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目錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 緒論 1
1.1 空氣壓縮機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1
1.2本課題研究的目的與意義 1
1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容 2
第2章 變頻恒壓供氣系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 4
2.1變頻恒壓供氣方法的設(shè)計(jì) 4
2.2控制系統(tǒng)的工作原理 4
2.2.1空壓機(jī)變頻調(diào)速要求 6
2.2.2空壓機(jī)切換工作過程 6
2.3本章小結(jié) 7
第3章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 8
3.1 控制系統(tǒng)的要求及分析 8
3.2控制系統(tǒng)I/O配置 8
3.3 PLC系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計(jì) 9
3.3.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展 9
3.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 10
3.3.3 PLC的基本工作原理 10
3.3.4 PLC的主要特點(diǎn) 12
3.3.5 PLC的選型 13
3.3.6 變頻器的選擇 13
3.3.7 傳感器的選擇 14
3.4 PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖 14
3.4.1 主電氣原理圖 14
3.4.2 控制電氣原理圖 14
3.4.3 PLC外圍控制電氣接線圖 16
3.5 本章小結(jié) 18
第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19
4.1軟件設(shè)計(jì)分析 19
4.2 梯形圖程序設(shè)計(jì) 19
4.3 系統(tǒng)流程圖 19
4.4 本章小結(jié) 19
結(jié)論 24
參考文獻(xiàn) 25
致謝 27
第1章 緒 論
1.1空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀
隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，許多領(lǐng)域中都引入了計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測與控制技術(shù)。在煤礦中甚至許多有風(fēng)動(dòng)機(jī)械的企業(yè)，因工作性質(zhì)的需要，都離不開空氣壓縮機(jī)。
目前空氣壓縮機(jī)的種類很多，按工作原理可分為容積式壓縮機(jī),往復(fù)式壓縮機(jī),離心式壓縮機(jī),容積式壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；離心式壓縮機(jī)的工作原理是提高氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度，使氣體分子具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。往復(fù)式壓縮機(jī)(也稱活塞式壓縮機(jī))的工作原理是直接壓縮氣體,當(dāng)氣體達(dá)到一定壓力后排出。目前主要用的是活塞式壓縮機(jī)?；钊綁嚎s機(jī)主要是向大容量、高壓力、低噪聲、高效率、高可靠性等方向發(fā)展；不斷開發(fā)變工況條件下運(yùn)行的新型氣閥，提高氣閥壽命。
隨著活塞式空氣壓縮機(jī)因?yàn)橐讚p件多、體積大、噪聲大、震動(dòng)大、不穩(wěn)定及存在危險(xiǎn)性等缺點(diǎn)，于一九三六年在瑞典開發(fā)出第一臺(tái)雙螺桿式空氣壓縮機(jī)，因工作相對穩(wěn)定、整機(jī)體積小、自動(dòng)化程度高、維護(hù)量少且小、噪聲也大幅度降低、震動(dòng)也少到不用基礎(chǔ)等一系列優(yōu)點(diǎn)，于一九八六年開始引入中國并得到廣大廣大客戶的認(rèn)可。但是隨著螺桿壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用，隨著而來的問題也都暴露出來，主要表現(xiàn)為：壓力上不去，適合于八公斤以下，排氣量也上不去，最大的機(jī)頭到現(xiàn)在為止也只有35立方，軸承壽命短，而且需要有專用設(shè)備來調(diào)整間隙，不穩(wěn)定性（體現(xiàn)機(jī)頭會(huì)被抱死），力無法平衡，螺桿不能被平衡，噪聲及震動(dòng)不太令人滿意，所以，大排氣量的離心式空氣壓縮機(jī)，小排氣量的滑片式壓縮機(jī)，1960年在法國成功開發(fā)出單螺桿式的壓縮機(jī)，極大的觸動(dòng)了世界人的神經(jīng)，特別是當(dāng)時(shí)軍艦與潛艇對空壓機(jī)體積小、震動(dòng)低、噪聲低、可現(xiàn)場維護(hù)、無油潤滑、隨時(shí)備用啟動(dòng)的需求，很快在美國、英國、日本也相繼開發(fā)出來，這幾個(gè)強(qiáng)國都在努力保護(hù)，只應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，民用產(chǎn)品一直都被排在外圍。美國人如是評價(jià)：“這是二十一世紀(jì)的戰(zhàn)略性產(chǎn)品?！??
