PLC和变频器在离心风机控制系统中的应用

1、河南科技学院2008届本科毕业论文（设计）论文题目：plc和变频器在离心风机控制系统中的应用学生姓名： 张国强 所在院系： 机电学院 所学专业： 机电技术教育导师姓名： 刘法治 完成时间：2008年05月28日摘 要在目前的离心风机通风系统中离心风机普遍存在“大马拉小车”的现象，造成能源的大量浪费。为适应节能降耗要求，本文应用可编程逻辑控制器与变频器技术对原来离心通风系统进行改造，并对其控制原理、硬件选择、软件设计进行重点阐述。从而对传统的离心风机控制系统进行节能降耗改造，可以有效的解决以前通风压力波动大、系统故障率高、能源浪费严重等一系列问题。同时，系统具有自动和手动两种控制方式，便于对系统

2、进行维护修理，并能通过应用软件对通风系统进行监控和远距离控制。提高效率，实现自动控制。关键字：plc，变频器，自动控制the application of frequency converter and plc in centrifugal fan control systemabstractin the current centrifugal fan ventilation system in the centrifugal fan widespread the phenomenon of the mara car, causing a lot of energy wasted. in or

3、der to meet energy saving requirements, the paper application programmable logic controller and inverter to the original centrifuge technology to transform the ventilation system and its control principle, choice of hardware, software designed to focus on. thus the traditional centrifugal fan contro

4、l system of energy saving, can be an effective solution before the ventilation pressure fluctuations, system failure rate is high and the serious waste of energy, such as a series of problems. at the same time, the system has both automatic and manual control methods, to facilitate the repair of the

5、 system for maintenance and application software through the ventilation system for monitoring and remote control. improve efficiency and achieve control.keywords: plc, frequency converter, automatically control1 绪论空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备之一，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的

6、工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机的运行控制均将空压机输出的空气压力即管路储气罐压力作为控制对象。控制管路的空气压力在一定的范围内，即最高不超过气压管路和用气设备的安全容限(一般为0.7 mpa )，最低要满足用气设备的最低工作压力要求(0.4mpa)。为满足这一要求，空压机中普遍采用两种控制方法:（1）利用电动机频繁启动和停止来调节管路压力。这种方法，首先设定管路压力的上、下限。当管路压力上升达到设定上限时，电动机断电，空压机停止运行，管路压力随着现场用气和管路泄露逐渐下降。当压力下降至设定下限时，电动机

7、得电，空压机重新启动运行，管路压力又开始上升。如此周而复始。采用这种方式，管路压力不停地在压力上下限之间变化，控制简单，成本低，但电机启动频繁，对电网的干扰较大，只适用于小功率电动机的驱动。（2）利用空压机的压力气阀控制。当管路压力达到设定压力上限时，空压机与储气罐联接阀门关闭，空压机处于空载运行。当管路压力下降至设定下限时，空压机与储气罐联接的气阀打开，空压机输出压缩空气，管路压力上升。如此往复，整个运行过程电动机保持运行，避免了频繁起停，适用于大功率的电动机驱动。目前，空压机的运行采用第二种方法控制的居多。这种方法不考虑电动机的运行控制，对电动机只须设计其启动控制。对于空压机中的大功率电动

8、机的启动，一般采用两种方法，即线绕式异步电动机的转子串频敏电阻方法和鼠笼异步电动机的定子y-转换启动方法。线绕式异步电动机转子串电阻的启动方式，电动机的启动转矩大，而电机的启动电流冲击仍然很大，同时转子电刷机构增加了电动机的结构复杂性。鼠笼异步电动机定子y-启动，即电机启动时定子接成y形，电机正常运转时定子接成形，这样可以降低启动电流，但也降低了启动转矩，增加了相应的启动装置。总之，上述传统控制方式存在的问题是明显的：（1）管路空气压力波动较大，管路压力在设定上下限之间波动，气阀的故障率高；（2）空压机频繁加载、卸载造成电网电压波动大，以及损耗电量大；（3）空压机总处于高速运转状态，造成空压机

9、的机械故障增多和空压机的机体温度升高；（4）空压机运转噪声大，此噪声一方面由空压机高速运转产生，另一方面在空压机气阀动作时产生。针对以上存在的问题，采用plc1和变频调速技术对空气压缩机控制系统进行节能改造，该系统自动化程度高，节能效果显著，实用性好。2 plc和变频调速技术的简介2.1 plc控制系统特点和功能可编程序控制器（programmable logic controller:简称plc）是一种在工业环境应用下而设计的数字运算电子系统，他将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备，具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸

