基于plc的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計-空氣壓縮機(jī)含7張CAD圖.zip,基于,plc,煤礦,空壓機(jī),控制系統(tǒng),設(shè)計,空氣壓縮機(jī),CAD 摘 要 本設(shè)計主要是要研究恒壓供氣控制系統(tǒng)的硬件電路、恒壓變頻供氣的控制方法、開發(fā)基于MCGS組態(tài)軟件的監(jiān)控界面。整個系統(tǒng)是用PLC進(jìn)行控制，MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控。PLC主要控制空壓機(jī)的啟動和停止，MCGS用于讀取壓力，以便我們隨時了解系統(tǒng)信息，進(jìn)行調(diào)整。整個系統(tǒng)自動化水平比較高，大大減少了人力物力，而且對于壓力的變化能很快的做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)壓力。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本、性能穩(wěn)定，而且功能齊全，非常適合應(yīng)用和推廣。 關(guān)鍵詞：MCGS組態(tài)軟件；PLC；空氣壓縮機(jī) Abstract This design is mainly needs to study the constant pressure air feed control system's hardware circuit, the constant pressure frequency conversion air feed control method, the development based on the MCGS configuration software's monitoring contact surface. The overall system is carries on the control with PLC, the MCGS configuration software carries on the monitoring. The PLC primary control air compressor's start and the stop, MCGS uses in reading the pressure, so that we momentarily can understand the system message, makes the adjustment. The overall system automation level is quite high, reduced the manpower and resources greatly, moreover can very quick make the response regarding the pressure change, the adjustment pressure. This system structure is simple, cost, stable property, moreover the function is complete, very suitable to apply and the promotion. Key word: MCGS configuration software; PLC; Air compressor  目錄 摘 要 1 Abstract 2 第一章 緒論 5 1.1空氣壓縮機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀 5 1.2本課題研究的目的與意義 6 1.3 設(shè)計內(nèi)容 7 第二章 空氣壓縮機(jī) 9 2.1空氣壓縮機(jī)及分類 9 2.2螺桿式空壓機(jī) 9 2.2.1螺桿式空壓機(jī)基本結(jié)構(gòu) 9 2.2.2螺桿壓縮機(jī)的工作原理 10 2.2.3螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn) 10 2.3活塞式空壓機(jī) 11 第三章 可編程控制器（plc）控制系統(tǒng) 14 3.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展 14 3.2 PLC基本結(jié)構(gòu) 14 3.3 PLC基本工作原理 17 3.3.1掃描技術(shù) 17 3.3.2 PLC的I/O響應(yīng)時間 18 3.4 PLC的主要特點(diǎn) 18 第四章 基于plc的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案 20 4.1 控制系統(tǒng)要求及分析 20 4.2 控制系統(tǒng)I/O配置 20 4.3控制系統(tǒng)組成 21 4.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和步驟 23 4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 23 4.4.2PLC的選型 23 4.4.3變頻器的選擇 24 4.4.4傳感器的選取 24 4.5 PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖 25 4.5.1主電氣原理圖 25 4.5.2控制電氣原理圖 25 4.5.3 PLC外圍控制電氣接線圖 27 4.6通信方式 30 第五章 控制系統(tǒng)概述及設(shè)計 32 5.1 系統(tǒng)設(shè)計分析 32 5.2 系統(tǒng)流程圖 34 5.3 程序設(shè)計 34 5.4系統(tǒng)PLC硬件部分地址分配及部分程序 41 第六章 PLC與觸摸屏綜合應(yīng)用 44 6.1電阻式觸摸屏原理 44 6.2電容式觸摸屏原理 45 6.3常用觸摸屏特性比較表 46 第七章 結(jié)論 47 7.1工作總結(jié) 47 7.2畢業(yè)設(shè)計心得 47 參考文獻(xiàn) 49 致 謝 50 第一章 緒論 1.1空氣壓縮機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀 隨著微型計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，許多領(lǐng)域中都引入了計算機(jī)自動檢測與控制技術(shù)。在煤礦中甚至許多有風(fēng)動機(jī)械的企業(yè)，因工作性質(zhì)的需要，都離不開空氣壓縮機(jī)。 目前空氣壓縮機(jī)的種類很多，按工作原理可分為容積式壓縮機(jī),往復(fù)式壓縮機(jī),離心式壓縮機(jī),容積式壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；離心式壓縮機(jī)的工作原理是提高氣體分子的運(yùn)動速度，使氣體分子具有的動能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。往復(fù)式壓縮機(jī)(也稱活塞式壓縮機(jī))的工作原理是直接壓縮氣體,當(dāng)氣體達(dá)到一定壓力后排出。目前主要用的是活塞式壓縮機(jī)?；钊綁嚎s機(jī)主要是向大容量、高壓力、低噪聲、高效率、高可靠性等方向發(fā)展；不斷開發(fā)變工況條件下運(yùn)行的新型氣閥，提高氣閥壽命。 隨著活塞式空氣壓縮機(jī)因為易損件多、體積大、噪聲大、震動大、不穩(wěn)定及存在危險性等缺點(diǎn)，于一九三六年在瑞典開發(fā)出第一臺雙螺桿式空氣壓縮機(jī)，因工作相對穩(wěn)定、整機(jī)體積小、自動化程度高、維護(hù)量少且小、噪聲也大幅度降低、震動也少到不用基礎(chǔ)等一系列優(yōu)點(diǎn)，于一九八六年開始引入中國并得到廣大廣大客戶的認(rèn)可。