空压机站分布控制系统硬件设计毕业设计论文.docx

空压机站分布控制系统硬件设计 本科生毕业论文（设计）题 目：空压机站分布控制系统硬件设计姓 名： 分院、系：机电工程系专 业：电气工程及其自动化年 级：2012学 号：指导教师： 职称：教授2016年 4 月 22 日原创性声明兹呈交的学位论文（设计），是本人在导师指导下独立完成的研究成果。除文中已经明确标明引用或参考的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：日期： 年 月 日空压机站分布控制系统硬件设计 摘要 由于空压机是在高温、高压条件下连续运转的动力设备，经过长期的运行,其零部件都会不同程度磨损，使性能降低甚至失效。为了保证空气压缩机的有效正常运行，空气压缩机实时监控必不可少。近年，随着电子技术，软件技术，控制技术飞速发展，可编程逻辑控制器 PLC性能好，价格合理，与继电器搭的逻辑控制电路相比较具有非常大可用性。本论文以某矿山空压机监控系统的改造项目为背景，采用基于MPI通信方式的PLC控制系统作为空气机站监控系统来实现空压机站的自诊断，报警和监控，并能显示故障的原因和部位并能够做记录保存。本文首先通过空压机工艺的分析以及空压机站的工作原理，给出空压机站分布控制系统硬件设计总体设计方案。然后针对系统对空压机控制的特殊要求，对控制策略进行了详细设计。之后从系统硬件选型、系统组态、控制柜设计、电气设计、控制软件设计等方面对整个系统的开发过程进行详细叙述；最后介绍了系统调试并对相关工程问题进行讨论，；工程问题则主要讨论了系统供电设计、系统远程访问方案等方面。经调试表明该空压机站分布控制系可以有效的减少工人的工作量，改善工作环境，提高了工作效率;而供气压力的稳定可以提高很多行业的生产质量和工作安全性。煤矿空压机站分布控制系的研制不仅对煤矿供气系统有很强的应用价值，还可以推广到其它应用领域中去，因而课题的提出具有实际应用价值。关键词 空压机 分布式控制系统 数据采集和监控系统 可编程序控制器；Study on Synthetic Protecting Systems Hardware For MineABSTRACT Because the air compressor is in the high temperature, high pressure, continuous operation of the power equipment, after a long run, the parts will be different degrees of wear and tear, so that the performance is reduced or even failure. In order to ensure the effective and normal operation of the air compressor, the real-time monitoring of the air compressor is essential. In recent years, with the rapid development of electronic technology, software technology, control technology, programmable logic controller PLC performance is good, the price is reasonable, compared with the relay logic control circuit has a very large availability. This paper in a mine monitoring and control system of air compressor of the reconstruction project as the background, using based on MPI communication mode of the PLC control system as the air machine station monitoring system to realize the air compressor station of self diagnosis, alarm and monitoring, and can display the