PLC控制系统在煤矿空压机中的应用.doc

编号：（ ）字 号本科生毕业设计(论文) PLC控制系统在煤矿空压机中的应用 黄 山 04041333自动化04-1题目： 姓名： 学号： 班级： 二八年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 黄山 学 号： 04041333 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 自动化 设计题目： PLC控制系统在煤矿空压机中的应用 专 题： 指导教师： 郝榕 职 称： 高级工程师 2008 年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 信电学院 专业年级 自动化041学生姓名 黄 山 任务下达日期：2008年 2 月 25 日毕业设计日期： 2008年 2月 25日 至 2008年 6 月 20 日毕业设计题目：PLC控制系统在煤矿空压机中的应用毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：（1）查阅相关资料，了解煤矿空气压缩机的工作原理与控制方式。（2）采用PLC和变频器为煤矿空压机控制系统的调节器，设计系统硬件电路。（3）根据硬件电路，完成煤矿空压机控制系统的软件设计。（4）完成3000字以上与本设计相关的英文翻译。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要空气压缩机(简称空压机)是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。空压机的用途很广，几乎遍及工农业、国防、科技、民用等各个领域。但是，传统的空压机由于控制方式落后、自动化程度不高造成其运转效率低、耗电量大，成本高，特别是矿用大型空气压缩机，每天24小时不间断运行，其中相当长时间是在空载或轻载下运行，供气压力不稳定，系统能耗很大。改变空压机控制方式，提高空压机的运行效率，降低能耗具有十分重要的意义。本文提出了一种提高空压机恒压供气稳定运行的方案，通过PLC和变频器实现对3台空压机的自动控制。该方案采用变频器实现对空压机“一拖多”的控制，PLC实现变频器的工频与变频的转换控制，以及切换变频器对某台空压机进行控制。系统利用压力传感器采集气包出口压力，通过变送器输出420毫安标准信号至PLC模拟输入端口，经过PLC内部PID算法，送出控制信号至变频器，变频器根据送来的信号改变输出电压的频率，来调节电机转速，以确保供气压力的恒定。当变频器控制当前机由变频转为工频，而供气压力仍不满足时，则由PLC控制变频器软启动下一台空压机变频运行，依次开启。当变频器输出电压的频率已降至下限值，而供气压力仍高于所需压力，则由PLC控制变频器关闭当前机，变频器转而变频控制另一台运行的空压机。关键词：PLC； 空气压缩机； 变频器； PID调节器ABSTRACTThe air-compressor is one kind of machines which can transform mechanical energy into gaseous energy by increasing the air pressure and transporting the gaseous energy. The air-compressor is used very widely such as agriculture, national defense, technology, public and other almost all realm. However, air-compressors have some shortages such as low efficiency, high consuming of electricity energy, too much servicing work and high cost. Especially, the huge air-compressor used in mines runs 24 hours every day without break, with a long time without load. Increasing the efficiency of air-compressor and declining energy consume by changing the system control mode are very important. To solve this problem, the scheme which guaranteed the output air pressure of Air Compressors to keep invariableness and stable operation, come true the auto-control to Air Compressors by PLC and the inverter. The scheme adopted the inverter in order to carry out “multi-split” control to the Air Compressor. Meanwhile, PLC implemented the shift of inverter between industrial frequency and frequency conversion, as well as the switch of the inverter control of Air Compressors. The system made use of a pressure sensor to collect the pressure signal of gas tank, then the transmitter transferred the signal into the standard signal of 420mA and sent it to PLCs analog input pot. The control signal was delivered to inverter after calculating PID in PLC. Finally, in accordance with the signal, the inverter altered the frequency of output voltage in order to adjust rev of electromotor, to make sure the invariableness of feed-air pressure. If the inverter controls the Air Compressor which was dominated currently switches frequency conversion to industrial frequency, and the feed-air pressure was still