（机械工程专业论文）基于plc的螺杆式压缩机制冷机组并联控制及远程监控系统设计.pdf

基于p l c 的螺杆式压缩机制冷机组并联控制 及远程监控系统设计 研究生姓名：黄淑琴 导师姓名：汤文成教授 杨六顺高级工程师 学校名称：东南大学 摘要 电子与信息技术的不断发展，给我国制冷设备及其机组的现代化控制提供了 强有力的技术支持。为了充分发挥制冷设备效能，提升制冷设备及其机组的运行 效率，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统设备进行技术改造，取得 了良好的效果。用p l c 作为核心控制器件、辅以h m i 技术，组态技术等组成电气 数字控制系统，以实现自动控制与调节、人机交互和扩大监控效能，增加柔性、 减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。 论文以螺杆制冷压缩机组的控制设计为背景，介绍了螺杆压缩机制冷机组控 制系统的设计方案，控制原理以及应用的技术。 论文还研究了p l c 作为核心控制器的控制系统设计特点和方式，重点以 o m r o n 公司c p l h - 4 0 d r - x a - a 型p l c 为例，介绍以c x p r o g r a m m e r 软件为编程环 境进行控制程序的设计与实现方法，对螺杆压缩机制冷机组控制系统编程应用作 了阐述，并对软件开发和数据库、高级语言的通讯等进行阐述。 论文的操作、监视与参数设置部分，设计了自由口模式下p l c 与h m i 的通信 方法与实现，以及与控制系统的通信设计，对人机界面h m i 的画面软件设计进行 了详细论述。 远程监控部分，研究了本系统实现远程监控的特点和方法，详细论述了远程 监控的画面功能设计、实时数据库设置和设备驱动设置。 论文最后总结了课题研究的成果，结合作者的研究方向，讨论了课题中所用 到的编程与接口技术，并对未来的研究方向提出了进一步的展望与构想。 关键词：螺杆压缩机、p l c 控制技术，h l d i ，组态 p a r a l l e lc o n n e c t i o nc o n t r o la n d d e s i g no f l o n g d i s t a n c em o n i t o rs y s t e mf o ra s c r e w c o m p r e s s o rr e f r i g e r a t i o n s e t b a s i n g p l c c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：h u a n gs h u q i n a d v i s e r ：p r o f t a n gw e n c h e n g s e n i o re n g i n e e ry a n gl i u s h u n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ec o n t i n o u sd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i o nt e c h n i q u e p r o v i d e s t e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rm o d e mc o n t r o lo fd o m e s t i cr e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n ta n ds e t i n0 r d e rt o 允i i p l a yo ft h ec a p a b i l i t yo fr e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n ta n di m p r o v ee f f i c i e n c yo fr e f r i g e r a t i o n e q u i p m e n ta n ds e t m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e sp u m p sal o to fm o n m e ya n dt e c h n o l o g y t o u p g r a t e 打a d i t i o n a ie q u i p m e n t s w h i c hh a sy i e l d e dh i g h l yd e s i r a b l er e s u l t s u s i n gp l ca sac o r e c o n t r o lp a r t ，w i t hh m lt e c h n o l o g ya n dg r o u pt e c h n o l o g y , t of o r me l e c t r o n i cd i g i t a lc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hc a nr e a l i z ea u t o m a t i c a lc o n t r o la n dr e g u l a t i o n ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e x p a n d m o n i t o