中國也同樣強(qiáng)烈渴望這種高檔壓縮機(jī)，于一九七六年在北京第一通用機(jī)械廠成立開發(fā)小組，但一直至一九八九年，產(chǎn)品仍與國外的產(chǎn)品有著相當(dāng)大的差距，所以就停止開發(fā)，而轉(zhuǎn)為在國外尋找華人，查謙被發(fā)現(xiàn)并成功的安排在廣東肇慶端州壓縮機(jī)研究所，于一九九三年成功開發(fā)第一代產(chǎn)品，經(jīng)過七年的實(shí)驗(yàn)，于2000年注冊成立“正
力精工”并實(shí)行批量生產(chǎn)，并于當(dāng)年“正力精工”接受國家的創(chuàng)新基金開發(fā)國防用無油單螺桿空氣壓縮機(jī)的任務(wù)，并于2004年通過驗(yàn)收而轉(zhuǎn)入試用階段。并于當(dāng)年成為國家火炬計(jì)劃的執(zhí)行單位。同年還承擔(dān)獨(dú)家編制“螺桿式空壓機(jī)”國家標(biāo)準(zhǔn)。并被國家首推為“煤礦井下用空壓機(jī)”。而且榮獲中、美、英、法、日的發(fā)明專利。
現(xiàn)在在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，應(yīng)用熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論，通過綜合模擬預(yù)測壓縮機(jī)在實(shí)際工況下的性能；強(qiáng)化壓縮機(jī)的機(jī)電一體化，采用計(jì)算自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行和聯(lián)機(jī)運(yùn)行。各種新型工質(zhì)的壓縮機(jī)仍然是研究的熱門，其市場會(huì)在一定滯后時(shí)間后得到發(fā)展。目前最熱門的應(yīng)當(dāng)是CO2壓縮機(jī)了，特別是跨臨界循環(huán)。各種類型，包括活塞、滑片以及螺桿等的CO2壓縮機(jī)均在研發(fā)與應(yīng)用中。
1.2本課題研究的目的與意義
回顧工業(yè)生產(chǎn)過程和發(fā)展歷程，在20世紀(jì)40年代前后，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程均處于手工操作狀態(tài)。當(dāng)時(shí)人們主要憑經(jīng)驗(yàn)由工人控制生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程靠人工去執(zhí)行，生產(chǎn)效率很低。而如今科學(xué)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，在短短的幾十年中，生產(chǎn)過程有了深遠(yuǎn)的變革，自動(dòng)化水平也在不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了全車間，全廠，甚至全企業(yè)無人或很少人參與操作管理，實(shí)現(xiàn)了過程控制的最優(yōu)化與現(xiàn)代化的集中調(diào)度管理相結(jié)合的方式。空氣壓縮機(jī)是礦山生產(chǎn)重要的四大固定設(shè)備之一，它產(chǎn)生壓縮空氣，用以帶動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備及其他風(fēng)動(dòng)工具。其能否安全運(yùn)行直接影響著煤礦生產(chǎn)的產(chǎn)量和效益。影響其安全生產(chǎn)的因素主要有空壓機(jī)的超溫、超壓、斷水、斷油等?？諌簷C(jī)是各種工廠，筑路，礦山以及建筑等行業(yè)的必備設(shè)備，主要用來提供源源不斷的具有一定壓力的壓縮空氣，例如給氣動(dòng)閥供氣，給需要一定壓力氣體的工藝流程提供氣源。
隨著技術(shù)的發(fā)展，我國許多企業(yè)存在著嚴(yán)重的設(shè)備老化的問題，有大量設(shè)備面臨著淘汰。而同時(shí)，在國內(nèi)企業(yè)中又普遍存在著資金不足，很難進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備更新?lián)Q代。因此，如何利用現(xiàn)有設(shè)備，并對其進(jìn)行合理的技術(shù)改造，使其發(fā)揮最大的作用，產(chǎn)生最大的效益，是我們所面臨的一個(gè)急待解決的重要問題。隨著煤礦現(xiàn)代化的發(fā)展，礦山企業(yè)對礦山設(shè)備的要求越來越高,建設(shè)安全性礦山已成為煤礦生產(chǎn)建設(shè)的核心。礦山設(shè)備不斷更新，不斷進(jìn)步，可靠性、易操作性、可監(jiān)視性、易維護(hù)性等已是最基本的要求了。用繼電器組成的控制電路可靠性差、不易維護(hù)、不易監(jiān)視，已不能適應(yīng)當(dāng)前的要求。現(xiàn)在迫切需要可靠性高、易維護(hù)、易操作、可監(jiān)視并且價(jià)格不高的控制器來代替繼電器組成的電路。隨著電子技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程控制器（PLC）發(fā)展迅猛，性能很高，價(jià)格較為合理，與繼電器組的控制電路比具有非常大的優(yōu)勢。許多礦山設(shè)備已選用了PLC來代替比較重要的控制設(shè)備。傳統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備主要采用分離儀表，其可靠性差、集程度低、費(fèi)用高，不能有效的滿足礦山設(shè)備投入的經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。
現(xiàn)代化的煤礦，要求空氣壓縮機(jī)的裝置有較高的自動(dòng)話水平，采用微機(jī)控制是空壓機(jī)發(fā)展的必然趨勢，按照《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)要求，空壓機(jī)必須具有四保護(hù)，即超壓、超溫、斷油、斷水保護(hù)裝置，煤礦迫切需要一整套較完善、靈敏可靠的檢測保護(hù)裝置。
空壓機(jī)控制系統(tǒng)中PLC的引入極大地簡化了空壓機(jī)系統(tǒng)的操作，節(jié)省了人力并且提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?；赑LC和變頻器的空壓機(jī)控制系統(tǒng)使工作人員可以在計(jì)算機(jī)集控下完成各項(xiàng)工作，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地節(jié)省了生產(chǎn)中所需的人力資源，也保障了生產(chǎn)和系統(tǒng)的安全。
下面，我們以某煤礦的3臺(tái)空氣壓縮機(jī)為例，研究空壓機(jī)的變頻調(diào)速恒壓控制方法。
1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容
技術(shù)路線如圖1.1所示：
了解學(xué)習(xí)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
查閱填充技術(shù)并選擇適合本課題的技術(shù)
確定PLC的技術(shù)路線
實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求并設(shè)計(jì)出PLC的控制程序
依照自己的設(shè)計(jì)做出總體布局設(shè)計(jì)
完成PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖繪制
編寫畢業(yè)論文
圖1.1 技術(shù)路線圖
本設(shè)計(jì)方案基于煤礦工業(yè)設(shè)計(jì)采用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)組的自動(dòng)控制。該方案采用變頻器實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)“一拖多”的控制，PLC實(shí)現(xiàn)變頻器的工頻與變頻的轉(zhuǎn)換控制，以及切換變頻器對某臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)利用壓力傳感器采集氣包出口壓力，通過變送器輸出4～20毫安標(biāo)準(zhǔn)信號至PLC模擬輸入端口，經(jīng)過PLC內(nèi)部PID算法邏輯運(yùn)算，送出控制信號至變頻器，變頻器根據(jù)送來的信號改變輸出電壓的頻率，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以確保供氣壓力的恒定。本論文研究的主要問題如下：