site and cause of fault and can do record keeping.Firstly, through the analysis of air compressor technology and the working principle of air compressor station, this paper gives the design scheme of hardware design of air compressor station distribution control system. Then according to the special requirements of air compressor control system, the control strategy is designed in detail. After from system hardware selection, system configuration, control cabinet design and electrical design, control software design and other aspects of the development process of the whole system are analyzed in detail; finally introduced the system debugging and to discuss the problems related to the project; engineering problem is mainly to discuss the system power supply design, system remote access solutions.The test show that the air compressor station distribution control system can effectively reduce the workers workload, improve the working environment, improve work efficiency; and stable gas supply pressure can improve a lot of industry production quality and work safety. The development of distributed control system of air compressor station in coal mine not only has a strong application value to the coal mine gas supply system, but also can be extended to other application fields.Keywords Compressor , DCS , SCADA, PLC目录引言1第1章绪论21.1选题背景与意义21.2技术现状与发展趋势21.2.1技术现状21.2.2发展趋势21.3作者所做的工作31.4论文内容安排3第2章对空压站与空压机的分析与描述52.1对空压站与空压机的分析52.1.1空压机站与空压机52.1.2对空压机检测点与控制点统计62.2对空压站与空压机的描述72.2.1对空压站的描述72.2.2对空压机工作过程的描述8第3章空压机站分布控制系统总体方案设计103.1系统设计原则103.1.1可靠性原则103.1.2安全原则103.2系统设计功能与技术指标要求103.2.1系统设计功能要求103.2.2系统设计技术指标要求103.3系统方案研究113.3.1集中式方案与分布式方案的比较113.3.2通讯网络技术简介123.3.3系统网络通讯方案的选定133.4系统总体方案13第4章空压机站监控系统总硬件设计与实现144.1系统硬件选型144.1.1硬件设备清单144.1.2PLC 的选型154.1.3触摸屏的选型164.1.4传感器的选型164.2系统硬件组态与网络组态174.2.1系统硬件组态174.2.2系统网络组态174.3系统硬件资源分配184.4系统电气图设计194.5控制柜布局设计204.6系统输入原理图设计21第5章空压机站分布控制系统软件设计225.1系统软件总体设计225.2系统控制软件设计225.3系统监控软件设计23第6章系统调试与工程实现246.1系统调试246.2问题讨论25第7章总结与展望277.1总结277.2展望27致谢语29参考文献30附录3133引言在当今社会，企业现代化管理水平不断提高，控制和管理水平的要求越来越高。