PLC在制氮机上的应用 毕业论文.doc

i plc 在制氮机上的应用 plc in the application of nitrogen making machine 摘 要 在现代生产力不断提高的情况下，建设无人值守的空压站，是一个社会发 展过程中的必然选择。本文主要论述了一种plc在制氮机上的应用，采用plc对 空压机进行自动控制改造，实现空气的分离控制和生产设备的集中控制。在改 造原有系统的基础上，将制氮机电机的直接启动控制方式改为变频控制，减小 对系统电网的冲击和节约能源，同时制定了具体实施的控制方式、设备启停步 骤、软件功能、功能扩充、报警系统。并利用相应的控制算法，实现供气的恒 定，提高供气质量和效率，保证各项工作的安全生产。 关键词：plc，制氮机，自动控制 plc in the application of nitrogen making machine abstract in modem productivity continuously improve, under the situation of the construction of the unmanned air compressor station, is a social development process in the inevitable choice. this paper mainly describes a kind of plc in nitrogen making machine, the application of plc in air compressor for automatic control transformation, realize the air separation control and production equipment of centralized control. in transforming the original system based on nitrogen making mechanical and electrical machine, the direct startup control method to frequency conversion control, reducing the impact of the grid system and energy saving, and formulate the concrete implementation control mode, equipment start-stop steps, software function and function expansion, alarm system. and by using the corresponding control algorithm, realize supply of gas supply constant, improve the quality and efficiency, and ensure each work of safety for production. key words：plc, nitrogen making machine,auto control ii 目 录 第一章 绪论 .1 第二章 系统构成及工作原理 1 2-1 设计方案的确定 1 2-2 系统构成 .2 2-3 工作原理 .3 2-4 控制过程 .3 2-4-1 恒压控制 3 2-4-2 节能控制 4 第三章 硬件电路设计 4 3-1 plc 可编程控制器部分 5 3-1-1 pl c 概述 .5 3-1-2 plc 选型和性能指标 7 3-1-3 plc 内部分配 7 3-1-4 输入输出外部接线 .7 3-2 模数转换模块 9 3-3 传感器部分 11 3-4 变频器部分 12 3-5 监控对象空压机 .13 3-6 系统的保护及故障警报的发出 14 第四章 系统的软件设计 .14 4-1 系统的总体框图设计 14 4-2 程序的结构及程序功能的实现 16 4-2-1 系统的初始化程序 16 4-2-2 系统的主控制程序 16 4-2-3 系统的中断程序 .17 第五章 结束语 17 致谢 .17 参考文献 .18 附录 .19 iv 第一章 绪论 在现在工业生产中，空压机在冶金机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等行业 都有广泛的应用。传统的空压机供气控制方式大都是采用加、卸载控制方式。该控制方式 虽然原理简单、操作简便，但是存在能耗大、进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。 