1.變頻恒壓供氣方案的總體設(shè)計(jì)。
2.PLC和變頻器對空壓機(jī)組的控制功能及要求。
3.PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括PLC、傳感器和變頻器的選型。
4.PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。包括梯形圖及程序設(shè)計(jì)。
第2章 變頻恒壓供氣總體方案的設(shè)計(jì)
2.1變頻恒壓供氣方法的設(shè)計(jì)
我們可以把罐壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPID智能調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器VVVF，通過變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。具體控制流程圖如圖2.1所示。
1#空氣壓縮機(jī)
1#電動(dòng)機(jī)
電源
2#空氣壓縮機(jī)
2#電動(dòng)機(jī)
儲(chǔ)氣罐
變頻器
風(fēng)動(dòng)工具
3#空氣壓縮機(jī)
3#電動(dòng)機(jī)
壓力變送器
PID智能控制器
壓力設(shè)定值P0
圖2.1 恒壓供氣控制系統(tǒng)流程圖0
由于本次設(shè)計(jì)是采用3臺(tái)空氣壓縮機(jī)為研究對象，當(dāng)所需要的壓力不是很大，其中一臺(tái)空壓機(jī)能滿足的時(shí)候就采用上述方法。當(dāng)一臺(tái)空壓機(jī)不能滿足需要就由PLC調(diào)節(jié)，在啟動(dòng)第2臺(tái)空壓機(jī)，在不能滿足在啟動(dòng)第3臺(tái)。相反的，當(dāng)開啟多臺(tái)空壓機(jī)是壓力太大，按上述方法調(diào)節(jié)其中一臺(tái)時(shí)，調(diào)到最小還不能達(dá)到所需要的壓力，就關(guān)閉其中一臺(tái)空壓機(jī)，在用上述方法調(diào)節(jié)其中一臺(tái)，還不能滿足再關(guān)閉其中一臺(tái)，直到達(dá)到需要的壓力。
2.2控制系統(tǒng)的工作原理
控制系統(tǒng)工作流程如圖2.2所示。
啟動(dòng)前，將變頻器的機(jī)組開關(guān)置于欲工作的機(jī)組，工作方式選擇置于變頻位置，將 PLC 的控制開關(guān)置于運(yùn)行狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)組運(yùn)行。1# 空壓機(jī)變頻啟動(dòng)，
N
開始
變頻器啟動(dòng)
頻率上限是否達(dá)到
頻率下限是否達(dá)到
監(jiān)測參數(shù)是否正常
是否有停機(jī)信號
停機(jī)
轉(zhuǎn)化為工頻運(yùn)行并把變頻器切換到下一臺(tái)空壓機(jī)
當(dāng)前空壓機(jī)停機(jī)并把變頻器復(fù)位
報(bào)警延時(shí)
Y
Y
N
Y
Y
N
N
圖2.2 控制系統(tǒng)工作流程圖
轉(zhuǎn)速從零開始上升，若達(dá)到預(yù)設(shè)的頻率上限值50Hz時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后風(fēng)包出口處的壓力仍不能達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值 (0.55～0.65MPa)，則由PLC 通過控制中間繼電器的通斷將 1# 空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)將2#空氣壓縮機(jī)切換到變頻狀態(tài)，變頻啟動(dòng)2#空壓機(jī)。若2#空壓機(jī)達(dá)到頻率上限時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后仍不能滿足要求，再自動(dòng)將2#空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，變頻啟動(dòng)3#空壓機(jī)。當(dāng)用風(fēng)量減小，若3臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，3# 空壓機(jī)變頻運(yùn)行而此時(shí)變頻器的頻率降到頻率的下限值20Hz時(shí)，則自動(dòng)停止1#空壓機(jī)，若還不能滿足要求，則自動(dòng)停止2# 空壓機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)機(jī)體溫度過高，潤滑油溫度過高，風(fēng)包溫度過高，分包壓力過高及潤滑油壓力過高，斷水等故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號，提示有關(guān)的工作人員及時(shí)地排除故障。
2.2.1空壓機(jī)變頻調(diào)速的要求：
（1）空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種啟動(dòng)特點(diǎn)很容易引起變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況，故采用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無速度矢量變頻器，保證既能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；
（2）空壓機(jī)不允許長時(shí)間在低頻下運(yùn)行，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過低，一方面使空壓機(jī)穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會(huì)加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于20Hz；
（3）功率選用比空壓機(jī)功率大一等級的變頻器，以免空壓機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況；
（4）為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，選用輸出交流電抗器，還可以減少電機(jī)運(yùn)行的噪音，提高電機(jī)的穩(wěn)定性；
（5）設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常跳保護(hù)時(shí)，不影響生產(chǎn)。
2.2.2空壓機(jī)切換工作過程
開始時(shí)，若1#空壓機(jī)變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率達(dá)到50Hz而此時(shí)空氣壓力還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間（避免由于干擾而引起的誤動(dòng)作）后，1#空壓機(jī)切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由50Hz下降至0Hz，2#號空壓機(jī)變頻起動(dòng)，如氣壓仍不滿足，則會(huì)啟動(dòng)3#空壓機(jī)，切換過程同上；同樣，若3臺(tái)空壓機(jī)（假設(shè)1#、2#、3#）都在運(yùn)行，3#空壓機(jī)變頻運(yùn)行降到0HZ，此時(shí)氣壓仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使1#空壓機(jī)停止，變頻器頻率從0HZ迅速上升，若此時(shí)供氣壓力仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使2#空壓機(jī)機(jī)停止。這樣的切換過程，有效的減少空壓機(jī)的頻繁啟停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對供氣壓力波動(dòng)做出反應(yīng)之前，由于變頻器迅速調(diào)節(jié)，使氣壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了井下風(fēng)動(dòng)工具供氣不足的情況發(fā)生。切換過程流程圖如圖2.3所示。
