PLC在装配线空压控制系统中的应用.doc

本文由罗山1234贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 XXXXXXX 大学 2010 届本科毕业论文（设计） 届本科毕业论文（设计） 论文题目： 论文题目：PLC 在装配线空压控制系统中的应用 学生姓名： 学生姓名：XXXX 所在院系： 所在院系： XXXXXX 所学专业： 所学专业： XXXXXX 导师姓名： 导师姓名：XXXXX 完成时间： 完成时间：2010 年 X 月 XX 日 摘 要 作为一种基础工业设备，空压机在制造、冶金、矿山、电力、纺织、石化等 几乎所有的工业行业中都有着广泛的应用。但是，传统的空压机由于控制方式落 后、 自动化程度不高， 致使其工作过程中存在着运转效率低、 耗电量大、 成本高、 需人工手动操作等诸多问题。因此，应用现代先进的控制技术对传统的空压机控 制方式进行改造具有十分重大的现实意义。 本文主要论述了基于 PLC 技术针对装配线空压机控制系统的改造设计方案， 采用 PLC 并结合变频器对空压机进行自动控制改造，实现对两台空压机的自动 控制。此方案采用变频器实现对空压机“一拖多”的控制，通过 PLC 实现变频 器的工频与变频的控制转换，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 PLC 进行 A/D 转换，并经过 PLC 内部的 PID 算法，送出控制信号至变频器，变频器再根据送来的信号改变供电电源的频 率，来调节电机转速，确保供气压力的稳定；同时具备电机的软启动、超压软停 止，当前空压机工作异常时自动切换到备用机并报警等功能。改造后系统具有能 耗低、供气压力恒定、无电流冲击、自动化程度高、无人值守等优点。 关键词：PLC；空压机；变频器；PID 调节器 关键词 The design of Air assembly line based on PLC control system Abstract As a kind of basal facility of industry, the air-compressor is used very widely ,such as in manufacture, metallurgy, mining, electric power, spin, landification, and almost every field of industry. However, conventional air-compressors have some shortages such as low efficiency, high consuming of electricity energy, too much servicing work and high cost, due to under-developed control manner and low-grade degree of robotization. Consequently, it is very practical to remake the conventional control manner of air-compressors with advanced control technology of modern times. In this thesis, I mainly relate and analyze a project design to remake the control system of air-compressors in assembly lines, realize the goal of controling two air-compressors automatically by the PLC and the inverter. The scheme adopted the inverter in order to carry out multi-split control to air-compressors. Meanwhile, PLC implemented the shift of the inwerter control of air-compressors. The system made use of a pressure sensor to collect the pressure signal of gas tank, then transferred the analog quantity into date quantity by PLC. 