但是隨著螺桿壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用，隨著而來的問題也都暴露出來，主要表現(xiàn)為：壓力上不去，適合于八公斤以下，排氣量也上不去，最大的機(jī)頭到現(xiàn)在為止也只有35立方，軸承壽命短，而且需要有專用設(shè)備來調(diào)整間隙，不穩(wěn)定性（體現(xiàn)機(jī)頭會被抱死），力無法平衡，螺桿不能被平衡，噪聲及震動不太令人滿意，所以，大排氣量的離心式空氣壓縮機(jī)，小排氣量的滑片式壓縮機(jī)，1960年在法國成功開發(fā)出單螺桿式的壓縮機(jī)，極大的觸動了世界人的神經(jīng)，特別是當(dāng)時軍艦與潛艇對空壓機(jī)體積小、震動低、噪聲低、可現(xiàn)場維護(hù)、無油潤滑、隨時備用啟動的需求，很快在美國、英國、日本也相繼開發(fā)出來，這幾個強(qiáng)國都在努力保護(hù)，只應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，民用產(chǎn)品一直都被排在外圍。美國人如是評價：“這是二十一世紀(jì)的戰(zhàn)略性產(chǎn)品。” ? 中國也同樣強(qiáng)烈渴望這種高檔壓縮機(jī)，于一九七六年在北京第一通用機(jī)械廠成立開發(fā)小組，但一直至一九八九年，產(chǎn)品仍與國外的產(chǎn)品有著相當(dāng)大的差距，所以就停止開發(fā)，而轉(zhuǎn)為在國外尋找華人，查謙被發(fā)現(xiàn)并成功的安排在廣東肇慶端州壓縮機(jī)研究所，于一九九三年成功開發(fā)第一代產(chǎn)品，經(jīng)過七年的實(shí)驗，于2000年注冊成立“正力精工”并實(shí)行批量生產(chǎn)，并于當(dāng)年“正力精工”接受國家的創(chuàng)新基金開發(fā)國防用無油單螺桿空氣壓縮機(jī)的任務(wù)，并于2004年通過驗收而轉(zhuǎn)入試用階段。并于當(dāng)年成為國家火炬計劃的執(zhí)行單位。同年還承擔(dān)獨(dú)家編制“螺桿式空壓機(jī)”國家標(biāo)準(zhǔn)。并被國家首推為“煤礦井下用空壓機(jī)”。而且榮獲中、美、英、法、日的發(fā)明專利。 現(xiàn)在在產(chǎn)品設(shè)計上，應(yīng)用熱力學(xué)、動力學(xué)理論，通過綜合模擬預(yù)測壓縮機(jī)在實(shí)際工況下的性能；強(qiáng)化壓縮機(jī)的機(jī)電一體化，采用計算自動控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行和聯(lián)機(jī)運(yùn)行。各種新型工質(zhì)的壓縮機(jī)仍然是研究的熱門，其市場會在一定滯后時間后得到發(fā)展。目前最熱門的應(yīng)當(dāng)是CO2壓縮機(jī)了，特別是跨臨界循環(huán)。各種類型，包括活塞、滑片以及螺桿等的CO2壓縮機(jī)均在研發(fā)與應(yīng)用中。 1.2本課題研究的目的與意義 回顧工業(yè)生產(chǎn)過程和發(fā)展歷程，在20世紀(jì)40年代前后，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程均處于手工操作狀態(tài)。當(dāng)時人們主要憑經(jīng)驗由工人控制生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程靠人工去執(zhí)行，生產(chǎn)效率很低。而如今科學(xué)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，在短短的幾十年中，生產(chǎn)過程有了深遠(yuǎn)的變革，自動化水平也在不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了全車間，全廠，甚至全企業(yè)無人或很少人參與操作管理，實(shí)現(xiàn)了過程控制的最優(yōu)化與現(xiàn)代化的集中調(diào)度管理相結(jié)合的方式。 隨著技術(shù)的發(fā)展，我國許多企業(yè)存在著嚴(yán)重的設(shè)備老化的問題，有大量設(shè)備面臨著淘汰。而同時，在國內(nèi)企業(yè)中又普遍存在著資金不足，很難進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備更新?lián)Q代。因此，如何利用現(xiàn)有設(shè)備，并對其進(jìn)行合理的技術(shù)改造，使其發(fā)揮最大的作用，產(chǎn)生最大的效益，是我們所面臨的一個急待解決的重要問題。 現(xiàn)代化的煤礦，要求空氣壓縮機(jī)的裝置有較高的自動話水平，采用微機(jī)控制是空壓機(jī)發(fā)展的必然趨勢，它可以減輕操作人員的勞動強(qiáng)度，對空壓機(jī)的可靠安全運(yùn)行起到保證和促進(jìn)作用。按照《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)要求，空壓機(jī)必須具有四保護(hù)，即超壓、超溫、斷油、斷水保護(hù)裝置，煤礦迫切需要一整套較完善、靈敏可靠的檢測保護(hù)裝置。我們以某煤礦的5臺空氣壓縮機(jī)為研究對象，研究基于MCGS組態(tài)軟件的空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，主要設(shè)計內(nèi)容是設(shè)計恒壓供氣控制系統(tǒng)的硬件電路、研究恒壓變頻供氣的控制方法、開發(fā)基于MCGS組態(tài)軟件的監(jiān)控界面、完成系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試。其中主要監(jiān)控的空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)有溫度、壓力，流量以及供電參數(shù)等。 1.3 設(shè)計內(nèi)容 技術(shù)路線如圖1.1所示： 圖1.1 技術(shù)路線圖 本設(shè)計方案基于煤礦工業(yè)設(shè)計采用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)組的自動控制。該方案采用變頻器實(shí)現(xiàn)對空壓機(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，以及切換變頻器對某臺空壓機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)利用壓力傳感器采集氣包出口壓力，通過變送器輸出4～20毫安標(biāo)準(zhǔn)信號至PLC模擬輸入端口，經(jīng)過PLC內(nèi)部PID算法邏輯運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速，以確保供氣壓力的恒定。本論文研究的主要問題如下： 1.變頻恒壓供氣方案的總體設(shè)計。 2.PLC和變頻器對空壓機(jī)組的控制功能及要求。 3.PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括PLC、傳感器和變頻器的選型。 4.PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。包括梯形圖及程序設(shè)計。 第二章 空氣壓縮機(jī) 2.1空氣壓縮機(jī)及分類 空氣壓縮機(jī)（空壓機(jī)）是一種利用電動機(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。 