自動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先 KM2 吸合，1#空壓機(jī)在變頻器控制下起動(dòng)，延時(shí) 5s（延時(shí)是為了讓壓力穩(wěn)定下來） PLC 對變頻器的輸出頻率進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到變頻器下限頻率信號則關(guān)閉 1#空壓機(jī)；反之當(dāng)檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 執(zhí)行增加空壓機(jī)動(dòng)作：KM2斷開、KM1吸合，1#空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時(shí) 1s（延時(shí)一是為了讓開關(guān)充分熄弧，另一方面是為了讓變頻器減速為 0），KM4 吸合變頻啟動(dòng)2#空壓機(jī)。為了保護(hù)空壓機(jī)及變頻器，1#空壓機(jī)的 KM1 與 KM2之間進(jìn)行了電氣互鎖。當(dāng)2#空壓機(jī)投入變頻運(yùn)行后，延時(shí) 5s PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到變頻器下限頻率信號則關(guān)閉1#空壓機(jī)，剩下2#空壓機(jī)在變頻狀態(tài)下運(yùn)行，延時(shí) 5s 如果 PLC 再次檢測到變頻器下限頻率信號則把2#空壓機(jī)也關(guān)閉；反之當(dāng)檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 再執(zhí)行增泵動(dòng)作：KM3斷開、KM4 吸合，2#空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時(shí) 1s，KM6吸合變頻啟動(dòng)3#空壓機(jī)。依此類推，當(dāng)3#空壓機(jī)投入變頻運(yùn)行后，延時(shí) 5s，PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測以決定執(zhí)行增加或減少空壓機(jī)動(dòng)作來滿足恒壓供氣目的。另外為了方便故障檢查維修。在設(shè)計(jì)中增加了故障指示和故障報(bào)警輸出，變頻器本身具有短路保護(hù)、過載保護(hù)等功能，只需把變頻器的故障輸出點(diǎn)、接觸器、熱繼電器等輔助觸點(diǎn)接到 PLC 即可。PLC通過程序掃描這些輸入點(diǎn)，如果發(fā)生故障則作出相應(yīng)的動(dòng)作。如檢測到一臺(tái)空壓機(jī)出現(xiàn)過載情況，則切斷該空壓機(jī)的接觸器并投入備用空壓機(jī)，同時(shí)輸出故障信號，以方便檢查及時(shí)維修。空壓機(jī)
空壓機(jī)
空壓機(jī)
M1
M2
M3
壓力變送器
變頻器
PLC
電源
儲(chǔ)氣罐與風(fēng)動(dòng)工具
圖2.3 空壓機(jī)切換流程圖
2.3 本章小結(jié)
本章主要進(jìn)行了恒壓供氣的基本方案設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)工作原理以及變頻調(diào)速原理進(jìn)行分析，對系統(tǒng)內(nèi)3臺(tái)空壓機(jī)相互切換原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，保證系統(tǒng)恒壓輸出。
第3章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)要求及分析
根據(jù)恒壓供氣系統(tǒng)控制原理，結(jié)合實(shí)際供氣需求，對恒壓供氣系統(tǒng)要求如下。
（1）臺(tái)空壓機(jī)均可變頻啟動(dòng)運(yùn)行
（2）供氣壓力要求恒定，波動(dòng)一定要小，尤其是在切換空壓機(jī)時(shí)。
（3）三臺(tái)空壓機(jī)根據(jù)壓力需要，采用“先開先?！痹瓌t自動(dòng)控制空壓機(jī)的投入切除。
（4）設(shè)置手動(dòng)自動(dòng)兩種工作模式
1）手動(dòng)方式僅供應(yīng)急和檢修使用，通過按鈕直接控制各空壓機(jī)啟停，不收
PLC控制。
2）自動(dòng)運(yùn)行方式由PLC自動(dòng)控制各空壓機(jī)變頻或工頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣。
完善的信號提示和報(bào)警功能。
3.2 控制系統(tǒng)I/O配置
根據(jù)控制系統(tǒng)要求分析，控制系統(tǒng)I/O地址分配如表3.1
表3.1 I/O地址分配表
信號名稱
符 號
地 址
開關(guān)量輸出
1#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈
KM1,L1
Q0.0
1#空壓機(jī)工頻交流接觸器及指示燈
KM2,L2
Q0.1
2#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈
KM3,L3
Q0.2
2#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈
KM4,L4
Q0.3
3#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈
KM5,L5
Q0.4
3#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈
KM6,L6
Q0.5
進(jìn)氣電動(dòng)閥開/關(guān)控制及儲(chǔ)氣罐供氣指示
YV1,L7
Q0.7
變頻故障指示燈
L8
Q1.0
1#空壓機(jī)故障指示燈
L9
Q1.1
2#空壓機(jī)故障指示燈
L10
Q1.2
3#空壓機(jī)故障指示燈
L11
Q1.3
高壓工作指示燈
L12
Q1.4
變頻器運(yùn)行控制
Q1.5
續(xù)表
信號名稱
符 號
地 址
開關(guān)量輸入
手動(dòng)/自動(dòng)工作方式選擇
SA1
I0.0
故障復(fù)位信號
SA2
I0.1
高壓按鈕工作信號
SA3
I0.2
1#變頻接觸器動(dòng)作信號
KM1
I0.3
1#工頻接觸器動(dòng)作信號
KM2
I0.4
2#變頻接觸器動(dòng)作信號
KM3
I0.5
2#工頻接觸器動(dòng)作信號
KM4
I0.6
3#變頻接觸器動(dòng)作信號
KM5
I0.7
3#工頻接觸器動(dòng)作信號
KM6
I1.0
變頻器運(yùn)行檢測信號
KM7
I1.1
變頻器故障信號
BPQ
I1.2
1#空壓機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號
RJ1
I1.3
2#空壓機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號
RJ2
I1.4
3#空壓機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號
RJ3
I1.5
模擬量輸入
供氣壓力信號輸入
YL
AIW0
壓力罐壓力信號輸入
YW
AIW2
變頻器實(shí)際輸出電流
AO0
AIW4
變頻器實(shí)際輸出頻率
AO1
AIW6
模擬量輸出
變頻器運(yùn)行頻率給定
Aref
QW0
3.3 可編程控制器（PLC）基礎(chǔ)
3.3.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展
（1）PLC概念
PLC是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。
（2）PLC發(fā)展必然性
傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)（硬件布線）
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，因而長期廣泛應(yīng)用。
缺點(diǎn)：采用固定的接線方式。一旦生產(chǎn)要求及生產(chǎn)過程發(fā)生變化，必須重新設(shè)計(jì)線路，重新接線安裝。不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。還有靈活性、通用性差；體積大；速度慢等缺點(diǎn)。
60年代末期，美國汽車制造工業(yè)相當(dāng)發(fā)達(dá)，要求不斷更換汽車的型號。傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)被淘汰。
