畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于s7-300的田莊煤礦壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

./摘要空氣壓縮機(jī)<簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)>是一種用來(lái)壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)械?？删幊炭刂破?lt;PLC>將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體,專(zhuān)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)方案采用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)組的自動(dòng)控制。該方案采用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)"一拖多"的控制,PLC實(shí)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(duì)某臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)利用壓力傳感器采集氣包出口壓力,通過(guò)變送器輸出4～20毫安標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)至PLC模擬輸入端口,經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部PID算法邏輯運(yùn)算,送出控制信號(hào)至變頻器,變頻器根據(jù)送來(lái)的信號(hào)改變輸出電壓的頻率,來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,以確保供氣壓力的恒定。關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī)；可編程控制器〔PLC控制系統(tǒng)；變頻器；PID調(diào)節(jié)器ABSTRACTPressurefanisthepowersourceofthecoalminepneumaticmachinery,isoneoftheimportantequipmentcoalmine.ProgrammableLogicController<PLC>tothetraditionalrelaycontroltechnology,computercontroltechnologyandcommunicationtechnologyintegration,specificallydesignedforindustrialcontrolanddesign.ThedesignusesPLCandfrequencyconvertertorealizetheautomaticcontrolofaircompressor.Theprogramusesinverteroftheaircompressor"draggedmore"control,PLCtoachievetheinverterfrequencyandfrequencyconversioncontrol,andinverterswitchingcontrolofacompressorstation.CollectionsystemusingpressuresensorsOutletpressureairbag,transmitteroutputby4to20mAstandardsignaltothePLCanaloginputport,throughtheinternalPIDalgorithmPLClogicoperations,sendscontrolsignalstotheinverter.Accordingtothechangeoffrequencyconvertersentthesignaloutputvoltagefrequency,toadjustthemotorspeed,toensurethatthegussupplypressureconstant.Keywords:aircompressor;ProgrammableLogicController<PLC>controlsystem;inverter;PIDregulator.目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論11.1課題的背景和意義12空氣壓縮機(jī)72.1空氣壓縮機(jī)及分類(lèi)72.2螺桿式空氣壓縮機(jī)83.可編程控制器〔PLC113.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展113.2PLC的功能特點(diǎn)123.3PLC工作原理153.3S7-300及其編程軟件介紹194．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案244.1控制系統(tǒng)組成244.2控制系統(tǒng)的工作原理255控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)415.1主電路設(shè)計(jì)415.2PLC選型425.3變頻器選型445.4傳感器的選取456.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)476.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟476.2系統(tǒng)PLC硬件部分地址分配497.畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)518.致謝529．附錄539.1程序流程圖539.2部分控制程序549.3系統(tǒng)圖紙569.4外文文獻(xiàn)翻譯589.5參考文獻(xiàn)75.XX科技大學(xué)緒論1緒論自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器〔ProgrammableLogicController,PLC取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái),PLC得到了快速發(fā)展,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí),PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶(hù)需求的不斷提高,PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制,在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。目前,PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。同時(shí),計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是采用集中監(jiān)測(cè)、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(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù),廣泛應(yīng)用在化工、供暖、機(jī)械、供水、水處理等多個(gè)領(lǐng)域,在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越顯著的作用。1.1課題的背景和意義國(guó)內(nèi)外壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控現(xiàn)狀空氣壓縮機(jī)是礦山生產(chǎn)重要的四大固定設(shè)備之一,它產(chǎn)生壓縮空氣,用以帶動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備及其他風(fēng)動(dòng)工具。其能否安全運(yùn)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(jī)的超溫、超壓、斷水、斷油等。隨著煤礦現(xiàn)代化的發(fā)展,礦山企業(yè)對(duì)礦山設(shè)備的要求越來(lái)越高,建設(shè)安全性礦山已成為煤礦生產(chǎn)建設(shè)的核心。礦山設(shè)備不斷更新,不斷可靠性、易操作性、可監(jiān)視性、易維護(hù)性等已是最基本的要求了。用繼電器組成的控制電路可靠性差、不易維護(hù)、不易監(jiān)視,已不能適應(yīng)當(dāng)前的要求?，F(xiàn)在迫切需要可靠性高、易維護(hù)、易操作、可監(jiān)視并且價(jià)格不高的控制器來(lái)代替繼電器組成的電路。隨著電子技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)的飛速發(fā)展,可編程控制器〔PLC發(fā)展迅猛,性能很高,價(jià)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(shì)。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外都注重PLC在礦山壓風(fēng)機(jī)集中監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,采用可編程控制器對(duì)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)與控制改造,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題不斷進(jìn)行持續(xù)調(diào)整,達(dá)到了基本完善的集中監(jiān)測(cè)與控制功能。但國(guó)內(nèi)起步較晚,在應(yīng)用方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距.目前大部分煤礦未對(duì)礦井壓風(fēng)系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)化技術(shù)改造,許多空壓機(jī)組仍主要依靠就地分散式手工操作,需專(zhuān)人24h值班,根據(jù)井下用風(fēng)量的需求手動(dòng)啟、?？諌簷C(jī),并定期巡檢,記錄運(yùn)行狀況。傳統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備主要采用分離儀表,其可靠性差、集程度低、費(fèi)用高,不能有效的滿(mǎn)足礦山設(shè)備投入的經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求?？諌簷C(jī)控制系統(tǒng)中PLC的引入極大地簡(jiǎn)化了空壓機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)使工作人員可以在計(jì)算機(jī)集控下完成各項(xiàng)工作,大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)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。1.1.2田莊煤礦及壓風(fēng)機(jī)房概況[1]XX省田莊煤礦位于XX省XX市高新區(qū)王因鎮(zhèn),于1997年3月建礦,采用地下開(kāi)采,豎井開(kāi)拓,生產(chǎn)能力為90萬(wàn)噸/年。本區(qū)屬山前沖積平原型地貌單元,暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,水文地質(zhì)類(lèi)型為巖溶裂隙類(lèi)復(fù)雜類(lèi)型。礦區(qū)含煤地層為二疊系下統(tǒng)XX組和石炭系上統(tǒng)XX組,屬于低瓦斯、低二氧化碳礦井。田莊煤礦壓風(fēng)機(jī)房共設(shè)有中國(guó)上海英格索蘭壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的空氣壓縮機(jī)3臺(tái),其中一臺(tái)檢修、一臺(tái)備用、一臺(tái)運(yùn)行,在用機(jī)供風(fēng)量為38.3m3/min,排氣壓力0.85MPa。供風(fēng)方式為集中供風(fēng),干管放射式,主干風(fēng)管使用Ф150×6mm,沿副井井筒敷設(shè)至井下。1.1和1.2為田莊煤礦壓風(fēng)機(jī)房技術(shù)特征。