毕业论文设计说明书-螺杆制冷压缩机组微电脑控制系统设计与实现

毕业论文设计说明书螺杆制冷压缩机组微电脑控制系统设计与实现摘要可编程控制器PLC一一ProgrammableLogicController以其高可靠性和良好的性能价格比被广泛应用于现代工业控制设备中监控组态软件以其实时多任务功能多样开放接口使用灵活运行可靠等特点而具备较高的实用价值本文结合武汉新世界制冷的螺杆制冷压缩机组微电脑控制系统产品开发项目设计实现了电气控制PLC程序控制和计算机监控三个系统文中分别对螺杆压缩机原理控制器选型及控制原理分别进行了阐述着重对PLC控制系统和监控两个系统的设计实现进行了详细的介绍该项目采用的是德国Siemens公司的S7-200系列PLC运用与之相配的STEP7编程软件通过LAD编程语言编制了下位机的控制程序从而使压缩机组可以按照操作人员设定要求自动完成开机调节控制故障检V11保护关机等工作过程采用同是Siemens公司的WinCC工控组态软件对多台机组进行上位机监控组态实现对现场数据实时记录和监控设计了实时温度显示历史记录查询报带显示实时趋势模拟及报表打印等功能画面PLC和设置在控制室的工控机组通过PROFIBUS现场总线组成的控制系统充分发挥了工业PC和PLC各自的优势此外文中对系统中的温度检测设备一一PT100传感器的线性化处理方法和连接方式也作了详尽的探讨关键词螺杆式压缩机可编程序控制器组态软件现场总线AbstractTheobjectofstudyofthisthesisisanappliedresearchofPLCsystemofscrewrefrigerationcompressorThissystemconsistsofthreesubsystemsincludingelectriccontrolPLCprogrammablecontrolandcomputermonitoringThisthesisdealswiththeprincipleofspindlecompressorthetypesofcontrollerandcontrolprincipleItemphasizesnotonlyPLCcontrolandmonitoringsystemsbutlinearprocessinganditsconnectionofPT100sensoraswellByusingPLCofS7-200seriesmadebySiemensinGermanandSTEP7programmablesoftwarethecombinationcompressorscanfulfillswitchingonandoffadjustedcontrolfaultdetectprotectautomaticallyMeanwhilebyusingWinCCindustrialprocesscontrolalsomade句SiemensthissystemhasthefunctionalpicturesofrealtimedisplayandsimulationhistoryrecordinquiryalarmdisplayaswellasprintingofreportformsKeywordsscrewcompressorPLCconfigurationsoftwarefieldbus郑重声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的学位论文没有到窃抄袭造假等违反学术道德学术规范和侵权行为本人愿意承担由此而产生的法律后果和法律责任特此郑重声明学位论文作者签名年月日螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现第一章绪论11本课题开发的意义螺杆制冷压缩机组微机控制系统是根据被制冷对象的温度或压力要求采用工业控制微机实现对制冷机组控制和保护的全面监控系统它对于提升产品设备的控制水平降低操作人员的劳动强度节约能源具有十分重要的意义螺杆制冷压缩机组微机控制系统包括计算机软硬件自动控制人工智能网络技术等方面它们共同构成了制冷领域一个重要的发展方向从控制的角度看制冷就是对对象温度压力等参数的控制使之达到设计要求以前人们只能采用手动控制随着电子技术的发展人们开始在制冷设备上采用自动控制例如典型的PID控制自1946年第一台电子计算机诞生以来科学技术发生了一场深刻的革命计算机不仅有惊人的运算速度和很高的计算精度还具有记忆判断等功能随着计算机技术的不断发展和完善它的可靠性不断提高价格不断降低从而在数据处理和工业控制方面得到了越来越广泛的应用计算机技术用于制冷系统控制己经取得了喜人的成绩与此同时自动控制技术也在不断发展出现了诸如自适应控制最优化控制模糊控制和神经网络控制等新的控制方法和技术这些控制方法己经或正在给制冷技术的发展带来新的活力七十年代以后出现了大规模的集成电路单片机和微型计算机它与自动控制技术相结合在制冷技术实验室制冷设备生产车间智能化大楼等领域得到了广泛的应用并且大致经历了以下几个发展阶段1机巡回检测数据处理系统2微机操作指导控制系统3微机直接数字控制系统DDCDirectDigitalControl4微机监督控制系统SCCSupervisoryComputerCntrol5集散控制系统DCSDistributedControlSystem6现场总线控制系统FCSFieldbusControlSystem现在制冷产品及制冷系统中都或多或少地应用了计算机技术和自动控制技术制冷设备如果能加上计算