1968年，美國最大的汽車制造商GM公司公開招標(biāo)。研制新的控制系統(tǒng)。提出以下要求：設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡單，成本低；把繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來；但編程要比計(jì)算機(jī)簡單易學(xué)，操作方便，系統(tǒng)通用性強(qiáng)。
1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出世界上第一臺(tái)PLC，并在GM公司的汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。
其后，日本、德國相繼引入。中國1974年研制，1977年成功。
（3）功能發(fā)展史：（名字的由來）
早期：順序控制。包括邏輯運(yùn)算功能。稱PLC。
70年代：微處理器用于PLC。功能增強(qiáng)、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)調(diào)節(jié)等，稱PC。
3.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。其基
本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。
輸
入
接
口
中央處理單元CPU
輸
出
接
口
電源
存儲(chǔ)單元
圖3.1 PLC結(jié)構(gòu)簡圖
（1） CPU（中央處理器）
CPU是PLC的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個(gè)方面：
1）接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。
2）監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。
3）診斷編程過程中的語法錯(cuò)誤，對用戶程序進(jìn)行編譯。
4）在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。
5）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。
6）按程序進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。
7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。
8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請求。
（2） I/O接口
PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。
PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。
（3）存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）或閃存(Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。
（4）電源模塊
PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，，直流輸入通常是24V。
（5）智能模塊
除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。
（6）編程設(shè)備
常見的編程設(shè)備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。
PLC本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。
3.3.3 PLC的基本工作原理
PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。
PLC掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式---掃描技術(shù)如圖3.2所示。
執(zhí)行OB100
啟動(dòng)時(shí)間循環(huán)監(jiān)控
數(shù)據(jù)寫入輸出模塊
讀取輸入模塊狀態(tài)
執(zhí)行用戶程序
執(zhí)行其它程序
圖3.3 掃描過程
（1）掃描技術(shù)
當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC
的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。
1）輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
2）用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一組梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
3）輸出刷新階段
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。
（2）PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間
為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個(gè)開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。以上兩個(gè)主要原因，使得PLC的I/O響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多，其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期，一般均大于一個(gè)掃描周期甚至更長。所謂I/O響應(yīng)時(shí)間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時(shí)間。
3.3.4 PLC的主要特點(diǎn)
(1)高可靠性
1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。
2)各輸入端均采用RC濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10～20ms。
3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。
4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。
5)對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。
6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。
(2)豐富的I/O接口模塊
PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。
(3)采用模塊化結(jié)構(gòu)
為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。
(4)編程簡單易學(xué)
PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。
(5)安裝簡單，維修方便
PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。
由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。
3.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟
3.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)原則往往會(huì)涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為4點(diǎn)。
1. 設(shè)計(jì)原則
（1）完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。
（2）可靠性原則。確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。
（3）經(jīng)濟(jì)型原則。力求控制系統(tǒng)簡單、實(shí)用、合理。
（4）發(fā)展性原則。適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。
2. 評估控制任務(wù)