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. The system also made sure to soft start electromotors, soft stop it when air pressure go beyond, and replace the air-compressor which was running out of the way with the spare one, ring the alarm at the same time. After the project design, the system have the advantages such as low consuming of electricity energy, stable air supply, no small current impact, high degree of robotization, unattended mode. Key words：PLC;Air-compressor; Inverter;PID 目 录 1 前言 1 2 设计方案的确定 1 3 系统构成及其工作原理 2 3.1 系统构成 2 3.2 被控对象（空压机）简述 2 3.3 可编程控制器(PLC)简述 4 3.3.1 PLC 基本结构 4 3.3.2 PLC 的主要特点 6 3.3.3 PLC 的工作原理 7 3.4 控制系统的工作原理 7 3.4.1 恒压控制 7 3.4.2 节能控制 8 3.5 系统工作过程 9 3.6 系统的通信方式 9 3.6.1 PLC 与上位机的通信 9 3.6.2 PLC 与变频器的通信 10 3.7 PID 控制简述 11 3.8 系统报警 12 4 系统硬件设计 12 4.1 主电路设计 12 4.2 控制电路设计 13 4.3 PLC 选型 15 4.3.1 PLC 性能指标的确定 15 4.3.2 CPU 的 I/O 接口分配 17 4.3.3 输入输出外部接线 18 4.3.4 扩展模块选型 20 4.4 变频器选型 24 4.5 传感器选型 24 5 系统的软件设计 26 5.1 PLC 编程软件 26 5.2 系统的总体框图设计 27 5.3 程序的结构及程序功能的实现 27 5.3.1 系统的初始化程序 27 5.3.2 系统的主控制程序 27 5.3.3 系统的中断程序 27 6 结论 28 致谢 30 参考文献 30 附录（程序清单） 32 1 前言 在现代工业生产中，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。传统的空压机大都是采用星形-三角形降压启动或 自耦变压器降压启动、继电器控制方式运行，此方式虽然原理简单，但是存在能 耗大、供气压力不稳定、自动化程度低等诸多问题。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、自动控制技术以及计算机技术的高速发展和 应用，使 PLC 控制技术的工业应用日趋成熟。 本文论述的空压机控制系统是基于 PLC 和变频器技术的自动控制系统，目 前在国内工业控制应用领域还属于比较薄弱的环节，因而发展空间巨大。改造后 系统节能效果显著， 不但能使实现无级调速， 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、变级调速、滑差调速、交流串级调速等）具有更大的优势。本 文通过对应用非常普遍的螺杆式空压机的控制系统改造， 极大地简化了其操作过 程，节省了人力，并使得整个工作系统的安全性和稳定性都有了很大的提高。 2 设计方案的确定 传统的空压机的控制系统采用开环方式，一台空压机由一台电机拖动，独立 进行控制，压力系统通过压力调节器进行两点式控制（上、下限控制）来控制空 压机的加载与卸载。当总管压力超过设定的上限值时，压力调节器控制空压机卸 荷；当总管压力低于设定的下限值时，压力调节器则控制其加载，空压机和电动 机满负荷运转1。这种运行方式的缺点如下： （1）当空压机卸荷运行时，不产生压缩空气，电机处于空载状态，其用电 量为满负荷的 60%左右，这部分电能被白白浪费掉；其次，空压机是大转动惯量 负载，电机空载起动时所需的功率大致相当于满载运行所消耗 23 倍，时间约为 560S，在频繁起动控制排气量时，能耗非常明显，且对电网冲击很大。 （2）压力系统采用开环控制方式，供风压力在上下限之间频繁波动，不能 保证恒压供气，对机械设备造成较大的冲击，使设备的寿命缩短，设备维护量加 大，增加了人力成本。 （3）空压机工作时的巨大噪音和剧烈震动会对操作人员的身体健康造成较 大伤害，传统控制方式需要职守人员随时监控，空压机运行异常时需要手动调整 和维护，因而自动化程度很低且不利于安全生产。 （4）空压机及其拖动电机长期全速运转时，使电动机和空压机传动部件的 寿命降低，润滑油消耗也大，设备成本加大。 1 针对上述问题，本设计采用 PLC 并结合变频器的控制方式，变频器设有压 力闭环自动控制和开环控制手动调节两种控制方式 （通过一个选择开关可以进行 选择控制方式选择） 。正常工作时，采用压力闭环控制方式，使用压力变送器检 测空压机的实际供风压力，并将其与供风压力的设定值相比较，用比较得到的差 值调节空压机转速，保证空压机的供风压力恒定为设定值。开环控制方式即按启 动或停止按钮启动或停止相应的空压机， 此种方式仅供检修或控制系统出现故障 时使用。 3 系统构成及其工作原理 3.1 系统构成 本控制系统由以下部分组成：PLC（包括相应的控制模块以及触摸屏） 、变 频器、压力变送器、传感器以及所需的按钮开关、接触器、断路器等，其示意图 如下所示： 压力变送器 储 电源 PLC 气 变频器 M1 空压机 1 气 管 道 供 与 M2 空压机 2 图 1 控制系统简图 其控制过程包括五部分：启动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。 