表1.1壓風(fēng)機(jī)技術(shù)特征〔1壓風(fēng)機(jī)技術(shù)特征卡片1設(shè)備編號(hào)3-1-023-1-033-1-012設(shè)備類(lèi)別風(fēng)力設(shè)備風(fēng)力設(shè)備風(fēng)力設(shè)備3型式M200-2S-低壓M200-2S-低壓M200-2S-高壓4制造廠中國(guó)上海英格索蘭壓縮機(jī)有限公司中國(guó)上海英格索蘭壓縮機(jī)有限公司中國(guó)上海英格索蘭壓縮機(jī)有限公司5出廠編號(hào)1491811664FPBKAEL31736GPBKAII6出廠日期2005.92004.122008.097安裝地點(diǎn)壓風(fēng)機(jī)房壓風(fēng)機(jī)房壓風(fēng)機(jī)房8使用日期2008.112005.112005.19風(fēng)量38.8m3/min38.8m3/min38.8m3/min10排氣壓力0.85MPa0.85MPa0.85MPa11轉(zhuǎn)速1482r/min1460r/min1482r/min12軸功率200KW200KW200KW表1.2壓風(fēng)機(jī)技術(shù)特征〔215機(jī)體尺寸4000*1930*21464000*1930*21464650*1930*214616風(fēng)壓溫度壓縮前為室溫,壓縮后小于105度壓縮前為室溫,壓縮后小于105度壓縮前為室溫,壓縮后小于105度17冷卻方式水冷水冷水冷18風(fēng)包數(shù)目11119風(fēng)包容量20風(fēng)管直徑出口89,吸口300出口89,吸口300出口89,吸口300電動(dòng)機(jī)21設(shè)備類(lèi)別電力設(shè)備電力設(shè)備電力設(shè)備22型號(hào)IY315M2-4IY315M2-4IY3553-423容量200Kw200Kw200Kw24額定電壓380V380V6000V25額定電流363A363A24A26額定轉(zhuǎn)速1482r/min1482r/min1482r/min27絕緣等級(jí)F級(jí)F級(jí)F級(jí)28重量970kg970kg1860kg29制造廠英格索蘭壓縮機(jī)有限公司英格索蘭壓縮機(jī)有限公司英格索蘭壓縮機(jī)有限公司30出廠編號(hào)22077747220777472207776231出廠日期2005.52004.112008.09圖1.1壓風(fēng)機(jī)房供電系統(tǒng)圖田莊煤礦設(shè)35KV變電所一座,兩回路電源分別引自王因供電站〔35KV、XX接莊變電所〔220/35KV,采用LGJ-3×95架空線路,同桿架設(shè)。雙回路均能承擔(dān)礦井全部負(fù)荷。井下-167中央變電所由地面35KV變電站6KV兩段母線供電,兩路電纜沿副井井筒敷設(shè)至井下-167中央變電所6KV兩段母線上,地面和井下各變電所均采用分列運(yùn)行方式。壓風(fēng)機(jī)房1#壓風(fēng)機(jī)電源引自35KV變電所高壓室6KV6916開(kāi)關(guān)柜,中間加有HIGU-IR75A型斷路器。2#和3#壓風(fēng)機(jī)采用雙回路供電,分別引自副變電所低壓室和35KV高壓室6KV6905開(kāi)關(guān)柜。.2空氣壓縮機(jī)2.1空氣壓縮機(jī)及分類(lèi)空氣壓縮機(jī)〔空壓機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。作為基礎(chǔ)工業(yè)設(shè)備,空壓機(jī)在冶金、機(jī)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(yīng)用?？諌簷C(jī)分為螺桿式空壓機(jī)〔螺桿式空壓機(jī)又分為單螺桿式空壓機(jī)及雙螺桿式空壓機(jī)、離心式空壓機(jī)、活塞式空壓機(jī)、滑片式空壓機(jī)、渦旋式空壓機(jī)和旋葉式空壓機(jī)等〔如圖2.1所示空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)螺桿式空壓機(jī)離心式空壓機(jī)活塞式空壓機(jī)滑片式空壓機(jī)渦旋式空壓機(jī)旋葉式空壓機(jī)其它單螺桿式空壓機(jī)雙螺桿式空壓機(jī)圖2.1空氣壓縮機(jī)分類(lèi)2.2螺桿式空氣壓縮機(jī)螺桿式空壓機(jī)基本結(jié)構(gòu)在壓縮機(jī)機(jī)體中,平行的配置著一對(duì)互相咧合的螺旋形轉(zhuǎn)子通常把節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子,稱(chēng)為陽(yáng)轉(zhuǎn)子或陽(yáng)螺桿。把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子,稱(chēng)為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿。一般陽(yáng)轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)連接,由陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子上的最后一對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位,并承受壓縮機(jī)中的軸向力。轉(zhuǎn)子兩端的圓柱滾子軸承使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)徑向定位,并承受壓縮機(jī)中的徑向力。在壓縮機(jī)機(jī)體的兩端,分別開(kāi)設(shè)一定形狀和大小的孔口。一個(gè)供吸氣用,稱(chēng)為進(jìn)氣口；另一個(gè)供排氣用,稱(chēng)作排氣口。螺桿式空氣壓縮機(jī)的核心部件是壓縮機(jī)主機(jī),空氣的壓縮是靠裝置于機(jī)殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒槽之容積變化而達(dá)到[9]。螺桿式空壓機(jī)的工作原理螺桿壓縮機(jī)的工作循環(huán)過(guò)程可分為進(jìn)氣,壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),每對(duì)相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。<1>進(jìn)氣過(guò)程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)其空間最大,此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通,因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出,排氣完成時(shí),齒溝處于真空狀態(tài),當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時(shí),外界氣體即被吸入,沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿(mǎn)了整個(gè)齒溝時(shí),轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口,在齒溝的氣體即被封閉。<2>壓縮過(guò)程：陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時(shí),其陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒尖會(huì)與機(jī)殼封閉,此時(shí)氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動(dòng)。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。<3>排氣過(guò)程：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時(shí),被壓縮的氣體開(kāi)始排出,直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面,此時(shí)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為0,即完成排氣過(guò)程,于此同時(shí)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(zhǎng)度又達(dá)到最長(zhǎng),進(jìn)氣過(guò)程又再進(jìn)行。從上述工作原理可以看出,螺桿壓縮機(jī)是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮依靠容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn),而容積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對(duì)轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到。螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)就氣體壓力提高的原理而言,螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)相同,都屬容積式壓縮機(jī)。就主要部件的運(yùn)動(dòng)形式而言,又與離心壓縮機(jī)相似。所以,螺桿壓縮機(jī)同時(shí)具有上述兩類(lèi)壓縮機(jī)的特點(diǎn)。<1>螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)①可靠性高：螺桿壓縮機(jī)零部件少,沒(méi)有易損件,因而它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠,壽命長(zhǎng),大修間隔期可達(dá)4～8萬(wàn)小時(shí)。②操作維護(hù)方便：操作人員不必經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn),可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。③動(dòng)力平衡性好：螺桿壓縮機(jī)沒(méi)有不平衡慣性力,機(jī)器可平穩(wěn)地高速工作,可實(shí)現(xiàn)無(wú)基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)。④適應(yīng)性強(qiáng)：螺桿壓縮機(jī)具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn),排氣量幾乎不受排氣壓力的影響,在寬廣范圍內(nèi)能保證較高的效率。⑤多相混輸：螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面實(shí)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。<2>螺桿壓縮機(jī)的缺點(diǎn)①造價(jià)高：螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面,需利用特制的刀具,在價(jià)格昂貴的專(zhuān)用設(shè)備上進(jìn)行加工。另外,對(duì)螺桿壓縮機(jī)氣缸的加工精度也有較高的要求。②不適合高壓場(chǎng)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(jī)只能適用于中,低壓范圍,排氣壓力一般不能超過(guò)3.0MPa。③不能制成微型：螺桿壓縮機(jī)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(jī)才具有優(yōu)越的性能[9]我礦MM200-2S型雙螺桿壓風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)我礦工業(yè)廣場(chǎng)壓風(fēng)機(jī)房共設(shè)有3臺(tái)空氣壓縮機(jī),其中2臺(tái)M200-2S-低壓型雙螺桿壓風(fēng)機(jī),1臺(tái)M200-2S-高壓型雙螺桿壓風(fēng)機(jī)。下面以低壓型為例介紹其主要技術(shù)參數(shù)?！?風(fēng)量：38.8m3/min〔2排氣壓力：0.85MPa〔2轉(zhuǎn)速：1482r/min〔3軸功率：200KW〔4機(jī)體尺寸：4000*1930*2146〔5風(fēng)壓溫度：壓縮前為室溫,壓縮后小于105度〔6風(fēng)包容量:1個(gè)風(fēng)包,2.5〔7風(fēng)管直徑：出口89,吸口300。其電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為：〔1容量：200Kw〔2額定電壓：380V〔3額定電流：363A;〔4額定轉(zhuǎn)速：1482r/min.3.可編程控制器〔PLC3.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)作出的定義是：①可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。②它采用可編程序的存儲(chǔ)器,用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出,控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。③可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備,都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)[2]。