基于西门子LOGO！控制的驼峰空压站风源监控设计

广西科技大学毕业设计（论文）说明书课题名称 基于西门子 LOGO！控制的驼峰空压站 风源监控设计 系 别专 业班 级学 号姓 名指导教师2013 年 5 月 22 日广西科技大学本科生毕业设计说明书I摘要驼峰空压站风源监控系统是适用于驼峰（或其他）空压站，可控制空压机的计算机集成系统。当前工业控制器主要用 PLC 来设计驼峰空压机风源监控系统，其设计相对简单、效率高、稳定性好。相比之下，西门子 LOGO!比 PLC 更加便宜，实用，性价比更高，选择 LOGO！来完成该设计适应了技术发展的主流。该系统实现对空压站进行稳压控制,气压过高时自动停机,主机和辅机自动倒机和控制排污阀自动运行，保障系统能在安全有效的情况下运行。当出现油气温过高或排污阀堵塞等情况，系统则自动报警，从而避免了安全事故的出现。本系统还对当前时间、气压等数据进行实时监控，试使用者更加直观的了解当前系统的状态。本设计任务是运用数字控制技术，首先对西门子逻辑控制模块 LOGO！、变频器、三相交流电动机等基本硬件设备作了简明的介绍。在此基础上设计基于 LOGO！的驼峰空压机风源监控系统。运用 LOGO！设计的空压机风源监控系统的可自动控制特性，从而实现驼峰空压机系统的自动控制、报警功能和主辅机的控制。关键字: 驼峰，空压站风源监控，变频器，三相交流电动机广西科技大学本科生毕业设计说明书IIAbstractHump Air Station air supply control system is applied to the hump (or other) compressor station, a computer can control the air compressor integrated system. Current industrial PLC controller is mainly used to design the hump compressor air station air source monitoring system, its design is relatively simple, high efficiency and good stability. Comparatively, Siemens LOGO! Is cheaper than PLC, practical, the performance-to-price ratio is higher, chooses LOGO! Completed the design to adapted to the technological development of the mainstream. This system realization carries on the constant voltage control to the air pressure station, the barometric pressure excessively is high when the auto-stop, the main engine and the auxiliary engine automatic but actually machine and the control wash water valve automatic movement, the safeguard system can move in the safe effective situation. When appears the oil temperature excessively to be high or situations and so on wash water valve jamming, then system auto-alarm, thus has avoided the security accident appearance .This system also to current data and so on time, barometric pressure carries on the real-time monitoring, tries the user more direct-viewing understanding current system the condition.This design duty