机控制那么它的可靠性和运行经济性就很明显它的用户也就越多现在许多的制冷机组都安装了计算机控制装置以便根据负荷的变化调整冷量和水量从而保证节能和最优化运行计算机和自动控制技术相结合在制冷领域产生了不可忽视的影响模糊控制制冷机组就是计算机技术和模糊控制技术相结合的产物螺杆制冷机组微电脑拉制系统设计与实现12国内外发展现状及趋势自1934年螺杆式压缩机问世以来经过了几十年的技术改进螺杆式压缩机得到了广泛的应用特别是在制冷方面由于螺杆式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机比较有结构简单易损件少检修周期长容积效率高排气温度低对液击不敏感和可以实现制冷量无级调节等特点所以螺杆式制冷压缩机越来越多的受到用户所赞赏而广泛用于国民经济各部门中需要实现人工制冷的场合如石油化工轻工医药等工业产品的生产科研的低温试验及生产食品的低温加工贮藏及公共建筑的空气调节等多年以来对螺杆式制冷压缩机的控制一直是工程师们所头疼的问题但是随着经典控制理论现代控制理论以及新兴的智能控制如神经网络控制模糊控制等在工业过程军事航天等领域的广泛应用许多自动控制技术也成功地应用于工业控制系统之中尤其是现代智能传感技术微电脑及软件技术的发展使得这些先进的控制技术得以在制冷系统中成功地应用20世纪80年代以前制冷压缩机系统大多采用人工观测和继电器系统来进行制冷量的调节虽然继电器和接触器在制冷系统中作为控制元件较其它类型的器件简单便宜但是对于许多继电系统来说调节过程会出现自振荡使调节精度受到限制而且自振荡容易使机械传动部分因连续磨损而缩短寿命由于DDC直接数字控制器的出现制冷系统中的模拟调节器逐渐被DDC数字调节器所取代传统的PID控制以及自适应控制模糊控制等先进控制方法实现起来就更加容易从而加速了制冷调节系统的发展常规PID控制因简单实用易于实现因而在制冷系统调节中的应用比较广泛1978年Stocker1982年Shavit和Brandt1984年Nesler与Stocker等对由控制阀门和执行器实现温度或湿度控制的不同特性做了研究1984年Brandt和Shavit对PID控制的废气温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电机速度调节以实现制冷去湿并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数Kp凡和Kd的解析整定方法同时给出了系统的两种控制策略实际上目前大多数制冷系统都是采用PID控制虽然PID控制在制冷调节中广泛应用但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才能取得理想效果当一个已经调好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时系统的性能就会变差再加上螺杆式制冷压缩机组的大惯性非线性以及温度压力之间的祸合关系甚至造成系统不稳定研究者们又转向了其他高级控制方法如螺杆制冷机组微电脑拉制系统设计与实现最优控制自适应控制模糊控制及神经网络控制螺杆制冷压缩机组属于大型能耗系统为了最大程度地降低系统的运行成本以及使系统的能量消耗最小于是一些研究者们将最优控制理论引入制冷控制中由于制冷对象的冷压负荷随季节设备使用和环境温度的变化而连续变化因此应用动态的基于整个系统的最优控制方法就显得尤为重要相对于单设备控制而言基于系统的最优控制就是要综合考虑制冷系统中各单元的相互作用在最优控制的实现上应利用系统中相互作用的知识来使系统的成本函数最小大量的研究表明与常规的控制相比基于整个系统的最优控制策略能够改善系统响应并减少能耗而且如果对多种控制变量同时进行优化系统性能和能耗能得到进一步改善这种基于系统的最优控制可比常规控制节能241995年Thomas研究了全局最优控制在以下儿方面的应用变风量系统的最优化被调空间设定温度的最优化冷却器与加热器的最优化等由于传统PID控制对环境的适应能力太差因此将自适应和自校正技术引入制冷控制系统中就成了必然大多数情况下自校正控制器能令人满意地代替常规单输入单输出PID控制器自校正控制有许多实用优点如自校正控制算法可以在低成本分布式硬件上实现自校正控制系统在结构上可以分为许多相互作用但又彼此分离的控制器自校正控制也可设计成为与原有控制器相兼容以便于安装与维护等然而尽管自校正控制器比常规增益控制器产生更好的动态性能但它的主要缺点就是要求首先进行模型结构辨识和参数辨识由于螺杆制冷压缩机组的工作过程是个复杂的非线性过程且被调温度或压力易受外部环境的干扰因此系统模型可能不易精确地建立从而阻碍了自校正控制的应用鉴于上述问题模糊逻辑控制FLC由于不需要精确的数学模型且基于操作人员的操作经验控制系统对环境变化的适应能力强即鲁棒性强因此也被应用于螺杆制冷压缩机组的控制系统中并且取得了显著的成果1965年美国加州大学教授扎德LAZadel提出的《FuzzySetFuzzyAlgorithm》和《ARationaleforFuzzyControl》等著名论著开创T模糊逻辑的历史提出的隶属函数是表示事物模糊性的重要概念通过隶属函数人们才能对所有的模糊概念进行定量的表示1974年伦敦的QueenMary学院的马丹尼EHMamdani首次用模糊逻辑和模糊推理实现了第一次实验性的蒸汽机控制并取得了比传统的PID控制更好的效果它的成功也标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始从而