基于S-PLC的厂用气管网压力控制系统设计(完整版).doc
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1、基于S PLC的厂用气管网压力控制系统设计(完整版)(文档可以直接使用,也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载)摘 要 本设计介绍了以S7-200PLC为核心的管网压力控制系统的组成及工作原理,阐明了变速积分PID控制算法在管网压力控制系统中的应用,并给出了系统的硬件与软件设计的实现方法。在A/D转换中,使用了模拟量输入模块EM231。在D/A转换中用了模拟量输出模块EM232,可以实现输出05V的输出电压。硬件设计由主电路和控制电路两部分完成,软件设计中对A/D转换过来的数字信号进行变速积分PID控制。这种控制方法特点是,当偏差大时积分累积速度慢,积分作用减弱;偏差小时,积分累积速度快,
2、积分作用增强。这样能满足系统准确性的要求。关键词: 变速积分;压力控制系统;S7-200PLC;PID控制AbstractThe paper introduces the composition and work principles of pipe network control system ,based on S7-200PLC. It illustrates the application of PID with variable integral action in air pipe network pressure control system.The design of hard
3、ware and software are introduced too. It uses analog input module EM231 in A/D transition and analog output EM232 in D/A transition. In D/A transition this module can be output 05 voltage. Hardware introduces the design of main circuit and control circuit. In design of software, it finishes PID cont
4、rol for digital signals produceing in A/D transition. The characteristic of this control method is, when the warp is big the integral rate will be slow, and the integral effect would be weaken; but when the warp is small the integral rate will fast, and the integral effect would be toned up. In this
5、 way it can satisfy the veracity of this system.Key words: Variable Integral action; Pressure control system; S7-200PLC; PID control. 目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 变频器技术的发展11.2 空气压缩机系统控制11.3 供气系统压力控制21.3.1 加卸载供气控制21.3.2 转速控制21.4 本设计的目的和意义2第二章 设计任务、要求及参数42.1 毕业设计的技术背景和设计依据42.2 毕业设计的任务42.3 毕业设计的主要内容、功能及技
6、术指标5第三章 系统方案设计63.1 系统工作原理63.2 方案的比较63.3 方案的确定73.3.1 设计思想73.3.2 工作原理8第四章 硬件设计94.1 可编程控制器介绍94.1.1 可编程控制器的工作原理94.1.2 可编程控制器的主要性能指标114.1.3 可编程控制器的设计原则114.1.4 S7-200PLC介绍124.2 主电路设计144.2.1 变频器部分144.2.2 软起动部分214.3 控制电路设计274.3.1 模拟量控制系统设计274.3.2 PLC控制部分284.4 S7-200PLC与计算机的通信314.5 变频器与PLC的通信314.6 压力传感器的介绍32
7、4.6.1 力/压力敏传感器324.6.2 CYB20S普通型压力传感器334.7 压缩机的主要种类354.7.1 Mattei 滑片机特点354.7.2 所选压缩机的技术性能指标354.8 元器件选择364.8.1断路器364.8.2接触器364.8.3电磁式继电器364.8.4 热继电器374.8.5 熔断器38第五章 软件设计395.1 程序设计思想395.2 程序流程图405.2.1 主程序流程图405.2.2 变速积分PID程序流程图415.3 地址分配42总 结43参考文献44外文原文与译文45致 谢77附录一78元器件清单78附录二80程序清单80第一章 绪论1.1 变频器技术的
8、发展近20年来,虽然以功率晶体管(GTR)作为逆变器功率器件8位微处理器为控制核心,按压频比(U/F)控制原理实现异步电动机调速的变频器,在性能和品种上出现了巨大的技术进步,但下列技术的进步,使变频调速技术进一步得到提升:其一,所有的电力电子器件GTR已基本上为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)所替代,进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块(IPM),使得变频器的容量和电压等级不断的扩大和提高;其二,8位处理器基本上为16位微处理器所替代,进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU,使得变频器的功能从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能;其三,在改善压频比控制性能的同时,推出能实
9、现矢量控制和转矩直接控制的变频器,使得变频器不仅能实现宽调速,还可实现伺服控制变频器技术的发展得益于微电子和电力电子技术的发展以及异步电动机控制理论的发展,也来自市场的巨大推动力一般在占工业用电50%60%的风机泵和压缩机等通用机械上使用变频调速装置,将可节电30%左右,因此有着巨大的市场潜力以变频器为核心的工业传动控制装置仍在持续发展交流变频调速装置取代直流调速装置已成为必然趋势由于变频器销量不断扩大,形成批量生产,价格下调,相同容量的交流变频器与直流调速装置的价格已经接近,能为拥护所接受而且在一些生产机械上,使用的变频调速已成为这些机械更新换代的一种标志1.2 空气压缩机系统控制空气压缩机
10、主电机运行方式为星-角降压起动后全压运行,供气系统具体工作流程为:当按下启动按钮,控制系统接通启动器线圈并打开断油阀,空压机在卸载模式下启动,这时进气阀处于关闭位置,而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压n秒(由时间继电器控制)后空压机开始加载运行,系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值,即起跳压力,控制器使进气阀关闭,油气分离器放气,压缩机空载运行,直到系统压力降到压力开关下限值后,即回跳压力下,控制器使进气阀打开,油气分离器放气阀关闭,压缩机打开,油气分离器放气阀关闭,压缩机满载运行。 1.3 供气系统压力控制在管道供气系统中,最基本的控制对象是流量,供气系统的基本任务就
