁矿选矿厂进行，整个工艺分为破碎筛分、磨矿分级两各阶段。38#皮带图1 破碎环节工艺流程图图1 破碎环节工艺流程图破碎环节是选矿的第一环节，其工艺流程如图1所示。矿石由矿山经传送带送至鳄破料仓，选矿工作进入准备状态：首先由鳄破压料机将矿石（较大块）压入鳄破机，经由鄂破机破碎成较小块矿石；破后矿石由1#皮带传送到1#圆锥破，1#皮带中部装有金属监测仪，若矿石中由较大块含铁量较高矿石，一号皮带会停止，以便拿去较大块含铁量较高矿石，防止该类矿石进入圆锥破，造成圆锥破电机负荷变大，损害电机；矿石由1#圆锥破破碎后，矿石破碎程度已经很高，后由2#皮带运输至1#磁化轮，铁矿石部分选至3#皮带，不含铁部分由轮外去毛至8#皮带；3#皮带运输的矿石部分至4#皮带，4#皮带将1#磁化轮所选矿石运送至电振筛，破碎环节合格矿石产品成为筛下物，由6#皮带送至磨矿物料缓冲仓；较大块矿石成为筛上物，由5#皮带运送至2#圆锥破，进行第二次锥破，破后矿石由7#皮带运输至2#磁化轮，进行2次选别，选出的矿石至3#皮带，后进4#皮带运输至电振筛，去毛物则至8#皮带。至此整个破碎筛分过程完成。1.5设计的理念及解决方案本设计的提出是由于：选矿生产过程中存在着亟待解决的问题，同时要求能够实现大规模的生产，提高生产率。这就要求我们对以往的系统进行改进，落后的手工操作将人的因素引选矿生产的各个环节，使先进工艺难以在生产中实现，严重影响生产的稳定及进一步提高。因此实现高精度、大规模、自动化的选矿生产对各选矿企业有极为重要的意义。以前在这类控制中大多是以继电器，接触器等电器设备来或是用单片机来完成控制，自动化程度低，规模小，稳定性和安全性也小。现在，随着可编程控制器（PLC），组态软件以及变频调速技术的发展迫切的要求我们要能够使用PLC实现选矿系统的自动控制。首先PLC技术的具有很多优点如可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活。多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。编程方便，易于使用。 梯形图语言和顺控流程图语言使编程简单方便。控制系统设计、安装、调试方便。维修方便，工作量小。功能完善。除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。组态软件技术具有直观，实时控制的特点广为使用。基于以上优点，我们用PLC实现选矿综合自动化控制系统是非常必要的。也正是我们需要解决的问题。对此，我们对选矿综合自动化控制系统的初步设计方案就是使用工业控制计算机作为上位机，PLC作为控制器（下位机），低压控制电路作为我们的执行机构，采用集中控制台、集中组态双模式控制。其中，最主要的将会是各种硬件的选型、连接以及PLC控制柜和控制台的设计。以下几个章节将详细介绍具体的设计。2选矿厂矿石破碎系统总体设计方案2.1系统总体设计思想选矿自动化主要以提高产量与品位，节能降耗，增加效益为目标。大中型选矿自动化系统是指运用各种自动控制技术完成破碎筛分、磨矿、分级、选别、浓缩脱水、过滤、精矿输送等工序，从而筛选出高品质精矿的控制系统。稳定性、准确性是系统必备的要素。4该系统在工业生产中常以可编程控制器（PLC）来完成控制功能。在工业生产中大力开发使用PLC完成控制功能的选矿自动化系统是非常必要的。本设计正是完成基于PLC为控制器的选矿厂综合自动化系统设计。 系统应该具有以下两个特点：1、高靠性。上位机采用工业控制计算机,抗干扰,防尘,防振,能适应现场恶劣环境的要求；为保证正常生产,程序上采用连锁结构,提高了系统的安全度,系统可对设备故障及现场故障进行声、光报警,并报出故障内容,原因和时间；2、实时性。位机通过Wincc组态实现对整个生产过程的集中管理,分析系统的运行状态及实时进行监控,当过程参数出现偏差或故障时能迅速响应,予以判断并实时处理,下位机完成实时控制和操作。2.2破碎筛分环节控制分析及优化破碎机为矿山主要生产设备之一，因破碎机具有破碎比大、产量高、耗能少、产品粒度均匀等特点，获得广泛应用。近年来，国内外众多厂商从产品结构上对该类设备不断地进行改进、完善，取得了比较好的效果，并相继推出众多高效、可靠、节能的新产品。然而值得关注的是我国矿山现有破碎机以20世纪6070年代老设备居多，并一直在生产中发挥着重要的作用。若对这些老设备进行自动化改造，实现自动控制，在矿山具有广阔的前景。破碎工序是选矿厂的第一道工序，该工序能否稳定正常的工作直接影响后续作业情况。本设计旨在设计一种高效破碎机控制系统，通过对油温、油位的检测实施对破碎机安全工作状态的分析和报警；通过对破碎机工作电流 和给矿量的检测和分析实施破碎机优化给矿的控制；通过对料仓料位的检测和各破碎机能力的分析实施自动布料和破碎机工作的优化平衡；最终使整个系统安全、稳定、高效的运行。