【正文】 (2)對(duì)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(duì)空壓機(jī)的智能變頻切換控制過程也做了分析說明。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。 PT100 是鉑電阻溫度傳感器，它適用于測(cè)量 60℃ 到 +400℃ 之間的溫度。 GPT過程連接外螺紋規(guī)格 M20 (或定制 )； DPT 過程連接內(nèi)螺紋規(guī)格 M12 。 工作環(huán)境特性：環(huán)境溫度補(bǔ)償范圍： 0～ 50℃ ，環(huán)境溫度工作范圍： 20～80℃。 信號(hào)輸出特性：電流型輸出： DC/4～ 20mA，最大負(fù)載電阻測(cè)算 (含傳輸線內(nèi)阻 )： Rmax= ( V 12 ) /（其中 V為供電電壓）。本系統(tǒng)采用北京科熱測(cè)控技術(shù)有限責(zé)任公司研制的 GPT 壓力變送器。壓力信號(hào)要求范圍為 0～ 1MPa，精度為 %以上。下面對(duì)本系統(tǒng)中所涉及的傳感器作簡(jiǎn)要比較并最終選型。 傳感器的選取 傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成?？刂乒δ埽? 線性 v/f 控制，平方 v/f 控制，可編程多點(diǎn)設(shè)定 v/f 控制，磁通電流控制免測(cè)速矢量控制，閉環(huán)矢量控制，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，節(jié)能控制模式； 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試軟件； 數(shù)字量輸入 6個(gè)，模擬量輸入 2個(gè)，模擬量輸出 2 個(gè)，繼電器輸出 3 個(gè)；獨(dú)立 I/O 端子板，方便維護(hù)；采用 BiCo 技術(shù)，實(shí)現(xiàn) I/O 端口自由連接；內(nèi)置 PID 控制器，參數(shù)自整定；集成 RS485 通訊接口，可選 PROFIBUSDP/DeviceNet 通訊模塊； 具有 15個(gè)固定頻率， 4 個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率，可編程；可實(shí)現(xiàn)主 /從控制及力矩控制方式；在電源消河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 36 失或故障時(shí)具有 自動(dòng)再起動(dòng) 功能；靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，帶有起始段和結(jié)束段的平滑特性；快速電流限制（ FCL），防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘； 有直流制動(dòng)和復(fù)合制動(dòng)方式提高制動(dòng)性能。10% ，單相 /三相，交流， ； 380V480V177。創(chuàng)新的 BiCo（內(nèi)部功能互聯(lián)）功能有無可比擬的靈活性。其技術(shù)參數(shù)為： (1)指令運(yùn)行時(shí)間： （二進(jìn)制 /定點(diǎn) /浮點(diǎn)） (2)主存儲(chǔ)器： 32KB (3)SIMATIC Micro 存儲(chǔ)卡： 64KB～ 4M (4)本機(jī)分布式 I/O： DI/DO： 24/16 A1/AO*PT100： 4+1/2 (5)技術(shù)功能 : 計(jì)數(shù)頻率測(cè)量： 3 ( 30KHz ) ～ 4 ( ) (6)接口： MPI (7)外形尺寸： 120 125 130 變頻器選型 本設(shè)計(jì)變頻器選擇西門子 MM440 變頻器?？紤]到以后的擴(kuò)展要求，選用河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 35 CPU313C 型號(hào) PLC， S7313C CPU 包括一個(gè)主要處理單元、 AI5/AO2 以及DI24/DO16，這些都被集成在一個(gè)緊湊的獨(dú)立的設(shè)備中，該型號(hào)具有 24 數(shù)字輸入、 16 數(shù)字輸出。 PLC 輸入輸出模塊 I/O 點(diǎn)數(shù)如表 42所示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 32 圖 49 控制系統(tǒng)主電路圖 上位機(jī) P L C 變頻器 M1 ~ M3 ~ M2 ~ Km1 Km2 Km3 Km4 Km5 Km6 FR1 FR3 FR2 QF1 QF2 QF3 QF4 L1 L2 L3 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 33 PLC 選型 本系統(tǒng)中共有 3臺(tái)電機(jī)、 3個(gè)電磁閥、 7個(gè)壓力傳感器、 12 個(gè)溫度傳感器 ，啟動(dòng)停止等開關(guān)控制信號(hào)共 19個(gè)，共有 64個(gè) I/O 點(diǎn)、它們構(gòu)成了被控對(duì)象。對(duì)于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動(dòng)和變頻輸出電源拖動(dòng)兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否則在變頻 /工頻的切換過程中會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。同時(shí)熱繼電器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的過熱保護(hù)。 （主電路如圖 49） 由于每臺(tái)電機(jī)的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機(jī)當(dāng)前的工作電流，必須在每臺(tái)電機(jī)三相輸入電源前面都接入一個(gè)電流互感器，電流互感器和熱繼電器、電流表連接。