PLC在压缩机中的应用.doc

电子科技大学毕业论文 PLC在压缩机中的应用目 录第一章 引 言2第一节 压缩机的基本原理2第二节 控制器设计原理2第二章：PLC与单片机之较量4第一节 市场需要4第二节 数字化输入输出5第三节 联网通讯6第四节 人机界面8第三章 总结10结束语11谢 辞12参考文献13第一章 引 言螺杆式制冷压缩机组为制冷设备为提供生产冷源以来，经过多年的使用，对该设备的运行及维护有了较为深刻的感性熟悉。在使用过程中对该设备的运行虽然较为顺利，但同时也逐渐暴露出了该设备的许多不足之处。由于该设备的控制系统各元器件，都是基于10多年前的技术所设计选定和开发的，尤其是其核心控制部PLC、传感器和控制器都是采用20年前的日本元器件，其运行和维护都显得十分复杂，结其核心部件的维护对设备生产厂家的依靠比较大。因此本文试利用在我国使用较为广泛的西门子S7-200系列PLC和上海亚泰仪表有限公司的系列压力、温度控制器、传感器组成的控制系统对螺杆式制冷压缩机进行改造。一 螺杆制冷压缩机基本工作原理螺杆制冷压缩机组PLC控制系统是根据被制冷对象的温度或压力要求，采用PLC、传感器和控制器配合使用事实现对制冷机组的控制和保护的全面监控系统。螺杆制冷压缩机是工作容积作放置传动的容积式压缩机。气体压缩中依靠工作容积的缩小来实现的，而工作容积的变化又是通过压缩机转子在气缸里作高速旋转运行来达到的。在其容积周期性扩大和缩小的同时，空间位置也在不断变化。只要在气缸上合理地配置吸气和排气孔口，就可以实现吸气、压缩和排气的基本过程。压缩机组的结构形式主要有：螺杆制冷压缩机、电机、油分离器、油冷却器、冷凝器、蒸发器等组成。螺杆制冷压缩机中对压缩量的调节采用能量滑阀调节，即在两个转子高压侧，装上一个能够轴向移动的滑阀，来调节能量和卸荷启动。利用滑阀在螺杆的轴向移动，以改变螺杆的有效轴向工作长度，使能量在100和0之间连续无级调节。为了保证螺杆式制冷压缩机的正常运转，必须配置相应的辅助机构，如润滑油的分离和冷却，能量的调节控制装置，安全保护装置和监控仪表等。通常生产厂家多将压缩机驱动电机及上述辅助机构能装成机组，称为螺杆式制冷压缩机组。螺杆式制冷压缩机组的基本工作流程为：压缩机吸气吸入气体和润滑机油，经压缩机压缩后成为高温高压气体，通过油汽分离器将油气分离，润滑机油经油冷却器冷却后送回吸气口循环使用，而高温高压气体进入冷凝器，经冷凝器冷凝后成为低温高压气体，该气体经节流减压后进入蒸发器，气体在蒸发器中吸收蒸发器环境的热量实现制冷，蒸发后的气体成为低压气体再送回压缩机吸气口进行新一轮循环。调节压缩气体的压缩比例可以实现对制冷量的控制。二、控制器设计原理螺杆制冷压缩机组的工作过程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吸气压力、油温、油压等参数的变化而发生不确定变化。因此对该系统采用模糊控制方案，可以取得良好控制效果。控制系统采用双输入单输出的pID模糊控制器。在控制过程中，不仅对实际误差自动进行调节，同时还对实际误差变化进行调节，这样才能保证系统稳定，并且采用死区环节控制，使得系统不致产生振荡。其中：ac环节比例计算环节，相当于对系统误差进行初步的比例调节为粗调。ddt为微积分计算环节，相当于对系统误差进行微调和超前调节为细调，经过调节控制器调节整定后输出控制调节量控制能量滑阀通电运行的时间。注：所有的PID控制器应具能数有整定功能。第二章 PLC与单片机之较量一 市场需要随着螺杆压缩机在国内的普及以及行业的迅速发展，螺杆压缩机的plc控系统的发展也日趋成熟。