基于plc的空气压缩机变频调速控制系统论文本科学位论文.docx

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基于plc的空气压缩机变频调速控制系统论文本科学位论文

基于PLC的空气压缩机变频调速控制系统

摘要

空气压缩机（简称“空压机”）可以将取之不尽用之不竭的空气转换为动力，来推动机械设备转动，减少使用了石油、电力等资源。

本设计主要目的是实现可编程控制器和变频器对空气压缩机组的主动控制。

本方案通过变频器控制来达到对空气压缩机“一控多”的目的，可编程控制器可以达到变频器的工频与变频自由控制转换的现实需要，以及实现变频器对空压机的转换节制。

系统通过压力传感器收集供气管道出口的压力值，经由变频器产生的4-20毫安标准控制信号，该信号又被送到可编程控制器的模拟输入端口，而后通过系统内部PID调节器算法逻辑运算产生控制信号，该信号又被送至变频器。

在变频器操控当前机工作模式由变频转化成工频，而供压管道内压力值仍达不到安全工作要求时，则启动下一台空气压缩机，以此类推启动下一台。

在变频器输出的电压频率已经变成了20HZ，此时供气管道内的气压量超过预先设定的气压值，系统封闭当前运行的机器，PLC转变操控另下一台。

关键词：

PLC，空压机，压力传感器，变频器

DesignsbasedonthePLCaircompressor’ssupervisorysystem

ABSTRACT

Thecompressor（theaircompressor）isacompressedgastoincreasegaspressureorgastransportationmachine.Aircompressoriswidelyusedinnearlyallindustrialandagricultural,defense,scienceandtechnology,civilandotherfields.Aircompressorsafetyprotectionfortheproductionofcoalminingenterprisesisveryimportant.ProgrammableLogicController（PLC）tothetraditionalrelaycontroltechnology,computercontroltechnologyandcommunicationtechnologyintegration,specificallydesignedforindustrialcontrolof.ThedesignusesPLCandfrequencyconvertertorealizetheautomaticcontrolofaircompressor.Theprogramusesinverteroftheaircompressor"draggedmore"control,PLCtoachievetheinverterfrequencyandfrequencyconversioncontrol,andinverterswitchingcontrolofacompressorstation.CollectionsystemusingpressuresensorsOutletpressureairbag,transmitteroutputby4to20mAstandardsignaltothePLCanaloginputport,throughtheinternalPIDalgorithmPLClogicoperations,sendscontrolsignalstotheinverter.Whentheinvertertocontrolthecurrentmachinebytheinverterfrequency,whilethegaspressureisstillnotsatisfiedbythePLCcontrolinverterfrequencysoft-startthenextstationaircompressortorun,andthenclickOpen.Sothattheproductionsystemforgoodeconomicandsafetyperformance.

KEYWORDS:

PLC，aircompressor，Pressuretransducer，Inverter

目　录

前　言1

第1章空气压缩机3

1.1空气压缩机的用途及其优点3

1.2空气压缩机的分类3

1.3螺杆式空气压缩机4

1.3.1螺杆式空压机的应用4

1.3.2螺杆式空压机的运转原理4

1.3.3螺杆式空压机的特点5

1.4活塞式空压机6

第2章可编程控制器（PLC）9

2.1PLC概述9

2.2PLC的基本组成9

2.3PLC的基本工作原理10

2.3.1可编程序控制器的工作方式10

2.3.2可编程序控制器的工作过程10

2.3.3可编程控制器的I/O响应时间12

2.4PLC的分类13

第3章PLC变频调速控制系统硬件电路的设计14

3.1S7-200构件简介14

3.1.1中央处理器CPU的功能14

3.1.2S7-200模板的主要特性14

3.2元器件的选型15

3.2.1空气压缩机主要参数15

3.2.2变频器参数15

3.2.3压力传送器的技术参数16

3.2.4接触器简介17

3.2.5热继电器选取17

3.2.6报警装置18

第4章PLC变频调速控制系统软件电路的设计19

4.1设计PLC程序通用方法19

4.2PLC控制系统设计的一般步骤19

4.3PLCI/O点的分配表和外部接线图21

第5章PLC恒压变频调速控制系统设计23

5.1控制系统恒压输出的方法23

5.2变频调速控制系统电气图24

5.3PLC变频调速控制系统空压机的切换方式24

5.4PLC变频调速控制原理26

5.5计算机与PLC通信28

结　论29

谢辞30

参考文献31

附　录132

附　录233

附　录334

主程序部分34

自动子程序部分36

外文资料译文44

前　言

1960S美国起先成功研制了可编程控制器（简称“PLC”），过了几年PLC得到了火速生长，并很快取代了传统控制技术——继电器控制技术，并在全球范围内应用广泛。

着科技和技术的进步，PLC的功能也随之加强和完善。

由于计算机的快速发展、模拟数字信号处理能力的提升、外部硬件设备的加强以及不断提高的用户需求，促使PLC从单一的开关量的处理发展出了模拟量的处理和运动等控制性能。

现如今的PLC不仅仅在逻辑控制中得到使用，同时也支撑着运动控制、过程控制等领域的发展。

当今，PLC已经融入社会生产中的各个环节。

例如：

在采矿、电力电子、医药化工、机械制造、钢铁和石油等各个行业中。

同时，由于计算机监控系统融入了通讯技术、故障诊断技术、软件技术等，因此广泛应用到了供水、供暖、电力、文化娱乐以及交通运输等生活领域中。

改革开放后，我国开始加大了对PLC的引进、研发、生产的探应用的工作。

开始PLC只在引进的设备中大量应用，后来随着科技与技术的提高在全国范围内的各种企业、各种生产设备以及产品中广泛的使用，不断提高PLC在我国的普及与应用。

现在咱国已有能力本身生产小型可编程控制器，我相信，跟着科技的生长，国力的提升，可编程控制器必然会在我国有广阔的实用前途。

空气压缩设备是当代采矿业安全生产的四大不变设备（选矿、空气压缩、破碎、治砂）之一，空压机是矿井用于产生和运送压缩空气的必备动力设备，是矿井的原动力之一。

随着煤矿业现代化的进步，煤矿企业对采矿设备提出了越来越高的要求，安全生产也深深植入矿山生产建设思想中。

继电器组成的传统保护设备大多是采用仪表分离等手段，这也就造成了其较低的可靠性、高昂的费用以及稳定性较差等缺点。

同时继电器组成的控制电路不移维护、不易操作、不易监控，满足不了现代矿山企业对采矿设备提出的稳定性、安全性与经济性的要求。

当今火急须简单的、易保养、易监测而且便宜的控制器来取缔由大量继电器构成的线路。

计算机技术、软件技术、电子技术的迅猛成长为可编程控制器（PLC）的成长打下了底子。

与继电器组成的线路相比PLC稳定性好，功能多，价格低廉，具有强大的优势。

因此众多的采矿业都已选择使用PLC来替代继电器组成的控制线路。

在空气压缩机系统中引入可编程控制器极大地降低了系统的操作难度，大大的提高了安全与稳定性同时也节省了人力物力。

基于PLC的空气压缩机变频调速系统让操作人员可以在较远距离的厂区机房内完成各种控制工作，极大地降低了工作人员的劳动强度，极大地节约了人力成本，同时也保证了生产系统的安全与稳定。

第1章空气压缩机

1.1空气压缩机的用途及其优点

空压机在采矿业的生产中应用非常大，其工作原理就是将取之不尽，用之不竭的空气转换为生产动力，并有输送设备。

空压机产生的压缩气体可以让井下的机器转动。

通常矿业生产部门都会将空压机安装在山上或者矿井上，空压机与通气管道相连[1]。

被压缩的空气顺着通气管道流向矿井下的工作区域，使风动机械设备转动，完成生产生活的目的。

取之不尽用之不竭的新鲜空气可以通过空压机转换为生产动力，从而驱动机械设备。

使用空压机驱动风动设备与电力驱动相比具有一下优点：

系统有火花的威胁；机械设备不怕超负荷运转；井下工人不会有触电的危险；在严寒、酷热以及高灰尘的环境中依然可以正常运转。

同时空压机产生的新鲜空气可以改变井下浑浊空气的状况。

但同时空压机也有其缺点：

运转效率较低、使用电量较大、生产资源极高等。

因此，空压机在今后必将朝着效率极高、稳定性极好以及生产成本低的方向转变[2]。

1.2空气压缩机的分类

空压机分为螺杆式空压机，其又分为两种：

喷油螺杆空压机与干式螺杆空压机；滑片式空压机；罗茨式空压机；活塞式空压机；叶片式空压机等，如图1-1。

图1-1空气压缩机的分类

1.3螺杆式空气压缩机

1.3.1螺杆式空压机的应用

螺杆式空压机大量使用在石油、交通运输、制造等部门，在机体容量大和能在很差的恶劣环境中，渐渐代替了另外不同类型的空压机。

1.3.2螺杆式空压机的运转原理

螺杆式空压机是利用机体内的齿杆运动以改变其体内的空间，来达到压缩气体的目的。

为顺应矿井空压机的大而稳定的要求，螺杆式空压机须要向大型化成长，但存在相对漏泄量大、相对喷油量多、动力损失大、对轴承的要求较高等问题，必然进一步提高空压机的机能，来顺应矿井的安全生产[3]。