rc a p a c i t y , i n c r e a s ef l e x i b i l i t y , d e c r e a s ef a u l ta n di n c r e a s ee f f i c i e n c y , a l lo ft h e ma b o v e h a v eb e c o m eae f f e c t i v ew a yf o re n t e r p r i s et ou p g r a t et e e h n o l o g y t h et h e s i sb a s e so nt h ed e s i g no fr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r , i n t r o d u c es y s t e m sd e s i g n p r o j e c t 、c o n t r o lp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo f c o n t r o ls y s t e m t h et h e s i sm a k e sa nr e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e m sd e s i g nc h a r a c t e r i s t i ea n dm e t h o du s i n gp l c a sk e m a lc o n t r o l l e r , w i t ha i le m p h a s i s0 no m o l o nc p l h 4 0 d r x a ap l c i n t r o d u c e s c o n t r o jp r o g r a m sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n si nt h ee n v i r o n m e n to fc x p r o g r a m m e r s o f t w a r e e x p a n d sp r o g r a ma p p l i c a t i o n 、s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 、d a t a - b a s e 、h i g n l e v e ll a n g u a g e s c o m m u n i c a t i o na n ds oo f f t h et h e s i sd e s i g n sp l ca n dh m ic o m m u n i c a t i o nm e t h o da n dr e a l i z a t i o nw a yu n d e rf r e e m o d ef o rt h eo p e r a t i o n 、m o n i t o ra n dp a r a m e t e rs e t t i n g 。t h e ne l a b o r a t e so nt h ed e s i g no fh m i s c e n es o f t w a r e f o rt h el o n g d i s t a n c em o n i t o r t h et h e i s er e s e a r c h so nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e t h o do fh o w t or e a l i z el o n g d i s t a n c em o n i t o r , e l a b o r a t e so nt h ef u n c t i o nd e s i g no fl o n g d i s t a n c em o n i t o r s c e n c e 、r e a l t i m ed a t a b a s es e t t i n ga n dd e v i c ed r i v es e a i n g t h et h e s i ss u m m e r i z e st h er e s e a r c ha c h e i v e m e n t so ft h es u b i e c ti nt h ee n d i nc o n s i d e r a t i o n o ft h ea u t h o r sr e s e a r c hd i r e c t i o n d i s c u s s e st h ep r o g r a m m i n ga n di n t e r f a c et e c h n o l o g yi nt h e s u b i e c t ，a n tp u tm o r ef o r w o r dt ot h eo u t l o o ka n dc o n c e p tf o rt h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u r t u r e k e yw o r d s ：as c r e wr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r 、p l cc o n t r o lt e c h n o l o g y 、h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e 、g r o u p 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特另j ；b n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一 。