基于PLC的矿井空压机控制系统设计毕业论文.doc

11绪论空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备之一，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机的运行控制均将空压机输出的空气压力即管路储气罐压力作为控制对象。控制管路的空气压力在一定的范围内，即最高不超过气压管路和用气设备的安全容限(一般为0.7MPa)，最低要满足用气设备的最低工作压力要求(0.4MPa)。为满足这一要求，空压机中普遍采用两种控制方法:（1）利用电动机频繁启动和停止来调节管路压力。这种方法，首先设定管路压力的上、下限。当管路压力上升达到设定上限时，电动机断电，空压机停止运行，管路压力随着现场用气和管路泄露逐渐下降。当压力下降至设定下限时，电动机得电，空压机重新启动运行，管路压力又开始上升。如此周而复始。采用这种方式，管路压力不停地在压力上下限之间变化，控制简单，成本低，但电机启动频繁，对电网的干扰较大，只适用于小功率电动机的驱动。（2）利用空压机的压力气阀控制。当管路压力达到设定压力上限时，空压机与储气罐联接阀门关闭，空压机处于空载运行。当管路压力下降至设定下限时，空压机与储气罐联接的气阀打开，空压机输出压缩空气，管路压力上升。如此往复，整个运行过程电动机保持运行，避免了频繁起停，适用于大功率的电动机驱动。目前，空压机的运行采用第二种方法控制的居多。这种方法不考虑电动机的运行控制，对电动机只须设计其启动控制。对于空压机中的大功率电动机的启动，一般采用两种方法，即线绕式异步电动机的转子串频敏电阻方法和鼠笼异步电动机的定子Y-转换启动方法。线绕式异步电动机转子串电阻的启动方式，电动机的启动转矩大，而电机的启动电流冲击仍然很大，同时转子电刷机构增加了电动机的结构复杂性。鼠笼异步电动机定子Y-启动，即电机启动时定子接成Y形，电机正常运转时定子接成形，这样可以降低启动电流，但也降低了启动转矩，增加了相应的启动装置。总之，上述传统控制方式存在的问题是明显的：（1）管路空气压力波动较大，管路压力在设定上下限之间波动，气阀的故障率高；（2）空压机频繁加载、卸载造成电网电压波动大，以及损耗电量大；（3）空压机总处于高速运转状态，造成空压机的机械故障增多和空压机的机体温度升高；（4）空压机运转噪声大，此噪声一方面由空压机高速运转产生，另一方面在空压机气阀动作时产生。针对以上存在的问题，采用PLC1和变频调速技术对空气压缩机控制系统进行节能改造，该系统自动化程度高，节能效果显著，实用性好。2PLC和变频调速技术的简介2.1PLC控制系统特点和功能可编程序控制器（ProgrammableLogicController:简称PLC）是一种在工业环境应用下而设计的数字运算电子系统，他将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备，具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸多优点。随着技术的进步，其控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，成为自动化领域的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。其主要应用的技术领域有：顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控和管理、信息网络技术等。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中的大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制的设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电接触器系统电路图的设计时间要少。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统安装和接线后，在现场的统调过程中发现问题，一般通过修改程序就可以解决，系统的调试比继电器系统容易得多。一个空压机PLC系统由PLC系统硬件、PLC应用程序、信号采集控制外围设备等组成，有时虽然采用了最先进的可靠性最高的PLC，但由于外围设备不能匹配致使整个系统不能正常工作。例如在空压机控制系统改造的过程中，如果信号电缆没有屏蔽接地，传入到PLC中的信号干扰严重，传来的信号没有利用的价值。如果所有信号线屏蔽层并联并在控制室一端接地，就会收到了立竿见影的效果，信号稳定无干扰。其实，以上问题是我们在仪表施工中很容易忽视的问题，因为现在大部分二次仪表的抗干扰能力较强，轻微干扰不易觉察，但是对于PLC这样的工控设备来说，就必须严格按照仪表和工控机布线标准去施工。所以规范的施工布线、可靠的外围设备和周密严谨的程序逻辑是提高空压机控制系统可靠性的必要条件，提高空压机控制系统的可靠性必须从以上几点抓起。PLC的主要功能：（1）在线数据采集和输出；3（2）控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；（3）数据处理功能。既能进行基木数学、逻辑运算，还可通过编程实现复杂的控制算法；（4）输入/输出信号调制功能；（5）通信、联网功能。可进行1：N的远程控制、多台PLC间联网通信、外部器件与PLC的信号处理，单机之间实现程序和数据交换等；（6）支持人机界面功能；（7）编程、调试等。2.2变频器技术的特点变频器技术2是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，它是利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起、停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能：变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。2.3空压机的变频调速技术原理2.3.1螺杆空压机的工作原理螺杆式空压机3的工作原理图如图1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子相对于气缸作偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至图1空气压缩机原理图气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经油/气分离器进行分离之后，油气经过油冷却器冷却再经过油过滤器流回储油罐，空气经过油/气分离器后流进气冷却器（空气冷却装置）进行冷却，然后进入储气罐。2.3.2基于管路压力控制的电动机变频控制原理螺杆式空压机基本运行方式为加载、减载方式。减载时电机空转，能源白白地浪费，利用变频器改变电机供电频率，来调节电机的转速，即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。与传统的空压机运行控制管路压力的方法不同，变频控制方式是通过图2变频压力控制原理图图3压力变化示意图控制电动机的运转转速来控制空压机的单位时间出风量，从而达到控制管路压力的目的。其系统控制框图如图2所示。其控制过程是：通过压力设定和压力反馈的比较，得到被控量和期望值的偏差，经PID4调节器计算出变频器输出的控制异步电动机旋转速度的交流电频率值，由变频器输出相应频率和幅值的交流电，在异步电动机上得到相应的转速。经空压机输出对应的压缩空气的风量至储气罐，使储气罐的压力变化，直到管路压力与设定压力相同。其管路压力控制过程如图3所示。3控制系统的设计