【正文】 水、水處理等多個(gè)領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越顯著的作用。同時(shí) ， PLC的功能也不斷完善。當(dāng)變頻器輸出電壓的頻率已降至下限值，而供氣壓力仍高于所需壓力，則由 PLC 控制變頻器關(guān)閉當(dāng)前機(jī)，變頻器轉(zhuǎn)而變頻控制另一臺(tái)運(yùn)行的空壓機(jī)。本設(shè)計(jì)方案采用 PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)組的自動(dòng)控制。 設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于 PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 答辯學(xué)生向畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯委員會(huì)（小組）提交以下資料： 一、設(shè)計(jì) （ 論 文） 說(shuō)明書 共 37 頁(yè) 二、設(shè)計(jì)（論文）圖紙 共 0 張 三、指導(dǎo)教師評(píng)閱意見 共 0 張 根據(jù)學(xué)生所提供的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）材料和指導(dǎo) 教師意見以及在答辯過(guò)程中學(xué)生回答問(wèn)題的情況，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)（小組）作出如下決議： 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)語(yǔ)： 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)成績(jī)： 畢業(yè)答辯委員會(huì)主任（組長(zhǎng)）簽字： 委員（成員）簽字： 年 月 日 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 5 摘要 空氣壓縮機(jī) (簡(jiǎn)稱空壓機(jī) )是一種用來(lái)壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)械。 I 河南理工大學(xué)成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論 文） 說(shuō) 明 書 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 基于 PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 站 別 平頂山函授站 年級(jí)專業(yè) 20xx級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 沈 占 彬 20xx 年 4 月 20 日 II 河南理工大學(xué)成人教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論 文） 任 務(wù)書 站名： 平頂山函授站 年級(jí)專業(yè) 20xx級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 一、設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于 PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì) （ 論 文） 任務(wù)與要求 針對(duì)基于 PLC 的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)空氣壓縮機(jī)的分類； 可編程控制器 、 plc） 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特點(diǎn)； 控制系統(tǒng)的組成、工作原理； 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)?？諌簷C(jī)的用途很廣 ，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、民用等各個(gè)領(lǐng)域。該方案采用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)某臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行控制。從而使生產(chǎn)系統(tǒng)獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全性能。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高， PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。 PLC 控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展近況 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。 課題的背景和意義 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。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。許多礦山設(shè)備已選用了 PLC 來(lái)代替比較重要的控制設(shè)備。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 3 第二章 空氣壓縮機(jī) 空氣壓縮機(jī)及分類 空氣壓縮機(jī)（空壓機(jī)）是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。一般陽(yáng)轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)連接，由陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)供吸氣用，稱為進(jìn)氣口；另一個(gè)供排氣用，稱作排氣口。當(dāng)氣體充滿了整個(gè)齒溝時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。 (3)排氣過(guò)程：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時(shí)，被 壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時(shí)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為 0，即完成排氣過(guò)程，于此同時(shí)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(zhǎng)度又達(dá)到最長(zhǎng)，進(jìn)氣過(guò)程又再進(jìn)行。就主要部件的運(yùn)動(dòng)形式而言，又與離心壓縮 機(jī)相似。 3)動(dòng)力平衡性好：螺桿壓縮機(jī)沒(méi)有不平衡慣性力，機(jī)器可平穩(wěn)地高速工作，可實(shí) 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 5 現(xiàn)無(wú)基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，對(duì)螺桿壓縮機(jī)氣缸的加工精度也有較高的要求。此外還有 3個(gè)輔助系統(tǒng)，即潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)?；钊跉飧變?nèi)一次往復(fù)的全過(guò)程分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程，合稱一個(gè)工作過(guò)程，如圖 22所示。當(dāng)活塞向左移動(dòng)時(shí)，氣缸左邊容積開始縮小，空氣被壓縮，壓力隨之上升。 (3)排氣過(guò)程。 活塞式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)有：流量較小，氣流速度低，損失小，效率高 。 (2) 曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于其往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特性，限制了其轉(zhuǎn)速的提高，致使機(jī)器笨重，同時(shí)，該運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的慣性力能以平衡，剩余的慣性力，會(huì)使機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲以及零部件的不正常的損壞。 (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(jiǎn)單，因而長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用。還有靈活性、通用 性差；體積大；速度慢等缺點(diǎn)。研制新的控制系統(tǒng)。中國(guó) 1974 年研制， 1977 年成功。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。 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 32 所示。 CPU u 存儲(chǔ)器 電源部分 輸 入 單 元 輸 出 單 元 編程器或其他設(shè)備 按鈕 接觸器 電磁閥 指示燈 行程開關(guān) 繼電器觸點(diǎn) 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 10 圖 32 掃描過(guò)程 (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)。 (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 )。在此期間， CPU 按照 I/O 映像區(qū)內(nèi)對(duì)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)。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(zhǎng)。 3)各模塊均采用屏蔽措施 ，以防止輻射干擾。 7)大型 PLC還可以采用由雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU構(gòu)成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進(jìn)一步提高。 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。 (5)安裝簡(jiǎn)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。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 13 第四章 基于 plc 的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)由以下部分組成：變頻器、可編程控制器、電抗器、壓力變送器、接觸器、空氣開關(guān)、電流表、 電壓表、按鈕、互感器等。包括五部分：起動(dòng)、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷。 停止：按下停止按鈕， PLC 控制所有的接觸器斷開，變頻器停止工作。 1 空壓機(jī)變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_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 (～ )，則由 PLC 通過(guò)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)。控制系統(tǒng)工作流程如圖 42所示。 變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變 為電信號(hào)送給 PLC 內(nèi)部 PID 調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，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(hào)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率 。 從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。 整個(gè)控制過(guò)程如下： 用氣需求 ↑ —— 管路氣壓 ↓ —— 壓力設(shè)定值與 反 饋值的差值 ↑ —— PID 輸出 ↑ —— 變頻器輸出頻率 ↑ —— 空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速 ↑ —— 供氣流量 ↑ — — 管路氣壓趨于穩(wěn)定 。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(jí)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； 上位機(jī) 報(bào)警裝置 PLC 變頻器 1空壓機(jī) 2空壓機(jī) 1空壓機(jī) 檢測(cè)變送裝置 檢測(cè)變送裝置 檢測(cè)變送裝置 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 19 (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)。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 20 圖 45 空壓機(jī)切換流程圖 在自動(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(lái)） PLC 對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)。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(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)以決定執(zhí)行增加或減少空壓機(jī)動(dòng)作來(lái)滿足恒壓供氣目的。如檢 測(cè)到一臺(tái)空壓機(jī)出現(xiàn)過(guò)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(hào)，以方便檢查及時(shí)維修。遠(yuǎn)程監(jiān)控方便了調(diào)度，提高了管理自動(dòng) 化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要。 在煤礦空壓機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)中，用來(lái)控制空壓機(jī)的 PLC 系統(tǒng)作為下位機(jī)，與調(diào)度室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)即上位機(jī)組成一個(gè)小型的工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)行 PLC 系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋和對(duì) PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過(guò)程，如寫變頻器啟?？刂泼顣r(shí)完成 1～ 3三個(gè)過(guò)程；監(jiān)視變頻器運(yùn)行頻率時(shí)完成1～ 5 個(gè)過(guò)程。為了使控制器具有較好的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，可以采用模糊控制方法。然而在工業(yè)過(guò)程控制中， PID 類型的控制技術(shù)仍然占有主導(dǎo)地位。將偏差的比例（ KP ）、積分 (KI)和微分 (KD)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制， KP、 KI、 KD 3個(gè) 參數(shù)的選取直接影響了控制效果。 KP值影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度；越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，如果過(guò)大，將引起超調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。在函數(shù) U(n)接近輸出值時(shí)，迅速增大 KD，并逐步減小 KP，使系統(tǒng)獲得較大的阻尼，抑制系統(tǒng) 超調(diào)，減小響應(yīng)誤差的變化率。它是通過(guò) PID 調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)輸出，保證偏差值 e 為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 e： PID 回路的偏差 (給定值與過(guò)程變量之差 ) 。附表中的參數(shù)分兩類。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn) :其中有一些參數(shù)，既是本次的輸入 (執(zhí)行 PID指令之前 )，又是本次的輸出 (執(zhí)行 PID 指令之后 )，同時(shí)還是下次運(yùn)算的輸入，如編號(hào)為 3,8,9 的參數(shù)。 PVn1：第 n1 采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值 。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 26 MX：第 n1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng) (積分項(xiàng)前值 )。據(jù)此可判斷傳感器斷線等故障。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的一般步驟如圖 (48)所示。據(jù)此確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 (5) 進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)，同時(shí)可進(jìn)行控制臺(tái)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工。對(duì)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，此步可省略。 (5)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿足要求為止。 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì) 在硬件設(shè)計(jì)中，采用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)空壓機(jī)的電機(jī)運(yùn)行，三臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行都有變頻 /工頻兩種狀態(tài)，每臺(tái)電機(jī)都需要通過(guò)兩個(gè)接觸器與工頻電源和變頻輸出電源相連。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量適當(dāng)選擇。 變頻器主電路電源輸入端子 (U1， V1， W1)經(jīng)過(guò)空氣開關(guān)與三相電源連接， 變頻器主電路輸出端子 (U2， V2， W2)經(jīng)接觸器接至三相電