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螺杆冰机辅机PLC改造
浙江工业大学浙西分校
毕业设计（论文）
题 目：
螺杆冰机辅机PLC改造
作 者：
系（部）：
机电控制工程系
专业班级：
03机械设备及自动化（3）班
指导教师：
职 称：
高级工程师
2006年6月7日
螺杆冰机辅机PLC改造
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。
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。
该项目采用的是某公司的PLC，运用与之相配的编程软件，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、故障检测保护、关机等工作过程。
采用是同一公司的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、报警显示、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
附图1.冰机ＰＬＣ梯形图...................................................33
附图2.冰机控制保护原理图.................................................34
附图3.冰机辅机控制原理图.................................................35
附图4.４＃－６＃冰机开关柜内部及对外接线图...............................36
谢辞...................................................................37
第一章绪论
1.1螺杆式压缩机的优点和PLC
巨化股份公司合成氨厂自一九七八年采用继电器控制的,日本日立株式会社一九七三年生产的BTD-ICC型活塞式冰机，设备制冷量95万大卡/小时，功耗630KW。
该厂主要生产碳铵、尿素、甲醇、液氨等产品，以合成氨为主要原料，通过各种物理、化学反应得到，在各产品工艺流程中，要求提供大量的制冷量，合成氨厂利用气氨、液氨进行能量转换过程通过冷冻冰机供应大量的冷量。
老系统控制回路接线复杂繁琐，损坏率高，且冰机机械传动部件多，操作麻烦，故障频繁，且因采用的是国外设备，其所用备品配件供应困难、维修不便。
因此合成氨厂决定以制冷量100万大卡/小时，功耗450KW的螺杆冰机更新原活塞式冰机。
从设备考虑，采用螺杆式制冷压缩机，工艺上大大改善。
其突出的主要特点是打量大，运行效率高，运动部件较少，相对结构简单。
1.1.1螺杆式压缩机相对于活塞式压缩机具有以下优点
（1）活塞式制冷与螺杆式制冷从设备构成上大致相同,在螺杆式制冷多一个油循环系统,通过油冷却器的降温,加大了油的利用率,使生产成本降低；
（2）在相同的蒸发温度和冷凝温度下,采用螺杆制冷要比活塞制冷获得较大的冷量且获得较大的轴功率；
（3）机器结构紧凑，体积小，重量轻；
（4）机器易损件少，运行安全可靠，操作维护简单；
（5）气体没有脉动，运转平稳，机组对基础要求不高不需专门基础；
（6）运行中向转子腔喷油，因此排气温度低，氨制冷剂一般不超过90℃；
（7）对湿行程不敏感，湿蒸汽或少量液体进入机内，没有液击危险；
（8）可在较高压比下运行，单级压缩时，氨蒸发温度可达-40℃；
（9）可借助滑阀改变压缩有效行程，可进行10—100%的无级冷量调节；
1.1.2存在缺点
需要复杂的油处理设备，要求分离效果很好的油分离器及油冷却器等设备；噪声较大，一般都在85dB（A）以上，常需要一些专门隔声措施。
1.1.3PLC的介绍
