PLC在制氮机上的应用毕业论文.doc

焦作大学毕业设计焦作大学毕业设计 题 目： plc 在制氮机上的应用 学 院： 机电工程学院 专 业： 11 机械制造与自动化（3）班 学 号： 110108309 姓 名： 王文江 指导教师： 宋芳 完成日期： 2013 年 月 焦作大学机电工程学院毕业设计 i plcplc在在制氮机制氮机上的应用上的应用 摘摘 要要 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：关键词：plc，制氮机，自动控制 焦作大学机电工程学院毕业设计 ii 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 第二章第二章 制氮机流量值的计算制氮机流量值的计算.1 第第三三章章 系统构成及工作原理系统构成及工作原理.8 3-1 设计方案的确定 8 3-2 系统构成 9 3-3 工作原理 9 3-4 控制过程 .11 3-4-1 恒压控制 .11 3-4-2 节能控制12 第第四四章章 硬件电路设计硬件电路设计12 4-1 plc 可编程控制器部分 .13 4-1-1 pl c 概述.13 4-1-2 plc 选型和性能指标15 4-1-3 plc 内部分配15 4-1-4 输入输出外部接线15 4-2 模数转换模块 .17 4-3 传感器部分 .19 4-4 变频器部分 .20 4-5 监控对象空压机 .21 4-6 系统的保护及故障警报的发出 .22 第第五五章章 系统的软件设计系统的软件设计22 5-1 系统的总体框图设计 .22 5-2 程序的结构及程序功能的实现 .24 5-2-1 系统的初始化程序24 5-2-2 系统的主控制程序24 5-2-3 系统的中断程序25 第第六六章章 结束语结束语25 致谢致谢.25 焦作大学机电工程学院毕业设计 iii 参考文献参考文献.26 附录附录.27 焦作大学机电工程学院毕业设计 iv 第一章第一章 绪论绪论 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。 第二章制氮机流量值的计算 毛细管作为一种重要节流元件，具有结构简单、价格便宜、无运动部件、 制造方便、工作稳定可靠和不易发生故障等优点，其压力平衡特性有利于降低 压缩机的起动力矩，因此已经广泛应用于家用设备包括电冰箱、冰柜、空调器 和减湿器等小型制冷装置中，它对制冷系统的连续运行起着重要作用。在现有 的制冷系统中，绝热毛细管应用最多。而 hfc 一 134a(r134a，ch，fcf3，1，3 一四氟乙烷)作为 r12(cfc12，cf2ci ，二氟二氯甲烷)的替代制冷工质而提出， 已被证明是比较环保的绿色制冷剂，特别适用于家用冰箱、窗式空调、汽车空 调以及小型空冷制冷机组和离心式冷水机组。本文针对以制冷剂 hfc 一 134a 为 工质的制冷系统，选择一组基于 mh 状态方程(即马丁一候方程)的热力学性质参 数方程，对绝热毛细管流量进行数值模拟计算。 1 毛细管稳态数学模型 为建立绝热毛细管稳态数学模型，主要采用如 下假设? ： (1)由于毛细管的管径很小，可忽略径向的参 数变化，流动为一维绝热流动； (2)液相和气相的流速较为接近，气相和液相间无滑移，按均相流处理； 焦作大学机电工程学院毕业设计 v (3)两相介质达到热力学平衡； (4)重力影响较小，可忽略不计； (5)管路截面积保持不变； (6)忽视亚稳态流动。 11 基本模型 儿 质量方程：m ： ：const 能量方程：h+ ：c0list 动量方程：一 dp：m2d + 1m dl (1)(2)(3) 式中：m 为质量流速，kg(m2s)；g 为质量流量，kgs；f 为 截面积，m ；h 为比焓，jkg； 为比容，n kg；p 为压力，pa；f 为沿程 摩擦阻力系数(以下简称摩阻系数)；d 为内径，m；为长度，in。 12 模型的离散 方程的离散采用有限差分方法，将制冷剂在毛细管内的流动沿管长划分若干 微元，则对其中的某一微元有： ml= m2 (4)hl+ 百 1m2i2：h2+ 百 1m22 (5)pp =m2( 一 。)+ ! ； (6) 式中：下标 l、2、m 分别表示微元的进口参数、出口参数、平均参数；为 微元段长度。 121 过冷单相区 过冷液体可视作不可压缩，比容、焓、过冷区温度和摩阻系数均不变。由式(6) 可得过冷段长度为： l ： 2d apsclsc 一 2 一 (、7，)，i|l j sc3sc 式中：ap 为过冷区 的压强差。 122 气液两相区 由式(6)可得两相区某一微元段长度为： al ： p。