中央负压抽吸系统变频控制设计工艺图及plc程序设计毕业论文设计.docx

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中央负压抽吸系统变频控制设计工艺图及plc程序设计毕业论文设计

TONGJIZHEJIANGCOLLEGE

毕业设计（论文）

课题名称：

中央负压抽吸系统变频控制设计

副标题:

工艺图及PLC程序设计

系名称：

机械与电气信息工程系

专业：

电气工程及其自动化

日期：

2013年5月15日

中央负压抽吸系统变频控制设计

工艺图及PLC程序设计

09电气工程及其自动化某某某学号

指导老师某某某

【摘要】随着现代口腔医学的不断发展，医生和患者对牙科设备的要求越来越高。

一套良好的牙科设备，不仅可以使医生能快速准确的治愈病人，还能使患者在治疗过程中感到舒适和安全。

本次设计运用PLC及变频器对YJF-60负压抽吸系统进行控制。

利用PLC进行控制具有可靠性高，抗干扰性强，使用方便等优点，使得系统的设计、安装、调试等工作量大大减少。

利用变频器进行控制可以使电机调速更加节能，减少无功功率，还能达到软启动的目的。

该负压抽吸系统可以及时有效的抽吸患者口腔内污染物的同时，又能保证不损伤患者的口腔；可以保证治疗区域良好的可视度；从患者口内吸出的带菌气雾，液体和混合物，经由管道进入机组的分离装置中，在诊室外进行集中分离过滤，这样既减少了清理的工作量，又避免在诊室内造成二次污染。

【关键词】牙科设备PLC变频器污染物负压抽吸系统

Centralvacuumsuctionsystemfrequencycontroldesign

ProcessdiagramandPLCprogramming

ElectricalEngineeringandAutomationjiangyangyang091026

Adviserganweiqin

【Abstract】

Withthecontinuousdevelopmentofmodernoralmedicine,doctorsandpatientshavebecomeincreasinglydemandingofdentalequipment.Agoodsetofdentalequipment,notonlyallowsthedoctortocurethepatientquicklyandaccurately,butalsotomakethepatientfeelcomfortableandsafeinthetreatmentprocess.

ThedesignofthePLCandinvertercontrolvacuumsuctionsystem.PLCcontrolwithhighreliability,stronganti-interference,easeofuse,makingthesystemdesign,installation,commissioning,greatlyreducingtheworkload.Invertercontrolallowsthemotorspeedismoreenergyefficient,reducereactivepower,butalsoachievethepurposeofthesoft-start.

Thevacuumsuctionsystempollutantsinatimelyandeffectivesuctionthepatient'smouthatthesametime,butalsoensuresthatnodamagetothepatient'smouth;ensuregoodvisibilityofthetreatmentarea;thecontaminatedaerosolsuckedoutfromthepatient'smouth,liquidandmixtureintothepipetheunitseparationdevice,tocentralizedseparationfilteroutsidetheclinic,sonotonlyreducestheworkloadoftheclean-up,avoidtocausesecondarypollutionintheconsultingroom.

【Keywords】dentalequipmentPLCinvertercontrolpollutantvacuumsuctionsystem

1.绪论

1.1背景及意义

在口腔医学不断发展的今天,医生对牙科设备的要求越来越高,不仅病人在治疗中坐着要舒适,医生更要准确快速地治愈病人,并且在治疗过程中注意自我防护。

当牙医在治疗过程中，从患者口中喷出带有细菌，病毒，真菌等大量雾化状态的带菌气流（见图1.1-1），这些带菌气流直接喷射到牙医的面部，并扩散到整个口腔诊室，污染了诊室环境；据资料统计，牙医是所有执业医师中最容易受到感染的人群；

图1.1-1带菌气流图图1.1-2抽吸效果图

患者在接受治疗的过程中，需要清洁水来清洗创面，而涡轮手机需要水来冷却，这样就不可避免的有大量的水进入口中，必将刺激患者的神经，造成吞咽反应，如不能进行持续而有效地排出，会中断治疗，影响治疗效果；

传统的牙科治疗机的负压采用“射流”原理，利用压缩空气或水在主管道内大量排放，使得附属管道内产生真空而形成的负压来抽吸患者口内的液体。

若采用压缩空气做动力，将造成压缩机的连续运转，降低压缩机的使用寿命。

而本课题设计的YJF-60负压抽吸设备抽吸量持久，抽吸力度适中，在及时有效的抽吸患者口腔内污染物的同时，又能保证不损伤患者的口腔；能及时有效的从患者口内吸出的带菌气雾，液体和混合物（见图1.1-2），经由管道进入机组的分离装置中，进行集中分离过滤，这样保证了治疗区域良好的可视度，使牙医在治疗过程中持续工作，无需中断，而且使牙医，护士和病人远离了感染。

