基于PLC的矿井空压机控制系统设计.docx
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基于PLC的矿井空压机控制系统设计
本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于PLC的矿井空压机控制系统
设计
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摘要
本文针对空压机能耗大、噪音大、自动化程度低等缺点，介绍了基于可编程序控制器技术和变频调节技术的矿井空压机控制系统设计。
该控制系统设计以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，由压力变送器检测管网压力值，输入给变频器与给定压力比较,经变频器内部PID运算,控制电机转速的升降,调节管网压力；并通过可编程序控制器控制变频与工频的切换,实现闭环自动调节恒压变量供应压缩空气的目的。
通过对空压机控制系统的改造，大大提高了空压机运行的安全性能、节能效果和自动化水平，适应了现代矿山建设的发展要求。
关键字：
PLC，空压机，变频器
TheDesignofMinePitAirCompressorControlSystemBasedonPLC
Abstract
Concerningthedisadvantagesofaircompressor,suchasthetremendousenergyconsumed,theloudnoiseandalowdegreeofautomation,etc,thepaperintroducesthedesignofminpitaircompressorcontrolsystembasedonthePLCandthefrequencyconversionadjustmenttechnology.Thiscontrolsystemismainlycomposedofthefrequencychanger,theprogrammablelogicalcontroller.Throughthenetworkpressurevalueexaminedbythepressuretransmitterandthecomparisonsbetweentheinput-pressureandtheassign-pressure,thesystem,afterthefrequencyconversioninteriorPIDoperation,controlsfrequencyconversionorlaborfrequencythroughprogrammableforewordcontrollertorealizethegoaloftheclosedloopautomaticcontrolconstantpressurevariablesupplycompressedair.Withtheimprovementofaircompressorcontrolsystem,thesafetyofaircompressorperformance,Energy-savingandautomationlevelareenhancedtoadaptedtothemodernminedevelopment.
Keywords：
PLC，AirCompressor，Inverter
1绪论
空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。
作为基础工业装备之一，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。
空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%。
由于结构原理的原因，大部分空压机的运行控制均将空压机输出的空气压力即管路储气罐压力作为控制对象。
控制管路的空气压力在一定的范围内，即最高不超过气压管路和用气设备的安全容限（一般为0.7MPa），最低要满足用气设备的最低工作压力要求（0.4MPa）。
为满足这一要求，空压机中普遍采用两种控制方法:
（1）利用电动机频繁启动和停止来调节管路压力。
这种方法，首先设定管路压力的上、下限。
当管路压力上升达到设定上限时，电动机断电，空压机停止运行，管路压力随着现场用气和管路泄露逐渐下降。
当压力下降至设定下限时，电动机得电，空压机重新启动运行，管路压力又开始上升。
如此周而复始。
采用这种方式，管路压力不停地在压力上下限之间变化，控制简单，成本低，但电机启动频繁，对电网的干扰较大，只适用于小功率电动机的驱动。
（2）利用空压机的压力气阀控制。
当管路压力达到设定压力上限时，空压机与储气罐联接阀门关闭，空压机处于空载运行。
当管路压力下降至设定下限时，空压机与储气罐联接的气阀打开，空压机输出压缩空气，管路压力上升。