lacking, then the inverter of being controlled by PLC would startup the next Air Compressor, which was the mode of frequency conversion operates, and others will startup analogically. If the output voltage frequency of the inverter has fallen into the lower-limited, however, the feed-air pressure was higher than the demand yet, and then the inverter which was controlled by PLC will close the Air Compressor that was dominated currently, and control another operating Air Compressor in the mode of frequency conversion. This method realized the invariableness of the Air Compressor in coal mines, and reduced the wastage of power.Keywords：PLC; Air Compressors; inverter; PID目 录1 概述11.1课题的背景和意义11.2空气压缩机11.2.1螺杆式空压机21.2.2 活塞式压缩机41.2.3活塞式空压机与螺杆式空压机比较51.3 PLC简介51.3.1 PLC 产生和发展51.3.2 PLC 基本结构61.3.3 PLC特点81.3.4 PLC工作原理91.3.5 PLC应用领域112控制系统介绍122.1控制系统设计要求132.2控制系统的工作原理132.2.1手动运行方式142.2.2自动运行方式142.3空压机切换工作过程172.4通信方式192.4.1上位机与PLC的通信192.4.2 PLC与变频器的通信192.5 PID控制系统概述202.6 报警装置233 系统设计243.1 PLC控制系统设计步骤243.2 控制系统硬件设计263.2.1 主电路设计263.2.2控制回路设计283.3 系统硬件配置283.3.1 PLC选型原则与现场选型283.3.2 变频器的选型原则及现场选型323.3.3 传感器的选取353.4 系统软件设计363.4.1 PLC编程软件363.4.2 控制系统PLC硬件地址分配及部分程序374 结 论414.1 工作总结414.2 毕业设计心得41参考文献：42致 谢44翻译部分45英文原文45中文翻译56 中国矿业大学2008届本科生毕业设计(论文)第60页1 概述1.1课题的背景和意义随着的国民经济快速发展，工业生产及人民生活对煤炭的需求依然有增无减。煤炭在我国一次能源生产和消费构成中的比例一直在70左右。这种以煤为主的能源生产和消费格局在未来相当长的时期内不会改变。作为一个煤炭生产和消耗的大国，煤炭企业应注重生产过程的效率和安全。为此，煤炭工业自动化是当前迫切需要解决的问题。空压机是煤炭生产中非常重要的部分，其能否稳定运行对煤炭生产有着重大影响。本文阐述的空压机控制系统是基于PLC和变频器的自动控制系统。而PLC作为一种新型的自动控制装置，为实现空压机的稳定运行提供了保障。空压机控制系统中PLC的引入极大的简化了空压机系统的操作，节省了人力并且提高了系统的安全性和稳定性。基于PLC和变频器的空压机控制系统使工作人员可以在计算机集控下完成各项工作，大大减轻了工人的劳动强度，极大地节省了生产中所需的人力资源，也保障了生产和系统的安全。1.2空气压缩机空气压缩机（简称空压机）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，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。空压机分为螺杆式空压机（螺杆式空压机又分为单螺杆空压机及双螺杆空压机）、离心式空压机、活塞式空压机、滑片式空压机、涡旋式空压机和旋叶式空压机等（如图1-1所示）。空气压缩机螺杆式空压机离心式空压机活塞式空压机滑片式空压机涡旋式空压机其它旋叶式空压机双螺杆空压机单螺杆空压机图1-1 空压机分类1.2.1螺杆式空压机(1)螺杆压缩机的基本结构：在压缩机的机体中，平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子(如图1-2所示)。 通常把节圆外具有凸齿的转子，称为阳转子或阳螺杆。把节圆内具有凹齿的转子，称为阴转子或阴转子。一般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。转子上的最后一对轴承实现轴向定位，并承受压缩机中的轴向力。转子两端的圆柱滚子轴承使转子实现径向定位，并承受压缩机中的径向力。在压缩机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用，称为进气口；另一个供排气用，称作排气口。(2)螺杆压缩机的工作原理：螺杆压缩机的工作循环可分为进气，压缩和排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。 进气过程：转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。 压缩过程：阴阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐件小，齿沟内的气体被压缩压力提高。 排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。 (3)螺杆压缩机的特点：就气体压力提高的原理而言，螺杆压缩机与活塞压缩机相同，都属容积式压缩机。就主要部件的运动形式而言，又与离心压缩机相似。所以，螺杆压缩机同时具有上述两类压缩机的特点。(4)螺杆压缩机的优点： 可靠性高：螺杆压缩机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿命长，大修间隔期可达4-8万小时。 操作维护方便：操作人员不必经过专业培训，可实现无人值守运转。 动力平衡性好：螺杆压缩机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工作，可实现无基础运转。 适应性强：螺杆压缩机具有强制输气的特点，排气量几乎不受排气压力的影响，在宽广范围内能保证较高的效率。 多相混输：螺杆压缩机的转子齿面实际上留有间隙，因而能耐液体冲击，可压送含液气体，含粉尘气体，易聚合气体等25。(5) 螺杆压缩机的缺点： 造价高：螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，需利用特制的刀具，在价格昂贵的专用设备上进行加工。