随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展 和应用，使变频器的节能效果更为显著，它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始 终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制相对于其 它调速方式(如:降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等)具有更大的优势，变频 调速性能稳定、调速范围广、效率高。为此本文采用 pid 技术和变频器实现对螺杆式空气 压缩机的节能改造。整个工作系统的安全性和稳定性都有了很大提高，节能效果显著，实 用性好。 第二章 系统构成及工作原理 2-1 设计方案的确定 plc 气动阀制氮安装(制氮机)是按照变压吸附道理，采纳高品质的碳分子筛作为吸附剂， 在确定的压力下，从空气中制取氮气。颠末净化单调的压缩空气，在吸附器中进行加压吸 附、减压脱附。由于能源学效应，氧在碳分子筛微孔中疏散速率远大于氮，在吸附未达到 均衡时，氮在气相中被富集起来，构成制品氮气。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附 的氧气等杂质形成，实现再生。平凡在琐屑中设置两个吸附塔，一塔吸附产氮，另一塔脱 附再生，颠末 plc 程序放肆器放肆气动阀的启闭，使两塔瓜代循环，以实现接续生产高品 质氮气之指标。以空气为原料，颠末压缩、净化，再操纵热交流使空气液化成为液空。液 空次要是液氧和液氮的同化物，操纵液氧和液氮的沸点分歧(在 1 大气压下，前者的沸点为 -183，后者的为-196)，颠末液空的精馏，使它们分别来获得氮气。深冷空分制氮配备 复杂、占地面积大，基建用度较高，配备一次性投资较多，运行资本较高，产气慢 (1224h），安装要求高、周期较长。综合配备、安装及基建诸因素，3500nm3h 以下的 配备，相同规格的 psa 安装的投资范畴要比深冷空分安装低 2050。深冷空分制氮安 装宜于大范畴工业制氮，而中、小范畴制氮就显得不经济。b 分子筛空分制氮以空气为原 料，以碳分子筛作为吸附剂，使用变压吸附道理，操纵碳分子筛对氧和氮的筛选性吸附而 使氮 plc 气动阀制氮机使命道理和氧分别的方式，通称 psa 制氮。此法是七十年月迅速成 长起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它存在工艺流程复杂、主动化程度高、 产气快(1530 分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范畴内按照用户需要进行调理，操作掩 护便捷、运行资本较低、安装顺应性较强等特点，故在 1000nm3h 以下制氮配备中颇具合 v 作力，越来越获得中、小型氮气用户的欢迎，psa 制氮已成为中、小型氮气用户的首选方 式。c 膜空分制氮以空气为原料，在确定压力条件下，操纵氧和氮等分歧素质的气体在膜 中存在分歧的渗透速率来使氧和氮分别。和其它制氮配备相比它存在布局更为复杂、体积 更小、无切换阀门、掩护量更少、产气更快(3 分钟)、增容便捷等长处，它特别适宜于 氮气纯度98的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。而氮气纯度在 98%以上时，它 与相同规格的 psa 制氮机相比价格要凌驾逾越 15%以上 2-2 系统构成 psa 制氧系统主要由空气压缩机、空气净化系统，空气储罐、切换阀、吸附器和氧气缓冲 罐等组成。 原料空气经空压机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入空气储罐，再经过左进气阀进 入左吸附塔。此时塔压力升高，压缩空气中的氮分子被沸石分子筛吸附，未被吸附的氧气 则穿过吸附床层，经过出气阀进入氧气缓冲罐。这个过程称为吸附，持续时间为几十秒。 吸附过程结束后，左吸附塔与右吸附塔通过均压阀连通，使两塔压力达到均衡，这个过程 称之为均压，持续时间约为 35 秒。均压结束后，压缩空气又经过右进气阀，进入右吸附 塔，重复上述吸附过程。同时左吸附塔中被分子筛吸附的氧气通过左排空阀解压释放至大 气当中，此过程称为解吸，吸附饱和的分子筛从而得到再生。同样，左塔吸附时右塔同时 也在解吸。右塔吸附结束后，同样进入均压过程，然后再切换到左塔吸附，如此循环交替， 连续生产氧气。 上述基本工艺步骤都是由 plc 和自动切换阀来实现自动控制。 2-3 工作原理 psa 制氮机是根据变压吸附原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，在一定的压 力下，从空气中制取氮气。 