其高可靠性、低故障率以及良好的性价比成为螺杆压缩机电控设计的首选（除了少量的防爆、无油螺杆机采用逻辑继电、仪表控制外）。plc控系统在行业内称微电脑控制器或电脑智能控制器。加上plc具有性能可靠、稳定、及其控制资源是灵活的，硬件随意扩展，软件可编程特点和优势。对于一些特殊的复杂控制要求的用户（如电厂、军工、钢厂、化工厂、水泥厂等，以下简称特殊用户），plc系统都可以满足控制要求了。有了上述问题PLC就自然成为承担这些特殊复杂螺杆压缩机电控要求的必然选择。采用PLC设计螺杆压缩机电控最大优势就是硬件控制资源的可扩展性，即螺杆压缩机的输入信号、执行输出信号、压力、温度、电流等模拟量输入输出信号、各种不同通讯协议的接口均可按设计需求通过选择配置而进行扩展。也就是说 PLC的数字量模块、模拟量模块、通讯接口模块是可以随意组合的。软件上来说PLC的控制程序是可编程的，通过改变PLC程序就可得到螺杆压缩机不同的控制要求。另外PLC的通用性使其还能应用到螺杆压缩机以外的所有电气控制中去，显然PLC和单片机相比具有配套齐全、功能完善、适用性强、变更修改程序方便等特点。另外一些名牌PLC中所采用的CPU芯片均为工业级，要比目前市场上的单片机开发的螺杆压缩机微电脑控制器高出一个级别，因此具有更高可靠性及更强的抗干扰能力。当然PLC在有上述优点的同时其成本相对单片机要高出不少，即使一个简单的PLC电控配置：例如一块带有I/O的CPU模块，一块标准模拟量的模块，一块文本显示器其价格也要将近3000元RMB，复杂控制要求的螺杆压缩机PLC配置大概在10000元RMB上下，上述还只是采用小型PLC的价格。虽然用PLC开发成本比单片机要高，但这是终端用户所需求的，实际上其费用和螺杆压缩机的总价相比还是可以接受的，因此对于用户有特殊要求时采用PLC控制应该具有很强的优势。下面本文将分类介绍PLC在螺杆压缩机电控设计中不同于单片机的各种应用。二 数字量输入输出（I/O）标准单片机螺杆压缩机控制器的输入信号为：紧停按钮、冷却水故障、空滤压差、油滤压差、油分压差、远程启动、远程停机7个输入信号。标准单片机螺杆压缩机控制器的输出信号为：主接触器、星接触器、角接触器、加卸载电磁阀、风机接触器5个信号。但往往许多特殊用户对I/O的需求要多于上述点数，例如要求有：电机三相绕组的突跳式温度开关报警信号、配套后处理设备无故障信号、特殊供电电源故障信号、高压电源故障、高压合闸信号、排污阀控制、压滤机控制、电气控制柜加温、油分桶油加温、高压柜运行允许等等。采用了PLC设计就可方便地通过增加数字量输入输出模块来满足I/O的点数需求，然后在程序编制中将I/O点的逻辑控制关系编入程序下载到PLC模块。完成设计的PLC在运行时若收到电机绕组超温信号，PLC就会控制螺杆压缩机电控执行重故障程序，即立即执行卸载、停止电机运行的保护操作。若在螺杆压缩机与后处理一对一控制模式中，PLC未收到后处理无故障信号，PLC就会不执行螺杆压缩机的启动运行的操作，做故障等待处理。在直流电力机车刹车用螺杆压缩机控制系统中，压缩机主电机的供电电源使用架空DC 750V直流转换为三相AC 380V的变频电源，PLC控制系统电源为DC 24V，若在运行中收到变频电源故障信号，PLC立即按螺杆压缩机重故障程序执行保护操作。在螺杆压缩机不同电压等级类别的双电源系统中（高压电源螺杆压缩机也属此类型），若没有变频电源故障信号，DC 24V的控制系统永远无法知道主电机供电电源的状态。还有一些信号就不一一表述了，总之扩展好I/O的点数，编制好程序，PLC就会按照预先设计的要求执行满意的控制了，这一点单片机是望尘莫及的。