为保证压缩螺杆压缩机能够长期安全可靠地运行,必须有一套设计合理、运行可靠的自动监测和安全联锁系统。
本文介绍的是采用PLC可编程控制器和常规检测仪表构成的螺杆压缩机控制系统。
从电气仪表角度出发，采用了集控的接口，可灵活利用PLC控制、现场总线控制系统（FCS）或集散系统（DCS）实现工艺参数的显示和控制。
就本次改造规模、投资价格、工艺控制点而言，我们采用可编程控制器来实现电气指标显示和跳闸、报警。
PLC不同于继电器控制要接许多真正的硬件继电器，它是一些“软继电器”组成，避免了因元件磨损维修，及一系列繁杂的接线工作。
其主要特点：
1可靠性高，抗干扰能力强；
2控制程序可变，具有很好的柔性；
3编程简单，使用方便；
4功能完善；
5扩充方便，组合灵活；
6减少了控制系统设计及施工的工作量；
7体积小、重量轻、是“机电一体化”特有的产品；
PLC技术代表了当前电气程序控制的世界先进水平，PLC与数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。
第二章氨厂冷冻控制系统
2.1原系统的介绍
2.1.1活塞式制冷装置构成
活塞式制冷装置是一个封闭系统,它主要由压缩机、冷凝器、节流阀、发器及分离器、氨液分离器及氨贮罐等设备构成,相互间均由管子连接成一个封闭系统,制冷剂在系统内循环（见图2-1）
图2-1原系统内循环
原系统采用活塞式冰机，继电器接线控制回路，其工艺流程过程大致如下示的简易流程框图2-2
随着冷冻量需求的不断增大，合成氨厂冷冻量缺口越来越大，尤其到了夏天高温季节，冷冻岗位原有五台冰机不堪重负。
加上原岗位活塞式冰机长期使用后，噪声、振动很大，故障频繁，无法长期运行，且其所用备品配件供应困难。
考虑到合成氨厂节能改造总体规划和冷冻量需求，结合冷冻岗位增产节能、更新改造要求，针对原有的老工艺活塞式压缩机损耗高、打量小，运行效率低，电气设备过于繁琐等问题进行本次大规模的技改工作。
图2-2工艺流程过程
2.2新系统的介绍
2.2.1新系统的工艺流程
采用大连冷冻冰机股份公司的KA25系列的螺杆冰机，其装置为：
WYJZ3SA25螺杆式制冷压缩机组（包括螺杆压缩机、螺杆油泵、油冷却器、油分离器等），YKS480-2、V=6KV、P=450KW水冷式交流电机，XYZ-6G、P=0.4Mpa、V=6L/min稀油站，F=500m²波纹管氨冷凝器，V=5m³氨罐，仪控柜，电控柜及管路、平台等组成。
1、组成
整个流程设备主要有气氨总管、气液分离器、吸气过滤器、压缩机、油精过滤器、油泵、油粗过滤器、油冷却器、油分离器和氨冷凝器、氨收集器。
2、工艺流程
该压缩机的流程分为两部分,分别是气流程和油流程。
气流程是先将工质气体经过处理,然后送入压缩机增压至一定压力,再进行分离和过滤达到要求的工况送出。
工艺流程示意图如图1所示。
可以看到低压瓦斯气通过进气闸阀首先进入第一道过滤器,除去大部分的杂质后通过气体加热器,把气体加热到一定温度,再进行一次过滤后气体进入螺杆压缩机,在这里气体被增压到工艺要求的压力后进入油气分离粗滤一遍进入油泵加压,加压后的润滑油再被精滤一次,然后喷入压缩机内,使螺杆压缩机的轴承和阴阳转子得到有效的润滑和冷却。
冷冻冰机的工作过程是依据物理转换：
（压力*体积）/温度=常数（即P1V1/T2）使气氨转为液氨的物理工艺过程。
所以气氨的压力、温度是工艺控制的重要参数。
油程序如下图2-3
图2-3油程序图
生产中将压力低于2kg/m3的气氨通过系统的气氨总管进入进口处的氨分离器，分离出液氨雾滴，滤去液氨雾滴的气氨流过系统管进入压缩机组的吸气过滤器，通过过滤器中的过滤网滤去气氨夹带的小杂物，其中吸气过滤器设有温度计指示吸气温度，并由一截止阀连接吸气压力表来指示吸气压力。
干净的气氨进入螺杆压缩机进行压缩升压（即气压由0.3Mpa上升至1.57MPa），压缩后的气体至排气口排出。