空壓機(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） 圖2-1 空氣壓縮機(jī)分類 2.2螺桿式空壓機(jī) 2.2.1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(jī)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(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，分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口。一個供吸氣用，稱為進(jìn)氣口；另一個供排氣用，稱作排氣口。 2.2.2螺桿壓縮機(jī)的工作原理 螺桿壓縮機(jī)的工作循環(huán)過程可分為進(jìn)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)。 (1)進(jìn)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(jìn)氣端壁開口時其 空間最大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)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，齒溝處于真空狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個齒溝時，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)壓縮過程：陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機(jī)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。 (3)排氣過程：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)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(jī)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(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長度又達(dá)到最長，進(jìn)氣過程又再進(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)動的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動來達(dá)到。 2.2.3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)動形式而言，又與離心壓縮機(jī)相似。所以，螺桿壓縮機(jī)同時具有上述兩類壓縮機(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，沒有易損件，因而它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長，大修間隔期可達(dá)4～8萬小時。 2)操作維護(hù)方便：操作人員不必經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。 3)動力平衡性好：螺桿壓縮機(jī)沒有不平衡慣性力，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，在價格昂貴的專用設(shè)備上進(jìn)行加工。另外，對螺桿壓縮機(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。 2.3活塞式空壓機(jī) 活塞式空壓機(jī)主要由三部分組成：運(yùn)動機(jī)（曲軸、軸承、連桿、十字頭、皮帶輪或聯(lián)軸器等）、工作機(jī)構(gòu)（氣缸、活塞、氣閥等）與機(jī)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)。活塞式空壓機(jī)是一種最常見的容積式壓縮機(jī)。它由曲柄連桿機(jī)構(gòu)將驅(qū)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運(yùn)動。活塞與氣缸共同組成壓縮機(jī)工作腔，依靠活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動，并借助進(jìn)、排氣閥的自動開閉，使氣體周期性的進(jìn)入工作腔，進(jìn)行壓縮和排出?；钊跉飧變?nèi)一次往復(fù)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。 圖2-2 單級活塞式空壓機(jī)原理簡圖 一個工作循環(huán)周期如下： (1)吸氣過程。當(dāng)活塞2向右邊移動時，汽缸左邊的容積增大，壓力下降,當(dāng)壓力降到稍低于進(jìn)氣管中空氣壓力時，管內(nèi)空氣便頂開進(jìn)氣閥3進(jìn)入氣缸，并隨著活塞的向右移動繼續(xù)進(jìn)入氣缸，直到活塞移至右邊的末端為止。 (2)壓縮過程。當(dāng)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(jìn)氣閥的止氣作用，缸內(nèi)空氣不能倒流回進(jìn)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(dāng)活塞繼續(xù)向左移動，氣缸容積縮小，空氣體積也隨之縮小，壓力不斷提高。 (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(dāng)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(fù)上述吸氣、壓縮和排氣工作過程。 活塞式的傳動機(jī)構(gòu)是曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)有：流量較小，氣流速度低，損失小，效率高; 壓力范圍廣，適用于從低壓到超高壓；適應(yīng)性強(qiáng)，排氣壓力變動較大時，排氣量不變；機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損失件多。 圖2-3 活塞式空壓機(jī)與螺桿式空壓機(jī)的比較： (1)零部件的數(shù)量多，零部件的損壞的機(jī)率大，產(chǎn)品的可靠性低。這樣必然增加用戶的維修費(fèi)用。 (2) 曲軸連桿往復(fù)運(yùn)動結(jié)構(gòu)，由于其往復(fù)運(yùn)動的特性，限制了其轉(zhuǎn)速的提高，致使機(jī)器笨重，同時，該運(yùn)動結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的慣性力能以平衡，剩余的慣性力，會使機(jī)器產(chǎn)生振動、噪聲以及零部件的不正常的損壞。 鑒于以上原因，本系統(tǒng)選用活塞式空壓機(jī)。 第三章 可編程控制器（plc）控制系統(tǒng) 3.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展 (1)PLC概念 PLC是在繼電器控制和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)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(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)及通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。 (2)PLC發(fā)展必然性 傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)（硬件布線） 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，因而長期廣泛應(yīng)用。 缺點(diǎn)：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(shè)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(diǎn)。 60年代末期，美國汽車制造工業(yè)相當(dāng)發(fā)達(dá)，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。 1968年，美國最大的汽車制造商GM公司公開招標(biāo)。研制新的控制系統(tǒng)。提出以下要求：設(shè)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(jī)技術(shù)結(jié)合起來；但編程要比計算機(jī)簡單易學(xué)，操作方便，系統(tǒng)通用性強(qiáng)。 1969年，美國數(shù)字設(shè)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(yīng)用成功。其后，日本、德國相繼引入。中國1974年研制，1977年成功。 (3)功能發(fā)展史：（名字的由來） 早期：順序控制。包括邏輯運(yùn)算功能。稱PLC（Programmable Logic Controller） 70年代：微處理器用于PLC。功能增強(qiáng)、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)調(diào)節(jié)等，稱PC。 3.2 PLC基本結(jié)構(gòu) PLC主要是由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計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)簡圖 （1） CPU（中央處理器） CPU是PLC的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個方面： 1）接收從編程器或者計算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器存儲。 2）監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個單元電路的工作狀態(tài)。 3）診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進(jìn)行編譯。 4）在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。 5）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。 6）按程序進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。 7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。 8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請求。 （2） I/O接口 PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。 （3）存儲器 存儲器（內(nèi)存）主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存(Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。 （4）電源模塊 PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，，直流輸入通常是24V。 （5）智能模塊 除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。 （6）編程設(shè)備 常見的編程設(shè)備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。 PLC本質(zhì)上就是一臺微型計算機(jī)，其工作原理與普通計算機(jī)類似，具有計算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時逐條順序掃描用戶程序，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會立即動作，需等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作。 3.3 PLC基本工作原理 PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)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(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))不會立即動作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作。 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(jī)的運(yùn)行方式---掃描技術(shù)如圖3-2所示。 3.3.1掃描技術(shù) 當(dāng)PLC投入運(yùn)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(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 圖3-2　掃描過程 (1)輸入采樣階段 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(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)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(yīng)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。 (2)用戶程序執(zhí)行階段 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(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存儲區(qū)中對應(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，在用戶程序執(zhí)行過程中，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。 (3)輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(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)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。 