utilizes the numerical control technology, first to Siemens logic control module LOGO! The frequency changer, the three-phase AC motive and so on the basic hardware equipment has made the concise introduction. Based on this design is based on LOGO! Hump compressor air station air source monitoring systems.Using LOGO! The design air compressor source of trouble supervisory system may the automatic control characteristic, thus the realization camelback air compressor system automatic control, reports to the police the function and the host auxiliary engine control.Keywords: Hump, Compressed air station air source monitoring，Inverter ，Three-phase AC motor广西科技大学本科生毕业设计说明书III目录1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 南宁南站的基本情况 . 1 1.3 课题研究的目的和意义 . 1 2 系统主要内容和方案的选择 . 2 2.1 系统的主要内容 . 2 2.1.1 系统的主要性能指标 . 2 2.1.2 主要参数和要求 . 2 2.2 方案的选择 . 3 2.2.1 西门子 LOGO！的发展概况和优点 . 3 2.2.2 方案确定 . 3 3 系统的硬件设计 . 4 3.1 硬件设备 . 4 3.1.1 交流接触器 . 4 3.1.2 空气开关 . 4 3.1.3 西门子 LOGO！12/24RCE . 5 3.1.4 西门子 MM420 变频器 . 5 3.1.5 三相交流电动机 YS7114. 8 3.2 外围电路的设计 . 8 4 变频调速控制系统的软件设计 . 12 广西科技大学本科生毕业设计说明书IV4.1 编程软件的介绍 . 12 4.2 基于 LOGO！的控制程序设计 . 12 4.2.1 西门子 LOGO!12/24RCE 输入/输出分配 . 12 4.2.2 系统流程图和介绍 . 12 4.2.3 系统程序图 . 14 总程序图 . 22 结束语 . 23 致谢 . 23 参考文献 . 24 广西科技大学本科生毕业设计- 1 -1 绪论1.1 课题研究的背景在我国，铁路运输由于成本低、效率高、节能、环保等诸多因素，在我国占据着物流行业主导地位。驼峰场是铁路运输的枢纽，空压站作为驼峰场的核心动力组成部分，为自动化驼峰提供动力，直接影响车裂的解编效率和安全。驼峰动力空压站应保证能不间断地供给空压动力所需要的用气量，使车辆减速器、电空转辙机及其他驼峰气动设备可靠动作。同时，在断电情况下，空压站储气罐的压缩空气储存容量，应能保证使正在溜放中峰顶已摘钩的车辆所使用的道岔设备可靠转换，减速器进行有效地制动，摘钩的车辆平稳、安全地进入股道。空压机应有自动控制功能，当压力降低到设定值时自动启动，过压、超时时自动停机，还应有冷却设备对空压机冷却降温。为节省能源，空压机采用循环冷却水超温自动冷却，并应设置自来水直供补充功能。为了保护环境，动力空压站应设置废油收集器，对动力空压站排污集中回收。驼峰空压站系统需要对储气罐进行稳压控制，对油气温大小和故障进行检测并及时报警。1.2 南宁南站的基本情况南宁南站编组站位于广西南宁市境内，是我国西南重要的铁路交通枢纽，运输任务十分繁忙。南宁南驼峰空压站 1997 年开通使用，设有 3 台 10 立方活塞式（380v，,55kw）空压机，冷却方式为水冷。1.3 课题研究的目的和意义FY 型驼峰空压站风源监控系统是通过工业控制机把采集的开关量和模拟量加以分析比较，进行逻辑判断，从而对空气压缩机（以下简称空压机）进行自动控制的计算机集成系统。