现在矿用空压机站需要有完善系统性的操作，就需要空压机站分布系统的应用。可编程控制器（PLC）是在综合了计算机技术，自动化控制技术和通信技术的一种通用型的工业自动控制装置。它具有功能强、操作可靠、使用方便以及适合于工业环境等系列优点。因此，应用PLC对矿用空压机站控制，可实现很好的控制功能和效果。从我个人来说，此次毕业设计是一次好的学习和锻炼机会；可以完成本课题的毕业设计及提交合格论文。 本论文利用PLC技术的控制手段上是很成熟的，本人在可编程控制方面也进行了学习和进行毕业前的系统培训，具备了一定的应用基础。为了能够更好完成本课题的设计任务，我上网查询了很多关于矿用空压机站的相关文献资料，熟悉了控制系统的工艺流程，总体设计思路: 首先针对系统对空压机控制的特殊要求，对控制策略进行了详细设计。之后从系统硬件选型、系统组态、控制柜设计、电气设计、控制软件设计等方面对整个系统的开发过程进行详细叙述；最后介绍了系统调试并对相关工程问题进行讨论，；工程问题则主要讨论了系统供电设计、系统远程访问方案等方面。因此，总体看，本课题的立项到研制是可行的。 第1章 绪论1.1 选题背景与意义空压机长时间运行会使其零部件磨损，造成空压机性能的降低，因为它长期运行的环境是处于高温和高压下的。对空压机的实时监控能够保证其持续正常的供气，因此空压机的监控系统对于空压站是十分必不可少的。目前一些矿用空压机站采用的一些控制技术，由于不能够适应矿山空压站的恶劣的工作环境，经常不能够正常使用，并且极容易出现故障。而且一些老旧的空压站一蹦都是采用继电器作为控制系统，继电器控制的一个很大的缺陷就是维护和升级非常的麻烦，随着原理图的改动控制电路需要更大的改动，而且受到震动的影响比较大，比较容易出现故障。可编程逻辑控制器 PLC具有完善的自诊断，报警和监控，并能显示故障的原因及部位并做记录保存，而且PLC的稳定性和可扩展性能比较的强大。它的这些优点能够适应各种复杂的工业环境，因此近年来对于控制要求越来越高的现代化厂房，PLC所构成的控制系统成为了无法取代的一部分。对于现代化的空压机站的管理，监控系统必然能够发挥出极大的作用和良好的收益。1.2 技术现状与发展趋势1.2.1 技术现状空压机控制器是完成空压机各项操作的核心，除了满足基本的压力控制外，还可以将各种先进的预测控制、专家系统等写入控制算法，融入控制器实现优化控制。控制器一方面需要采集空压机各种运行状态参数，另一方面需要根据这些状态参数完成故障诊断、状态判断从而发出各种操作指令。目前市场上的空压机控制器名目繁多，一些知名空压机厂商都有性能可靠的空气压缩机控制器，如阿特拉斯（AtlasCopco）空压缩控制器，英格索兰（Ingersoll-Rand）空压缩控制器，寿力（Sullair）空气压缩机控制器，德耐尔（DENAIR）空压机控制器等。1.2.2 发展趋势虽然空压机监控系统目前已有较成熟的产品， 但在可靠性、多功能性、高集成性等方面还有很 大的提升空间。随着电子技术、信息处理技术的不断进步，今后空压机监控器在以下几个方面必 将进一步发展： 1. 具有空压机故障智能诊断能力的集成监控系统。基于单个或单类传感器数据的空压机故障诊断技术难以得到精确的结果，基于多传感器信息，运用现代智能故障诊断算法虽然可以得到更精确的结果。为了满足监控系统可靠性和无人值守机房的需要，监控系统进一步集成化，多种功能集成于一体式控制器中，并能远程访问具有显著的竞争优势。2. 新型节能型空压机控制系统。现有的空压机节能技术多采用额外添加变频器对现有系统进行改造，鲜见将现代电机调速技术嵌入空压机控制器中。开发集监测、节能控制于一体的新型控制器将会是全新的监控潮流。3. 空压系统管网多点综合控制。为了应对压缩空气系统中用气量、用气压力的变化引起的管网流量、压力变化，压缩机运行工况需要不断调节。根据系统的压力和流量等参数的变化特性，借助现代智能控制算法，以每台空压机平均运行时间最少为目标，用气压力为约束，得到每一时刻合理的空压机运行数量和容量，从而减少空压机运行和维护费用的空压站机群优化控制成为发展趋势1。1.3 作者所做的工作作者在本项目的设计与研究中主要完成的工作如下:1. 