3.3.2 PLC的I/O響應(yīng)時間 為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關(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算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。以上兩個主要原因，使得PLC的I/O響應(yīng)比一般微型計算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多，其響應(yīng)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(yīng)時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時間。 3.4 PLC的主要特點(diǎn) (1)高可靠性 ①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。 ②各輸入端均采用RC濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10～20ms。 ③各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 ④采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 ⑤對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 ⑥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(kuò)大。 ⑦大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。 (2)豐富的I/O接口模塊 PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。 (3)采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)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(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機(jī)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。 (4)編程簡單易學(xué) 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(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 (5)安裝簡單，維修方便 PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(fù)運(yùn)行。 第四章 基于plc的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案 4.1 控制系統(tǒng)要求及分析 根據(jù)恒壓供氣系統(tǒng)控制原理，結(jié)合實(shí)際供氣需求，對恒壓供氣系統(tǒng)要求如下。 （1）臺空壓機(jī)均可變頻啟動運(yùn)行 （2）供氣壓力要求恒定，波動一定要小，尤其是在切換空壓機(jī)時。 （3）三臺空壓機(jī)根據(jù)壓力需要，采用“先開先?！痹瓌t自動控制空壓機(jī)的投入切除。 （4）設(shè)置手動自動兩種工作模式 1）手動方式僅供應(yīng)急和檢修使用，通過按鈕直接控制各空壓機(jī)啟停，不收PLC控制。 2）自動運(yùn)行方式由PLC自動控制各空壓機(jī)變頻或工頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣。 完善的信號提示和報警功能。 4.2 控制系統(tǒng)I/O配置 根據(jù)控制系統(tǒng)要求分析，控制系統(tǒng)I/O地址分配如表4.1 表4.1 I/O地址分配表 信號名稱 符 號 地 址 開關(guān)量輸出 1#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈 KM1,L1 Q0.0 1#空壓機(jī)工頻交流接觸器及指示燈 KM2,L2 Q0.1 2#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈 KM3,L3 Q0.2 2#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈 KM4,L4 Q0.3 3#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈 KM5,L5 Q0.4 3#空壓機(jī)變頻交流接觸器及指示燈 KM6,L6 Q0.5 進(jìn)氣電動閥開/關(guān)控制及儲氣罐供氣指示 YV1,L7 Q0.7 變頻故障指示燈 L8 Q1.0 1#空壓機(jī)故障指示燈 L9 Q1.1 2#空壓機(jī)故障指示燈 L10 Q1.2 3#空壓機(jī)故障指示燈 L11 Q1.3 高壓工作指示燈 L12 Q1.4 變頻器運(yùn)行控制 Q1.5 續(xù)表 信號名稱 符 號 地 址 開關(guān)量輸入 手動/自動工作方式選擇 SA1 I0.0 故障復(fù)位信號 SA2 I0.1 高壓按鈕工作信號 SA3 I0.2 1#變頻接觸器動作信號 KM1 I0.3 1#工頻接觸器動作信號 KM2 I0.4 2#變頻接觸器動作信號 KM3 I0.5 2#工頻接觸器動作信號 KM4 I0.6 3#變頻接觸器動作信號 KM5 I0.7 3#工頻接觸器動作信號 KM6 I1.0 變頻器運(yùn)行檢測信號 KM7 I1.1 變頻器故障信號 BPQ I1.2 1#空壓機(jī)保護(hù)動作信號 RJ1 I1.3 2#空壓機(jī)保護(hù)動作信號 RJ2 I1.4 3#空壓機(jī)保護(hù)動作信號 RJ3 I1.5 模擬量輸入 供氣壓力信號輸入 YL AIW0 壓力罐壓力信號輸入 YW AIW2 變頻器實(shí)際輸出電流 AO0 AIW4 變頻器實(shí)際輸出頻率 AO1 AIW6 模擬量輸出 變頻器運(yùn)行頻率給定 Aref QW0 4.3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、空氣開關(guān)、電流表、電壓表、按鈕、互感器等。 基于PLC的控制系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示。 圖4-1控制系統(tǒng)簡圖 PLC由電源、CPU、模擬量輸入、輸出模塊、開關(guān)量輸入、輸出模塊等組成。其用來實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分：起動、運(yùn)行、停止、切換、報警及故障自診斷。 起動：三臺電機(jī)M1，M2，M3如圖4-1所示，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻/工頻啟動。 運(yùn)行：正常情況，電機(jī)M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動機(jī)M2、M3處于停機(jī)狀態(tài)?，F(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(yùn)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(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，變頻器停止工作。 