、 研究生签名：垄盗骜日期堡2 ：2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：趁遂导师签名：猃至懿：迦呈：拿 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着现代电子和通讯技术的发展，应用可编程序控制器( p l c ) 控制生产工艺 过程的工业生产领域愈来愈多。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算 机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制 器在我国的发展与应用已有4 0 多年的历史，现在它己经广泛应用于国民经济的 各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支 柱。 可编程序控制器问世于2 0 世纪6 0 年代，早期的可编程序控制器功能简单， 只有逻辑、定时、计数等功能。8 0 年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微 处理器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。可编程 序控制器开始向多处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强， 并具有通信和远程i 0 能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查 表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展。 随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集 成电路的迅速发展，可编程序控制器的c p u 已发展为由1 6 位或3 2 位微处理器构 成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、p i d 、运动控制等功能引入了可 编程序控制器。使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程 序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为 核心的d d c ( 直接数字控制) 控制装置。由于联网能力增强，既可和上位计算机联 网，也可以下挂下位机或远程i 0 ，从而组成分布式控制系统( d c s ) 己无困难。 梯型图语言和语句表语言完全成熟，基本上标准化，s f c ( 顺序功能图) 语言逐步 普及，专用的编程器己被个人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋 完善，已能进行对整个工厂的监控、管理。并发展了冗余技术，大大加强了可靠 性。 进入2 l 世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用 领域，如为用户配置柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 。目前可 编程序控制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的 可编程序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚 至向上为c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得 举步为艰的e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 系统有了坚实的技术，从而 会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编 程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制 功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延 伸到工厂的各个角落。 目前，在我国随着企业加速进行现代化技术改造，p l c 及其应用技术越来越 多的应用到企业的设备改造和技术更新之中。 东南大学硕士学位论文 福建某果业有限公司，是一家以冷藏水果、蔬菜产品为其主要经营方式的企 业。新建大型冷藏库，该库冷冻冷藏的是水果、蔬菜类食品，由两套独立的系统 构成。系统1 ( 机组1 ) 含8 个冷藏库，系统2 ( 机组2 ) 含6 个冷藏库。采用冷藏方 式，冷藏库温要求控制在一3 - - 4 ，最大需1i o k w 的制冷量。基于以上要求， 为节约能源，提高运行效率，确定采用三台3 6 7 5 k w ( 5 0 匹) 的螺杆压缩机并联 运行，并要求能根据冷库中冷藏货物量及冷藏货物进出的频繁程度智能选择压缩 机的运转台数。 本设计对机组1 的设计进行详细介绍。