【正文】 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 基于S7200PLC的廠用氣管網壓力控制系統(tǒng)設計基于S7200PLC的廠用氣管網壓力控制系統(tǒng)設計摘 要 本設計介紹了以S7200PLC為核心的管網壓力控制系統(tǒng)的組成及工作原理，闡明了變速積分PID控制算法在管網壓力控制系統(tǒng)中的應用，并給出了系統(tǒng)的硬件與軟件設計的實現方法。在A/D轉換中，使用了模擬量輸入模塊EM231。在D/A轉換中用了模擬量輸出模塊EM232,可以實現輸出0~5V的輸出電壓。硬件設計由主電路和控制電路兩部分完成，軟件設計中對A/D轉換過來的數字信號進行變速積分PID控制。這種控制方法特點是，當偏差大時積分累積速度慢，積分作用減弱；偏差小時，積分累積速度快，積分作用增強。這樣能滿足系統(tǒng)準確性的要求。關鍵詞： 變速積分；壓力控制系統(tǒng)；S7200PLC；PID控制AbstractThe paper introduces the position and work principles of pipe network control system ,based on S7200PLC. It illustrates the application of PID with variable integral action in air pipe network pressure control design of hardware and software are introduced too. It uses analog input module EM231 in A/D transition and analog output EM232 in D/A transition. In D/A transition this module can be output 0~5 voltage. Hardware introduces the design of main circuit and control circuit. In design of software, it finishes PID control for digital signals produceing in A/D transition. The characteristic of this control method is, when the warp is big the integral rate will be slow, and the integral effect would be weaken。 but when the warp is small the integral rate will fast, and the integral effect would be toned up. In this way it can satisfy the veracity of this system.Key words: Variable Integral action。 Pressure control system。 S7200PLC。 PID control. 目錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 變頻器技術的發(fā)展 1 空氣壓縮機系統(tǒng)控制 1 供氣系統(tǒng)壓力控制 2 加﹑卸載供氣控制 2 轉速控制 2 本設計的目的和意義 2第二章 設計任務、要求及參數 4 畢業(yè)設計的技術背景和設計依據 4 畢業(yè)設計的任務 4 畢業(yè)設計的主要內容、功能及技術指標 5第三章 系統(tǒng)方案設計 6 系統(tǒng)工作原理 6 方案的比較 6 方案的確定 7 設計思想 7 工作原理 8第四章 硬件設計 9 可編程控制器介紹 9 可編程控制器的工作原理 9 可編程控制器的主要性能指標 11 可編程控制器的設計原則 11 S7200PLC介紹 12 主電路設計 14 變頻器部分 14 軟起動部分 21 控制電路設計 27 模擬量控制系統(tǒng)設計 27 PLC控制部分 28 S7200PLC與計算機的通信 31 變頻器與PLC的通信 31 壓力傳感器的介紹 32 力/壓力敏傳感器 32 CYB—20S普通型壓力傳感器 33 壓縮機的主要種類 35 Mattei 滑片機特點 35 所選壓縮機的技術性能指標 35 元器件選擇 36 36 36 36 熱繼電器 37 熔斷器 38第五章 軟件設計 39 程序設計思想 39 程序流程圖 40 主程序流程圖 40 變速積分PID程序流程圖 41 地址分配 42總 結 43參考文獻 44外文原文與譯文 45致 謝 77附錄一 78元器件清單 78附錄二 80程序清單 8076第一章 緒論 變頻器技術的發(fā)展近20年來，雖然以功率晶體管(GTR)作為逆變器功率器件﹑8位微處理器為控制核心，按壓頻比(U/F)控制原理實現異步電動機調速的變頻器，在性能和品種上出現了巨大的技術進步，但下列技術的進步，使變頻調速技術進一步得到提升：其一，所有的電力電子器件GTR已基本上為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)所替代，進而廣泛采用性能更為完善的智能功率模塊(IPM)，使得變頻器的容量和電壓等級不斷的擴大和提高；其二，8位處理器基本上為16位微處理器所替代，進而有采用功能更強的32位微處理器或雙CPU，使得變頻器的功能從單一的變頻調速功能發(fā)展為含有邏輯和智能控制的綜合功能；其三，在改善壓頻比控制性能的同時，推出能實現矢量控制和轉矩直接控制的變頻器，使得變頻器不僅能實現寬調速，還可實現伺服控制．