空调压缩机设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 目录 摘要 . Abstract . 第 1章 绪论 . 1 1.1 空气压缩机的发展与现状 . 1 1.2 本课题研究的目的与意义 . 1 1.3 设计内容 . 2 第 2章 变频恒压供气系统方案的设计 . 4 2.1 变频恒压供气方法的设计 . 4 2.2 控制系统的工作原理 . 4 2.2.1 空压机变频调速要求 . 6 2.2.2 空压机切换工作过程 . 6 2.3 本章小结 . 7 第 3章 控制系统的硬件设计 . 8 3.1 控制系统的要求及分析 . 8 3.2 控制系统 I/O 配置 . 8 3.3 PLC 系统的硬件选型设计 . 9 3.3.1 PLC 的产生和发展 . 9 3.3.2 PLC 的基本结构 . 10 3.3.3 PLC 的基本工作原理 . 10 3.3.4 PLC 的主要特点 . 12 3.3.5 PLC 的选型 . 13 3.3.6 变频器的选择 . 13 3.3.7 传感器的选择 . 14 3.4 PLC 电气控制系统原理图 . 14 3.4.1 主电气原理图 . 14 3.4.2 控制电气原理图 . 14 3.4.3 PLC 外围控制电气接线图 . 16 3.5 本章小结 . 18 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第 4章 控制系统软件设计 . 19 4.1 软件设计分析 . 19 4.2 梯形图程序设计 . 19 4.3 系统流程图 . 19 4.4 本章小结 . 19 结论 . 24 参考文献 . 25 致谢 . 27 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 第 1章 绪 论 1.1空调 压 缩机的发展与现状 随着微型计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术。在煤矿中甚至许多有风动机械的企业，因工作性质的需要，都离不开空气压缩机。 目前空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机 ,往复式压缩机 ,离心式压缩机 ,容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。往复式压缩机 (也称活塞式压缩机 )的工作 原理是直接压缩气体 ,当气体达到一定压力后排出。目前主要用的是活塞式 压缩机 。活塞式 压缩机 主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命。 随着活塞式空气压缩机因为易损件多、体积大、噪声大、震动大、不稳定及存在危险性等缺点，于一九三六年在瑞典开发出第 一台双螺杆式空气压缩机，因工作相对稳定、整机体积小、自动化程度高、维护量少且小、噪声也大幅度降低、震动也少到充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 不用基础等一系列优点，于一九八六年开始引入中国并得到广大广大客户的认可。但是随着螺杆压缩机的广泛应用，随着而来的问题也都暴露出来，主要表现为：压力上不去，适合于八公斤以下，排气量也上不去，最大的机头到现在为止也只有 35 立方，轴承寿命短，而且需要有专用设备来调整间隙，不稳定性（体现机头会被抱死），力无法平衡，螺杆不能被平衡，噪声及震动不太令人满意，所以，大排气量的离心式空气压缩机，小排气量的滑片式压缩机 ， 1960 年在法国成功开发出单螺杆式的压缩机，极大的触动了世界人的神经，特别是当时军舰与潜艇对空压机体积小、震动低、噪声低、可现场维护、无油润滑、随时备用启动的需求，很快在美国、英国、日本也相继开发出来，这几个强国都在努力保护，只应用在军事领域，民用产品一直都被排在外围。美国人如是评价： “这是二十一世纪的战略性产品。 ” 中国也同样强烈渴望这种高档压缩机，于一九七六年在北京第一通用机械厂成立开发小组，但一直至一九八九年，产品仍与国外的产品有着相当大的差距，所以就停止开发，而转为在国外寻找华人，查谦被发现并 成功的安排在广东肇庆端州压缩机研究所，于一九九三年成功开发第一代产品，经过七年的实验，于 2000 年注册成立 “正 力精工 ”并实行批量生产，并于当年 “正力精工 ”接受国家的创新基金开发国防用无油单螺杆空气压缩机的任务，并于 2004 年通过验收而转入试用阶段。并于当年成为国家火炬计划的执行单位。同年还承担独家编制 “螺杆式空压机 ”国家标准。并被国家首推为 “煤矿井下用空压机 ”。而且荣获中、美、英、法、日的发明专利。 现在在产品设计上，应用热力学、动力学理论，通过综合模拟预测 压缩机 在实际工况下的性能；强化 压缩机 的机电一体化，采用计算自动控制，实现优化节能运行和联机运行。各种新型工质的 压缩机 仍然是研究的热门，其市场会在一定滞后时间后得到发展。目前最热门的应当是 CO2压缩机 了，特别是跨临界循环。各种类型，包括活塞、 滑片 以及 螺杆 等的 CO2压缩机 均在研发与应用中。 1.2本课题研究的目的与意义 回顾工业生产过程和发展历程，在 20 世纪 40 年代前后，大多数工业生产过程均处于手工操作状态。当时人们主要凭经验由工人控制生产，生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程靠人工去执行，生产效率很低。而如今科学技术有了飞速的发展，在短短的几十年中，生产过程有了深远的变革，自动化水平也在不断进步，实现了全车间，全厂，甚至全企业无人或很少人参与操作管理，实现了过程控制的最优化与现代化的集中调度管理相结合的方式。