相关文献资料查询，首先研读毕业设计任务书根据任务书检索查阅了相关空压机以及空压机站控制的技术文献和资料；2. 被控对象的分析及总体方案的设计，主要包括对空压机以及空压机站系统组成及工艺流程的分析和描述。3. 总体方案的设计，明确系统功能和技术指标要求完成了控制系统的总体方案设计4. 控制策略设计，按照工艺要求，对比了分布式管理和集中式管理的优缺点，选择分布式作为本项目的控制方式。5. 系统硬件设计，包括PLC、触摸屏、传感器等硬件的选型、系统硬件组态和系统网络组态，控制柜布局设计以及控制柜的电气设计。6. 系统软件设计，包括软件总体设计、主控制程序，监控软件总体结构设计等。7. 系统调试，主要介绍硬件仿真调试，实验室调试，PLC和监控系统的联合调试。1.4 论文内容安排第1章首先讨论本课题的背景及意义，其次阐述了国内矿用空压机站以及空压机过程控制技术的国内外现状和发展趋势，最后总结了作者完成的主要工作。第2章对空压机站系统组成进行了详细的分析，描述了空压机的工艺流程。第3章通过分析空压机站分布控制系统的功能要求和指标要求，设计了系统的总体控制方案。 第4章对系统硬件设计进行叙述，主要包括硬件选型、硬件组态和网络组态、系统硬件资源分配、控制柜布局设计以及系统电气部分的设计。第5章简略叙述了系统的控制软件和系统的监控软件的总体设计。第6章对系统调试进行简略的论述。主要进行了对与硬件各信号输出点的验证的测试，并进行了PLC和触摸屏的联合控制调试。第7章总结了整篇论文的内容，展望系统设计的不足之处和可扩展的部分。第2章 对空压站与空压机的分析与描述2.1 对空压站与空压机的分析2.1.1 空压机站与空压机由空压机，输气管道，风包，冷却装置以及电气控制设备组成的空压机站是在矿山中的主要动力设备。空气压缩机就是提供气源动力，是气动系统的核心设备机电引气源装置中的主体，它是将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。在矿山中通过空压机来驱动各种设备，比如修钎机，铆钉机，风水泵，风镐以及风钻等等。是矿山生产的主要设备之一。因此，对于空压机站的监控和管理在矿山正常运行中起到了非常重要的作用。空气压缩机的分类如图 2-1 所示。图 2-1空气压缩机的分类图 本论文主题选择网络通讯控制为方向，设计空压机站智能监控系统，以两台5L-40/8 型矿用压缩机为被控对象空压机技术参数表如表2-1所示。表2-1 5L408型空压机技术参数表型号5L40/8冷却水排出温度40C轴功率230kw润滑油消耗150gh气缸直径340580mm净重4000kg活塞行程240mm传动方式直接传动排气量40 m3min曲轴旋转数428rpm空气温度（入）40C排气压力1级2kgncm2空气温度（出）160C排气压力2级8kgncm2冷却水消耗9600kgh尺寸220172230cm压缩容积，活塞在气缸内做往复运动，使气体完成向气缸内进气、压缩、排气等过程。这类空压机在矿山应用最普遍，其又按汽缸中心线的配置位置分为：卧式、立式、对称平衡式、对置式、角度式。活塞空压机提供动力的是一台交流同步电动机，它的铭牌如表 2-2 所示。表2-2开启式交流同步电机名牌表型号TDK116/32-24功率250kw接法星型功率因数0.9电压6000/3000v电流29.5转速428rpm励磁电流130A绝缘等级B现场使用的交流同步电动机类型是是转子直流激励同步电机，它是交流同步电机最常见的类型。在现场，它配有一个专门的激磁装置，转子直流激磁电流可由电子激磁装置通过集电环和电刷送到绕组中。2.1.2 对空压机检测点与控制点统计空压机需要正常运行时需要检测的目标很多，如下表2-3列出所需检测点。表2-3空压机检测点序号检测点说明序号检测点说明1风包压力7风包温度2二级排气压力8轴瓦温度（电机温度）3一级排气压力9一级气缸温度4刚体压力（油压）10缸体温度（油温）5进水管压力11出水管温度6总水管压力12二级温度空压机运行与节能控制需要PID控制，控制点如下2-4。表2-4 空压机控制点序号控制点说明序号控制点说明1正常启动4事故停机2正常停机5开启式同步电机13紧急停机6开启式同步电机22.2 对空压站与空压机的描述2.2.1 对空压站的描述 在空压机站正常运行的情况下，三台空压机工作，一台备用。在系统通电后，系统首先对空压机的曲轴箱油压以及冷却水压力进行检查，当各种条件满达到要求以后，3台机启动为风包开始充气，在储气罐的压力达到系统设置的数值后，关闭空压机的进气阀开关，让及其空转。