基于PLC的装配线空压控制系统的改造设计.docx

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基于PLC的装配线空压控制系统的改造设计

目录

1绪论1

1.1离心空压机空压系统的传统控制方法1

1.2PLC和变频器的离心空压控制系统目的和意义2

2变频调速恒压供气理论分析2

2.2工艺调节过程简介2

2.3调节系统的构建3

2.3.1调速原理3

2.3.2恒压供气系统的组成6

2.3.3调节系统的传递函数7

2.3.4变频恒压供气频率变化分析8

3恒压供气系统的硬件设计9

3.1系统总述9

3.2控制系统的组成9

3.3调速系统的构成及硬件选择9

3.4变频器10

3.4.1变频器输入输出接口10

3.4.2变频器的外围设备选择11

3.5变频调速恒压系统的基本特点12

4恒压供气系统的软件设计13

4.1PLC输入输出I/O分配13

4.1.1输入口13

4.1.2输出口14

4.2PLC控制程序14

5系统调试14

5.1变频器关键参数的设定故障处理14

5.1.1变频器有关参数设定14

5.1.2变频器装置类故障处理15

5.2PLC的调试16

5.2.1实验室调试16

5.2.2制造地调试17

5.2.3现场调试17

6结束语17

致谢18

参考文献18

附录一（PLC控制程序的梯形图）20

附录二（PLC控制程序的指令表）22

附录三（PLC与变频器外部接线图）23

1绪论

随着科学技术的发展，空压技术现在被应用到各种装配线上。

而陈旧的空压控制，无非是依靠各种风门，阀门来进行控制，系统的负载与输出不成正比，严重的浪费资源和经费。

对于现代生产来说，急需一种安全、可靠、经济的控制系统来代替陈旧的控制系统。

所以八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。

随着控制理论与功率电子技术的发展，交流电机变频驱动得到推广，随着能源的紧张和人们环保意识的加强，市场及时推出了适用于驱动各种普通三相异步电动机的各种变频器。

这些变频器大多使用了SPWM正弦脉宽调制控制方式，具有调速性能好、输出稳定、工作效率高、使用方便等特点，优于以往的变极调速、转子串电阻调速、串级调速、调压调速等交流电机调速方式。

一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。

空压系统的压缩机是核心，具有高耗能的特点，如果通过对电动机采取变速驱动来调节气压，可以达到较好的节能效果，同时还会减少设备的维护，增长设备的使用寿命。

那么什么是变频调速呢？

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

　三相异步电动机转速公式为：

n=60f/p（1-s）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。

从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速度两种。

在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。

改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：

高效调速转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。

有转差损耗的调速方法属低效调速，提高效率效果不佳，所以本文主要研究高效率的离心空压机的变频调速方法。

1.1离心空压机空压系统的传统控制方法

传统的离心空压系统中气压流量的设计均以最大气压需求来设计，目前在需要调节的地方普遍用挡板、气门、回流等方法来实现，用电效率非常低。

是一个耗能大户，其电能消耗诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%-25%，是一笔不小的生产费用开支。

随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧，节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。

为此，设计一套安全、可靠、高质量的空压控制系统，已显得迫在眉睫

。

1.2PLC和变频器的离心空压控制系统目的和意义

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，从而提高气体的压力。

PLC和变频器的离心空压控制系统，是现今空压控制系统的一个新兴课题。

首先，它将自动控制和节能降耗融为一体，既能保证装配线空压控制系统的在线自动控制，又能对原来系统进行节能降耗改造。

其次，它能根据不同的工作强度，不同的时段，以及各种意外的情况做出反应，保证根据实际的需要调节和控制气压管道内的气压恒定，改变了传统利用调节挡板、风门、回流等方法来实现。

使设备和系统平稳和可靠，同时节能显著。

此外，构造这样一个控制系统可减小占地面积，降低一次性投资，系统安全可靠，维修管理方便

。

本论文就如何构造这样一个系统提出了一套较完备的方案，对方案的实际运行，做了较深入的理论的探讨，并结合工作实际，做了一套切实可行的系统。

2变频调速恒压供气理论分析

在电气拖动设备的运行过程中，经常遇到这样的问题，即拖动设备的负荷变化较大，而动力源电机的转速却不变，也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。

在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍，浪费能源。

在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行，不仅可以满足生产的需要，而且还能降低电能消耗，延长设备的使用寿命。