以欧姆龙c p l h 系列p l c 为核心控制 器件，借助组态技术实现三台螺杆式压缩机制冷机组的并联控制和远程监控。减 少了故障维护，提高加工效率与精度，取得良好效益。2 0 0 8 年1 2 月通过集团公 司机动处组织有关人员的验收，认为改造后机组整体性能得到提升，运行稳定可 靠，效益显著。 1 2 论文开展的研究工作 作者参加了项目的全过程，在螺杆式压缩机制冷机组的改造项目中承担任务 如下： 1 、制定系统控制方案，对项目结果的评估； 2 、研究与收集相关技术资料； 3 、p l c 控制系统设计和控制程序开发； 4 、接口与通信系统的设计和实现 1 3 论文的组织结构 论文的组织结构如下： 第一章绪论。简述了课题背景和论文的研究内容，以及作者所做的主要工 作； 第二章螺杆压缩机制冷机组控制系统概述。介绍了螺杆压缩机制冷机组控 制系统的设计方案，控制原理以及应用的技术； 第三章p l c 核心控制设计。研究了p l c 作为核心控制器的控制系统设计特 点和方式，重点以o m r o n 公司c p l h 一4 0 d r x a a 型p l c 为例，介绍以c x p r o g r a m m e r 软件为编程环境进行控制程序的设计与实现方法，对螺杆压缩机制冷机组控制系 统编程应用作了阐述，并对软件开发和数据库、高级语言的通讯等进行阐述： 第四章操作、监视与参数设置，设计了自由口模式下p l c 与h m i 的通信方 法与实现，以及与控制系统的通信设计，对人机界面h m i 的画面软件设计进行了 详细论述： 第五章远程监控。研究了本系统实现远程监控的特点和方法，详细论述了 远程监控的画面功能设计、实时数据库设置和设备驱动设置。 第六章总结。总结了作者在课题研究中所做的工作和本设计的特点，对未 来的研究方向提出了进一步的展望与构想。 2 第二章螺杆制冷压缩机组控制系统设计 第二章螺杆制冷压缩机组控制系统设计 我国8 0 年以前生产的电气控制普遍采用交流接触器和继电器进行控制，经 过长期使用，电器元件老化，触点烧损，造成设备故障频发。在维护中由于线路 接点多，元件更新困难，许多故障不能及时处理，给企业生产带来诸多不便。随 着电子和信息技术的发展，p l c 技术也获得了长足进步。许多企业为了提高设备 效率与精度开始进行技术改造，运用p l c 、人机交互、网络控制等技术提高设备 的可靠性和精度、设备现代化技术水平和能源的利用率，以适应市场经济带来的 挑战。 2 1 方案设计 2 1 1 项目概述 1 、概述 在中国，螺杆式空气压缩机以其优越性得到了用户的认可，并逐步取代活塞 式空气压缩机。国内目前螺杆制冷压缩机大多采用微机控制系统，根据被制冷对 象的温度或压力要求，采用工业控制微机实现对制冷机组控制和保护的全面监控 系统。我国目前已能生产双螺杆式制冷压缩机，转子公称直径从9 1 m m 到3 1 5 m m ， 标准工况( 一3 0 3 0 ) 制冷量从3 8 k w 到2 4 7 0 k w ，已形成开启式、半封闭式两 大系列螺杆式制冷压缩机。 这一技术现状并不能满足企业对冷源的需求。如前述福建某果业有限公司的 冷藏库控制系统，设计要求工况为一3 4 ，制冷量为1i o k w ，要求系统启动 后在5 小时( 热库) 内达一3 ，对冷藏库的温度控制精度和冷藏的时间均有较 高的要求，而根据生产量和品种的不同，其隧道工作的最低温度和制冷量均应能 够方便地调节。为了方便管理，该企业提出了冷藏库系统需进行远程监控的设计 要求，监控地点相距系统2 0 0 m 左右。 p l c 的控制系统可分为独立的单机系统和多机网络监控系统。螺杆制冷压缩 机组根据制冷对象和环境的不同可分为：直接蒸发压缩机组、冷凝储液机组、冷 水机组、乙醇盐水机组等形式，不同机组在控制方式上有所不同。这里以冷凝 储液机组控制系统为例说明系统的设计与实现。从节约能源的角度考虑，采用3 台5 0 马力的螺杆压缩机组成并联机组并能智能调节压缩机运行的台数是最佳方 案。显然现有的控制技术不能满足企业的要求。 2 、本设计需解决的主要技术问题有： ( 1 ) 螺杆制冷压缩机组的工作过程中对制冷量的控制属于大惯性纯滞后环 节，控制参数会随着环境温度、吸气压力、排气压力、油温、油压等参数的变化 而发生不确定变化。因此采用p l c 作为控制的核心器件，将目标温度折合到系统 回气压力作为反馈量，编写相应的算法，构成闭环系统，应用模糊控制算法，控 制多台机组并联方式的联动运行。 ( 2 ) 由于机组运行控制和参数设置的复杂性，应采用h l d i ( 人机交互) 的操 作方式，因此p l c 与h m i 之间需建立可靠的通讯。 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 根据控制对象的工艺要求，其程序庞大而复杂。参照结构化程序设计方 法进行程序设计。主要设计以下功能模块： 人机交互的操作与参数设置； 数据采集与处理； 系统启动初始化； 压缩机启动台数及启动顺序程序； 压缩机启动控制、停机顺序程序； 停机控制； 故障处理与报警； 远程监控设计； 其他相关辅助控制等。 ( 4 ) p l c 自身具有较强的通信功能，但要完成制冷机组的远程监控还需根据 工作环境和监控要求设计相应的组态才能保证监控的可靠性。 2 1 2 技术特征 该系统的控制目标为冷库温度，本质为对冷库所需制冷量的输入控制。因此 该系统具有如下技术特征。 l 、制冷量控制的目标参数即冷库平均温度值由于较大的热惯性而滞后于控 制源参数； 2 、目标参数会随着环境温度、吸气压力、排气压力、油温、油压等参数的 变化而发生不确定变化； 3 、目标参数会随着冷藏库启用数、冷藏品的进出量和进出频繁程度而发生 不确定变化； 4 、目标参数的准确性和合理性会随着采样点的分布( 温度传感器的分布) 不同而不同。 