本系统建立了多种监控记录和报警功能，使设备严格按规范运行使用，为设备的安全运行提供了有效可靠的保证。若运行中空压机出现故障，可以立即报警停机，从而提高了人身和设备的安全性，并可根据计算机运行记录来查找故障，进行维修。目前，南宁南站驼峰空压站控制系统采用上位机和 PLC 控制。本设计旨在使用相对体积较小、成本较低、较为简单的西门子 LOGO！对其进行改造。达到降低成本，体现控制系统最大的使用价值。广西科技大学本科生毕业设计- 2 -2 系统主要内容和方案的选择2.1 系统的主要内容2.1.1 系统的主要性能指标FY 型驼峰空压站风源监控系统是适用于驼峰（或其他）空压站，对空压机、排污阀、报警器等设备进行控制的计算机集成系统。(一) 系统能把采集的信号加以分析比较，进行逻辑判断，对空气压缩机进行自动控制，保证驼峰供气管网压力稳定可靠。(二) 系统根据规范及标准，建立多种报警功能，使设备严格按规范运行使用。若运行中设备出现故障，可立即报警停机。(三) 系统能自动循环设定空压机主、辅机，实现空压机均衡运行，也可人工进行设置。(四) 空压机运行故障时，系统能自动将辅机升级为主机而立即运行，实现自动倒机和双击运行。(五) 系统能自动控制排污阀的打开与关闭，实现自动清理污垢的功能。(六) 系统根据实际应用的要求，通过设定压力值大小的方法实现空压机的有级调速，从而实现最优的系统功能。2.1.2 主要参数和要求报警内容（内容和参数可根据具体情况调整）：（1）油气温高 （2）排污阀堵塞（3）罐压过高表 1 主要参数系统要求：整个系统主要对空压站主辅机进行控制。实现主辅机自动运行和停止,运行时间的显示，控制等。控制排污阀的自动打开与关闭，和对空压站产生的污垢进行自动清理。还对空压站进行稳压控制，避免气压过大或过小，从而体现安全工作与生产的原则。对油气温和气压的大小进行自动检测，当出现油气温过高或排污阀堵塞等情况时，进行自动报警，提醒工作人员检查和排除故障。完全排除故障后系统才能继续工作。广西科技大学本科生毕业设计- 3 -2.2 方案的选择2.2.1 西门子 LOGO！的发展概况和优点LOGO!是西门子公司 1996 年开发的一种通用逻辑控制模块，目前已发展成为模块化的标准组件产品。通过主机模块与品种繁多的扩展模块相结合，LOGO!能够满足大量的自动化控制需求，如今已在楼宇智能、水处理、包装机械、水泵行业、货运装备、食物处理机械、木料加工机械、电梯控制、特殊车辆控制等领域有广泛的应用。（一）小型化体积小（宽厚高约为 72mm90mm55mm），质量大约为 190g，可以安装在35mm 的标准导轨上。（二）模块化LOGO！采用模块化设计，LOGO！模块分为本机模块、数字量模块、模拟量模块和通信模块。在工程应用中可以很方便地通过模块扩展达到控制要求。（三）性价比高由于 LOGO！内部不仅集成了各种继电器的功能，而且还具有许多特殊功能，如模拟量计算、PWM 输出及比例积分等功能，仅通过很小的一块 LOGO！就能实现烦琐复杂的继电器控制任务。与相同功能的继电器控制相比 LOGO！具有很高的性价比。（四）可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点容易接触不良，容易出现故障。LOGO！用软件代替大量时间继电器和中间继电器，仅剩下与输入/ 输出有关的少量硬件元件，使得接线量减少，因而触点接触不良造成的故障可以大量减少。（五）编程方法简单易学LOGO！有功能图和梯形图两种编程语言。（六）系统的设计、安装、调试工作量小LOGO！用软件代替大量时间继电器和中间继电器，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。用户程序可以用编程软件自带的仿真器进行仿真调试，大大地减轻了工作量。2.2.2 方案确定LOGO! 以其高稳定性能、高抗扰能力，高集成模块化的灵活性恰恰能够解决单片机的不足。如今，LOGO!控制系统已经广泛应用到家庭、商业建筑、工业等多方面当中，已经较为成熟。结合系统的主要内容和各实际情况，西门子 LOGO！是最适合本设计要求的设计方案。因此选用 LOGO! 控制系统作为控制核心。广西科技大学本科生毕业设计- 4 -3 系统的硬件设计3.1 硬件设备3.1.1 交流接触器图 1 交流接触器一 般 三 相 接 触 器 一 共 有 8 个 点 ， 三 路 输 入 ， 三 路 输 出 ， 还 有 是 控 制 点 两 个 。 输出 和 输 入 是 对 应 的 ， 很 容 易 看 出 来 。 