基于PLC的装配线空压控制系统的改造设计

摘 要在现代生产力不断提高的情况下，建设无人值守的空压站，是一个社会发展过程中的必然选择。本文主要 论述了一种基于PLC的装配线空压机控制系统的改造设计方案，采用PLC 对空 压机进行自动控制改造，实现空压机的远程控制和生产设备的集中控制。在改造原有系统的基础上，将空压机电机的直接启动控制方式改为变频控制，减小对系 统电网的冲击和节约能源，同时制定了具体实施的控制方式、设备启停步骤、软件功能、功能 扩充、 报警系统。并利用相应的控制算法，实现供气的恒定，提高供气 质量和效率，保 证各项工作的安全生产。关键词：PLC ，变频控制，自动控制The design of Air assembly line based on PLC control systemAbstractIn a situation that modern productivity is improving constantly,it is an important project of assisting to pigeonhole while being empty and stand and build.Produce all place empty to press capital equipment allocated to stand for centrifugal air compressor,desiccator in a lot of freezing type air,make up the air supply system of the compressed air through gas tank,joining pipe.The main content of this text is to describe transforming the design plan of a kind of air compressor control system of assembly line based on PLC Key words：PLC,frequency conversion,Auto control目 录1 绪论 .12 系统构成及工作原理 .12.1 设计方案的确定 .12.2 系统构成 .22.3 工作原理 .32.4 控制过程 .32.4.1 恒压控制 .32.4.2 节能控制 .43 硬件电路设计 .43.1 PLC 可编 程控制器部分 .53.1.1 PLC 概述 .53.1.2 PLC 选 型和性能指标 .73.1.3 PLC 内部分配 .73.1.4 输入输出外部接线 .73.2 模数转换模块 .93.3 传感器部分 .113.4 变频器部分 .123.5 监控对象空压机 .133.6 系统的保护及故障警报的发出 .144 系统的软件设计 .144.1 系统的总体框图设计 .144.2 程序的结构及程序功能的实现 .164.2.1 系统的初始化程序 .164.2.2 系统的主控制程序 .164.2.3 系统的中断程序 .175 结束语 .17致谢 .17参考文献 .19附录 .2011 绪论在现在工业生产中，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 的空压机供气控制方式大都是采用加、卸载控制方式。该控制方式虽然原理简单 、操作 简便，但是存在能耗大、进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。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 动控制技术的高度 发展和应用，使 变频器的 节能效果更为显著，它不但能实现无级调速，而且在 负载不同时，始 终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、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、变极调速、滑差调速、交流串级调速等)具有更大的优势 ，变频调速性能稳定、调速范围广、效率高。 为此本文采用 PID 技术和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造。整个工作系统的安全性和稳定性都有了很大提高，节能效果显著， 实用性好。2 系统构成及工作原理2.1 设计方案的确定传统的空压机控制系统采用开环方式，压力系统通过压力调节器来控制空压机的载荷与卸荷。当风包压 力超过设定的上限值时 ，压力调节器控制空压机卸荷，当风 包压力低于设定的下限值时， 压力调节器控制空压机载荷，空 压机和电动机满负荷运转 1。这种运行方式的缺点：（1）压风系统采用开环控制方式 ，供 风压力在上、下限之间波动，不能保证恒压供气。当压力达到设定的高限时，卸荷 阀关闭，空 压机和电动机空运转，当压力达到设定的低限时，卸荷 阀打开，空 压机和电动 机满负荷运转， 这种运行方式过于频繁地起动设备和电动机，对电网和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。 （2）空压机的电动机直接起动或电动机转子串电阻起动，起动时的电流很大，对电网和机械设备造成很大的冲击，缩短机械设备的寿命。 （3）空压机空运转时，其拖动电机还保持运转，其消耗的电能约为其额定值的 30 %左右，严重地浪费电能。