因此采用p l c 作为控制的核心器件，将目标温度折合到系统回气压力作为反 馈量，编写相应的算法，构成闭环系统，控制多台机组并联方式的联动运行。 2 2 总体方案设计 2 2 1 方案选择 2 2 1 1 螺杆压缩机运行方式比较分析 1 、传统运行方式 目l j 螺杆压缩机作为制冷动力的运行方式，大多采用单机运行方式，由于单 机运行方式制冷硬件系统简单，造价低廉，控制系统只需采用专用的分电控及继 电接触器控制电路即可实现，已存在了相当长时间。 2 、传统运行方式的缺点 ( 1 ) 单机运行其制冷量的加载和卸载是突变方式，而冷库温度控制属于纯 滞后、大惯性系统，制冷量的突变控制远远不能满足冷库控制的精度。 ( 2 ) 冷库因工作状态的不同，制冷量的需求有时较小。而此时的压缩机只 4 第二章螺杆制冷压缩机组控制系统设计 能突变加载而满负荷运行，造成能源的不必要浪费。 ( 3 ) 由于制冷量不能连续控制，故压缩机工作中频繁地加载和卸载，缩短 了压缩机的使用寿命。 3 、本设计所作的改进 理想的压缩机运行方式是根据冷库工作状况制冷量能连续调节，只有压缩机 制冷量连续调节时才可以采用p i d 等精确的控制方法，使系统的运行性能得以改 善。但采用连续调节的运行方式需采用变频器控制技术，且由于压缩机运行功率 大，因此成本过高，不能被用户接受。 本设计创造性地提出了制冷量有级调节的压缩机运行方式，如针对最大制冷 量1 2 0 k w 的需求，将一台i o o k w 的压缩机改换为三台4 0 k w 的压缩机并联运行， 而每台压缩机又经能量调节电磁阀分2 3 级运行。这样就实现压缩机的6 - - 9 级 制冷量可调节的并联运行。6 级运行时压缩机运行能量级别为：2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、 1 0 0 和1 2 0 k w 。再采用模糊控制理论，借助p l c 实现精确控制，较好地克服了压 缩机单机运行控制精度低、浪费能源和压缩机使用寿命短的缺点。 2 2 1 2 关于控制器选择 采用模糊控制理论，实现精确控制，需要核心控制运算器件。常用的控制方 式有单片单板机系统、工控机系统和p l c ( 可编程控制器) 系统。对其性能进 行比较，p l c 系统具有以下优点： 1 、运行可靠性高，能使用制冷场合较恶劣的工作环境： 2 、简化了强、弱电的控制电路，使系统制造安装周期缩短，减少了电路故 障发生率，维护维修更加方便； 3 、p l c 控制程序开发相对简单，缩短了控制系统的开发周期： 4 、将温度、压力的检测和显示、化霜等功能也纳入p l c 进行控制，简化了 外围设备，也节约了成本； 5 、基于p l c 较强的通讯功能，可将制冷系统的运行状况等参数纳入企业的 管理网络，使企业整体管理网络系统从数据采集等技术角度得以提升。 2 2 1 3 三并联冷库系统的结构组成 三并联冷库系统主要由机械装置部分和电气控制部分两大部分组成。 机械装置部分包括三台螺杆式压缩机、蒸发冷凝水泵、1 0 级及1 2 级蒸发冷 凝风扇、油泵和热水循环泵等；三台螺杆式压缩机根据控制需要，可独立工作和 停止，互不影响，也可任意两台参与工作，还可三台一起同时工作，实现三台压 缩机多种控制方式的并联控制，“三并联 即由此得名，和电路中的“并联意 义不同，不能混为一谈。 电气控制部分包括控制元件( 以p l c 为核心) 、系统环境监测元件和故障检 测元件、人机界面、各种保护调节装置等。电气控制部分可实现将机械装置部分 按控制要求工作，并对机械部分实现监控和保护。 2 2 1 4 三并联冷库系统的功能和特点 三并联冷库系统采用了当今流行的p l c 和h m i 产品，相对于以往传统的控制 方式，功能显著提高。三并联冷库系统根据需要可完成低于一3 0 c 的低温控制要 求：可实现多台压缩机的单独控制和组合控制，如三并联、六并联等；控制程序 5 末南大学硒十学位论文 的改变和修改灵活方便，对系统的硬件部分影响甚微或者无任何影响；系统工作 更加可靠稳定，平均无故障运行时问可以达到几十万小时以上，远远大于传统的 控0 系统；系统的故障检测和环境监测更为直观，操作更加人性化，方便实现人 机交互通过洲i ，系统控制过程甚至可以动画显示，系统运行信息和故障信息 目了然；系统使用维护成本不高，与传统的控制系统成本接近，甚至更低。 222 方案设计 螺杆冷水机组是以r 2 2 为制冷齐j ，主要由压缩机组、冷凝器、蒸发器等组成 完整的制冷装置。其控制系统主要组成部分有：传感器、p l c 系统、控制箱、电 气柜、控制程序、触摸屏、远程监控电脑等组成。如图2 1 所示。 其工作过程为：在p l c 控制系统的控制下，压缩机吸入蒸发器内产生的低温、 低压制冷剂蒸气，保持蒸发器内的低压状态，从而使蒸发嚣内的制冷剂能在常温 下汽化。经压缩机压缩后高温、高压的蒸气进人冷凝器后，在压力保持不变的 情况_ f 被冷却介质水或空气冷却，放出热量，温度降低，并进一步凝结成液体， 从冷凝器排出高压制冷剂液体经过节流阀时因受阻而使压力下降，导致部分 制冷剂液体汽化吸收汽化潜热，使其本身的温度也相应降低成为低温、低压 下的湿蒸气进人蒸发器。在蒸发器中，制冷剂液体在压力不变的情况下吸收空气 的热量即制取冷量而汽化，形成的低压、低温蒸气又被压缩机吸入，如此往复循 环。 