三 螺杆压缩机联网通讯螺杆压缩机在通讯上的功能应用，无论是单片机还是PLC大致用于三个方面。与人机界面的通讯，即文本显示器或触摸屏。多台螺杆压缩机间的联网通讯，用于多机系统中的联控。 与上位机的联网通讯，上位机既可以是机房内的总PLC系统，也可以是中控室的工控机（PC）。单片机的通讯接口通常为RS485，单片机的通讯协议由于制造商在商业上的考虑往往采用内部标准，原因是所有的制造商都不太希望自己的系统能和其他公司的产品进行联网通讯。除内部标准协议外还会提供一个通用标准的Modbus通讯协议（但不是完整的）。若螺杆压缩机制造商选择一家公司的单片机产品进行上述通讯两项是没问题的，例如多机联控时选一台作为主机，其它N台作为从机，主机则依据系统用气量自动投入/切换机组台数来稳定供气和平衡各机的运行时间。项内容若采用Modbus通讯还可融入用户的DCS的上位机系统，但内部协议只能和独立的PC通讯，单片机制造商会提供单片机和PC机的通讯软件，用户可以方便地在PC机上监视和操控所联网的各台螺杆压缩机，但无法融入用户的DCS网络系统。为此碰到超出上述通讯协议的要求，单片机所提供的通讯资源就不能胜任了，或者说不太好用。特殊用户订单的技术协议上会提出：要求螺杆压缩机电控的通讯接口及协议直接能与用户DCS进行对接和通讯。规定螺杆压缩机电控的通讯接口为某种类型，例如RS422接口、RJ45接口等。规定螺杆压缩机电控的通讯接口协议为某种标准，例如通讯协议为Frofibus或者为工业以太网等。上述要求的问题主要集中在螺杆压缩机电控和上位机的通讯上（为此本节只介绍上位机通讯）。采用PLC设计螺杆压缩机电控就能方便地解决特殊要求的联网通讯，例如用户要求Modbus通讯，上位机是主站，螺杆压缩机PLC系统是从站。对此PLC硬件只要选择带有双通讯接口的机型，1个用于人机界面通讯，另1个用于Modbus通讯，接口标准为9针RS485口。Modbus通讯软件在PLC编程软件指令库中，程序编制为两条，即初始化和执行程序，按软件要求在初始化指令中填入模式选择、从站地址、通讯波特率及效验等数据、I/O点数、模拟量点数、数据区大小及起始地址等，执行指令仅给出控制Modbus运行的内部控制点名称即可，程序完成后螺杆压缩机的PLC系统就可以接受上位机主站的数据采集和命令的下达了。例如用户要求是Profibus通讯，通讯的主从关系同上，螺杆压缩机单片机目前还没有此通讯协议的产品，对此PLC设计的硬件解决方式就是配置一块Profibus通讯模块（若采用S7-200的PLC，选用EM-277模块，模块接口标准为9针RS485口），Profibus通讯不需编制通讯程序，只要简单地制作一张表格，用以说明每个I/O、模拟量、寄存器内数据的具体名称和地址即可，螺杆压缩机的通讯地址直接在模块上通过旋钮开关设定，这样上位机就可通过通讯模块对螺杆压缩机PLC系统执行读取和写入了。例如用户要求是工业以太网通讯，同样单片机也无此产品，对此PLC硬件解决方案就是简单地配置一块以太网通讯模块（若采用S7-200的PLC，选用CP243-1模块，模块接口标准为RJ45口）。以太网通讯是目前最流行的通讯方式，其特点是通信带宽宽，通讯速率高，实时性好。实际应用中远端上位机为客户机，CP243-1模块为服务器，通讯模块投入运行要做两项操作：对模块进行组态，组态软件在PLC编程软件中提供；在PLC程序中编制一个以太网控制子程序调用指令。模块组态参数为：服务器IP地址、子网掩码、模块占用输出地址、模块配置为SERVER，客户机IP地址、传输层TSAP地址、CRC效验选择、模块占用PLC数据区地址等。