10、多优点。随着技术的进步，其控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，成为自动化领域的三大技术支柱（plc、机器人、cad/ cam）之一。其主要应用的技术领域有：顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控和管理、信息网络技术等。 plc用软件功能取代了继电器控制系统中的大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。plc的梯形图程序一般采用顺序控制的设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电接触器系统电路图的设计时间要少。plc的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通

11、过plc上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统安装和接线后，在现场的统调过程中发现问题，一般通过修改程序就可以解决，系统的调试比继电器系统容易得多。一个空压机plc系统由plc系统硬件、plc应用程序、信号采集控制外围设备等组成，有时虽然采用了最先进的可靠性最高的plc，但由于外围设备不能匹配致使整个系统不能正常工作。例如在空压机控制系统改造的过程中，如果信号电缆没有屏蔽接地，传入到plc中的信号干扰严重，传来的信号没有利用的价值。如果所有信号线屏蔽层并联并在控制室一端接地，就会收到了立竿见影的效果，信号稳定无干扰。其实，以上问题是我们在仪表施工中很容易忽视的问题，因为现在大部分二次仪

12、表的抗干扰能力较强，轻微干扰不易觉察，但是对于plc这样的工控设备来说，就必须严格按照仪表和工控机布线标准去施工。所以规范的施工布线、可靠的外围设备和周密严谨的程序逻辑是提高空压机控制系统可靠性的必要条件，提高空压机控制系统的可靠性必须从以上几点抓起。pl c的主要功能：（1） 在线数据采集和输出；（2）控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；（3）数据处理功能。既能进行基木数学、逻辑运算，还可通过编程实现复杂的控制算法；（4）输入/输出信号调制功能；（5）通信、联网功能。可进行1：n的远程控制、多台pl c间联网通信、外部器件与pl c的信号处理，单机之间实现程序和数据交换等；（6）

13、支持人机界面功能；（7）编程、调试等。2.2 变频器技术的特点变频器技术2是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，它是利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起、停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能：变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁

14、输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。2.3 空压机的变频调速技术原理2.3.1 螺杆空压机的工作原理螺杆式空压机3的工作原理图如图1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子相对于气缸作偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至图1 空气压缩机原理图气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经油/气分离器进行分离之后，油气经过油冷却器冷却再经过油

15、过滤器流回储油罐，空气经过油/气分离器后流进气冷却器（空气冷却装置）进行冷却，然后进入储气罐。2.3.2 基于管路压力控制的电动机变频控制原理螺杆式空压机基本运行方式为加载、减载方式。减载时电机空转，能源白白地浪费，利用变频器改变电机供电频率，来调节电机的转速，即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。与传统的空压机运行控制管路压力的方法不同，变频控制方式是通过 图2 变频压力控制原理图 图3 压力变化示意图控制电动机的运转转速来控制空压机的单位时间出风量，从而达到控制管路压力的目的。其系统控制框图如图2所示。其控制过程是：通过压力设定和压

16、力反馈的比较，得到被控量和期望值的偏差，经pid4调节器计算出变频器输出的控制异步电动机旋转速度的交流电频率值，由变频器输出相应频率和幅值的交流电，在异步电动机上得到相应的转速。经空压机输出对应的压缩空气的风量至储气罐，使储气罐的压力变化，直到管路压力与设定压力相同。其管路压力控制过程如图3所示。3 控制系统的设计3.1 空压机控制系统的控制原理原空压机的运行方式为自藕变压器减压起动后全压运行。其操作程序为：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在空载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力，降压8s后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。当系

17、统压力上升到压力开关限值时，在起跳压力下，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，空压机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值后，在回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，空压机打开满载运行。原系统工况存在以下问题：(1) 主电机虽然采用自藕变压器减压起动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全；(2) 主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费严重；(3) 主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大；(4) 主电机工频起动使设备受冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作量大。根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，对空压机的变频改造作出如下的设计方案：为保