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，成本加大，另外，空压机运行一段时间后温度升高很快，需要频繁地切换空压机。本设计采用变频器的控制，变频器设有压力闭环控制和开环控制手动调节两种控制方式，有一个选择 开关可以进行选择。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的转速，保持空压机的供风压力恒定为设2定值。在变频器控制柜的柜门上设有供风压力设定的电位器和数字显示，操作司机可方便地设定供风压力。为了使压力变送器发生故障时，变频系统也可以应急工作，变频器也可以使用电位器手动调节电机的转速，在一定范围内调节空压机的供风压力。在变频控制柜上的柜门设有变频故障复位按钮，在变频器发生故障时，操作工可方便地对故障进行复位。把空 压机原有的监控装置的接点引入变频器控制回路进行联锁 ，当空压机的压力、温度等参数超过高限值或出现断气信号时，自动停止变频运行。别外，在空 压机拖动电机底部 设置一个冷却风扇，当电机低速运转时对电机进行冷却，起到很好的效果。PLC 作为装配 线空压机控制系统主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现空气压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字 PID 调节;它还控制空压机的运行与切换，在多台空 压机组恒压供气站中，为了使设备均匀的磨损，空压机是轮换的工作 2。如 规定和变频器相连接为空压机(空压机也是轮流担任的)，主空压机在运行时达到最高频时，须增加一台工频机投入运行。PLC 则是机组管理的执行设备，同时还是变频 器的驱动控制。恒 压供气站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用 PLC 的模拟量控制模块，该 模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号， 输出端送出经给定值与反馈值比较并经 PID 处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，空 压站的其他控制逻辑也由 PLC 承担，如:手动、自动操作转换，空压站的工作状态指示，空压站的工作异常的报警，系 统的自检等等。2.2 系统构成本系统是采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制空压机组的调速运行，并自动调整空压机组的运行台数，完成空气压力的闭环控制，在管网流量变化 时达到稳定空气压力和节约电能的目的。系统的控制目标是空压机站总管的出口空气压力，系统设定的给定空气压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差 值输入 CPU 运算处理后，发出控制指令，控制空压机的投运台数和运行变量电动机的转速，从而达到空气总压力稳定在设定的压力值上。恒 压供气就是利用 变频器的 PID 或 PI 功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(420)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置 PID 运算将结果转换为频率调节信号调整电机的电源频率，从而实现控制空压机转速成。可编程控制器为本系统的逻辑控制部件，是整个控制系统的核心部分， 选用了德国西门子公司的产品，型号为 S7-200。其输入输出模块均为继电器型节点，非常适合本系统的控制需要。变频 器为无级调节空 压机电机速度的部件，是系统的传动部分， 选用了西门子公司的产品，该变频器采用 MM440 模块，可大大降低电机高频噪声，减少3对电网的污染，同时也能降低空压机电机温升，系 统构成如图 1 所示。图 1 系统框图2.3 工作原理本系统采用闭环控制。启动前，工 矿企业根据生产情况，把生产所需的管网压力通过 PID 设定给系 统。启动后，系统以管网压力作为反馈， 把同时工作的空压机分成两组。在计算机 (PLC)控制下，由 变频调 速器控制其中一台异步空压机的转速，降低或提高当前机 组的供气量，在小范 围 内稳压；其余空压机当前机组由(PLC)人机对话系统通过继电器- 交流接触器控制装置，自动启、停工频运行，在大范围内满足管网压 力的需要 3。从而达到了系统既保持管网压力的恒定，满足生产的需要，又节约能源的目的。空压系统的整体自动调控一般可以使用以下方法来实现：采用 PLC 系统进行通讯和控制。 该 方法可靠性高，适用于工 业控制系统。当 监控计算机出现 故障时， PLC 还可以按照 设定的程序进行自动控制。除空压供气系统自控外，空 压站可与制冷站、 热力站系 统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控， 实现真正的无人值守。