一 p2 一 mz(32 一 。) (8)hi j mum 对于两相区所有微元段的计算长度求和，可以得到整个两相区的计算长度： 、 l ： zal， (i) (9) 对于气液两相区，比焓 h 和比容 的计算为： h =xh +(1 一 )hs (1o)= +(1 一 ) (11) 焦作大学机电工程学院毕业设计 vi 式中： 为干度；下标 g、f、sty、tp 分别表示气相、液相、过冷区、两相区。 式中：n：告 m ( 2 一 ) ；b： m ( g2 一 vp)+h 一， ；c ： 寺 m ( 一 i )， + ，2 一 htti。 13 沿程摩阻系数与粘度计算 关于毛细管内摩阻系数的计算，采用 churchill 关联式，因为该关联式可覆盖 整个雷诺数 e 区域，并考虑了毛细管内粗糙度的影响。 f：8(8re) +1(a+曰) (13) 式中： a ： 2457ln 瓦 b ： (37530re) ； re ： mdf。 式中：为粗糙度； 为动力粘度；在 ed 无法确定时，可考虑取 327。 对于气液两相区，动力粘度 的计算常用 cicchitti 经验公式： ： xp +(1 一 ),ul (14) 其中对于 hfc134a 的气体液体粘度，采用新的基团贡献法计算 ： ：c expm ( ) (15)us：cl expi bo(tr)+ ( )” (16) 式中： 0(rr)：in +05(1 一 l ) (11 ln rr)101(1 一 l ) 式中：c ，m ， 为物质常数，与温度无关。 c ： 1427 10 一 pas； m ： 0902； cl 4106 10 一 pas： m，= 一 1962； b ： 一 18。 14 壅塞流 在正常运行工况下，制冷剂在毛细管内的流动处于壅塞状态 。为避免计算结果 失真，在毛细管过程是典型的不可逆过程，必须满足熵增，文献中常使用的壅 塞判据是熵增判据。本文采用熵增判据的一种等价形式，l 临界长度判据：等 0 (17) 计算壅塞质量流量 ： 焦作大学机电工程学院毕业设计 vii gch + r (1 8) 式中：j vf dsf dry 计算出口壅塞压力 ： p =m(p，t， ，卢) (19) 式中：m 为质量流速，kg(m2s)；p，为参考状态点压力，pa； 为参考状态 点比容，m3kg；p 为经验常数，表征两相区压力与比容的相对变化率， p=262 105p。 此式参考状态点为等焓节流过程线与饱和液体线的交点。当毛细管进口状态为 过冷液体时，参考状态点就是两相区的进 izl 状态，p，是对应进 izl 温度的饱 和液体压力。 2 热力性质参数方程 制冷工质的热力性质计算式由状态方程、饱和气体压力方程、饱和液体密度方 程、理想气体比热容方程和比焓方程组成。 21 状态方程 式中：温度函数 (t)=a +c e ；为比容，m3kg；p 为状态点压力，kpa； r =o0815kj(kgk)； a2 = 一 8909485e 一 02，a = 1778071e 一 05， b2 = 4408654e 一 05，b = 一 4016976e 一 08， c2 =一 20“4834e +00，c =一 2977911e 一 04， a3= 一 1016882e 一 03，a5= 一 7481440e 一 08， b3 = 2574527e 一 06，b5 = 1670285e 一 10， c3 = 2142829e 一 02，c5 = 1255922e 一 06， b = 3755677e 一 04，k = 4599967e + 00。 22 饱和蒸气压力方程盯】 lgl0 p ：a+导+cl。gl0 +d + 从 (21)式中：p 的单位为 kpa； a = 4069889e +01，d = 7616005e 一 03， b = 一 23625 40e +03，e = 2342564e 一 01， c = 一 1306883e +01，f = 3761111e +02。 焦作大学机电工程学院毕业设计 viii 23 饱和液体密度方程 ： + (1 一 )“ + (1 一 ) +d，(1 一 )+e，(1 一 )4 ( 式中： 的单位为 kgm3；af=5281464e+02； ： 7551834e + 02； = 1028676e +03；= 一 9491172e + 02； =5935660e+02。 24 理想气体定压比热容方程阳 = ci + c2 + c3 + c4 + c4 + c5 -1 式中：c。