〔1發(fā)展史長(zhǎng)期以來(lái),計(jì)算機(jī)控制和傳統(tǒng)PLC控制一直是工業(yè)控制領(lǐng)域的兩種主要控制方法,PLC自1969年問(wèn)世以來(lái),以其功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到迅速推廣,成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中極具競(jìng)爭(zhēng)力的控制工具。但傳統(tǒng)的PLC體系結(jié)構(gòu)是封閉的,各個(gè)PLC廠家的硬件體系互不兼容,編程語(yǔ)言及指令系統(tǒng)各異,用戶(hù)選擇了一種PLC產(chǎn)品后,必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程,學(xué)習(xí)特定的編程語(yǔ)言,不利于終端用戶(hù)功能的擴(kuò)展。近年來(lái),工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,控制結(jié)構(gòu)更趨于分散化和復(fù)雜化,需要更多的用戶(hù)接口。同時(shí),企業(yè)整合和開(kāi)放式體系的發(fā)展要求自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力,使企業(yè)能及時(shí)地了解生產(chǎn)過(guò)程中的諸多信息,靈活選擇解決方案,配置硬件和軟件。我國(guó)工業(yè)控制自動(dòng)化的發(fā)展道路,大多是在引進(jìn)成套設(shè)備的同時(shí)進(jìn)行消化吸收,然后進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。目前我國(guó)工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展,我國(guó)工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)形成。工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展?！?發(fā)展趨勢(shì)1、功能向增強(qiáng)化和專(zhuān)業(yè)化的方向發(fā)展,針對(duì)不同行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出專(zhuān)業(yè)化的PLC產(chǎn)品。以此來(lái)提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本,提高產(chǎn)品的易用性和專(zhuān)業(yè)化水平。2、規(guī)模向小型化和大型化的方向發(fā)展,小型化是指提高系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上,產(chǎn)品的體積越來(lái)越小,功能越來(lái)越強(qiáng)；大型化是指應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域較大的應(yīng)用市場(chǎng),應(yīng)用的規(guī)模從幾十點(diǎn)擴(kuò)展到上千點(diǎn),應(yīng)用功能從單一的邏輯運(yùn)算擴(kuò)展幾乎能滿(mǎn)足所有的用戶(hù)要求。3、系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化方向發(fā)展,以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),在windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)符合全新一體化開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的PLC。通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化的接口,可以很方便地將PLC接入其它系統(tǒng)。3.2PLC的功能特點(diǎn)3.2.1PLC的功能隨著自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展,PLC的功能日益增多。它不僅能實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制,而且能實(shí)現(xiàn)多機(jī)群控制；不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制,還能實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理等,其主要功能如下：〔1開(kāi)關(guān)量邏輯控制這是PLC的最基本的功能。PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力,它提供了與、或、非等各種邏輯指令,可實(shí)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等各種連接的開(kāi)關(guān)控制,常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。使用PLC提供的定時(shí)、計(jì)數(shù)指令,可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)功能,其定時(shí)值和計(jì)數(shù)值既可由用戶(hù)在編程時(shí)設(shè)定,也可用數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定,其值可進(jìn)行在線修改,操作十分靈活方便?！?模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,有許多連續(xù)變化的量,如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC提供了各種智能模塊,如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、熱電阻用模擬量輸入模塊、熱電阻用模擬量輸出模塊等,通過(guò)使用這些模塊,把現(xiàn)場(chǎng)輸入的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送CPU處理；而CPU處理的數(shù)字結(jié)果,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備,以完成對(duì)連續(xù)量的控制?！?閉環(huán)過(guò)程控制使用PLC不僅可以對(duì)模擬量進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制,而且還可以進(jìn)行閉環(huán)控制。配置PID控制單元或模塊,對(duì)控制過(guò)程中某一變量〔如速度、溫度、電流、電壓等進(jìn)行PID控制?！?定時(shí)、定位、計(jì)數(shù)控制PLC具有定時(shí)控制的功能,它為用戶(hù)提供了若干個(gè)定時(shí)器,定時(shí)器的時(shí)間可以由用戶(hù)在編寫(xiě)程序時(shí)設(shè)定,也可以用撥盤(pán)開(kāi)關(guān)在外部設(shè)定,實(shí)現(xiàn)定時(shí)或延時(shí)控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模塊、脈沖輸出模塊等智能模塊,以實(shí)現(xiàn)各種需求的定位控制。PLC具有計(jì)數(shù)控制的功能,它為用戶(hù)提供了若干個(gè)計(jì)數(shù)器或高速計(jì)數(shù)模塊。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以由用戶(hù)在編寫(xiě)程序時(shí)設(shè)定,也可以用撥盤(pán)開(kāi)關(guān)在外部設(shè)定,實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)控制?！?順序〔步進(jìn)控制在工業(yè)控制中,選用PLC實(shí)現(xiàn)順序控制,可以采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言——順序功能圖進(jìn)行設(shè)計(jì),可以用移位寄存器和順序控制指令編寫(xiě)程序。〔6網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)代PLC具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能,它既可以對(duì)遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制,又能實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信,從而構(gòu)成"集中管理,分散控制"的分布式控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。PLC通過(guò)RS232接口可與各種RS232設(shè)備進(jìn)行通信。PLC還可與其它智能控制設(shè)備〔如變頻器、數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)通信。PLC與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng),可提高交流電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)化控制水平?！?數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算〔含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能,可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置,或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?.2.2PLC的特點(diǎn)〔1通用性強(qiáng)、靈活性好、功能齊全PLC是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,具有面向工業(yè)控制的鮮明特點(diǎn)。通過(guò)選配相應(yīng)的控制模塊便可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時(shí),由于PLC采用存儲(chǔ)邏輯,其控制邏輯以程序方式存儲(chǔ)在內(nèi)存中,當(dāng)生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設(shè)備更新時(shí),不必改變PLC的硬件,只需改變程序,改變控制邏輯,其連線少,體積小,加之PLC中每只軟繼電器的觸點(diǎn)數(shù)理論上無(wú)限制,因此,靈活性和擴(kuò)展性都很好?！?可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)為了確保PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠的工作。在設(shè)計(jì)中強(qiáng)化了PLC的抗干擾能力,使之能抗諸如電噪聲、電源波動(dòng)、振動(dòng)、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網(wǎng)電壓的變化,可直接由交流市電供電,直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下,仍可正常工作。PLC在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中除了對(duì)元器件嚴(yán)格篩選外,硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施,有的PLC還采用了冗余技術(shù)等,進(jìn)一步增強(qiáng)了PLC的可靠性?！?編程簡(jiǎn)單、使用方便PLC在基本控制方面采用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程,這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應(yīng)的,形式簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng),廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯(cuò)率比匯編語(yǔ)言低得多。梯形圖、流程圖、語(yǔ)句表之間可以有條件的相互轉(zhuǎn)換,使用極其方便?！?模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試方便PLC的各個(gè)部件,包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來(lái),由于配置靈活,使擴(kuò)展、維護(hù)更加方便。另外,PLC的接線十分方便,只需將輸入信號(hào)的設(shè)備〔如按鈕、開(kāi)關(guān)等與PLC的輸入端子相連,將接受控制的執(zhí)行元件〔接觸器、電磁閥等與輸出端子相連即可。