宣布了模糊控制的问世模糊控制的研究和应用也因此而变得十分活跃近20年来模糊控制螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现经历了重大发展与演变现已深入到自组织控制预测控制多变量控制神经网络模糊控制等方法模糊控制是建立在人类思维模糊性的基础上的模糊控制的中心是在于用具有模糊性的语言条件语句作为控制规则去执行控制控制规则往往是由对被控过程十分熟悉的专门人员给出的所以模糊控制在本质上来说是一种专家控制这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动其主要特点如下1使用语言方法在设计控制系统时不需要建立被控对象的精确的数学模型只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验知识和操作数据2系统的鲁棒性强适用于非线性时变系统的控制3操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上较容易实现语言变量的控制规则4由不同的观点出发可以设计出几个不同的指标函数对于一个给定的系统而言其语言控制规则是分别独立的且通过整个控制系统的协调可以取得总体的协调控制我国于1976年联合设计并生产出第一台喷油螺杆式制冷压缩机目前烟台冰轮集团大连冷冻机股份武汉新世界制冷工业有限公司等多个厂家己能生产双螺杆式制冷压缩机转子公称直径从91mm到315mm标准I况15C30C制冷量从38KW到2470KW己形成开启式半封闭式两大系列螺杆式制冷压缩机自我国第一台螺杆式制冷压缩机试制成功以来经过二十多年的技术改造有了较大的改进但与国外先进的螺杆式制冷压缩机比较还有一定的差距国外螺杆式制冷压缩机都普遍采用了智能型微机控制系统一方面便于操作另一方面节约了能源且可靠性高便于冷量调节而国产螺杆式制冷压缩机大都是人工操作控制功能大都采用继电器保护控制不便于操作和节能可靠性也差因此开发具有自主知识产权的智能型微机控制系统是我国工程技术人员义不容辞的责任国内采用计算机控制螺杆制冷压缩机的研究应用起源于90年代初经历了单片机工控机PLC可编程序控制器的结构过程控制方式也经历了顺序逻辑PID闭环模糊控制等过程采用单片机控制结构简单成本低廉但可靠性较差难以实现复杂的控制运算采用工控机控制虽可解决可靠性和运算能力的问题但对于要求单台运行的机组工控机成本较高现场连线复杂而采用PLC控制既可解决运行的可靠性问题又可灵活实现机组的单台控制和现场总线组网运行随着PLC技术的不断发螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现展技术指标不断提高设备成本不断下降是目前较为理想的工业控制现场首选设备13本课题完成的主要工作本文在认真地学习研究总结了前人的研究成果之后提出了一种带死区的模糊控制方案在这种控制系统中由于用二维模糊控制器作为被控过程的模型既降低了系统结构对模型的要求又成功地克服了系统的大时滞同时模糊控制器的存在起到了校正机构的作用从而能够及时有效地纠正模型失配所造成的误差另外控制死区环节的引入显著地消除了由模糊控制引起的系统静态偏差及振荡本课题的实验和应用都取得了良好的控制效果研究表明此种控制算法有着一定的理论价值和实际应用前景本课题为武汉新世界制冷工业委托开发的开启式螺杆制冷压缩机组微电脑控制系统产品设备在充分了解学习了开启式螺杆制冷压缩机的工作原理和传统控制方法的基础上采用PLC控制器和模糊控制方案完成了该控制系统产品的研制经试运行取得了良好的效果已实际应用于食品化工医药水利工程等行业本文将着重介绍系统的控制方案和控制系统产品的设计与实现方法本论文共分六章其中第一章绪论介绍了螺杆制冷压缩机组微电脑控制系统课题选择的意义其国内外发展现状及趋势并介绍了课题完成的主要工作和特色第二章系统分析介绍了螺杆制冷压缩机组的基本工作原理及传统控制方法的特点及存在的弊病第三章制冷控制系统设计方案介绍了螺杆制冷压缩机组控制系统的总体设计方案选择控制器选择的依据控制方案选择的依据及模糊控制基本原理系统的构成及其实现方法第四章微机控制系统设计与实现介绍了控制系统中微电脑系统的硬件设计和电气系统设计系统的软件设计总体思想和主要功能的软件程序设计第五章Wince组态软件的应用介绍了采用控制系统组态软件Wince设计组态的控制室监控系统的设计与实现第六章结论与设想对整个系统的设计与实现进行了总结同时系统应用的进一步完善作出了设想螺杆制冷机组微电脑拉制系统设计与实现排气逆电璐AH电盛佃一一一一一沮足螺杆式制冷压缩机组结构图螺杆式制冷压缩机由于喷油使制冷机的性能大大改善故螺杆式制冷压缩机绝大部分为喷油式喷油的优点如下1降低排气温度2减少工质泄漏提高密封效果3增强对零部件的润滑提高零部件寿命4对声能和声波有吸收和阻尼作用可以降低噪声5冲洗掉机械杂质减少磨损但由于喷油量较大所以螺杆装置中必须增设油的处理设备如油分离器油冷却器油过滤器油压调节阀和油泵等这将增大机组的体积和复杂性螺杆式制冷压缩机组的基本工作流程为压缩机从吸气口吸入低压气体和润滑机油经压缩机压缩后成为高温高压气体通过油分离器将油气分离润滑机油经油冷却器冷却后送回吸气口循环使用而高温高压气体经节流后进入冷凝器经冷凝器冷凝后成为常温高压气体该气体经节流后进入蒸发器气体在蒸发器中迅速减压蒸发同时吸收蒸发器环境中的热量实现制冷蒸发后的气体成为低压气体再送回压缩机吸气口进行新一轮循环螺杆式制冷压缩机虽具有单级压力比高的优点但随着压力比的增大螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