切換：實(shí)現(xiàn)M1，M2，M3工頻、變頻相互切換。 報警及故障自診斷：空壓機(jī)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(jī)體溫度監(jiān)測、儲氣罐壓力監(jiān)測。 4.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和步驟 4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實(shí)際設(shè)計過程中，設(shè)計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計原則可以歸納為4點(diǎn)。 1. 設(shè)計原則 （1）完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。 （2）可靠性原則。確保計算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。 （3）經(jīng)濟(jì)型原則。力求控制系統(tǒng)簡單、實(shí)用、合理。 （4）發(fā)展性原則。適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。 2. 評估控制任務(wù) 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。 （1）控制規(guī)模 一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)模可用該系統(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時,特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時，最適合采用PLC控制。 （2）工藝復(fù)雜程度 當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時,采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性. （3）可靠性要求 目前,當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時，就趨向于選擇PLC控制了。 （4）數(shù)據(jù)處理速度 若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用PLC控制將非常適宜。 4.4.2PLC的選型 根據(jù)表4.1所示明細(xì)，PLC系統(tǒng)共需配置14個開關(guān)量輸入口、13個開關(guān)量輸出口、4個模擬量出入口、1個模擬量輸出口。同時根據(jù)PLC輸出驅(qū)動的負(fù)載為交流接觸器（線圈），查閱選型樣本后，選擇西門子S7-200系列，還需要模擬量模塊，經(jīng)綜合比較，選擇PLC的系統(tǒng)配置為CPU224/AC/DC/Relay (6ES7214-1BD23-0xB8)+EM222(6ES7222-1D220xA0)+EM235(6ES7235-0KD22-0xA8） PLC系統(tǒng)配置如圖4-2所示。 擴(kuò)展單元 EM222 （4路繼電器） 模擬量單元 EM235 4AI/IAO 主機(jī)單元 CPU224 AC/DC繼電器 圖4-2 PLC控制系統(tǒng)配置 4.4.3變頻器的選擇 (1)首先要滿足系統(tǒng)控制功能要求，具有： 1)運(yùn)行/停止控制端子； 2)運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)輸出； 3)故障狀態(tài)輸出； 給定運(yùn)行頻率輸出功能； 兩路模擬量輸出功能，可分別為變頻輸出頻率和變頻輸出電流功能。 （2）選擇變頻器產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性好。 綜合客戶需求和性價比等因素，確定變頻器的品牌型號。 本設(shè)計選用ABB公司的ACS510系列變頻器，查樣本可知驅(qū)動15KW電動機(jī)的變頻器型號可選擇為ACS510-01-031A-4，輸出額定電流為31A（400V）。具有RS-485接口和PID調(diào)節(jié)功能，增強(qiáng)的PFC控制功能，兩路模擬量輸入和兩路模擬量輸出端子。 4.4.4傳感器的選取 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。 (1)壓力傳感器的選型 現(xiàn)場所需要測量的壓力參數(shù)有主機(jī)進(jìn)氣壓力、儲氣罐氣體壓力。壓力信號要求范圍為0～1MPa，輸出電信號為4~20mA，兩線制DC+24，精度為0.5%以上。 (2)溫度傳感器的選型 現(xiàn)場的溫度信號范圍為0～160℃，所以溫度傳感器采用PT100標(biāo)準(zhǔn)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。 4.5 PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖 4.5.1主電氣原理圖 主電氣原理圖如圖3.5所示，VVVF為變頻器；QF1、QS0~QS3為空氣斷路器，起控制和隔離電源的作用，QF1為總系統(tǒng)電源斷路器，QS0為控制變頻器的電源斷路器，QS1~QS3分別控制1~3#電機(jī)的工頻電源斷路器；KM1、KM2分別控制1#電機(jī)工頻工作和變頻工作的交流接觸器，這兩個接觸器必須保證互鎖，即絕對不能同時閉合，否則會將工頻電源通過兩個接觸器主觸點(diǎn)直接引到變頻器的輸出端，將變頻器的內(nèi)部元件燒壞。為保證某臺電機(jī)的變頻和工頻接觸器不同時工作，KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6可以選擇具有機(jī)械互鎖的交流接觸器，如西門子的3TD系列接卸互鎖接觸器，提高控制的可靠性，同時對于控制電路也必須保證不能同時帶電動作，如圖3.5所示的接觸器線圈控制回路。KM3~KM6分別控制2#電機(jī)和3#電機(jī)的變頻和工頻工作。FR1~FR3分別作為3臺電機(jī)的短路、缺相和過載保護(hù)繼電器。 4.5.2控制電氣原理圖 控制電氣原理圖如圖3.5所示，DL1為控制電路斷路器，可以選擇額定容量為10A的小型高分?jǐn)嚯p極斷路器，主要作用為控制電路電源的開關(guān)，并對控制電路起到短路等保護(hù)作用。SA1為萬能轉(zhuǎn)化開關(guān)，轉(zhuǎn)換自動和手動工作方式，在位置“1”時為手動控制方式，可將PLC部分輸出點(diǎn)控制電源“2”斷開，即切斷PLC控制KM1~KM6交流接觸的控制電源。SA2為實(shí)現(xiàn)手動控制儲氣罐注氣功能轉(zhuǎn)換開關(guān)。SB1~SB6分別為手動工作方式時控制電機(jī)運(yùn)行的按鈕開關(guān)。FR1~FR3為熱保護(hù)繼電器的常閉動作接點(diǎn)，動作后可自動將響應(yīng)電機(jī)的控制回路斷開，實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。熱繼電器的常開點(diǎn)引入PLC的輸入點(diǎn)檢測，如圖4-3所示。 圖4-3 主電氣原理圖 本電氣控制電路實(shí)現(xiàn)變頻回路與工頻回路可靠互鎖。 （1）采用機(jī)械互鎖接觸器，KM1與KM2、KM3與KM4、KM5與KM6為3對機(jī)械互鎖接觸器，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上防止變頻和工頻接觸器同時動作。 （2）變頻接觸器線圈控制回路串接本電機(jī)工頻接觸器的常閉輔助點(diǎn)，電氣上避免同臺電機(jī)的變頻與工頻同時動作，有效防止工頻電源接到變頻器的輸出側(cè)，造成變頻 器損壞。 圖4-4 控制電器原理圖 （3）所有變頻接觸器線圈控制回路互鎖電器上避免同一時間多臺電機(jī)同時變頻動作。 （4）在PLC軟件編程中將各輸出點(diǎn)互鎖，防止同臺電機(jī)的變頻和工頻接觸器以及不同電機(jī)的變頻接觸器同時動作。 4.5.3 PLC外圍控制電氣接線圖 圖3.7所示為PLC外圍控制電氣接線圖。圖中SA1與圖3.6中所示的SA1為同一萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，閉合“1”時為自動工作方式，斷開“0”時為手動工作方式。SB7為一常開按鈕開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障報警時，按該按鈕實(shí)現(xiàn)故障信息復(fù)位。SB8為一常開閉鎖按鈕，起到氣罐信號輸入控制作用。KM1~KM6分別是相應(yīng)交流接觸器的常開輔助點(diǎn)，用于電機(jī)工作方式的檢測反饋如信號輸入。Run和Fault為變頻器的狀態(tài)輸出。 繼電器點(diǎn)，在此選擇變頻器的輔助繼電器1和2，變頻器正常時為常開，變頻器。 圖4-5PLC外圍控制電器接線圖 運(yùn)行或故障時分別閉合。 根據(jù)上面分析，PLC與變頻器之間的控制信號有： （1）變頻器的運(yùn)行頻率給定值：通過PLC的模擬量擴(kuò)展模塊的輸出通道QW0輸出給定運(yùn)行頻率值，按變頻器的AI2（5）和模擬地（6）端子，以0~20mA電流信號給定運(yùn)行頻率（0~50.00Hz）。 （2）變頻器啟動/停止控制：由PLC數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM222的Q0.3接變頻器的DI1（13）端子和輔助電壓（10）端子。變頻器11（GND）與12（DCOM）端子連接。 （3）變頻運(yùn)行頻率檢測：通過變頻器的模擬量AO1（7）輸出端子輸出0~20mA（對應(yīng)0~50.00HZ）的電流信號，輸出PLC的模擬量擴(kuò)展模塊（AIW4）的C通道。 （4）變頻運(yùn)行電流檢測：變頻器的運(yùn)行電流通過模擬量輸出端子AO2（8）輸出0~20mA（對應(yīng)0~I2n）的電流信號，接入PLC的模擬量擴(kuò)展模塊（AIW6）D通道。 （5）變頻器運(yùn)行狀態(tài)：設(shè)置變頻器的輔助繼電器2表示運(yùn)行狀態(tài)，由I1.1輸入。 （6）變頻器運(yùn)行狀態(tài)：設(shè)置變頻器的輔助繼電器3表示運(yùn)行狀態(tài)，由I1.2輸入。 變頻器的控制端子接線圖如圖4-5所示。 4.6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)計算機(jī)作為上位機(jī)，通過網(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)行時間、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、輸出功率等實(shí)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(dāng)現(xiàn)場設(shè)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(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，提高了管理自動化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要。 其他元件包括手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報警器等。 在PLC和上位機(jī)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(jī)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。選擇接口類型為工業(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PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號。 (2)PLC與變頻器的通信 本系統(tǒng)中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實(shí)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(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、和過壓、過流、過負(fù)荷等全部報警信息等參數(shù)。 該過程最多分5個階段。1、計算機(jī)發(fā)出通訊請求；2、變頻器處理等待；3、變頻器作出應(yīng)答；4、計算機(jī)處理等待；5、計算機(jī)作出應(yīng)答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過程，如寫變頻器啟停控制命令時完成1～3三個過程；監(jiān)視變頻器運(yùn)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(jī)發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應(yīng)答。 第五章 控制系統(tǒng)概述及設(shè)計 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(dāng)控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自動調(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)的自動調(diào)整，可以采用模糊控制方法。 模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(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)過程控制中，PID類型的控制技術(shù)仍然占有主導(dǎo)地位。雖然未來的控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會越來越寬廣，被控對象可以是越來越復(fù)雜，相應(yīng)的控制技術(shù)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)的自動調(diào)整。 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(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，KP、KI、KD 3個參數(shù)的選取直接影響了控制效果。 5.1 系統(tǒng)設(shè)計分析 硬件電路設(shè)計完成后，結(jié)合硬件電路及控制要求進(jìn)行軟件編程。軟件編寫要實(shí)現(xiàn)恒壓控制功能，要達(dá)到下面幾點(diǎn)要求。 （1）自動工作方式時變頻運(yùn)行頻率的自動升降調(diào)節(jié)；根據(jù)實(shí)時供氣管道網(wǎng)壓力與設(shè)定運(yùn)行壓力值，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)空壓機(jī)空氣壓力輸出量，達(dá)到實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)供氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的目的，為在管網(wǎng)壓力波動時快速穩(wěn)定壓力，防止系統(tǒng)調(diào)解時震蕩等問題，PLC軟件采用PID調(diào)節(jié)，并設(shè)置合適的PID參數(shù)。 （2）供氣頻率設(shè)置：在調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行頻率時，由于空壓機(jī)供氣有一定的供氣頻率，并且在不同的工作壓力時供壓頻率不同，因此在調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率及投切電機(jī)時有一段 （3）工頻和變頻互鎖：自動工作方式時各電機(jī)的變頻和工頻切換過程中確保不同時動作，同一時間僅可一臺電機(jī)變頻工作，即不可多臺空壓機(jī)同時工作在變頻狀態(tài)。 （4）按時間原則切換選擇各電機(jī):：為了有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，要求每一臺電機(jī)運(yùn)行時均變頻啟動，并且工頻電機(jī)按照“先開先停”原則來進(jìn)行，因此在系統(tǒng)自動工作時根據(jù)時間原則實(shí)現(xiàn)電機(jī)的投入與切除。在儲氣罐壓力低需要投入空壓機(jī)變頻運(yùn)行時，在當(dāng)前停機(jī)空壓機(jī)中選擇停止時間最長的空壓機(jī)投入工作；在壓力罐壓力過高需要切除工頻運(yùn)行的空壓機(jī)時，在當(dāng)前運(yùn)行的空壓機(jī)中選擇工作時間最長的空壓機(jī)切除系統(tǒng)。有故障信息的空壓機(jī)不能投入工作。 （5）程序結(jié)構(gòu)及程序功能實(shí)現(xiàn)：PLC在該控制系統(tǒng)中功能較多，PID調(diào)節(jié)程序由初始化子程序和中斷程序組成，本程序分為3部分：主程序、功能子程序和中斷子程序，PID的定時采樣及輸出控制由定時中斷功能完成，模擬量的量程變換處理由子程序SBR0、ANALOG完成。 （6）參數(shù)設(shè)置：PID調(diào)節(jié)僅使用了比例和積分控制，回路的增益和時間常數(shù)由工程經(jīng)驗法初步確定，并在實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行時進(jìn)一步修改。初始比例增益參數(shù)和時間常數(shù)設(shè)置為：Kc=0.6，采樣時間Ts=200ms，積分時間TI=30min。 （7）運(yùn)行時間、停機(jī)時間定時：本系統(tǒng)中各電機(jī)的工作時間和停止時間正確的累計關(guān)系到系統(tǒng)能否正確選擇工作電機(jī)問題，由于PLC本身定時器定時長度都較短，為此采用內(nèi)部計數(shù)器以分鐘為單位來完成計數(shù)定時，計數(shù)器分配表參見表511。 表5-1 程序中使用的PLC元件和功能 PLC地址 功能 PLC地址 功能 VD0 過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 VD1000 VD4 壓力給定值 VD1004 VD8 PI計算值 VD1008 儲氣罐開閥低氣壓設(shè)定值（m） VD12 比例系數(shù) VD1012 儲氣罐關(guān)閥高氣壓設(shè)定值（m） VD16 采樣時間 VD1016 儲氣罐實(shí)際氣壓值（m） VD20 積分時間 VD1020 實(shí)際供壓管網(wǎng)壓力（Mpa） VD24 微分時間 VD1024 變頻電機(jī)運(yùn)行頻率（Hz） VD204 PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元 VD1028 變頻器輸出電流（A） VD208 變頻運(yùn)行頻率下限值 C0 1#電機(jī)工頻運(yùn)行時間計數(shù)器（min） C1 1#電機(jī)停止時間計數(shù)器（min） C2 2#電機(jī)工頻運(yùn)行時間計數(shù)器（min） C3 2#電機(jī)停止時間計數(shù)器（min） C4 3#電機(jī)工頻運(yùn)行時間計數(shù)器（min） C5 3#電機(jī)停止時間計數(shù)器（min） （8）PID調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)：由以上分析，供氣管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定經(jīng)PID運(yùn)行調(diào)節(jié)，PID的軟件設(shè)計利用STEP 7-Micro/WIN編程軟件的PID指令向?qū)瓿桑诒纠薪?jīng)PID配置向?qū)傻淖映绦蛎Q分別為PID1-INIT（PID初始化子程序）、PID-EXE（PID定時計算中斷子程序）。 5.2 系統(tǒng)流程圖 變頻調(diào)速恒壓供氣系統(tǒng)控制程序分為三部分：主程序、中斷程序和子程序。 （1）主程序執(zhí)行PID參數(shù)初始化、調(diào)用恒壓供氣系統(tǒng)子程序，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣系統(tǒng)的控制要求。程序流程圖如圖5-1所示。 圖5-1 恒壓供氣系統(tǒng)主程序流程圖 （3）恒壓供氣系統(tǒng)子程序執(zhí)行加、減電機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)壓力罐恒壓調(diào)節(jié)。程序流程圖如圖5-2所示。 5.3 程序設(shè)計 根據(jù)程序流程圖編寫恒壓供氣系統(tǒng)主程序、恒壓供水系統(tǒng)子程序，PID參數(shù)初始化程序及中斷程序， 圖5-2 恒壓供氣系統(tǒng)子程序流程圖 （1）恒壓供氣主程序 網(wǎng)絡(luò)1 網(wǎng)絡(luò)2 網(wǎng)絡(luò)3 圖5-3 恒壓供氣主程序 網(wǎng)絡(luò)1 PID參數(shù)上電后初始化 網(wǎng)絡(luò)2 運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)變換 網(wǎng)絡(luò)3 設(shè)置運(yùn)行壓力值 （2）恒壓供氣子程序 網(wǎng)絡(luò)4 網(wǎng)絡(luò)5 網(wǎng)絡(luò)6 網(wǎng)絡(luò)7 網(wǎng)絡(luò)8 網(wǎng)路9 圖5-4 恒壓供氣子程序（a） 網(wǎng)絡(luò)4 是否具有可以投入變頻工作的電機(jī)判斷M0.0 網(wǎng)絡(luò)5 當(dāng)前變頻電機(jī)轉(zhuǎn)工頻工作，投入新變頻電機(jī)工作信號 網(wǎng)絡(luò)6 選擇1#電機(jī)投入變頻工作信號 網(wǎng)絡(luò)7 選擇2#電機(jī)投入變頻工作信號 網(wǎng)絡(luò)8 選擇3#電機(jī)投入變頻工作信號 網(wǎng)絡(luò)9 壓力高，變頻電機(jī)運(yùn)行頻率低于設(shè)定頻率時，發(fā)出切換電機(jī)信號M0.7 網(wǎng)絡(luò)10 網(wǎng)絡(luò)11 網(wǎng)絡(luò)12 網(wǎng)絡(luò)13 網(wǎng)絡(luò)14 網(wǎng)絡(luò)15 網(wǎng)絡(luò)16 網(wǎng)絡(luò)17 網(wǎng)絡(luò)18 網(wǎng)