（1）吸气过程：

随着空压机开始旋转，机体内的体积不断扩大，这也就会使空压机的机壳内这一部分形成真空状态。

当转子继续旋转，使空压机机壳内的体积达到最大值时，进气口便被打开，外部的新鲜空气在大气压强的作用下被推进了空压机机壳内。

空压机继续运转，进气管口随机被关闭，这也就会导致进气管口被封闭，进气过程随机结束。

（2）压缩空气：

这时候，阳杆沿着从左向右的方向转动，而阴杆则沿着与其相反的方向转动。

存在于机壳内的气体慢慢地被两杆挤压，因此机壳内的气压也不断的提升。

两杆继续转动，当两杆转到一定程度时，同期管口便与该部分气体接触，压缩过程随着结束。

（3）排气过程：

当空压机机壳内的气压达到预设值时，空压机的排气管口随机被打开，被压缩的空气在转子的转动作用下通过排气管口被排到储气罐内。

转子继续旋转，当空压机机壳内的容积达到0时，此时的排气管口随机被关闭，排气过程也就结束了。

1.3.3螺杆式空压机的特点

螺杆式空压机已经在社会生产中占领了很大的比重，因为它的高性价比，现在其已经对古老的空压机种类的生存造成了无法挽回的毁坏，但缺点总是和优点相伴而生[4]。

（1）螺杆式空压机优点：

①产品规格比较容易，在一定的范围内，转子的直径、形状可维持不变而仅需将螺杆转子加长、来适合不同风量的需求。

②与往复式空压机一样具有定排量的共同特性，排气压力有相当广泛的变化范围。

③可以使用节流控制

（2）螺杆式空压机的缺点：

①长时间不使用螺杆式空压机时，为了保护机器延长其使用寿命，需要工作人员定期转动机器。

②螺杆式空压机在旋转时，机体的温度极其高，通常可以到达200度。

因此需要对空压机安装降温设备，加重了生产资本。

③在空压机损坏不能在使用时，拆卸机器非常麻烦，并且在更换主机价格几乎可以在购买一台新的机器。

④喷油式的机器因其机壳内空气含有润滑油，因此在饮食方面不被采用。

1.4活塞式空压机

活塞式空压机主要是由：

传动、推动和气缸组件构造的。

传动组件的作用是产生动力给空压机，已实现其旋转。

气缸组件就是空压机机壳内的容积。

推动组件就是使活塞活动的那部分装备。

打开空压机后，电机开始旋转，产生的动力可以促使传动组件推动活塞运动，以达到使活塞做周期运动的目的。

活塞式空压机的正常旋转仅靠上述组件是远不够的，还需要工作人员为其增加一些辅助装备[5]。

例如：

为了使空压机机体内有大量的干净空气，过滤器就会被安装在空压机上；空压机在旋转时难免产生没用的热量，为此空压机需要一个降温装置；被压缩的气体必须还有储存的地方；被压缩气体使用量和用电的情况一样都不稳定，因此调节装置必须有。