现泄漏损失急速地增加因此低温工况下运行时效率显著降低为了扩大其使用范围改善低温工况的性能提高效率可利用螺杆制冷压缩机吸气压缩排气单向进行的特点在机壳或端盖的适当位置开设补气口使转子基元容积在压缩过程的某一转角范围与补气口相通使系统中增设的中间容器内的闪发性气体通过补气口进入基元容积中这样单级螺杆压缩机按双级制冷循环工作达到节能的效果此增设的中间容器称为经济器带经济器的螺杆制冷机有较宽的运转条件单级压力比大卸载运行时能实现最佳运行本系统使用的均为带经济器的二级节流螺杆制冷压缩机组系统22传统控制系统局限和弊端从螺杆制冷压缩机组的工作过程可以看到对制冷量的调节是通过人工控制四通电磁阀进行的在要求控制精度较高和多套机组的场合人工控制很难满足要求对系统各部分的运行状况也都需人工观测记录既降低设备工作效率又使操作人员劳动强度大20世纪70年代以前电气控制的任务基本上都由继电接触式控制系统完成该系统主要由继电器接触器和按钮等组成它取代了原来的手动控制方式由于这种控制系统具有结构简单价格低廉抗干扰能力强等优点所以当时使用得十分广泛至今仍在许多简单的机械设备中应用但这种控制系统的缺点也是非常明显的它采用固定的硬接线方式来完成各种控制逻辑实现系统的各种控制功能所以灵活性差另外由于机械式的触点工作频率低易损坏因此可靠性低社会的发展和进步对各行各业提出了越来越高的要求后来出现的矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统取代过继电接触式控制系统由于这些控制装置仍是硬连接装置体积大功能少本身存在某些不足虽然提高了控制系统的通用性和灵活性但均未得到广泛的应用随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用在1969年出现了世界上第一台以软件手段来实现各种控制功能的革命性控制装置一一一可编程序逻辑控制器它把计算机的功能完备通用性和灵活性好等优点和继电接业丁坐扒组微电脑控制系统设计与实现触式控制系统的操作方便简单易懂价格低廉等优点结合起来因此它是一种适应于工业环境的通用控制装置现在的可编程序控制器和原来的控制系统相比增加了算术运算数据转换过程控制数据通信等功能已可以完成大型而复杂的控制任务可编程序控制器作为工业自动化的技术支柱之一在工业自动控制领域占有十分重要的地位螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现第三章微机控制系统设计方案31系统总体设计方案根据螺杆制冷压缩机组基本工作原理可以看出要完成制冷工作需要系统各部分设备统一协调才能完成而传统的控制方式是均由人工手动完成既不能获得好的控制品质又增加了操作人员的劳动强度且工作效率难以提高针对武汉新世界制冷螺杆制冷压缩机组的特点我们采用了现场总线式微电脑控制系统现场控制级采用可编程序控制器监督控制级采用工业控制计算机压缩机制冷控制采用模糊控制技术完成控制系统可联网运行也可单机独立运行系统总体结构如图31所示PRTfl-一一A乙TPS图31制冷机组现场总线微电脑控制系统总体结构图32可编程序控制器选择321可编程序控制器的产生工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂对生产过程的自动控制提出了越来越高的要求不但要求自动控制系统有优越的控制性能良好的性能价格比良好的可维护性等还要求高可靠性灵活的构成方式和简易的操作方法在对以上目标的追求中生产过程自动控制技术得到了不断的发展目前在过程控制系统的设计中应该采用分散控制的思想己是不争的事螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现实但是从控制系统中采用的主要控制器来说则可以有以可编程逻辑控制器PLC为中心或以工业计算机IPC为中心的区别这两种控制器都可以形成具有一定规模的分散式过程控制系统但是在工作原理设计方法和手段上有较大的区别在人们习惯上约定俗成地将以IPC为中心的分散控制系统称为DCSe依据被控制过程的特点可将其控制策略分为顺序控制和连续控制两类顺序控制系统可以以电梯的控制系统为代表而化工过程则一般具有连续控制的特点但实际上大多数工业过程控制系统兼具顺序性控制和连续性控制两种特点在计算机控制系统的发展过程中控制装置和系统的研究者围绕顺序控制和连续控制分别开发了两类具有明显特色的工控产品可编程序控制器PLC-ProgrammableLogicController在一开始就是为了解决顺序控制问题而开发的而基于工业控制计算机IPC的集散控制系统DCS-DistributedControlSystem则是为解决连续控制问题而开发的典型过程控制产品IPC具有普通PC机的特点满足大量数据快速处理的要求其硬件结构标准化程度高兼容性强在软件上资源丰富因此IPC在模型复杂计算工作量大需要模拟量处理和回路调节的工业对象的控制中具有一定优势主要用在连续过程控制在智能与风险分散思想的引导和网络通信等技术的支持下以IPC为中心可形成集散控制系统ACS-DistributedControlSystemPLC初期主要是代替继电器的控制系统侧重于开关量顺序控制方面在20世纪60年代汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装随着生产的发展汽车型号更新的周期愈来愈短这样继