另外，对螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。 不适合高压场合：由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制，螺杆压缩机只能适用于中，低压范围，排气压力一般不能超过3.0Mpa。 不能制成微型：螺杆压缩机依靠间隙密封气体，目前一般只有容积流量大于0.2m3/min，螺杆压缩机才具有优越的性能。1.2.2 活塞式压缩机活塞式压缩机主要由三大部分组成：运动机构(曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器等）、工作机构（气缸、活塞、气阀等）与机身。此外还有3个辅助系统，即润滑系统、冷却系统及调节系统。活塞式压缩机是一种最常见的容积式压缩机。它由曲柄连杆机构将驱动机的旋转运动变为活塞的往复运动。活塞与气缸共同组成压缩机工作腔，依靠活塞在气缸内的往复运动，并借助进、排气阀的自动开闭，使气体周期性地进入气缸工作腔，进行压缩和排出。活塞在气缸内一次往复的全过程分为吸气，压缩和排气三个过程，合称为一个工作过程。（如图1-3）34251a单作用式313544b双作用式图1-3 单级活塞式空压机原理简图1汽缸 2活塞 3进气阀 4排气阀 5活塞杆（1） 吸气过程。当活塞2向右边移动时，汽缸左边的容积增大，压力下降；当压力降到稍低于进气管中空气压力时，管内空气便顶开进气阀3进入汽缸，并随着活塞的向右移动继续进入汽缸，直到活塞移至右边的末端为止。（2） 压缩过程。当活塞向左移动时，汽缸左边容积开始缩小，空气被压缩，压力随之上升。由于进气阀的止逆作用，缸内空气不能倒流回进气管中。同时，因排气管内空气压力又高于缸内空气压力，空气无法从排气阀4流出缸外，排气管中空气也因排气阀的止逆作用而不能流回缸内，所以，这时汽缸内形成一个密闭容积。当活塞 继续向左移动，缸内容积缩小，空气体积也随之缩小，压力不断提高。（3） 排气过程。随着活塞的不断左移压缩缸内空气，使压力继续升高。当压力稍高于排气管中空气压力时，缸内空气便顶开排气阀而排入排气管中，并继续排出到活塞移至左边末端为止。然后，活塞又向右移动，重复上述的吸气、压缩、排气工作过程。活塞式的传动机构是曲轴连杆往复运动结构，其主要特点有：流量较小，气流速度低，损失小，效率高；压力范围广，适用于从低压到超高压；适应性强，排气压力变动较大时，排气量不变；机组的零部件多用普通金属材料，制造精度要求不太高；外形尺寸及重量较大，结构复杂，易损件多；排气有脉动25。1.2.3活塞式空压机与螺杆式空压机比较（1） 零部件的数量多，零部件的损坏的机率大，产品的可靠性低。这样必然增加用户的维修费用。（2） 曲轴连杆往复运动结构，由于其往复运动的特性，限制了其转速的提高，致使机器笨重，同时，该运动结构所产生的惯性力能以平衡，剩余的惯性力，会使机器产生振动、噪声以及零部件的不正常的损坏。所以活塞式振动大，机械性噪音大、可靠性低。鉴于以上原因，本系统选用螺杆式空压机。1.3 PLC简介1.3.1 PLC 产生和发展20世纪60年代末，随着现代化工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，对工业控制器的要求也越来越高。1968年，美国通用汽车制造公司（GM）要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出十项招标指标：编程简单，可在现场修改程序；维护方便，最好是插件式；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；可将数据直接送入管理计算机；在成本上可与继电器控制柜竞争；输入可以是交流115V；输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀；在扩展时，原有系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到4K。这就是著名的GM10条。1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功。当时，把这种控制器成为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，用来取代继电器控制柜，功能仅限于执行继电器逻辑、定时和计数控制等。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：逻辑运算；计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLCProgrammable Logic Controller）。 进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC可编程序控制器。由于个人计算机（Personal Computer）的缩写也是PC，为避免混淆，现在仍将可编程序逻辑控制器简称PLC。至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。1.3.2 PLC 基本结构PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。其结构框图如图1-4。编程器中央处理单元（CPU）输入单元，电系统程序存储器用户程序存储器输出单元，电路电源图1-4 PLC结构简化框图1中央处理单元（简称CPU）中央处理单元是PLC的控制中枢，核心部件，其性能决定了PLC的性能。 组成：由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口电路相连。常用芯片：通用微处理器，单片机，位片式微处理器。作 用：处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调的工作。具体有：（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入印象区或数据寄存器。（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。（3）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取，传送，组合，比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。（4）根据运算结果，更换有关影象区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。2存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路。作用：存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。系统程序：控制PLC完成各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读式存储器ROM中，用户不能访问。用户程序：用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。