畢業(yè)論文---基于plc的煤礦空壓機控制系統(tǒng)設計

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計（論 文）</p><p>　　基于PLC的煤礦空壓機控制系統(tǒng)設計</p><p>　　20 11 年 6 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　空氣壓縮機(簡稱空壓機)是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機械?？諌簷C的用途很廣，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)

2、、國防、科技、民用等各個領域?？諝鈮嚎s機的安全生產(chǎn)保護對于煤礦企業(yè)的生產(chǎn)是十分重要的?？删幊炭刂破?PLC)將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機控制技術和通信技術融為一體，專為工業(yè)控制而設計。本設計方案采用PLC和變頻器實現(xiàn)對空壓機組的自動控制。該方案采用變頻器實現(xiàn)對空壓機“一拖多”的控制，PLC實現(xiàn)變頻器的工頻與變頻的轉(zhuǎn)換控制，以及切換變頻器對某臺空壓機進行控制。系統(tǒng)利用壓力傳感器采集氣包出口壓力，通過變送器輸出4～20毫安標準信號至PLC

3、模擬輸入端口，經(jīng)過PLC內(nèi)部PID算法邏輯運算，送出控制信號至變頻器，變頻器根據(jù)送來的信號改變輸出電壓的頻率，來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以確保供氣壓力的恒定。當變頻器控制當前機由變頻轉(zhuǎn)為工頻，而供氣壓力仍不滿足時，則由PLC控制變頻器軟啟動下一臺空壓機變頻運行，依次開啟。當變頻器輸出電壓的頻率已降至下限值，而供氣壓力仍高于所需壓力，則由PLC控制變頻器關閉當前機，變頻器轉(zhuǎn)而變頻控制另一臺運行的空壓機。從而使生產(chǎn)系統(tǒng)獲得良好的經(jīng)濟效益和安全性能。本

4、論文介紹了空氣壓</p><p>　　關鍵詞：空氣壓縮機；可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)；變頻器；PID調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p><b>　　1緒論4</b></p><p>　　1.1 PLC控制在國內(nèi)外的發(fā)展近況4</p><p

5、>　　1.2課題的背景和意義4</p><p><b>　　2 空氣壓縮機5</b></p><p>　　2.1空氣壓縮機及分類5</p><p>　　2.2螺桿式空壓機6</p><p>　　2.2.1螺桿式空壓機基本結構6</p><p>　　2.2.2螺桿壓縮機的工作原理6

6、</p><p>　　2.2.3螺桿壓縮機的特點7</p><p>　　2.3活塞式空壓機8</p><p>　　3可編程控制器（plc）控制系統(tǒng)9</p><p>　　3.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展9</p><p>　　3.2 PLC基本結構10</p><p>　　3.3 PLC基本

7、工作原理11</p><p>　　3.3.1掃描技術11</p><p>　　3.3.2 PLC的I/O響應時間12</p><p>　　3.4 PLC的主要特點12</p><p>　　4 基于plc的煤礦空壓機控制系統(tǒng)設計方案13</p><p>　　4.1控制系統(tǒng)組成13</p><

8、;p>　　4.2控制系統(tǒng)的工作原理14</p><p>　　4.2.1空壓機切換工作過程20</p><p>　　4.2.2通信方式22</p><p>　　4.2.3控制系統(tǒng)概述23</p><p>　　4.2.4 報警裝置26</p><p>　　4.3 系統(tǒng)設計27</p><

9、;p>　　4.3.1 PLC控制系統(tǒng)設計步驟27 </p><p>　　4.3.2 PLC程序設計的步驟29</p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)硬件設計29</p><p>　　4.4.1主電路設計29</p><p>　　4.4.2 PLC選型30</p><p>　　4.4.3變頻器選型32&l

10、t;/p><p>　　4.4.4傳感器的選取33</p><p>　　4.4.5系統(tǒng)PLC硬件部分地址分配及部分程序33</p><p><b>　　5 結論36</b></p><p>　　5.1工作總結36</p><p>　　5.2畢業(yè)設計心得37 </p><p&

11、gt;<b>　　致 謝38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p>　　附錄 系統(tǒng)總圖40</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic

12、Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術、網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。</p><p>　　目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵

13、、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。 </p><p>　　同時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)是采用集中監(jiān)測、集中控制、集中顯示、集中管理、集中保存的系統(tǒng)，融合了較先進的自動化技術、計算機技術、通訊技術、故障診斷技術和軟件技術，廣泛應用在化工、供暖、機械、供水、水處理等多個領域，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越顯著的作用。</p><p>　　1.1 PLC控制在國

14、內(nèi)外的發(fā)展近況</p><p>　　20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制功能上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應

15、用都得到了長足的發(fā)展。</p><p>　　我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。</p><p>　　1.2課題的背景和意義</p><p&

16、gt;　　空氣壓縮機是礦山生產(chǎn)重要的四大固定設備之一，它產(chǎn)生壓縮空氣，用以帶動鑿巖機、風動裝巖機等設備及其他風動工具。其能否安全運行直接影響著煤礦生產(chǎn)的產(chǎn)量和效益。影響其安全生產(chǎn)的因素主要有空壓機的超溫、超壓、斷水、斷油等。</p><p>　　隨著煤礦現(xiàn)代化的發(fā)展，礦山企業(yè)對礦山設備的要求越來越高,建設安全性礦山已成為煤礦生產(chǎn)建設的核心。礦山設備不斷更新，不斷進步，可靠性、易操作性、可監(jiān)視性、易維護性等已是最基