空气 压缩机 是矿山生产重要的四大固定设备之 一，它产生压缩空气，用以带动凿岩机、风动装岩机等设备及其他风动工具。其能否安全运行直接影响着煤矿生产的产量和效益。影响其安全生产的因素主要有 空压机 的超温、充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 超压、断水、断油等。 空压机是各种工厂，筑路，矿山以及建筑等行业的必备设备，主要用来提供源源不断的具有一定压力的压缩空气，例如给气动阀供气，给需要一定压力气体的工艺流程提供气源。 随着技术的发展，我国许多企业存在着严重的设备老化的问题，有大量设备面临着淘汰。而 同时，在国内企业中又普遍存在着资金不足，很难进行大规模的设备更新换代。因此，如何利用现有设备，并对其进行合理的技术改造，使其发挥最大的作用，产生最大的效益，是我们所面临的一个急待解决的重要问题。随着煤矿现代化的发展，矿山企业对矿山设备的要求越来越高 ,建设安全性矿山已成为煤矿生产建设的核心。矿山设备不断更新，不断进步，可靠性、易操作性、可监视性、易维护性等已是最基本的要求了。用继电器组成的控制电路可靠性差、不易维护、不易监视，已不能适应当前的要求。现在迫切需要可靠性高、易维护、易操作、可监视并且价格不高的控制 器来代替继电器组成的电路。随着电子技术、软件技术、控制技术的飞速发展，可编程控制器（ PLC）发展迅猛，性能很高，价格较为合理，与继电器组的控制电路比具有非常大的优势。许多矿山设备已选用了 PLC 来代替比较重要的控制设备。传统的保护设备主要采用分离仪表，其可靠性差、集程度低、费用高，不能有效的满足矿山设备投入的经济性和安全性的要求。 现代化的煤矿，要求空气压缩机的装置有较高的自动话水平，采用微机控制是空压机发展的必然趋势，按照煤矿安全规程的有关要求，空压机必须具有四保护，即超压、超温、断油、断水保护装置，煤 矿迫切需要一整套较完善、灵敏可靠的检测保护装置。 空压机控制系统中 PLC 的引入极大地简化了空压机系统的操作，节省了人力并且提高了系统的安全性和稳定性。基于 PLC 和变频器的空压机控制系统使工作人员可以在计算机集控下完成各项工作，大大减轻了工人的劳动强度，极大地节省了生产中所需的人力资源，也保障了生产和系统的安全。 下面，我们以某煤矿的 3 台空气压缩机为例，研究空压机的变频调速恒压控制方法。 1.3 设计内容 技术路线如图 1.1 所示： 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 图 1.1 技术路线图 本设计方案基于煤矿工业设计采用 PLC 和变频器实现对空压机组的自动控制。该方案采用变频器实现对空压机 “一拖多 ”的控制， PLC 实现变频器的工频与变频的转换控制，以及切换变频器对某台空压机进行控制。系统利用压力传感器采集气包出口压力，通过变送器输出 4 20 毫安标准信号至 PLC 模拟输入端口，经过 PLC 内部 PID算法逻辑运算，送出控制信号至变频器，变频器根据送来的信号改变输出电压的频率，来调节电机转速，以确保供气压力的恒定。本论文研究的主要问题如下： 1.变频恒压供气方案的总体设计。 2.PLC 和变频器对空压机组的 控制功能及要求。 3.PLC 控制系统硬件设计，包括 PLC、传感器和变频器的选型。 4.PLC 控制系统的软件设计。包括梯形图及程序设计。 了解学习空气压缩机系统结构 查阅填充技术并选择适合本课题的技术 确定 PLC 的技术路线 实现 PLC 控制系统设计的基本要求并设计出PLC 的控制程序 依照自己的设计做出总体布局设计 完成 PLC控制系统设计流程图绘制 编写毕业论文 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第 2章 变频恒压供气总体方案的设计 2.1变频 恒压供气方法的设计 我们可以把罐压力作为控制对象，压力变送器 YB将储气罐的压力 P 转变为电信号送给 PID 智能调节器，与压力设定值 P0 作比较，并根据差值的大小按既定的 PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器 VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力 P 始终接近设定压力 P0。 具体控制流程图如图 2.1 所示。 图 2.1 恒压供气控制系统流程图 0 由于本次设计是采用 3 台空气压缩机为研究对象，当所需要的压力不是很大，其中一台空压机能满足的时候就采用上述方法。当一台空压机不能满足需要就由 PLC 调节，在启动第 2 台空压机，在不能满足在启动第 3 台。相反的，当开启多台空压机是压力太大，按上述方法调节其中一台时，调到最小还不能达到所需要的压力，就关闭其中一台空压机，在用上述方法调节其中一台，还不能满足再关闭其中一台，直到达到需要的压力。 2.2控制系统的工作原理 控制系统工作流程如图 2.2 所示。 启动前，将变频器的机组开关置于欲工作的机组，工作方式选择置于变频位置，将 PLC 的控制开关置于运行状态，按下启动按钮，机组运行。 