这里介绍的离心空压机采用变频调速，并应用PLC构成气压闭环自动控系统，实现了电机负荷的变化变速运行自动调节气压，即满足了生产需要，又达到了节能降耗的目的。

利用变频调速装置和压力传感器组成闭环控制系统来控制空压机的转速，保持气压恒定。

下面就详细介绍双恒压供气系统的理论构置情况。

2.2工艺调节过程简介

系统由二台变频变速空压机和一台备用恒速空压机及可编程控制器，压力传感器、控制柜等单元设备和器件组成。

其中变频变速空压机是利用变频器改变电机工作频率来改变空压机的输出流量，利用速度变化来恒定系统压力的。

当系统投入运行时，压力传感器检测管网压力并将信号传给PLC和变频器，在变频控制软件和PLC的作用下，系统根据不断收取到的管网压力信号与系统设定压力相比较，根据比较结果改变变频变速空压机运行频率和备用恒速空压机投入运行和休息的指令，从而实现无论用气量怎样变化，管网压力始终保持在设定压力范围。

当供气压力小于最低压力时，自动关闭两台变频风机，同时打开备用恒速风机来满足低压供气要求，而且达到节能的效果。

2.3调节系统的构建

2.3.1调速原理

基本原理：

在三、四十年代，电机调速理论和技术已在一些工业发达国家开始研究和应用，如通过改变电机的磁极对数，利用变频改变交流电源的频率值，在转子电路中加入调速变阻器或磁性放大器等方法对交流电机进行调速。

但都由于技术及设备复杂而不能在工业生产实际中广泛应用，随着微机应用技术的发展特别是到了80年代采用大功率晶体管后，变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

使得工业交流电机调速技术有了广泛应用的可能。

目前，离心空压机电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为

（1）

式中

是电机转速；

是电源频率；

是转差率；

是电机的级对数。

当风机电机选定后，p为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高；反之，转速越低。

变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的频率值来实现风机电机的无级调速，并达到节能降耗的目的。

可见，在满足同样气压的情况下，风量大幅度降低，功率明显减小，节省的功率损耗与面积成正比，节能效果十分明显。

所以，采用改变风机转速的方法对风量和风压进行控制是最合理和经济的。

变频调速恒压供气系统的控制特性分析：

电动机稳定运行时实际输出转矩由负载的需要来决定，在不同的转速下，不同的负载需要的转矩也是不同的，调速方法和控制特性应适应负载的要求。

表示风机性能的特性曲线有：

曲线：

当转速恒定时，风压与风量间的关系特性；

曲线：

当转速恒定时，功率与风量间的关系特性；

曲线：

当转速恒定时，风机的效率特性；对于同类型的风机。

离心风机负载转矩特性如图：

图1H-Q曲线图2风阻特性曲线

图3鼓风机的性能曲线

根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线如图根据风机相似方程；当风机转速从n变到n′，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：

=

（2）

（3）

（4）

上面的公式说明，风量与转速成正比。

风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。

变频调速时电动机的机械特性：

变频调速时，为了使电动机的运行性能好，励磁电流和功率因数应基本保持不变，即希望气隙磁通Φ也保持不变，若Φ>Φn（Φn为额定运行时的磁通），将引起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低；若Φ＜Φn，将使电机的容许输出转矩下降，电机的功率得不到充分利用，因此变频调速一般应使气隙磁通保持不变。

根据电动机的等效电路，如图5所示，在忽略定子漏阻抗压降

图4U1/F1=C变频调速的机械特性图5感应电机的T型等效电路

（5）

的条件下，定子的相电压U1与气隙磁通Φ和频率f1之间的关系为

（6）

式中，N1Kn1为定子绕组每相的有效匝数，当电机确定后，为一常数。

由式（6）可知，在f变化时，电机的端电压U，必须与频率f成正比变化，才能保持。

不变，即

常数（7）

电动机的电磁转矩T为

（8）

式中，P为电动机的磁极对数R1，x1a为定子每相绕组的电阻和额定频率fN下的漏抗；R2、x2a为转子每相绕组折算到定子侧的电阻和额定频率fN下的漏抗；S为转差率，即