17、本的要求了。用繼電器組成的控制電路可靠性差、不易維護、不易監(jiān)視，已不能適應當前的要求?，F(xiàn)在迫切需要可靠性高、易維護、易操作、可監(jiān)視并且價格不高的控制器來代替繼電器組成的電路。隨著電子技術、軟件技術、控制技術的飛速發(fā)展，可編程控制器（PLC）發(fā)展迅猛，性能很高，價格較為合理，與繼電器組的控制電路比具有非常大的優(yōu)勢。許多礦山設備已選用了PLC來代替比較重要的控制設備。傳統(tǒng)的保護設備主要采用分離儀表，其可靠性差、集程度低、費用高，不能有效的滿

18、足礦山設備投入的經(jīng)濟性和安全性的要求。</p><p>　　空壓機控制系統(tǒng)中PLC的引入極大地簡化了空壓機系統(tǒng)的操作，節(jié)省了人力并且提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?；赑LC和變頻器的空壓機控制系統(tǒng)使工作人員可以在計算機集控下完成各項工作，大大減輕了工人的勞動強度，極大地節(jié)省了生產(chǎn)中所需的人力資源，也保障了生產(chǎn)和系統(tǒng)的安全。</p><p><b>　　2 空氣壓縮機</b&g

19、t;</p><p>　　2.1空氣壓縮機及分類</p><p>　　空氣壓縮機（空壓機）是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內(nèi)進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備。作為基礎工業(yè)設備，空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應用。</p><p>　　空壓機分為螺桿式空壓機（螺桿式空壓機又分為單螺桿式空壓機及雙螺桿式空壓機）、

20、離心式空壓機、活塞式空壓機、滑片式空壓機、渦旋式空壓機和旋葉式空壓機等（如圖2-1所示）</p><p>　　圖2-1 空氣壓縮機分類</p><p><b>　　2.2螺桿式空壓機</b></p><p>　　2.2.1螺桿式空壓機基本結構</p><p>　　在壓縮機機體中，平行的配置著一對互相咧合的螺旋形轉(zhuǎn)子通常把

21、節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子，稱為陽轉(zhuǎn)子或陽螺桿。把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子，稱為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿。一般陽轉(zhuǎn)子與原動機連接，由陽轉(zhuǎn)子帶動陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子上的最后一對軸承實現(xiàn)軸向定位，并承受壓縮機中的軸向力。轉(zhuǎn)子兩端的圓柱滾子軸承使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)徑向定位，并承受壓縮機中的徑向力。在壓縮機機體的兩端，分別開設一定形狀和大小的孔口。一個供吸氣用，稱為進氣口；另一個供排氣用，稱作排氣口。</p><p>　　2.2.2螺桿壓縮機的工作原理&

22、lt;/p><p>　　螺桿壓縮機的工作循環(huán)過程可分為進氣，壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。</p><p>　　(1)進氣過程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進氣端壁開口時其 </p><p>　　空間最大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處

23、于真空狀態(tài)，當轉(zhuǎn)至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當氣體充滿了整個齒溝時，轉(zhuǎn)子進氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。</p><p>　　(2)壓縮過程：陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結束時，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸減小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮，壓力提高。</p><p>　　(3)排氣過

24、程：當轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機殼排氣口相通時，被壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過程，于此同時轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，進氣過程又再進行。</p><p>　　從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉(zhuǎn)子在機

25、殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動來達到。</p><p>　　2.2.3螺桿壓縮機的特點</p><p>　　就氣體壓力提高的原理而言，螺桿壓縮機與活塞壓縮機相同，都屬容積式壓縮機。就主要部件的運動形式而言，又與離心壓縮機相似。所以，螺桿壓縮機同時具有上述兩類壓縮機的特點。</p><p>　　(1)螺桿壓縮機的優(yōu)點</p><p>　　1)可靠性高：螺桿壓縮

26、機零部件少，沒有易損件，因而它運轉(zhuǎn)可靠，壽命長，大修間隔期可達4～8萬小時。</p><p>　　2)操作維護方便：操作人員不必經(jīng)過專業(yè)培訓，可實現(xiàn)無人值守運轉(zhuǎn)。</p><p>　　3)動力平衡性好：螺桿壓縮機沒有不平衡慣性力，機器可平穩(wěn)地高速工作，可實現(xiàn)無基礎運轉(zhuǎn)。</p><p>　　4)適應性強：螺桿壓縮機具有強制輸氣的特點，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響，在

27、寬廣范圍內(nèi)能保證較高的效率。</p><p>　　5)多相混輸：螺桿壓縮機的轉(zhuǎn)子齒面實際上留有間隙，因而能耐液體沖擊，可壓送含液氣體，含粉塵氣體，易聚合氣體等。</p><p>　　(2)螺桿壓縮機的缺點</p><p>　　1)造價高：螺桿壓縮機的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面，需利用特制的刀具，在價格昂貴的專用設備上進行加工。另外，對螺桿壓縮機氣缸的加工精度也有較高的要求

28、。</p><p>　　2)不適合高壓場合：由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等方面的限制，螺桿壓縮機只能適用于中，低壓范圍，排氣壓力一般不能超過3.0MPa。</p><p>　　3)不能制成微型：螺桿壓縮機依靠間隙密封氣體，目前一般只有容積流量大于0.2m3/min，螺桿壓縮機才具有優(yōu)越的性能。</p><p><b>　　2.3活塞式空壓機</b>