2.3破碎筛分阶段的优化效果该自动控制系统不仅保护了圆锥破碎机，而且在保证产品粒度合格率的基础上相应提高了处理能力，运用该系统后将大大的节约电能、降低油耗、提高破碎机工作效率、减少岗位人员配置、提高设备的安全可靠性、减少设备维修的费用、2 选矿厂矿石破碎系统总体设计方案通过人性化的组态界面使操作起来简单方便，便于管理。此外，由于稳定了破碎工况，从而最终提高了与之相关的磁选、筛分等相关工艺流程的整体运行效率。2.4 选矿厂破碎系统组成环节 基于工艺与现场，本系统由分散控制系统组成，各部采用独立的控制器，组成分散控制系统，具体组成如图2所示。图2 破碎环节系统组成本系统分为三级系统，各级系统均可实现控制的目的，亦可通过集中控制状态，实现整个系统的自动控制。各控制环节均设置中控室，采取远程控制，通过工业计算机作为上位机，组成一级系统，达到组态监控的目的，使系统控制更加直观、简洁；二级系统(下位机) 采用西门子公司的 S7300 PLC（可编程控器）组成，该工业控制器可满足中小型选矿厂的控制要求；三级系统为现场控制，由现场的具体控制设备构成，采用电气控制箱、控制柜，完成现场的人工控制过程。此过程主要在设备检修及调试过程中使用，亦可作为紧急状态下的控制。5一级系统(上位机)和二级系统(下位机)通过MPI总线联系通信；6二级和三级系统则通过数据电缆通信；这样三个系统构成了整个生产管理及控制体系。一级系统完成数据集中管理任务。二级系统用于采集和处理各种信号,并输入上位机,完成独立系统的分散控制功能。7系统的硬件组成为：、上位机(工业控制计算机):包括1 台工业控制机,显示器,UPS电源,打印机和操作键盘等是系统的中枢,它接收下位机的信号,除显示打印存储外,还按照程序要求回馈下位机运行方式和数据。、下位机(PLC):采用抵抗工业恶劣环境能力强且可靠性高的S7300 PLC实现。2.5 系统总体布局图图3 系统总体布局图2.6 现场控制与远程中央控制现场设备控制柜设有启停等操作按钮，为继电接触器控制系统；远程中控室设置操作台和上位机，操作台上分别设置每个设备的启停等操作按钮，这些操作按钮连接PLC输入端，由按钮通过PLC控制设备运行；远程中控室设置操作台设有“现场”和“手动”和“自动”切换开关，当开关放在“现场”位置时远程中央控制失效，由操作员现场本地操作控制；当开关放在“手动”位置时，操作员可通过中控室操作台人工操作控制系统运行。当开关放在“自动”位置时，操作员可通过中控室上位机组态监控软件Wincc操作控制系统。553 综合自动化破碎系统硬件介绍及选型3 综合自动化破碎系统硬件介绍及选型由于可编程序控制器在工业控制领域中所占的核心地位和日趋重要的发展态势。本章对选矿厂分散控制系统中的可编程控制器进行了详细的介绍，并对可编程控制器S7-300的各个模块进行了细致的选型及设计。3.1 S7-300 PLC及PLC选型要点3.1.1 S7-300简介西门子S7-300可编程序控制器是模块化小型PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求。其主要的组成部分有:导轨、中央处理单元模板、接口模板 (IM)、信号模板(SM)、功能模板 (FM)等。S7-300系统组成如图4所示。图4 基于PLC S7-300的组态3.1.2 PLC的选型要点在系统设计时，在确定控制方案以后，下一步工作就是PLC设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 （1）输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整。 （2）存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 （3）机型的选择 PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。电源的选择 PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。3.2 PLC及模块选型鉴于以上要点，由于该选矿系统工艺过程比较固定，不易选用整体式结构的PLC，易选用模块式结构的PLC；系统以开关量控制为主、带少量数字量控制，对控制速度没有太多要求，带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能就能满足要求；此外系统控制功能要求要实现PID运算、闭环控制、通信联网等。因此，S7-300系列可编程控制器能满足性能要求。