的单位为 kj(kgk)； i=一 05257455 10 ， 2 = 03296570 10 一 ， 3= 一 2017321 10 一，4 = 00， s = 1582170。 25 汽化潜热 。 采用 watson 关联式计算，可得到满意的结果。即根据某一温度下的汽化潜热推 算其它任一温度下的汽化潜热值：其汽化潜热 r|为 2158kjkgn 26 焓熵的相关计算 利用热力学的余函数理论 计算，可导出其饱和气体比焓、比熵热力性质参数， mh 状态方程代入。 (26)式中：压缩性系数 z=等；h。 ，s。是对基准态比焓和比熵值进行校正的常 数，与基准态取定及制冷工质种类有关。 饱和液体的比焓等于饱和蒸气的比焓减去汽化潜热，饱和液体的比熵等于饱和 蒸气的比熵减去汽化潜热与热力学温度的商，则饱和液体焓 hj= h 一， (27)饱 和液体熵 s= s 一 i- (28) 。 以上各式中： 为泓度，k； 为正常沸点，24705k； 为临界温度， 37425k；rr，死，为对比态温度，tr= ，t6 = tb 。 3 数值计算 31 计算方法 输入毛细管长度、直径、粗糙度、冷凝压力、蒸发压力、过冷度，首先假 设出口压力等于蒸发压力，计算壅塞流量，作为流量迭代初值 gc，计算毛细管 的长度，并将其与给定的长度进行比较。若长度偏大，把 gc 作为较小值 gc3， 焦作大学机电工程学院毕业设计 ix 然后在此基础上逐步增大流量，直到由此计算的长度小于给定值，把此时的流 量值作为较大值 gc4；反之，可求出流量较小值 gc3，这样求得的流量必位于 gc3 与 gc4 之间。再采用对分法逼近，令 gcm =(gc3+gc4)2，如根据对分得到 的流量计算出的长度大于给定长度，则把该值作为新的 gc3，而保留原来的 gc4；如根据对分得到的流量计算出的长度小于给定长度，则把该值作为新的 gc4，而保留原来的 gc3。重复对分逼近，直到满足对长度迭代精度的要求(通 常可取 1e5)时输出计算流量值 gem。其中过冷单相区按饱和态近似处理，气 液两相区按压降均分为若干个微元段，利用临界长度判据，考虑壅塞影响，逐 段计算微元长度并迭加，过冷段长度加两相段长度即为毛细管长度。 32 结果分析 按以上方法用 visual fortran 50 编制程序，对 hfc 一 134a 绝热毛细管 中的流量特性进行数值计算，其结果与实验数据的比较见表 1 和表 2。流量计 算误差 ， ，定义为：(流量计算值一流量实验值)流量实验值如表 1 所示，本 文流量计算精度较高，误差小于 2 ，按文献6计算的出口压力小于给定的 压力，计算的出口壅塞流量高于本文计算的流量，即验出口压力高于临界出口 压力，在出口处流量未达到壅塞流量，因而并未发生临界(壅塞)流动的现象。 如表 2 所示，本文流量计算误差较大，但分布于8范围内，而文献13分布 于5范围内，本文精度变差初步考虑与摩擦压降、工质的热物理性质计算方 法等因素有关。按文献6计算的出口压力和本文计算的出口压力十分接近，误 差分布于5范围内，均高于蒸发压力即发生临界(壅塞)流动现象，制冷工质 在出口处流速达到当地音速，在管外自由膨胀到蒸发压力。计算的出口壅塞流 量与计算的流量值很接近。 4 .计算总结 运用两相流动的均相流假设建立绝热毛细管稳态数学模型，对以 hfc134a 为工质的制冷系统，采用新的基团贡献法计算粘度，考虑壅塞流动 的影响，对绝热毛细管流量进行数值模拟，其计算结果与实验结果总体上吻合 得很好。编制的绝热毛细管流量计算软件，计算精度满足工程要求，对于工程 设计应用具有一定的实用价值。 表 1 hfc-134a t 质下本文流量计算值及出口流量压力计算值与文献12】实验 焦作大学机电工程学院毕业设计 x 值的比较 过冷度 进口 出口 直径 实验质 实验 按文献6 本文计算 本文计算出口 本 文计算 本文流量计算 流量计算 压力 压力 量流量 长度 估算出口压力 出口压力 壅r d 塞流量出口 质量流量 时迭代长度 误差 nun pirlmpa 岛 m g(gs) lexpm pout mpa po iddmpa cch(kgs) coal(kgs) 1 ,calm ,err 4 0921 o4l2 o77 0949 2926 o1680494 041 l9967 239eo3 956e 一 04 2926027 o0o7l827 4 0921 o4l2 o77 1166 2009 o20f 弭 88 041 l9967 239e 一 03 117e 一 03 20ci81 聊 00o7242 4 1126 0412 o77 109 2926 02015o92 0412o0l2 225eo3 11oe 