如此往复，整个运行过程电动机保持运行，避免了频繁起停，适用于大功率的电动机驱动。
目前，空压机的运行采用第二种方法控制的居多。
这种方法不考虑电动机的运行控制，对电动机只须设计其启动控制。
对于空压机中的大功率电动机的启动，一般采用两种方法，即线绕式异步电动机的转子串频敏电阻方法和鼠笼异步电动机的定子Y-△转换启动方法。
线绕式异步电动机转子串电阻的启动方式，电动机的启动转矩大，而电机的启动电流冲击仍然很大，同时转子电刷机构增加了电动机的结构复杂性。
鼠笼异步电动机定子Y-△启动，即电机启动时定子接成Y形，电机正常运转时定子接成△形，这样可以降低启动电流，但也降低了启动转矩，增加了相应的启动装置。
总之，上述传统控制方式存在的问题是明显的：
（1）管路空气压力波动较大，管路压力在设定上下限之间波动，气阀的故障率高；
（2）空压机频繁加载、卸载造成电网电压波动大，以及损耗电量大；
（3）空压机总处于高速运转状态，造成空压机的机械故障增多和空压机的机体温度升高；
（4）空压机运转噪声大，此噪声一方面由空压机高速运转产生，另一方面在空压机气阀动作时产生。
针对以上存在的问题，采用PLC[1]和变频调速技术对空气压缩机控制系统进行节能改造，该系统自动化程度高，节能效果显著，实用性好。
2PLC和变频调速技术的简介
2.1PLC控制系统特点和功能
可编程序控制器（ProgrammableLogicController:
简称PLC）是一种在工业环境应用下而设计的数字运算电子系统，他将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备，具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸多优点。
随着技术的进步，其控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，成为自动化领域的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
其主要应用的技术领域有：
顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控和管理、信息网络技术等。
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中的大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制的设计方法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电接触器系统电路图的设计时间要少。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统安装和接线后，在现场的统调过程中发现问题，一般通过修改程序就可以解决，系统的调试比继电器系统容易得多。
一个空压机PLC系统由PLC系统硬件、PLC应用程序、信号采集控制外围设备等组成，有时虽然采用了最先进的可靠性最高的PLC，但由于外围设备不能匹配致使整个系统不能正常工作。
例如在空压机控制系统改造的过程中，如果信号电缆没有屏蔽接地，传入到PLC中的信号干扰严重，传来的信号没有利用的价值。
如果所有信号线屏蔽层并联并在控制室一端接地，就会收到了立竿见影的效果，信号稳定无干扰。
其实，以上问题是我们在仪表施工中很容易忽视的问题，因为现在大部分二次仪表的抗干扰能力较强，轻微干扰不易觉察，但是对于PLC这样的工控设备来说，就必须严格按照仪表和工控机布线标准去施工。
所以规范的施工布线、可靠的外围设备和周密严谨的程序逻辑是提高空压机控制系统可靠性的必要条件，提高空压机控制系统的可靠性必须从以上几点抓起。
PLC的主要功能：
（1）在线数据采集和输出；
（2）控制功能。
包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；
（3）数据处理功能。
既能进行基木数学、逻辑运算，还可通过编程实现复杂的控制算法；
（4）输入/输出信号调制功能；
（5）通信、联网功能。
可进行1：
N的远程控制、多台PLC间联网通信、外部器件与PLC的信号处理，单机之间实现程序和数据交换等；
（6）支持人机界面功能；
（7）编程、调试等。
2.2变频器技术的特点
变频器技术[2]是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。
它与传统的交流拖动系统相比，它是利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。
容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起、停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。
完善的保护功能：