18、证一旦变频器故障时不影响生产的继续进行，采用了在保留原有工频系统的情况下，另增加变频控制系统的方案。在变频控制方式下，调节方式采用闭环自动调节和手动控制电机转速两套控制方案。在自动控制方式下，控制系统根据压力传感器检测到空压机出口的压力信号值，经过a/d模拟数字转换单元的信号转换后，通过可编程控制器(plc)和变频器调整单台压缩机电机的转速，保证电机以最小的功率输出。在精确控制压力的同时，实现电机的软启动以延长空压机的使用寿命。在手动控制方式下，通过给电机设定高速和低速两种转速的办法实现调节电机转速：当空压机需要工作时，让电机高速运转；当空压机不工作时，让电机在低速挡位运转。一旦变频器及plc

19、发生故障时，可通过转换开关手动切换到原工频启动柜经自藕变压器降压启动后运行，以保证空压机的正常工作。由于工业现场设备很多，变频器工作时会将高次谐波回馈至电网，为减小高次谐波对电网的影响，给变频器加装了电抗器，有效地降低了变频器对电网的污染。同时，为保障电机绕组温升满足要求，变频器低速运转的转速不能过低，设置的低频转速为30hz。总之控制系统应具有以下设计要求：（1）控制系统具有手动/自动转换、在线监控及现场调试功能； （2）plc运行速度要满足实时控制要求；（3）系统要求用户能够直观了解现场设备的工作状态及空压机输出压力的变化；（4）要求用户能够远程控制空压机的启动、停止和过热保护；（5）用户

20、可自行设置空压机的输出压力高低，以控制变频器的起停；（6）变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程plc上。3.2 控制系统结构及工作原理3.2.1 系统的结构组成由控制系统设计要求可知该系统由可编程序控制器、变频器、执行机构和传感器等构成。其中plc作为控制单元，根据现场信号和系统工作状态控制两台电动机的起动和停止，控制变频器的起动和停止，变频器根据压力给定和实测压力调节输出频率，改变空压机电机转速，控制管网压力，并将变频器工作状态输出到plc。控制系统框图如图4所示。图4 空压机的控制系统结构图3.2.2 系统的控制原理基于plc的变频控制系统原理图如图5所示，该控制系统原理图由以下部

21、分组成：变频器、可编程控制器、变频器、压力变送器、温度传感器等。plc由电源、cpu、模拟量输出模块等组成。其中采用plc来实现电气部分的控制。本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用日本安川616pc5变频器，系统中由fp系列plc完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于fp系列plc的编程软件，采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统可直接设置变频器的参数和利用对plc软件的设计实现电机的启动和停止和空压机保护控制。系统主要包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊

22、断。(1) 起动：以两台电机m1 、m2为例，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，电动机m2处于停机状态。 (2) 停止：按下停止按钮，plc控制所有的接触器断开，变频器停止工作。(3) 切换：实现m1，m2工频、变频相互切换。(4) 报警及故障自诊断：空压机内部一般有四个需要监测的量：冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。图5 plc变频控制系统示意图该系统中plc通过传感器，监测空压机一级、二级气缸排气温度，润滑油温度，风包的温度，一级、二级的压力及润滑油的压力，冷却水的水量，电机的过载及变频器的故障等有关的各类对象信息，采用一台

23、变频器对一台电机进行频率的调节控制，从而控制电机转速大小，并且向plc反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向plc发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。3.3 plc硬件设计3.3.1 plc控制系统设计需采集的参数(1) 压力信号分别为1级缸、2级缸的排气压力、润滑油压力3点； (2) 温度信号为1级缸的排气温度、2级缸的排气温度共2点； (3) 继电器信号为空压机和油泵的热继电器开关共2点； (4) 开关量信号为启动、停止按钮和手动、自动切换按钮共4点

24、；(5) 变频器的输入信号共4点；(6) 冷却水的流量信号共1点；采集总数为3+2+2+4+4+1=163.3.2 plc类型和模块的选择根据plc系统所需要的i/o点总数在256点以下，属于小型机范围，控制系统比较简单，只需要逻辑运算等简单功能，所以plc器件选择日本松下电工公司生产的fp-c40c型号。它具有较大容量的i/o点：输入为24点、输出为16点，拥有ram的内部存储器和扩展单元，而且具有标准的rs232c串行口通信，可以方便的实现与计算机的连接实施编程、监控的操作。同时它还具有结构紧凑，体积小巧，性能价格比高，适合于自动控制领域中应用。输入模块选择：nis fp1-4a/d；输出