经过纯化干燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱 附。由于空气的动力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮，氧被碳分子筛优先 吸附，氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的 氧气等杂质，实现再生。一般在系统中设置两个吸附塔 a 和 b，一塔吸附产氮，另一塔脱 附再生，通过控制装置控制气动阀的启闭，使两塔交替循环，以实现连续生产高品质氮气 之目的。 2-4 控制过程 psa 制氮系统的工艺流程图如图 1 所示。 图 1 中空气压缩机用来提供足够的气量和相对恒定的输入压力（0.750.8mpa）的原料气。 经冷干机除水、除油、除固态粒子等净化处理后，为了能连续不断的输出恒定的氮气。系 统设置 a、b 两个吸附塔进行交替工作，由气源系统来的纯净压缩空气，经电磁气动控制阀 y1、y2 由吸附塔 a 下部进入塔体。经吸附塔中碳分子筛床层吸附，并逐步向上推进。在此 过程中，空气中的氧分子被吸附在碳分子筛微孔中，而氮被浓缩在气相中，由塔上部流出， 经电磁气动控制阀 y6、y8 进入氮气储罐，此过程即为 a 塔吸附制氮。与此同时，b 吸附塔 vi 中吸附的氧分子经由电磁气动控制阀 y5 排空，即 b 塔解吸至常压。a、b 两塔交替进行连 续供氮。当 a 塔中碳分子筛对氧的吸附量将达到平衡时，则该塔立即停止吸附，此时 y1、y4、y5、y8 均处于关闭状态，而 y2、y3、y6、y7 同时处于开启状态。实行 a、b 两吸 附塔均压，均压后即切换进入 b 塔吸附、a 塔解吸状态。此时压缩空气经电气控制阀 y1、y3 进入 b 吸附塔下部，经 b 塔中碳分子筛床层吸附。分离出来的氮气经 y7、y8 进入 氮气储罐，即 b 塔吸附制氮。这样 a、b 两塔交替吸附、解吸，即形成连续不断的向氮气储 罐输送氮气。以上 y1y8 电气控制阀的动作顺序、切换时间等全部由 plc 控制，使二塔连 续不断供应合格氮气。 在正常工作时自动循环过程如下： 按程序启动键冷干机启动延时 x 秒空挂机启动延时 x 秒进入吸附 a延时 x 秒 均压 a=b延时 x 秒吸附 b 延时 x 秒均压 b=a延时 x 秒再次进入吸附 a，如此自 动循环，按停止键。系统全部停止工作。 在制氮机工作过程的各个阶段。阀 y1y8 的工作状态如表 2 所示： 表 2 系统手动、自动操作时电磁阀工作状态表 阀号 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y8 吸附 a + + + + + 均压 a=b + + + + 吸附 b + + + + + 均压 b=a + + + + 注：+表示该阀处于开启状态；在均压 a=b，均压 b=a 时要比 yy 滞后 x 秒开启; 上延时 x 秒均应在 0-99 9 秒任意设置调 控制要求有手动和自动两种工作方式，并要求在手动方式时能进行 y1y8 阀的检查。 在手动能独立起动、停止空压机和冷干机；能显示吸附 a、均压 a=b、吸附 b、均压 b=a 四个阶段 y1y8 的开启情况；各项操作均应有指示灯显示。自动工作时，应该能按 照自动工艺流程要求工作。并能在模拟工艺流程图中显示相应工作状态。同时对自动运行 过程中的各延时时间均要能任意调节，并能实时显示和查询当前延时设定值。 vii 3-1 plc 可编程控制器部分 2 1 输人输出点数的确定与 plc 的选择 根据工艺流程和控制要求分析psa 制氮机的输入信号有 19 个分别是手动操作按钮、 自动操作按钮、自动起动按钮、停止按钮 空压机起动按钮、冷干机起动按钮、吸附 a 按 钮、均压 a=b 按钮、吸附 b 按钮、均压 b=a 按钮、阄检测按钮、 y 一 y 阀检测按钮(8 个)；阀检测按钮只有在手动方式下起作用，而 y一 ye 阎检测按钮只有在阀检测按钮按 下后有阀检测指示后才起作用。输出信号也是 19 个分别是 y 一 y 日阀输出(8 个)、手 动状态指示 自动状态指示、自动起动指示、停止指示、空压机工作指示、冷干机工作指示、 吸附 a 指示、均压 a=b 指示、吸附 b 指示、均压 b=a 指示阀检测指示。即在每一个输 入信号旁边均有相应的指示。电磁阀 y 一 的工作电压为直流 24v，功率 8w。根据一般的 设计方法，至少要选带 19 点输入点和 19 点输出点的 plc，或采用主机加扩展的方式用了 外加 l-16t 作为扩展单元并用 cl-02ds 作为参数设定和监控单元。sm 一 16t 具有 10 个输入点和 6 个输出点，采用直流 24v 汇点输入方式，直流 24v 晶体管(npn 型)输出方式。 