2.4 控制过程2.4.1 恒压控制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， 压力传感器把当前管网压力转换成 420mA 电流信号送给 PID， PID 与 设定值比较，如发现压 力偏低或偏高，一方面向 PLC 发出调压申请，另一S7-200可编程控制器1#定子温度传感器1#轴承温度传感器2#空压机组2#轴承温度传感器2#定子温度传感器1#空压机组空气压力传感器空气压力传感器1EM231扩展模块开关信号声光报警控制回路EM235扩展模块 变频 器 2变频 器 14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，如是压力偏低信号，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;如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，在大范围调压，提高管网压力，如此往复直至最后一台空压机的压力合适，正常运行为止。当 PLC 检测到管网压力过高时，检查变频 器运行状态，如已运行在频率低限(30Hz)，则命令系统依次停工频运行的空压机，直至压力合适。控制过程如图 2 所示：图 2 控制过程2.4.2 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。根据异步机转速公式： n= 60f (1- S)p （1）在磁极对数不变的前提下，改变电源频率，就可 实现异步机的无级调速。而又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；轴功率与转速三次方成正比 4。因此，系统可根据空气压力大小变频降速，降低空压机功耗，实现节能目的。3 硬件电路设计传统硬件控制系统采用空压机设备与控制系统的配合使用。空压机设备自身带有的 CMC 控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有LCD 显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有 RS422/485 通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。空压站的自控系统通过 plc 可编程控制器，将部分空压机的 实时运行数据通过 RS422/485 通讯接口采集进 PLC控制系统，并将数据传送到 现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。空 压机设备自带的 CMC 控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空 压系统的整体调控能力。在空压系统中，相 对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有更重要的意义。在已有的 PLC 系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空 压机自PID压 力 给定量 SP 偏差 e PID 输出 Y 过程变量压力反馈量 PV_+变频调速系统5带的 CMC 控制器提供了 RS422/485 通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制 5。除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到 RS422/485 网络中来，实现空压供气设备的全面自控。除空压供气系统外，空 压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后， 输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。本设计系统主要由 plc、变频器、空 压机组成。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。 实现操作简单，无人值守；良好的实时调节，防止了人为因素滞后；具有高可靠性；减轻工作人员负担；节省人力成本。需要控制的参数和可能的控制方式。空压站需要的控制需求；高、低压 供气压力控制（机 组自动开停控制）；系统自动供压控制；空压机温度控制；自动报警控制等等。3.1 PLC 可编程控制器部分3.1.1 PLC 概述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，专为在工业现场应用而设计，它采用可 编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算 术运算等操作指令，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、输出接口、I/O 扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。内部结构如图 3 所示：图 3 PLC 内部结构CPU 单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存 储器以及工作数据存储输 输 入 出单 单元 元 电源部分CPU存储器编程器或其他编程单元电磁阀接触器行程开关继电器触点按钮指示灯6器等组成，它是 PLC 的核心部件，是由大规模或超大 规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存 储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地 执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用 户 程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。