11、是要满足用户对流量的需求。目前,常见的气体流量控制方式有加、卸载供气控制方式和转速控制方式两种。 加卸载供气控制加、卸载供气控制方式即为进气阀开关控制方式,即压力达到上限时关阀,压缩机进人轻载运行;压力抵达下限时开阀,压缩机进入满载运行。由于空压机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性,所以只能按最大需要来决定电动机的容量,设计余量一般偏大。工频起动设备时的冲击大,电机轴承的磨损大,所以设备维护量大。虽然都是降压启动,但起动时的电流仍然很大,会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全,而且大多数是连续运行,由于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速,因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调
12、节输出功率的匹配,电机不允许频繁启动,导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行,电能浪费巨大。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化,不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式(如调节阀门或调节卸载等方式)即使在需要流量较小的情况下,由于电机转速不变,电机功率下降幅度比较小。1.3.2 转速控制即通过改变空压机的转速来调节流量,而阀门的开度保持不变(一般保持最大开度)。当空压机转速改变时,供气系统的扬程特性随之改变,而管阻特性不变。在这种控制方式下,通过变频调速技术改变空压机电机的转速,空压机的供气流量可随着用气流量的改变而改变,达到真正的供需平衡,在节能的同时,也可使整个
13、系统达到最佳工作效率。变频器基于交一直一交电源变换原理,可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。电动机转速与电源频率成正比,因此,用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压,可方便地改变空压机的转速。1.4 本设计的目的和意义将变频调速技术引入空气压缩机领域,是近几年来各空压机厂家研究的重要课题。各大牌专业空压机供应商都推出了自己变频空压机产品,并迅速在其高端市场具有很不错的表现。但目前,大量的工频空压机的应用非常普遍,因此,空压机的改造市场非常巨大。本设计主要目的是通过变频器控制电机转速,以达到管网供气压力恒定流量是供气系统的基本控制对象,供气流量需要随时满足用气流量。
14、在供气系统中,储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系:若 供气流量 用气流量 储气管气压上升若 供气流量 用气流量 储气管气压上升若 供气流量 用气流量 储气管气压下降若 供气流量 = 用气流量 储气管气压不变所以,保持管道中的气压恒定,就可保证该处供气能力恰好满足用气需求,这就是恒压供气系统所要达到的目的。变频调速系统将管网压力作为控制对象,装在储气罐出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的PID调节器,与压力给定值进行比较,并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算,产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率,调整电动机的转速,从而使实际压力始终维
15、持在给定压力。另外,采用该设计思想后,空气压缩机电动机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动,避免了起动时的大电流和起动给空气压缩机带来的机械冲击。正常情况下,空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。变频器一旦出现故障,生产工艺不允许空气压缩机停机,因此,系统设置了工频与变频切换功能,即当变频器出现故障时,起动另一台电动机进行工频运行,这样,可由工频电源通过接触器直接供电,使空气压缩机照常工作。整个控制过程如下:用气需求 管路气压 压力设定值与返馈值的差值 PID输出 变频器输出频率 空压机电机转速 供气流量 管路气压趋于稳定特别注意,在压力容差范围内变频器的PID不调节,即保持输出频率不变。 工
16、作原理该系统有手动和自动两种运行方式:. 手动运行按下按钮启动或停止电机,可根据需要分别控制变频和工频的运行。该方式主要供检修及变频器故障时用。. 自动运行合上自动开关后,1#电机通电,变频器输出频率从0Hz上升,同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号,经运算与给定压力参数进行比较,将调节参数送给变频器,控制管网压力恒定。变频自动功能是该系统最基本的功能,系统自动完成对空气压缩机起动、停止、循环变频的全部操作过程。 当出现变频器故障、压缩机故障时,系统皆能发出报警信号;特别是当出现变频器故障时,系统还会自动停止变频运行发出报警信号,并转至2#电机工频运行。第四章 硬件设计在本章,我们将对
17、硬件系统中用到的各元器件作详细的介绍。其中包括各元件的性能指标,技术指标和部分元件的典型接法。硬件设计主要分为主电路和控制电路设计两部分与硬件有关的设计有:(1)确定系统输入元件(如按钮、指令开关、传感器等)和输出元件(如继电器、接触器、指示灯等)的型号。(2)确定可编程控制器的输入和输出点。列表统计可编程控制器的输入信号和输出信号,在表中表明各信号的意义和类型,如信号是数字量还是模拟量,模拟信号的范围等。(3)确定可编程控制器的型号和硬件配置。(4)给各输入和输出变量分配地址。(5)画出可编程控制器的外部硬件接线图。4.1 可编程控制器介绍可编程控制器是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运
18、算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑计算、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令,并能通过数字式模拟式的输入和输出,控制类型的机械和生产的过程。 可编程控制器的工作原理CPU的扫描周期PLC的CPU连续执行用户程序、完成控制功能是以扫描工作方式进行的。所谓扫描工作方式,即CPU从程序段的第一句顺序读取顺序执行,直至最后一句。CPU在扫描周期中,要完成的任务: 输入处理阶段 执行程序处理通讯请求 执行CPU自诊断测试 输出处理阶段(1)输入处理阶段每次扫描周期开始时,先读数字输入点的当前值,然后把这些值写到输入映像寄存器中。CPU以8位(1个字节)为增量的方法来保
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