變頻器技術的發(fā)展得益于微電子和電力電子技術的發(fā)展以及異步電動機控制理論的發(fā)展,也來自市場的巨大推動力．一般在占工業(yè)用電50%~60%的風機﹑泵和壓縮機等通用機械上使用變頻調速裝置，將可節(jié)電30%左右，因此有著巨大的市場潛力．以變頻器為核心的工業(yè)傳動控制裝置仍在持續(xù)發(fā)展．交流變頻調速裝置取代直流調速裝置已成為必然趨勢．由于變頻器銷量不斷擴大，形成批量生產，價格下調，相同容量的交流變頻器與直流調速裝置的價格已經接近，能為擁護所接受．而且在一些生產機械上，使用的變頻調速已成為這些機械更新?lián)Q代的一種標志． 空氣壓縮機系統(tǒng)控制空氣壓縮機主電機運行方式為星角降壓起動后全壓運行，供氣系統(tǒng)具體工作流程為：當按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在卸載模式下啟動，這時進氣閥處于關閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內的壓力。等降壓n秒（由時間繼電器控制）后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關上限值，即起跳壓力，控制器使進氣閥關閉，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關下限值后，即回跳壓力下，控制器使進氣閥打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機打開，油氣分離器放氣閥關閉，壓縮機滿載運行。 供氣系統(tǒng)壓力控制在管道供氣系統(tǒng)中，最基本的控制對象是流量，供氣系統(tǒng)的基本任務就是要滿足用戶對流量的需求。目前，常見的氣體流量控制方式有加、卸載供氣控制方式和轉速控制方式兩種。 加﹑卸載供氣控制加、卸載供氣控制方式即為進氣閥開關控制方式，即壓力達到上限時關閥，壓縮機進人輕載運行；壓力抵達下限時開閥，壓縮機進入滿載運行。由于空壓機不能排除在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按最大需要來決定電動機的容量，設計余量一般偏大。工頻起動設備時的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設備維護量大。雖然都是降壓啟動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網的穩(wěn)定及其它用電設備的運行安全，而且大多數是連續(xù)運行，由于一般空氣壓縮機的拖動電機本身不能調速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現降速調節(jié)輸出功率的匹配，電機不允許頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。　　經常卸載和加載導致整個氣網壓力經常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命?？諌簷C的有些調節(jié)方式（如調節(jié)閥門或調節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉速不變，電機功率下降幅度比較小?！?轉速控制即通過改變空壓機的轉速來調節(jié)流量，而閥門的開度保持不變（一般保持最大開度）。當空壓機轉速改變時，供氣系統(tǒng)的揚程特性隨之改變，而管阻特性不變。在這種控制方式下，通過變頻調速技術改變空壓機電機的轉速，空壓機的供氣流量可隨著用氣流量的改變而改變，達到真正的供需平衡，在節(jié)能的同時，也可使整個系統(tǒng)達到最佳工作效率。變頻器基于交一直一交電源變換原理，可根據控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調的交流電壓。電動機轉速與電源頻率成正比，因此，用變頻器輸出頻率可調的交流電壓作為空壓機電動機的電源電壓，可方便地改變空壓機的轉速。 本設計的目的和意義將變頻調速技術引入空氣壓縮機領域，是近幾年來各空壓機廠家研究的重要課題。各大牌專業(yè)空壓機供應商都推出了自己變頻空壓機產品，并迅速在其高端市場具有很不錯的表現。