【正文】 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目： PLC在制氮機(jī) 上 的應(yīng)用 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 11機(jī)械制造與自動(dòng)化（ 3）班 學(xué) 號(hào)： 110108309 姓 名： 王文江 指導(dǎo)教師： 宋芳 完成日期： 2020 年 月 焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I PLC在 制氮機(jī) 上的應(yīng)用 摘 要 在現(xiàn)代生產(chǎn)力不斷提高的情況下，建設(shè)無人值守的空壓站，是一個(gè)社會(huì)發(fā)展過 程中的必然選擇。本文主要論述了一種 PLC在制氮機(jī)上的應(yīng)用，采用 PLC對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制改造，實(shí)現(xiàn)空氣的分離控制和生產(chǎn)設(shè)備的集中控制。在改造原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將 制氮機(jī) 電機(jī)的直接啟動(dòng)控制方式改為變頻控制，減小對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊和節(jié)約能源，同時(shí)制定了具體實(shí)施的控制方式、設(shè)備啟停步驟、軟件功能、功能擴(kuò)充、報(bào)警系統(tǒng)。并利用相應(yīng)的控制算法，實(shí)現(xiàn)供氣的恒定，提高供氣質(zhì)量和效率，保證各項(xiàng)工作的安全生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞： PLC，制氮機(jī)，自動(dòng)控制 目 錄 焦作大學(xué)機(jī)電工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) ii 第一章 緒論 ........................................................ IV 第二章 制氮機(jī)流量值的計(jì)算 ......................................... IV 第 三 章 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 .......................................... 8 167。 31 設(shè)計(jì)方案的確定 .............................................. 8 167。 32 系統(tǒng)構(gòu)成 .................................................... 9 167。 33 工作原理 .................................................... 9 167。 34 控制過程 ................................................... 11 341 恒壓控制 ................................................. 11 342 節(jié)能控制 .................................................. 12 第 四 章 硬件電路設(shè)計(jì) ............................................... 12 167。 41 PLC 可編程控制器部分 ....................................... 13 411 PL C概述 ................................................. 13 412 PLC 選型和性能指標(biāo) ........................................ 15 413 PLC 內(nèi)部分配 .............................................. 15 414 輸入輸出外部接線 .......................................... 15 167。 42 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 ............................................... 17 167。 43 傳感器部分 ................................................. 19 167。 44 變頻器部分 ................................................. 20 167。 45 監(jiān)控對(duì)象空壓機(jī) ............................................. 21 167。 46 系統(tǒng)的保護(hù)及故障警報(bào)的發(fā)出 ................................. 22 第 五 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ............................................. 22 167。 51 系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計(jì) ......................................... 22 167。 