1# 空压机变频启动， PID 智能控制器 变频器 电源 1#电动机 2#电动机 3#电动机 1#空气压缩机 2#空气压缩机 3#空气压缩机 储气罐 风动工具 压力变送器 压力设定值 P0 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 图 2.2 控制系统工作流程图 转速从零开始上升，若达到预设的频率上限值 50Hz 时，延时一段时间后风包出口处的压力仍不能达到预设的压力值 (0.55 0.65MPa)，则由 PLC 通过控制中间继电器的开始 变频器启动 频率上限是否达到 频率下限是否达到 监测参数是否正常 是否有停机信号 停机 转化为工频运行并把变频器切换到下一台空压机 当前空压机停机并把变频器复位 报警延时 Y Y N Y Y N N N 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 通断将 1# 空压机切换到工频运行，同时将 2#空气压缩机切换到变频状态，变频启动2#空压机。若 2#空压机达到频率上限时，延时一段时间后仍不能满足要求，再自动将2#空压机切换到工频运行，变频启动 3#空压机。当用风量减小，若 3 台空压机同时运行时， 3# 空压机变频运行而此时变频器的频率降到频率的下限值 20Hz 时，则自动停止 1#空压机，若还不能满足要求，则自动停止 2# 空压机的运行。当空压机在运行的过程中出现机体温度过高，润滑油温度过高，风包温度过高，分包压力过高及润滑油压力过高，断水等故障时，系统会发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时地排除故障。 2.2.1空压机变频调速的要求： （ 1）空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，故采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证设备可靠稳定的运行； （ 2）空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于 20Hz； （ 3）功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况； （ 4）为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高 次谐波引起的电磁干扰，选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性； （ 5）设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。 2.2.2空压机切换工作过程 开始时，若 1#空压机变频启动，转速从 0 开始随频率上升，如变频器频率达到 50Hz而此时空气压力还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起的误动作）后， 1#空压机切换为工频运行，同时变频器频率由 50Hz 下降至 0Hz， 2#号空压机变频起动，如气压仍不满足，则会启动 3#空压机，切换过程同上；同样，若 3 台空压机（假 设 1#、2#、 3#）都在运行， 3#空压机变频运行降到 0HZ，此时气压仍处于上限值，则延时一段时间后使 1#空压机停止，变频器频率从 0HZ 迅速上升，若此时供气压力仍处于上限值，则延时一段时间后使 2#空压机机停止。这样的切换过程，有效的减少空压机的频繁启停，同时在实际管网对供气压力波动做出反应之前，由于变频器迅速调节，使气压平稳过渡，从而有效的避免了井下风动工具供气不足的情况发生。切换过程流程图如图2.3 所示。 自动状态下系统启动时，首先 KM2 吸合， 1#空压机在变频器控制下起动，延时 5s充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 （延时是为了让压力稳 定下来） PLC 对变频器的输出频率进行检测。当检测到变频器下限频率信号则关闭 1#空压机；反之当检测到变频器上限频率信号则 PLC 执行增加空压机动作： KM2 断开、 KM1 吸合， 1#空压机改为工频运行并延时 1s（延时一是为了让开关充分熄弧，另一方面是为了让变频器减速为 0）， KM4 吸合变频启动 2#空压机。为了保护空压机及变频器， 1#空压机的 KM1 与 KM2 之间进行了电气互锁。当 2#空压机投入变频运行后，延时 5s PLC 继续对变频器输出频率进行检测，当检测到变频器下限频率信号则关闭 1#空压机，剩下 2#空压机在变频状态下运行，延时 5s 如果 PLC 再次检测到变频器下限频率信号则把 2#空压机也关闭；反之当检测到变频器上限频率信号则 PLC 再执行增泵动作： KM3 断开、 KM4 吸合， 2#空压机改为工频运行并延时 1s， KM6 吸合变频启动 3#空压机。依此类推，当 3#空压机投入变频运行后，延时 5s， PLC 继续对变频器输出频率进行检测以决定执行增加或减少空压机动作来满足恒压供气目的。另外为了方便故障检查维修。在设计中增加了故障指示和故障报警输出，变频器本身具有短路保护、过载保护等功能，只需把变频器的故障 输出点、接触器、热继电器等辅助触点接到 PLC 即可。 PLC 通过程序扫描这些输入点，如果发生故障则作出相应的动作。如检测到一台空压机出现过载情况，则切断该空压机的接触器并投入备用空压机，同时输出故障信号，以方便检查及时维修。图 2.3 空压机切换流程图 2.3 本章小结 本章主要进行了恒压供气的基本方案设计，对系统工作原理以及变频调速原理进行分析，对系统内 3 台空压机相互切换原理进行了设计与分析，保证系统恒压输出。 空压机 空压机 空压机 M1 M2 M3 压力变送器 变频器 PLC 电源 储气罐与风动工具 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第 3章 控制系统的硬件设 计 3.1 控制系统要求及分析 根据恒压供气系统控制原理，结合实际供气需求，对恒压供气系统要求如下。 （ 1）台空压机均可变频启动运行 （ 2）供气压力要求恒定，波动一定要小，尤其是在切换空压机时。 （ 3）三台空压机根据压力需要，采用 “先开先停 ”原则自动控制空压机的投入切除。 （ 4）设置手动自动两种工作模式 1）手动方式仅供应急和检修使用，通过按钮直接控制各空压机启停，不收 PLC 控制。 2）自动运行方式由 PLC 自动控制各空压机变频或工频运行，实现恒压供气。 完善的信号提示和报警功能。 3.2 控制系统 I/O配置 根据控制系统要求分析，控制系统 I/O 地址分配如表 3.1 表 3.1 I/O 地址分配表 信号名称 符 号 地 址 开关量输出 1#空压机变频交流接触器及指示灯 KM1,L1 Q0.0 1#空压机工频交流接触器及指示灯 KM2,L2 Q0.1 2#空压机变频交流接触器及指示灯 KM3,L3 Q0.2 2#空压机变频交流接触器及指示灯 KM4,L4 Q0.3 3#空压机变频交流接触器及指示灯 KM5,L5 Q0.4 3#空压机变频交流接触器及指示灯 KM6,L6 Q0.5 进气电动阀开 /关控制及储气罐供气指示 YV1,L7 Q0.7 变频故障指示灯 L8 Q1.0 1#空压机故障指示灯 L9 Q1.1 2#空压机故障指示灯 L10 Q1.2 3#空压机故障指示灯 L11 Q1.3 高压工作指示灯 L12 Q1.4 变频器运行控制 Q1.5 续表 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 信号名称 符 号 地 址 开关量输入 手动 /自动工作方式选择 SA1 I0.0 故障复位信号 SA2 I0.1 高压按钮工作信号 SA3 I0.2 1#变频接触器动作信 号 KM1 I0.3 1#工频接触器动作信号 KM2 I0.4 2#变频接触器动作信号 KM3 I0.5 2#工频接触器动作信号 KM4 I0.6 3#变频接触器动作信号 KM5 I0.7 3#工频接触器动作信号 KM6 I1.0 变频器运行检测信号 KM7 I1.1 变频器故障信号 BPQ I1.2 1#空压机保护动作信号 RJ1 I1.3 2#空压机保护动作信号 RJ2 I1.4 3#空压机保护动作信号 RJ3 I1.5 模拟量输入 供气压力信号输入 YL AIW0 压力罐压力信号输入 YW AIW2 变频器实际输出电流 AO0 AIW4 变频器实际输出频率 AO1 AIW6 模拟量输出 变频器运行频率给定 Aref QW0 3.3 可编程控制器（ PLC）基础 3.3.1 PLC 的产生和发展 （ 1） PLC 概念 PLC 是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。 （ 2） PLC 发展必然性 传统的继电接触器控制系统（硬件布线） 优点：结构简 单，因而长期广泛应用。 缺点：采用固定的接线方式。一旦生产要求及生产过程发生变化，必须重新设计线路，重新接线安装。不利于产品的更新换代。还有灵活性、通用性差；体积大；速度慢等缺点。 60 年代末期，美国汽车制造工业相当发达，要求不断更换汽车的型号。传统的继充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 电接触器控制系统被淘汰。 1968 年，美国最大的汽车制造商 GM 公司公开招标。研制新的控制系统。提出以下要求：设计周期短，更改容易，接线简单，成本低；把继电器控制和计算机技术结合起来；但编程要比计算机简单易学，操作方便，系统通用性强。 1969 年， 美国数字设备公司研制出世界上第一台 PLC，并在 GM 公司的汽车生产线上首次应用成功。 其后，日本、德国相继引入。中国 1974 年研制， 1977 年成功。 （ 3）功能发展史：（名字的由来） 早期：顺序控制。包括逻辑运算功能。称 PLC。 70 年代：微处理器用于 PLC。功能增强、数值运算、数据处理、闭环调节等，称PC。 3.3.2 PLC 的基本结构 PLC 主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。其基 本结构框图如图 3.1 所示。 图 3.1 PLC 结构简图 （ 1） CPU（中央处理器） CPU 是 PLC 的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是 PLC 不可缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面： 1）接收从编程器或者计算机输入 的程序和数据，并送入用户程序存储器存储。 2）监视电源、 PLC 内部各个单元电路的工作状态。 3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。 4）在 PLC 进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行输 入 接 口 中 央 处 理 单 元CPU 输 出 接 口 电源 存储单元 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 该指令。 5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。 6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。 7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。 8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。 （ 2） I/O 接口 PLC 是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 PLC 的对外功能主要是通过各种 I/O 接口模块于外界联系来实现的。输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设备之间 的连接部件，起着 PLC 与外部设备之间的传递信息的作用。 I/O 模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。 （ 3）存储器 存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ ROM），具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（ RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。目前则倾向于采用电可擦 除的只读存储器（ EEPROM）或闪存 (Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦。 （ 4）电源模块 PLC 中的电源，是为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流和交流两种类型，交流输入 220VAC 或 110VAC，直流输入通常是 24V。 （ 5）智能模块 除了上述通用的 I/O 模块外， PLC 还提供了各种各样的特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制 、以太网、远程 I/O 控制、打印机等专用型或智能型的 I/O 模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。 I/O 模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的 I/O 容量越大，系统的适应性就越强。 （ 6）编程设备 常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于 PC 的专用编程软件。充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况。编程设备在 PLC 的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。 PLC 本质上就是一台微型计算机，其 工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。 PLC 采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作。 3.3.3 PLC 的基本工作原理 PLC 的 CPU 采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点 (包括其常开或常闭触点 )不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 PLC 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 -扫描技术如图 3.2 所示。 图 3.3 扫描过程 （ 1）扫描技术 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间， PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1）输入采样阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转 入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态执行 OB100 启动时间循环监控 数据写入输出模块 读取输入模块状态 执行用户程序 执行其它程序 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 )。在扫描每一组梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束 后， PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间， CPU 按照 I/O 映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。 （ 2） PLC 的 I/O 响应时间 为了增强 PLC 的抗干扰能力，提高其可靠性， PLC 的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制， PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得 PLC 的 I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周 期甚至更长。所谓 I/O 响应时间指从 PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。 3.3.4 PLC 的主要特点 (1)高可靠性 1)所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。 