启动：2 台电机 M1、M2 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，电机 M2 处于停机状态。现 场压力变送器检测气包出口压力，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，从而调节电机的转速以达到所需压力。 停止：按下停止按钮，PIC 控制所有的接触器断电，变频器停止工作。 切换：实现 M1、M2 工频、变频相互切换。 报警及故障诊断：空压机内部主要有四个需要检测的量，机体温度、储气罐 压力、冷却水压力、润滑油压力。 3.2 被控对象（空压机）简述 被控对象（空压机） 空压机是空气压缩机的简称，是气源装置中的主体，将原动机（通常是电动 2 机）的机械能转换成气体压力能，是压缩空气的气压发生装置；其工作过程分为 进气、压缩、排气三个阶段，循环进行。作为基础工业装备，空压机在冶金、机 械制造、矿山、电力、纺织、石化等几乎所有的工业行业中都广泛的应用。空气 压缩机的额定排气压力分为低压（0.71.0MPa） 、中压（1.010MPa） 、高压 （10100MPa）和超高压（100MPa 以上） ，可根据实际需要来选择。常见的工作 压力为 0.71.25MPa。 空压机按结构分为螺杆式空压机 （螺杆式空压机又分为单螺杆式和双螺杆式 两种） 、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 空压机等类型。其中，应用最为普遍的是螺杆式和活塞式。 螺杆式空压机的主要特点有： 可靠性高，使用寿命长； 操作维护方便，可实现无人值守运转； 动力平衡性好，机器可平稳高速工作； 适应性强，具有强制输气的能力，排气量几乎不受排气压力的影响，可在较 宽范围内保证较高的效率。 但造价高，不适合高压场合，排气压力一般不能超过 3MPa。 活塞式空压机的主要特点有： 流量小，气流速度较小，效率高； 压力范围广，适应从低压高超高压； 适应性强，排气压力变动较大时，排气量保持不变； 制造材料容易获得，制造精度要求不高； 但是，其外形尺寸及重量较大，结构复杂，易损坏，震动大，可靠性低。 鉴于以上原因，并根据装配线的实际工况，本系统选择螺杆式空压机，确定 其电机为 Y160M2-2 的鼠笼型交流异步电动机，功率 15kW，额定电流为 30A。 螺杆式空压机的基本结构如下所示： 图 2 螺杆式空压机结构示意图 如图所示，在其机体中平行配置着一对相互啮合的螺旋形转子。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。 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 3 现轴向定位，并承受空压机的轴向力，转子两端的圆柱滚子轴承使转子实现径向 定位，并承受空压机的径向力。在空压机机体的两端，分别开设一定形状和大小 的孔，一个供吸气用，称为进气口；另一个供排气用，称为排气口。 3.3 可编程控制器 可编程控制器(PLC)简述 简述 3.3.1 PLC 基本结构 专为在工业 PLC 是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置， 现场应用而设计，它采用可编程的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺 序控制、定时/计时和算术运算操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出 接口， 控制各种类型的机械或生产过程。 由中央处理单元 （CPU） 存储器 、 （RAM、 ROM、EPROM、EEPROM 等） 、输入接口、I/O 扩展接口、外部设备接口以及电 源等组成。 其内部结构如图 3 所示： 按钮 输 CPU 输 入 单 元 出 接触器 接触器触点 存储器 元 单 电磁阀 行程开关 电源部分 指示灯 编程器或其他编程单元 图 3 PLC 内部结构 (1) 中央处理单元（CPU） 与通用计算机中的 CPU 一样，PLC 中的 CPU 也是整个系统的核心部件，主 要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制 总线构成，此外还有外围芯片，总线接口及有关电路。 作为 PLC 的核心，CPU 的功能主要包括： 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，并将输入的状态或数据存入用户程序存储器中。 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。 PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，并分析执行该指令。 按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据 寄存器中的内容。 