【正文】 ............................................................... 37 主程序部分 ........................................................... 37 手動子程序 ........................................................... 37 自動子程序 ........................................................... 38 基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 空氣壓縮機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀 隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷進(jìn) 步與發(fā)展，許多領(lǐng)域中都引入了計(jì)算機(jī)自動檢測與控制技術(shù)。 目前空氣壓縮機(jī)的 種類很多，按工作原理可分為容積式壓縮機(jī) ,往復(fù)式壓縮機(jī) ,離心式壓縮機(jī) ,容積式壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；離心式壓縮機(jī)的工作原理是提高氣體分子的運(yùn)動速度，使氣體分子具有的動能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。目前主要用的 是 活塞式 壓縮機(jī) 。 隨著活塞式空氣壓縮機(jī)因?yàn)橐讚p件多、體積大、噪聲大、震動大、不穩(wěn)定及存在危險性等缺點(diǎn)，于一九三六年在瑞典開發(fā)出第一臺雙螺桿式空氣壓縮機(jī)，因工作相對穩(wěn)定、整機(jī)體積小、自動化 程度高、維護(hù)量少且小、噪聲也大幅度降低、震動也少到不用基礎(chǔ)等一系列優(yōu)點(diǎn)，于一九八六年開始引入中國并得到廣大廣大客戶的認(rèn)可。美國人如是評價：“這是二十一世紀(jì)的戰(zhàn)略性產(chǎn)品。并于當(dāng)年成為國家火炬計(jì)劃的執(zhí)行單位。并被國家首推為“煤礦井下用空壓機(jī)”。 現(xiàn)在 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，應(yīng)用熱力學(xué)、動力學(xué)理論，通過綜合模擬預(yù)測 壓縮機(jī) 在實(shí)際工況下的性能；強(qiáng)化 壓縮機(jī) 的機(jī)電一體化，采用計(jì)算自動控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行和聯(lián)機(jī)運(yùn)行。目前最熱門的應(yīng)當(dāng)是 CO2 壓縮機(jī) 了，特別是跨臨 界循環(huán)。 本課題研究的目的與意義 回顧工業(yè)生產(chǎn)過程和發(fā)展歷程，在 20 世紀(jì) 40 年代前后，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程均處于手工操作狀態(tài) 。而如今科學(xué)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，在短短的幾十年中，生產(chǎn)過程有了深遠(yuǎn)的變革，自動化水平也在不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了全車間，全廠，甚至全企業(yè)無人或很少人參與操作管理，實(shí)現(xiàn)了過程控制的最優(yōu)化與現(xiàn)代化的集中調(diào)度管理相結(jié)合的方式。而同時，在國內(nèi)企業(yè)中又普遍存在著資金不足，很難進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備更新?lián)Q代。 例如，現(xiàn)代化的煤礦，要求空氣壓縮機(jī)的裝置有較高的自動話水平，采用微機(jī)控制是空壓機(jī)發(fā)展的必然趨勢，它可以減輕操作人員的勞動強(qiáng)度，對空壓機(jī)的可靠安全運(yùn)行起到保證和促進(jìn)作用。我們以某煤礦的 5 臺空氣壓縮機(jī)為研究對象，研究基于 MCGS 組態(tài)軟件的空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是設(shè)計(jì)恒壓供氣控制系統(tǒng)的 硬件電路、研究恒壓變頻供氣的控制方法、開發(fā)基于 MCGS 組態(tài)軟件的監(jiān)控界面、完成系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試。 本設(shè)計(jì)關(guān)心的問題是，在空壓機(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)省電能的同時也能改善空壓機(jī)性能、提高供氣品質(zhì)。 基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 本課題的主要研究內(nèi)容 設(shè)計(jì)恒壓供氣控制系統(tǒng)的硬件電路； 研究恒壓變頻供氣的控制方法； 開發(fā)基于 MCGS 組態(tài)軟件的監(jiān)控界面； 完成系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的高性能控制。 具體控制流程圖如圖 1 所示。當(dāng)一臺空壓機(jī)不能滿足需要就由 PLC 調(diào)節(jié)，在啟動第 2 臺空壓機(jī)，在不能滿足在啟動第 3 臺，以此類推。 基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 電氣原理圖 圖 電氣原理圖 元器件的選型 空壓機(jī)選擇 選用一臺 LS10型固定式螺桿壓縮機(jī)電機(jī)型號 :LS286TSC4，功率 22kW，頻率 50Hz，額定電壓 380V，額定電流 42A， 4 極，轉(zhuǎn)速 1470r/min。 a) 變頻器的主要參數(shù) 輸 出 :最大適用電機(jī)輸出功率 30kW，輸出額定容量 ，輸出額定電流 60A，輸出頻率范圍 ~400Hz，過載能力為額定輸出電流的 150%，運(yùn)行 60s，最大輸出電壓對應(yīng)輸入電源。