29、;</p><p>　　活塞式空壓機主要由三部分組成：運動機（曲軸、軸承、連桿、十字頭、皮帶輪或聯(lián)軸器等）、工作機構（氣缸、活塞、氣閥等）與機身。此外還有3個輔助系統(tǒng)，即潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)?；钊娇諌簷C是一種最常見的容積式壓縮機。它由曲柄連桿機構將驅(qū)動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊耐鶑瓦\動。活塞與氣缸共同組成壓縮機工作腔，依靠活塞在氣缸內(nèi)的往復運動，并借助進、排氣閥的自動開閉，使氣體周期性的進入工作腔，進行壓縮

30、和排出。活塞在氣缸內(nèi)一次往復的全過程分為吸氣、壓縮和排氣三個過程，合稱一個工作過程，如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 單級活塞式空壓機原理簡圖 </p><p>　　一個工作循環(huán)周期如下：</p><p>　　(1)吸氣過程。當活塞2向右邊移動時，汽缸左邊的容積增大，壓力下降,當壓力降到稍低于進氣管中空氣壓力時，管內(nèi)空氣便頂開進氣閥3進入氣缸，并隨著活

31、塞的向右移動繼續(xù)進入氣缸，直到活塞移至右邊的末端為止。</p><p>　　(2)壓縮過程。當活塞向左移動時，氣缸左邊容積開始縮小，空氣被壓縮，壓力隨之上升。由于進氣閥的止氣作用，缸內(nèi)空氣不能倒流回進氣管中。同時，因排氣管內(nèi)的空氣壓力又高于氣缸內(nèi)空氣壓力，空氣無法從排氣閥4流出缸外，排氣管中的空氣也因排氣閥的止逆作用而不能流回缸內(nèi)，所以這時氣缸形成一個密閉的容積。當活塞繼續(xù)向左移動，氣缸容積縮小，空氣體積也隨之縮

32、小，壓力不斷提高。</p><p>　　(3)排氣過程。隨著活塞不斷左移壓縮缸內(nèi)空氣，使壓力繼續(xù)升高。當壓力稍高于排氣管中的壓力時，缸內(nèi)空氣便頂開排氣閥排入排氣管中，并繼續(xù)排出到活塞移至左邊的末端為止。然后，活塞又向右移動，重復上述吸氣、壓縮和排氣工作過程。</p><p>　　活塞式的傳動機構是曲軸連桿往復運動結構，其主要特點有：流量較小，氣流速度低，損失小，效率高; 壓力范圍廣，適用于

33、從低壓到超高壓；適應性強，排氣壓力變動較大時，排氣量不變；機組零件多用普通金屬材料，制造精度要求不太高；外形尺寸及重量較大，結構復雜，易損失件多。</p><p>　　活塞式空壓機與螺桿式空壓機的比較：</p><p>　　(1)零部件的數(shù)量多，零部件的損壞的機率大，產(chǎn)品的可靠性低。這樣必然增加用戶的維修費用。</p><p>　　(2) 曲軸連桿往復運動結構，由于

34、其往復運動的特性，限制了其轉(zhuǎn)速的提高，致使機器笨重，同時，該運動結構所產(chǎn)生的慣性力能以平衡，剩余的慣性力，會使機器產(chǎn)生振動、噪聲以及零部件的不正常的損壞。所以活塞式振動大，機械性噪音大、可靠性低。</p><p>　　鑒于以上原因，本系統(tǒng)選用螺桿式空壓機。</p><p>　　3可編程控制器（plc）控制系統(tǒng)</p><p>　　3.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展</

35、p><p><b>　　(1)PLC概念</b></p><p>　　PLC是在繼電器控制和計算機技術的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，集計算機技術、自動控制技術及通訊技術于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。</p><p>　　(2)PLC發(fā)展必然性</p><p>　　傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)（硬件布線）<

36、;/p><p>　　優(yōu)點：結構簡單，因而長期廣泛應用。</p><p>　　缺點：采用固定的接線方式。一旦生產(chǎn)要求及生產(chǎn)過程發(fā)生變化，必須重新設計線路，重新接線安裝。不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。還有靈活性、通用性差；體積大；速度慢等缺點。</p><p>　　60年代末期，美國汽車制造工業(yè)相當發(fā)達，要求不斷更換汽車的型號。傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)被淘汰。</p>

37、<p>　　1968年，美國最大的汽車制造商GM公司公開招標。研制新的控制系統(tǒng)。提出以下要求：設計周期短，更改容易，接線簡單，成本低；把繼電器控制和計算機技術結合起來；但編程要比計算機簡單易學，操作方便，系統(tǒng)通用性強。</p><p>　　1969年，美國數(shù)字設備公司研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司的汽車生產(chǎn)線上首次應用成功。</p><p>　　其后，日本、德國相繼引入

38、。</p><p>　　中國1974年研制，1977年成功。</p><p>　　(3)功能發(fā)展史：（名字的由來）</p><p>　　早期：順序控制。包括邏輯運算功能。稱PLC（Programmable Logic Controller）</p><p>　　70年代：微處理器用于PLC。功能增強、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)調(diào)節(jié)等，稱PC。&

39、lt;/p><p>　　3.2 PLC基本結構</p><p>　　PLC主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。</p><p>　　其基本結構框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖 3-1ＰＬＣ結構簡圖</p><p>　　3.3 PLC基本工作原理</p><p>

40、;　　PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。</p><p>　　PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式---掃描技術如圖3-2所示。</p><p><b>　　3.3.1掃描技術&

41、lt;/b></p><p>　　當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。</p><p><b>　　圖3-2　掃描過程</b></p><p><b>　　(1)輸入采樣階

42、段</b></p><p>　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。</p>

43、<p>　　(2)用戶程序執(zhí)行階段</p><p>　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一組梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行