4 根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。 响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。 (2) 存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路，作用是存储系统程序、用户程序、逻 辑变量及其它一些信息。 存储器单元按照物理性能分为两类， 随机存储器 （RAM） 和只读存储器（ROM） 。 随机存储器（RAM）由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二 进制数，在刚开始工作时，它的状态时随机的，只有经过置“1”或清“0”的操 作后，它的状态才确定，若关掉电源，状态丢失。此种存储器可以进行读、写操 作，主要用来存储输入、输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防 止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存 5 年，当电池 电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。 只读存储器（ROM）存在两种类型，一种是不可擦除 ROM，这种 ROM 只 能写入一次，不能改写；另一种是可擦除 ROM，这种 ROM 经过擦除以后还可 以重写。其中 EPROM 只能用紫外线探测内部信息，EPPROM 可以用电擦除内 部信息。这两种存储器的信息可以保留 10 年左右。 (3) I/O 模块 输入模块和输出模块通常称为 I/O 模块或 I/O 单元。PLC 对外功能主要是通 过各种 I/O 接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设备之间的连接部件，起着 PLC 与外部设备之间传递信息的作用。通 常 I/O 模块上还有状态显示和 I/O 接线端子排，以便于连接和监视。I/O 模块既 可通过底板总线与主控模块放在一起，构成一个系统，又可通过插座用电线引出 远程放置，实现远程控制和及联网。 PLC 通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元， 通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。输出模块用 于把用户程序的逻辑运算结果输出到 PLC 外部，具有隔离 PLC 内部电路和外部 执行单元以及功率放大的作用。 输出模块分为晶体管、 晶闸管和继电器三种类型。 (4) 接口单元 接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是 用于扩展输入输出单元，使得 PLC 控制规模的配置更加灵活。这种接口为总线 形式，可以配置开关量的 I/O 单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊 I/O 单元及通信适配器。编程器接口用于编程器的连接，PLC 本体上通常不带。为了 能对 PLC 编程及监控，PLC 上专门设置有编程器接口，通过此接口可以连接各 种形式的编程装置，还可以利用此接口进行通信和监控。存储器接口是为存储器 5 而设置的，用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，其内部也连接到总 线上。通信接口是为了在微机与 PLC、PLC 与 PLC 之间建立通信网络而建立的 接口，其输入输出接口均采用光电耦合电路，目的是把 PLC 与现场电路隔离， 提高 PLC 的抗干扰能力。 (5) 电源模块 PLC 一般都配有开关式稳压电源，用于给 PLC 的内部和各模块的集成电路 提供工作电源。有些 PLC 中的电源与 CPU 模块合二为一，有些是分开的。从输 入类型上分，有 220V 或 110V 的交流输入电源，也有 24V 的直流输入电源。 3.3.2 PLC 的主要特点 （1）可靠性高 所有的输入/输出接口电路均采用光电耦合器进行隔离，使工业现场的外 部电路与 PLC 内部电路之间在电气上隔离。 输入端采用 RC 滤波器，滤波时间常数一般为 1020ms，高速输入端则 采用数字滤波，滤波时间常数可以用指令设定。 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。 对器件进行严格的筛选。 具有软件自诊断功能，一旦电源或其他软硬件发生异常情况，CPU 立即 采取有效措施进行处理，防止故障扩大。 （2）编程简单易学 PLC 编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图语言。 梯形图主要由人们 熟悉的常开/常闭触点、线圈、定时器、计数器等符号组成，对于使用者来说， 不需要具备计算机的专门知识，因此很容易为一般工程技术人员所理解和掌握。 （3）采用模块化结构 为了适应各种工业控制的需要， 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 中的 CPU、直流电源、I/O 模块（包括特殊功能模块） 等各个部件均采用模块化设计，由机架、电缆或连接器将各模块连接起来，系统 的规模和功能可以根据实际控制要求方便地进行组合。 （4）安装简单，维修方便 PLC 可以在各种工业环境下直接安装运行，使用时只需将现场的各种输入/ 输出设备与 PLC 相应的 I/O 端连接，系统便可以投入运行。由于 PLC 的故障率 很低，并且有完善的诊断和显示功能，当 PLC 或外部的输入装置及执行机构发 生故障时，如果是 PLC 本身的原因，在维修时只需更换插入式模块及其他已损 坏器件即可，既方便又减少影响生产的时间。 6 （5）接口模块丰富 PLC 除了具有 CPU 和存储器以外，还有丰富的 I/O 接口模块。对于不同的 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） ，PLC 都有相应的 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、控制阀等）直接相连。此外，为了适应新 的工业控制要求，I/O 模块也越来越丰富，如通信模块、数控模块、位置控制模 块等，进一步提高了 PLC 的性能。 （6）系统设计与调试周期短 用 PLC 进行系统设计时，用程序代替继电器硬接线，控制柜的设计及安装 接线工作量大为减少，设计和施工可同时进行，缩短了施工时间。同时，由于用 户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将 PLC 控制系统在生产现场进行 联机调试，调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计、施工、调试和投运周 期。 3.3.3 PLC 的工作原理 PLC 的 CPU 采用循环扫描的工作方式，用户程序按先后顺序存放，在没有 PLC 从第一条指令开始顺序执行， 直到程序结束符后又返回 中断或跳转指令时， 到第一条指令，如此周而复始地不断循环执行程序。有些情况下，也允许中断正 在扫描运行的程序，以处理紧急任务。 PLC 的扫描工作分为三个阶段：第一阶段，采样，通过输入接口把所有输入 端子的信号状态读入缓冲区，即刷新输入信号的原有状态；第二阶段，扫描用户 程序，根据本周期输入信号的状态和上周期输出信号的状态，对用户程序逐条进 行运算处理，将结果送到输出缓冲区；第三阶段，输出刷新，将输出缓冲区各输 出点的状态通过输出接口电路全部送到 PLC 的输出端子。PLC 周期性的循环执 行上述三个步骤，每一个循环称为一个扫描周期。 其工作流程如下图所示： 上电初始化 上电初始化 通信处理 输入扫描 第一个扫描周期 程序运行 输出刷新 第二个 扫描周期 图 4 PLC 的工作流程图 3.4 控制系统的工作原理 3.4.1 恒压控制 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 7 系统中，储气罐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 储气罐气压上升 若供气流量用气流量 储气罐气压下降 若供气流量用气流量 储气罐气压不变 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。 系统恒压控制是通过变频调压和增减当前空压机运行的台数来实现的。 系统 启动后， 压力传感器通过压力变送器把当前管网压力转换成 420mA 电流信号送 给 PLC 中的 PID 控制器，然后 PID 与设定值比较，如发现压力偏高或偏低，一 方面向 PLC 发出调压申请，另一方面则通过 PID 控制算法计算出调节量送给变 频器。当 PLC 接到调压信号后，若是压力偏低的信号，PLC 先检查变频器运行 状态，如没有运行在工频状态，则 PLC 命令变频器加速运行，提高系统供气量， 这就是变频调压，满足系统小范围稳压：若变频器已运行在工频状态，则 PLC 提示系统增加一台工频运行的空压机，在大范围内稳压，提高管网压力，如此往 复直至最后一台空压机，并且管网压力合适、系统正常运行为止。当 PLC 检测 ，则 到管网压力过高时，则检查变频器运行状态，如已运行在频率低限（30HZ） 命令系统依次停止工频运行的空压机，直至压力合适2。恒压控制原理如下图所示： 压力给定值 SP 偏差 e PID 压力反馈量 PV PID 输出 Y 变频调速系统 过程变量 图 5 恒压控制原理 整个系统控制过程可作如下概述： 用气需求 管路气压 压力设定值与反馈值的差值 PID 输出调节量 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 特别需要注意：为防止电机频繁启动制动和变速，在压力容差范围内，变频 器的输出频率不变。 3.4.2 节能控制 系统节能是通过变频器控制空压机的转速来达到的。根据异步电机转速公 式： n=60f(1-S)p 8 (1) 式中：n 为电机转速（r/min） f 为供电频率（Hz） S 为电机转差率 P 为磁极对数 由此式可知，在磁极对数不变的前提下，只要平滑地改变电源频率，就可实 现异步电机的无极调速。由空压机的运行特性可知：风量与转速一次方成正比， 风压与转速二次方成正比，电机转轴功率与转速三次方成正比4。