（9）

式中，n0为某一频率下的同步转速

在额定电压UN和额定频率fN时，T=f（N）曲线如图特性曲线中实线aN时所示。

令dT/Ds=0，求得电动机的最大电磁转矩Tmax为

（10）

在变频调速过程中，保持U1/F1=C（常数），也就是保持气隙磁通近似为常数，若令f1=afn，则U1=aUn，此时的电磁转矩

（11）

相应的最大转矩为

（12）

式中a=f1/fN=n0/n0N

n0N是额定频率fN下的同步转速

n0N=60fN/p

正常运行时，S很小，约在5%之内，式（11）中SR，忽略不计。

在一定的负载转矩下，变频调速运行时，转速之差（n0-n）将不变，转矩特性（稳定运行段）在U1/f1=C常数运行方式下，当α不同时，它为一族平行的曲线，如图4实线所示。

从式（12）可看出，由于定子电阻R1的存在，随着运行频率的降低，R1与电抗α（x1δ+x2δ）相比，R1的作用愈来愈大，使最大转矩Tmax将明显减小。

2.3.2恒压供气系统的组成

由图6知，空压机在运行中压力传感器将压力检测点（管网的中部）的管网压力H信号由压力变送器传送给PLC，经过PLC的智能扩展模块A21来进行模数转换，A21根据变送器传递来的标准的电流或电压信号的大小，把模拟量按一定的关系转换成PLC内部的数字信号，然后由PLC将转换后的数字信号与事先设定的压力值相比较。

所以当管网压力H低于设定压力H0时，PLC向变频器发出提高电源频率的信号，变频调速器将电机转速提高后，风机的转速也相应提高，出气量增大，管道压力H也随之升高；反之当H高于H0时，PLC向变频器发出降低电源频率的信号，风机的转速相应下降，风机转速的提高与降低完全根据压力检测点的压力高于或低于设定压力H0来调节。

因此，系统供气压力其本上维持在设定压力H0的范围内供气，也就是基本保持恒压供气。

图6系统工作原理图

在变频调速恒压供气过程中，风机工况点的变化见图7所示。

图7风机工况点的变化图8风机变速恒压工况

当H1,H2…高于H0时，说明管网系统用气量减少，管路阻力特性曲线A1,A2，…向A0方向变化，此时风机转速逐渐降低，管道压力也由H2,H1…逐渐下降，当H1低于H0时，其工况点变化与上述相反即由A1…逐渐向A0移动，使管网系统供气始终保持恒压。

当管网用气量由Q2,Q1…向Q0移动时，通过改变风机转速使H′保持恒定，见图8。

2.3.3调节系统的传递函数

取流量为调节对象，其传递函数框图如图9。

其中:

H0----总管压力给定值；

H（t）----被调总管压力，kPa；

△ε----偏差，△ε=H0-H（t）；

（t）----变频器转速指令函数；

Wα（s）----

调节器传递函数；

WO（S）----调节对象传递函数（包括变频器转速特性，压力变送器特性等）。

图9控制框图

（13）

（14）

其调节过程及曲线如下:

H0＞H（t）时，△ε为正→f↑→n↑→H（t）↑，直至H（t）=H0；

H0=H（t）时，

恒定，电机恒转速转动；

H0＜H（t）时，△ε为负→f↓→n↓→H（t）↓，直至H（t）=H0。

2.3.4变频恒压供气频率变化分析

如图10为变频调速恒压供气的风机曲线图，当流量由Qa变化至Qb时，风机输出压力必定会上升Hb，由于恒压线定在H0，压力传感器检测出压力上升趋势后，反馈增加输出信号，使变频器降低频率控制，减速至n2，使之保持恒压H0，节省压力（Hb-H0）。

随着风机转速的降低，工况点将从A沿恒压线逐渐变化至B、C流量随之减少，当n下降至n4，Q-H曲线的最大压力为Ha，在n4以下时，因为Q-H曲线最大压力小于Hd。

按这一原理风机的转速只要从额定转速变化至n4时，可供小于Qa的任一流量，风机的工况点沿恒压线从A→D变化。

风机调速具有一定范围的，不同的风机有不同的调速范围，不是任意可调的，其它范围由风机本身的特性和用户所需的压力决定。

当选定某型号的风机时可确定此风机的最大调速范围，再根据用户的设定压力确定具体最低调频范围。

图10风机变频恒压供气情况图11风机工况

3恒压供气系统的硬件设计

3.1系统总述

鼓风机系统构成如下。

（1）风机型号：

9-26，风量：

8588-10735m

/h，风压：

9630-10020Pa。

（2）电机型号：

Y225M-2；功率：

37kW；电压：

380V；电流：

83.9A；频率：

50Hz；功率因数：

0.89；转速：

2970r/min。

3.2控制系统的组成

如图12所示为控制系统总构成图：

控制系统包括：

2套变速风机（每套变速风机包括：

一台变频器、一台交流电动机和一台风机）、1台PLC、一台工控机和两套压力变送器。

图12控制系统总构成图

3.3调速系统的构成及硬件选择

从整个系统的稳压来说，全是由调速风机来实现管网的稳压和压力调节的。

系统构成与设计：

变频恒压供气系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及空压机组成，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。