sm 一 16t 本身的工作电压为交流 220v，并带有 rs 一 485 和 rs 一 232 通讯接 i：z1可 实现 ccm 协议、无协义通讯。rs232 接 i：zl 又兼作编程 i：zl。程序的存放采用 flashrom，无需后备电池；l 一 16t 有 16 个输出点，采用直流 24v 晶体管(npn 型)输出 方式，l 一 16t 与 sm 一 16t 之间通过 rs 一 485 进行通讯；通过 cl 一 02ds 液晶式显示 设定单元可进行参数的设定和监控，它与 sm 一 16t 之间通过 rs 一 232 进行通讯 22 输入输出点的编号分配和输入输出接线图 3-1-2 plc 选型和性能指标 根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、i/o 点数、以及设置数据需要得内存 大小，本文中所选用的 plc 是西门子公司的产品 s7-200 系列，cpu 的型号是 cpu226。cpu226 集成了 24 点输入和 16 点输出，共有 40 个数字量 i/o 点。可连接 7 个扩 展模块，最大扩展至 248 点数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o。cpu226 有 13kb 程序和数据 存储空间，6 个独立的 30khz 高速脉冲输出，具有 pid 控制器。cpu226 配有 2 个 rs-485 通 信编程口，具有 ppi 通信、mpi 通信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系 统。 3-1-3 plc 内部分配 cpu226i/o 接口及内部寄存器分配如表 1 和表 2。 表 1 内部存储器使用 触摸屏 pid 参数设定置 vw10 风机组启动位 m00 触摸屏 pid 参数增益 vw12 手动、自动转换 m01 触摸屏 pid 参数采样时间 vw14 电机急停 m02 y8 viii 触摸屏 pid 参数积分时间 vw16 自动空压机组 1 启动位 m10 触摸屏 pid 参数微分时间 vw18 自动空压机组 2 启动位 m11 pid 反馈量（pvn） vd100 手动空压机组 1 启动位 m12 pid 给定置（spn） vd104 手动空压机组 2 启动位 m13 pid 输出置（yn） vd108 防止空压机组 1 频繁启动 位 m14 pid 增益（kc） vd112 防止空压机组 2 频繁启动 位 m15 pid 采样时间（t） vd116 压力下限位 m20 pid 积分时间（ti） vd120 空压机组 1 轴温报警位 m200 pid 微分时间（td） vd124 空压机组 1 轴温断电切换 位 m201 模拟输入压力值存储 vd128 空压机组 1 定温报警位 m202 压力下限存储 vd132 空压机组 1 定温断电切换 位 m203 空压机组 1 轴承温度 vd180 空压机组 2 轴温报警位 m204 空压机组 1 定子温度 vd184 空压机组 2 轴温断电切换 位 m205 空压机组 2 轴承温度 vd188 空压机组 2 定温报警位 m206 空压机组 2 定子温度 vd192 空压机组 2 定温断电切换 位 m207 手动报警 vd196 3-1-4 输入输出外部接线 cpu226 接线规则如下： （1）dc 输入端中 1m、i0.0i1.4 为第 1 组，2m、i1.5i2.7 为第 2 组组成，1m、2m 分别为各级公共端。dc24v 的负极接公共端 1n 或 2m。输入开关的一端接天 dc24v 的正极， 输入开关的另一端连接到 cpu226 各输入端。dc 输出端中 1m、1l+、q0.0q0.7 为第 1 组， 2m、2l+、q1.0q1.7 为第 2 组组成。1l+、2l+分别为公共端。第 1 组 dc24v 的负极接 1m 端，正极接 1l+端。输出负载的一端接到 1m 端，输出负载的另一端接到 cpu226 各输出端。 第 2 组的接线与第 1 组相似。接继电器输出端的 1l 端。负载的另一端分别接到 cpu226 各 继电器输出端子。第 2 组的接线与第 1 组相似。根据接线规则，plc 输入/输出接线和变频 器接线图如图 4 所示。 