如 果 要 加 自 锁 的 话 ， 则 还 需 要 从 输 出 点 的 一 个端 子 将 线 接 到 控 制 点 上 面 。 首 先 应 该 知 道 交 流 接 触 器 的 原 理 。 它 是 用 外 界 电 源 来 加在 线 圈 上 ， 产 生 磁 场 。 加 电 吸 合 ， 断 电 后 接 触 器 就 断 开 。 知 道 原 理 后 ， 就 应 该 弄 清楚 外 加 电 源 的 接 点 ， 也 就 是 线 圈 的 两 个 接 点 ， 一 般 在 接 触 器 的 下 部 ， 并 且 各 在 一 般 。3.1.2 空气开关图 2 DZ47-63 空气开关实物图空气开关，是指触头在大气压力下的空气中分合的断路器，是断路器的一种。空气断路器是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。广西科技大学本科生毕业设计- 5 -3.1.3 西门子 LOGO！12/24RCE图 3 LOGO！12/24RCE 实物图OBA7 有以下特点: （1） LOGO! 0BA7 基本模块集成以太网接口，轻松实现 LOGO! 0BA7 基本模块间，LOGO! 0BA7 基本模块与 SIMATIC S7 控制器，西门子人机界面产品间的以太网通讯；（2） 程序存储区最多支持 400 个功能块，是 LOGO! 0BA6 的 2 倍；（3） 数据归档功能，存储自定义过程数据到 LOGO! 内部存储区或标准 SD 存储卡；（4） 用户自定义函数，增加了功能的移植性，有利于优化程序结构；（5） 支持容量在 8GB 以下的标准 SD 存储卡和 SIMATIC MMC 卡；（6） 实时时钟掉电保持时间延长到 480 小时，是 LOGO! 0BA6 的 6 倍；（7） 8 位移位寄存器增加到 4 个,满足更加复杂的应用要求；（8） 诊断功能，可以通过软件或集成面板查看故障信息。3.1.4 西门子 MM420 变频器图 4 西门子 MM420 变频器广西科技大学本科生毕业设计- 6 -（一） 变频器的发展和应用变频调速是一项介于电力、电子和控制三门学科之间的边缘学科。变频器原用于交流电动机的调速，是应交流电动机无级调速的需要而产生。随着现代电力电子技术的不断完善及微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用和发展，变频技术得到了长足进步，变频器的各种性能日趋完美，其极大的简化了调速系统，解决了传统的调速系统无法解决的问题，成为现代电力传动技术的重要发展方向。对于各种调速领域已逐渐成为必不可少的设备，并成为最有发展前途的一种交流调速方式。把变频器用在变转矩的负载时，其节能效果尤其显著，现已经成为便转矩设备节电的最佳方式及选择。这也使得变频器在各行各业的调速系统及节能降耗中被越来越多地使用。（二） 西门子 MM420 结构及端口图 5 西门子 MM420 外部结构方框图广西科技大学本科生毕业设计- 7 -MM420 变频器的控制端口如表所示：端子号 标识符 功能1 +10V 输出+10V2 - 输出 0V3 ADC1+ 模拟输入 1（+）4 ADC1- 模拟输入 1（-）5 DIN1 数字输入 16 DIN2 数组输入 27 DIN3 数组输入 38 +24V 带电位隔离的输出 24V/最大.100mA9 - 带电位隔离的输出 0V/最大.100mA10 RL1B 数字输出 1 常闭触头11 RL1C 数字输出 1 常开触头12 AOUT+ 模拟输出 1（+）13 AOUT- 模拟输出 1（-）14 P+ RS484 串口15 N- RS485 串口表 2 MM420 变频器的控制端口（三） MM420 变频器的主要特性（1） 调试简单（2） 参数设置功能强大，参数设置的范围广，它可对广泛的应用对象进行配置（3） 有多种可选件供用户选用，包括与 PC 通信的通信模块、基本操作面板（BOP） 、高级操作面板（AOP）以及进行现场总线通信的 PROFIBUS 通信模块（4） 模块化的结构，因而组态具有最大的灵活性 （5） 具有三个完全可编程的隔离的数字输入（6） 一个可标定的模拟输入 (0V 至 10V);它也可以作为第 4 个数字输入来使用（7） 一个可编程的模拟输出(0mA 至 20mA) （8） 一个完全可编程的继电器输出(30V，直流/5A，电阻负载或 250V，交流/2A， 感性负载)（9） 