变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。
这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
2.3空压机的变频调速技术原理
2.3.1螺杆空压机的工作原理
螺杆式空压机[3]的工作原理图如图1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子相对于气缸作偏心方式运转。
滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至
图1空气压缩机原理图
气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。
经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经油/气分离器进行分离之后，油气经过油冷却器冷却再经过油过滤器流回储油罐，空气经过油/气分离器后流进气冷却器（空气冷却装置）进行冷却，然后进入储气罐。
2.3.2基于管路压力控制的电动机变频控制原理
螺杆式空压机基本运行方式为加载、减载方式。
减载时电机空转，能源白白地浪费，利用变频器改变电机供电频率，来调节电机的转速，即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。
与传统的空压机运行控制管路压力的方法不同，变频控制方式是通过
图2变频压力控制原理图
图3压力变化示意图
控制电动机的运转转速来控制空压机的单位时间出风量，从而达到控制管路压力的目的。
其系统控制框图如图2所示。
其控制过程是：
通过压力设定和压力反馈的比较，得到被控量和期望值的偏差，经PID[4]调节器计算出变频器输出的控制异步电动机旋转速度的交流电频率值，由变频器输出相应频率和幅值的交流电，在异步电动机上得到相应的转速。
经空压机输出对应的压缩空气的风量至储气罐，使储气罐的压力变化，直到管路压力与设定压力相同。
其管路压力控制过程如图3所示。
3控制系统的设计
3.1空压机控制系统的控制原理
原空压机的运行方式为自藕变压器减压起动后全压运行。
其操作程序为：
按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在空载模式下启动，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，降压8S后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。
当系统压力上升到压力开关限值时，在起跳压力下，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，空压机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值后，在回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，空压机打开满载运行。
原系统工况存在以下问题：
（1）主电机虽然采用自藕变压器减压起动，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；
（2）主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费严重；
（3）主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大；
（4）主电机工频起动使设备受冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作量大。
根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，对空压机的变频改造作出如下的设计方案：
为保证一旦变频器故障时不影响生产的继续进行，采用了在保留原有工频系统的情况下，另增加变频控制系统的方案。
在变频控制方式下，调节方式采用闭环自动调节和手动控制电机转速两套控制方案。
在自动控制方式下，控制系统根据压力传感器检测到空压机出口的压力信号值，经过A/D模拟数字转换单元的信号转换后，通过可编程控制器（PLC）和变频器调整单台压缩机电机的转速，保证电机以最小的功率输出。
在精确控制压力的同时，实现电机的软启动以延长空压机的使用寿命。
在手动控制方式下，通过给电机设定高速和低速两种转速的办法实现调节电机转速：
当空压机需要工作时，让电机高速运转；当空压机不工作时，让电机在低速挡位运转。
一旦变频器及PLC发生故障时，可通过转换开关手动切换到原工频启动柜经自藕变压器降压启动后运行，以保证空压机的正常工作。
由于工业现场设备很多，变频器工作时会将高次谐波回馈至电网，为减小高次谐波对电网的影响，给变频器加装了电抗器，有效地降低了变频器对电网的污染。