52 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn) ................................. 24 521 系統(tǒng)的初始化程序 .......................................... 24 522 系統(tǒng)的主控制程序 .......................................... 24 523 系統(tǒng)的中斷程序 ............................................ 25 第 六 章 結(jié)束語 ...................................................... 25 致謝 ............................................................ XXXII 參考文獻(xiàn) ........................................................... 26 附錄 ............................................................... 27 焦作大學(xué)機(jī)電工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) iv 第一章 緒論 在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中 ， 空壓機(jī)在冶金機(jī)械制造 、 礦山 、 電力 、 紡織 、 石化 、輕紡等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用 。 傳統(tǒng)的空壓機(jī)供氣控制方式大都是采用加 、 卸載控制方式。該控制方式雖然原理簡(jiǎn)單 、 操作簡(jiǎn)便 ， 但是存在能耗大 、 進(jìn)氣閥易損壞 、 供氣壓力不穩(wěn)定等諸多問題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 特別是電力電子技術(shù) 、 微電子技術(shù) 、 自動(dòng)控制技術(shù)的高度發(fā)展和應(yīng)用 ， 使變頻器的節(jié)能效果更為顯著 ， 它不但能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速 ， 而且在負(fù)載不同時(shí) ， 始終高效運(yùn)行 ， 有良好的動(dòng)態(tài)特性 ， 能實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性 、 高精度的自動(dòng)控制相對(duì)于其它調(diào)速方式 (如 :降壓調(diào)速 、 變極調(diào)速 、 滑差調(diào)速 、 交流串級(jí)調(diào)速等 )具有更大的優(yōu)勢(shì) ，變頻調(diào)速性能穩(wěn)定 、 調(diào)速范圍廣、效率高 。 為此本文采用 PID 技術(shù)和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能改造。整個(gè)工作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性 都有了很大提高， 節(jié)能效果顯著 ， 實(shí)用性好 。 第二章 制氮機(jī)流量值的計(jì)算 毛細(xì)管作為一種重要節(jié)流元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、無運(yùn)動(dòng)部件、制造方便、工作穩(wěn)定可靠和不易發(fā)生故障等優(yōu)點(diǎn)，其壓力平衡特性有利于降低壓 縮機(jī)的起動(dòng)力矩，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用設(shè)備包括電冰箱、冰柜、空調(diào)器和減濕器等小型制冷裝置中，它對(duì)制冷系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行起著重要作用。在現(xiàn)有的制冷系統(tǒng)中，絕熱毛細(xì)管應(yīng)用最多。而 HFC 一 134a(R134a， CH， FCF3， 1， 3一四氟乙烷 )作為 R12(CFC12， CF2CI ，二氟二氯甲烷 )的替代制冷工質(zhì)而提出，已被證明是比較環(huán)保的綠色制冷劑，特別適用于家用冰箱、窗式空調(diào)、汽車空調(diào)以及小型空冷制冷機(jī)組和離心式冷水機(jī)組。本文針對(duì)以制冷劑 HFC 一 134a 為工質(zhì)的制冷系統(tǒng)，選擇一組基于 MH 狀態(tài)方程 (即馬丁一候方程 )的熱 力學(xué)性質(zhì)參數(shù)方程，對(duì)絕熱毛細(xì)管流量進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。 1 毛細(xì)管穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型 為建立絕熱毛細(xì)管穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，主要采用如 下假設(shè) ? ： (1)由于毛細(xì)管的管徑很小，可忽略徑向的參 數(shù)變化，流動(dòng)為一維絕熱流動(dòng)； (2)液相和氣相的流速較為接近，氣相和液相間無滑移，按均相流處理； 焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) v (3)兩相介質(zhì)達(dá)到熱力學(xué)平衡； (4)重力影響較小，可忽略不計(jì)； (5)管路截面積保持不變； (6)忽視亞穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。 