44、該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 </p><p><b&

45、gt;　　(3)輸出刷新階段</b></p><p>　　當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。</p><p>　　3.3.2 PLC的I/O響應時間</p><p>　　為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，

46、PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術）。以上兩個主要原因，使得PLC的I/O響應比一般微型計算機構成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關輸出端信號的改變所需的時間。</p><p>　　3.4 PLC的

47、主要特點</p><p><b>　　(1)高可靠性</b></p><p>　　所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。</p><p>　　各輸入端均采用RC濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10～20ms。</p><p>　　各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。</

48、p><p>　　采用性能優(yōu)良的開關電源。</p><p>　　對采用的器件進行嚴格的篩選。</p><p>　　良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。</p><p>　　大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。</p><

49、;p>　　(2)豐富的I/O接口模塊</p><p>　　PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、 強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。</p><p>　　另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部，它還有多種通訊

50、聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。 </p><p>　　(3)采用模塊化結構</p><p>　　為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。</p><p><b>　　(4)編程簡單易學&l

51、t;/b></p><p>　　PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。</p><p>　　(5)安裝簡單，維修方便</p><p>　　PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。

52、各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。</p><p>　　由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。</p><p>　　4 基于plc的煤礦空壓機控制系統(tǒng)設計方案</p><p><b>　　4.1控制系統(tǒng)組成</b></p><p>　　

53、控制系統(tǒng)由以下部分組成：變頻器、可編程控制器、電抗器、壓力變送器、接觸器、空氣開關、電流表、電壓表、按鈕、互感器等。</p><p>　　基于PLC的控制系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1控制系統(tǒng)簡圖</p><p>　　PLC由電源、CPU、模擬量輸入、輸出模塊、開關量輸入、輸出模塊等組成。其用來實現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分：起動、運行、停

54、止、切換、報警及故障自診斷。</p><p>　　起動：三臺電機M1，M2，M3如圖4-1所示，可以通過轉(zhuǎn)換開關選擇變頻/工頻啟動。</p><p>　　運行：正常情況，電機M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動機M2、M3處于停機狀態(tài)。現(xiàn)場壓力變送器檢測管網(wǎng)出口壓力，并與給定值比較，經(jīng)PID指令運算，得到頻率信號，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，達到所需壓力的目的。</p>

55、<p>　　停止：按下停止按鈕，PLC控制所有的接觸器斷開，變頻器停止工作。</p><p>　　切換：實現(xiàn)M1，M2，M3工頻、變頻相互切換。</p><p>　　報警及故障自診斷：空壓機內(nèi)部一般有四個需要監(jiān)測的量：冷卻水壓力監(jiān)測、潤滑油監(jiān)測、機體溫度監(jiān)測、儲氣罐壓力監(jiān)測。</p><p>　　4.2控制系統(tǒng)的工作原理</p><p&

56、gt;　　啟動前，將變頻器的機組開關置于欲工作的機組，工作方式選擇置于變頻位置，將 PLC 的控制開關置于運行狀態(tài)，按下啟動按鈕，機組運行。1# 空壓機變頻啟動，轉(zhuǎn)速從零開始上升，若達到預設的頻率上限值50Hz時，延時一段時間后風包出口處的壓力仍不能達到預設的壓力值 (0.55～0.65MPa)，則由PLC 通過控制中間繼電器的通斷將 1# 空壓機切換到工頻運行，同時將2#空氣壓縮機切換到變頻狀態(tài)，變頻啟動2#空壓機。若2#空壓機達到頻

57、率上限時，延時一段時間后仍不能滿足要求，再自動將2#空壓機切換到工頻運行，變頻啟動3#空壓機。當用風量減小，若3臺空壓機同時運行時，3# 空壓機變頻運行而此時變頻器的頻率降到頻率的下限值20Hz時，則自動停止1#空壓機，若還不能滿足要求，則自動停止2# 空壓機的運行。當空壓機在運行的過程中出現(xiàn)機體溫度過高，潤滑油溫度過高，風包溫度過高，分包壓力過高及潤滑油壓力過高，斷水等故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警信號，提示有關的工作人員及時地排除故障。

58、控制系統(tǒng)工作流程如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 控制系統(tǒng)流程圖</p><p>　　該系統(tǒng)具有手動和自動兩種運行方式：</p><p><b>　　(1)手動運行方式</b></p><p>　　選擇此方式時，按啟動按鈕空壓機或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使

59、用。</p><p><b>　　(2)自動運行方式</b></p><p>　　在自動運行方式下開始啟動運行時，首先打開冷卻水閥，關閉供氣閥，1#空壓機變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器連通（啟動過程如圖4-3）變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時

60、間后，將1#空壓機切換為工頻，2#空壓機變頻交流接觸器吸合，變頻啟動2#空壓機，頻率逐漸上升，直至供氣壓力達到設定壓力，依次類推增加空壓機。</p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPLC內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率。當壓力小于設定值時，

61、頻率升為50HZ，延時30s后，若測量值仍小于設定值，則變頻器切換為工頻運行，同時變頻器啟動下一臺空壓機，依次啟動各臺空壓機。當壓力大于設定值時，通過PID調(diào)節(jié)降低頻率，當頻率降為20HZ，延時30s后，若測量值仍大于設定值，則變頻器切換到下一正在運行的空壓機進行調(diào)速，同時關閉當前機。依次關閉各臺空壓機。從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動