調(diào)試工作大部分是室內(nèi)調(diào)試,用模擬開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào),其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC上相應(yīng)的發(fā)光二極管,可以根據(jù)它進(jìn)行測(cè)試、排錯(cuò)和修改。3.3PLC工作原理3.3.1PLC基本結(jié)構(gòu)PLC主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。圖3.1PLC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶(hù)程序的運(yùn)行方式,即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開(kāi),該線圈的所有觸點(diǎn)<包括其常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)>不會(huì)立即動(dòng)作,必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。PLC掃描用戶(hù)程序的時(shí)間一般均小于100ms,因此,PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式掃描技術(shù)如圖3.2所示。掃描技術(shù)[2]當(dāng)PLC投入運(yùn)行后,其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段,即輸入采樣、用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱(chēng)作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間,PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。圖3.2掃描過(guò)程<1>輸入采樣階段在輸入采樣階段,PLC以?huà)呙璺绞揭来蔚刈x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(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后,轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)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(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此,如果輸入是脈沖信號(hào),則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入。<2>用戶(hù)程序執(zhí)行階段在用戶(hù)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(hù)程序<梯形圖>。在掃描每一組梯形圖時(shí),又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路,并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算,然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果,刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即,在用戶(hù)程序執(zhí)行過(guò)程中,只有輸入點(diǎn)在I/O映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化,而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)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(jié)果會(huì)對(duì)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(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。<3>輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶(hù)程序結(jié)束后,PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間,CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)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(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí),才是PLC的真正輸出。3.3.3PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能力,提高其可靠性,PLC的每個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。為了能實(shí)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(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式〔掃描技術(shù)。以上兩個(gè)主要原因,使得PLC的I/O響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多,其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期,一般均大于一個(gè)掃描周期甚至更長(zhǎng)。所謂I/O響應(yīng)時(shí)間指從PLC的某一輸入信號(hào)變化開(kāi)始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間。3.3S7-300及其編程軟件介紹S7-300可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)S7-300為節(jié)省空間的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),它可以適配現(xiàn)有的各種機(jī)械控制任務(wù),不需要考慮槽位規(guī)則。S7-300PLC是模擬式中小型PLC,電源、CPU和其他模塊都是獨(dú)立的,可以通過(guò)U形總線把電源〔PS、CPU和其他模塊緊密固定在西門(mén)子S7-300的標(biāo)準(zhǔn)軌道上。每個(gè)模塊都有一個(gè)總線連接器,后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機(jī)架的最左邊,CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊,如果只用主架導(dǎo)軌而沒(méi)有使用擴(kuò)展支架可以不選擇IM接口模塊。S7編程軟件組態(tài)主架導(dǎo)軌硬件時(shí),電源,CPU和IM分別放在導(dǎo)軌的1號(hào)槽、2號(hào)槽和3號(hào)槽上。一條導(dǎo)軌共有11個(gè)槽號(hào)：1號(hào)槽至11號(hào)槽,其中4號(hào)槽至11號(hào)槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI〔數(shù)字量輸入、DO〔數(shù)字量輸出、AI〔模擬量輸入、AO〔模擬量輸出、FM〔功能模塊和CP〔通信模塊等。圖3.3S7-300基本結(jié)構(gòu)S7-300的CPU[7]CPU模塊是控制系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)系統(tǒng)的中央控制責(zé)任,存儲(chǔ)并執(zhí)行程序,實(shí)現(xiàn)通信功能,為U形總線提高5V電源。CPU有4種操作模式：STOP〔停機(jī),STARTUP〔啟動(dòng),RUN〔運(yùn)行和HOLD〔保持。在所有的模式中,都可以通過(guò)MPI接口與其他設(shè)備通信。有各種不同性能分級(jí)<直到高性能>的CPU可供控制器使用。通過(guò)高效處理速率,CPU能提供很短的機(jī)器時(shí)鐘時(shí)間。取決于眼前的任務(wù),可提供帶集成I/O以及集成技術(shù)功能和集成通信接口的CPU。S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類(lèi)：表3.1S7-300的CPU模塊分類(lèi)CPU集成的I/O集成的技術(shù)功能集成的接口CPU312－－MPCPU312C數(shù)字量計(jì)數(shù)MPICPU313C數(shù)字量,模擬量計(jì)數(shù)MPICPU313C-2PtP數(shù)字量計(jì)數(shù)PtP,MPICPU313C-2DP數(shù)字量計(jì)數(shù)DP,MPICPU314－－MPCPU314C-2PtP數(shù)字量,模擬量計(jì)數(shù),定位PtP,MPICPU314C-2DP數(shù)字量,模擬量計(jì)數(shù),定位DP,MPCPU315-2DP－－DP,MPICPU318-2DP－－DP,MPIS7-300的模擬量輸入模塊在生產(chǎn)過(guò)程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來(lái)測(cè)量或控制。有的是非電量,例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強(qiáng)電量,例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無(wú)功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的量程的直流電流和直流電壓信號(hào),例如DC1~5V和DC4~20mA。模擬量輸入模塊用于將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào),其主要組成部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號(hào)一般都是模擬量變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電壓,直流電流信號(hào)。模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字稱(chēng)為模擬值,模擬值用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼來(lái)表示最高位為符號(hào)位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分?jǐn)?shù)表示的模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：雙極性模擬量量程的上下限<100%和-100%>分別對(duì)應(yīng)模擬值27648和-27648。單極性模擬量量程的上下限<100%和0%>分別對(duì)應(yīng)于模擬值27648和0。程序設(shè)計(jì)STEP7編程軟件用于西門(mén)子是供西門(mén)子s7-300編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具,是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。STEP7的所有功能均有大量的在線幫助,用鼠標(biāo)打開(kāi)或選中某一對(duì)象,按F1可以得到該對(duì)象的在線幫助。在STEP7中,用項(xiàng)目來(lái)管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理,它可以方便地瀏覽SIMATICS7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)STEP7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP7中。STEP7的硬件接口：PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP7的計(jì)算機(jī)的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計(jì)算機(jī)一側(cè)的通信速率為19.2kbit/s或38.4kbit/s,PLC一側(cè)的通信速率為19.2kbit/s~1.5Mbit/s。除了PC適配器,還需要一根標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通信電纜。.4．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案4.1控制系統(tǒng)組成控制系統(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(kāi)關(guān)、電流表、電壓表、按鈕、互感器等?