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Keywords:
Hump,Compressedairstationairsourcemonitoring,Inverter,Three-phaseACmotor
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!
12/24RCE5
3.1.4西门子MM420变频器5
3.1.5三相交流电动机YS71148
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
4.1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
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。
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。
2.2方案的选择
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72mm×
90mm×
55mm),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。
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
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
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
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。
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2DZ47-63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。
12/24RCE
图3LOGO!
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SIMATICS7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SIMATICMMC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
(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
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+10V
2
-
输出0V
3
ADC1+
模拟输入1(+)
4
ADC1-
模拟输入1(-)
5
DIN1
数字输入1
6
DIN2
数组输入2
7
DIN3
数组输入3
8
+24V
带电位隔离的输出24V/最大.100mA
9
带电位隔离的输出0V/最大.100mA
10
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2MM420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)
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
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
(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
图10MM420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。
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
4变频调速控制系统的软件设计
4.1编程软件的介绍
轻松编程软件,即LOGO!
SoftComfort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!
SoftComfortV7.0中文版。
的控制程序设计
图15系统流程图
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
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1
Q6
继电器2
Q7
继电器3
表4LOGO!
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。
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(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。
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。
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。
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