62、給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，煤炭生產(chǎn)不允許空氣壓縮機停機，因此，系統(tǒng)設置了工頻與變頻切換功能，這樣當變頻器出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機照常工作。</p><p><b>　　整個控制過程如下：</b></p><p>　　用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設定值與反饋

63、值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉(zhuǎn)速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定</p><p>　　特別注意：為防止電機頻繁起制動和變速，在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率不變。</p><p><b>　　圖4-3啟動過程</b></p><p>　　空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖4-4所示。</p&

64、gt;<p>　　圖4-4 空壓機變頻調(diào)速原理圖</p><p>　　空壓機變頻調(diào)速的要求：</p><p>　　(1)空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，這種啟動特點很容易引起變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護的情況，故采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度矢量變頻器，保證既能實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設備可靠穩(wěn)定的運行；</p><p>　　(2)空壓機不允許長時間在低頻下

65、運行，空壓機轉(zhuǎn)速過低，一方面使空壓機穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應不低于20Hz；</p><p>　　(3）功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現(xiàn)頻繁跳閘的情況；</p><p>　　(4)為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行的噪音，提高電機的穩(wěn)定性；<

66、;/p><p>　　(5)設計的系統(tǒng)應具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常跳保護時，不影響生產(chǎn)。</p><p>　　4.2.1空壓機切換工作過程</p><p>　　開始時，若1#空壓機變頻啟動，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率達到50Hz而此時空氣壓力還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起的誤動作）后，1#空壓機切換為工頻運行，同時變頻器頻率由50

67、Hz下降至0Hz，2#號空壓機變頻起動，如氣壓仍不滿足，則會啟動3#空壓機，切換過程同上；同樣，若3臺空壓機（假設1#、2#、3#）都在運行，3#空壓機變頻運行降到0HZ，此時氣壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1#空壓機停止，變頻器頻率從0HZ迅速上升，若此時供氣壓力仍處于上限值，則延時一段時間后使2#空壓機機停止。這樣的切換過程，有效的減少空壓機的頻繁啟停，同時在實際管網(wǎng)對供氣壓力波動做出反應之前，由于變頻器迅速調(diào)節(jié)，使氣壓平穩(wěn)過渡

68、，從而有效的避免了井下風動工具供氣不足的情況發(fā)生。切換過程流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 空壓機切換流程圖</p><p>　　在自動狀態(tài)下系統(tǒng)啟動時，首先 KM2 吸合，1#空壓機在變頻器控制下起動，延時 5s（延時是為了讓壓力穩(wěn)定下來） PLC 對變頻器的輸出頻率進行檢測。當檢測到變頻器下限頻率信號則關閉 1#空壓機；反之當檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 執(zhí)

69、行增加空壓機動作：KM2斷開、KM1吸合，1#空壓機改為工頻運行并延時 1s（延時一是為了讓開關充分熄弧，另一方面是為了讓變頻器減速為 0，KM4 吸合變頻啟動2#空壓機。為了保護空壓機及變頻器，1#空壓機的 KM1 與 KM2之間進行了電氣互鎖。當2#空壓機投入變頻運行后，延時 5s PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進行檢測，當檢測到變頻器下限頻率信號則關閉1#空壓機，剩下2#空壓機在變頻狀態(tài)下運行，延時 5s 如果 PLC 再次檢測到變

70、頻器下限頻率信號則把2#空壓機也關閉；反之當檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 再執(zhí)行增泵動作：KM3斷開、KM4 吸合，2#空壓機改為工頻運行并延時 1s，KM6吸合變頻啟動3#空壓機。依此類推，當3#空壓機投入變頻運行后，延時 5s，PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進行檢測以決定執(zhí)行增加或減少空壓機動作來滿足恒壓供氣目</p><p><b>　　4.2.2通信方式</b></p>

71、;<p>　　(1)上位機與PLC的通信</p><p>　　在工控領域中PLC通常作為下位機使用，工業(yè)計算機作為上位機，通過網(wǎng)絡在線監(jiān)視空壓機的運行狀況，查看壓力、溫度、運行時間、電機電壓、電機電流、輸出功率等實時數(shù)據(jù)，記錄并存儲歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。當現(xiàn)場設備有動作或者出現(xiàn)故障時能夠彈出提示消息并記錄存儲下來;在遠程控制允許的情況下，值班人員還可以遠程控制空壓機。遠程監(jiān)控方便了調(diào)度

72、，提高了管理自動化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要。</p><p>　　其他元件包括手自動轉(zhuǎn)換開關、緊急停止按鈕、聲光報警器等。</p><p>　　在PLC和上位機之間的通訊中，PLC通過以太網(wǎng)模塊CP343-1接入工業(yè)以太網(wǎng)，上位機通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。選擇接口類型為工業(yè)Ethernet，通信速率為100Mbps，設置PLC和上位機的IP地址。</p><p>

73、;　　在煤礦空壓機組的監(jiān)控系統(tǒng)中，用來控制空壓機的PLC系統(tǒng)作為下位機，與調(diào)度室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)即上位機組成一個小型的工業(yè)以太網(wǎng)，進行PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋和對PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號。</p><p>　　(2)PLC與變頻器的通信</p><p>　　本系統(tǒng)中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現(xiàn)的，PLC通過RS-485通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行，讀取變頻器自身的電壓

74、、電流、功率、頻率、和過壓、過流、過負荷等全部報警信息等參數(shù)。</p><p>　　該過程最多分5個階段。1、計算機發(fā)出通訊請求；2、變頻器處理等待；3、變頻器作出應答；4、計算機處理等待；5、計算機作出應答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應的過程，如寫變頻器啟?？刂泼顣r完成1～3三個過程；監(jiān)視變頻器運行頻率時完成1～5個過程。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計算機發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應答。</p