因此，系统可 根据气压大小实时变频调速， 避免传统开环控制方式中经常出现的空压机卸荷运 行，从而降低空压机功耗，最终实现节能的目的。 节能案例分析 以大连市原五二三厂某厂房空压机为例，改造前经测试参数如下:电机功率 110kW，出口压力为 5.9 6.5MPa，运行时间为 12h/d，一年运行 320 天，加载时 间为 15s，减载时间 15s;加载电流为 190A，减载电流为 90A。经检测其节电率为 30%以上。年节电量(按 30%)计算如下： 节电量 W=1232011030%=1.27105(kWh) 可见，改造后节能效果非常明显。 3.5 系统工作过程 启动前，将变频器的机组开关置于需要工作的机组（默认为 1#） ，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) 且延时一段时间后，风包出口压力仍不能达到预设的压力值（一般为 0.550.65MPa） 则由 PLC 通过控制输出接触器的通断将 1#空压机切换到工频运 ， 行，同时将 2#空压机切换到变频状态，变频启动 2#空压机。反之，1#空压机保 持变频运行。当用气量减小，2 台空压机同时运行（2#空压机变频运行）时，而 自动停止 1#空压机。 当空压机 变频器的频率下降到设定频率的下限值(20Hz)时， 运行过程中出现机体温度过高，总管压力过高、润滑油压力过高、冷却水断流等 故障时，系统会自动发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时排除故障。 控制系统工作流程如图 6 所示： 3.6 系统的通信方式 3.6.1 PLC 与上位机的通信 在工业控制领域中，PLC 通常作为下位机使用，工业计算机作为上位机，通 过网络在线监控空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、电机电压、电 9 机电流、输出功率等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功 能。当现场设备动作或出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来；在远程控 制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。远程监控方便了调度，提高 了生产管理的自动化水平，使空压机的无人值守成为了可能。 开始 变频器启动 转换为工频运行，并把变频 器切换到下一台空压机 Y 频率是否达 到上限？ N 当前空压机停机，并把变频 器复位 Y 频率是否达 到下限？ N 声光报警 N 监测参数是 否正常？ Y 是否有停机 信号？ N Y 停机 图 6 控制系统工作原理流程图 在 PLC 和上位机之间的通讯中，PLC 通过 PROFIBUS-DP 模块 EM277 介入 工业以太网，上位机通过网络实现远程监控功能。选择接口类型通常为工业 Ethernet，通信速率为 100Mbps，并设置 PLC 和上位机的 IP 地址（关于此类扩 展模块将在之后内容中作详细介绍） 。 3.6.2 PLC 与变频器的通信 本系统中 PLC 对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的。PLC 通过 10 RS-485 通讯接口与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、 电流、功率、和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数。 该过程最多分 5 个阶段：1、计算机发出通讯请求；2、变频器处理等待；3、 变频器作出应答；4、计算机处理等待；5、计算机作出应答。根据不同的通讯要 求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成 13 三个过程；监视变频器 运行频率时完成 15 五个过程。 不论是写数据还是读数据， 均有计算机发出请求， 变频器只是被动接受请求并作出应答。 变频器、PLC、上位机的连接如下图所示： 上位机 报警装置 PLC 变频器 1#空压机 2#空压机 检测 变送 装置 检测 变送 装置 图 7 变频器连接示意图 3.7 PID 控制简述 在工业生产中，PID（Proportion Integral Differential）是在过程控制中应用 最为广泛的一种自动控制器。它按照偏差的比例（P） 、积分（I）和微分（D）进 行控制，具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定 比较简单等优点。 其基本工作原理如图 8 所示： 一般的 PLC 内部均提供用于闭环控制的 PID 运算指令，用户只需在 PLC 的 内存中填写一张 PID 控制参数表再执行指令： “PID Table Loop”即可完成 PID 11 运算，简便易行。 比例 e(t) 积分 u(t) 被控对象 微分 图 8 PID 控制系统原理框图 3.8 系统报警 本系统中装备有压力传感器和温度传感器，结合 PLC 内部的时间继电器， 由 PLC 根据程序进行逻辑判断，可进行电机过热、电机启动过载、电机运行过 载、空压机断水、储气罐气压过高等故障报警，并执行相关保护动作。