表 2 i/o 接口分配表 ix 输入 输出 空压机启动 sb1 i00 空压机组 1 输出 km1 q00 空压机停止 sb2 i01 空压机组 2 输出 km2 q01 手动自动转换 sb3 i02 工频输出 km3 q02 空压机组选择 sb4 i03 空压力下限指示灯 l1 q04 变频工频转换 sb5 i04 空压机组 1 运行指示灯 l2 q05 报警解除按钮 sb6 i05 空压机组 2 运行指示灯 l3 q06 空压机组 1 转子测速器 输入 sb7 i06 空压机组 1 温度上限指示 灯 l4 q07 空压机组 2 转子测速器 输入 sb8 i07 空压机组 2 温度上限指示 灯 l5 q10 急停 sb9 i10 蜂鸣器 1 speake r q11 压力传感器输入 1 aiw0 急停指示灯 l6 q12 压力传感器输入 2 aiw2 空压机组错选指示灯 l7 q13 空压机组 1 轴温度传感器输入 aiw4 空压机组 1 机械故障指示 l8 q14 空压机组 1 定温度传感器输入 aiw6 空压机组 2 机械故障指示 l9 q15 空压机组 2 轴温度传感器输入 aiw8 手动指示灯 l10 q16 空压机组 2 定温度传感器输入 aiw10 自动指示灯 l11 q17 压力模拟量输出 qw0 （2） dc 输入继电器输出端与 cpu226 的 dc 输入 dc 输出的相同。继电器输出端由 3 组构成，其中 n（-） 、1l、q0.0q0.3 为第 1 组，n（-） 、2l、q0.4q1.0 为第 2 组， n（-） 、3l、q1.1q1.7 为第 3 组。各组的公共端为 1l、2l 和 3l。第 1 组负载电源的一端 n 接负载的 n（-）端，电源的另一 l（+） 。 x 图 4 plc 输入/输出和变频器接线图 3-2 模数转换模块 模数转换模块分为 a/d 转换模块和 d/a 转换模块。plc 模拟量处理功能主要通过模拟 量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号 或电流信号，并将其转换为数字信号存储到 plc 中。plc 根据生产实际要求，通过用户程 km1 2l q0.6 l3 q0.4 l1 q0.5 l2 q0.7 l4 q1.0 l5 3l q1.6 l1 0 q1.7 l1 q1.2 l6 q1.3 l7 q1.4 l8 q1.5 l9 q1.1 speaker q0.0 km2q0.1 1l km3q0.2 1m i0.0 sb1 i0.1 sb2 i0.2 sb3 i0.3 sb5 i0.5 sb7 i0.6 sb8 i0.7 sb9 i1.0 sb10 sb6 xi 序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号 去驱动执行元件。 表 3 em231 性能指标 型号 6es7231-7pd22-0xa0 模块更新时间 405ms 模块名称及描述 em231 模拟输入热电偶 4 输 入 数据字格式 -32767 到 +32767 尺寸（mm） whd 7128062 基本误差 01%fs（电 压） 重量 210g 冷端误差 15 功耗 18w 重复性 005%fs +5vdc 87ma 导线长度 到传感器最 长 100m +24vdc 60ma 输入阻抗 1m 输入类型 悬浮型热电偶 最大输入电压 30vdc 输入范围 tc 类型（选择一种） s，t，r，e，n，k，j 电 压范围：+/-80mv 输入滤波衰减 -3dbat21khz 输入分辨率 01/0 115 位加符号 位 24vdc 电压范 围 204288vdc plc 模拟量扩展单元的配置及应用，plc 的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为 了使 plc 能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式 plc 加配模拟量扩展单元。模拟量 扩展单元可以将外部模拟量转换为 plc 可处理的数字量及将 plc 内部运算结果数字量转换 为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的， 也有兼具模/数及数/模两种功能的。如用 s7-200 系列 plc 的模拟量扩展模块 em235，它具 有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供气控制中。 本系统设计有 6 路模拟量输入和 1 路模拟量输出，其中有四路是温度传感器输入。所 以本设计选用一块 em231 热电偶模拟量输入模块，该模块完成四路温度传感器的模数字量 转换功能；一块 em235 模拟量输入输出模块，该模块完成两路传感器的模数转换和路数模 转换功能。em231 性能指标如表 3 所示。 热电偶类型选择： em231 热电偶模块是专门用于对热电 偶输出信号进行 a/d 转换的智能模块。它可以连 接 7 种类型的热电偶（j，k，e，n，s，t 和 r） ，还可以用于测量 0+/-80mv 范围的低电 xii 平模拟信号，所以使用 em231 模拟量输入热电偶模块时，需要通过模块右下侧的设置开关 进行心要的设置。