25、模块选择：nis fp1-2d/a。3.3.3 plc的i/o分配表表1 plc的的i/o分配表序号地址信号名称作用序号地址信号名称作用1x1输入按钮启动16y1输出指示灯油泵运行2x2输入按钮手动17y2输出接触器km2闭合3x3输入按钮自动18y3输出接触器km3闭合4x4输入压力传感器一级压力19y4输出接触器km4闭合5x5输入压力传感器二级压力20y5输出接触器km1闭合6x6输入压力传感器润滑油压21y6输出电铃告警7x7输入温度传感器一级温度22y7输出指示灯一级超压8x8输入温度传感器二级温度23y8输出指示灯二级超压9x9输入热继电器过载保护24y9输出指示灯断水告警10x1

26、0输入热继电器过载保护25y10输出指示灯缺油、断油11x11输入流量计水流量26y11输出指示灯一级超温12x12输入继电器高频信号27y12输出指示灯二级超温13x13输入继电器低频信号28y13输出继电器变频正转14x14输入按钮复位29y14输出继电器外部故障15 yo输入指示灯电机降压30y15输出继电器外部复位plc的硬件接线图如图6所示3.3.4 压力变送器的选择采用bpkzk智能型压力变送器。这种压力变送器集测量、显示、控制一体化，安装使用方便，零位、量程可用电位器调整，模拟输出多种标准形式供用户选择，多点继电器输出接口，易于控制。3.4 空压机变频控制系统设计3.4.1 变频

27、控制系统原理如图7所示，变频控制系统中采用日本安川616pc5变频器组成控制电路，km1、km5、km6在plc的控制下实现工频/变频转换。在变频器中，fs、fv，fi和fc端子是压力反馈输入端子。其中，fs提供频率给定电源(+15v)。在fi、图6 plc的硬件接线图图7 变频控制电路图fv端子，输入电压信号给定变频器输出频率，这个电压信号由分压电阻(4.7k)fv端子输入压力设定值，fi端子输入由远传压力表反馈的储气罐压力信号，构成负反馈。在变频器中，还具有pid和自学习功能，可以根据现场的压力变化特性，自动调整pid控制参数，得到最佳控制。 s1、s3、s4和sc端子是变频器运行控制端都

28、发生故障时k2闭合。s3端子接收此信号，变频器停止运行，对系统起保护作用。变频器内部发生故障时，由ma、mc闭合给出信息。此信息输人给plc，plc控制系统停止工作。当故障排除后，plc控制k3闭合，变频器s4端子接收信号后使变频器复位。m1、m2输出变频器运行信号。r、s、t输入电机运行的工频电源给变频器，u、v、w由变频器输出变频后的电源给电机。k1、k2 、k3信号由plc系统的输出模块提供。变频器的m1、m2、ma、mc输出信号，输入plc的输人模块。同时在安装变频装置时，应保留原有的工频控制设备及排气量控制设备。在变频柜上设置工频/变频转换开关，一旦变频装置出现故障，可方便地转换到工

29、频运行状态。为了减少噪声对信号的影响，信号线使用屏蔽线与主回路分开布线，以提高抗干扰性。同时将空压机故障保护触点串入变频装置控制回路.从而实现对空压机的断水、断油、超温、超压保护。3.4.2 变频器与plc的连接（1）运行信号的输入变频器的输入信号包括：运行/停止、正转/反转、微动等数字量输入信号。变频器通常利用继电器接点或晶体管集电极开路形式与上位机连接, 并得到运行信号。如图8所示。图8 运行信号的连接方式在使用继电器接点的场合, 为了防止出现因接触不良而带来的误动作，需要使用高可靠性的控制继电器。而当使用晶体管集电极开路形式进行连接时，也同样需要考虑晶体管本身的耐压容量和额定电流等因素，

30、使所构成的接口电路具有一定的裕量, 以达到提高系统可靠性的目的，否则会造成变频器的误动作。如图9所示。在设计变频器的输入信号电路时还应注意到，当输入信号电路连接不当也会产生误作。例如当输入信号电路采用如图10所示的连接方式时，由于存在和运行电压信号并联的继电器等感性负载, 继电器合分时产生的浪涌电流所带来的噪声干扰有可能引起变频器的误动作，应该尽量避免这种接法。图9 输入信号电路的正确接法图10 输入信号电路的错误接法此外，当变频器一侧和继电器一侧存在电位差时，电源电路本身可能遭到破坏，所以也应加以注意，并采取相应的措施。（2）接点输出信号在变频器的工作过程中, 经常需要通过继电器接点或晶体管