同时，为保障电机绕组温升满足要求，变频器低速运转的转速不能过低，设置的低频转速为30HZ。
总之控制系统应具有以下设计要求：
（1）控制系统具有手动/自动转换、在线监控及现场调试功能；
（2）PLC运行速度要满足实时控制要求；
（3）系统要求用户能够直观了解现场设备的工作状态及空压机输出压力的变化；
（4）要求用户能够远程控制空压机的启动、停止和过热保护；
（5）用户可自行设置空压机的输出压力高低，以控制变频器的起停；
（6）变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上。
3.2控制系统结构及工作原理
3.2.1系统的结构组成
由控制系统设计要求可知该系统由可编程序控制器、变频器、执行机构和传感器等构成。
其中PLC作为控制单元，根据现场信号和系统工作状态控制两台电动机的起动和停止，控制变频器的起动和停止，变频器根据压力给定和实测压力调节输出频率，改变空压机电机转速，控制管网压力，并将变频器工作状态输出到PLC。
控制系统框图如图4所示。
图4空压机的控制系统结构图
3.2.2系统的控制原理
基于PLC的变频控制系统原理图如图5所示，该控制系统原理图由以下部分组成：
变频器、可编程控制器、变频器、压力变送器、温度传感器等。
PLC由电源、CPU、模拟量输出模块等组成。
其中采用PLC来实现电气部分的控制。
本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用日本安川616PC5变频器，系统中由FP系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。
基于FP系列PLC的编程软件，采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。
系统可直接设置变频器的参数和利用对PLC软件的设计实现电机的启动和停止和空压机保护控制。
系统主要包括五部分：
起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。
（1）起动：
以两台电机M1、M2为例，可以通过转换开关选择变频/工频启动运行；正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。
（2）停止：
按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。
（3）切换：
实现M1，M2工频、变频相互切换。
（4）报警及故障自诊断：
空压机内部一般有四个需要监测的量：
冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。
图5PLC变频控制系统示意图
该系统中PLC通过传感器，监测空压机一级、二级气缸排气温度，润滑油温度，风包的温度，一级、二级的压力及润滑油的压力，冷却水的水量，电机的过载及变频器的故障等有关的各类对象信息，采用一台变频器对一台电机进行频率的调节控制，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。
由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。
3.3PLC硬件设计
3.3.1PLC控制系统设计需采集的参数
（1）压力信号分别为1级缸、2级缸的排气压力、润滑油压力3点；
（2）温度信号为1级缸的排气温度、2级缸的排气温度共2点；
（3）继电器信号为空压机和油泵的热继电器开关共2点；
（4）开关量信号为启动、停止按钮和手动、自动切换按钮共4点；
（5）变频器的输入信号共4点；
（6）冷却水的流量信号共1点；
采集总数为3+2+2+4+4+1=16
3.3.2PLC类型和模块的选择
根据PLC系统所需要的I/O点总数在256点以下，属于小型机范围，控制系统比较简单，只需要逻辑运算等简单功能，所以PLC器件选择日本松下电工公司生产的FP-C40C型号。
它具有较大容量的I/O点：
输入为24点、输出为16点，拥有RAM的内部存储器和扩展单元，而且具有标准的RS232C串行口通信，可以方便的实现与计算机的连接实施编程、监控的操作。
同时它还具有结构紧凑，体积小巧，性能价格比高，适合于自动控制领域中应用。
输入模块选择：
N∧ISFP1-4A/D；输出模块选择：
N∧ISFP1-2D/A。
3.3.3PLC的I/O分配表
表1PLC的的I/O分配表
序号
地址
信号
名称
作用
序号
地址
信号
名称
作用
1
X1
输入
按钮
启动
16
Y1
输出
指示灯
油泵运行
2
X2
输入
按钮
手动
17
Y2
输出
接触器
KM2闭合
3
X3
输入
按钮
自动
18
Y3
输出
接触器
KM3闭合
4
X4
输入
压力传感器
一级压力
19
Y4
输出
接触器
KM4闭合
5
X5
输入
压力传感器
二级压力
20
Y5
输出
接触器
KM1闭合
6
X6
输入