通过编程器输入到PLC的随机存储器RAM中，允许修改，由用户启动运行。（1）结 构：由存储体、地址译码电路、读写控制电路、数据寄存器组成。存储体由存储单元构成，作用：存放二进制数据。地址译码电路的作用：根据地址总线上的地址编码选取相应的存储单元。读写控制电路的作用：将选中的存储单元的内容读到数据寄存器中或将数据寄存器的内容写到选中的存储单元中。数据寄存器的作用：存放从存储单元读出的数据，或者存放从数据总线送来并准备写到存储单元去的数据。（2）存储器的工作过程： 数据的写入过程 数据的读出过程（3）PLC中使用的存储器 只读存储器ROM 随机存储器RAMROM为只读存储器，存放PLC制造厂家写入的系统程序，并永远驻留在ROM中，PLC去电后再上电，ROM内容不变。RAM为可读写的存储器，读出时其内容不被破坏，写入时，新写入的内容覆盖原有的内容。为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。 除此而外，PLC还有EPROM、EEPROM存储器。PLC产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。存储器容量是PLC的一个重要性能指标。3输入单元：输入单元是PLC与工业生产现场被控设备相连的输入接口，是现场信号进入PLC的桥梁。作 用：接收主令元件，检测元件传来的信号。输入类型：直流输入，交流输入，交直流输入。输入接口采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。接口电路内部有滤波，电平转移，信号锁存电路。各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。4输出单元输出单元也是PLC与现场设备之间的连接部件，把输出信号送给控制对象的输出接口。作 用：将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执行元件。输出类型：继电器输出晶体管输出晶闸管输出输出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路，隔离电路，继电器组成。输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排，输出部件或模块也有多种类型供选用。5电源作 用：将交流电转换成PLC内部所需的直流电源。类 型：目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电1.3.3 PLC特点（1）高可靠性。所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源；对采用的器件进行严格的筛选；良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。（2）丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块； 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等。（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。（4）编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。（5）安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。（6）体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅仅数瓦。由于体积小所以很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.3.4 PLC工作原理PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。如图1-51. 扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 执行OB100起动循环时间监控数据写入输出模块读取输入模块状态执行用户程序执行其它程序图1-5扫描过程（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 （3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。2. PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。1.3.5 PLC应用领域在发达工业国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性价比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面： （1）开关量的逻辑控制 PLC 具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触电和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到民用和家庭中。（2）模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 （3）运动控制 PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如机床、机器人、装配机械、电梯等场合。 （4）闭环过程控制 闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 （5）数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 （6）通信联网 PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（例如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统【1】【2】【3】【4】。2 控制系统介绍控制系统由以下部分组成：变频器、可编程控制器、电抗器、压力变送器、接触器、空气开关、电流表、电压表、按钮、互感器等。基于PLC的变频控制系统原理图如图2-1所示。PLC由电源、CPU、模拟量输入、输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其用来实现电气部分的控制。包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。起动：三台电机M1，M2，M3如图所示，可以通过转换开关选择变频/工频启动。运行：正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2、M3处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，调节变频器的输出频率，以调节电动机的转速，达到所需压力的目的。