31、集电极开路的形式将变频器的内部状态(运行状态)通知外部。如图11所示。而在连接这些送给外部的信号时, 也必须考虑继电器和晶体管的允许电压、允许电流等因素。此外,在连线时还应该考虑噪声的影响。同时变频器跳闸后的保护触点应接至plc的一个输入口和com之间, 这样一旦变频器发生故障，plc将立即做出反映, 使系统停止工作, 还应在plc上设置一个按钮开关, 在处理完故障后用它使系统复位。例如当主电路（ac200 v）的开闭是继电器执行, 而控制信号 (dc1224 v) 的开闭是晶体管执行时, 应注意分开布线, 以保证主电路一侧的噪声不传至控制电路此外, 在对带有线圈的继电器等感性负载进行开闭时,

32、 必须以和感性负载并联的方式接上浪涌吸收器或续流二极管。如图12所示。而在对容性负载进行开图11 接点输出信号的连接电路闭时, 则应以串联的方式接入限流电阻, 以保证进行开闭时的浪涌值不超过继电器和晶体管的允许电流值。图12 感性负载的连接3.4.3 变频改造注意事项(1) 空压机是大转动惯量负载，这种负载特点是很容易引起变频器在启动时出现过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，有可保证设备可靠稳定的运行。(2) 空压机不允许长时间在低频下运行，工作下限不低于30hz。(3) 建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁调闸的情况

33、。(4) 为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音。(5) 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常调保护程序时，不影响生产。4 空压机控制系统软件设计4.1 系统控制过程plc的控制开关置于运行状态，按下启动按钮，第一台空压机的电机m1变频启动，转速从零开始上升，若变频器输出频率达到某一值，风包出口处的压力达到预设的压力值时，输出频率不再变化，空压机的电机恒速运行；若变频器输出频率达到预设的频率上限值时，延时一段时间后风包出口处的压力仍不能达到预设的压力值，自动启动第二台空压机的电机m2，第一台空压机的电机m1变

34、频减速运行，直至达到预设的压力值，输出频率不再变化，空压机的电机恒速运行，反之亦然。当空压机运行的过程中出现一级、二级气缸排气温度过高，润滑油温度过高，风包的温度过高，一级、二级压力过高及润滑油压力过高，断水等故障时，系统会发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时地排除故障。4.2 自动/手动控制设计（1）手动方式：把空压机控制屏面板上的切换开关切至“手动”位置时，空压机处于手动控制状态，通过plc输出信号控制交流接触器，从而使空压机的电机工频运行，达到手动启动。（2）自动方式：把高压空压机控制屏面板上的切换开关切至“自动”位置时，空压机处于自动控制状态，通过开关量和模拟量采集工作罐的压力；当

35、压力达到启动条件时，plc通过开出信号，控制变频器启动，空压机的电机变频运行，同时控制面板上的启动灯亮；当达到系统停止压力时，空压机自动停止。4.3 系统的保护及故障报警的设计本系统中，plc所能检测到的故障有电动机过载、冷却系统断水、空压机无润滑油、压缩气体温度过高。当上述故障出现时空压机停止并起动处于备用状态的空压机，为了能区分空压机那部分发生故障，应在对应的故障工序设置一个闪烁电路，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或信号灯。为了更好地保护系统，最好每台电动机回路都安装电动机综合保护器，进行过流、断相、漏电等保护，同时将其动作触点输入至plc。这样，plc就检测到此故障，

36、起动备用空压机，并自动发出警报。4.4 监控系统的软件设计4.4.1 profibus 简介现场总线集计算机技术、通讯技术、控制技术于一体, 是自动化领域的一种新的发展趋势, 自八十年代中期以来, 在此领域内世界上出现了多种有影响的现场总线, 如profibus、ff、device net、inter bus、mod bus、can、asi等。它是应用在生产现场, 在控制系统设备单元间实现双向串行、多节点、数字通讯系统,也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。开放式、分散性、低成本是现场总线最显著的基本特征, 因而近年来得到了迅猛的发展。profibus是process field b