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 是随机的，只有 经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以 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 读存储器在两种，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 经过擦除以抂这可以重写。其中 EPROM 只能用紫外线探险 内部信息， E2PROM 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。输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是 PLC 与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。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， 输 出模块具有隔离 PLC 内部电路和外部 执行单元的作用， 还具有功率放大的作用。输出模块有晶体管输出模块、晶 闸管 输出模块和继电器输出模块。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。它使 PLC 的控制规模配置得更加灵活。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单元及通信适配器等。编程器接口是连接编程器的，PLC 本体通常是不带编程器的。为了能 对 PLC 编程及 监控，PLC 上专门设置有 编程器接口。通过这个接口可以接各种形式的编程装置， 还可以利用此接口做通信、监控工作。存 储器接口是为了扩展存储器而设置的。用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的，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。3.1.2 PLC 选型和性能指标根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、 I/O 点数、以及 设置数据需要7得内存大小，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 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量I/O。CPU226 有 13KB 程序和数据存储空间，6 个独立的 30kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。CPU226 配有 2 个 RS-485 通信编程口，具有 PPI 通信、 MPI 通信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。3.1.3 PLC 内部分配CPU226I/O 接口及内部寄存器分配如表 1 和表 2。表 1 内部存储器使用触摸屏 PID 参数设定置 VW10 风机组启动位 M00触摸屏 PID 参数增益 VW12 手动、自动转换 M01触摸屏 PID 参数采样时间 VW14 电机急停 M02触摸屏 PID 参数积分时间 VW16 自动空压机组 1 启动位 M10触摸屏 PID 参数微分时间 VW18 自动空压机组 2 启动位 M11PID 反馈量（PVn ） VD100 手动空压机组 1 启动位 M12PID 给定置（SPn） VD104 手动空压机组 2 启动位 M13PID 输出置（Yn） VD108 防止空压机组 1 频繁启动位 M14PID 增益（KC ） VD112 防止空压机组 2 频繁启动位 M15PID 采样时间（T） VD116 压力下限位 M20PID 积分时间（TI） VD120 空压机组 1 轴温报警位 M200PID 微分时间（TD） VD124 空压机组 1 轴温断电切换位 M201模拟输入压力值存储 VD128 空压机组 1 定温报警位 M202压力下限存储 VD132 空压机组 1 定温断电切换位 M203空压机组 1 轴承温度 VD180 空压机组 2 轴温报警位 M204空压机组 1 定子温度 VD184 空压机组 2 轴温断电切换位 M205空压机组 2 轴承温度 VD188 空压机组 2 定温报警位 M206空压机组 2 定子温度 VD192 空压机组 2 定温断电切换位 M207手动报警 VD1963.1.4 输入输出外部接线CPU226 接线规则如下：（1）DC 输入端中 1M、I0.0I1.4 为第 1 组， 2M、I1.5I2.7 为第 2 组组成，1M、2M 分别为各级公共端。DC24V 的负极接公共端 1N 或 2M。输入开关的一8端接天 DC24V 的正极，输入开关的另一端连接到 CPU226 各输入端。 