75、><p>　　4.2.3控制系統(tǒng)概述</p><p>　　在工業(yè)控制中，PID (Proportion Integral Differential)控制是工業(yè)控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性：當控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自動調(diào)整以適應外界環(huán)境的變化。為了使控制器具有較好的自適應性，實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整，可以采用模糊控制方法。</p><p>　　模

76、糊控制已成為智能自動化控制研究中最為活躍而富有成果的領域。其中，模糊PID控制技術扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。到目前為止，現(xiàn)代控制理論在許多控制應用中獲得了大量成功的范例。然而在工業(yè)過程控制中，PID類型的控制技術仍然占有主導地位。雖然未來的控制技術應用領域會越來越寬廣，被控對象可以是越來越復雜，相應的控制技術也會變得越來越精巧，但是以PID為原理的各種控制器將是過程控制中不可或缺的基本控制單元。利用

77、模糊控制理論的特性，結合傳統(tǒng)的PID控制理論，構造模糊 PID控制器，可實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整。</p><p>　　PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖4-6所示。將偏差的比例（KP ）、積分(KI)和微分(KD)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，KP、KI、KD 3個參數(shù)的選取直接影響了控制效果。</p><p>　　圖4-6 ＰＩＤ控制器系統(tǒng)原理圖</p><

78、p>　　在經(jīng)典PID控制中，給定值與測量值進行比較，得出偏差e(t)，并依據(jù)偏差情況，給出控制作用u(t)。對連續(xù)時間類型，PID控制方程的標準形式為： </p><p><b>　　（4-1）</b></p><p>　　式(4-1)中，u(t)為PID控制器的輸出，與執(zhí)行器的位置相對應；t為采樣時間；KP 為控制器的比例增益；e(t)為PID控制器的偏差輸入

79、，即給定值與測量值之差；TI為控制器的積分時間常數(shù)；TD為控制器的微分時間常數(shù)。</p><p>　　數(shù)字式PID控制器的表示函數(shù)為:</p><p><b>　　（4-2）</b></p><p>　　公式(4-2)中：e(n)為系統(tǒng)偏差；ec(n)為系統(tǒng)偏差變化率； KP 為比例系數(shù)；KI為積分作用系數(shù)；KD為微分作用系數(shù)。</p&g

80、t;<p>　　KP 值影響系統(tǒng)的響應速度和精度； KP 越大，系統(tǒng)響應速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，如果過大，將引起超調(diào)，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KI值影響系統(tǒng)的穩(wěn)定精度；KI越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但如果過大，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調(diào)。KD值影響系統(tǒng)動態(tài)特性；它主要抑制響應誤差的變化，如果KD過大，會使響應過分提前制動，從而延長系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。</p><p>

81、　　圖4-7 PID響應曲線</p><p>　　由分析系統(tǒng)的響應曲線（如圖4-7）可知，在函數(shù)U(n)響應的初始階段，取較大的KP和較小的KI與KD，可以使響應曲線的斜率增大，加快其響應速度。在函數(shù)U(n)接近輸出值時，迅速增大KD，并逐步減小KP，使系統(tǒng)獲得較大的阻尼，抑制系統(tǒng)超調(diào)，減小響應誤差的變化率。當函數(shù)U(n)達到其輸出值時，應使KI增大，迅速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。根據(jù)偏差e(n)和偏差變化率ec(n)

82、值的不同，在線適當調(diào)節(jié)參數(shù)KP、KI和KD值，可以有效提高系統(tǒng)的響應速度和精度，減小超調(diào)并縮短響應時間，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。</p><p>　　西門子公司從S7-200系列PLC中的CPU215, CPU216開始增加了用于閉環(huán)控制的PID模塊。它是通過PID調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出，保證偏差值e為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。在系統(tǒng)中，偏差值e是給定值SP(希望值)和過程變量PV(實際值)的差。PID控制的原理基于下面的

83、算式：</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　M(t)： PID回路的輸出，是時間的函數(shù); </p><p>　　Kc： PID回路的增益;</p><p>　　e： PID回路的偏差(給定值與過程變量

84、之差) ; </p><p>　　Minitial：PID回路輸出的初始值。 </p><p>　　S7-300系列PLC中的CPU313提供了用于閉環(huán)控制PID運算指令，用戶只需在PLC的內(nèi)存中填寫一張PID控制參數(shù)表（見表4-1）再執(zhí)行指令：“PID Table Loop”即可完成PID運算，其中操作數(shù)Table表使用變量存儲器VBx來指明控制參數(shù)表的表頭字節(jié)；操作數(shù)Loop只可選擇0

85、-7的整數(shù)，表示本次PID閉環(huán)控制所針對的環(huán)路編號，最多8路。</p><p>　　控制參數(shù)包括9個參數(shù)，全部為32位實數(shù)格式，共占用36字節(jié)。附表中的參數(shù)分兩類。一類參數(shù)是固定不變的，如參數(shù)編號為2,4,5,6,7的參數(shù)，這些參數(shù)可在PLC的主程序中設定。另外一類參數(shù)必須在調(diào)用PID指令時才填入控制表格。如編號為1,3,8,9的參數(shù)，它們具有實時性。進一步分析發(fā)現(xiàn):其中有一些參數(shù)，既是本次的輸入(執(zhí)行PID指令