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装因此阻碍了更新周期的缩短为了改变这一状况美国通用汽车公司GE在1968年公开招标要求用新的控制装置取代继电器控制装置并提出了十项招标指标即1编程方便现场可修改程序螺杆制冷机组微电脑拉制系统设计与实现2维修方便采用模块化结构3可靠性高于继电器控制装置4体积小于继电器控制装置5数据可直接送入管理计算机6成本可与继电器控制装置竞争7输入可以是交流115V美国电压标准8输出为交流115V2A以上能直接驱动电磁阀接触器等9在扩展时原系统只要很小变更10用户程序存储器容量至少能扩展到4K这就是著名的GM十条这些要求实际上题出了将继电器接触器控制的简单易懂使用方便价格低廉的优点与计算机的功能完善灵活性通用性好的优点结合起来将继电接触器的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想1969年美国数据设备公司DEC研制出第一台PLC在美国通用汽车自动装配线上试用获得了成功这种新型的工业控制装置以其简单易懂操作方便可靠性高通用灵活体积小使用寿命长等一系列优点根快地在美国其他工业领域推广应用到1971年已经成功地应用于食品饮料冶金造纸等工业我国从1974年开始研制于1977年开始工业应用PLC的可靠性已得到公认其主要原因是其软件的固件化和扫描执行方式据有关资料国外一般中小型PLC平均无故障时间高达10万小时即使大型PLC平均无故障时间也在4-5万小时之间因此制造厂商认为可靠性已不存在问题就可靠性而言是继电器接触器是望尘莫及的所以在三菱西门子等产品资料中可靠性己不再是一项技术指标可编程控制器也是一台计算机它是专为工业环境应用而设计制造的计算机它具有丰富的输入输出接口并且具有较强的驱动能力但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用在实际应用时其硬件需根据实际需要进行选用配置其软件也需根据控制要求进行设计编制随着微电子技术大规模集成电路技术计算机技术和通信技术等的发螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现展PLC在技术和功能上发生了飞跃在初期逻辑运算的基础上增加了模拟量和PID调节等功能模块形成了数值运算闭环调节尤其是PLC把专用的数据高速公路HIGHWAY改成通用的网络并逐步将PLC之间的通信规约靠拢使得PLC有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成以组成大型的控制系统这使得PLC系统具备了DCS的形态使得PLC的应用拓展到连续过程控制领域基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用322PLC的特点和优势PLC的主要特点可概括如下1高可靠性1所有的10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R-C滤波器其滤波时间常数一般为10-20ms3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立即采取有效措施以防止故障扩大7大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统使可靠性更进一步提高2丰富的10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脉冲或电位强电或弱电等有相应的10模块与工业现场的器件或设各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一机对话的接口模块为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等3采用模块化结构螺杆制冷机组微电脑拉制系统设计与实现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1O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1O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323PLC的工作原理与功能当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1输入采样即检查各输入的开关状态将这些状态数据存储起来为下一阶段使用2执行程序PLC按用户程序中的指令逐条执行但是把执行结果暂时存储起来3刷新输出按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果在本阶段中对输出予以刷新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PLC对信号的输入数据的处理和控制信号的输出分别在一个扫描周期的不同时间进行的方式有助于排除系统中受到的干扰可编程控制器的设计思想是尽可能地利用先进的计算机技术去满足用螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现户的需要PLC与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物理世界的接口即IO点外其它的逻辑功能均在其内部实现这些逻辑功能不