进气阀的阀门将在风包的压力降低到设定的数值后再次打开。并且，每台空压机的运行时间控制在6个小时，每隔6个小时系统会自动切换一台空压机。空压机组运行流程如图2-3所示。图2-3空压机组运行流程图2.2.2 对空压机工作过程的描述1. 电动机起动（降压或Y起动）在此期间，进气阀全闭，泄放阀全开，三向电磁阀处于闭合状态之位置，此时进气侧成高度真空，压缩室及轴承所需的冷却液，由压缩室的真空与油桶内的大气压力差所确保。2. 电动机全压运转（全压运转）控制切入全压运转后，三向电磁阀因通电后呈开启的状态，泄放阀关闭，此时空气桶中的压力逐渐升高，进气阀渐开，因此油桶内的压力迅速增高，以致进气阀全开，压缩机开始全负荷运转，当压力升至0.45MPA时，压力维持阀全开，空气输出。3. 重负荷/无负荷影响操作当排气压力达到压力开关设定之上限时，压力开关切断电源，进气阀关闭，同时泄放阀全开，将储气罐内的空气排至大气中。待管路系统的压力降至压力开关下限时，压力开关再接通电源。进气阀亦全开，同时泄放阀关闭，压缩机再负载运转。4. 停机按下停机按钮后，进气阀关闭，同时泄放阀全开，将储气罐内的空气排至大气中，待储气罐内的压力降至一定值时，电动机停转。5. 紧急停机当排气温度超过100C或电动机因超载致过电流保护装置动作时，电源将切断，电动机即刻停转，进气阀亦关闭，泄放阀则全开。6. 无负荷过久自动停机系统若当系统使用空气量减小时，压缩机保持在无负荷情况下运转，若无负荷运转时间超过设定的时间，则空压机会自动停机，电动机停止运转，当系统使用空气增加，系统压力会降低，则空压机会自动启动，以补充空气量，无负荷运转过久停机的时间设定限制以电动机每小时启动次数不超过三次为原则5。空压机工作流程如图2-4所示。图2-4空压机工作流程图第3章 空压机站分布控制系统总体方案设计3.1 系统设计原则3.1.1 可靠性原则空压机之间不仅能够独立完成各自的功能也能够共同协作工作，各台空压机能够稳定的工作完善故障方案，故障发生时可以快速的切换并且能够继续正常的生产工作。3.1.2 安全原则矿用空压机站风包温度，轴瓦温度，气缸温度，风包压力，排气压力，缸体压力，总水管压力等与系统安全相关的指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分考虑。保证系统运行时的设备安全和人生安全2。3.2 系统设计功能与技术指标要求3.2.1 系统设计功能要求根据现场的实际情况，矿山空压机智能监控系统具体控制需求参数如表3-1所示。表3-1系统设计技术指标压力风包压力二级排气压力一级排气压力缸体压力（油压）进水管压力总水管压力报警值0.7MPa0.7 MPa0.23 MPa0.1 MPa0.01 MPa0.13 MPa停机值无0.75 MPa0.25 MPa0.09 MPa0.01 MPa无温度风包温度轴瓦温（电机温度）一级气缸温度缸体温度（油温）出水管温度二级温度报警值160621606080160停机值无65无无无无3.2.2 系统设计技术指标要求1. 系统安全要求在空压机站中，空压机的正常稳定运行十分的重要，稍有不慎将会由爆炸的危险，本空压机站分布式控制系统将对空压机的实时运行进行监控，确保空压机安全稳定运行。首先选择的压力和温度传感器必须拥有较长的寿命并且具有非常高的抗压、抗震、抗腐蚀、抗高温的能力，然后对空压机的各个温度和压力检测点进行实时监控，并且设计自动停机和报警功能，最后对于空压机的运行数据进行保存特别时故障发生的时候4。2. 系统低碳要求由于煤矿生产的特殊性，空气压缩机气量的供求关系主要表现为排气压力的变化，但由于矿山生产用风量的不均衡。一般采用两种办法:一种是空气压缩机卸荷运行，不产生压缩气体，电动机处于空载运转;另外一种办法是停止空气压缩机运行，但将会带来电动机的频繁启动。这样空压机一天之中有1/2以上的时间是在空转。能源浪费现象极为严重。为了减少空气压缩机站系统的能源损耗，稳定系统风压，遵循国家节能减排的要求，我们采用恒压控制变频调速技术对现有的风压风量调节方式进行设计。实现根据用风量大小，自动决定投入空压机数量，并最大程度上实现空压机组的恒压供气和节能运行。3. 系统网络通讯要求PLC技术对整个压风系统进行自动化控制,实现空压机的自动投切、自动轮值、阀门自动关启、故障停车报警、检修退值、远程监控等目标,使压风系统更加安全、先进、稳定、可靠,最终达到无人职守的目的3。