；赑LC的控制系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示圖4.1控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖PLC由電源、CPU、模擬量輸入、輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入、輸出模塊等組成。其用來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分：起動(dòng)、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷。起動(dòng)：三臺(tái)電機(jī)M1,M2,M3如圖4-1所示,可以通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇變頻/工頻啟動(dòng)。運(yùn)行：正常情況,電機(jī)M1處于變頻調(diào)速狀態(tài),電動(dòng)機(jī)M2、M3處于停機(jī)狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)出口壓力,并與給定值比較,經(jīng)PID指令運(yùn)算,得到頻率信號(hào),調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到所需壓力的目的。停止：按下停止按鈕,PLC控制所有的接觸器斷開(kāi),變頻器停止工作。切換：實(shí)現(xiàn)M1,M2,M3工頻、變頻相互切換。報(bào)警及故障自診斷：空壓機(jī)內(nèi)部一般有四個(gè)需要監(jiān)測(cè)的量：冷卻水壓力監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)、機(jī)體溫度監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)氣罐壓力監(jiān)測(cè)。4.2控制系統(tǒng)的工作原理啟動(dòng)前,將變頻器的機(jī)組開(kāi)關(guān)置于欲工作的機(jī)組,工作方式選擇置于變頻位置,將PLC的控制開(kāi)關(guān)置于運(yùn)行狀態(tài),按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)組運(yùn)行。1#空壓機(jī)變頻啟動(dòng),轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始上升,若達(dá)到預(yù)設(shè)的頻率上限值50Hz時(shí),延時(shí)一段時(shí)間后風(fēng)包出口處的壓力仍不能達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值0.83MPa,則由PLC通過(guò)控制中間繼電器的通斷將1#空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行,同時(shí)將2#空氣壓縮機(jī)切換到變頻狀態(tài),變頻啟動(dòng)2#空壓機(jī)。若2#空壓機(jī)達(dá)到頻率上限時(shí),延時(shí)一段時(shí)間后仍不能滿(mǎn)足要求,再自動(dòng)將2#空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行,變頻啟動(dòng)3#空壓機(jī)。當(dāng)用風(fēng)量減小,若3臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí),3#空壓機(jī)變頻運(yùn)行而此時(shí)變頻器的頻率降到頻率的下限值20Hz時(shí),則自動(dòng)停止1#空壓機(jī),若還不能滿(mǎn)足要求,則自動(dòng)停止2#空壓機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)體溫度過(guò)高,潤(rùn)滑油溫度過(guò)高,風(fēng)包溫度過(guò)高,分包壓力過(guò)高及潤(rùn)滑油壓力過(guò)高,斷水等故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),提示有關(guān)的工作人員及時(shí)地排除故障。工作流程如圖4.2所示。開(kāi)始開(kāi)始變頻器啟動(dòng)頻率上限是否達(dá)到頻率下限是否達(dá)到監(jiān)測(cè)參數(shù)是否正常是否有停機(jī)信號(hào)停機(jī)轉(zhuǎn)化為工頻運(yùn)行并把變頻器切換到下一臺(tái)空壓機(jī)當(dāng)前空壓機(jī)停機(jī)并把變頻器復(fù)位報(bào)警延時(shí)YYNYYNN圖4.2控制系統(tǒng)流程圖該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式：<1>手動(dòng)運(yùn)行方式選擇此方式時(shí),按啟動(dòng)按鈕空壓機(jī)或停止按鈕,可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機(jī)。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)使用。<2>自動(dòng)運(yùn)行方式在自動(dòng)運(yùn)行方式下開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行時(shí),首先打開(kāi)冷卻水閥,關(guān)閉供氣閥,1#空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合,電機(jī)與變頻器連通〔啟動(dòng)過(guò)程如圖4.3變頻器輸出頻率從0Hz開(kāi)始上升,此時(shí)壓力變送器檢測(cè)壓力信號(hào)反饋PLC,由PLC經(jīng)PID運(yùn)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(shí)一定時(shí)間后,將1#空壓機(jī)切換為工頻,2#空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合,變頻啟動(dòng)2#空壓機(jī),頻率逐漸上升,直至供氣壓力達(dá)到設(shè)定壓力,依次類(lèi)推增加空壓機(jī)。變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象,裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PLC內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器,與壓力給定值進(jìn)行比較,并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算,產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率。當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí),頻率升為50HZ,延時(shí)30s后,若測(cè)量值仍小于設(shè)定值,則變頻器切換為工頻運(yùn)行,同時(shí)變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)空壓機(jī),依次啟動(dòng)各臺(tái)空壓機(jī)。當(dāng)壓力大于設(shè)定值時(shí),通過(guò)PID調(diào)節(jié)降低頻率,當(dāng)頻率降為20HZ,延時(shí)30s后,若測(cè)量值仍大于設(shè)定值,則變頻器切換到下一正在運(yùn)行的空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)速,同時(shí)關(guān)閉當(dāng)前機(jī)。依次關(guān)閉各臺(tái)空壓機(jī)。從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。正常情況下,空氣壓縮機(jī)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(jī)停機(jī),因此,系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能,這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),可由工頻電源通過(guò)接觸器直接供電,使空氣壓縮機(jī)照常工作。整個(gè)控制過(guò)程如下：用氣需求↑——管路氣壓↓——壓力設(shè)定值與反饋值的差值↑——PID輸出↑——變頻器輸出頻率↑——空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑——供氣流量↑——管路氣壓趨于穩(wěn)定特別注意：為防止電機(jī)頻繁起制動(dòng)和變速,在壓力容差范圍內(nèi),變頻器的輸出頻率不變。開(kāi)始開(kāi)始上電初始化冷卻水壓力>0.2Mp潤(rùn)油壓力>0.15Mp電氣故障啟動(dòng)運(yùn)行報(bào)警及故障處理NＮＹＮＹＹ圖4.3啟動(dòng)過(guò)程空壓機(jī)變頻調(diào)速的要求：<1>空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載,這種啟動(dòng)特點(diǎn)很容易引起變頻器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過(guò)流保護(hù)的情況,故采用具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度矢量變頻器,保證既能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性,又可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行；<2>空壓機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行,空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低,一方面使空壓機(jī)穩(wěn)定性變差,另一方面也使缸體潤(rùn)滑度變差,會(huì)加快磨損。所以工作下限應(yīng)不低于20Hz；<3功率選用比空壓機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器,以免空壓機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況；<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(jī)運(yùn)行的噪音,提高電機(jī)的穩(wěn)定性；<5>系統(tǒng)應(yīng)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(hù)時(shí),不影響生產(chǎn)?？諌簷C(jī)切換工作過(guò)程開(kāi)始時(shí),若1#空壓機(jī)變頻啟動(dòng),轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始隨頻率上升,如變頻器頻率達(dá)到50Hz而此時(shí)空氣壓力還在下限值,延時(shí)一段時(shí)間〔避免由于干擾而引起的誤動(dòng)作后,1#空壓機(jī)切換為工頻運(yùn)行,同時(shí)變頻器頻率由50Hz下降至0Hz,2#號(hào)空壓機(jī)變頻起動(dòng),如氣壓仍不滿(mǎn)足,則會(huì)啟動(dòng)3#空壓機(jī),切換過(guò)程同上；同樣,若3臺(tái)空壓機(jī)〔假設(shè)1#、2#、3#都在運(yùn)行,3#空壓機(jī)變頻運(yùn)行降到0HZ,此時(shí)氣壓仍處于上限值,則延時(shí)一段時(shí)間后使1#空壓機(jī)停止,變頻器頻率從0HZ迅速上升,若此時(shí)供氣壓力仍處于上限值,則延時(shí)一段時(shí)間后使2#空壓機(jī)機(jī)停止。這樣的切換過(guò)程,有效的減少空壓機(jī)的頻繁啟停,同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)供氣壓力波動(dòng)做出反應(yīng)之前,由于變頻器迅速調(diào)節(jié),使氣壓平穩(wěn)過(guò)渡,從而有效的避免了井下風(fēng)動(dòng)工具供氣不足的情況發(fā)生。切換過(guò)程流程圖如圖4.5所示。