在 PLC 的 220V 輸入電源前也需要接入自動(dòng)空氣開關(guān)，保證 PLC的正常運(yùn)行。變頻器輸入電源前面接入一個(gè)自動(dòng)空氣開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機(jī)的額定電流來確定。 (7) 編制技術(shù)文件。 (6) 待控制臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，就可以進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。 (4) 用編程器將程序鍵入到 PLC 的用戶存儲(chǔ)器中，并檢查鍵入的程序是否正確。 (2) 設(shè)計(jì)梯形圖。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 29 圖 48 PLC 控制系統(tǒng)流程圖 工藝過 程 分析控制要求 確定用戶 I/O 設(shè)備 選擇 PLC 分配 I/O 點(diǎn)，設(shè)計(jì) I/O 連接圖 繪制流程圖 編制程序清單 設(shè)計(jì)梯形圖 輸入程序并檢查 調(diào)試 滿足要求 修改 設(shè)計(jì)控制臺(tái) 現(xiàn)場(chǎng)連 接 聯(lián)機(jī)調(diào)試 滿足要求 編織技術(shù)文件 支付使用 控制臺(tái)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工 PLC 程序設(shè)計(jì) NO NO NO Yes Yes 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 30 PLC 程序設(shè)計(jì)的步驟 (1) 對(duì)于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制流程圖，用以清楚地表明動(dòng)作的順序和條件。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 28 在設(shè)計(jì)繼電器 控制系統(tǒng)時(shí)，必須在控制線路（接線程序）設(shè)計(jì)完成后， 才能進(jìn)行控制大 的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工。這一步可結(jié)合第 2 步進(jìn)行。 (3) 選擇 PLC。 (2) 根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 ： (1) 根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求。即判斷為外部故障。考慮到傳感器精度、調(diào)整值及外界干擾等因素， PLC 程序中將電流或電壓信號(hào)持續(xù) 1秒鐘低于 3mA(即 PLC 內(nèi)部數(shù)值 150)視為傳感器故障。經(jīng)PLC 內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換為 200～ 1000數(shù)字信號(hào)，而當(dāng)傳感器損壞或斷線時(shí)，將不能給PLC 輸出信號(hào)， PLC 所檢測(cè)到的輸入信號(hào)數(shù)字值將低于 200。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 27 報(bào)警裝置 系統(tǒng)裝有壓力傳感器和電流傳感器，結(jié)合 PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器，由 PLC 根據(jù)程序進(jìn)行邏輯判斷，可對(duì)電機(jī)過載、電機(jī)過流、電機(jī)起動(dòng)過載、電機(jī)運(yùn)行過載、空壓機(jī)斷水、斷油、油水超溫等故障報(bào)警，并執(zhí)行相關(guān)保護(hù)動(dòng)作。 TI：積分時(shí)間 。 TS：采樣時(shí)間間隔 。 PVn： 第 n 采樣時(shí)刻的過程變量值 。表 41 中 變量類型欄的 In/Out 應(yīng)理解為相對(duì)于 PID 控制器而言的輸入或輸出。如編號(hào)為 1,3,8,9 的參數(shù)，它們具有實(shí)時(shí)性。一類參數(shù)是固定不變的，如參數(shù)編號(hào)為 2,4,5,6,7 的參數(shù)，這些參數(shù)可在 PLC 的主程序中設(shè)定。 控制參數(shù)包括 9個(gè)參數(shù)，全部為 32位實(shí)數(shù)格式，共占用 36 字節(jié)。 Minitial： PID 回路輸出的初始值。 Kc： PID 回路的增益 。在系統(tǒng)中，偏差值 e是給定值 SP(希望值 )和過程變量 PV(實(shí)際值 )的差。 5 10 15 20 25 30 0 t/s MPa 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 25 西門子公司從 S7200 系列 PLC 中的 CPU215, CPU216 開始增加了用于閉環(huán)控制的 PID 模塊。當(dāng)函數(shù) U(n)達(dá)到其輸出值時(shí)，應(yīng)使 KI增大，迅速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。 圖 47 PID響應(yīng)曲線 由分析系統(tǒng) 的響應(yīng)曲線 （如圖 47） 可知，在函數(shù) U(n)響應(yīng)的初始階段，取較大的 KP和較小的 KI與 KD，可以使響應(yīng)曲線的斜率增大，加快其響應(yīng)速度。 KI值影響系統(tǒng)的穩(wěn)定精度； KI越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但如果過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，從而引起響 應(yīng)過程的較大超調(diào)。 