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基于plc的空气压缩机变频调速控制系统-(论文.doc
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1、洛阳理工学院毕业设计(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
2、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Designs based on the PLC air compressors supervisory systemABSTRACTThe compressor (the air compressor) is a compressed gas to increase gas pre
3、ssure or gas transportation machine. Air compressor is widely used in nearly all industrial and agricultural, defense, science and technology, civil and other fields. Air compressor safety protection for the production of coal mining enterprises is very important. Programmable Logic Controller (PLC)
4、 to the traditional relay control technology, computer control technology and communication technology integration, specifically designed for industrial control of. The design uses PLC and frequency converter to realize the automatic control of air compressor. The program uses inverter of the air co
5、mpressor dragged more control, PLC to achieve the inverter frequency and frequency conversion control, and inverter switching control of a compressor station. Collection system using pressure sensors Outlet pressure air bag, transmitter output by 4 to 20 mA standard signal to the PLC analog input po
6、rt, through the internal PID algorithm PLC logic operations, sends control signals to the inverter. When the inverter to control the current machine by the inverter frequency, while the gas pressure is still not satisfied by the PLC control inverter frequency soft-start the next station air compress
7、or to run, and then click Open. So that the production system for good economic and safety performance. KEY WORDS: PLC,air compressor,Pressure transducer,Inverter8目录前言1第1章 空气压缩机31.1 空气压缩机的用途及其优点31.2 空气压缩机的分类31.3 螺杆式空气压缩机41.3.1 螺杆式空压机的应用41.3.2 螺杆式空压机的运转原理41.3.3 螺杆式空压机的特点51.4 活塞式空压机6第2章 可编程控制器(PLC)92.
8、1 PLC概述92.2 PLC的基本组成92.3 PLC的基本工作原理102.3.1 可编程序控制器的工作方式102.3.2 可编程序控制器的工作过程102.3.3 可编程控制器的I/O响应时间122.4 PLC的分类13第3章PLC变频调速控制系统硬件电路的设计143.1 S7-200构件简介143.1.1 中央处理器CPU的功能143.1.2 S7-200模板的主要特性143.2 元器件的选型153.2.1 空气压缩机主要参数153.2.2 变频器参数153.2.3 压力传送器的技术参数163.2.4 接触器简介173.2.5 热继电器选取173.2.6 报警装置18第4章PLC变频调速控
9、制系统软件电路的设计194.1 设计PLC程序通用方法194.2 PLC控制系统设计的一般步骤194.3 PLC I/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235.1 控制系统恒压输出的方法235.2 变频调速控制系统电气图245.3 PLC变频调速控制系统空压机的切换方式245.4 PLC变频调速控制原理265.5 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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。空气压缩机螺杆式空压机滑片式空压机罗茨式空压机活塞式空压机叶片式
15、空压机其它喷油螺杆式空压机干式螺杆空压机图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
16、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
17、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: 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。 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。 可以使用节流控制(2)螺杆式空压机的缺点: 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
18、机器。 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。 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。 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
19、,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。43125133445a单作用式b双作用式1汽缸 2活塞 3进气阀 4排气阀 5活塞杆图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
20、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
21、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
22、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)2.1 PLC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(Programmable Logic C
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