2)各输入端均采用 RC 滤波器，其滤波时间常数一般为 10 20ms。 3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 4)采用性能优良的开关电源。 5)对采用的器件进行严格的筛选。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况， CPU 立即采用有效措施 ，以防止故障扩大。 (2)丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人 -机对话的接口模块 ； 为了组成工业局部，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 (3)采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU、电源、 I/O 等均采用模 块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (4)编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 (5)安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可 以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 3.4 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 3.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象 (生产设备或生产过程 )的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为 4 点。 1. 设计原则 （ 1）完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 （ 2）可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。 （ 3）经济型原则。力求控制系统简单、实用 、合理。 （ 4）发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在 I/O 接口、通信能力等方面留有余地。 2. 评估控制任务 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。 （ 1）控制规模 一个控制系统的控制规模可用该系统的 I/O 设备总数来衡量。当控制规模较大时 ,特别是开关量控制的 I/O 设备较多时，最适合采用 PLC 控制。 （ 2）工艺复杂程度 当工艺要求较复杂时 ,采用 PLC 控制具有更大的优越性 . （ 3）可靠性要求 目前 ,当 I/O 点数在 20 甚至更少时，就趋向于选择 PLC 控制了。 （ 4）数据处理速度 若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用 PLC 控制将非常适宜。 3.3.5 PLC 的选型 根据表 3.1 所示明细， PLC 系统共需配置 14 个开关量输入口、 13 个开关量输出口、 4 个模拟量出入口、 1 个模拟量输出口。同时根据 PLC 输出驱动的负载为交流接触器（线圈），查阅选型样本后，选择西门子 S7-200 系列，还需要模拟量模块，经综合比较，选择 PLC 的系统配置为 CPU224/AC/DC/Relay (6ES7214-1BD23-0xB8)+EM222(6ES7222-1D220xA0)+EM235(6ES7235-0KD22-0xA8） PLC 系统配置如图 3.3 所示。 图 3.3 PLC 控制系统配置 3.3.6变频器的选择 (1)首先要满足系统控制功能要求，具有： 1)运行 /停止控制端子； 2)运行 /停止状态输出； 3)故障状态输出； 给定运行频率输出功能； 两路模拟量输出功能，可分别为变频输出频率和变频输出电流功能。 （ 2）选择变频器产品质量稳定，可靠性好。 综合客户需求和性价比等因素，确定变 频器的品牌型号。 主机单元 CPU224 AC/DC 继电器 扩展单元 EM222 （ 4 路继电 器） 模拟量单元 EM235 4AI/IAO 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 本设计选用 ABB 公司的 ACS510 系列变频器，查样本可知驱动 15KW 电动机的变频器型号可选择为 ACS510-01-031A-4，输出额定电流为 31A（ 400V）。具有 RS-485接口和 PID 调节功能，增强的 PFC 控制功能，两路模拟量输入和两路模拟量输出端子。 变频器的控制端子接线图如图 3.4 所示。 3.3.7传感器的选取 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。作为一个参数监测系统，传感器占有非常重要的地位。下面对本系统中所涉 及的传感器作简要比较并最终选型 。 (1)压力传感器的选型 现场所需要测量的压力参数有主机进气压力、储气罐气体压力。压力信号要求范围为 0 1MPa，输出电信号为 420mA，两线制 DC+24，精度为 0.5%以上。 (2)温度传感器的选型 现场的温度信号范围为 0 160 ，所以温度传感器采用 PT100 标准电阻温度传感器。 PT100 是铂电阻温度传感器，它适用于测量 -60 到 +400 之间的温度。 3.4 PLC 电气控制系统原理