采用较高的开关频率时，电动机运行的噪声很小(在脉冲的开关频率较高的情况下，额定输出电流要降格使用) 广西科技大学本科生毕业设计- 8 -3.1.5 三相交流电动机 YS7114图 6 三相交流电动机 YS711三相交流电动机 YS7114 参数：型号 YS7114 额定功率 0.25kw 频率 50Hz 额定电压 380V绕组接法 Y 额定转速 1400r/min 绝缘等级 B 工作方式 连续 1s表 3 三相交流电动机 YS7114 参数3.2 外围电路的设计本设计的电路有图 7 主接线图广西科技大学本科生毕业设计- 9 -（1）B1、B2、B3：空气开关（2）C1、C2、C3：交流接触器（3）HR1、HR2：热继电器图 8 主线路接线实物图图 9 控制线路（1）AL：排污阀故障（2）S1：故障解除开关（3）S2：主机已检查（4）S3：辅机已检查广西科技大学本科生毕业设计- 10 -图 10 MM420 实物接线由于实验室供于实物连接的器材有限，因此原有设计的程序中某些部分只能用一些现有的器材代替或仅使用软件进行模拟达到仿真效果，所以最终的效果有所欠缺。本次实物的连接只对主机部分进行了实物的运行，辅机只进行了在软件上的仿真。图 11 中气泵给储气罐打气过程模拟了系统中空压机的工作过程，图 8 中变频器控制电动机的转速模拟了系统中对空压机的运行速度的控制。图 11 气泵与储气罐实物连接图将压力变送器与储气罐连接，检测当前的气压值，压力变送器把模拟量信号送至控制器，并由控制器发出指令从而根据压力大小控制电机转速。广西科技大学本科生毕业设计- 11 -图 12 储气罐(1)图 13 储气罐(2)当系统运作过程中出现排污阀堵塞或油气温过高时，LOGO！控制器将会启动报警器，提示报警。具体程序设计和过程在第四章第二节第三点报警模块介绍中提到。图 14 报警器广西科技大学本科生毕业设计- 12 -4 变频调速控制系统的软件设计4.1 编程软件的介绍LOGO!轻松编程软件,即 LOGO!Soft Comfort 编程软件是西门子公司 LOGO!的用户程序编辑软件。该软件编辑操作简单,支持两种编程语言功能块和梯形图,非常适合于有电工基础及数字电子基础的技术人员使用。通过该软件可以在个人电脑上编辑和模拟 LOGO！的控制程序。之后，可以通过配置器电缆将其传输至 LOGO！中。本次程序编辑选择的是 LOGO!Soft Comfort V7.0 中文版。4.2 基于 LOGO！的控制程序设计L O G O !压力值报警 排污阀主机 辅机图 15 系统流程图4.2.1 西门子 LOGO!12/24RCE 输入/输出分配I1 排污阀堵塞 Q1 主机I2 油气温过高 Q2 排污阀I3 故障解除开关 Q3 辅机I4 辅机已检查开关 Q4 报警I5 主机已检查开关 Q5 继电器 1Q6 继电器 2Q7 继电器 3表 4 LOGO!12/24RCE 输入 /输出分配4.2.2 系统流程图和介绍根据控制任务，设计了 6 个功能：各部分组成的主机控制、辅机控制、排污阀控制、报警、调速和显示。广西科技大学本科生毕业设计- 13 -LOGO!控制器主机控制模块辅机控制模块排污阀模块报警模块调速模块显示模块图 13 原理方框图系统启动（ 主机启动 )运行 4 小时或达到设定压力值主机是否检查 ？辅机启动运行 4 小时或达到设定压力值辅机是否检查 ？Y E SN ON OY E S系统启动结束主机运行是否运行 3 0秒 ？排污阀打开Y E S是否运行 3 0秒 ？Y E SN ON O系统启动结束图 16 主程序流程图 图 17 排污阀流程图（1） 主辅机运行过程当启动程序，检测到储气罐压力低时，压力变送器把模拟量信号送至控制器，并由控制器发出控制命令，启动主机。储气罐压力上升至设定的辅机启动压力广西科技大学本科生毕业设计- 14 -（120Kpa）时，辅机启动，构成双击运行。压力达到设定辅机停机压力（150Kpa）时，辅机自动关闭。当压力上升至设定主机停机压力（220Kpa）时，主机自动关闭，下降至 180Kpa 时才会重新启动。 在此期间，主机运行到 4 小时后，自动关闭。当工作人员检查主机是否存在安全隐患之后，确定主机能够继续工作便按下主机已检查按钮，主机才能继续工作。同理，辅机运行达到 4 小时后也会自动关闭，重新运作需工作人员检查辅机后按下辅机已检查开关才能进行。（2） 排污过程在主机正常运行 30 秒后，排污阀自动打开，实现最终自动保护。设置延时接通的主要原因是为了避免经常性的短时间打开和关闭导致排污阀使用寿命减短。