DC 输出端中 1M、1L+、Q0.0Q0.7 为第 1 组， 2M、2L+、Q1.0Q1.7 为第 2 组组成。1L+、2L+分别为公共端。第 1 组 DC24V 的负极接 1M 端，正极接 1L+端。输出负载的一端接到 1M 端，输出负载的另一端接到 CPU226 各输出端。第 2 组的接线与第 1 组相似。接继电器输出端的 1L 端。 负载的另一端分别接到 CPU226 各继电器输出端子。第 2 组的接线与第 1 组相似。根据接线规则， PLC 输入/ 输出接线和变频器接线图如图 4 所示。表 2 I/O 接口分配表输入 输出空压机启动 SB1 I00 空压机组 1 输出 KM1 Q00空压机停止 SB2 I01 空压机组 2 输出 KM2 Q01手动自动转换 SB3 I02 工频输出 KM3 Q02空压机组选择 SB4 I03 空压力下限指示灯 L1 Q04变频工频转换 SB5 I04 空压机组 1 运行指示灯 L2 Q05报警解除按钮 SB6 I05 空压机组 2 运行指示灯 L3 Q06空压机组 1 转子测速器输入 SB7 I06 空压机组 1 温度上限指示灯 L4 Q07空压机组 2 转子测速器输入 SB8 I07 空压机组 2 温度上限指示灯 L5 Q10急停 SB9 I10 蜂鸣器 1 Speaker Q11压力传感器输入 1 AIW0 急停指示灯 L6 Q12压力传感器输入 2 AIW2 空压机组错选指示灯 L7 Q13空压机组 1 轴温度传感器输入 AIW4 空压机组 1 机械故障指示 L8 Q14空压机组 1 定温度传感器输入 AIW6 空压机组 2 机械故障指示 L9 Q15空压机组 2 轴温度传感器输入 AIW8 手动指示灯 L10 Q16空压机组 2 定温度传感器输入 AIW10 自动指示灯 L11 Q17压力模拟量输出 QW0（2） DC 输入继电器输出端与 CPU226 的 DC 输入 DC 输出的相同。继电器输出端由 3 组构成，其中 N（-）、1L、Q0.0Q0.3 为 第 1 组， N（-）、2L、Q0.4Q1.0 为第 2 组， N（-）、3L、Q1.1Q1.7 为第 3 组。各组的公共端为1L、2L 和 3L。第 1 组负载电 源的一端 N 接负载的 N（-）端，电源的另一 L（+）。KM12LQ0.6 L3Q0.4 L1Q0.5 L2Q0.7 L4Q1.0 L53LQ1.6 L10Q1.7 L1Q1.2 L6Q1.3 L7Q1.4 L8Q1.5 L9Q1.1 SpeakerQ0.0KM2Q0.11LKM3Q0.21MI0.0SB1I0.1SB2I0.2SB3I0.3SB5I0.5SB7I0.6SB8I0.7SB9I1.0SB10SB69图 4 PLC 输入/ 输出和变频器接线图3.2 模数转换模块模数转换模块分为 A/D 转换模块和 D/A 转换模块。PLC 模拟量处理功能主要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到 PLC 中。 PLC根据生产实际要求，通过用 户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。表 3 EM231 性能指标型号 6ES7231-7PD22-0XA0 模块更新时间 405ms10模块名称及描述 EM231 模拟输入热电偶 4 输入 数据字格式 -32767 到+32767尺寸（mm） WHD 7128062 基本误差 01%FS（电压）重量 210g 冷端误差 15功耗 18W 重复性 005%FS+5VDC 87mA 导线长度 到传感器最长100m +24VDC 60mA 输入阻抗 1M 输入类型 悬浮型热电偶 最大输入电压 30VDC输入范围 TC 类型（选择一种）S，T，R，E，N，K，J 电压范围：+/-80mV输入滤波衰减 -3dbat21kHz输入分辨率 01/0115 位加符号位 24VDC 电压 范围 20428 8VDCPLC 模拟量扩 展单元的配置及应用， PLC 的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使 PLC 能完成模 拟量的处理，常见 的方法是为整体式 PLC 加配模拟量扩展单元。模拟量扩 展单元可以将外部模拟量转换为 PLC 可处理的数字量及将 PLC 内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单 独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/ 模两种功能的。如用 S7-200 系列 PLC 的模 拟量扩展模块 EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒 压供气控制中。本系统设计有 6 路模拟量输入和 1 路模拟量输出，其中有四路是温度传感器输入。所以本设计选用一 块 EM231 热电偶模拟量输入模块，该模块完成四路温度传感器的模数字量转换功能；一块 EM235 模拟量输入输出模块，该模块完成两路传感器的模数转换和路数模转换功能。EM231 性能指标如表 3 所示。热电偶类型选择：EM231 热电偶模块是专门用于对热电 偶输出信号 进行 A/D 转换的智能模块。