開(kāi)始開(kāi)始1#空壓機(jī)變頻運(yùn)行添加工作空壓機(jī)1#空壓機(jī)變pinn頻運(yùn)行1#空壓機(jī)停止運(yùn)行減少工作空壓機(jī)輸出頻率輸出頻率輸出頻率上限上限延時(shí)5s延時(shí)5s延時(shí)5s上限延時(shí)5s延時(shí)5s下限下限正常圖4.5空壓機(jī)切換流程圖在自動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),首先KM2吸合,1#空壓機(jī)在變頻器控制下起動(dòng),延時(shí)5s〔延時(shí)是為了讓壓力穩(wěn)定下來(lái)PLC對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則關(guān)閉1#空壓機(jī)；反之當(dāng)檢測(cè)到變頻器上限頻率信號(hào)則PLC執(zhí)行增加空壓機(jī)動(dòng)作：KM2斷開(kāi)、KM1吸合,1#空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時(shí)1s〔延時(shí)一是為了讓開(kāi)關(guān)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(dòng)2#空壓機(jī)。為了保護(hù)空壓機(jī)及變頻器,1#空壓機(jī)的KM1與KM2之間進(jìn)行了電氣互鎖。當(dāng)2#空壓機(jī)投入變頻運(yùn)行后,延時(shí)5sPLC繼續(xù)對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則關(guān)閉1#空壓機(jī),剩下2#空壓機(jī)在變頻狀態(tài)下運(yùn)行,延時(shí)5s如果PLC再次檢測(cè)到變頻器下限頻率信號(hào)則把2#空壓機(jī)也關(guān)閉；反之當(dāng)檢測(cè)到變頻器上限頻率信號(hào)則PLC再執(zhí)行增泵動(dòng)作：KM3斷開(kāi)、KM4吸合,2#空壓機(jī)改為工頻運(yùn)行并延時(shí)1s,KM6吸合變頻啟動(dòng)3#空壓機(jī)。依此類(lèi)推,當(dāng)3#空壓機(jī)投入變頻運(yùn)行后,延時(shí)5s,PLC繼續(xù)對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)以決定執(zhí)行增加或減少空壓機(jī)動(dòng)作來(lái)滿(mǎn)足恒壓供氣目的。另外為了方便故障檢查維修。在設(shè)計(jì)中增加了故障指示和故障報(bào)警輸出,變頻器本身具有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等功能,只需把變頻器的故障輸出點(diǎn)、接觸器、熱繼電器等輔助觸點(diǎn)接到PLC即可。PLC通過(guò)程序掃描這些輸入點(diǎn),如果發(fā)生故障則作出相應(yīng)的動(dòng)作。如檢測(cè)到一臺(tái)空壓機(jī)出現(xiàn)過(guò)載情況,則切斷該空壓機(jī)的接觸器并投入備用空壓機(jī),同時(shí)輸出故障信號(hào),以方便檢查及時(shí)維修。通信方式<1>上位機(jī)與PLC的通信在工控領(lǐng)域中PLC通常作為下位機(jī)使用,工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視空壓機(jī)的運(yùn)行狀況,查看壓力、溫度、運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),記錄并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù),提供數(shù)據(jù)的查詢(xún)和打印功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有動(dòng)作或者出現(xiàn)故障時(shí)能夠彈出提示消息并記錄存儲(chǔ)下來(lái);在遠(yuǎn)程控制允許的情況下,值班人員還可以遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控方便了調(diào)度,提高了管理自動(dòng)化水平,是煤礦信息化發(fā)展的需要。其他元件包括手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報(bào)警器等。在PLC和上位機(jī)之間的通訊中,PLC通過(guò)以太網(wǎng)模塊CP343-1接入工業(yè)以太網(wǎng),上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。選擇接口類(lèi)型為工業(yè)Ethernet,通信速率為100Mbps,設(shè)置PLC和上位機(jī)的IP地址。在煤礦空壓機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)中,用來(lái)控制空壓機(jī)的PLC系統(tǒng)作為下位機(jī),與調(diào)度室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)即上位機(jī)組成一個(gè)小型的工業(yè)以太網(wǎng),進(jìn)行PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋和對(duì)PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)。<2>PLC與變頻器的通信本系統(tǒng)中PLC對(duì)變頻器的控制是通過(guò)串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的,PLC通過(guò)RS-485通訊口方式與變頻器通訊,控制變頻器的運(yùn)行,讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、和過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)。該過(guò)程最多分5個(gè)階段。1、計(jì)算機(jī)發(fā)出通訊請(qǐng)求；2、變頻器處理等待；3、變頻器作出應(yīng)答；4、計(jì)算機(jī)處理等待；5、計(jì)算機(jī)作出應(yīng)答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過(guò)程,如寫(xiě)變頻器啟?？刂泼顣r(shí)完成1～3三個(gè)過(guò)程；監(jiān)視變頻器運(yùn)行頻率時(shí)完成1～5個(gè)過(guò)程。不論是寫(xiě)數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù),均有計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求,變頻器只是被動(dòng)接受請(qǐng)求并作出應(yīng)答?？刂葡到y(tǒng)概述在工業(yè)控制中,PID<ProportionIntegralDifferential>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(dāng)控制對(duì)象不同時(shí),控制器的參數(shù)難以自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。為了使控制器具有較好的自適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整,可以采用模糊控制方法。模糊控制已成為智能自動(dòng)化控制研究中最為活躍而富有成果的領(lǐng)域。其中,模糊PID控制技術(shù)扮演了十分重要的角色,并且仍將成為未來(lái)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之一。到目前為止,現(xiàn)代控制理論在許多控制應(yīng)用中獲得了大量成功的范例。然而在工業(yè)過(guò)程控制中,PID類(lèi)型的控制技術(shù)仍然占有主導(dǎo)地位。雖然未來(lái)的控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越寬廣,被控對(duì)象可以是越來(lái)越復(fù)雜,相應(yīng)的控制技術(shù)也會(huì)變得越來(lái)越精巧,但是以PID為原理的各種控制器將是過(guò)程控制中不可或缺的基本控制單元。利用模糊控制理論的特性,結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制理論,構(gòu)造模糊PID控制器,可實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整[3]。PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖4-6所示。將偏差的比例〔KPQUOTE、積分<KI>和微分<KD>通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,KP、KI、KD3個(gè)參數(shù)的選取直接影響了控制效果。比例比例積分微分被控對(duì)象ｅ〔ｔｕ〔ｔ圖4.6PID控制器系統(tǒng)原理圖在經(jīng)典PID控制中,給定值與測(cè)量值進(jìn)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(duì)連續(xù)時(shí)間類(lèi)型,PID控制方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為：〔4-1式<4-1>中,u<t>為PID控制器的輸出,與執(zhí)行器的位置相對(duì)應(yīng)；t為采樣時(shí)間；KPQUOTE為控制器的比例增益；e<t>為PID控制器的偏差輸入,即給定值與測(cè)量值之差；TIQUOTE為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。數(shù)字式PID控制器的表示函數(shù)為:〔4-2公式<4-2>中：e<n>為系統(tǒng)偏差；ec<n>為系統(tǒng)偏差變化率；QUOTEKP為比例系數(shù)；KI為積分作用系數(shù)；KD為微分作用系數(shù)。QUOTEKP值影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度；QUOTEKP越大,系統(tǒng)響應(yīng)速度越快,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高,如果過(guò)大,將引起超調(diào),導(dǎo)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(guò)大,在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象,從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。KD值影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；它主要抑制響應(yīng)誤差的變化,如果KD過(guò)大,會(huì)使響應(yīng)過(guò)分提前制動(dòng),從而延長(zhǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。55101520253000.7t/sMPa0.8圖4.7PID響應(yīng)曲線由分析系統(tǒng)的響應(yīng)曲線〔如圖4.7可知,在函數(shù)U<n>響應(yīng)的初始階段,取較大的KP和較小的KI與KD,可以使響應(yīng)曲線的斜率增大,加快其響應(yīng)速度。在函數(shù)U<n>接近輸出值時(shí),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(yīng)誤差的變化率。當(dāng)函數(shù)U<n>達(dá)到其輸出值時(shí),應(yīng)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>值的不同,在線適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)KP、KI和KD值,可以有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度,減小超調(diào)并縮短響應(yīng)時(shí)間,提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。西門(mén)子公司從S7-200系列PLC中的CPU215,CPU216開(kāi)始增加了用于閉環(huán)控制的PID模塊。它是通過(guò)PID調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)輸出,保證偏差值e為零,使系統(tǒng)達(dá)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(guò)程變量PV<實(shí)際值>的差。PID控制的原理基于下面的算式：<4-3>其中：M<t>：PID回路的輸出,是時(shí)間的函數(shù);Kc：PID回路的增益;e：PID回路的偏差<給定值與過(guò)程變量之差>;Minitial：PID回路輸出的初始值。S7-300系列PLC中的CPU313提供了用于閉環(huán)控制PID運(yùn)算指令,用戶(hù)只需在PLC的內(nèi)存中填寫(xiě)一張PID控制參數(shù)表〔見(jiàn)表4-1再執(zhí)行指令："PIDTableLoop"即可完成PID運(yùn)算,其中操作數(shù)Table表使用變量存儲(chǔ)器VBx來(lái)指明控制參數(shù)表的表頭字節(jié)；操作數(shù)Loop只可選擇0-7的整數(shù),表示本次PID閉環(huán)控制所針對(duì)的環(huán)路編號(hào),最多8路?？