豳21 低温螺杆压缩机组制拎及其控制系统简幽 第二章螺杆制冷压缩机组控制系统设计 2 2 3 操作、监视与参数设置设计 控制系统要求i - 1 m i 实时显示系统的库温、油温、低压回气压力和高压排气压 力值；要求h l d i 显示和设定系统工作的日期、星期和时间；要求m l i 能具体显示 各输出设备的状态，并简单动画演示压缩机是否工作和动态显示压缩机工作时 间：要求h m i 能详细显示故障信息并方便查询故障；要求系统需要设定的压力值 和时间值都可通过哪i 设定；要求删i 能进行历史数据的记录、查询和打印 2 2 4 核心控制设计 p l c 作为核心控制器件，是系统能否正常运行的关键。控制系统要求p l c 能 进行系统初始化处理；要求p l c 根据用户设置或冷库当前状态确定当前压缩机需 运行台数和能量调节电磁阀的通断；为了使系统能安全可靠地工作，要求p l c 进 行故障检测和报警并发出故障停机命令；为了使该压缩机累计运行时间均衡，要 求p l c 根据压缩机累计运行时间决定压缩机启动顺序，累计运行时间短的压缩机 先启动，而累计运行时间长的压缩机先停止；要求p l c 根据冷库当前状态的变化， 经过程序运算( 模糊控制算法) ，控制压缩机组的运行状态，维持冷库的状态稳 定；要求p l c 能判断停机条件和停机顺序并发出停机命令；要求p l c 能进行油泵 控制、油温控制、冷却塔风机控制、热力膨胀阀控制；为触摸屏和远程监控的正 常工作，p l c 应能维持必要的通讯及提供必要的信号和数据。 2 2 5 远程监控设计 采用组态技术，实现系统的远程监控，控制系统要求能监视系统的工作状态； 能记录、显示库温、油温、排气压力、吸气压力的当前值；要求远程终端有最高 运行控制权限，可发出系统启动和停机命令；要求设置和限制系统运行时间，而 系统运行的技术参数则由h m i 在现场进行设置；要求显示系统故障并报警；要求 保存、查询和打印系统运行的历史数据。 2 3 本章小结 本章根据用户的控制要求，对三并联螺杆压缩机控制及远程监控系统的技术 特征进行了分析，列出了该系统的技术参数。在此基础上进行了控制方案设计和 说明，并对该系统的操作、监视与参数设置设计、p l c 核心控制设计和远程监控 设计需完成的功能进行了说明。 7 东南大学硕士学位论文 第三章螺杆制冷压缩机组控制系统p l c 核心控制 p l c 核心控制是本设计的关键，主要技术问题是如何结合压缩机组运行的工 艺过程编写模糊控制算法，自动控制压缩机运行过程中的分级加载和卸载，以保 证系统可靠安全地运行。 3 1 可编程控制器( p l c ) 在我国的应用和发展 3 1 1p l c 在我国的应用 虽然我国在p l c 生产方面比较弱，但在p l c 应用方面，我国是很活跃的，近 年来每年新投入1 0 万台套以上p l c 产品，年销售额3 0 多亿人民币，应用的行业 也很广。 在我国，一般按i o 点数将p l c 分为以下级别( 但不绝对，国外分类有些区 别) ： 微型：3 2i o 点；小型：2 5 6i o 点；中型：1 0 2 4i 0 点；大型：4 0 9 6i 0 点；巨型：8 1 9 2z o 点。 在我国应用的p l c 系统中，i o 点数在6 4 点以下p l c 销售额占整个p l c 的 约5 0 ，6 4 点2 5 6 点的约占3 0 ，合计占整个p l c 销售额约占8 0 。 在我国应用的p l c ，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现百花齐放的态势，但 从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美p l c 居多，小型控制 系统、机床、设备单体自动化及o e m 产品采用日本的p l c 居多，也有我国台湾省 的产品。欧美p l c 在网络和软件方面具有优势，而日本p l c 在灵活性和价位方面 占优势。 我国的p l c 供应渠道，主要有制造商、分销商( 代理商) 、系统集成商、o e m 用户、最终用户。其中，大部分p l c 是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。 3 1 - 2p l c 的发展 p l c 发展的重点如下： ( 1 ) 人机界面更加友好 p l c 制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其 软件水平，多数p l c 品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结 合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人 机友好的控制系统，目前，p l c + 网络+ i p c + c r t 的模式被广泛应用。 ( 2 ) 网络通讯能力大大加强 p l c 厂家在原来c p u 模板上提供物理层r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口的基础上，逐渐 增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很 快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克 韦尔a b 公司主推的三层网络结构体系，即e t h e r n e t 、c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t ， 西门子公司在p r o f i b u s - d p 及p r o f i b u s f m s 网络等。 ( 3 ) 开放性和互操作性大大发展 p l c 在发展过程中，各p l c 制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据 8 第三章p l c 核心控制 的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了 维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争 的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下三个方面反映： 1 ) i e c 形成了现场总线标准，这一标准包含8 种标准，虽然有人说，多种 标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后， 各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。 2 ) i e c 制订了基于w i n d o w s 的编程语言标准i e c 6 1 1 3 1 3 ，它规定了指令表 ( i l ) 、梯形图( l d ) 、顺序功能图( s f c ) 、功能块图( f b d ) 、结构化文本( s t ) 五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向 开放性的标准化文件。虽然p l c 开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发 系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。 3 ) o p c 基金会推出了o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 标准，这进一步增 强了软硬件的互操作性，通过o p c 一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙 数据交换。目前，多数p l c 软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具 有了o p c 功能。o p c 与现场总线技术的结合，是未来控制系统向f c s 技术发展的 趋势。 ( 4 ) p l c 的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。p l c 的网络能力、模拟 量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制 的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，p l c 均有成功能应用，p l c 在相当多的应用取代了昂贵的d c s ，从而使原来p l c ( 顺 序控制) + d c s ( 过程控制) 的模式变成p l c + i p c 模式。 ( 5 ) 工业以太网的发展对p l c 有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网 络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战 在于：1 ) 硬件上如何适应工业恶劣环境；2 ) 通讯机制如何提高其可靠性。以太 网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多， 适应这一过程，各p l c 厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 3 2 中低成本的p l c 实现控制功能的可行性分析 国外企业在选用p l c 的产品进行控制系统设计时，往往选用同一公司的p l c 系列产品，如德国西门子、日本的三菱和欧姆龙、美国的罗克韦尔和g e f a n u c ( 合 资) 、法国的施耐德等，这些品牌的产品质量、可靠性均不错，但相互之间的兼 容性不强，不同品牌之间不能混用，或即使能混用，稳定性也无法保证，而且国 外品牌价格偏高，性价比差，完全使用这些品牌的工控产品设计生产出的控制系 统价格不菲，在国内一部分市场尤其是一些中小型冷库市场，采用这些国外品牌 产品设计出的控制系统的销路难免会受到一些影响。为了适应一部分中小企业的 需求，国内一些控制系统设计制造企业正在重新考虑控制系统的设计。近年来， 国内的工业控制发展很快，已经出现了很多生产p l c 等工控产品的合资企业或民 营企业，加上台湾的产品也不断出现在大陆市场，这些企业的p l c 产品性能、稳 定性均接近进口品牌，而且兼容性好，价格比同档次的国外产品便宜很多。因此， 9 东南大学硕士学位论文 可根据实际需要，适当采用一些台湾产或大陆产的国产品牌，或者国产品牌和进 口品牌工控产品综合使用，可使控制系统在满足相同控制要求的条件下，系统设 计成本却大大降低。由于国产品牌的产品技术源自国外品牌，并针对国外品牌采 取了相应的措施，以保证产品的兼容性，所以国内产品在兼容性方面做得较好。 这样采用国产品牌设计的控制系统，其可靠性和稳定性得到了保障。 