它可以连接 7 种类型的 热电偶（J ，K，E，N，S，T 和 R），还可以用于测量0+/-80mV 范围的低电平模 拟信号，所以使用 EM231 模拟量输入热电偶模块时，需要通过模块右下侧的设置开关进行心要的设置。对热电偶模块，其热电偶的类型通过设置开关 SW1、SW2、SW3 选择，如表 4 所示。表 4 热电偶类型选择热电偶类型 SW1 SW2 SW311J 0 0 0K 0 0 1T 0 1 0E 0 1 1R 1 0 0S 1 0 1N 1 1 0+/-80mV 1 1 13.3 传感器部分该控制系统中存在大量的模拟量信号，这些信号的输入都要通过传感器是进行模拟量采集，将采集的模 拟量信号送入 PLC 输 入模块进行模数转换，将 连续的变化量（大部分为 420mA 的电流信号，05V 或 010V 的电压信号）转换离散的数字量，存储到 PLC 内存里；输出是由模 拟量输出模块将我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信号或者电流信号。本系统模拟量传感器 HM23Y 矿井专用型压力变送器用于检测矿井的井巷气压，Pt100 铂热电 阻作为测 量温度用的传感器用于 检测风机组轴承和定子温度。要想正确的使用它们，首先了解各个传感器的性能指标。HM23Y 型压力变送器采用欧洲先进的溅射薄膜压力传感器作为敏感元件，和电子线路做成一体化结构该型号压力变送器为全不锈钢圆柱型结构，使用方便。特别 适用于井田测井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。并在国内油田得到很好的应用效果。 该压力变送器有高温、高压、高精度、高 稳定性、抗振动、冲击 、耐腐蚀全不锈钢结构、体积小、重量轻直接过程安装等特点。其性能参数如表 5 所示。Pt100 铂热电 阻作为测量温度用的传感器，通常和 显示仪表、 记录仪表及控制装置配套使用，测量范围 -50180。可以用在电机的轴承和定子测温，也可以用在纺织、机械、铁路机车等有需要测量温度的 场合。 该温度传感器采用德国进口薄膜铂热电阻元件， 产品质量达到 IEC751 国 际标准。铂电阻的电阻值随着温度的变化而变化。温度和 电阻的关系接近于线性关系，偏差极小，且 电气性能稳定。耐振动、可靠性高，同 时具有精确灵敏、稳定性好、产品寿命长和安装方便等优点。Pt100 铂电阻温度 传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，能够 准确的测出轴承或定子的温度并将它们传给 PLC 模数转换电路。当被测介质中存在温度梯度时，所 测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。表 5 HM23Y 型压力变送器性能参数12测量范围 005MPa220MPa过载能力 2 倍满量程压力( 其中 100Mpa 以上过压为 11 倍)压力类型 表压或绝压测量介质 与 316 不锈钢兼容的气体或液体供电电源 1236VDC(一般为 24V)信号输出 420mA/15VDC/05VDC/054 5VDC综合精度 01%FS 025%FS 05%FS长期稳定性 01%FS/年使用温度范围 -40+150补偿温度范围 -40+120零点温度系数：002%FS/温度性能灵敏度温度系数：002%FS/接液材料 膜片:17-4PN 连接件:1Cr18Ni9Ti响应时间 2 毫秒负载电阻 (U-10)/002绝缘电阻 100M，50VDC外壳防护 插头型（IP65）； 电缆型（IP67）安全防爆 Exia CT5重量 约 025 公斤3.4 变频器部分本系统选用的是西门子全新一代标准变频器 MicroMaster440 功能强大，应用广泛。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以 满足广泛的应用场合。其基本原理图如图 5所示：图 5 变频器基本原理图变频器的选用：变频器的选用应满足以下规则，变频器的容量应大于负载所需的输出；变频1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 10-May-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator变变变变变.ddbDrawn By:V1V2V3V4V5V60.5Us0.5UsO M3UVW 013器的容量不低于电机的容量；变频器的电流大于电机的电流。由于本设计以空压机组 230kW 为例，因此可选用 37kW，额定电流 75A 的变频器。考虑到改进设计方案的可行性，调速系统的稳定性及性价比，我 们采用西门子MM440，237kw， 额定电流为 75A 的通用变频器。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性， 同 时具备超强的过载 能力， 可以控制电机从静止到平滑起动期间提供 3S，有 200 的过载能力 。变频器参数的设置：负载为一大惯性负载， 在停车时， 为防止因惯性而产生的回馈制动使电压过高的现象， 加入制动电阻，斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式 R2Ud1P (0.30.5)选取。