10%，頻率容許變動范圍177。輸入電流 60A，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。 ② 配有 RS485 接口，可與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)，構(gòu)成計(jì)算機(jī)監(jiān)控、群控系統(tǒng)。 ④ 禁止電機(jī)反轉(zhuǎn)。 ⑥ 帶過載 (過熱保護(hù) ) 變頻器接線圖如下： 圖 變頻器接線圖 基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 壓力變送器 壓力變送器一個型號 :DG1300BZA22，量程 :0~1Mpa，輸出 4~20mA 的模擬信號。廠家 :廣州森納士壓力儀器有限公司。高質(zhì)量的傳感器、精湛的封裝技術(shù)以及完善的裝配工藝確保了該產(chǎn)品的優(yōu)異質(zhì)量和最佳性能，該產(chǎn)品能最大限度的滿足客戶的需要，適用于與各種測量控制設(shè)備配套使用。％ FS／ 5 年 介質(zhì)接觸材料 ： 316 不銹鋼 外殼 材料 ： 304 或 316 不銹鋼 安裝方式 ： 螺紋安裝 壓力連接 ： 外螺紋等 電氣連接 ： 四芯屏蔽電纜 (防護(hù)等級 IP65) 接觸器 因?yàn)榭諌簷C(jī)的操作頻率不高，接觸器可選用 CJ CJ20 等系列。 a） 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ： 接觸器為雙斷點(diǎn)觸頭的直動式運(yùn)動機(jī)構(gòu)，具有三對常開主觸頭，輔助觸頭可有二常開，二常閉。動作 機(jī)構(gòu)靈活，手動檢查方便，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，可防止外界雜物及灰塵落入活動部位。接觸器外形尺寸小巧，安裝面積小。產(chǎn)品安全、可靠性好，為國際先進(jìn)的接觸器機(jī)種。 Ie≤22A基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 裝有金屬隔弧板保證人身及臨近電器的安全。 c）電 磁系統(tǒng) ： 電磁工作系統(tǒng)可靠、損耗小、噪音低、具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，線圈的接線端裝有電壓規(guī)格的標(biāo)記牌?？杀苊庖蚪渝e電壓規(guī)格而導(dǎo)致線圈燒毀。 熔 斷器 熔斷器是一種簡單而有效的保護(hù)電器。熔斷器的選擇主要依據(jù)負(fù)載的保護(hù)特性和短路電流的大小，對于空壓機(jī)應(yīng)當(dāng)著重考慮短路保護(hù)盒分段能力，因此選用具有較高分段能力的 RM10 和 RL1 系列；由電機(jī)的額定電流乘以 得到熔斷器的額定電流應(yīng)為 60A，因此選用 RL160 型號的熔斷器。熔斷器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，廣泛用于電力系統(tǒng)、各種電工設(shè)備和家用電器中作為保護(hù)器件。 熔斷器主要由熔體、外殼和支座 3 部分組成，其中熔體是控制熔斷特性的關(guān)鍵元件。熔體材料分為低熔點(diǎn)和高熔點(diǎn)兩類。高熔點(diǎn)材料如銅、銀，其熔點(diǎn)高，不容易熔斷，但由于其電阻率較低，可制成比低熔點(diǎn)熔 體較小的截面尺寸，熔斷時產(chǎn)生的金屬蒸氣少，適用于高分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥鳌８淖冏兘孛娴男螤羁娠@著改變?nèi)蹟嗥鞯娜蹟嗵匦?。所以，在一定過載電流范圍內(nèi)，當(dāng)電流恢復(fù)正常時，熔斷器不會熔斷，可繼續(xù)使用。 基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 第 3 章 控制方案的選擇 控制方案的選擇 機(jī)械控制方案 機(jī)械控制方案用來實(shí)現(xiàn)單一功能的循環(huán)，功能較弱。 需較多的硬件部分，這將會增大控制系統(tǒng)的安裝接線工作量，且會增大控制系統(tǒng)的故障率。近年其推廣應(yīng)用在我國得到了迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域包括： 1）開關(guān)量邏輯控制， 2）運(yùn)動控制， 3）閉環(huán)過程控制， 4）數(shù)據(jù)處理， 5）通信聯(lián)網(wǎng)。 ，性能價格比高。 ，抗干擾能力強(qiáng)。 ，維修方便。 因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī) 控制系統(tǒng)的程序步數(shù)較多，若采取機(jī)械控制方案，則需較多的硬件部分，這將會增大控制系統(tǒng)的安裝接線工作量，且會增大控制系統(tǒng)的故障率，修改也不方便；若采用單片機(jī)控制方案，則需為控制系統(tǒng)制作印制電路板和許多輸入／輸出接口電路，延長設(shè)計(jì)制作周期。 綜 上所述，空氣壓縮機(jī)對控制系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，包括控制系統(tǒng)的特性和優(yōu)缺點(diǎn)，使用環(huán)境等等，對三種控制方案進(jìn)行綜合考慮和比較，本人認(rèn)為空氣壓縮機(jī)的控制方案應(yīng)排除采用機(jī)械控制和單片機(jī)控制這兩種方案，而應(yīng)采用可編程序控制器（ PLC） 來控制 基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 PLC 的發(fā)展過程 雖然 PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步， PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段： PLC（ 60 年代末 — 70 年代中期） PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。它在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。