86、之前)，又是本次的輸出(執(zhí)行PID指令之后)，同時還是下次運算的輸入，如編號為3,8,9的參數(shù)。表4-1中變量類型欄的In/Out應理解為相對于PID控制器而言的輸入或輸出。</p><p>　　表4-1 控制參數(shù)</p><p>　　表4-1中變量名說明如下：</p><p>　　SPn：第n采樣時刻的給定值;</p><p>　　PVn

87、： 第n采樣時刻的過程變量值;</p><p>　　PVn-1：第n-1采樣時刻的過程變量值;</p><p>　　TS：采樣時間間隔;</p><p><b>　　TD：微分時間;</b></p><p><b>　　TI：積分時間;</b></p><p>　　MX：第n

88、-1采樣時刻的積分項(積分項前值)。</p><p>　　4.2.4 報警裝置</p><p>　　系統(tǒng)裝有壓力傳感器和電流傳感器，結合PLC內(nèi)部時間繼電器，由PLC根據(jù)程序進行邏輯判斷，可對電機過載、電機過流、電機起動過載、電機運行過載、空壓機斷水、斷油、油水超溫等故障報警，并執(zhí)行相關保護動作。由于上述兩種傳感器正常工作時，均輸出4～20mA電流信號給PLC模擬輸入模塊。經(jīng)PLC內(nèi)部A/

89、D轉(zhuǎn)換為200～1000數(shù)字信號，而當傳感器損壞或斷線時，將不能給PLC輸出信號，PLC所檢測到的輸入信號數(shù)字值將低于200。據(jù)此可判斷傳感器斷線等故障?？紤]到傳感器精度、調(diào)整值及外界干擾等因素，PLC程序中將電流或電壓信號持續(xù)1秒鐘低于3mA(即PLC內(nèi)部數(shù)值150)視為傳感器故障。PLC程序中，當給出電機運行信號，而電機不在運行(電流信號小于2OA)。即判斷為外部故障。</p><p><b>　　

90、4.3 系統(tǒng)設計</b></p><p>　　4.3.1 PLC控制系統(tǒng)設計步驟</p><p>　　設計PLC控制系統(tǒng)的一般步驟如圖(4-8)所示。</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)設計步驟：</p><p>　　(1) 根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求。如需要完成的動作（動作時序、動作條件、必須的保護和聯(lián)鎖等）、操作方式（手動

91、、自動、連續(xù)、單周期、單步等）。</p><p>　　(2) 根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設備。據(jù)此確定PLC的I/O點數(shù)。</p><p>　　(3) 選擇PLC。</p><p>　　(4) 分配PLC的I/O點，設計I/O連接圖。這一步可結合第2步進行。</p><p>　　(5) 進行PLC程序設計，同時可進行控制臺的設計和現(xiàn)

92、場施工。</p><p>　　在設計繼電器控制系統(tǒng)時，必須在控制線路（接線程序）設計完成后，才能進行控制大的設計和現(xiàn)場施工。可見，采用PLC控制，可以使整個工程的周期縮短。</p><p>　　圖4-8 PLC控制系統(tǒng)流程圖</p><p>　　4.3.2 PLC程序設計的步驟</p><p>　　(1) 對于較復雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制

93、流程圖，用以清楚地表明動作的順序和條件。對于簡單控制系統(tǒng)，此步可省略。</p><p>　　(2) 設計梯形圖。</p><p>　　(3)根據(jù)梯形圖編制程序清單。</p><p>　　(4) 用編程器將程序鍵入到PLC的用戶存儲器中，并檢查鍵入的程序是否正確。</p><p>　　(5)對程序進行調(diào)試和修改，直到滿足要求為止。</p&

94、gt;<p>　　(6) 待控制臺及現(xiàn)場施工完成后，就可以進行聯(lián)機調(diào)試。如不滿足要求，再回去修改程序或檢查界限，直到滿足要求為止。</p><p>　　(7) 編制技術文件。</p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　4.4.1主電路設計</p><p>　　在硬件設計中，采用一臺變頻器控制三臺空壓機的電

95、機運行，三臺電機的運行都有變頻/工頻兩種狀態(tài)，每臺電機都需要通過兩個接觸器與工頻電源和變頻輸出電源相連。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。還需要在工頻電源下面接入同樣的自動空氣開關，來實現(xiàn)電機的過流過載保護接通。在PLC的220V輸入電源前也需要接入自動空氣開關，保證PLC的正常運行。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。（主電路如圖4-9）&l

96、t;/p><p>　　由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當前的工作電流，必須在每臺電機三相輸入電源前面都接入一個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、電流表連接。電流表安裝在控制柜上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。同時熱繼電器可以實現(xiàn)對電動機的過熱保護。</p><p>　　變頻器主電路電源輸入端子(U1，V1，W1)經(jīng)過空氣開關與三相電源連接，

97、變頻器主電路輸出端子(U2，V2，W2)經(jīng)接觸器接至三相電動機上。對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵來操作，不得以主電路的通斷來進行。</p><p>　　圖4-9 控制系統(tǒng)主電路圖</p><p&

98、gt;　　4.4.2 PLC選型 </p><p>　　本系統(tǒng)中共有3臺電機、3個電磁閥、7個壓力傳感器、12個溫度傳感器，啟動停止等開關控制信號共19個，共有64個I/O點、它們構成了被控對象。電機的啟動由開關量控制，PLC模擬量模塊輸出4～20mA電流作為變頻器的控制端輸入，進行壓力的恒壓控制。</p><p>　　PLC輸入輸出模塊I/O點數(shù)如表4-2所示。</p>