數(shù)字式 PID 控制 器的表示函數(shù)為 : )()()()( neKneKneKnU cDIp ??? ? （ 42） 公 式 (42)中 ： e(n)為系統(tǒng)偏差； ec(n)為系統(tǒng)偏差變化率； KP 為比例系數(shù)；KI為積分作用系數(shù)； KD為微分作用系數(shù)。 圖 46 ＰＩＤ控 制器系統(tǒng)原理圖 在經(jīng)典 PID 控制中，給定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，得出偏差 e(t)，并依據(jù)偏差情況，給出控制作用 u(t)。 PID 控制器系統(tǒng)原理框圖如圖 46所示。雖然未來的控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越寬廣，被控對(duì)象可以是越來越復(fù)雜，相應(yīng)的控制技術(shù)也會(huì)變得越來越 精巧，但是以 PID 為原理的各種控制器將是過程控制中河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 23 不可或缺的基本控制單元。到目前為止，現(xiàn)代控制理論在許多控制應(yīng)用中獲得了大量成功的范例。 模糊控制已成為智能自動(dòng)化控制研究中最為活躍而富有成果的領(lǐng)域。但是，它具有一定的局限性 ：當(dāng)控制對(duì)象不同時(shí)，控制器的參數(shù)難以自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，變頻器只是被動(dòng)接受請(qǐng)求并作出應(yīng)答。 計(jì) 算機(jī)發(fā)出通訊請(qǐng)求； 變頻器處理等待； 變頻器作出應(yīng)答； 計(jì)算機(jī)處理等待； 計(jì)算機(jī)作出應(yīng)答。 (2)PLC 與變頻器的通信 本系統(tǒng)中 PLC 對(duì)變頻器的控制是通過串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的， PLC通過RS485 通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、和過壓、過流、過負(fù)荷等 全部報(bào)警信息等參數(shù)。選擇接口類型為工業(yè) Ether，通信速率為 100Mbps，設(shè)置 PLC 和上位機(jī)的 IP 地址。 其他元件包括手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報(bào)警器等。在遠(yuǎn)程控制允許的情況下，值班人員還可以遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)。 通信方式 (1)上位機(jī)與 PLC 的通信 在工控領(lǐng)域中 PLC通常 作為下位機(jī)使用，工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視空壓機(jī)的運(yùn)行狀況，查看壓力、溫度、運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，記錄并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。 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。另外為了方便故障檢查維修。當(dāng) 2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)，當(dāng)檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)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(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則把 2空壓機(jī)也關(guān)閉；反之當(dāng)檢測(cè)到變頻器上限頻率信號(hào)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)。當(dāng)檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則關(guān)閉 1空壓機(jī)；反之當(dāng)檢測(cè)到變頻器上限頻率信號(hào)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)。切換過程 流程圖如圖 45所示。 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?gòu)?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(hào)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) 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。 圖 44 空壓機(jī)變頻調(diào)速原理圖 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(zhǎng)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(rùn)滑度變差，會(huì)加快磨損。 整個(gè)控制過程如下： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 17 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 特別注意 ：為防止電機(jī)頻繁起制動(dòng)和變速， 在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率不變。正常情況下，空氣壓縮機(jī)在變頻器調(diào)速控制方式下工作。從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。當(dāng)壓力大于設(shè)定值時(shí)，通過 PID 調(diào)節(jié)降低頻率，當(dāng)頻率降為 20HZ，延