在压缩机运转中，油泵向压缩机内喷入大约占体积流量0.5~1%的润滑油，这部分润滑油起着冷却、密封、润滑的作用，此时要求油喷入的压力必须大于压缩机内气氨的压力，保证润滑油顺利喷入，这里的油气压差检测点为重要参数。
这些润滑油随排气排入油分离器，进行油分离，油分离器中装有一安全阀，作用是当分离器内的压力过大，则通过安全阀进行放空。
此后系统分为气路过程和油路过程。
气程序如图2-4
图2-4气程序图
从气路过程来看：
经过油分离的氨气以温度为60~70℃、1.35~1.40Mpa的压力进入冷凝器冷凝成液氨，液氨进入液氨收集器。
从油路过程来看：
在油分离器中分离出的油经过油冷却器，冷却后的油经过逆止阀（只能单方向流通）进入到油粗过滤器，滤去铁屑等大颗粒杂质后到喷油油泵进口，由油泵升压后，再经油精过滤器进一步过滤后回流到喷油总管进入压缩机。
油泵并接了附线阀来调节油泵压力，油精过滤器接有压力表（正常时压力值应较小≤0.07MPa，压力值较大时说明过滤器中滤网被堵，需清理），其基本工艺流程框图如下图2-5：
图2-5基本工艺流程框图
要注意的是，在螺杆压缩机组的油分离器外装设了两个截止阀A、B，平时两个阀都关闭，只在两种情况下打开：
1.开车时，打开A阀，B阀关闭，为了系统管与分离器间的气压保持一致；2.停车时，打开B阀，A阀关闭，为了压缩机内与分离器间的压力差保持一致。
2.2.2.螺杆冰机工艺流程的工艺指标要求：
1）进口压力：
≤0.30Mpa；
2）出口压力：
≤1.57Mpa（联锁：
1.7Mpa报警，1.8Mpa主机跳车）；
3）吸气温度：
-10—20℃；
4）排气温度：
<100℃（100℃报警）；
5）喷油压力与排气压差：
主机起动前：
≥0.4Mpa正常运行：
0.16—0.3Mpa（正常运行联锁：
0.16Mpa报警，0.14Mpa主机跳车）；
6）喷油温度：
25—60℃（联锁：
60℃报警，65℃主机跳车）；
7）油精过滤器压差：
≤0.07Mpa（联锁：
0.07Mpa报警，0.09Mpa主机跳车）；
8）稀油站供油压力：
≥0.06Mpa（联锁：
0.05Mpa报警，0.04Mpa主机跳车）；
9）稀油站油箱油位：
≥2/3液位计；
10）稀油站油温：
≤50℃；
11）轴承温度：
≤65℃联锁：
65℃Mpa报警，70℃Mpa主机跳车；
12）主机电流：
≤53.6A；
13）马达轴瓦温度：
≤65℃；2
14）电机定子温度：
≤100℃；
15）油分离器油位：
1/2—3/4液位计；
16）冷凝器压力：
≤1.57Mpa；
17）收集器压力≤1.57Mpa；
18）进口气氨分离器液位≤10%液位计；
2.3螺杆制冷压缩机组
2.3.1简介
螺杆式制冷压缩机是高速回转机械，属容积型压缩机，它兼有活塞式和离心式压缩机的特点，所以在国内外近年来得到很大的发展。
螺杆制冷压缩机没有活塞式制冷压缩机必须有的气阀、活塞、活塞环、气缸套、活塞销等易损坏部件。
没有离心式制冷压缩机那样复杂的自动保护系统和对工况变化的敏感性，因此螺杆制冷压缩机无故障运转时间长，运转平稳可靠，使用维修方便，维修费用低廉。
螺杆制冷压缩机的体积小，重量轻，运动惯性小，易于启动。
螺杆式压缩机最早由德国人HKrigar在1878年提出，直到1934年瑞典皇家理工学
院ALysholm教授才奠定了螺杆式压缩机SRM技术，并开始在工业上应用，取得了迅速的
发展。
20世纪50年代，就有喷油螺杆式压缩机应用在制冷装置上，由于其结构简单，易损件少，工作时压力比大，排气温度低，对液击有敏感和良好的输气量调节特性，很快占据了大容量往复式压缩机的使用范围，而且不断地向中等容量范围延伸;与此同时，形成开启式机器和半封闭式机器系列，近几年又出现了全封闭式机器，广泛地应用在各种制冷设备。
2.3.2产品型号、名称及用途
普遍采用内容积比调节机构。
图1所示是德国寇尔托马塔（Kiihcutomat）公司杆式压缩