当排污阀运行 30 秒后将会自动关闭，为了避免污垢清除后排污阀空载，浪费能源和空载磨损器件。排污阀是否堵塞 ？油气温是否过高 ？报警故障是否解除 ？Y E SY E SY E SN ON O停止报警图 18 报警流程图（3） 报警过程当系统出现排污阀堵塞或者油气温过高的情况，西门子 LOGO!控制器便会控制报警器自动报警，达到提示的效果，让工作人员及时发现故障。当工作人员将出现的故障排除过后，手动按下故障已解除按钮，系统报警才会停止。4.2.3 系统程序图（一） 主机控制模块当系统启动，压力信号输入 AI1 为 0Kpa 经过模拟量阀值触发器 BOO1 判断使得主机 Q1 运作，气泵不断打气使得气压不断上升。当气压上升至 220Kpa 时主机停机。若气压不断下降，下降至 180Kpa 经过阀值触发器 B007 判断,从而使主机从新运作继续打广西科技大学本科生毕业设计- 15 -气，并重复上述动作。图 19 仿真气压为 0Kpa 主机运作图 20 仿真气压为 220Kpa 主机停止图 21 仿真气压为 180Kpa 主机从新运作在运行至上述任何状态时，若主机运行足够 4 小时（经 B010 运行小时计数器判断后）则自动停止，这是为了防止空压机长时间运作会引发一些不可预测的安全隐患。当工作人员对主机进行故障隐患检查过后，按下 I5 主机已检查按钮，这样主机才能从新开始工作。如若不然，无论压力到达任何能够启动主机的压力值时，都不能启动主广西科技大学本科生毕业设计- 16 -机。图 22 运行至 4 小时后主机停机图 23 主机检查后主机才能启动（二） 辅机控制模块压力信号经 B005 模拟量阀值触发器判断后，气压在 120Kpa 至 150Kpa 范围内时，当主机运行足 4 小时，辅机 Q3 将会启动。广西科技大学本科生毕业设计- 17 -图 24 仿真压力 140Kpa 时辅机运作辅机运行时间经 B004 运行小时计数器判断，足 4 小时后辅机自动停机。停止后需工作人员对辅机进行故障隐患的排查过后，按下 I4 辅机已检查按钮才能使辅机从新工作。然后不断重复主机与辅机的动作。图 25 仿真辅机运行 4 小时后图 26 辅机已检查（三） 排污阀模块排污阀 Q2 是整个系统中，确保空压机安全运行的模块，也叫安全阀。主机刚启动后，排污阀并非马上启动，待主机运行 30 秒（由 B002 保持接通延时定时器判断）后排污阀才工作。广西科技大学本科生毕业设计- 18 -图 27 仿真主机运行至 8 秒排污阀尚未启动图 28 仿真主机运行至 31 秒排污阀启动排污阀打开后工作，当主机运行至 60 秒以后即排污阀工作 30 秒（由 B013 保持接通延时定时器判断）后，排污阀自动关闭，避免了无污物排污阀做无用功。图 29 仿真主机运行 60 秒后排污阀关闭无论主机工作至任何时候，只要 I1 排污阀堵塞，排污阀都不会工作，此时并会触发报警模块。广西科技大学本科生毕业设计- 19 -图 30 排污阀堵塞使得排污阀关闭（四） 报警模块图 31 报警模块假设 LOGO!控制器的 I1、I2 分别是排污阀堵塞和气温过高。当出现排污阀堵塞或者油气温过高的情况，报警器 Q4 就会发出报警。当工作人员发现报警器报警，排除了故障之后，按下 I3 故障解除开关，报警器才停止报警。具体仿真如下图。图 32 仿真排污阀堵塞图 33 仿真油气温过高广西科技大学本科生毕业设计- 20 -图 34 仿真排污阀堵塞同时有气温过高图 35 仿真故障解除（五） 调速模块通过使用继电器 K1、继电器 K2、继电器 K3 和三个并联电阻实现对电动机的有级调速。根据压力值的不同，对调速分为三级，即低速、中速和高速三种。图 36 调速模块广西科技大学本科生毕业设计- 21 -分级 压力范围（Kpa）继电器 K1 状态 继电器 K2 状态 继电器 K3 状态高速 0-120 接通 接通 接通中速 120-150 断开 接通 接通低速 150-180 断开 断开 接通停止 180 以上 断开 断开 断开表 5 分级调速状态（六） 显示模块要求必须具有显示当前日期、当前时间和当前压力值功能图 37 显示模块程序在线测试时就能实时监控和显示气泵的气压，显示如图 2-13。图 38 在线测试显示当前数据广西科技大学本科生毕业设计- 22 -广西科技大学本科生毕业设计- 23 -总程序图图 34 总程序图广西科技大学本科生毕业设计- 24 -结束语利用通用变频器和 LO