需满足一下要求：(1) 系统的各检测点的报警值、动作值以及一些系统内部参数可以随时修改。(2) 能够定位哪一个传感器处发生故障，辅助修理人员排除传感器故障。(3) 系统可远程控制，维护，软件升级。(4) 优化内部的数据传输方式，增加modbus等通信，以便于系统的网络化扩展。3.3 系统方案研究3.3.1 集中式方案与分布式方案的比较在空压机站智能监控系统的总体方案上，普遍采用的是两种设计方案:集中式与分布式。综合两者的利弊，进行如下的比较表3-2所示。表3-2集中式和分散式比较集中式监控系统分散式监控系统管理集中管理，分散控制集中管理，分散控制资源所有资源为主机所有子系统独立并能够相互通信通信通信信息量少数据通信大、需联网设备性价比大、中型高，小型低高性价比，可以连接第三方的产品 技术要求低高，需要解决系统软、硬件特殊问题和系统调度和优化灵活性布线多，扩展性低软件可以模块设计，硬件积木化，扩展性强扩展性可靠性高，危险过度集中系统结构、冗余技术、自诊断功能和高性能软件保证高可靠性本方案采用分布式控制系统，满足低成本的控制要求，在本地工作站解决空压机的控制数据储蓄和处理，降低了服务器的功能要求，也是数据传递的风险和成本有了极大的降低，并且满足快速的访问功能和多用户使用的功能，让控制系统的灵活性极具的上升6。3.3.2 通讯网络技术简介通讯网络在空压机站分布式控制系统中发挥了重要的作用，作为控制系统的骨架，可靠性和可扩展性是必不可少的，这里将分别MPI 网络、PROFIBUS 网络以及 PROFINET 网络进行分别的介绍。1. MPI网络具有非常好的价格优势，它不仅不需要附加软件和硬件而且端口管理容易、布线简单。它是SIEMENS公司的PLC通过MPI接口形成来进行数据通信，进行PLC与PLC之间比较少的数据的交换。时QU之间的过程映像、储存位、数据块等可以相互访问。2. PROFIBUS网络是一种适用于现场设备控制、数据通讯、自动化监控的现场总线，广泛的使用在交通电力、流程工业自动化、制造业自动化等自动化领域。具有开放、依赖性低、试用广泛的特点。为当今现代化自动化的工厂企业提供了通讯网络的完美解决方案。3. PROFINET 网络具有兼容性强、适用性广、通讯量大的全新以太网技术。它的技术创新范围广泛，包括了网络安全、分布式自动化、实时以太网、运动控制等通信领域的内容，可以兼容大多数的现场总线和工业以太网技术，同时也具有比较强大的安全性能8。3.3.3 系统网络通讯方案的选定作为系统的骨架、基础和核心，通讯网络的选择在本方案中有着非常重要的作用。它可以提高系统的可靠性，保证系统数据的实时性让信息传递在一定的时间内完成，并且让系统具有扩展性体统会预留大量网络通讯的节点数量，满足之后系统升级的节点需求。本次空压站分布控制系统对对于时间的要求是秒级，需要传输的数据量不是很大，因此对于通讯的要求不是很高， 速率19.2KBPS的MPI通讯即可以满足系统的通讯要求，而且MPI较为常用价格低廉，虽然在性能上不是最好的，但是综合了传输数据量、传输速度要求、系统价格等方面的考虑，在性价比方面却是最高的。MPI通讯方式不仅能很好的满足通讯，而且能够极大地发挥S7200系统的整体性能，减少整体方案的花费。3.4 系统总体方案空压机站分布式控制系统基于分布式监控的设计理念，多空压机站内的四台空压机进行监控，每一台空压机旁配有一台监控柜，其中一台为监控主柜作为系统的信息综合管理平台。系统会配备一台性能优秀的触摸屏安装在主柜之上，可以通过主柜上的触摸屏访问任何一台分柜并且向分柜发出指令。而且通过选用兼容性好、技术成熟、通信方便的触摸屏能够有效的满足工业化的不利条件，增加操作的方便性，让操作人员可以很容易的进行对系统的修改和调试，有效减少了开发的周期。而且监控主柜使用电路保护装置和大功率的变压器并且汇总了整个系统的接地，也极大的增加了系统的安全性能。3-1 系统总体结构图第4章 空压机站监控系统总硬件设计与实现4.1 系统硬件选型4.1.1 硬件设备清单根据设计的空压机站分布式控制系统的要求进行硬件设备的选型，部分清单如表4-1所示。