活塞式空压机原理简图如图1-2。

图1-2单级活塞式空压机原理简图

该类型空压机的工作轮回是由：

吸气过程AB，压缩过程BC,和排气过程CD组成。

（1）吸气过程AB

活塞从A点向B点运动后所形成的机体体积，不断由新鲜空气填充，当活塞行至点B时，常压的空气填补了活塞式空压机的气缸，完成充气过程。

（2）压缩过程BC

当活塞返回时，气缸内的空气慢慢地被挤压。

当空气被压缩到C点（气缸内的空气压力等于排气管内的空气压力）时，气缸开始向外排气。

压缩过程也就结束了。

（3）排气过程CD

当活塞行至C点开始排气后，随着活塞的移动，压缩空气不断向排气管排送。

当活塞到达D点时，缸内的空气已经没有了，这也就完成一个循环。

当活塞再从上点向下点运动，进入到第二个循环，一遍又一遍的重复着以上的过程。

上述两种空压机性能比较，如表1-1。

表1-1两种空压机性能比较

比较方面

螺杆式空压机

活塞式空压机

力的平衡性

气体产生的径向、轴向力自动平衡，无副作用

曲轴旋转时产生较大的惯性力，对活塞、活塞环及气缸的破坏性较大

使用寿命

螺杆空压机主机的使用寿命最少10-15年

缸数最少在两缸以上，平衡性较差，使用寿命最长在2-3年

噪声、振动

无内应力，力平衡性好，振动小，安装无需基础，噪音低，一般为58-60db，可直接放在办公场所

运转过程中受力不平衡，震动较大，大功率时需要基础固定，低频噪声80-100db，只能安装在远距离的角落里

耐久性

径向、轴向力完全平衡，轴承寿命长，转自轴承力为5玩h，维护周期长，维护费用低

摩擦部位多，机械损耗大，活塞、活塞环等易损坏寿命仅为3000-5000h，维护周期短，维护费用高

空气质量

内有自动排水器，除水率达到80%以上，压缩空气品质较高

无自动排水器，基本无排水、除油能力，压缩空气品质较低

维修性

主机机壳采用整体结构后，星轮侧有大窗，维护方便

易损件更换频繁，拆卸、安装工作量大

体积

体积小，箱式隔音包装、结构紧凑

体积较大，振动大，需要基础加以固定

保修期

主机保修三年，终身维护

最长保修期为一年

智能化程度

整机全由电脑PLC控制，具有故障诊断及显示功能

不存在智能化

根据以上分析，本系统选用螺杆式空压机。

第2章可编程控制器（PLC）

2.1PLC概述

在二十世纪四十年代，美国狮子设备公司（DEC）D第一个成功研发了可编程控制器，该公司研发的主要目的就是为了改变传统技术的缺点。

由于该控制器具有逻辑性能，被叫做可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。

随着微电子技术的发展，大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，现在的PLC又增加了算术运算、数据处理、网络通信等功能，使PLC更多的具有了计算机的功能[6]。

PLC从产生到现在已经发生了三代的更新，如表2-1。

表2-1PLC的变更

代次

微处理器

功能特点

应用范围

第一代

1969~1972

1位微处理器

逻辑运算、定时、计数

替代传统的继电控制

第二代

1973~1975

8位微处理器及存储器

数据的传送和比较、模拟量的运算

能同时完成逻辑控制、模拟量控制

带三代

1976~1983

高性能8位微处理器

处理速度提高，向高功能及联网通信发展

复杂控制系统及联网通信

第四代

1983~至今

16位、32位微处理器

逻辑、运动、数据处理联网功能的多功能

分级网络控制系统

2.2PLC的基本组成

PLC主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。

PLC结构框图如图2-1所示。

接触器

电磁阀

行程开关

指示灯

图2-1PLC结构简图

2.3PLC的基本工作原理

2.3.1可编程序控制器的工作方式

PLC的工作方式与我们通常所熟知的计算机工作方式不同，即计算机等待操作指令传达。

而PLC采用的是无限循环扫描所接收的操作指令，并立即从上而下分析该指令，并做出相应的反应[7]。

2.3.2可编程序控制器的工作过程

PLC采用循环扫描工作方式的工作过程一般分为6各阶段：

以故障诊断和处理为主的公共操作、与编程器等的通信处理、输入扫描、执行用户程序、处理输出和响应外设。

其工作过程如图2-2。

图2-2PLC工作过程图

（1）公共操作

设计者在最初设计PLC时，以充分考虑到PLC的可靠性。

故在PLC内部安装有自我监视等功能。

一旦PLC出现故障，则PLC就会发出声光警报。

若系统出现非常严重的故障时，PLC会立即断电。

若发生不是严重的故障，PLC可以值发出声光警报而不停止运转。

（2）与编程器交流信息

用户通过计算机将可以已写好的程序导入PLC，PLC接受指令后，PLC变做出动作，用户在这一段时间内可以修改程序，也可以通过计算机监视PLC运转状况，同时运行的两个PLC可以进行信息交流，PLC也可以与磁带机信息交流。