根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。
（1）控制規(guī)模
一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)模可用該系統(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí),特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)，最適合采用PLC控制。
（2）工藝復(fù)雜程度
當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí),采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性.
（3）可靠性要求
目前,當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控制了。
（4）數(shù)據(jù)處理速度
若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用PLC控制將非常適宜。
3.3.5 PLC的選型
根據(jù)表3.1所示明細(xì)，PLC系統(tǒng)共需配置14個(gè)開關(guān)量輸入口、13個(gè)開關(guān)量輸出口、4個(gè)模擬量出入口、1個(gè)模擬量輸出口。同時(shí)根據(jù)PLC輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為交流接觸器（線圈），查閱選型樣本后，選擇西門子S7-200系列，還需要模擬量模塊，經(jīng)綜合比較，選擇PLC的系統(tǒng)配置為CPU224/AC/DC/Relay
(6ES7214-1BD23-0xB8)+EM222(6ES7222-1D220xA0)+EM235(6ES7235-0KD22-0xA8）
PLC系統(tǒng)配置如圖3.3所示。
擴(kuò)展單元
EM222
（4路繼電器）
模擬量單元
EM235
4AI/IAO
主機(jī)單元
CPU224
AC/DC繼電器
圖3.3 PLC控制系統(tǒng)配置
3.3.6變頻器的選擇
(1)首先要滿足系統(tǒng)控制功能要求，具有：
1)運(yùn)行/停止控制端子；
2)運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)輸出；
3)故障狀態(tài)輸出；
給定運(yùn)行頻率輸出功能；
兩路模擬量輸出功能，可分別為變頻輸出頻率和變頻輸出電流功能。
（2）選擇變頻器產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性好。
綜合客戶需求和性價(jià)比等因素，確定變頻器的品牌型號。
本設(shè)計(jì)選用ABB公司的ACS510系列變頻器，查樣本可知驅(qū)動(dòng)15KW電動(dòng)機(jī)的變頻器型號可選擇為ACS510-01-031A-4，輸出額定電流為31A（400V）。具有RS-485接口和PID調(diào)節(jié)功能，增強(qiáng)的PFC控制功能，兩路模擬量輸入和兩路模擬量輸出端子。
變頻器的控制端子接線圖如圖3.4所示。
3.3.7傳感器的選取
傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。作為一個(gè)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器占有非常重要的地位。下面對本系統(tǒng)中所涉及的傳感器作簡要比較并最終選型。
(1)壓力傳感器的選型
現(xiàn)場所需要測量的壓力參數(shù)有主機(jī)進(jìn)氣壓力、儲(chǔ)氣罐氣體壓力。壓力信號要求范圍為0～1MPa，輸出電信號為4~20mA，兩線制DC+24，精度為0.5%以上。
(2)溫度傳感器的選型
現(xiàn)場的溫度信號范圍為0～160℃，所以溫度傳感器采用PT100標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度傳感器。PT100是鉑電阻溫度傳感器，它適用于測量-60℃到+400℃之間的溫度。
3.4 PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖
3.4.1主電氣原理圖
主電氣原理圖如圖3.5所示，VVVF為變頻器；QF1、QS0~QS3為空氣斷路器，起控制和隔離電源的作用，QF1為總系統(tǒng)電源斷路器，QS0為控制變頻器的電源斷路器，QS1~QS3分別控制1~3#電機(jī)的工頻電源斷路器；KM1、KM2分別控制1#電機(jī)工頻工作和變頻工作的交流接觸器，這兩個(gè)接觸器必須保證互鎖，即絕對不能同時(shí)閉合，否則會(huì)將工頻電源通過兩個(gè)接觸器主觸點(diǎn)直接引到變頻器的輸出端，將變頻器的內(nèi)部元件燒壞。為保證某臺(tái)電機(jī)的變頻和工頻接觸器不同時(shí)工作，KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6可以選擇具有機(jī)械互鎖的交流接觸器，如西門子的3TD系列接卸互鎖接觸器，提高控制的可靠性，同時(shí)對于控制電路也必須保證不能同時(shí)帶電動(dòng)作，如圖3.5所示的接觸器線圈控制回路。KM3~KM6分別控制2#電機(jī)和3#電機(jī)的變頻和工頻工作。FR1~FR3分別作為3臺(tái)電機(jī)的短路、缺相和過載保護(hù)繼電器。
3.4.2控制電氣原理圖
控制電氣原理圖如圖3.5所示，DL1為控制電路斷路器，可以選擇額定容量為10A
圖3.5 主電氣原理圖
的小型高分?jǐn)嚯p極斷路器，主要作用為控制電路電源的開關(guān)，并對控制電路起到短路等保護(hù)作用。SA1為萬能轉(zhuǎn)化開關(guān)，轉(zhuǎn)換自動(dòng)和手動(dòng)工作方式，在位置“1”時(shí)為手動(dòng)控制方式，可將PLC部分輸出點(diǎn)控制電源“2”斷開，即切斷PLC控制KM1~KM6交流接觸的控制電源。SA2為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制儲(chǔ)氣罐注氣功能轉(zhuǎn)換開關(guān)。SB1~SB6分別為手動(dòng)工作方式時(shí)控制電機(jī)運(yùn)行的按鈕開關(guān)。FR1~FR3為熱保護(hù)繼電器的常閉動(dòng)作接點(diǎn)，動(dòng)作后可自動(dòng)將響應(yīng)電機(jī)的控制回路斷開，實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。熱繼電器的常開點(diǎn)引入PLC的輸入點(diǎn)檢測，如圖3.6所示。
本電氣控制電路實(shí)現(xiàn)變頻回路與工頻回路可靠互鎖。
（1）采用機(jī)械互鎖接觸器，KM1與KM2、KM3與KM4、KM5與KM6為3對機(jī)械互鎖接觸器，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上防止變頻和工頻接觸器同時(shí)動(dòng)作。
（2）變頻接觸器線圈控制回路串接本電機(jī)工頻接觸器的常閉輔助點(diǎn)，電氣上避免同臺(tái)電機(jī)的變頻與工頻同時(shí)動(dòng)作，有效防止工頻電源接到變頻器的輸出側(cè)，造成變頻
器損壞。
圖3.6 控制電器原理圖
（3）所有變頻接觸器線圈控制回路互鎖電器上避免同一時(shí)間多臺(tái)電機(jī)同時(shí)變頻動(dòng)作。
（4）在PLC軟件編程中將各輸出點(diǎn)互鎖，防止同臺(tái)電機(jī)的變頻和工頻接觸器以及不同電機(jī)的變頻接觸器同時(shí)動(dòng)作。
3.4.3 PLC外圍控制電氣接線圖
圖3.7所示為PLC外圍控制電氣接線圖。圖中SA1與圖3.6中所示的SA1為同一萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，閉合“1”時(shí)為自動(dòng)工作方式，斷開“0”時(shí)為手動(dòng)工作方式。SB7為一常開按鈕開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，按該按鈕實(shí)現(xiàn)故障信息復(fù)位。SB8為一常開閉鎖按鈕，起到氣罐信號輸入控制作用。KM1~KM6分別是相應(yīng)交流接觸器的常開輔助點(diǎn)，用于電機(jī)工作方式的檢測反饋如信號輸入。Run和Fault為變頻器的狀態(tài)輸出。
繼電器點(diǎn)，在此選擇變頻器的輔助繼電器1和2，變頻器正常時(shí)為常開，變頻器。
圖3.7 PLC外圍控制電器接線圖