表4-1 硬件设备清单元件类型订货号个数备注S7-200 CPUCPU226 CN (DC/DC/DC)6ES7 226-1AD23-0XB81S7-200 CPUCPU224 CN (DC/DC/DC)6ES7 224-1AD23-0XB83模拟量输入模块EM 231 CN AI4 x 126ES7 231-0HC22-0XA84热电偶模块EM 231 CN AI 4TC6ES7 231-7PD22-0XA84热电阻模块EM 231 CN AI 2 RTD6ES7 231-7PB22-0XA84调制解调器模块EM2416ES7 241-1AA22-0XA01触摸屏TP177B6AV6 642-0BA01-1AX01压力传感器略略6X4热电阻温度传感器略略3X4热电偶温度传感器略略3X44.1.2 PLC 的选型S7-200 CN PLC 的 CPU 系列如表 4-2所示。 表4-2 S7-200 CPU224/CPU226CPU224CPU226CPU224CPU226用户程序区8K字节8K字节位储存区256256数据储存区5K字节5K字节计数器256256CUP内置DIDO点数14/1024/16计时器256256AIAO点数32/2332/32时钟功能内置内置扫描时间1条指令0.37US0.37US数据量输出滤波器标准标准最大DIDO点数256256模拟量输入滤波器标准标准从表格可以清晰的看CPU224属于S7-200系列中中高端的一款产品集成了14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。可以有效的满足监控分柜的控制需求，并且拥有较高的性价比。4.1.3 触摸屏的选型作为信息集中管理的平台触摸屏在空压站分布式控制系统中必不可少，而且在空压站所处的环境来看，触摸屏必须拥有抗油污、抗尘、抗潮的性能，要拥有良好的稳定性。西门子公司生产的TP27-10触摸屏拥有高度的保护，拥有全面的功能和多种的接口，并且在设备端就有安装单元，非常适合工业化的严酷环境，同时可以满足之后升级和扩展。所以本方案选择此型号的触摸屏应用在空压站分布式控制系统硬件设计中。4.1.4 传感器的选型本方案总共拥有6处温度检测和6处压力检测，可见表3-1，而空压站所处在高粉尘、高湿度、高干扰的环境中，要想让传感器能够在空压机运行中稳定正常的工作，传感器必须具有耐高温、耐腐蚀、高抗干扰、高抗震等能力，而传感器的稳定工作也是系统能够正常工作的基础，所以至关重要。针对6处温度检测，根据高性价比和需求检测范围的要求，本方案针对进行设计。选择热电阻温度传感器作为风包、出水管、二级温度的传感器。选择热电偶传感器作为缸体、瓦轴、一级气缸温度的传感器。针对6处压力检测点，首先要满足在腐蚀性强，冲击性大的空压机工作环境中保持比较高的稳定性和精准度，因此本方案选用一款被广泛应用于化工、冶金、石油、电力等领域的工业压力变送器。具有防暴性并且又防腐防稠的设计结构，完全满足本方案的要求。4.2 系统硬件组态与网络组态4.2.1 系统硬件组态系统的硬件组态如图4-1所示。图4-1 PLC系统的组态图4.2.2 系统网络组态系统的网络组态如图4-2所示。图4-2 PLC系统的网络组态图4.3 系统硬件资源分配完成监控柜PLC系统组态，控制系统的I/O地址表4-2。表4-2 系统I/O地址DIDOAII0.0空压机启动Q0.0空压机的启动输出AIW0风包的压力 (4mA-20mA)I0.1空压机停止Q0.1空压机的停止输出AIW2二级压力 (4mA-20mA)I0.2空压机启动反馈信号Q0.2备用AIW4一级压力 (4mA-20mA)I0.3报警测试Q0.3系统报警笛AIW6缸体压力(油压）(4mA-20mA)I0.4备用Q0.4停止动作AIW8进水管压力 (4mA-20mA)I0.5备用Q0.5确认报警允许AIW10总水管压力 (4mA-20mA)I0.6备用Q0.6备用AIW12备用I0.7备用Q0.7备用AIW14风包温度 (4mA-20mA)AIW16轴瓦温度（电机温度）(热电偶）I1.0断水信号 1Q1.0报警灯AIW18一级气缸温度 (热电偶）I1.1断水信号 2Q1.1空压机启动指示灯AIW20缸体温度（油温）(热电偶）I1.2备用AIW22备用I1.3备用AIW24出水管温度（热电阻）I1.4备用AIW26二级温度（热电阻）I1.5备用I1.6备用I1.7备用4.4 系统电气图设计监控主柜内部电路如图4-3所示。图4-3控制柜主柜电路图监控主柜内部电路如图4-4所示。图4-4 控制柜分柜电路图4.5 控制柜布局设计监控主柜的布局如图4-5和4-6所示。 图4-5 控制柜主柜外观 图4-6 控制柜主柜内元件布局图监控分柜的布局如图4-7和4-8所示。 