压力传感器
润滑油压
21
Y6
输出
电铃
告警
7
X7
输入
温度传感器
一级温度
22
Y7
输出
指示灯
一级超压
8
X8
输入
温度传感器
二级温度
23
Y8
输出
指示灯
二级超压
9
X9
输入
热继电器
过载保护
24
Y9
输出
指示灯
断水告警
10
X10
输入
热继电器
过载保护
25
Y10
输出
指示灯
缺油、断油
11
X11
输入
流量计
水流量
26
Y11
输出
指示灯
一级超温
12
X12
输入
继电器
高频信号
27
Y12
输出
指示灯
二级超温
13
X13
输入
继电器
低频信号
28
Y13
输出
继电器
变频正转
14
X14
输入
按钮
复位
29
Y14
输出
继电器
外部故障
15
YO
输入
指示灯
电机降压
30
Y15
输出
继电器
外部复位
PLC的硬件接线图如图6所示
3.3.4压力变送器的选择
采用BPK—ZK智能型压力变送器。
这种压力变送器集测量、显示、控制一体化，安装使用方便，零位、量程可用电位器调整，模拟输出多种标准形式供用户选择，多点继电器输出接口，易于控制。
3.4空压机变频控制系统设计
3.4.1变频控制系统原理
如图7所示，变频控制系统中采用日本安川616PC5变频器组成控制电路，KM1、KM5、KM6在PLC的控制下实现工频/变频转换。
在变频器中，FS、FV，FI和FC端子是压力反馈输入端子。
其中，FS提供频率给定电源（+15V）。
在FI、
图6PLC的硬件接线图
图7变频控制电路图
FV端子，输入电压信号给定变频器输出频率，这个电压信号由分压电阻（4.7K）FV端子输入压力设定值，FI端子输入由远传压力表反馈的储气罐压力信号，构成负反馈。
在变频器中，还具有PID和自学习功能，可以根据现场的压力变化特性，自动调整PID控制参数，得到最佳控制。
S1、S3、S4和SC端子是变频器运行
控制端都发生故障时K2闭合。
S3端子接收此信号，变频器停止运行，对系统起保护作用。
变频器内部发生故障时，由MA、MC闭合给出信息。
此信息输人给PLC，PLC控制系统停止工作。
当故障排除后，PLC控制K3闭合，变频器S4端子接收信号后使变频器复位。
M1、M2输出变频器运行信号。
R、S、T输入电机运行的工频电源给变频器，U、V、W由变频器输出变频后的电源给电机。
K1、K2、K3信号由PLC系统的输出模块提供。
变频器的M1、M2、MA、MC输出信号，输入PLC的输人模块。
同时在安装变频装置时，应保留原有的工频控制设备及排气量控制设备。
在变频柜上设置工频/变频转换开关，一旦变频装置出现故障，可方便地转换到工频运行状态。
为了减少噪声对信号的影响，信号线使用屏蔽线与主回路分开布线，以提高抗干扰性。
同时将空压机故障保护触点串入变频装置控制回路.从而实现对空压机的断水、断油、超温、超压保护。
3.4.2变频器与PLC的连接
（1）运行信号的输入
变频器的输入信号包括：
运行/停止、正转/反转、微动等数字量输入信号。
变频器通常利用继电器接点或晶体管集电极开路形式与上位机连接,并得到运行信号。
如图8所示。
图8运行信号的连接方式
在使用继电器接点的场合,为了防止出现因接触不良而带来的误动作，需要使用高可靠性的控制继电器。
而当使用晶体管集电极开路形式进行连接时，也同样需要考虑晶体管本身的耐压容量和额定电流等因素，使所构成的接口电路具有一定的裕量,以达到提高系统可靠性的目的，否则会造成变频器的误动作。
如图9所示。
在设计变频器的输入信号电路时还应注意到，当输入信号电路连接不当也会产生误作。
例如当输入信号电路采用如图10所示的连接方式时，由于存在和运行电压信号并联的继电器等感性负载,继电器合分时产生的浪涌电流所带来的噪声干扰有可能引起变频器的误动作，应该尽量避免这种接法。
图9输入信号电路的正确接法
图10输入信号电路的错误接法
此外，当变频器一侧和继电器一侧存在电位差时，电源电路本身可能遭到破坏，所以也应加以注意，并采取相应的措施。
（2）接点输出信号
在变频器的工作过程中,经常需要通过继电器接点或晶体管集电极开路的形式将变频器的内部状态（运行状态）通知外部。
如图11所示。
而在连接这些送给外部的信号时,也必须考虑继电器和晶体管的允许电压、允许电流等因素。
此外,在连线时还应该考虑噪声的影响。
同时变频器跳闸后的保护触点应接至PLC的一个输入口和COM之间,这样一旦变频器发生故障，PLC将立即做出反映,使系统停止工作,还应在PLC上设置一个按钮开关,在处理完故障后用它使系统复位。
例如当主电路（AC200V）的开闭是继电器执行,而控制信号（DC12~24V）的开闭是晶体管执行时,应注意分开布线,以保证主电路一侧的噪声不传至控制电路
此外,在对带有线圈的继电器等感性负载进行开闭时,必须以和感性负载并联的方式接上浪涌吸收器或续流二极管。
如图12所示。
而在对容性负载进行
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