对热电偶模块，其热电偶的类型通过设置开关 sw1、sw2、sw3 选择，如 表 4 所示。 表 4 热电偶类型选择 热电偶类型 sw1 sw2 sw3 j 0 0 0 k 0 0 1 t 0 1 0 e 0 1 1 r 1 0 0 s 1 0 1 n 1 1 0 +/-80mv 1 1 1 3-3 传感器部分 该控制系统中存在大量的模拟量信号，这些信号的输入都要通过传感器是进行模拟量 采集，将采集的模拟量信号送入 plc 输入模块进行模数转换，将连续的变化量（大部分为 420ma 的电流信号，05v 或 010v 的电压信号）转换离散的数字量，存储到 plc 内存 里；输出是由模拟量输出模块将我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信 号或者电流信号。 本系统模拟量传感器 hm23y 矿井专用型压力变送器用于检测矿井的井巷气压，pt100 铂热电阻作为测量温度用的传感器用于检测风机组轴承和定子温度。要想正确的使用它们， 首先了解各个传感器的性能指标。 hm23y 型压力变送器采用欧洲先进的溅射薄膜压力传感器作为敏感元件，和电子线路 做成一体化结构该型号压力变送器为全不锈钢圆柱型结构，使用方便。特别适用于井田测 井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。并在国内油田得到很好的应用效果。该 压力变送器有高温、高压、高精度、高稳定性、抗振动、冲击、耐腐蚀全不锈钢结构、体 积小、重量轻直接过程安装等特点。其性能参数如表 5 所示。 pt100 铂热电阻作为测量温度用的传感器，通常和显示仪表、记录仪表及控制装置配 套使用，测量范围-50180。可以用在电机的轴承和定子测温，也可以用在纺织、机 械、铁路机车等有需要测量温度的场合。该温度传感器采用德国进口薄膜铂热电阻元件， 产品质量达到 iec751 国际标准。铂电阻的电阻值随着温度的变化而变化。温度和电阻的关 系接近于线性关系，偏差极小，且电气性能稳定。耐振动、可靠性高，同时具有精确灵敏、 稳定性好、产品寿命长和安装方便等优点。 pt100 铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来 测量温度的，能够准确的测出轴承或定子的温度并将它们传给 plc 模数转换电路。当被测 xiii 介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。 表 5 hm23y 型压力变送器性能参数 测量范围 005mpa220mpa 过载能力 2 倍满量程压力(其中 100mpa 以上过压为 11 倍) 压力类型 表压或绝压 测量介质 与 316 不锈钢兼容的气体或液体 供电电源 1236vdc(一般为 24v) 信号输出 420ma/15vdc/05vdc/0545vdc 综合精度 01%fs 025%fs 05%fs 长期稳定性 01%fs/年 使用温度范围 -40+150 补偿温度范围 -40+120 零点温度系数：002%fs/温度性能 灵敏度温度系数：002%fs/ 接液材料 膜片:17-4pn 连接件:1cr18ni9ti 响应时间 2 毫秒 负载电阻 (u-10)/002 绝缘电阻 100m，50vdc 外壳防护 插头型（ip65） ； 电缆型（ip67） 安全防爆 exia ct5 重量 约 025 公斤 3-4 变频器部分 本系统选用的是西门子全新一代标准变频器 micromaster440 功能强大，应用广泛。它 采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过 载能力，以满足广泛的应用场合。制氮机其基本原理图如图 5 所示： 图 5 变频器基本原理图 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number revisionsize b date: 10-may-2009 sheet of file: c:documents and settingsadministrator变变变变变.ddbdrawn by: v1 v2 v3 v4 v5 v6 0.5us 0.5us o m3 u v w 0 xiv 变频器的选用： 变频器的选用应满足以下规则，变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的容量 不低于电机的容量；变频器的电流大于电机的电流。由于本设计以空压机组 230kw 为例， 因此可选用 37kw，额定电流 75a 的变频器。考虑到改进设计方案的可行性，调速系统的稳 定性及性价比，我们采用西门子 mm440，237kw， 额定电流为 75a 的通用变频器。 