内容积比调节时，设有径向排气孔口的滑阀向左边移动，则排气孔口缩小，此时，滑阀3也必须向左移动，紧靠滑阀1，造成内压缩比增大;反之，则减小。
图2-6是瑞典Stal-mini-S20型螺杆式压缩机
图2-6瑞典Stal-mini-S20型螺杆式压缩机
KA25系列螺杆制冷压缩机由电动机、油路系统、气路系统、控制系统、底架和各设备、系统间连接的管路等组成。
在本次设计我们选用的是JZ3KA25冰机。
2.3.3机组的构成
油路系统由油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵与油泵电动机、油分配总管组成。
JZ3KA25机组的油分离器与整体装成一体。
气路系统由吸气过滤器、吸气止回阀、压缩机、排气截止阀、油分离器、排气止回阀等组成。
控制系统主要包括仪表箱和启动柜。
JZ3KA25为非防爆型。
2.3.4技术数据
型式：
开启式单级喷油螺杆制冷压缩机；
转子公称直径：
250；
理论排量：
2395m3/h；
转速：
2960r/min；
转子长度：
421；
轴功率标准工况368KW；
空调工况485KW；
制冷量标准工况（-15/+30℃）1259KW；
空调工况（+5/+40℃）2647KW；
压缩机吸气管口径DN200；
排气管口径DN150；
压缩机转向顺时针（自联轴看压缩机）；
油冷却器进水温度≤32℃；
油冷却器进出水管直径DN80；
油泵排量20m3/h；
油泵配用电动机功率5.5KW，电源380V；
主电机如表2-1
表2-1主电机铭牌
JZ3KA25
型号
Y400—2
功率
450Kw
外形尺寸
5950×2150×2970（长*宽*高）
机组重量
kg
11500
电源6kV首次加油量800kg
同步转速3000r/min制冷剂R717
润滑油N46冷冻机油机组噪声≤98Db（A）
2.3.5主要结构及工作原理
1．螺杆制冷压缩机
由螺杆制冷压缩机组、冷凝器、节流阀、蒸发器4个基本部分组成,并通过管路连接在一起构成一个封闭的制冷系统,其中螺杆式制冷装置由螺杆制冷压缩机油路系统（油分离器、油冷却器、油泵、油粗过滤器、油精过滤器、油压调节阀及油路构成）气路系统（吸气过滤器、吸气截止阀、吸气止回阀、排气止回阀、排气截止阀）和机旁操作台这些设备装在同一机架上面构成机组。
（见图2-7）
图2-7工作原理图
由吸气、压缩、排气3个过程组成,螺杆压缩机内装有一对转子,主转子为4个齿,从动转子为6个齿,两个转子装入到机体内,由主动转子带动从动转子相互啮合而转动,机体上开设的吸气口和排气口位置,成对角线方向,当转子转动时,一对相互啮合的槽相通,转子进入吸气状态,吸气完成,齿槽进入封闭状态"当转子继续转动时,一对相互啮合的齿槽容积逐渐减小,使压力升高形成了压缩过程,当压缩机的齿槽与排气口相通时,压缩机开始进入排气状态直到排气完成为止,这样往复循环,螺杆制冷压缩机完成了吸气、压缩、排气工作过程。
2.油分离器
采用压差供油的压缩机压差供油的螺杆压缩机作为低压级使用时,由于压缩机的高低压压差较小,其启动油泵不会停止运行,向压缩机供油的油量较小,故其排气温度较高。
油分离器设有板式液面计，安全阀和排气止回阀，板式液面计用以指示实际油面，压缩机正常运转时，油位应处于板式液位计的2/3以上。
安全阀对压缩机和油分离器起安全保护作用，当油分离器内压力高于1.81Mpa时自动开启，以泄出过高的压力。
排气止回阀是一种蝶形阀，止回阀使高压排气可以顺利进入冷凝器，而当压缩机停机期间，冷凝器内高压气体不会立即进入油分离器。
3.油冷却器
油冷却器是壳管式换热器，管程数为2。
管程走下进上出，壳程走油。
从油分离器中分离出来的热油，经冷却水冷却后进入油过滤器。
4.油粗过滤器
油粗过滤器由壳体，过滤网及进出油管构成，油从过滤网外面进入网内，经过滤后从网内流出。
过滤器壳体的上部设有DN20的截止阀，给机组初次加油时，可利用此阀。