停止：按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。切换：实现M1，M2，M3工频、变频相互切换。报警及故障自诊断：空压机内部一般有四个需要监测的量：冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。2.1控制系统设计要求流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：若 供气流量 用气流量 储气管气压上升若 供气流量 用气流量 储气管气压下降若 供气流量 = 用气流量 储气管气压不变所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。本系统采用电动机调速装置与可编程序控制器 (PLC) 构成控制系统。通过压力传感器和变送装置，将气包中出口处的压力信号送到PLC的模拟输入端口，通过PLC内部PID算法，输出控制信号至变频器，控制其输出适合频率的电压，从而控制空压机的运行速度。PLC 通过检测变频器的运行状态，自动调整空压机的运行台数，实现变频和工频的自动切换，从而完成供气压力恒定的闭环控制。2.2 控制系统的工作原理启动前，将变频器的机组开关置于欲工作的机组，工作方式选择置于变频位置，将 PLC 的控制开关置于运行状态，按下启动按钮，机组运行。1# 空压机变频启动，转速从零开始上升，若达到预设的频率上限值48Hz时，延时一段时间后风包出口处的压力仍不能达到预设的压力值 (0.550.65MPa)，则由PLC 通过控制中间继电器的通断将 1# 空压机切换到工频运行，同时将2#空气压缩机切换到变频状态，变频启动 2#空压机。若 2#空压机达到频率上限时，延时一段时间后仍不能满足要求，再自动将2#空压机切换到工频运行，变频启动 3# 空压机。当用风量减小，若3台空压机同时运行时，3# 空压机变频运行而此时变频器的频率降到频率的下限值20Hz时，则自动停止1#空压机，若还不能满足要求，则自动停止 2# 空压机的运行。当空压机运行的过程中出现机体温度过高，润滑油温度过高，风包温度过高，分包压力过高及润滑油压力过高，断水等故障时，系统会发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时地排除故障。控制系统工作流程如图：该系统具有手动和自动两种运行方式：2.2.1手动运行方式选择此方式时，按启动按钮空压机或停止按钮，可根据需要而分别启停各空压机。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。2.2.2自动运行方式在自动运行方式下开始启动运行时，首先打开冷却水阀，关闭供气阀，1#空压机变频交流接触器吸合，电机与变频器连通（启动过程如图2-3）变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至48Hz，延时一定时间后，将1#空压机切换为工频，2#空压机变频交流接触器吸合，变频启动2#空压机，频率逐渐上升，直至供气压力达到设定压力，依次类推增加空压机。变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给PLC内部PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率。当压力小于设定值时，频率升为50HZ，延时30s后，若测量值仍小于设定值，则变频器切换为工频运行，同时变频器启动下一台空压机，依次启动各台空压机。当压力大于设定值时，通过PID调节降低频率，当频率降为20HZ，延时30s后，若测量值仍大于设定值，则变频器切换到下一正在运行的空压机进行调速，同时关闭当前机。依次关闭各台空压机。从而使实际压力始终维持在给定压力。另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时的大电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。变频器一旦出现故障，煤炭生产不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。整个控制过程如下：用气需求 管路气压 压力设定值与反馈值的差值 PID输出 变频器输出频率 空压机电机转速 供气流量 管路气压趋于稳定特别注意：为防止电机频繁起制动和变速，在压力容差范围内，变频器的输出频率不变。空压机变频调速系统原理如图2-4所示(1) 空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，故采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证设备可靠稳定的运行；(2) 空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz；(3) 功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况；(4) 为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性；(5) 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。2.3空压机切换工作过程 开始时，若1#空压机变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率达到50HZ而此时空气压力还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起的误动作）后，1#空压机切换为工频运行，同时变频器频率由50HZ下降至0HZ，2#号空压机变频起动，如气压仍不满足，则会启动3#机，切换过程同上；同样，若3台空压机（假设1#、2#、3#）都在运行，3#机变频运行降到0HZ，此时气压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#机停止，变频器频率从0HZ迅速上升，若此时供气压力仍处于上限值，则延时一段时间后使2#机停止。这样的切换过程，有效的减少空压机的频繁启停，同时在实际管网对供气压力波动做出反应之前，由于变频器迅速调节，使气压平稳过渡，从而有效的避免了井下风动工具供气不足的情况发生【15】【16】【18】【19】【20】【21】。切换过程流程图如下： 在自动状态下系统启动时，首先 KM0 和 KM1 吸合 1#空压机在变频器控制下起动，延时 5s（延时是为了让压力稳定下来） PLC 对变频器的输出频率进行检测。当检测到变频器下限频率信号则关闭 1#空压机；反之当检测到变频器上限频率信号则 PLC 执行增加空压机动作：KM1 断开、KM2 吸合，1#空压机改为工频运行并延时 1s（延时一是为了让开关充分熄弧，另一方面是为了让变频率器减速为 0，KM3 吸合变频启动 2#空压机。为了保护空压机及变频器，1#空压机的 KM1 与 KM