一 03 2925978 ool12628 4 1126 0412 077 1336 20o9 02468s42 041200l2 225e 一 03 135e 一 03 2o08987 00l0b39b l2 0921 o4l2 o77 1225 2926 o2o7o84 0412o0l7 258eo3 123e 一 03 2925973 o 649 l2 1126 0412 o77 1378 2926 o24325o6 041 l9955 24oe o3 139e 一 03 292599 o01)6650l l2 0921 0412 o77 15o6 2009 o25454l 0412o0l7 258eo3 15leo3 2o08996 00d25853 l2 1126 0412 o77 1689 2009 o298o479 041 l9955 241e 一 03 17oe 一 03 2oo o0 睫 ldo65 表 2 hfc 一 134a 工质下本文流量计算值 及出口流量压力计算值与文献13实验值的比较 冷凝 过冷 蒸发 实验质量 冷凝温度 蒸发温度 按文献6 本文计算 本文计算 出 本文计算 本文流量计 温度 度 温度 流量 gexp tcond 对应的 tevap 对应的 计算出口压力 出口压力 口壅塞流量 质量流量 算时迭代长 流量计算 饱和压力 饱和压力 误差 gerr too t tevap (kgh) poutiskpa pout iddkpa gch 焦作大学机电工程学院毕业设计 xi (kgp s) gcal (kss) 度 m condkpa pevapkpa 433 52 299 207 l】l0644 8469496 l3o8372 l376l5 535e 一 04 53le 一 04 550002 一 o 773l 433 87 29 224 l】l0644 8837823 l42744 1476o9 588e 一 04 589e 一 04 549996 o05266 489 66 28 238 l282936 926l85l l532176 161863 616e 一 04 6o8e 一 04 55o00l5 一 oo805 489 88 272 243 l282936 96126l3 l606884 l6544 639e 一 04 645e 一 04 5500ol 0o4465 544 74 26 253 l47o898 1015839 l747l38 l8o039 669e 一 04 676e 一 04 550002 00375 544 147 235 307 l470898 l】3743 1963676 2o33l5 792e 一 04 790e 一 04 5500o3 一 o07399。 第三章 系统构成及工作原理 3-13-1 设计方案的确定设计方案的确定 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 焦作大学机电工程学院毕业设计 xii 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。 3-23-2 系统构成系统构成 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。 焦作大学机电工程学院毕业设计 xiii 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。 3-33-3 工作原理工作原理 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。 一、基础知识 1气体知识 氮气作为空气中含量最丰富的气体，取之不竭，用之不尽。它无色、无味，透 明，属于亚惰性气体，不维持生命。高纯氮气常作为保护性气体，用于隔绝氧 气或空气的场所。氮气（n2）在空气中的含量为 78.084%（空气中各种气体的 容积组分为：n2：78.084%、o2：20.9476%、氩气：0.9364%、co2：0.0314%、 其它还有 h2、ch4、n2o、o3、so2、no2 等，但含量极少） ，分子量为 28，沸点： -195.8，冷凝点：-210。 2压力知识 变压吸附（psa）制氮工艺是加压吸附、常压解吸，必须使用压缩空气。现使用 的吸附剂碳分子筛最佳吸附压力为 0.750.9mpa，整个制氮系统中气体均 是带压的，具有冲击能量。 