壳体下部设有螺塞，供清洗放油及放脏用。
5.油泵
（a）仅采用一台油泵,强制供油；
（b）较普通双级压缩系统减少了一套油冷却器、油泵等设备,故障点减少,可靠性提高；
（c）由于油冷却负荷较高,一般采用热虹吸油油泵主要参数
油量20m3/h；
转速960r/min；
电动机功率5.5KW；
进出口直径DN80；
6．吸气过滤器
由系统进入压缩机的制冷剂气体，先经过吸气过滤器由壳体、过滤网组成、吸气过滤器上设有带金属保护套温度计，用来指示吸气温度，同时设有DN20、DN4的直角式截止阀各一个，前者可用来在运转中加油，后者连接吸气压力表，指示吸气压力。
7.KA25系列压缩机组的性能曲线（表2-2）
表2-2性能曲线表
2.4PLC可编程控制器
2.4.1PLC的介绍
1.PLC简介
（一）PLC的定义：
PLC是一数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入和输出，控制各种机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
2.应用
强调的是可编控制器直接用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛适应能力和应用范围。
其应用范围通常可分为五种类型：
1）顺序控制：
这是PLC最广泛应用的领域，它取代传统的继电器顺序控制，用于单机控制、多机控制、生产自动线控制。
2）运动控制：
提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
3）过程控制：
能控制大量的物理参数如温度、压力、速度和流量。
4）数据处理：
将PLC和计算机数值控制设备紧密结合。
5）通信
3.PLC的分类
追溯PLC的发展历史可以看到，世界上200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品大体可以按地域分成三个流派:
一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，还有一个流派是日本产品。
同一地域的产品相互借鉴比较多，相互影响比较大，技术渗透得比较深，面临的主要市场相同，用户要求接近，这一切就使得同一地域的PLC产品表现出比较多的相似性。
按I/0点数，PLC可分为微、小、中、大、巨型多种PLC:
表2-3PLC点数种类
4.PLC的发展
PLC在国际市场上已成为倍受欢迎的畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。
当前PLC已广泛用于机械、汽车、电力、冶金、石油、化工、交通、运输、轻工、纺织、建材、采矿等领域，取得明显的技术经济效益。
它的技术发展：
1）产品规模向大、小两个方向发展
2）PLC向过程控制渗透与发展
3）PLC加强了通信功能
4）新器件和模块不断推出
5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言标准化
6）发展容错技术
7）追求软硬件的标准化
5.PLC的基本结构
从结构上分，PLC分为整体式、模块式（组合式）和混合式三种。
（1）整体式结构
早期的PLC一般采用整体式结构。
采用整体式结构的PLC将CPU模块、输入/输出模块、电源模块和通信接口模块等基本模块紧凑地封装在一个机壳内，构成一个整体。
微型、小型PLC一般采用整体式结构。
整体式结构适用于控制比较集中的工业现场。
（2）模块式结构
在模块式PLC结构中，按PLC的各个组成部分将PLC划分为不同的模块，并
将这些模块独立地进行物理封装。
划分的模块一般包括CPU模块、输入模块、输
出模块、电源模块和各种功能模块。
各个模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，