该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性， 同时具 备超强的过载能力， 可以控制电机从静止到平滑起动期间提供 3s，有 200 的过载能力 。 变频器参数的设置： 负载为一大惯性负载， 在停车时，为防止因惯性而产生的回馈制动使电压过高的现象， 加入制动电阻，斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式 r2ud1p(0.30.5)选取。式中：u 为变频器直流侧电压，d 为变频器的额定电流。 本次设计采用西门子与 37kw 电机配套的制动电阻响和对转速调整的要求，系统用模拟量输 入作为附加给定，与固定频率设定相叠加以满足不同型号模具特殊要求。制动电阻的热敏 开关 4bd22-2eao，1.5q，2.2kw 4。变频器的接线图如图 6 所示。 图 6 变频器接线图 3-5 监控对象空压机 空压机又叫空气压缩机(英文为：air compressor)是气源装置中的主体，它是将原动 机(通常是电动机)的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空气 压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机，容积式压缩机的工作原理是压缩气 体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工 em235 模拟 量输入输出 模块 压力传感器 1 传感器 4 压力传感器 2 km3 qw0+ qw0- ain1+ ain- 3 4 m 3 220v q mm440 xv 作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提 高压缩空气的压力。往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理是直接压缩气体，当气 体达到一定压力后排出。在本设计中根据我们的具体要求选择空气压缩机，空气压缩机的 选择主要依据气动系统的工作压力和流量。气源的工作压力应比气动系统中的最高工作压 力高 20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。如果系统中某些地方的工作 压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定排气压力分为低压 （0.71.0mpa） 、中压（1.010mpa） 、 高压（10100mpa）和超高压（100mpa 以上） ，可根 据实际需求来选择。常见使用压力一般为 0.7-1.25mpa。 3-6 系统的保护及故障警报的发出 本系统中，plc 所能检测到的故障有:电动机转子回路接触器发生熔焊而不能起动、电 动机过载、冷却系统断水、空压机无润滑油、压缩气体温度过高。上述故障出现时，对应 的空压机停止并起动处于备用状态的空压机，为了能区分是哪台空压机发生故障，应在对 应的停车工序设置一个闪烁电路。然后把引起故障的触点与闪烁电路的输出触点相串联驱 动电铃与信号灯，电铃与信号灯应安装在调度室与维修人员的值班室。 第四章 系统的软件设计 本设计系统中采用软件来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报 表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息采集，设备控制， 故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。在系统实施过程中，还可引入故障检测 和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效 性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动 化水平提升到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的 效益。 4-1 系统的总体框图设计 本系统主要实现如下的控制目的：每天在不同时间段时能自动开机与关机;根据储气罐 的压力自动间断地开机关机；各台空压机轮换运转，当运行中的空压机出现故障时，自动 起动备用的空压机并报警通知维修人员及时维修。plc 开机时进入初始步 s010，若 sa 设置 为“自动”则进入 s011，待当天开机时刻到达时，进入 1、2、空压机的并行分支 s013、s014。 现以 1 空压机为例分析，若当天的日期被 3 整除的余数不是 1，则起动 1 空压机(s111) ，起动结束后(设定起动时间为 90s)切换至正常运行状态(s112)。