二、psa 制氮工作原理： 变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空 气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以煤为 焦作大学机电工程学院毕业设计 xiv 主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成 的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色，其孔型分布如下图所 示： 碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现 o2、n2 的动力学分离。这样的孔径分布 可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合气 （空气）中的任何一种气体。碳分子筛对 o2、n2 的分离作用是基于这两种气体 的动力学直径的微小差别，o2 分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔 中有较快的扩散速率，n2 分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。压缩空 气中的水和 co2 的扩散同氧相差不大，而氩扩散较慢。最终从吸附塔富集出来 的是 n2 和 ar 的混合气。 碳分子筛对 o2、n2 的吸附特性可以用平衡吸附曲线和动态吸附曲线直观表现出 来： 由这两个吸附曲线可以看出，吸附压力的增加，可使 o2、n2 的吸附量同时 增大，且 o2 的吸附量增加幅度要大一些。变压吸附周期短，o2、n2 的吸附量 远没有达到平衡（最大值） ，所以 o2、n2 扩散速率的差别使 o2 的吸附量在短时 间内大大超过 n2 的吸附量。 变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性，采用加压吸附，减压解吸的 循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔（也可以单塔完成）来实现空气分离， 从而连续产出高纯度的产品氮气。 3-43-4 控制过程控制过程 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 焦作大学机电工程学院毕业设计 xv （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 y 1 y2y3y4y5y6y7y8 吸 附 a + 均 压 a=b + 吸 附 b + 焦作大学机电工程学院毕业设计 xvi 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。 4-14-1 plcplc 可编程控制器部分可编程控制器部分 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 y8 焦作大学机电工程学院毕业设计 xvii 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 4-1-24-1-2 plcplc 选型和性能指标选型和性能指标 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。 焦作大学机电工程学院毕业设计 xviii 4-1-34-1-3 plcplc 内部分配内部分配 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 vw1 0 风机组启动位m0 0 触摸屏 pid 参数增益 vw1 2 手动、自动转换m0 1 触摸屏 pid 参数采样时间 vw1 4 电机急停m0 2 触摸屏 pid 参数积分时间 vw1 6 自动空压机组 1 启动 位 m1 0 触摸屏 pid 参数微分时间 vw1 8 自动空压机组 2 启动 位 m1 1 pid 反馈量（pvn） vd1 00 手动空压机组 1 启动 位 m1 2 pid 给定置（spn） vd1 04 手动空压机组 2 启动 位 m1 3 pid 输出置（yn） vd1 08 防止空压机组 1 频繁 启动位 m1 4 pid 增益（kc） vd1 12 防止空压机组 2 频繁 启动位 m1 5 pid 采样时间（t） vd1 16 压力下限位m2 0 pid 积分时间（ti） vd1 20 空压机组 1 轴温报警 位 m20 0 pid 微分时间（td） vd1 24 空压机组 1 轴温断电 切换位 m20 1 模拟输入压力值存储 