仅可以取代而且远远超过诸如中间继电器时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能从而为PLC在可靠性和便利性上形成特色奠定了基础PLC的功能可分为1逻辑控制2定时控制3计数控制4步进顺序控制5PID控制6数据控制PLC具有数据处理能力7通信和联网8其它PLC还有许多特殊功能模块适用于各种特殊控制的要求如定位控制模块CRT模块324西门子S7-200系列PLC本课题选用德国西门子公司SIEMENS生产的S7-200小型系列PLC该系列产品有许多功能达到大中型PLC的水平而价格却和小型PLC的一样因此它一经推出即受到了广泛的关注特别是S7-2000PU22系列PLC由于它具有多种功能模块和人机界面HMI可供选择所以系统的集成非常方便并且可以很容易地组成PLC网络同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件使得在完成控制系统的设计时更加简单几乎可以完成任何功能的控制任务S7系列PLC还有S7-300和S7-400系列它们分别为中大型PLC完全可以替代西门子早期的S5系列PLCS7系列PLC的编程均使用STEP7编程语言因此该产品在中国应用非常广泛SIMATICS7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程序控制器可以单机运行也可以进行输入输出和功能模块的扩展螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现控制理论其对于线性或非线性定常或时变的多输入与多输出系统问题效果显著获得了广泛的应用但是无论采用经典控制理论还是现代控制理论设计一个控制系统都需要事先知道被控对象精确的数学模型然后根据数学模型以及给定的性能指标选择合适的控制规律进行控制系统设计然而在许多情况下被控对象的精确数学模型是很难建立的例如有些对象难以用一般的物理或化学方面的规律来描述有的影响因素很多而且相互之间又有交叉祸合使其模型十分复杂难以求解以至于没有实用价值比如炼钢炉的冶炼过程退火炉的温控过程工业锅炉的燃烧过程等等对于上述难以自动控制的生产过程有经验的操作人员进行手动控制却可以收到令人满意的效果在研究了人的手动控制特点的基础上著名控制理论专家LAZadeh于1965年创立了模糊数学和模糊逻辑理论并在控制领域得到了成功的应用模糊控制是一种新的控制方法它的数学基础理论基础实现方法都和传统的控制方法有很大的区别属于智能控制范畴模糊控制是一种十分适合于工业生产过程和大系统控制的方法正如Zadeh教授于1973年指出的当一个系统复杂性增大时人们能使其精确化的能力将会降低当达到一定的闽值时复杂性和精确性将相互撑斥即不相容原理因此要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态实际上已不可能关键是如何在精确和简明之间取得平衡这时模糊控制方法就能反映出它比其它控制方法的优越性例如在纯滞后大惯性参数漂移大这种非线性不确定分布参数系统中采用模糊控制能取得令人满意的效果螺杆制冷压缩机组的工作过程中对制冷量的控制属于大惯性纯滞后环节控制参数会随着环境温度吸气压力排气压力油温油压等参数的变化而发生不确定变化因此对该系统采用带死区的模糊控制方案可以取得良好的控制效果模糊控制属于计算机数字控制的一种形式因此模糊控制系统的组成成类同于一般的数字控制系统其结构如图35所示螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现模糊控制器DA与FA行l7展强爵豪瞥兰宝雏一AID一一林鲤卦一一图35模糊控制系统结构模糊控制系统一般可分为四个组成部分1模糊控制器实际上是一台微型计算机根据控制系统的需要既可选用系统机又可单片机或单扳机2输入输出接口装置模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获得数字信号量并将模糊控制器决策的输出数字量信号经转换送给执行机构去控制被控对象在10接口装置中还包括电平转换电路3广义对象包括被控对象及执行机构被控对象可以是线性或非线性定常或时变的也可以是单变量或多变量的有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况4传感变送器传感变送器是将被控对象或各种过程的被控制量检测并转换为标准电信号模拟或数字的的一类装置被控制量往往是非电量如温度压力流量浓度湿度等传感变送器的精度往往直接影响整个控制系统的精度因此在选择传感变送器时应注意选择精度高且稳定性好的传感变送器模糊控制器一般采用数字计算机实现所以它具有下列三个功能1把系统的偏差从数字量转化为模糊量2对模糊量进行一定的模糊推理3把推理的结果从模糊量转化为可用的实际控制的数字量模糊控制器的基本结构如图36螺杆制冷机组橄电脑拉制系统设计与实现r一-一一一-一一-一一一一一一1ll而iaal偏差模糊化接口清晰化38-h模糊控制器------一一--图36模糊控制器组成模糊控制器的设计1确定模糊控制器的输入变量和输出变量即控制量模糊控制器的输入变量可以有三个即误差误差的一阶导数及误差的二阶导数输出变量一般选择控制量的变化目前广泛被采用的均为二维模糊控制器如图37所示__e_一刁误差量卜J模糊控制器控制量d二de图37二维模糊控制器2隶属度函数的确定隶属度函数是对模糊概念的定量描述是模糊数学最基本和最重要的概念在模糊理论中对模糊性