1． 1 基本模型 ’ 兒 質(zhì)量方程： m ： ： const． 能量方程： h+ ： c0list． 動(dòng)量方程：一 dp： m2d + 1m dl (1)(2)(3) 式中： m為質(zhì)量流速， kg／ (m2s) ； G為質(zhì)量流量， kg／ s； F為截面積， m ； h 為比焓， J／ kg； 為比容，／ n ／ kg； P為壓力， Pa； f為沿程摩擦阻力系數(shù) (以下簡(jiǎn)稱摩阻系數(shù) )； D 為內(nèi)徑， m；￡為長(zhǎng)度， in。 1． 2 模型的離散 方程的離散采用有限差分方法，將制冷劑在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)沿管長(zhǎng)劃分若干微元，則對(duì)其中的某一微元有： ml= m2 (4)hl+ 百 1m2I2： h2+ 百 1m22 (5)p— p =m2( 一 。 )+ ! ； △ ￡ (6) 式中：下標(biāo) l、 m 分別 表示微元的進(jìn)口參數(shù)、出口參數(shù)、平均參數(shù)； △ ￡為微元段長(zhǎng)度。 1． 2． 1 過冷單相區(qū) 過冷液體可視作不可壓縮，比容、焓、過冷區(qū)溫度和摩阻系數(shù)均不變。由式 (6)可得過冷段長(zhǎng)度為： L ： — 2D ApscL39。SC 一 2 一 (、 7， )， I|L J SC／ 3SC 式中： Ap 為過冷區(qū)的壓強(qiáng)差。 1． 2． 2 氣液兩相區(qū) 由式 (6)可得兩相區(qū)某一微元段長(zhǎng)度為： AL ： — [p。一 P2 一 mz(／ 32一 。 )] (8)HI J mUm 對(duì)于兩相區(qū)所有微元段的計(jì)算長(zhǎng)度求和，可以得到整個(gè)兩相區(qū)的計(jì)算長(zhǎng)度： 、 L ： ZAL， (i) (9) 對(duì)于氣液兩相區(qū)，比焓 h 和比容 的計(jì)算為： h =xh +(1 一 )hs (1O)= +(1 一 ) (11) 焦作大學(xué)機(jī)電工程 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) vi 式中： 為干度；下標(biāo) g、 f、 StY、 tp分別表示氣相、液相、過冷區(qū)、兩相區(qū)。 式中： n：告 m ( 2 一 ) ； b： m ( g2 一 vp)+h 一， ； C ： 寺 m ( 一 I )，+ ^， 2 一 httI。 1． 3 沿程摩阻系數(shù)與粘度計(jì)算 關(guān)于毛細(xì)管內(nèi)摩阻系數(shù)的計(jì)算，采用 Churchill 關(guān)聯(lián)式，因?yàn)樵撽P(guān)聯(lián)式可覆蓋整個(gè)雷諾數(shù) e 區(qū)域，并考慮了毛細(xì)管內(nèi)粗糙度的影響。 f： 8[(8~Re) +1／ (A+曰 ) ] (13) 式中： A ： {2． 457ln 瓦 B ： (37530／ Re) ； Re ： mD／ F。 式中：￡為粗糙度； 為動(dòng)力粘度；在 e／ D 無法確定時(shí)，可考慮取 3． 27。 對(duì)于氣液兩相區(qū)，動(dòng)力粘度 的計(jì)算常用 Cicchitti 經(jīng)驗(yàn)公式： ： xp +(1 一 ),ul (14) 其中對(duì)于 HFC． 134a 的氣體液體粘度，采用新的基團(tuán)貢獻(xiàn)法計(jì)算 ： ： c exp[m ( )] (15)us： cl expI bo(Tr)+ [ ( )]” } (16) 式中： 0(rr)： In +0． 5(1 一 l／ ) (1 ． 1／ — ln rr)[1 — 0． 1(1 一 l／ ) ] 式中： c ， m ， 為物質(zhì)常數(shù)，與溫度無關(guān)。 c ： 14． 27 10 一 Pas ； m ： 0． 902； cl 41． 06 10 一 Pas ： m， = 一 1． 962； b ： 一 1． 8。 1． 4 壅塞流 在正常運(yùn)行工況下，制冷劑在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)處于壅塞狀態(tài) 。為避免計(jì)算結(jié)果失真，在毛細(xì)管過程是典型的不可逆過程，必須滿足熵增，文獻(xiàn)中常使用的壅塞判據(jù)是熵增判據(jù)。本文采用熵增判據(jù)的一種等價(jià)形式， l 臨界長(zhǎng)度判據(jù)：等≤0 ( 17) 計(jì)算壅塞質(zhì)量流量 168。 ： 焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) vii Gch [+ r{ (1 8) 式中 ： J — vf dsf dry 計(jì)算出口壅塞壓力 ： P =m(p， t，盧 ) (19) 式中： m 為質(zhì)量流速， kg／ (m2s) ； P，為參考狀態(tài)點(diǎn)壓力， Pa； 為參考狀態(tài)點(diǎn)比容， m3／ kg； p 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，表征兩相區(qū)壓力與比容的相對(duì)變化率， p=2． 62 105 ／ p。 此式參考狀態(tài)點(diǎn)為等焓節(jié)流過程線與飽和液體線的交點(diǎn)。當(dāng)毛細(xì)管進(jìn)口狀態(tài)為過冷液體時(shí)，參考狀態(tài)點(diǎn)就是兩相區(qū)的進(jìn) IZl 狀態(tài)， P，是對(duì)應(yīng)進(jìn) IZl 溫度的飽和液體壓力。 2 熱力性 質(zhì)參數(shù)方程 制冷工質(zhì)的熱力性質(zhì)計(jì)算式由狀態(tài)方程、飽和氣體壓力方程、飽和液體密度方程、理想氣體比熱容方程和比焓方程組成。 2． 1 狀態(tài)方程 式中：溫度