但目前，大量的工頻空壓機的應用非常普遍，因此，空壓機的改造市場非常巨大。本設計主要目的是通過變頻器控制電機轉速，以達到管網供氣壓力恒定．流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對象，供氣流量需要隨時滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關系：若 供氣流量 用氣流量 → 儲氣管氣壓上升若 供氣流量 用氣流量 → 儲氣管氣壓下降若 供氣流量 = 用氣流量 → 儲氣管氣壓不變所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達到的目的。同時采用變頻器控制空壓機的轉速也可以實現節(jié)能。根據空壓機運行特性知：式中 Q———空壓機供給管網風量；H———管網壓力；P———電機消耗功率；n———空壓機轉速。由上式可知，當電機轉速降至額定轉速的80%，則空壓機供給管網風量降為80%，管網壓力降為（80%）2，電機消耗功率則降為（80%）3，%，去除電機機械損耗和電機銅、鐵損耗等影響，節(jié)能效率也接近40%，這就是調速節(jié)能的原理所在。在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術改變空壓機轉速來調節(jié)管道中的流量，以取代閥門調節(jié)方式，能取得明顯的節(jié)能效果，一般節(jié)電率都在30％以上。另外，變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對流量的平穩(wěn)調節(jié)，同時減少啟動沖擊并延長機組及管組的使用壽命。第二章 設計任務、要求及參數 畢業(yè)設計的技術背景和設計依據壓縮空氣作為動力源已經有一個多世紀的歷史了。它的原料是自然界中取之不盡、用之不竭的空氣，并有安全的優(yōu)點。隨著科學技術的發(fā)展，壓縮空氣越來越多地應用于控制技術、表面加工處理等方面，尤其是用于直接或間接接觸生產資料的一些工作過程。這樣，人們對壓縮空氣的品質就有了進一步的要求。同時，為了保護環(huán)境，還要求空氣壓縮機對環(huán)境的影響最小，并能最大程度地符合各種環(huán)境條件等。該系統(tǒng)主要工作原理為：采用遠傳壓力表進行壓力檢測，將采集到的壓力信號轉換為模擬信號（0—5V），經A/D轉換，PLC將對轉換成的數字信號進行運算處理，處理后的信號經過D/A轉換后輸出模擬信號，而此模擬信號將作為變頻器的控制信號來控制變頻器輸出的頻率，從而達到調節(jié)空氣壓縮機的轉速，使空氣壓縮機的排氣量隨著車間用氣量的變化而變化，從而保證管網壓力的恒定。在本設計系統(tǒng)硬件以S7—200PLC為核心，主要有以下幾個模塊組成：輸入模塊（傳感器，模擬開關）、顯示模塊、輸出控制電路以及通信模塊等。設計中主要用到的器件是S7—200PLC，三菱變頻器，壓力變送器，以及空氣壓縮機。 畢業(yè)設計的任務熟悉題目要求，通過查閱相關科技文獻,初步擬定設計方案；對所選方案論證與確定、并進行技術經濟分析；用1號圖紙繪出詳細的主回路電路圖和控制電路圖；對主電路電氣裝置及電器元件的選型要有簡單的計算書；要有詳細的硬件清單；編寫控制軟件（軟件清單和框圖）；詳細的設計說明書；翻譯一篇與自己所學專業(yè)或設計有關的英文資料（英譯漢）。 畢業(yè)設計的主要內容、功能及技術指標設計出符合要求的控制系統(tǒng)；利用S7—200PLC控制實現管網空氣壓力控制系統(tǒng)；壓力范圍7177。；壓縮機電機參數：3AC 380V 22KW第三章 系統(tǒng)方案設計 系統(tǒng)工作原理： 壓力傳感器S7200PLC變頻器 管 網空氣壓縮機電動機 壓力控制系統(tǒng)結構框圖壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件由壓力變送器、交流變頻調速器、空氣壓縮機、PLC控制電路組成。壓力變送器將管網壓力P為電信號送給PID智能調節(jié)器，與壓力設定值P0作比較，并根據差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力P0，維持管網壓力恒定。 方案的比較在管網壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制部分可通過很多方案來實現。比如可編程邏輯控制器（PLC），單片機，模擬電路等。以下是本設計的兩種方案：方案一　單片機的優(yōu)點是體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較容易。本設計可以以單片機為核心，配以輔助控制、通信、檢測等模塊電路實現諸多控制功能。為滿足所設計裝置的高穩(wěn)定性和強抗干擾性要求，其中單片機最好選用多功能集成芯片，以使設計硬件電路盡量簡化，提高可靠性。方案二　在目前的工業(yè)自動化控制、大功率場合中，PLC以極高的性能價格比受到越來越多的人們