的描述就是通过隶属函数才能进行LAZadel对模糊理论的最大的贡献就是引进了隶属函数这一新的概念他于1965年给出定义设给定论域U11为U到01」闭区间的任一映射夕U--[01]xlix都可确定U的一个模糊集合三三称为模糊集合三的隶属函数Vxc-uu二〔x称为元素x对三的隶属度即x属于三的程度隶属函数的确定方法主要有模糊统计法相对比较法专家经验法等在实际应用中较多采用模糊统计法螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现当以实数域R为论域时称隶属函数为模糊分布常见的模糊分布有四不中a正态型这是最主要也是最常见的一种分布形式表示为exe--b0bP型召x喻"x0xa0c戒上型x》cux-xsc其中a0b0c为常数d戒下型LJI护1xxc产x1[ax一c]x咤c其中a0b0c为常数在实际应用中常采用近似正态型的梯形三角形3模糊控制规则的设计控制规则的设计是模糊控制器的关键一般包括三部分内容a选择描述输入和输出变量的词集一般为七个等级即负大负中负小零正小正中正大用英文缩写为NBNMNSZEPSPMPBeb定义模糊变量的模糊子集螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现定义一个模糊子集实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状将确定的隶属函数曲线离散化就得到了有限个点上的隶属度便构成了相应的模糊变量的模糊子集隶属函数曲线的形状较尖的模糊子集其分辨率高控制灵敏度也较高相反隶属函数曲线形状较缓控制特性也较平缓系统稳定性较好C建立模糊控制器的控制规则模糊控制规则是对系统控制经验的总结这些经验用模糊条件语句来表示模糊控制规则的生成有四种方法根据专家经验或过程控制知识生成控制规则根据过程的模糊模型生成控制规则根据对手动控制操作的系统观察和测量生成控制规则根据学习算法生成控制规则4精确量的模糊化方法如果精确量x的实际变化范围为ab]将ab]区间的精度变量转化为卜nn」区间的输入变量Y采用如下公式一_ab弄-一一二一-1Yb一a其中刀为不小于2正整数5模糊推理应用模糊集合论对模糊命题进行模糊推理应用模糊关系表示模糊条件句也就是根据上面建立的控制规则和x及x导数的模糊量子集推理出输出量的模糊子集这样将推理的判断过程转化为对隶属度的合成及演算过程6模糊量的清晰化方法把模糊量转换为精确童的过程称为清晰化又称反模糊化的模糊判决其主要有以下几种方法最大隶属度法加权平均法螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现今中位数判决法7论域量化因子比例因子的选择设误差的基本论域为卜XX1误差变化的基本论域为卜XXJ控制量的基本论域为卜YYI设误差变量所取的模糊子集的论域为1-n一n10rrIn误差变化变量所取的模糊子集的论域为1-m-m1·0二or-1耐控制量所取的模糊子集的论域为1-1-110二1-111则误差的量化因子为a误差变化的量化因子a及输出控制量的比例因子a分别由下面三个公式来确定刀优la-a_-axxy误差和误差变化这两个变量的连续值与其论域中的离散值并不是一一对应的一般说来若a大则系统上升速率大但a过大将使系统产生较大超调从而延长过渡过程若a很小则系统上升较慢快速性差与a相反若越大则系统上升速率越小过渡过程时间长若越小则系统上升速率增加越大反应加快但a取得太小会产生很大的超调和振荡尤其是反向超调这同样使系统的调节时间变长a在系统响应的上升和稳定阶段有不同的影响在上升阶段a取得越大上升越快但也容易引起超调a小则系统的反应比较缓慢在稳定阶段a过大会引起振荡为改善模糊控制器的性能常用的办法是离线整定a和氏在线调整a-332螺杆制冷压缩机组模糊控制器设计本控制器采用双输入单输出的模糊控制器在控制过程中不仅对实际误差自动进行调节同时还对实际误差变化进行调节这样才能保证系统稳定并且采用死区控制使得系统不致产生振荡如图38所示螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现牲哭习dlAa_-一-一一_一一____-1一一-t-lEAll扮一-一图38压缩机双输入单输出的模糊控制器图38中e为实际误差a为误差比例因子e为实际误差变化a为误差变化比例因子U为控制量a为控制量的比例因子设置输入输出变量的论域并预置常数aaa误差E-661且n6则得误差的比例因子as661这样就有E钻ee采用就近取整原则得E的论域为X-6-5-4-3-2一1-001234561而误差的语言变量在论域X中有8个语言取值即A1A2A3A4A5A6A7A8含义分别为正大正中正小正零负零负小负中负大符号分别为PRPMPSPONONSNMNB若误差的变化eE-661且二6则采用上面类似的方法得E的论域为Y-6-5-4-3-2一101234561误差的变化的语言变量在论域Y中有七个语言取值即B1B2B3B4B5B6B7含义正大正中正小零负小负中负大符号PBPMPSZBNSNMNB模糊语言变量Ai12·8和易F12·7的隶属函数由于对模糊控制来说确定模糊语言变量的隶属函数并没有严格的要求因此可在各模糊语言变量对应的离散论域上直接确定隶属函数值误差论域X螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现中的每一个模糊集A和误差变化的论域Y中的每一个模糊集B的定义如表3-2和表3-3所示表3-2误差模糊