刂茀?shù)包括9個(gè)參數(shù),全部為32位實(shí)數(shù)格式,共占用36字節(jié)。附表中的參數(shù)分兩類(lèi)。一類(lèi)參數(shù)是固定不變的,如參數(shù)編號(hào)為2,4,5,6,7的參數(shù),這些參數(shù)可在PLC的主程序中設(shè)定。另外一類(lèi)參數(shù)必須在調(diào)用PID指令時(shí)才填入控制表格。如編號(hào)為1,3,8,9的參數(shù),它們具有實(shí)時(shí)性。進(jìn)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指令之前>,又是本次的輸出<執(zhí)行PID指令之后>,同時(shí)還是下次運(yùn)算的輸入,如編號(hào)為3,8,9的參數(shù)。表4-1中變量類(lèi)型欄的In/Out應(yīng)理解為相對(duì)于PID控制器而言的輸入或輸出。表4-1控制參數(shù)參數(shù)編號(hào)地址偏移量〔字節(jié)變量名變量類(lèi)型備注150PVnIN調(diào)節(jié)量254SPnIN給定量358MnIN/OUT控制量462KCIN比例增益566TSIN采樣時(shí)間〔s670TIIN積分時(shí)間〔min774TDIN微分時(shí)間〔min878MXIN/OUT累積偏移量982PVn-1IN/OUT上一次調(diào)節(jié)量表4-1中變量名說(shuō)明如下：SPn：第n采樣時(shí)刻的給定值;PVn：第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值;PVn-1：第n-1采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值;TS：采樣時(shí)間間隔;TD：微分時(shí)間;TI：積分時(shí)間;MX：第n-1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)<積分項(xiàng)前值>報(bào)警裝置系統(tǒng)裝有壓力傳感器和電流傳感器,結(jié)合PLC內(nèi)部時(shí)間繼電器,由PLC根據(jù)程序進(jìn)行邏輯判斷,可對(duì)電機(jī)過(guò)載、電機(jī)過(guò)流、電機(jī)起動(dòng)過(guò)載、電機(jī)運(yùn)行過(guò)載、空壓機(jī)斷水、斷油、油水超溫等故障報(bào)警,并執(zhí)行相關(guān)保護(hù)動(dòng)作。由于上述兩種傳感器正常工作時(shí),均輸出4～20mA電流信號(hào)給PLC模擬輸入模塊。經(jīng)PLC內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為200～1000數(shù)字信號(hào),而當(dāng)傳感器損壞或斷線時(shí),將不能給PLC輸出信號(hào),PLC所檢測(cè)到的輸入信號(hào)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(hào)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(dāng)給出電機(jī)運(yùn)行信號(hào),而電機(jī)不在運(yùn)行<電流信號(hào)小于2OA>。即判斷為外部故障。.5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1主電路設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)中,采用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)空壓機(jī)的電機(jī)運(yùn)行,三臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行都有變頻/工頻兩種狀態(tài),每臺(tái)電機(jī)都需要通過(guò)兩個(gè)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(gè)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān),來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過(guò)流過(guò)載保護(hù)接通,空氣開(kāi)關(guān)的容量依據(jù)電機(jī)的額定電流來(lái)確定。還需要在工頻電源下面接入同樣的自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān),來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過(guò)流過(guò)載保護(hù)接通。在PLC的220V輸入電源前也需要接入自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān),保證PLC的正常運(yùn)行。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量適當(dāng)選擇?！仓麟娐啡?.1由于每臺(tái)電機(jī)的工作電流都在幾百安以上,為了顯示電機(jī)當(dāng)前的工作電流,必須在每臺(tái)電機(jī)三相輸入電源前面都接入一個(gè)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(jī)的三相工作電流,便于操作人員監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)。同時(shí)熱繼電器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱保護(hù)。變頻器主電路電源輸入端子<U1,V1,W1>經(jīng)過(guò)空氣開(kāi)關(guān)與三相電源連接,變頻器主電路輸出端子<U2,V2,W2>經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上。對(duì)于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動(dòng)機(jī),一定要保證在工頻電源拖動(dòng)和變頻輸出電源拖動(dòng)兩種情況下電機(jī)旋向的一致性,否則在變頻/工頻的切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流,致使轉(zhuǎn)換無(wú)法成功。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中,必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵來(lái)操作,不得以主電路的通斷來(lái)進(jìn)行。圖5.1控制系統(tǒng)主電路圖5.2PLC選型本系統(tǒng)中共有3臺(tái)電機(jī)、3個(gè)電磁閥、7個(gè)壓力傳感器、12個(gè)溫度傳感器,啟動(dòng)停止等開(kāi)關(guān)控制信號(hào)共19個(gè),共有64個(gè)I/O點(diǎn)、它們構(gòu)成了被控對(duì)象。電機(jī)的啟動(dòng)由開(kāi)關(guān)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(jìn)行壓力的恒壓控制。表5.1PLC輸入輸出模塊I/O點(diǎn)數(shù)I/O類(lèi)型模擬量輸入模擬量輸出開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)類(lèi)型類(lèi)型數(shù)量類(lèi)型數(shù)量類(lèi)型數(shù)量類(lèi)型數(shù)量進(jìn)水溫度3變頻器控制型號(hào)1緊急停止3工頻繼電器3潤(rùn)油溫度3檢修/正常3變頻繼電器3風(fēng)包溫度3故障燈復(fù)位3超溫?zé)?電機(jī)溫度3報(bào)警燈復(fù)位1斷水燈3進(jìn)水壓力3啟動(dòng)按鈕3電磁閥3后冷壓力3停止按鈕3報(bào)警燈1總管壓力1自動(dòng)/手動(dòng)3運(yùn)行燈3檢修燈3油壓低燈3統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)AI19AO1DI19DO25總計(jì)64根據(jù)被控對(duì)象的I/O點(diǎn)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(kuò)展要求,選用CPU313C型號(hào)PLC,S7-313CCPU包括一個(gè)主要處理單元、AI5/AO2以及DI24/DO16,這些都被集成在一個(gè)緊湊的獨(dú)立的設(shè)備中,該型號(hào)具有24數(shù)字輸入、16數(shù)字輸出?？商峁?biāo)準(zhǔn)值為24VDC的輸入和輸出電壓。其技術(shù)參數(shù)為：<1>指令運(yùn)行時(shí)間：0.1/2/20μs〔二進(jìn)制/定點(diǎn)/浮點(diǎn)<2>主存儲(chǔ)器：32KB<3>SIMATICMicro存儲(chǔ)卡：64KB～4M<4>本機(jī)分布式I/O：DI/DO：24/16A1/AO*PT100：4+1/2<5>技術(shù)功能:計(jì)數(shù)頻率測(cè)量：3<30KHz>～4<2.5KHz><6>接口：MPI187.5Kbps<7>外形尺寸：120×125×135.3變頻器選型本設(shè)計(jì)變頻器選擇西門(mén)子MM440變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù),提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性,同時(shí)具備超強(qiáng)的過(guò)載能力,以滿(mǎn)足廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。創(chuàng)新的BiCo〔內(nèi)部功能互聯(lián)功能有無(wú)可比擬的靈活性。<1>主要特征200V-240V±10%,單相/三相,交流,0.12kW-45kW；380V-480V±10%,三相,交流,0.37kW-250kW；矢量控制方式,可構(gòu)成閉環(huán)矢量控制,閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制；高過(guò)載能力,內(nèi)置制動(dòng)單元；三組參數(shù)切換功能?？刂乒δ埽壕€性v/f控制,平方v/f控制,可編程多點(diǎn)設(shè)定v/f控制,磁通電流控制免測(cè)速矢量控制,閉環(huán)矢量控制,閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制,節(jié)能控制模式；標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試軟件；數(shù)字量輸入6個(gè),模擬量輸入2個(gè),模擬量輸出2個(gè),繼電器輸出3個(gè)；獨(dú)立I/O端子板,方便維護(hù)；采用BiCo技術(shù),實(shí)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(gè)固定頻率,4個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率,可編程；可實(shí)現(xiàn)主/從控制及力矩控制方式；在電源消失或故障時(shí)具有"自動(dòng)再起動(dòng)"功能；靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器,帶有起始段和結(jié)束段的平滑特性；快速電流限制〔FCL,防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；有直流制動(dòng)和復(fù)合制動(dòng)方式提高制動(dòng)性能。<2>保護(hù)功能過(guò)載能力為200％額定負(fù)載電流,持續(xù)時(shí)間3秒和150％額定負(fù)載電流,持續(xù)時(shí)間60秒；過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)；變頻器、電機(jī)過(guò)熱保護(hù)；接地故障保護(hù),短路保護(hù)；閉鎖電機(jī)保護(hù),防止失速保護(hù)；采用PIN編號(hào)實(shí)現(xiàn)參數(shù)連鎖。5.4傳感器的選取傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(gè)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),傳感器占有非常重要的地位。下面對(duì)本系統(tǒng)中所涉及的傳感器作簡(jiǎn)要比較并最終選型。<1>壓力傳感器的選型現(xiàn)場(chǎng)所需要測(cè)量的壓力參數(shù)有主機(jī)進(jìn)水壓力、儲(chǔ)氣罐氣體壓力。