在运行过程中，若储气 罐的压力超过 800 kpa 时 ，减荷阀动作，空压机空运转 ;当时间超过 10min 时，则空压 机暂时停车(s113);当压力低于 755686 kpa 时，判断其他空压机是否正在起动，若有延 xvi 时 2min 再起动 1 空压机，若无则直接起动 1 空压机。在进入步 s013 时，若当天的日期被 3 整除后的余数为 1，则不起动 1 空压机(s016)处于备用状态 ，其间若 2、3 空压机发生故 障且本机无故障时，则进入 s111s114 的循环中。由于共用频敏变阻器，故起动 1 空压 机时，也要判断频敏变阻器是否空闭。在整个起动或运行期间若发生故障，都进入步 s115 中，停机并发出警报 ，同时起动处于备用状态的空压机。2、3 空压机分别相继推迟 3 min 起动 ，工作过程与 1 空压机相同。当停机时刻到达时，都进入 s115、s212、s217 步中， 之后回到初始步。总体框图如图 7 所示： 图 7 系统总流程图 4-2 程序的结构及程序功能的实现 4-2-1 系统的初始化程序 系统的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定 时器中断功能来实现 pid 控制的定时采样及输出控制。初始化子程序流程框图如图 5。在 初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其主要的用途为节省大量的扫描时间加快 plc 主程序 初始化 扫描结束 手动控制 自动控制 温度状态采集数据转换 压力中断 pid 运算 压力采集 1 压力采集 2 报警电路 xvii 整个程序的运行效率，提高了 pid 中断的精确度。上电处理的作用是 cpu 进行清除内部继 电器，复位所有的定时器，检查 i/o 单元的连接。 4-2-2 系统的主控制程序 系统的主控制程序功能最多，如空压机的切换信号的生成、空压机组接触器逻辑控制 信号的综合及报警处理等等都在主程序中。平时及特殊时期双恒压的两个恒压值是采用数 字式方式直接在程序中设定的。平时供气时系统设定为满量程的 70%，特殊时期供气时系 统设定为满量程的 90%。本系统中的增益和时间常数为:增益 kc=0.25，采样时间 ts=0.2s，积分时间 ti=30min。其控制结构图如下图 7 所示： 图 7 主控制程序 4-2-3 系统的中断程序 中断程序主要用于 pid 的相应计算，在 plc 的常闭继电器 sm0.0 的作用下工作，它包 括:设定回路输入及输出选项、设定回路参数、设定循环报警选项、为计算指定内存区域、 指定初始化子程序及中断程序。程序结构图如图 8 所示： xviii 图 8 压力中断子程序 第五章 结束语 采用 plc 和变频器改变电动机电源频率，达到了调节空压机转速改变空压机出口压力， 比靠调节阀门的控制空压机出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。 由于变量机工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，电机转速降低，减少了轴承 的磨损和发热，延长空压机和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人 员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。空压电动机采用软启动方式，按设定 的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避 免了电动机突然加速造成空压系统的喘振。在实际应用中，采用 plc 控制恒压供气，还能 容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。与 继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，plc 控制系统具有更大的灵活性和通用性。 xix 参考文献 1 刘瑞国,彭延生.煤矿机电j .变速调速技术在矿上空气压缩机中的应用 .2005,1 2 石景丽,刘荣军.压缩机技术j. 变频调速技术在压缩机节能改造上的应用 .1998,3 3 林 梅,吴业正.压缩机自动阀m. 西安: 西安交通大学出版社,1991 4 黄立培,张学.变频器应用技术及电动机调速m. 北京: 人民邮电出版社,1998 5 廖常初.s7-300 400 plc.北京:机械工业出版社,2005 6 崔 坚. 西门子工业网络通.北京:机械工业出版社.2004 7 李方园.变频器行业应用实践.北京:中国电力出版社 ,2006 8 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