99、<p>　　表4-2 PLC輸入輸出模塊I/O點數(shù)</p><p>　　根據(jù)被控對象的I/O點數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC?？紤]到以后的擴展要求，選用CPU313C型號PLC，S7-313C CPU包括一個主要處理單元、AI5/AO2以及DI24/DO16，這些都被集成在一個緊湊的獨立的設備中，該型號具有24數(shù)字輸入、16數(shù)字輸出。

100、可提供標準值為24V DC的輸入和輸出電壓。其技術參數(shù)為：</p><p>　　(1)指令運行時間：0.1/2/20μs（二進制/定點/浮點）</p><p>　　(2)主存儲器：32KB</p><p>　　(3)SIMATIC Micro存儲卡：64KB～4M</p><p>　　(4)本機分布式I/O：DI/DO：24/16 A1/A

101、O*PT100：4+1/2</p><p>　　(5)技術功能: 計數(shù)頻率測量：3 ( 30KHz ) ～ 4 ( 2.5KHz )</p><p>　　(6)接口：MPI 187.5Kbps</p><p>　　(7)外形尺寸：120×125×130</p><p>　　4.4.3變頻器選型</p>&l

102、t;p>　　本設計變頻器選擇西門子MM440變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。創(chuàng)新的BiCo（內(nèi)部功能互聯(lián)）功能有無可比擬的靈活性。 </p><p><b>　　(1)主要特征 </b></p><p>　　200V-240V ±10%，單相/三相，交流，0.12kW

103、-45kW； 380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW； </p><p>　　矢量控制方式，可構成閉環(huán)矢量控制，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制； </p><p>　　高過載能力，內(nèi)置制動單元； </p><p>　　三組參數(shù)切換功能?？刂乒δ埽?線性v/f控制，平方v/f控制，可編程多點設定v/f控制，磁通電流控制免測速矢量控制，閉環(huán)矢量控制，閉

104、環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，節(jié)能控制模式； 標準參數(shù)結構，標準調(diào)試軟件； 數(shù)字量輸入6個，模擬量輸入2個，模擬量輸出2個，繼電器輸出3個；獨立I/O端子板，方便維護；采用BiCo技術，實現(xiàn)I/O端口自由連接；內(nèi)置PID控制器，參數(shù)自整定；集成RS485通訊接口，可選PROFIBUS-DP/Device-Net通訊模塊； 具有15個固定頻率，4個跳轉(zhuǎn)頻率，可編程；可實現(xiàn)主/從控制及力矩控制方式；在電源消失或故障時具有"自動再起動"功能

105、；靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，帶有起始段和結束段的平滑特性；快速電流限制（FCL），防止運行中不應有的跳閘； 有直流制動和復合制動方式提高制動性能。 </p><p><b>　　(2)保護功能 </b></p><p>　　過載能力為200％額定負載電流，持續(xù)時間3秒和150％額定負載電流，持續(xù)時間60秒；過電壓、欠電壓保護；變頻器、電機過熱保護；接地故障保護，短路保護；

106、閉鎖電機保護，防止失速保護；采用PIN編號實現(xiàn)參數(shù)連鎖。</p><p>　　4.4.4傳感器的選取</p><p>　　傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。作為一個參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器占有非常重要的地位。下面對本系統(tǒng)中所涉及的傳感器作簡要比較并最終選型。</p><p>　　(1)壓力傳感器的選型

107、</p><p>　　現(xiàn)場所需要測量的壓力參數(shù)有主機進水壓力、儲氣罐氣體壓力。壓力信號要求范圍為0～1MPa，精度為0.5%以上。</p><p>　　目前市場上的壓力傳感器種類繁多，在選型時應根據(jù)不同的使用條件選擇不同的傳感器。本系統(tǒng)采用北京科熱測控技術有限責任公司研制的GPT壓力變送器。GPT壓力變送器壓力測量特性如下：</p><p>　　傳感器為316不銹鋼

108、膜片結構，適用被測介質(zhì)可以是腐蝕性氣體、液體、蒸汽，測量范圍在20KPa～20MPa，測量精度分為0.1%，0.25%，0.5%，三倍過壓范圍。</p><p>　　信號輸出特性：電流型輸出：DC/4～20mA，最大負載電阻測算(含傳輸線內(nèi)阻)：Rmax= ( V -12 ) /0.02（其中V為供電電壓）。</p><p>　　供電特性：推薦工作供電電壓：DC/24V，空載工作電壓：DC

109、/12V，最高過載電壓：DC/40V，最大輸出限流：30mA，內(nèi)設電壓極性反接保護。</p><p>　　工作環(huán)境特性：環(huán)境溫度補償范圍：0～50℃，環(huán)境溫度工作范圍：-20～80℃。工作環(huán)境濕度范圍：0～80％</p><p>　　外型結構與典型接線：探頭外型尺寸：φ59mm×120mm，重量：650g; GPT過程連接外螺紋規(guī)格M20×1.5(或定制)；DPT過程

110、連接內(nèi)螺紋規(guī)格M12×1.25。</p><p>　　(2)溫度傳感器的選型</p><p>　　現(xiàn)場的溫度信號范圍為0～160℃，所以溫度傳感器采用PT100標準電阻溫度傳感器。PT100是鉑電阻溫度傳感器，它適用于測量-60℃到+400℃之間的溫度。</p><p>　　4.4.5系統(tǒng)PLC硬件部分地址分配及部分程序</p><p&

111、gt;　　(1)輸入輸出地址分配如表4-3所示</p><p>　　表4-3輸入輸出地址分配</p><p>　　(2)部分控制程序如下：</p><p>　　// 上電初始化，調(diào)用子程序</p><p>　　LD SM0.1</p><p>　　CALL SBR0</p><p>