37、us的缩写, 由于它是一种国际性的开放式的现场总线标准, 所以世界上许多自控系统及智能仪表产品厂商都为他们生产的设备提供了方便的profibus接口。基于上述原因，在空压机监控系统中采用了profibus-dp的现场总线技术。通过与plc主站的实时通讯, 取得了良好的控制效果。目前的profibus现场总线根据使用的场合不同具体分为三种, 即profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa。特点如下:(1) profibus-dp经过优化的高速、低成本通讯连接, 传输速率为12mbps, 通常应用于现场级, 用于控制系统中现场设备之间的实时通讯, 它采用rs-485传输

38、技术, 使用profibus-dp模块可取代24v或420ma测量值的传输, 并具有非常短的响应时间和抗干扰性能。(2) profibus-fms是一种车间级监控网络, 能完成中等传输速度的循环和非循环通讯任务, 提供较大数据量的通讯服务, 它也采用rs-485传输技术, 用于楼宇自动化、纺织工业、电气传动等方面, 它是一种令牌结构, 实时多主网络。(3) profibus-pa专为过程自动化设计, 它采用iec1158-2传输技术, 用于对安全性要求高的场合和由总线供电的场合。由于profibus-dp在三个兼容版本中是用于现场级的高速实时性通讯协议, 在通讯距离100m时, 采用屏蔽双绞线

39、速率高达12mbps, 加之其可靠性高, 实用性强等诸多优点, 因此广泛的应用控制系统中。如图13所示利用现场总线profibus5，它可以实现数字和模拟输入/输出、智能信号装置和过程调节装置与可编程控制器plc和pc之间的数据传输，把i/o通道分散到实际需要的现场设备附近。4.4.2 人机画面的设计选用visual basic编写入机接口，用户界面友好，主要实现以下功能：(1) 接收下位机来的数据并处理；(2) 显示各空压机组的运行状况及历史运行记录和备存，并进行趋势分析；(3) 故障报警显示，并进行故障分析；(4) 对空压机各种参数进行设置、修改；(5) 发送各种控制命令，进行手自动切换。

40、图13 监控系统4.5 plc控制软件设计本系统主要是以保护、监控为主，根据煤矿安全规程的要求和空压机的保护原理，其控制的软件设计流程如图14所示。4.6 plc控制系统程序图编程软件采用fpwin gr，它是基于windows平台的松下电工fp系列plc的编程软件，它可以完成程序输入、程序的编辑、程序注释、程序检查、plc运行时的数据和状态的监控及测试、参数设置、程序和监控结果的打印及文件管理等功能。为使整个控制系统运行更加稳定，软件系统可靠性配套也是必不可少的，因此我们对控制软件进行了特别处理。(1) 对输入信号进行滤波处理。要提高现场输入给空压机 plc控制系统的信号的可靠性，首先要选择

41、可靠性高的变送器与各种开关，规范布线、具有良好的接地措施，防止各种原因引起传送信号线短路、开路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性，数字滤波可采用的程序设计方法是在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况与系统要求的响应速度确定，一般在几十毫秒，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟量滤波采用的程序设计方法是对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由ad转换速度与该模拟信号变化速率决定，3次采样的数据分别存放在三个数据字db1、dwo、db1、dw2、db1、dw4中，当最后采样结束后，再求取三个数的平均值为本次采样的结果存放在数据字db1、dw4

42、中。(2) 对输出信号进行可靠性处理。对于空压机储气罐卸荷控制，为了防止卸荷阀在卸荷值附近频繁的动作, 可以采用余量控制法程序段来解决这一问题。余量控制法的原理是这样的, 在卸荷值附近设置卸荷上限值和卸荷下限值，作为电图14 plc 控制系统流程图磁阀开启和关闭动作的条件，储气罐压力高于上限值电磁阀打开，压力低于下限值电磁阀关闭，这样同设置一个动作值相比，可以十分有效的防止电磁阀因压力在动作值附近波动而引起电磁阀频繁的吸合，并且其精度随意调整。只要上限值与下限值相等，其效果就相当于一个动作值。改造后空压机控制系统总的梯形图见附录。5 系统的调试(1) 根据电机参数及负载特性预设变频器参数；(2