壓力信號(hào)要求范圍為0～1MPa,精度為0.5%以上。本系統(tǒng)采用北京科熱測(cè)控技術(shù)有限責(zé)任公司研制的GPT壓力變送器。GPT壓力變送器壓力測(cè)量特性如下：傳感器為316不銹鋼膜片結(jié)構(gòu),適用被測(cè)介質(zhì)可以是腐蝕性氣體、液體、蒸汽,測(cè)量范圍在20KPa～20MPa,測(cè)量精度分為0.1%,0.25%,0.5%,三倍過(guò)壓范圍。信號(hào)輸出特性：電流型輸出：DC/4～20mA,最大負(fù)載電阻測(cè)算<含傳輸線內(nèi)阻>：Rmax=<V-12>/0.02〔其中V為供電電壓。供電特性：推薦工作供電電壓：DC/24V,空載工作電壓：DC/12V,最高過(guò)載電壓：DC/40V,最大輸出限流：30mA,內(nèi)設(shè)電壓極性反接保護(hù)。工作環(huán)境特性：環(huán)境溫度補(bǔ)償范圍：0～50℃QUOTE,環(huán)境溫度工作范圍：-20～80℃。工作環(huán)境濕度范圍：0～80％外型結(jié)構(gòu)與典型接線：探頭外型尺寸：φ59mm×120mm,重量：650g;GPT過(guò)程連接外螺紋規(guī)格M20×1.5<或定制>；DPT過(guò)程連接內(nèi)螺紋規(guī)格M12×1.25。<2>溫度傳感器的選型現(xiàn)場(chǎng)的溫度信號(hào)范圍為0～105℃,所以溫度傳感器采用PT100標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度傳感器。PT10是鉑電阻溫度傳感器,可測(cè)量-60℃到+400..6.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)6.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的一般步驟如圖<6.1>所示。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟：<1>根據(jù)生產(chǎn)的工藝過(guò)程分析控制要求。如需要完成的動(dòng)作〔動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必須的保護(hù)和聯(lián)鎖等、操作方式〔手動(dòng)、自動(dòng)、連續(xù)、單周期、單步等。<2>根據(jù)控制要求確定所需的用戶(hù)輸入、輸出設(shè)備。據(jù)此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。<3>選擇PLC。<4>分配PLC的I/O點(diǎn),設(shè)計(jì)I/O連接圖。這一步可結(jié)合第2步進(jìn)行。<5>進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì),同時(shí)可進(jìn)行控制臺(tái)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工。在設(shè)計(jì)繼電器控制系統(tǒng)時(shí),必須在控制線路〔接線程序設(shè)計(jì)完成后,才能進(jìn)行控制大的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工?？梢?jiàn),采用PLC控制,可以使整個(gè)工程的周期縮短。圖6.1設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的一般步驟6.2系統(tǒng)PLC硬件部分地址分配表6.1系統(tǒng)PLC硬件部分地址分配〔1I000自動(dòng)I026變頻器頻率上限I001手動(dòng)I027變頻器頻率下限I002啟動(dòng)I030風(fēng)包壓力上限I003停止I031風(fēng)包壓力下限I004電動(dòng)I032冷卻水壓力上限I005復(fù)位I033潤(rùn)油壓力上限I006緊急停車(chē)I034I007變頻器啟動(dòng)I035I0101#空壓機(jī)運(yùn)行I036I0111#空壓機(jī)停止I037I0122#空壓機(jī)運(yùn)行I040檢測(cè)信號(hào)輸入I0132#空壓機(jī)停止I041變頻器故障I0143#空壓機(jī)運(yùn)行I042I0153#空壓機(jī)停止I043I016潤(rùn)滑油超溫I044I017FR1M1熱繼電器I045I020FR2M2熱繼電器I046I021FR3M3熱繼電器I047I022QF1空氣斷路器I024QF3空氣斷路器I023QF2空氣斷路器I025QF4空氣斷路器表6.2系統(tǒng)PLC硬件部分地址分配〔2Q000M1工頻運(yùn)行Q024停車(chē)指示燈Q001M1變頻運(yùn)行Q025變頻器啟動(dòng)指示燈Q002M2工頻運(yùn)行Q026調(diào)速指示燈Q003M2變頻運(yùn)行Q0271#空壓機(jī)故障指示燈Q004M3工頻運(yùn)行Q0302#空壓機(jī)故障指示燈Q005M3變頻運(yùn)行Q0313#空壓機(jī)故障指示燈Q006聲光報(bào)警器Q032變頻器故障指示燈Q007Q033風(fēng)包壓力上限指示燈Q010K1正傳繼電器Q034風(fēng)包壓力下限指示燈Q011K2反轉(zhuǎn)繼電器Q035變頻器頻率上限指示燈Q012K3點(diǎn)動(dòng)繼電器Q036變頻器頻率下限指示燈Q013K4復(fù)位繼電器Q037冷卻水壓力上限指示燈Q014Q040潤(rùn)油壓力上限指示燈Q015Q041Q016Q042Q017Q043Q020自動(dòng)指示燈Q044Q021手動(dòng)指示燈Q045Q022加壓指示燈Q046Q023降壓指示燈Q047.7.畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)在XX省田莊煤礦實(shí)習(xí)一個(gè)多月,讓我了解了煤礦的生產(chǎn)流程、先后接觸了壓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、變電所、提升系統(tǒng)等。在壓風(fēng)機(jī)房實(shí)習(xí)期間、找到壓風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),又上網(wǎng)學(xué)習(xí)了壓風(fēng)機(jī)的構(gòu)造和工作原理,溫習(xí)曾經(jīng)學(xué)過(guò)的PLC等課程,為畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。在這半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中,我受益很多,畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)本科生的一個(gè)知識(shí)的總結(jié)過(guò)程,包含著很多需要我們學(xué)習(xí)的東西：綜合能力,畫(huà)圖能力,查閱文獻(xiàn)的能力,統(tǒng)籌編輯的能力等等。作為一個(gè)即將畢業(yè)的學(xué)生,我們應(yīng)該嚴(yán)肅的對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)。我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中,聽(tīng)從老師的指教,一步一個(gè)腳印的去做,不至于后期的慌亂。畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)很多東西,把本科階段所學(xué)的理論知識(shí)綜合的應(yīng)用。加強(qiáng)了自己的理論知識(shí),為今后的學(xué)習(xí)和工作打下了良好的基礎(chǔ)。畢業(yè)設(shè)計(jì)告訴我,在以后的工作和生活中,要堅(jiān)持嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度、多了解所從事行業(yè)的知識(shí)和動(dòng)態(tài),才可能有所發(fā)展。.8.致謝本文作者在初期準(zhǔn)備〔包括在田莊煤礦的實(shí)習(xí)期間,了解了田莊煤礦壓風(fēng)機(jī)房的各項(xiàng)資料,又閱讀和參考了有關(guān)PLC以及空壓機(jī)的相關(guān)書(shū)籍。在指導(dǎo)教師和同學(xué)們的幫助下,將所學(xué)到的理論知識(shí)與相關(guān)控制系統(tǒng)相結(jié)合,終于設(shè)計(jì)出了基于PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)。但是由于時(shí)間的關(guān)系,控制系統(tǒng)還有很多可以完善的地方都沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步完善。本人所能做到的就是將設(shè)計(jì)基于PLC的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)記錄下來(lái)。因此,在設(shè)計(jì)及論述過(guò)程中難免有錯(cuò)誤和不妥之處,敬請(qǐng)各位老師和同學(xué)批評(píng)指正。在此期間,指導(dǎo)老師隋濤、劉秀芝老師給予了我很大的幫助,為我提供了不少參考資料、設(shè)計(jì)建議和改進(jìn)思路,從而使我能順利的完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì),所以在此表示深深的謝意。最后還要向文中引用到其學(xué)術(shù)論著及研究成果的眾多學(xué)者前輩與同行鳴謝,也感謝將為本文審稿的所有老師,你們提出的寶貴意見(jiàn)將使我受益匪淺!.9．附錄9.1程序流程圖圖9.1控制系統(tǒng)程序流程圖9.2部分控制程序//上電初始化,調(diào)用子程序LDSM0.1CALLSBR0LDI0.7SM0.7,1LDM0.7SQ0.6,1//變頻器頻率上限時(shí)增開(kāi)空壓機(jī)LDM0.7AD>=VD250,VD208ANM0.1TONT37,50//符合增開(kāi)條件時(shí),工頻空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)加1LDT37AB<=VB301,1EU=M0.1INCBVB301//頻率下限時(shí)減開(kāi)空壓機(jī)LDD<=VD250,1000ANM0.2TONT38,30//符合減開(kāi)條件時(shí),工頻機(jī)運(yùn)行數(shù)減1LDT38AB>VB301,0EU=M0.2DECBVB301//變頻器復(fù)位LDQ0.5OQ0.3OQ0.1=Q1.5//產(chǎn)生當(dāng)前空壓機(jī)工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)LDT34EU=M0.55RM2.1,1Network17LDM0.5SM2.2,1Network18LDM2.2TONT39,30Network19//產(chǎn)生下一臺(tái)空壓機(jī)變頻運(yùn)行啟動(dòng)信號(hào)LDT39EU=M0.6RM2.2,1RM2.0,19.3系統(tǒng)圖紙.9.4外文文獻(xiàn)翻譯Programmablelogiccontroller[11]Aprogrammablelogiccontroller<PLC>orprogrammablecontrollerisadigitalcomputerusedforautomationofelectromechanicalprocesses,suchascontrolofmachineryonfactoryassemblylines,amusementrides,orlightingfixtures.PLCsareusedinmanyindustriesandmachines.Unlikegeneral-purposecomputers,thePLCisdesignedformultipleinputsandoutputarrangements,extendedtemperatureranges,immunitytoelectricalnoise,andresistancetovibrationandimpact.Programstocontrolmachineoperationaretypicallystoredinbattery-backedornon-volatilememory.APLCisanexampleofarealtimesystemsinceoutputresultsmustbeproducedinresponsetoinputconditionswithinaboundedtime,otherwiseunintendedoperationwillresult.1.HistoryThePLCwasinventedinresponsetotheneedsoftheAmericanautomotivemanufacturingindustry.Programmablelogiccontrollerswereinitiallyadoptedbytheautomotiveindustrywheresoftwarerevisionreplacedthere-wiringofhard-wiredcontrolpanelswhenproductionmodelschanged.Beforeth