集的定义变量元素-6-5-4-3-2一1-0十0十1十23十4十5十6ASA7肠ASA4A3AZAIPB0000000000010408PM00000000002070702PS0000000050805000PO00000000500000NO10000010500NS00010508050710702000000000080400000000000表3-3误差变化模糊集的定义变量元素-6-5-4-3-2一1123456BUDUpBdUOdO朽乙八B1」口MU1卜PB1U以六no0000000408002070702乙七｝10乙内CU八U卜曰n月t0000070200了』匕『d比几L00050500000NS0002071050ND价NM020710702001080401000000000同样控制量的论域及其所取的语言值即21-7-6-5-4-3-2-101234567控制量U在论域Z中的7个语言值为C1C2C3C4C5C6C7含义正大正中正小零负小负中负大32螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现符号PBPMPSZE八5八VMNB控制量模糊集二k127在论域Z中的定义如表3-4所示表3-4控制量模糊集的定义变量元素-7-6-5-4-3-2一101234567ClPB曰八户川八00000000000104081C2PM000000000207107020C了工CD丹七产户5付M卜占内dNdeC口n乙一七公p5000000004108040100000000051050000000001040810400000000020710702000000000NB匕二804二土9一要实现模糊控制一般采用以模糊条件语句描述的一组模糊控制规则即isifE凌andEC乌thenUCi12m其中A4-和c分别为误差误差变化和控制量对应论域上的模糊集它们代表诸如正大正中负大之类的一些词该模糊条件语句式可由一个XXY--Z的模糊关系凡来描述及二仙X易夕XCi12"0mugixYZ一UXAUg1yAucizi12"""m若系统的误差和误差的变化分别为模糊集A和B则根据推理合成法则可得对应于每一条控制规则控制器的输出U为Ui绝xB·Ri马小41jutxyyUB-vFtX二〕从而得控制器的输出u为U月UU本模糊控制器把实际的控制策略归纳为表35所示的控制规则螺杆制冷机组微电脑拉制系统设计与实现表35模糊控制规则表龙及招枷枷翔PBPB一NB阳阳胡忍左翔BP咫竺-孔左忍咫脚附恻附删PB及PB咫竺Ps附咫PB一昭阳NB咖删附Ns忍忍一阳PB即SP阳嘟NS枷阳阳阳刚Ns昭NB龙朋PM咖脚-枷邢咖肪忍忍一PM为便于控制对各种误差和误差变化用微机离线计算好一个控制表如表36所示将此控制量查询表存放在控制微机中按测量输入的误差和误差变化查控制表就可输出控制量制冷过程控制的查询表经过严格的现场检验和反复修改才能获得表36控制量查询表-6一5-4一3一2-10123456EEC一67777777442000一57777777442000-46666666442000-36666666320-1-1-1一24444444100-1-1-13-2-1-04444110-1-1-1-4-4-404444110-1-1-1-4-4-41222200一1-4-4-4一4一4-4211110-3-4一4-4一4-4-4-430000一3一3-6一6-6一6一6一6一64000-2一4-4一6-6一6-6-6-6-66000-2-4-4-6一6--6一6一6-6-66000-2-4一4一7一7-7一7一7一7-7采用隶属度最大的规则进行模糊决策将U经过清晰化转换成相应的确定量系统运行时通过查表得到的输出控制量乘上比例因子Qv将其结果转换成对滑阀通电的时间完成对制冷机组制冷量的控制34螺杆制冷机组微电脑拉制系统设计与实现第四章基于PLC的控制系统设计与实现基于PLC的控制系统可分为独立的单机系统和多机网络监控系统螺杆制冷压缩机组根据制冷对象和环境的不同可分为压缩机组冷凝储液机组冷水机组乙醇盐水机组等形式不同机组在控制方式上有所不同本章以单机冷水机组控制系统为例说明系统的设计与实现螺杆冷水机组是以R22为制冷剂对外提供5-12℃冷冻水的成套制冷设备适用于中央空调及工艺用水等场合机组外型如图21所示主要由压缩机组卧式壳管式冷凝器蒸发器等组成完整的制冷装置用户只需接上冷却水系统冷冻水系统就可投入使用其控制系统主要组成部分有传感器PLC系统控制箱电气柜控制程序等组成如图41所示控制箱电气传感器制冷机组柜图41制冷机组控制系统结构图41控制系统硬件设计依据对控制对象和控制任务的统计和分析系统需配置的10接口点数和名称如表4-1所示螺杆制冷机组微电脑控制系统设计与实现系统中所用传感器有温度压力滑阀位置等模拟量及保护开关和中间继电器开关温度传感器采用PT100电阻用于测量制冷机组冷冻水温度螺杆压缩机吸气口排气口温度及油温度PT100是铂电阻温度传感器它适用于测量一60℃到400℃之间的温度PT100在0℃时电阻为1000随着温度的变化电阻呈线性变化大约是每摄氏度0452如图44所示为了把PT100的随温度变化的电阻转换成电压我们将模拟量输出作为恒电流源使用在该电路中输出4mA恒电流供给PT100传感器产生了16mv℃的线性电压EM235把这个电压转换成数字量利用下面的公式计算出温度℃AID转换后数字量一0之字量Tr变化1七数字量R[Ohm]104卜卜T[C]图44PT100铂电阻随着温度的变化曲线本机中模