43、) plc程序及人机界面通讯调试；(3) pid调节器的整定；(4) 最小频率的确定；(5) 智能电源切换控制器的调试； 使用plc控制智能电源切换器时，plc控制变频器以自动调频、调压的方式启动电机，当电机平稳启动运行后，plc向切换器发出允许合闸命令，切换器根据变频电源和工频电源的电压差、频率差、相位差数据与整定条件比较，满足预设定值时，自动预测最佳切换时机，并以预先设置的导前时间t提前向plc控制的电源切换装置发出合闸状态输出信号，完成合闸动作。由于智能电源切换器是开环控制，切换器发出合闸信号后，便完成了整个控制。如果plc没有切换成功，只有重新启动切换器，再一次进行切换。 切换器启动时

44、，首先对工频电源和变频电源各自的相序进行检测，保证 plc控制的切换装置接线正确。如果切换器检测出两路电源的相序不正确，则提示重新接线。待连线正确后，切换器自动进入下一画面。如果相序检测正确后，则相应的指示灯亮，并进入整定值的设定。 整定值的设定。设定plc控制的切换装置切换时必须满足的压差、频差、相位差、以及导前时间的要求，只有当变频电源和工频电源的电压、频率、相差满足设定值后，才能够进行安全可靠的切换。 切换器完成整定后，切换器显示实时数据。有两种显示方式:数据显示方式和矢量图显示方式。默认进入矢量图显示方式，可以按任意键改变显示方式。传感器显示工频电源与变频电源的电压 (以传感器电压标称

45、值的百分比来表示)、频率以及两路电源的频率差、相位差。当两路电源的电压差、频率差满足设定要求后，相应的指示灯亮； 当切换器收到plc发出的允许切换信号时，切换器开始控制电源切换过程，并且允许切换指示灯亮，当工频电源和变频电源的相差满足设定要求后，即发出切换状态信号。变频器工作稳定后，其稳定频率为50.1hz，而工频电源的频率为50hz，故每隔10秒钟，两路电源的相差必有一次为0(或360度)，此时便是切换的最佳时机，由于plc控制的切换器从接收到合闸信号到完成电源切换有一定的动作时间，因此切换器要提前一段时间发出合闸信号，这段时间就是导前时间，可通过键盘方便地进行设置。6 系统改造调试中应注意

46、的问题(1) 电机频率切换 电机从变频状态切换到工频时，由于可能存在相位、电压频率差，如果未经检测进行切换将出现短路现象，造成事故。因此在需要电机从变频转到工频时一定要加装智能电源切换控制器。(2) 最低频率的设定 由于空压机具备了变转矩负载和恒转矩负载的特性。因此在设定最低频率时要充分考虑其最小起动转矩，以免因电流长时间超过额定电流损坏电机，同时也降低了空压机的排气效率。(3) 电机的温升 采用变频调速后，电机在低速运行时，电机冷却效果下降，可能导致据电机的绝缘等级下降，因此要确定是否需增加强制冷却风机。(4) 空压机的润滑 空压机转速越低，润滑油的压力就越低，影响润滑效果。应根据最小运行频

47、率时的油压情况，调整减压阀，提升油压。(5) 系统的压力设定 在满足生产工艺的要求下，压力设定越低越好。因为空压机的排气压力越高，所需的电机轴功率越大，电机耗电也就越多。7 plc运行分析 （1）空压机是大转动惯量负载，启动转矩需求大，这种启动特点很容易引起变频器零速启动时出现过流，运行时出现失速过压自保护跳闸的情况，这样就有必要在变频器启动时投入无速度传感矢量13控制方式，保证零速启动时具有100%转矩输出，延长给定值的加、减速时间来满足工作要求。（2）空压机是将输出压力作为控制对象的，由压力传感器对管网压力进实时检测，变频器内部的pid功能会将此信号与给定值进行比较，从而调节变频器的输出频率，进而改变空压机电机的转速，最终实现系统管网压力恒定。传感信号采用带屏蔽两线制电流信号传输，保证信号传输过程中无损失和干扰，并将检测到的信号传送给变频器。（3）空压机不允许长时间低频运行，空压机的转速过低会使空压机的工作稳定性变差，同时油压过低使缸体的润滑性能变差，会加快磨损。所以工作的下限频率应不低于30hz。（4）通过变频器面板，可准确了解空压机系统的主要运行参数，如输出电流、输出电压