上述两种 传感器正常工作时，均输出 420mA 电流信号给 PLC 模拟输入模块，经 PLC 内 部 A/D 转换为数值为 2001000 的数字信号，而当传感器损坏或断线时，将不能 给 PLC 输出信号，PLC 所检测到的输入信号数值将低于 200，据此即可判断传 感器断线等故障。考虑到传感器精度、调整值及外界干扰等因素的影响，PLC 程 序中将电流或电压信号持续 1 秒低于 3mA（即 PLC 内部数值 150）视为传感器 故障。PLC 程序中，当给出电机运行信号而电机不运行（电流信号小于 ZOA） ， 即判断为外部故障。 为了能区分是哪台空压机发生故障，应在对应的停车工序设置一个闪烁电 路，然后把引起故障的触点与闪烁电路的输出触点相串联以驱动电铃和信号灯， 电铃和信号灯应安装在调度室以及维修人员的值班室，即实现声光报警。 4 系统硬件设计 4.1 主电路设计 本系统的硬件部分主要由空压机 PLC、变频器、现场仪表、受控设备、执行 器、带有串行通讯接口的设备（如空压机、冷干机等） 、监控计算机等组成，实 现了操作简单、无人值守的目的；具备良好的实时调节功能，防止了人为因素滞 后；并具有高可靠性和稳定性，减轻了工作人员负担，节省了人力成本。 在硬件设计中， 采用一台变频器控制两台台空压机的电机运行 “一拖多” （即 方式） ，每台电机的运行有变频、工频两种状态，每台电机都需要通过两个接触 器与工频电压和变频输出电源相连。变频器、电机的输入电源前面均接入断路器 QF，实现电机、变频器的过载保护，断路器的额定电流应依据电机的额定电流 12 确定。在 PLC 的 220V 输入电源前也需接入断路器，保护 PLC 的正常运行。所 有接触器的规格都要依据电机的容量合理选择。 系统主电路如图 10 所示： 4.2 控制电路设计 由于每台电机的工作电流都比较大，为了显示电机当前的工作电流，必须在 每台电机三相输入电源前面都接入一个电流互感器，电流互感器和热继电器、电 流表连接。电流表安装在控制柜上，可方便地观察电机的三相工作电流，便于操 作人员监测电机的工作状态，同时热继电器可以实现对电机的过热保护。 变频器主电路电源输入端子（U1，V1，W1）经过断路器与三相电源连接， 变频器主电路输出端子（R，S，T）经接触器接至三相电机上。对于有变频/工频 两种状态的电机， 一定要保证工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机 旋向的一致性，否则在变频/工频切换过程中会产生很大的转换电流，导致转换 无法成功。在变频器启动、运行和停止操作中，必须用触摸面板作为人机交互界 面进行运行、停止等操作，不得以主电路的通断来进行。 系统控制电路如图 9 所示： 图 9 系统控制电路图 电路图中，与接触器线圈并联的是 RC 抑制器（电容与电阻串联） ，用于缓 冲接触器线圈的过电压冲击，从而保护 PLC 免受损坏。 控制回路的设计首先要考虑的是弱电和强电之间的隔离问题。 在整个控制系 统中， 所有的控制电机接触器都是按照 PLC 的程序逻辑来完成的。 为了保护 PLC 这一核心设备，PLC 输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过并联 RC 抑制器来缓冲其过电压冲击。在 PLC 输出端口和交流接触器之间引入 RC 抑制 器，其目的时为了实现系统中强电和弱电之间的隔离，保护系统及 PLC 本机， 延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性15。RC 抑制器的规格可根据电路 实际电流大小选择。 13 图 10 系统主电路图 图中，KM1、KM2 与 KM3、KM4 分别是电机 1、2 工频、变频运行方式的控制触点。 14 控制电路中存在电路之间的互锁问题，由于控制系统时实现组内自动循环， 所以在实现组内互锁的时候， 严禁出现一台电机同时接在工频电源和变频电源的 情况，同时要求变频器在同一时间只与一台电机连接。为了安全考虑，除了在 PLC 控制程序中增加互锁环节外， 还应在控制回路中通过交流接触器的触点进行 硬件互锁。 空压机在启动前需要将排气阀打开进行卸荷，然后启动空压机，之后再关闭 排气阀进行带负载运行。 改造后控制系统中在排气阀处添加了电磁阀进行自动控 制，真正实现了空压机运行的自动化。 控制电路中还必须考虑系统电机和空压机的当前工作状态指示灯的设计， 为 了节省 PLC 的输出端口，在电路中可以采用 PLC 输出端子的中间继电器相应的 常开触点的断开与闭合来控制相应电机和空压机的指示灯的亮灭， 以指示当前系 统电机和空压机的工作状态。 4.3 PLC 选型 4.3.1 PLC 性能指标的确定 根据主电路和控制电路的设计， 可统计出本系统共有 2 台电机、 个电磁阀、 2 7 个压力传感器、2 个温度传感器，以及启动停止等开关控制信号共 11 个，共有 41 个 I/O 点，它们构成了 PLC 的控制对象。电机的启动由开关量控制，PLC 模 拟量模块输出 420mA 电流作为变频器的控制端输入，进行气压的恒压控制。