因此，早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。 PLC（ 60 年代末 — 70 年代中期） 在 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。這樣，使 PLC 得功能大大增強(qiáng)。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。 PLC（ 80 年代中、后期至今） 進(jìn)入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的當(dāng)次普遍提高。這樣使得 PLC 軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。僅僅將 PLC 理解為開關(guān)量控制的話，那就是一個錯誤的概念了。 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 PLC 的組成 PLC 的硬件主要由中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口電源等部分組成。 對于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)，其組成框圖如圖 25 所示；對于模塊式 PLC，各部件獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?，其組成框圖如圖 26 所示。 盡管整體式與模塊式 PLC 的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對 PLC主要組成各部分進(jìn)行簡單介紹。 PLC 中所配置的 CPU 隨機(jī)型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如 Z80、 808 80286 等）、單片微處理器（如 8038096 等）和位片式微處理器 (如 AMD29W 等 )。 基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 目前，小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，而中、大型 PLC 則大多為雙 CPU 系統(tǒng)，甚至有些 PLC 中多達(dá) 8 個 CPU。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器的采用 ,提高了 PLC 的速度，使 PLC 更好地滿足實(shí)時 控制要求。 、 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。 ，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。有些 PLC 還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。在 PLC 中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序關(guān)系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器 ROM、 PROM 或 EPROM 中，用戶不能訪問和修改。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài) RAM 中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。現(xiàn)在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲器。存放在 RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，基于 PLC 和變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。當(dāng) PLC 提供的用戶存儲器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲器擴(kuò)展功能。 PLC 通過輸入接口可以檢測被 控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為 PLC 對被控制對象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時 PLC 又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。 I/O 接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高 PLC 的抗干擾能力。 PLC 提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的 I/O 接口，有各種各樣功能的 I/O 接口供用戶選用。 常用的開關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交 /直流輸入接口，其基本原理電路如圖 27 所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動直流負(fù)載，后者只能用于交流負(fù)載。 I/O 點(diǎn)數(shù)是選擇 PLC 的重要依據(jù)之一。 通信接口 PLC 配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。 PLC 與打印機(jī)連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它 PLC 連接，可組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模控制。 遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)也必須配備相應(yīng)的通信接口模塊。它作為 PLC 系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與 PLC 相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在 PLC