vd1 28 空压机组 1 定温报警 位 m20 2 焦作大学机电工程学院毕业设计 xix 压力下限存储 vd1 32 空压机组 1 定温断电 切换位 m20 3 空压机组 1 轴承温度 vd1 80 空压机组 2 轴温报警 位 m20 4 空压机组 1 定子温度 vd1 84 空压机组 2 轴温断电 切换位 m20 5 空压机组 2 轴承温度 vd1 88 空压机组 2 定温报警 位 m20 6 空压机组 2 定子温度 vd1 92 空压机组 2 定温断电 切换位 m20 7 手动报警 vd1 96 4-1-44-1-4 输入输出外部接线输入输出外部接线 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 输入输出 空压机启动 sbi0 空压机组 1 输出 km1q0 焦作大学机电工程学院毕业设计 xx 1 00 空压机停止 sb 2 i0 1 空压机组 2 输出 km2q0 1 手动自动转换 sb 3 i0 2 工频输出 km3q0 2 空压机组选择 sb 4 i0 3 空压力下限指示灯 l1q0 4 变频工频转换 sb 5 i0 4 空压机组 1 运行指示 灯 l2q0 5 报警解除按钮 sb 6 i0 5 空压机组 2 运行指示 灯 l3q0 6 空压机组 1 转子测 速器输入 sb 7 i0 6 空压机组 1 温度上限 指示灯 l4q0 7 空压机组 2 转子测 速器输入 sb 8 i0 7 空压机组 2 温度上限 指示灯 l5q1 0 急停 sb 9 i1 0 蜂鸣器 1 spea ker q1 1 压力传感器输入 1 aiw 0 急停指示灯 l6q1 2 压力传感器输入 2 aiw 2 空压机组错选指示灯 l7q1 3 空压机组 1 轴温度传感器 输入 aiw 4 空压机组 1 机械故障 指示 l8q1 4 空压机组 1 定温度传感器 输入 aiw 6 空压机组 2 机械故障 指示 l9q1 5 空压机组 2 轴温度传感器 输入 aiw 8 手动指示灯 l10q1 6 空压机组 2 定温度传感器 输入 aiw 10 自动指示灯 l11q1 7 焦作大学机电工程学院毕业设计 xxi 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（+） 。 km1 2l q0.6l3 q0.4 l1 q0.5l2 q0.7 l4 q1.0 l5 3l q1.6l1 0 q1.7 l1 q1.2 l6 q1.3 l7 q1.4l8 q1.5l9 q1.1 speaker q0.0 km2 q0.1 1l km3 q0.2 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 焦作大学机电工程学院毕业设计 xxii 图 4 plc 输入/输出和变频器接线图 4-24-2 模数转换模块模数转换模块 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 焦作大学机电工程学院毕业设计 xxiii 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 +5vdc87ma 导线长度到传感器 最长 100m +24vdc60ma 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 - 3dbat21kh z 输入分辨率01/0115 位 加符号位 24vdc 电压 范围 2042 88vdc 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 范围的低电平模拟信号，所以使用 em231 模拟量输入热电偶模块时， 焦作大学机电工程学院毕业设计 xxiv 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 sw1sw2sw3 j000 k001 t010 e011 r100 s101 n110 +/-80mv111 4-34-3 传感器部分传感器部分 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， 焦作大学机电工程学院毕业设计 xxv 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%fs025%fs05%f s 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