同 时，需要考虑 PLC 与变频器的通讯接口的匹配问题。 现将系统中需要的 I/O 点归纳如表 1 所示，其中模拟量输入信号包括控制和 检测两部分： 根据被控对象的 I/O 点数、扫描速度、自诊断功能，以及系统的应用领域、 经济性、采集数据的类型、数据程序所需的内存大小等方面的考虑，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 个数字量的 I/O 点，可连接 7 个扩展模 块，最大可扩展至 248 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。CPU226 有 16KB 的用户程序存储空间和 10KB 的数据存储空间， 个独立的 20kHZ 高速脉冲输出， 2 具有 PID 控制器， 可提高标准的 24VDC 输入输出电压。 CPU226 配有 2 个 RS-485 通信编程器，具有 PPI 通信、MPI 通信和自由方式通信的能力，用于有较高精度 和稳定性要求的中小型控制系统16。 现将 S7-200 系列 PLC 的 5 种类型 CPU 的主要技术参数进行归纳比较，以 便于明确其各自的特点，如表 2 所示（表中“功耗”项只列出了 DC24V 型电源 的参数） ： 15 表 1 控制系统输入/输出点数 I/O 类型 模拟量输入 类型 数量 模拟量输出 类型 控 1 制 系统 1 系统 1 2 数量 开关量输入 类型 数量 开关量输出 类型 数量 2 2 信 号 类 型 1 1 2 2 2 2 系统 1 2 2 2 2 2 / 1 2 2 2 1 2 1 统 点数 AI 9 AO 1 41 DI 11 DO 20 表 1 2 量 控 系统 关 系统 系统 系统 系统 系统 系统 PLC 开关量 PLC 控制系统出 16 控制 开关 控制 表 2 S7-200 系列 PLC CPU 主要技术参数 主要参数 PLC 结构类型 最大可连接的开关 10（6/4） 量 I/O 点数 最大可连接的模拟 无 量 I/O 点数 基本单元集成的 10（6/4） I/O 点数 可增加的扩展模块 无 数 用户程序存储器容 4KB 量 数据存储器容量 编程软件 逻辑指令执行时间 标志寄存器数量 定时器数量 计数器数量 高速计数输入 高速脉冲输出 通信接口 支持的通信协议 口 模拟电位器 功耗（DC 电源） 电源消耗（mA） 1 点，8 位分辨率 6W 450 7W 500 10W 700 2 点，8 位分辨率 11W 900 17W 1050 4 点，30kHz 2点 1 个，RS-485 PPI、 MPI、 自由 PPI、MPI、自由口、PROFIBUS-DP 4 点，30 kHz 2点 1 个，RS-485 2KB 2KB 8KB Step7-Micro/WIN 0.22 s 256 256 256 6 点，30kHz 2点 1 个，RS-485 6 点，30kHz 2点 2 个，RS-485 6 点，30kHz 2点 2 个，RS-485 10KB 10KB 4KB 8KB 12KB 16KB 2 7 7 7 14（8/6） 24（14/10） 24（14/10） 40（24/16） 10 35 38 35 78 168 168 248 CPU221 固定 I/O 型 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 基本单元+扩展型 4.3.2 CPU 的 I/O 接口分配 S7-200PLC 采用的是自动分配型地址分配方式。CPU 模块本身带有集成的 I/O，这些 I/O 具有固定不变的地址，地址从字节 0 开始分配；通过扩展模块， PLC 可以增加 I/O 点， 扩展模块布置在 PLC 模块的右侧。 扩展模块的 I/O 地址取 决于模块的类型与模块在扩展连接中的安装位置。 根据表 1 中的输入和输出量可确定 CPU226I/O 的接口及内部寄存器分配如 17 表 3 和表 4 所示： 表 3 I/O 接口分配表 输入 系统启动 系统停止 紧急停止 机组 1 启动 机组 2 启动 机组 1 停止 机组 2 停止 手动/自动转换 1#机组检修指示 2#机组检修指示 报警复位 总管压力输入 电机 1 温度输入 电机 2 温度输入 储气罐 1 压力输入 储气罐 2 压力输入 1#机组润滑油压力输入 2#机组润滑油压力输入 I#机组冷却水压力输入 2#机组冷却水压力输入 SB0 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 AIW8 AIW10 AIW12 AIW14 AIW16 1#机组工频运行 1#机组变频运行 2#机组工频运行 2#机组变频运行 1#机组电磁阀 2#机组电磁阀 1#机组运行指示灯 2#机组运行指示灯 1#机组检修指示灯 2#机组检修指示灯 手动运行指示灯 1#电机超温指示 2#电机超温指示 1#储气罐超压指示 2#储气罐超压指示 1#机组润滑油超压指示 2#机组润滑油超压指示 1#机组冷却水低压指示 2#机组冷却水低压指示 系统警报 变频器模拟控制信号 输出 KM1 KM2 KM3 KM4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5