【正文】 (2)對空壓機(jī)啟動、自動運行、故障報警等系統(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。本系統(tǒng)采用 PLC進(jìn)行過程控制，具有程序設(shè)計周期短、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)的自動化程度。 PT100 是鉑電阻溫度傳感器，它適用于測量 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℃。 信號輸出特性：電流型輸出： DC/4～ 20mA，最大負(fù)載電阻測算 (含傳輸線內(nèi)阻 )： Rmax= ( V 12 ) /（其中 V 為供電電壓）。本系統(tǒng)采用北京科熱測控技術(shù)有限責(zé)任公司研制的 GPT 壓力變送器。壓力信號要求范圍為 0～ 1MPa，精度為 %以上。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。 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?？刂乒δ埽? 線性 v/f 控制，平方 v/f 控制，可編程多點設(shè)定 v/f 控制，磁通電流控制免測速矢量控制，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，模擬量輸入 2個，模擬量輸出 2個，繼電器輸出 3個；獨立 I/O端子板，方便維護(hù)；采用 BiCo 技術(shù)，實現(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 個固定頻率， 4個跳轉(zhuǎn)頻率，可編程；可實現(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（論文）說明書 36 失或故障時具有 自動再起動 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），防止運行中不應(yīng)有的跳閘； 有直流制動和復(fù)合制動方式提高制動性能。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)指令運行時間： （二進(jìn)制 /定點 /浮點） (2)主存儲器： 32KB (3)SIMATIC Micro 存儲卡： 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 : 計數(shù)頻率測量： 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（論文）說明書 35 CPU313C 型號 PLC， S7313C CPU 包括一個主要處理單元、 AI5/AO2 以及DI24/DO16，這些都被集成在一個緊湊的獨立的設(shè)備中，該型號具有 24 數(shù)字輸入、 16 數(shù)字輸出。 PLC 輸入輸出模塊 I/O 點數(shù)如表 42所示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（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（論文）說明書 33 PLC 選型 本系統(tǒng)中共有 3 臺電機(jī)、 3個電磁閥、 7個壓力傳感器、 12個溫度傳感器 ，啟動停止等開關(guān)控制信號共 19 個，共有 64 個 I/O 點、它們構(gòu)成了被控對象。對于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否則在變頻 /工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。同時熱繼電器可以實現(xiàn)對電動機(jī)的過熱保護(hù)。 （主電路如圖 49） 由于每臺電機(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，必須在每臺電機(jī)三相輸入電源前面都接入一個電流互感器，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空氣開關(guān)，保證 PLC 的正常運行。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(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) 待控制臺及現(xiàn)場施工完成后，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 的用戶存儲器中，并檢查鍵入的程序是否正確。 (2) 設(shè)計梯形圖。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（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，設(shè)計 I/O 連接圖 繪制流程圖 編制程序清單 設(shè)計梯形圖 輸入程序并檢查 調(diào)試 滿足要求 修改 設(shè)計控制臺 現(xiàn)場連 接 聯(lián)機(jī)調(diào)試 滿足要求 編織技術(shù)文件 支付使用 控制臺設(shè)計及現(xiàn)場施工 PLC 程序設(shè)計 NO NO NO Yes Yes 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 30 PLC 程序設(shè)計的步驟 (1) 對于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制流程圖，用以清楚地表明動作的順序和條件。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 28 在設(shè)計繼電器 控制系統(tǒng)時，必須在控制線路（接線程序）設(shè)計完成后， 才能進(jìn)行控制大 的設(shè)計和現(xiàn)場施工。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?？紤]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，而當(dāng)傳感器損壞或斷線時，將不能給PLC 輸出信號， PLC所檢測到的輸入信號數(shù)字值將低于 200。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 27 報警裝置 系統(tǒng)裝有壓力傳感器和電流傳感器，結(jié)合 PLC 內(nèi)部時間繼電器，由 PLC 根據(jù)程序進(jìn)行邏輯判斷，可對電機(jī)過載、電機(jī)過流、電機(jī)起動過載、電機(jī)運行過載、空壓機(jī)斷水、斷油、油水超溫等故障報警，并執(zhí)行相關(guān)保護(hù)動作。 TI：積分時間 。 TS：采樣時間間隔 。 PVn： 第 n 采樣時刻的過程變量值 。表 41中 變量類型欄的 In/Out 應(yīng)理解為相對于 PID 控制器而言的輸入或輸出。如編號為 1,3,8,9 的參數(shù)，它們具有實時性。一類參數(shù)是固定不變的，如參數(shù)編號為 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 個參數(shù)，全部為 32 位實數(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（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，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)域會越來越寬廣，被控對象可以是越來越復(fù)雜，相應(yīng)的控制技術(shù)也會變得越來越 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（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)控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自動調(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)，均有計算機(jī)發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應(yīng)答。 計 算機(jī)發(fā)出通訊請求； 變頻器處理等待； 變頻器作出應(yīng)答； 計算機(jī)處理等待； 計算機(jī)作出應(yīng)答。 (2)PLC 與變頻器的通信 本系統(tǒng)中 PLC 對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現(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轉(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報警器等。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)的運行狀況，查看壓力、溫度、運行時間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等實時數(shù)據(jù)，記錄并存儲歷史數(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，如果發(fā)生故障則作出相應(yīng)的動作。另外為了方便故障檢查維修。當(dāng) 2空壓機(jī)投入變頻運行后，延時 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)下運行，延時 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)行增泵動作： KM3斷開、 KM4 吸合， 2空壓機(jī)改為工頻運行并延時 1s， KM6吸合變頻啟動 3空壓機(jī)。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)動作： KM2 斷開、 KM1吸合， 1空壓機(jī)改為工頻運行并延時 1s（延時一是為了讓開關(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 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，若 1空壓機(jī)變頻啟動，轉(zhuǎn)速從 0開始隨頻率上升，如變頻器頻率達(dá)到 50Hz而此時空氣壓力還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起的誤動作）后， 1空壓機(jī)切換為工頻運行，同時變 頻器頻率由 50Hz 下 降至 0Hz，2號空壓機(jī)變頻起動，如氣壓仍不滿足，則會啟動 3空壓 機(jī)，切換過程同上；同樣，若 3臺空壓機(jī)（假設(shè) 3）都在運行， 3空壓 機(jī)變頻運行降到 0HZ，此時氣壓仍處于上限值，則延時一段時間后使 1空壓機(jī) 停止，變頻器頻率從 0HZ迅速上升，若此時供氣壓力仍處于上限值，則延時一段時間后使 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)動慣量負(fù)載，這種啟動特點很容易引起變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護(hù)的情況，故采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度矢量變頻器，保證既能實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運行； (2)空壓機(jī)不允許長時間在低頻下運行，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，會加快磨損。 整個控制過程如下： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（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。從而使實際壓力始終維持在給定壓力。當(dāng)壓力大于設(shè)定值時，通過 PID 調(diào)節(jié)降低頻率，當(dāng)頻率降為 20HZ，延時