本系统设计选用西门子(Siemens)公司的SIMATIC S7-300模块化PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。83.2.1 PLC的中央处理器CPU的选型根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，选用SIEMENS公司的S7-300系列PLC的CPU为315-2DP。9CPU3152DP是唯一带现场总线（PROFIBUS）SINEC L2-DP接口的CPU模板，具有48KB的RAM, 80KB的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储乳容量最大到512KB。最大可扩展1024点数字量或128个模拟量。315-2DP具有中、大规模的程序存储容量和数据结构，如果需要，可以供SIMATIC功能工具使用，它对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力，可用于大规模的I/O配置，建立分布式I/O结构。根据输入输出点数的要求选择CPU315（6ES7315-2AF00-0AB0）作为本次设计的中央处理器。10图5 CPU315模块面板布置示意图图5 CPU315模块面板布置示意图3.2.2 PLC数字量输入/输出模块的选型与线路连接数字I/O模块包括用于SIMATIC S7-300的数字输入和输出,通过这些模块，可将数字传感器和执行元件与SIMATIC S7-300相连。由于315-2DP PLC的CPU本身没有输入输出接口，需要使扩展模块作为系统的I/O口。在本系统中我们采用SM321 以及SM322来满足系统的要求。11SM321数字量输入模板将现场送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平，有四种型号模板可供选择，即直流16点输入，直流32点输入，交流8点输入，交流32点输入。因为破碎阶段统计出 DI=46点，根据统计出的I/O点数，选择直流32点和直流16点输入的SM321数字量输入模块。选用的模块为：SM321(6ES7 321-1BL00-0AA0)为 DI 3224VDC；如下图6所示。图6 SM321数字量输入模块线路连接图图6 SM321数字量输入模块线路连接图SM322数字量输出模板将S7-300内部信号电平转换成所要求的外部信号电平，可直接驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。破碎阶段统计出 DO=13点，根据统计出的I/O点数选择32点继电器输出数字量输出模板。选用的模块为：SM322(6ES7 322-1FL00-0AA0)为 DO 32120/230VAC/1A；如下图7所示。 图7 SM322数字量输出模块线路连接图3.2.3 PLC的模拟量输入模块的选型与线路连接SIMATIC S7-300的模拟输入用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻器和电阻式温度计。SM331模拟输入模块将扩展过程中的模拟信号转化为S7-300内部处理用的数字信号。电压和电流传感器、热电耦、电阻和电阻式温度计均可作为传感器与该模块相连。在选矿自动化系统中需要采集多种模拟的信号输送到PLC中，这就需要用到模拟量的输入模板，模拟量的输入模板为SM331. 本阶段选用SM331 AI 812位模拟量输入模块。SM331 AI812Bit是8通道的模拟量输入模块，主要是由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分式A/D转换的积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换精度。积分时间越长，被测值的精度越高。SM331可选的积分时间有:2.5ms, 16.7ms, 20ms和100ms。相对应的以位表示的精度为8、12、12和14。为了抑制工频及谐波干扰，一般选用20 ms的积分时间，相应精度为12位。S7-300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量的值，其中最高位为符号位S。 0”表示正值，“1”表示负值。S7-300模拟输入模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。它用于连接不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，可以将扩展过程中的模拟信一号转化为S7-300内部处理用的数字信号。SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A/D转换部件。即通过模拟切换开关，各个输入通道按顺序一个接一个转换。某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直持续到再次开始转换的时间称为输入模块的循环时间。循环时间是对外部模拟信号的采样间隔。对于一个积分时间设定为20ms, 8个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的SM331,其循环时间为(22+10)8=256ms。SM331的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需接24VDC的负载电压L+，有反接保护功能。模块与S7-300CPU及负载电压之间是光电隔离的。8路输入模块的连接原理如图8所示。另外，为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能，可以将不使用的通道与M短接。根据需要我们选用SM 331（6ES7 331-7KF02-0AB0）模拟量输入模板作为我们的模拟量输入模板，具体的参数如下：SIMATIC S7-300的模拟输入 用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻器和电阻式温度计 8输入，高分辨率。 图8 8路输入模块的连接原理示意图SM 331（ 6ES7 331-7KF02-0AB0）的接线图如下图9所示：图9 SM331数字量输出模块线路连接图3.2.4 模拟量输出模块的选型与线路连接图10 SM332模拟量输出模块连接示意图模拟量输出模块SM332用于连接模拟量执行器SM332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路能获得比较高的输出精度模拟量输出(简称模出(AO)模块SM332目前有三种规格型号，即4AOl2位模块、2AO12位模块和4AOl6位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。SM332与负载/执行装置的连接。我们选择SM332 AO 412位（6ES7 332-5HD01-0AB0）模拟量输出模。SM332模拟量输出模块连接示意图如图10所示。3.2.5 PS307电源模块容量计算及选型PS307是西门子公司为S7-300专配的24 V DC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外(有2 A、5 A、10 A三种)，其工作原理和各种参数都相同。PS307可安装在S7-300的专用导轨上，除了给S7-300 CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。图11为PS307 2A模块端子接线图。 图11 PS307 2A模块端子接线图 图11 PS307 2A模块端子接线图S7-300模块使用的电源由S7-300背板总线提供，一些模块还需从外部负载电源供电。在组建S7-300应用系统时，考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的。一个实际的S7-300 PLC系统，确定所有的模块后，要选择合适的电源模块，所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并且要留有30左右的裕量。当同一电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25 V。PS307电源模块的输入接单相交流，输入电压为120/230V, 50/60HZ;输出电压24VDC，输出电流5A;在输入和输出之间有可靠的隔离。S7-300系统时要选择合适的电源模块。其选择准则是电源模块的输出功率必须大于CPU模块与所有I/0模块之和。表1 S7-300各模块电流耗量和功率损耗模块通过背板总线吸取的电流（最大值）从24V负载电源吸收的电流（不带负载运行）功率损耗（正常运行）CPU315供1.2A1A8WSM32125MA1MA3.5WSM322100MA100MA6.5WSM33160MA60MA1.3WSM33260MA340MA6WCM35150MA -如上表所示，该系统各个模块从S7-300背板总线吸取的电流为253+1002+150+602+60=605MA没有超过CPU315所能转供的电流1. 2A。考虑到电源应留有一定的余量，所以电源模块应选PS3