運(yùn)行或故障時(shí)分別閉合。
根據(jù)上面分析，PLC與變頻器之間的控制信號有：
（1）變頻器的運(yùn)行頻率給定值：通過PLC的模擬量擴(kuò)展模塊的輸出通道QW0輸出給定運(yùn)行頻率值，按變頻器的AI2（5）和模擬地（6）端子，以0~20mA電流信號給定運(yùn)行頻率（0~50.00Hz）。
（2）變頻器啟動(dòng)/停止控制：由PLC數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM222的Q0.3接變頻器的DI1（13）端子和輔助電壓（10）端子。變頻器11（GND）與12（DCOM）端子連接。
（3）變頻運(yùn)行頻率檢測：通過變頻器的模擬量AO1（7）輸出端子輸出0~20mA（對應(yīng)0~50.00HZ）的電流信號，輸出PLC的模擬量擴(kuò)展模塊（AIW4）的C通道。
（4）變頻運(yùn)行電流檢測：變頻器的運(yùn)行電流通過模擬量輸出端子AO2（8）輸出0~20mA（對應(yīng)0~I2n）的電流信號，接入PLC的模擬量擴(kuò)展模塊（AIW6）D通道。
（5）變頻器運(yùn)行狀態(tài)：設(shè)置變頻器的輔助繼電器2表示運(yùn)行狀態(tài)，由I1.1輸入。
（6）變頻器運(yùn)行狀態(tài)：設(shè)置變頻器的輔助繼電器3表示運(yùn)行狀態(tài)，由I1.2輸入。
變頻器的控制端子接線圖如圖3.8所示。
變頻器控制端子
S7-200CN PLC
1 SCR
2 AI1
3 AGND
4 10V
5 AI2
6 AGND
7 AO1
8 AO2
9 AGND
10 SCR
11 AI1
12 AGND
13 10V
14 AI2
15 AGND
16 AO1
17 AO2
18 AGND
19 SCR
20 AI1
21 AGND
22 10V
23 AI2
24 AGND
25 AO1
26 AO2
27 AGND
3.5 本章小結(jié)
本章主要進(jìn)行PLC的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行了PLC、變頻器和傳感器的選型，
詳細(xì)介紹了每種型號的具體參數(shù)，設(shè)計(jì)了控制電路電氣原理圖與PLC外圍控制電器接線圖。
第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 軟件設(shè)計(jì)分析
硬件電路設(shè)計(jì)完成后，結(jié)合硬件電路及控制要求進(jìn)行軟件編程。軟件編寫要實(shí)現(xiàn)恒壓控制功能，要達(dá)到下面幾點(diǎn)要求。
（1）自動(dòng)工作方式時(shí)變頻運(yùn)行頻率的自動(dòng)升降調(diào)節(jié)；根據(jù)實(shí)時(shí)供氣管道網(wǎng)壓力與設(shè)定運(yùn)行壓力值，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)空壓機(jī)空氣壓力輸出量，達(dá)到實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)供氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的目的，為在管網(wǎng)壓力波動(dòng)時(shí)快速穩(wěn)定壓力，防止系統(tǒng)調(diào)解時(shí)震蕩等問題，PLC軟件采用PID調(diào)節(jié)，并設(shè)置合適的PID參數(shù)。
（2）供氣頻率設(shè)置：在調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行頻率時(shí)，由于空壓機(jī)供氣有一定的供氣頻率，并且在不同的工作壓力時(shí)供壓頻率不同，因此在調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率及投切電機(jī)時(shí)有一段
（3）工頻和變頻互鎖：自動(dòng)工作方式時(shí)各電機(jī)的變頻和工頻切換過程中確保不同時(shí)動(dòng)作，同一時(shí)間僅可一臺(tái)電機(jī)變頻工作，即不可多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)工作在變頻狀態(tài)。
（4）按時(shí)間原則切換選擇各電機(jī):：為了有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，要求每一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)均變頻啟動(dòng)，并且工頻電機(jī)按照“先開先?！痹瓌t來進(jìn)行，因此在系統(tǒng)自動(dòng)工作時(shí)根據(jù)時(shí)間原則實(shí)現(xiàn)電機(jī)的投入與切除。在儲(chǔ)氣罐壓力低需要投入空壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，在當(dāng)前停機(jī)空壓機(jī)中選擇停止時(shí)間最長的空壓機(jī)投入工作；在壓力罐壓力過高需要切除工頻運(yùn)行的空壓機(jī)時(shí)，在當(dāng)前運(yùn)行的空壓機(jī)中選擇工作時(shí)間最長的空壓機(jī)切除系統(tǒng)。有故障信息的空壓機(jī)不能投入工作。
（5）程序結(jié)構(gòu)及程序功能實(shí)現(xiàn)：PLC在該控制系統(tǒng)中功能較多，PID調(diào)節(jié)程序由初始化子程序和中斷程序組成，本程序分為3部分：主程序、功能子程序和中斷子程序，PID的定時(shí)采樣及輸出控制由定時(shí)中斷功能完成，模擬量的量程變換處理由子程序SBR0、ANALOG完成。
（6）參數(shù)設(shè)置：PID調(diào)節(jié)僅使用了比例和積分控制，回路的增益和時(shí)間常數(shù)由工程經(jīng)驗(yàn)法初步確定，并在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行時(shí)進(jìn)一步修改。初始比例增益參數(shù)和時(shí)間常數(shù)設(shè)置為：Kc=0.6，采樣時(shí)間Ts=200ms，積分時(shí)間TI=30min。
（7）運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)時(shí)間定時(shí)：本系統(tǒng)中各電機(jī)的工作時(shí)間和停止時(shí)間正確的累計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)能否正確選擇工作電機(jī)問題，由于PLC本身定時(shí)器定時(shí)長度都較短，為此采用內(nèi)部計(jì)數(shù)器以分鐘為單位來完成計(jì)數(shù)定時(shí)，計(jì)數(shù)器分配表參見表4.1。
表4.1 程序中使用的PLC元件和功能
PLC地址
功能
PLC地址
功能
VD0
過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值
VD1000
VD4
壓力給定值
VD1004
VD8
PI計(jì)算值
VD1008
儲(chǔ)氣罐開閥低氣壓設(shè)定值（m）
VD12
比例系數(shù)
VD1012
儲(chǔ)氣罐關(guān)閥高氣壓設(shè)定值（m）
VD16
采樣時(shí)間
VD1016
儲(chǔ)氣罐實(shí)際氣壓值（m）
VD20
積分時(shí)間
VD1020
實(shí)際供壓管網(wǎng)壓力（Mpa）
VD24
微分時(shí)間
VD1024
變頻電機(jī)運(yùn)行頻率（Hz）
VD204
PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元
VD1028
變頻器輸出電流（A）
VD208
變頻運(yùn)行頻率下限值
C0
1#電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（min）
C1
1#電機(jī)停止時(shí)間計(jì)數(shù)器（min）
C2
2#電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（min）
C3
2#電機(jī)停止時(shí)間計(jì)數(shù)器（min）
C4
3#電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（min）
C5
3#電機(jī)停止時(shí)間計(jì)數(shù)器（min）