（3）通信处理

在通信情求处理阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如：

读取智能模块的信息并放在冲区中，在适当的时候将信息传送给通信情求方。

（4）CPU自诊断测试

自诊断测试指的是系统对其各模块的扫描，并将扫描的结果反馈给CPU，并完成其他任务。

（5）执行外设指令

每次执行完用户程序后，如果外部设备有中断请求，PLC就会进入服务外设指令操作。

如果没有外部设备命令，则系统会自动进入下一次循环扫描，直到接受终止命令。

2.3.3可编程控制器的I/O响应时间

输入/输出响应时间简称“I/O响应时间，操作者对PLC发出操作指令后，PLC立即操作外部硬件设备运行这期间所用的时间我们称之为I/O响应时间。

响应时间受外部设备温度，PLC性能以及用户指令长短影响。

一般来说I/O响应时间不会超过20ms，对于不重要的系统来说，这些时间是可有可无的。

而对于大型重要的系统来说响应时间越短越好[8]。

2.4PLC的分类

（1）整体式PLC

整体式PLC在结构上是将CPU、输入/输出部件都集中配置在一个机箱具有结构紧密、体积小、重量轻、价格低等特点。

但存在主机输入/输出点数固定、灵活性差、维修不便等缺点。

（2）挂机模块式PLC

挂机模块式PLC的各部分以独立的模块形式分开设置。

这种机构的PLC配置灵活、方便、便于扩展。

机架模块式PLC存在结构复杂、插件多、造价较高等缺点。

（3）分散式PLC

分散式结构PLC是将CPU、电源、存储器集中放置在中央控制室，构成主控站。

CPU作为系统的“指挥官”操控着系统主件于副件之间的联系，并使其动作相互配合。

第3章PLC变频调速控制系统硬件电路的设计

3.1S7-200构件简介

本系统采用的PLC是西门子S7-200，包括各种各样的模板块：

CPU模板、功能转换模板FM、信号模板、电源模板PS、通信模板CP等[9]。

S7-200已发展数年，现如今完全可以解决用户提出的各种各样的要求，来达到生产生活的目的。

3.1.1中央处理器CPU的功能

（1）使用者利用编程器写入相应的程序与数据并被CPU接受与存储。

（2）CPU在接收到程序后，开始判断所接受程序中是否有错误。

（3）利用CPU扫描功能，来自工作的输入信号被接受到相应的寄存器与存储器中。

（4）CPU开始运行后，CPU从相应的存储器从上至下读入程序，并执行，完成程序的逻辑与算术运算。

3.1.2S7-200模板的主要特性

常用S7-200模板的主要特性如表3-1所示。

表3-1常用S7-200常用产品主要特性

参数

CPU312

CPU312C

CPU313C

CPU314

CPU317

用户内存/KB

16

16

32

32

512

自由编址

YES

YES

YES

YES

YES

位存储器

1024

1024

2048

2048

32768

计数器

128

128

256

256

512

定时器

128

128

256

256

512

指令处理时间（ms）

0.2

0.1

0.1

0.1

0.1

3.2元器件的选型

3.2.1空气压缩机主要参数

本系统选择LGY-17型螺杆式空压机，阳转子直径262.5mm；阴转子直径210mm；转子长度375mm；转速1800r/min。

吸气压力0.1MPa；排气压力0.8MPa[10]。

3.2.2变频器参数

（1）主要特性

矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；高估在能力，内置制动单元。

（2）控制功能

①独立I/O端子板，方便维护。

②内置PID控制器，参数自整定。

③可实现主/从控制及力矩控制方式。

④在电源消失或故障时具有“自动再起”功能。

（3）变频器外部接线图如图3-1。

图3-1变频器外部接线图

3.2.3压力传送器的技术参数

KZ-YLF系列常规型扩散硅压力变送器选用进口高精度、高稳定硅压力敏感充油芯体，通过高可靠性的放大电路，将被测介质的表压转换成1~5V的标准电信号[11]。

（1）特点

①精度超高、稳定性超好、非常安全可靠

②体积小外形美观，性价比高

③量程范围宽（-1000KPa~1000KPa~60MPa）

④不锈钢隔离膜片，防腐蚀性好

⑤反向积极保护及限流保护

⑥防雷击、防射频保护、防爆

（2）设备技术参数

①测量范围：

-100~200KPA~60MPA

②温度漂移：

0.02%FS/℃

③测量精度：

<0.2%FS

④压力类型：

绝压，表压

⑤介质温度：

-30~125℃

⑥供电：

12~30vdc（三相电压）

3.2.4接触器简介

（1）接触器的选取

随着社会的变化接触器越来越多的被使用在各类型的工厂设备中。

因为交流回路与直流回路的断开与接通只