图4-7 控制柜分柜外观 图4-8 控制柜柜内元件分布图4.6 系统输入原理图设计本方案从4个方面对系统原理图进行设计，分别是CPU224输入/输出原理图、EM 231 模拟量模块输入/输出原理、EM 231热电偶模块输入/输出原理、EM 231热电阻模块输入/输出原理图，详细内容见附录图A-1、图A-2、图A-3、图A-4。第5章 空压机站分布控制系统软件设计5.1 系统软件总体设计针对空压机站分布式控制系统的特点，确定以下控制软件的设计思路：1. 保证软件的稳定性，提高输入、执行、输出软件方面的抗干扰能力。针对系统模拟量的输入信号主要进行滤波算法的有效选择来提高输入的抗干扰能力。设计相应的监视程序来进行对执行软件抗干扰能力的提高。由于开关量受到干扰的影响很小，对于软件输出不会受到较大的干扰。2. 总软件模块化的设计，程序在编写时进行对相应的子程序建立对应的功能模块，总体软件的编写因此分解为调用对应的功能模块，方便对于故障的查找并且方便之后对于程序的更改和扩展。3. 简化程序编写，适当的减少程序长度，把握对于中断、立即输出、跳转指令的使用。4. 预存备用区，对于之后软件的扩展留有准备。5. 专用变量区的开辟，把相应的硬件数据的配置放到变量区内，使之后的修改变的清晰容易。5.2 系统控制软件设计PLC的主程序流程如图5-1所示。由于该系统对顺序控制的要求较低，故而将PLC的主程序分解成若干个子程序，然后用搭积木的方式将其组合。这样的设计模式不仅便于程序理解，而且方便对程序的调试和功能的扩展10。图5-1PLC主程序流程图5.3 系统监控软件设计使用WinCC flexible软件来设计监控程序，根据工程设计要求，设计触摸屏与用户进行交互的界面总体框架图。触摸屏界面总体框架如图5-2所示。图5-2触摸屏界面总体框架图第6章 系统调试与工程实现6.1 系统调试1. 实验室调试(1) PLC的程序调试进行调试的时候，将分成模块的系统程序分别进行调试，用相应软件进行监控，所使用的软件是Step7Mirco/Win，调试过程如图6-1所示。图6-1 PLC程序功能模块的调试调试过程需要在状态表中输入内部变量，这样能够观察到每个模块的调试数据。同时也可以用虚拟仿真对象的方式进行调试，比较容易操做的是Dephi、VB等开发工具，同时Simit作为西门子开发的仿真软件使用起来也十分的方便10。(2) 触摸屏与PLC的通信调试设置好在触摸屏和PLC两端的MPI通信速率和地址之后，连接触摸屏和PLC，并在ProTool上对触摸屏的相关通信端口设置。查看当PLC中设置简单变量后触摸屏是否有读写操作。(3) 硬件调试在实验室用硬件来模仿被控对象进行调试，能够在电气柜中找到可能发生的组态或者接线错误。具体调试方法是使用相应的电路版来模仿发生在现场的信号，连接到控制主柜和分柜来工作，实现排除故障的方法。调试系统的硬件仿真对象方法如图6-2所示。 图6-2硬件仿对象调试6.2 问题讨论空压机变频调速的方法讨论如下：在了解了空气压缩机的工作原理和内部结构的情况下，控制排气量才能够达到系统压力调节的目的。通过相关资料的查询，目前比较常用的方法是对空压机用变频调速进行控制，所以需要对于空压机站内的空压机的转速调节和排气量的关系进行讨论。空压机站内所使用的活塞式空压机的排气量指把空压机的压缩空气量从最后一级换算到第一级的容积，它的单位为m3min或m3h。气体容积流量，以Vd表示。泄漏系数1;，即: 1=Vd/Vs。活塞式空压机的排气量计算公式为: vVd=1Vs=VPT1nVb=nVh式中=VPT1称为排气系数; T湿度系数;P压力系数;V容积系数;1泄漏系数;n曲径转速，r/min;Vh活塞排气量mL/rev通过换算可以指导：曲轴的转速和此空压机的转速是成正比例关系，对空压机的电机进行相应的调节就可以改变其排气量14。第7章 总结与展望7.1 总结本篇论文是对于空压机站分布式控制系统的硬件设计，深入了解空压机站的工作流程和空压机的工作原理后，使用现在工业常用的PLC进行有效的控制。充分发挥了PLC灵活、稳定、方便的方面的优势，对于原先的系统，方案能够有效的提高其各种性能，让原先的空压站能够更加稳定，更加高效，更加精确，更加安全的运行，有效的提高了企业的经济效益，简化工人的工作过程。总结论文具体工作如下:1. 首先查询了相关文献资料，研读毕业设计任务书根据任务书检索查阅了相关空压机以及空压机站控制的技术文献和资料。在与导师讨论过后明确了论文的主要研究内容。2. 通过对空压机站的工作过程和空压机工作原理的工艺的分析，明确了控制任务，着重分析了集中式方案和分布式方案的利弊，并且在分析系统功能要求