（8）PID調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)：由以上分析，供氣管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定經(jīng)PID運(yùn)行調(diào)節(jié)，PID的軟件設(shè)計(jì)利用STEP 7-Micro/WIN編程軟件的PID指令向?qū)瓿?，在本例中?jīng)PID配置向?qū)傻淖映绦蛎Q分別為PID1-INIT（PID初始化子程序）、PID-EXE（PID定時(shí)計(jì)算中斷子程序）。
4.2 系統(tǒng)流程圖
變頻調(diào)速恒壓供氣系統(tǒng)控制程序分為三部分：主程序、中斷程序和子程序。
（1）主程序執(zhí)行PID參數(shù)初始化、調(diào)用恒壓供氣系統(tǒng)子程序，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣系統(tǒng)的控制要求。程序流程圖如圖4.1所示。
輸出復(fù)位
PID參數(shù)初始化
加、減空壓機(jī)電機(jī)時(shí)間設(shè)定
恒壓供水調(diào)節(jié)
主程序結(jié)束
啟動(dòng)
圖4.1 恒壓供氣系統(tǒng)主程序流程圖
（3）恒壓供氣系統(tǒng)子程序執(zhí)行加、減電機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)壓力罐恒壓調(diào)節(jié)。程序流程圖如圖4.2所示。
4.3 程序設(shè)計(jì)
根據(jù)程序流程圖編寫恒壓供氣系統(tǒng)主程序、恒壓供水系統(tǒng)子程序，PID參數(shù)初始
啟動(dòng)子程序
頻率低？
一號電機(jī)變頻運(yùn)行
頻率低？
頻率低？
一號電機(jī)工頻運(yùn)行
二號電機(jī)變頻運(yùn)行
二號電機(jī)工頻運(yùn)行
三號電機(jī)變頻運(yùn)行
三號電機(jī)工頻運(yùn)行
二號電機(jī)
工頻？
減三號電機(jī)
減二號電機(jī)
三號電機(jī)
工頻？
減一號電機(jī)
減三號電機(jī)
一號電機(jī)
工頻？
減二號電機(jī)
減一號電機(jī)
圖4.3 恒壓供氣系統(tǒng)子程序流程圖
化程序及中斷程序，
（1）恒壓供氣主程序
網(wǎng)絡(luò)1
網(wǎng)絡(luò)2
網(wǎng)絡(luò)3
圖4.4 恒壓供氣主程序
網(wǎng)絡(luò)1 PID參數(shù)上電后初始化
網(wǎng)絡(luò)2 運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)變換
網(wǎng)絡(luò)3 設(shè)置運(yùn)行壓力值
（2）恒壓供氣子程序
網(wǎng)絡(luò)4
網(wǎng)絡(luò)5
網(wǎng)絡(luò)6
網(wǎng)絡(luò)7
網(wǎng)絡(luò)8
網(wǎng)路9
圖4.5 恒壓供氣子程序（a）
網(wǎng)絡(luò)4 是否具有可以投入變頻工作的電機(jī)判斷M0.0
網(wǎng)絡(luò)5 當(dāng)前變頻電機(jī)轉(zhuǎn)工頻工作，投入新變頻電機(jī)工作信號
網(wǎng)絡(luò)6 選擇1#電機(jī)投入變頻工作信號
網(wǎng)絡(luò)7 選擇2#電機(jī)投入變頻工作信號
網(wǎng)絡(luò)8 選擇3#電機(jī)投入變頻工作信號
網(wǎng)絡(luò)9 壓力高，變頻電機(jī)運(yùn)行頻率低于設(shè)定頻率時(shí)，發(fā)出切換電機(jī)信號M0.7
網(wǎng)絡(luò)10
網(wǎng)絡(luò)11
網(wǎng)絡(luò)12
網(wǎng)絡(luò)13
網(wǎng)絡(luò)14
網(wǎng)絡(luò)15
網(wǎng)絡(luò)16
網(wǎng)絡(luò)17
網(wǎng)絡(luò)18
網(wǎng)絡(luò)19
網(wǎng)絡(luò)20
圖4.5 恒壓供氣子程序（b）
網(wǎng)絡(luò)21
網(wǎng)絡(luò)22
網(wǎng)絡(luò)23
網(wǎng)絡(luò)24
網(wǎng)絡(luò)25
網(wǎng)絡(luò)261
網(wǎng)絡(luò)27
網(wǎng)絡(luò)28
網(wǎng)絡(luò)29
網(wǎng)絡(luò)30
網(wǎng)絡(luò)31
圖4.5 恒壓供氣子程序（c）
網(wǎng)絡(luò)32
網(wǎng)絡(luò)33
網(wǎng)絡(luò)34
網(wǎng)絡(luò)35
圖4.5 恒壓供氣子程序（d）
網(wǎng)絡(luò)10 選擇切除
網(wǎng)絡(luò)11
網(wǎng)絡(luò)12
網(wǎng)絡(luò)13
網(wǎng)絡(luò)14
網(wǎng)絡(luò)15
網(wǎng)絡(luò)16
網(wǎng)絡(luò)17
網(wǎng)絡(luò)18
網(wǎng)絡(luò)19
網(wǎng)絡(luò)20
網(wǎng)絡(luò)21
網(wǎng)絡(luò)22
網(wǎng)絡(luò)23
網(wǎng)絡(luò)24
網(wǎng)絡(luò)25
網(wǎng)絡(luò)26
網(wǎng)絡(luò)27
網(wǎng)絡(luò)28
網(wǎng)絡(luò)29
網(wǎng)絡(luò)30
網(wǎng)絡(luò)31
網(wǎng)絡(luò)32
網(wǎng)絡(luò)33
網(wǎng)絡(luò)34
網(wǎng)絡(luò)35
4.4 本章小結(jié)
根據(jù)系統(tǒng)的軟件分析，
結(jié) 論
本文在分析空壓機(jī)工作原理及煤礦現(xiàn)場的基礎(chǔ)上，結(jié)合PLC技術(shù)、變頻技術(shù)設(shè)計(jì)了空壓機(jī)的恒壓供氣自動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行過程控制，具有程序設(shè)計(jì)周期短、靈活通用、維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)越性，在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、精確性，也大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。論文具體工作總結(jié)為以下幾個(gè)方面：
（1）闡述了論文的研究背景及相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。
（2）對空壓機(jī)啟動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行、故障報(bào)警等系統(tǒng)控制做了較詳細(xì)的分析和闡述，對空壓機(jī)的智能變頻切換控制過程也做了分析說明。同時(shí)給出了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
（3）因井下風(fēng)動(dòng)工具使用的時(shí)段性，故風(fēng)壓幅值變化較大，本系統(tǒng)總管壓力采用了PID調(diào)節(jié)控制，維持總管壓力基本恒定，所以用風(fēng)負(fù)荷穩(wěn)定，供風(fēng)質(zhì)量好，生產(chǎn)效率得以提高，能耗大大降低。
（4）對PLC進(jìn)行了簡單的介紹，并完成了整個(gè)控制系統(tǒng)的控制流程圖。
（5）詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件選型。通過此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)對硬件的要求結(jié)合電 氣、自動(dòng)化和機(jī)械的相關(guān)原理，本系統(tǒng)變頻器選擇了ABB公司的ACS510，PLC選擇了西門子公司的S7-200.系列CPU224/AC/DC/Relay。
論文的進(jìn)一步完善與提高有：
（1）本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，只是從理論的角度來考慮，沒有到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，因此其可行性尚待實(shí)際驗(yàn)證。
（2）本系統(tǒng)未進(jìn)行上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)
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