收集到的混合气体通过气液分离罐处理后排放到下水道中。

而且在设计中增加变频系统，根据工作台的使用量及时调节设备工作频率，根据工作台负压力的大小及时调节气泵的工作台数，具有节约能源，降低成本的优点。

1.2课题设计的主要内容和主要方法

本课题设计主要对YJF-60负压抽吸系统的工作过程进行设计分析。

该负压抽吸系统的基本结构主要包括两个部分：

气路部分和电气控制部分。

本课题设计采用可编程控制器PLC和变频器对YJF-60负压抽吸系统工作过程进行控制。

气路部分包括三台380V50Hz4.3KW的三相漩涡式气泵组成的负压抽吸动力源、气液分离罐、一台380V50Hz1.1KW排水泵将气液分离罐的废水排出、一只220V50Hz清冼用进水电磁阀、一只220V50Hz卸荷用电磁阀、气路管道、安装支架等。

电气控制部分主要包括三台380V50Hz，4.3KW的三相漩涡式气泵、一台380V50Hz，1.1KW排水泵、一只220V50Hz清冼用进水电磁阀、一只220V50Hz卸荷用电磁阀、可编程控制器、压力传感器、压力显示控制器、电气控制板、变频器、电器箱等。

YJF-60负压抽吸系统的设计主要包括四个板块的设计：

抽吸气泵的控制设计，废水泵的控制设计，清冼进水电磁阀的控制设计和卸荷电磁阀的控制设计。

根据各个板块的设计要求，利用CAD软件作出YJF-60负压抽吸系统电气原理图主电路图，电气原理图控制电路图。

根据电气原理图，规范选择合适的电器元器件，利用CAD软件作出电器工艺图。

根据YJF-60负压抽吸系统电气原理图及电器工艺图，根据负压系统运作的控制过程，利用三菱FX编程软件进行编程。

将完整程序导入PLC（FX1S-30MR）进行调试修改，最后对整个系统的调试结果作出分析。

图1.2-1YJF-60负压抽吸系统图

2.系统设计

2.1方案的选择

本课题设计的负压抽吸系统由三台抽吸气泵M1、M2、M3提供动力。

针对这三台抽吸气泵的工作状态，选出了二套电气控制方案供讨论：

方案一：

固定抽吸气泵M1为变频控制，其它二台抽吸气泵M2和M3按设计要求按需为固定频率工作。

方案二：

三台抽吸气泵按程序设计轮流为变频控制。

例：

在第一程序段：

第一台抽吸气泵为变频控制时，第二台及第三台抽吸气泵按设计要求按需为为固定频率工作；在第二程序段：

第二台抽吸气泵为变频控制时，第一台及第三台抽吸气泵按设计要求按需为为固定频率工作；在第三程序段：

第三台抽吸气泵为变频控制时，第一台及第二台抽吸气泵按设计要求按需为为固定频率工作。

通过不断的分析和讨论，总结出方案一具有电气控制电路简单，设计方便的优点，但是用变频控制的抽吸气泵M1的使用率大大高于其它二台抽吸气泵，可能使变频控制的抽吸气泵因使用时间长而损坏。

而方案二的优点主要是三台抽吸气泵使用率比较一致，且都采用变频控制，可以达到软启动，节能，控制准确等优点，但电气控制电路要比方案一复杂很多。

经过综合分析，决定选用方案二作为本课题设计的方案。

2.2PLC和变频器的应用

本设计采用可编程控制器（PLC）和变频器对YJF-60负压抽吸系统工作过程进行控制。

因为PLC具有以下优点：

系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；使用方便，编程简单；能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强。

变频器具有节能、降低电力线路电压波动等优点。

2.2.1PLC的原理及应用

PLC的基本结构包括CPU、存储器、输入/输出接口、编程器等（见图2.2.1-1）。

PLC采用循环扫描的工作方式。

⑴每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。

⑵输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。

只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

⑶一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

⑷元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

⑸扫描周期的长短由三条决定。

①CPU执行指令的速度,②指令本身占有的时间,③指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。

⑹由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

图2.2.1-1PLC基本结构图

PLC以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、以易与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电—接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。

当然，发展到今天，PLC的品牌多的数不胜数，如三菱PLC、施耐德PLC、犹尼康Unitronics、台达PLC、松下PLC、欧姆龙PLC、富士PLC、西门子PLC等等。

在本课题设计中，选用三菱PLC的FX1S-30MR系列，它具有完整的性能和通讯功能等扩展性。

FX1S-30MR有16个输入点和14个输出点，可以满足本设计的要求。

2.2.2变频器的原理和应用

变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”（见图2.2.2-1）。

图2.2.2-1变频器主电路示意图

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

在本课题设计中选用西门子MM430变频器。

它具有易于调试、配置灵活、节能控制等优点。

2.3电气原理图

电气原理图是用来表明设备电气的工作原理及各电器元件的作用，相互之间的关系的一种表示方式。

运用电气原理图的方法和技巧，对于分析电气线路，排除电路故障是十分有益的。

电气原理图一般由主电路、控制电路、保护、配电电路等几部分组成。

YJF-60型负压抽吸系统电气原理图包括两个部分，电气原理图主电路部分设计和电气原理图控制电路设计。

在设计过程中应该满足电气控制设计原则：

⑴最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。

⑵在满足要求的前提下,使控制系统简单,经济,合理,便于操作,维修方便,安全可靠。

⑶电器元件选用合理,正确,使系统能正常工作。

⑷为适应工艺的改进,设备能力应留有裕量。

分析YJF-60型负压抽吸系统所需要的元器件，作出电气原理图主电路部分（见图2.3-1）和电气原理图控制电路部分（见图2.3-2）。

图2.3-1系统电气原理图主电路图

图2.3-2电气原理图控制电路图

3.系统电器工艺图设计

电器工艺图是为了表达生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，便于电气系统的安装、调试、使用和维修，将电气控制系统中各电器元件及其连接线路用一定的图形表达出来。