式中： U 为变频器直流侧电压，d 为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与 37kW 电机配套的制 动电阻响和对转速调整的要求，系统用模拟量输 入作为附加给定，与固定频率设定相叠加以满足不同型号模具特殊要求。制动电 阻的热敏开关 4BD22-2EAO，1.5Q，2.2kW 4。变频器的接线图如图 6 所示。图 6 变频器接线图3.5 监控对象空压机空压机又叫空气压缩机(英文为：air compressor)是气源装置中的主体，它是将原动机( 通常是 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。空气压缩机的种 类很多，按工作原理可分为 容积式压缩机，容 积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高EM235 模拟量输入输出模块压 力传 感器 1传感器 4压力传 感器 2KM3QW0+QW0-AIN1+AIN-34M3220VQMM44014压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。往复式压缩机(也称活塞式压缩机) 的工作原理是直接压缩气体，当气体达到一定压力后排出。在本设计中根据我们的具体要求选择空气压缩机，空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。气源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高 20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。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），可根据实际需求来选择。常 见使用压力一般为 0.7-1.25MPa。 3.6 系统的保护及故障警报的发出本系统中，PLC 所能检测 到的故障有:电动机转子回路接触器发生熔焊而不能起动、 电动机过载、冷却系统断水、空 压机无润滑油、压缩气体温度过高。上述故障出现时，对应的空压机停止并起动处于备用状态的空压机，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驱动电铃与信号灯，电铃与信号灯应安装在调度室与维修人员的值班室。4 系统的软件设计本设计系统中采用软件来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各 设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息采集，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。在系统实施过程中， 还可引入故障检测 和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。4.1 系统的总体框图设计本系统主要实现如下的控制目的：每天在不同时间段时能自动开机与关机;根据储气罐的压力自动间断地开机关机；各台空压机轮换运转，当运行中的空压机出现故障时，自动起动备 用的空压机并报警通知维修人员及时维修。PLC 开机时进入初始步 S010，若 SA 设置为“自动” 则进入 S011，待当天开机 时刻到达时，进入 1、2、空压机的并行分支 S013、S014。现以 1 空压机为例分析，若当天的日期被 3 整除的余数不是 1，则起动 1 空压机(S111) ，起动结束后 (设定起动时间为 90s)切换至正常运行状态(S112) 。在运15行过程中，若储气罐的压力超过 800 kPa 时 ，减荷阀动作，空压机空运转; 当时间超过 10min 时，则空压机暂时停车(S113);当压力低于 755686 kPa 时，判断其他空压机是否正在起动，若有延时 2min 再起动 1 空压机，若无则直接起动 1空压机。在进入步 S013 时，若当天的日期被 3 整除后的余数为 1，则不起动 1 空压机(S016)处于备用状态 ，其 间若 2、3 空压机发 生故障且本机无故障时，则进入 S111S114 的循环中。由于共用频敏变阻器，故起动 1 空压机时，也要判断频敏变阻器是否空闭。在整个起动或运行期间若发生故障，都进入步 S115 中，停机并发出警报 ，同时起动处于备用状态的空压机。2、3 空压机分别相继推迟 3 min 起动 ，工作过程与 1 空压机相同。当停机时刻到达时，都进入S115、S212、S217 步中，之后回到初始步。 总体框图如图 7 所示：图 7 系统总流程图4.2 程序的结构及程序功能的实现PLC 主程序初始化扫描结束手动控制自动控制温度状态采集数据 转换压力中断 PID 运算压力采集 1 压 力采集 2报警电路164.2.1 系统的初始化程序系统的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能来 实现 PID 控制的定时采样及输出控制。初始化子程序流程框图如图 5。在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其主要的用途为节省大量的扫描时间加快整个程序的运行效率，提高了 PID 中断的精确度。上电处理的作用是 CPU 进 行清除内部继电器，复位所有的定时器， 检查 I/O 单元的连接。4.2.2 系统的主控制程序系统的主控制程序功能最多，如空压机