3 3p l c 选择 3 3 1 开关量统计 l 、控制系统所需的输入开关量如表3 - 1 表3 一i 输入开关量 名称数量作用 模块保护开关 3 在压缩机供电后不导通，或运行中断开为故障 压缩机高压保护开关 3 压缩机保护模块发出的高压故障信号 压缩机低压保护开关3压缩机保护模块发出的低压故障信号 油位开关运行中，油位开关信号断开，p l c 检测6 0 9 0 s ，无 1 信号，发故障信号 油流量保护开关压缩机启动后，p l c 开始检测油流量开关信号，无信 3 号，延时3 0 s ，发故障信号 压缩机过载保护开关 3 压缩机驱动电动机的过载保护 水流量保护开关 蒸发冷水流量不足，p l c 检测1 5 s ，无信号，发故障 l 信号 冷凝水泵过载保护开关 l 冷凝水泵过载时闭合 冷凝风扇过载保护开关 2 冷凝风扇过载时闭合 冷库开关量1有冷库工作时闭合 油压差保护开关 3 压缩机运行时当油压差不足时动作 空开跳脱保护开关 3 压缩机空开时跳脱保护 缺相保护开关 1压缩机工作电源的缺相保护 压缩机急停按钮 3 用于三台压缩机的急停控制 油泵过载保护开关 1 油泵电动机过载时闭合 合计 3 2 点 2 、控制系统所需的输出开关量如表3 2 表3 - 2 输出开关量 名称数量作用 油泵输出 1 驱动油泵接触器线圈 2 5 能莓调节电磁阀3驱动3 台压缩机的2 5 能晕调：1 了电磁阀工作 5 0 能量调节电磁阀 3 驱动3 台压缩机的5 0 能量调节电磁阀工作 7 5 能量调节电磁阀 3 驱动3 台压缩机的7 5 能量调：1 了电磁阀工作 压缩机启动星型接触器 33 台压缩机星三角启动之星型接触器 压缩机启动角接触器 33 台压缩机星三角启动之三角形接触器 l o 第三章p l c 核心控制 压缩机启动主接触器33 台压缩机星三角启动之主接触器 冷凝水泵输出 l 驱动冷凝水泵工作 两级风扇输出 2驱动冷凝风扇工作 压缩机模块电源输出 3 驱动三台压缩机模块的电源 油路电磁阀输出 3驱动油路电磁阀工作 报警输出 1 系统有故障时闭合 合计2 9 点 3 3 2 模拟量处理需求 排气压力( 高压) ：测量、显示压缩机工作的排气压力： 吸气压力( 低压) ：测量、显示压缩机工作的吸气压力，并作为系统启动和 卸载压缩机的控制源参数； 冷库温度：测量并显示8 个冷库的温度。 合计需要1 0 点模拟量输入。 3 3 3 通讯需求 p l c - - o m r o np l c 操控环境c x - p r o g r a m m e r 软件通讯：进行p l c 控制程序的 设计、编辑、在线调试、程序的上下载、设置和运行中的监控等； p l c m i i ( 触摸屏) 通讯：通过触摸屏对p l c 进行操作、监视、参数设置、 报警显示、故障记录、历史数据查询和监控压缩机的工作状态等； p l 卜p c ( 远程监控终端) 通讯：通讯距离约i 0 0 米。远程监控压缩机组的 工作状态、记录历史数据并提供查询和打印功能、对p l c 发出启动和停止命令等。 3 3 4p l c 选型 1 、p l c 主机选型 综合考虑控制系统开关量和模拟量的输入输出、所需较复杂的控制功能、较 大的程序存储空间和较复杂的通讯需求，选用o m r o n 公司新近开发的p l c c p i h 一4 0 d r x a a 型。即4 0 点继电器输出型，带内置模拟量a d 和d a 转换( 各4 点) 交流电源供电的小型p l c 。 2 、i l o 扩展模块选型 p l c 主机含2 4 点输入和1 6 点输出。故选配一块c p m i a 一2 0 e d r ( i 0 型：1 2 8 ) 和c p m i a 一8 d r ( 0 型：8 ) 模块。此时的输入总点数为3 6 点，多余4 点为备用。输 出总点数为3 2 点，多余3 点备用。能满足系统的要求。 3 、模拟量扩展 主机含内置模拟量输入4 点，故选配两块c p m i a - t s l 0 2 模块，此时模拟量总 输入点数为1 2 点。多余2 点备用。 4 、通讯选件板选型 p l c h m i 通讯采用r s 2 3 2 串1 ：3 通信方式，需选用c i f 0 1 2 3 2 4 8 5 通信选件板。 p l c p c 通讯采用u s b 通信方式，无需扩展配件 p l c 远程监控，因通信距离较远，采用r s 4 8 5 通信方式，选用c i f 0 1 2 3 2 4 8 5 通信选件板，用双绞线加接4 5 2 0 转换器转换后用双绞线与p c 串口链接。 东南大学硕士学位论文 5 、软件 该p l c 由欧姆龙公司开发的软件c x - p r o g r 删e r 8 0 进行操控。 3 4 关于o m r o np l c 的操控环境c x - p r o g r a i 舭r 8 0 软件 3 4 1 软件概述 c x p r o g r a m m e r 是一个用于对o m r o nc s i 系列p l c 、c v 系列p l c 、以及c 系 列p l c 建立工程、编写编辑、测试和维护程序的工具。它是一个支持p l c 设备和 地址信息、o m r o np l c 和这些p l c 支持的网络设备进行通信的方便工具。 3 4 2 软件主要功能 1 、设置p l c 针对不同项目的各个运行参数和技术数据； 2 、设置p l c 运行的通讯方式和通讯技术参数； 3 、方便地新建工程，编写、编辑、编译程序和检查程序语法错误： 4 、把编译好的程序下载到p l c 主机的存储器中或从p l c 上载已有的程序； 5 、可选择程序运行的两种方式：即脱机运行和联机运行，联机运行即通过 c x p r o g r a m m e r 软件来控制运行； 6 、在运行状态下，可对程序运行、以及各个输入、输出端口进行监视； 7 、可在运行过程中修改程序，即在线编辑； 8 、工程的在线操控和管理等。