压力传感器将管道中的气压值变换成电信号（4-20mA），送入变频器内置PID比较，其偏差值经过控制运算后，控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，再由PLC控制两台空压机电机在工频电网与变频器输出之间切换，改变两台空压机的运转状态和转速，实现压力调节。

控制部分是根据系统的设计要求，在满足控制要求的原则上，尽量降低成本，选用松下电工生产的FP0系列的PLC—FP0-C32CP。

实现信号采集，巡检综合判定，控制输出三个逻辑过程。

以下是FP0系列PLC的特点：

超小型尺寸：

一个控制单元只有25毫米宽，甚至扩充到I/O128点，宽度也只有105毫米，它的安装面积是同类产品中最小。

可选择三种安装方式：

DIN导轨条安装、底面直接安装和附面直接安装。

控制单元尺寸：

宽25×高90×长60毫米，最大可扩充至128点，此时尺寸（宽105×高90×长60毫米）。

电气部分包括风机电机，电动阀门，变频器的启动、停止，以及故障检测，指示灯的控制。

FP0-C32CP据有丰富的指令系统，并且依托FPWIN_GR良好的编程界面，很方便程序编制和现场调试。

传动装置用了选用芬兰ABB公司生产的ACS601变频器，具有手动和自动调速功能变频器，适用于异步电机无级调速控制。

该变频器的输出控制方式为恒V/f，以及IGBT大功率晶体管模块。

变频器可将输出频率在控制范围内连续可调，控制精度为O.1Hz，从而达到电机依据负载的变化连续平滑调速，减轻了电机的运转抖动。

由于变频调速实现异步电机软起动，降低电网的损耗提高了电机运行时的COSφ，以至于可以省去为改善功率因数的电容补偿柜及相应控制设备。

ACS601有内置的RS485口可以实现同上位机的通讯。

现场压力选择用2块DBY一121压力变送器，量程分别为:

0-0.75MPa和O-1.OMPa，及2块电接点压力表量程为0.10MPa和0.6MPa。

3.4变频器

近20年来，以功率晶体管GTR为逆变功率器件、8位微处理器为控制核心的、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。

3.4.1变频器输入输出接口

本系统选用的变频器为ABB公司的ACS601系统，针对本系统的应用情况，可将变频器端子上的信号分为（如附录三所示）:

输入信号：

（1）控制变频器运行的启停信号DI1----PLC的KA1。

（2）变频器的压力反馈信号AI2口接远传压力表的反馈信号。

（3）R，S，T为电源输入。

输出信号：

（1）ROI:

为数字量输出口，变频器内部出现故障时，进行指示。

（2）R02:

为数字量输出口，变频器运行指示。

（3）R03:

为数字量输出口，变频器停止运行指示。

（4）U，V，W为接三相异步电动机。

通讯:

本变频器完成与上位机的频率、电流、电压、管网压力、故障状况，给定等参数进行通讯，通过NDCO的CH1，CH2口实现。

3.4.2变频器的外围设备选择

通常变频器的外围设备如图14。

图14变频器的外围设备

（1）变频器容量的选择

变频器的额定输出容量应满足S

：

（15）

式中U---最高频率时电动机端电压；

I---最高频率时电动机的额定电流；

N---电机台数；

K---波形修正系数（取1.05-1.1）。

上式表明，变频器额定容量大于电动机组额定容量（

UIN）。

由于高次谐波的影响，将使电机的损耗增加，故加入波形修正系数K，再乘以安全系数1.1。

变频器的60s过载容量应满足Ss：

（16）

式中Ns---同时起动的电动机台数；

Is—最高频率时电动机的起动电流。

上式表明，变频器60s过载容量大于电动机组起动容量，两者相差波形系数K及安全系数1.1的数量关系。

变频器额定输出电流应满足Ie

（1）：

（17）

式中Ie

（2）—单台电机最高频率时的额定电流。

上式表明，变频器额定电流大于电动机组的额定电流，两者相差一个安全系数1.1和波形系数K。

变频器允许的60s过载电流应满足Is

（1）：

（18）

式中，Is

（2）—最高频率时电动机的起动电流。

即变频器60s过载电流大于电动机组的起动电流，两者相差一个安全系数1.1和波形系数K。

但在实际变频器容量选择中采取大于电机一个等级的办法。

对于轻载起动和风机泵类负载，变频器额定电流一般按电动机的1.1倍选，对于恒转矩负载或需要频繁起动和制动运行的负载，变频器的容量应适当增大，一般应

1.2倍的电动机的额定电流。

本系统根据选用的电机功率为37kW，则选用的变频器型号为ACS601-004545kW两台。

电源变压器：

电源变压器（T）的作用是将高压电源变换为变频器所需要的电压等级。

考虑到变频器输入电流中所含高次谐波对电源侧功率因数的影响，再考虑变频器的运行效率，一般

变压器的输出功率（KVA）=变频器的输出功率（kW）/

（变频器输入功率因数

变频器效率）

其中，变频器输入功率因数在无输入交流电抗器1ACL时取0.8-0.85，有1ACL时取0.6-0.8；变频器效率取0.95；变频器输出功率应为所接电动机的总功率。

电源侧断路器QF:

QF一是用于电流回路的正常通断，二是当出现过流或短路故障时能自动切断电源，防止事故扩大。

其选择原则同一般断路器。

电磁式接触器：

1KM用于变频器的投入与切除，在变频器发生故障或失压时，切断电源，防止电网失压后复电而变频器不经正常程序自动起动对设备及人身造成危害。

2KM和3KM用于变频器与工频电网间的切换运行；2KM和3KM间的联锁可防止变频器输出端接到工频电网上。

不过，有些变频器要求2KM只能在电动机和变频器停机状态下开闭，1KM-3KM的选择同一般接触器。

3.5变频调速恒压系统的基本特点

本论文设计变频器调速恒压供气系统具有以下几方面特点：

（1）具有自动/手动双运行功能。

自动状态下可实现无人值守自动恒压供气状态；手动状态下可作不定期的检查和紧急状态下的紧急操作。

（2）具有双电源供电，自动/手动供电电源切换功能。

（3）具有自动定期巡检功能，系统可靠性高。

（4）由于采用变频调速恒压，恒压精度高，压力变化

0.02Mpa；节能效果显著，节电率在15%--35%左右。

（5）系统中的两台空压机，任何一台空压机出现故障，系统会自动启动备用空压机满足供压。

（6）采用变频调速技术实现交流电机平滑调速，使交流调速系统的性能指标能与直流调速系统媲美。

（7）多台电机均能可靠地实现软启动，避免了启动电流过大对电网的影响，且大大延长了设备的使用寿命。

同时，与其它供气系统相比，具有以下几方面的优点：

（1）自动化程度高，可实现无人值守智能化运行。

（2）设备使用寿命长，维护工作量小。

4恒压供气系统的软件设计

该系统采用二级计算机控制方式，控制系统采用松下电工FP0系列小型PLC，输入16点，输出16点，均为数字化接口。

在设计时，以充分利用PLC的硬件、软件资源为原则，在软件设计与确定I/O点数时，可不局限于原有继电器控制线路，而只保留直接面向人和设备的输入/输出点，省去一些中间环节；软件采用灵活的编程方式，主程序采用常规继电器梯形图指令设计。

同时，由于设备上的主接触器功率大，其线圈吸合瞬间电流大，而PLC的输出节点额定工作电流为2A，如果直接驱动主接触，势必造成烧毁节点等不安全因素，为此我们在输出节点上加接了一个中间驱动继电器。

4.1PLC输入输出I/O分配

PLC和工控机目前的技术发展水平以大大超过其出现时技术水平，并各自定位在不同的层面。

PLC适合低成本自动化项目和作为大型DOS系统的I/O站，工控机在中规模小范围自动化工程中有很好的性能价格比。

同时，PLC和工控机在其技术发展的历程中，为了适合工业现场应用的需要和用户二次开发的需要，都积极地发展高可靠性、网络化和高性能的用户开发软件方面的技术性能。

下面对本系统采用的FP0PLC的输入输出口进行介绍如图13所示。

4.1.1输入口

输入节点一共10个节点：

KMI，KM2，KM3，KM4为1#，2#调速电机分别在调速和工频运行下所对应的接触器，KM5为备用空压机的主接触器。

PLC通过输入的接触器节点信号，可以判定2台空压机目前的运行情况，再综合PLC的输出指令，就可以判定目