安装时将这些模块插在框架上或基板上即可，它们由系统自动进行寻址连接，插
入什么模块可根据需要进行配置。
大、中型PLC多采用模块式结构形式。
模块式
结构能够适应各种工业现场的分布式控制。
（3）Ire合式结构
混合式PLC由PLC主机和扩展模块组成。
其中，PLC主机由CPU、存储器、通信电路、基本输入/输出电路、电源等基本模块组成，相当于一个整体式PLC,可以单独完成控制功能。
PLC主机几乎是任何一个控制系统所需要的最小组成单元，封装在一起是合理的，而扩展模块可以是输入/输出模块、模拟量模块、位置控制模块、PID模块、联网控制模块等智能模块。
模块之间的连接:
它们之间通过总线进行连接，由主模块统一管理。
混合式PLC集中了整体式和模块式的优点，扩充性能良好，模块丰富，扩大了PLC的应用范围，改善了控制性能，所以混合式PLC得到了迅猛的发展。
它能够适用于各种复杂、恶劣的分布或集中环境。
6.PLC与继电器控制的主要区别是：
1组成部件不同
继电器控制线路是许多真正的硬件继电器组成，而梯形图由许多“软继电器”组成,避免了硬继电器易磨损的现象。
2接点数量不同
硬继电器的触点数量有限，而“软继电器”的触点数有无限对。
3实施控制的方法不同
继电器控制线路中实现某种控制需通过各继电器之间硬接线解决，其功能包含在固定线路中，不灵活；PLC控制通过梯形图解决，则灵活多变。
4工作方式不同
继电器控制线路中，当电源接通时，线路中各继电器都处于受制状态，即功能相同的继电器同时动作，而梯形图的控制线路中，各软继电器处于周期性扫描接通中，各继电器的动作次序决定于程序顺序。
相比之下，PLC具有体积小、功耗低；无触点、速度快、寿命长；有无数个常开，常闭接点供程序使用，不必考虑接点的容量4.PLC的机型选择。
2.4.2PLC控制系统的设计
使用PLC可以构成多种形式的控制系统，下面介绍几种常用的PLC控制系统。
1.单机控制系统
单机控制系统是较普通的一种PLC控制系统。
该控制系统使用一台PLC控制一个对象，控制系统要求的I/0点数和存储器容量比较小，没有PLC的通信问题，采样条件和执行机构比较集中，控制系统的构成简单明了。
在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系统要完成的功能一般较明确，I/0点数、存储器容量等参数的裕量适中即可。
2.集中控制系统
集中控制系统用一台功能强大的PLC监视、控制多个设备，形成中央集中式的计算机控制系统。
其中，各个设各之间的联络、连锁关系、运行顺序等统一由中央PIC来完成，如图2-8所示。
图2-8控制系统图
显然，集中控制系统比单机控制系统经济得多。
但是当某一个控制对象的控制程序需要改变时，必须停止运行中央PLC，其他的控制对象也必须停止运行。
当各控制对象的地理位置距集中控制系统比较远时，需要大量的电缆线，造成系统成本的增加。
为了适应控制系统的改变，采用集中控制系统时，必须注意选择工/0点数和存储器容量时要留有足够的裕量，以便满足增加控制对象的要求。
3.分散控制系统
分散控制系统的构成如图2-9所示，每一个控制对象设置一台PLC，各台PLC之间可通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过数据通信总线进行通信。
图2-9分散控制系统图
分散控制系统常用于多台机械生产线的控制，各生产线之间有数据连接。
由于各控制对象都由自己的PLC进行控制，当某一台PLC停止运行时，不需要停运其他的PLC。
随着PLC性能的不断提高，由PLC担当底层控制任务，通过网络连接，PLC与过程控制相结合的分散控制系统将是计算机控制的重要发展方向。
与集中控制系
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