在此要说明的是两个IP地址等参数要在PLC电控设计时提前与用户确认好，因为以太网通讯是以客户机端为主，IP地址应该由上位机的设计者来统一分配，否则设备出厂通讯上就会出现问题。调用以太网控制子程序指令编制比较简单，在指令中只要选择确定好运行信息字、故障信息字即可，其功能用于以太网组态配置生效和查询以太网运行时的各种信息。四 PLC与人机界面人机界面是人与电脑之间传递、交换信息的媒介和对话窗口，是螺杆压缩机电控系统的重要组成部分，它实现终端用户的电气技术人员及操作人员通过人机界面对螺杆压缩机的运行进行数据的查询、设置、变更等操作。为此PLC控制系统的设计同样也要配置人机界面，人机界面通常有文本显示器和触摸屏两类产品选择。而对文本显示器的编程及组态又分为两类，即与PLC组合时需编程的和不需编程的。例如西门子TD-200、TD-400两款文本显示器是不用编程的，直接连上通讯电缆即可方便地和PLC一并投入运行。但问题也不是那么简单，其实文本显示器的程序是做在PLC程序中的，这种方式其优点是文本显示器损坏后更换方便，缺点是PLC编程时占用存储空间太大（编程软件规定任何一条数据要占用20个字节）。需要编程的文本显示器程序设计编制，只要按照螺杆压缩机的控制原理再加上用户的特殊要求实施编制即可，通常文本显示器程序编制设5个菜单，每个菜单下编制N条内容就可为用户提供非常圆满的控制操作了，其菜单分别为参数查询、用户参数设置、工厂参数设置、参数清零操作、故障信息查询。这种方式的优缺点正好和不需编程的文本显示器相反，若用户要更换文本显示器还需制造商提供程序下载。文本显示器通常设有810个按键，有些按键都有多重操作含义，需学习掌握后方可进行操作。触摸屏在人机界面中具有操控便捷、信息量大等优点，但价格要比文本显示器贵了不少，若要选用小型、单色的价格还是可以接受的，台达和Pro-face均有5.7寸的产品（价格在1400及1800元RMB左右），其操控资源足够满足螺杆压缩机的控制要求，没有特殊需求一般情况下也没必要去选择真彩、大屏的产品。触摸屏的操控直截了当，几乎不用培训，只要根据屏显提示操作即可，所谓的界面友好就由此而来。触摸屏的信息量与文本显示器相比要大出很多，本人开发设计的项目一般都要有5060个屏显。以故障查询来说，文本显示器最多也就能做58个，但触摸屏可以做出100多个，还可以提供故障发生时的年、月、日、时、分、秒和故障恢复时间的查询，并且故障信息是不可清除的，这对制造商的售后服务及用户的设备管理都非常有利。另外信息查询中还可以设置PLC的I/O实时状态信息表，方便用户在螺杆压缩机电气故障维修时观察I/O触点ON还是OFF的状态，不再用打开电气箱门去查看PLC的I/O的LED指示灯来判断故障。还有采用触摸屏可以编制动态画面、模拟仪表等电气元件画面，使控制界面更为生动直观。其它如压力、温度、时间、电流等参数的查询、设置、清零等的触摸屏程序编制就不一一叙述了。上述PLC和人机界面组合设计与单片机系统相比，其优势是：可以灵活方便地将新增或者特殊要求的信息加入人机界面程序编制中来满足特殊用户的控制需求；采用人机界面可提高整个产品的档次及控制可靠性； 人机界面操控资源的提升使螺杆压缩机的控制运行更为简洁、准确、方便和人性化。第三章 总 结由于高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。结束语本次毕业设计我以PLC为基本嵌入点，用来设计自动化的压缩机，作为机电专业的毕业生，一方面综合应用