3.1电器工艺图设计需要注意的问题

完整的电器工艺图应该包括以下内容：

⑴设计电气设备的总体配置，绘制总装配图和总接线图。

⑵绘制各组件电器元件布置图与安装接线图，标明安装方式,接线方式。

⑶编写使用维护说明书。

在设计电器工艺图过程中，需要遵循以下原则：

⑴尽量缩短连接导线的长度和导线数量，设计控制电路时，应考虑各电器元件的安装位置，尽可能地减少连接导线的数量,缩短连接导线的长度。

⑵尽量减少电器元件的品种，数量和规格，同一用途的器件尽可能选用同品牌，型号的产品，并且电器数量减少到最低限度。

⑶尽量减少电器元件触头的数目。

在控制电路中,尽量减少触头是为了提高电路运行的可靠性。

⑷尽量减少通电电器的数目，以利节能与延长电器元件寿命，减少故障。

3.2元器件的选择

在电器工艺图中，需要正确的表示元器件的规格大小，形状尺寸和接线方式，所以，在设计电器工艺图前需要对所用到的元器件进行准确的选择。

⑴PLC的选择：

合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

本课题设计的YJF-60负压抽吸系统有16个输入信号和14个输出信号，而三菱FX1S-30MR（见图3.2-1）刚好有16个输入端口和14个输出端口，电源输入为220VAC，所以选用三菱FX1S-30MR作为本次设计所要用的PLC。

它的外形尺寸是100mm×90mm。

主要参数见表3.2-1.

表3.2-1FX1S-30MR参数表

型号

FX1S-30MR

品牌

三菱

输入

16点

输出

14点

外形尺寸（mm）宽*高*深

100*90*49

电源规格

DC24V

输入规格

DC24V7mA/5mA（无电压触点、或者NPN开集电极晶体管输入）

输出规格

继电器输出

图3.2-1FX1S-30MR图

⑵变频器的选择：

变频器的选型要根据电机的实际工作电流来选择。

本课题设计的YJF-60负压抽吸系统的负载类型为风机泵类负载，三台气泵都是可以变频起动，气泵的功率为4.3KW，要求功率较大，计算气泵的Ijs来确定变频器的型号选择。

Pjs=√3Un×Ij×cosφ,Pjs=Pe×COSΦ,其中cosφ为气泵的功率因数，cosφ=0.8；COSΦ为气泵需要系数，COSΦ=0.8～0.85,取COSΦ=0.8,Pe=4.3KW,所以Pjs=4.3KW×0.8=3.44KW,所以求出Ijs=6.53A。

西门子MM430（见图3.2-2）系列的6SE6440-2CD27-5CA1型P=7.5KW，IN=19A 可以满足设计要求，它的外形尺寸是185mm×245mm×195mm。

组要参数见表3.2-2。

表3.2-2MM430主要参数表

·380V-480V±10%，三相，交流，7.5kW-250kW；

·风机和泵类变转矩负载专用；

·牢固的EMC（电磁兼容性）设计；控制信号的快速响应

·内置PID控制器；

·快速电流限制，防止运行中不应有的跳闸；

·数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；

·具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；

·采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；

·集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块；

·灵活的斜坡函数发生器，可选平滑功能；

·三组参数切换功能：

电机数据切换，命令数据切换；

图3.2-2西门子MM430变频器图

⑶空气开关的选择：

空气开关具有控制和多种保护功能于一身。

除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护。

在本课题设计中，选用了380V50Hz4.3KW的三相漩涡式气泵和380V50Hz1.1KW排水泵，需要计算Ijs来确定选用的空气开关。

求出的Ijs=6.53A。

所以决定选用施耐德的梅兰日兰C653P10A空气开关（见图3.2-3），它的外形尺寸是55mm×81mm。

主要参数见表3.2-3。

表3.2-3C65参数表

制造厂商

法国施耐德电气

脱扣曲线（C）

保护常规负载和配电线缆

额定电流

10A   16A  20A  25A  32A  40A

额定电压

（AC  V）：

230

额定电流

（A）：

6 ~  32

分断能力

（KA）：

4.5

极数

3P+N

规格

55mm×81mm

机械寿命

20，000次

接线

适用于10mm2及以下导线

图3.2-3C65空气开关图

⑷继电器选择：

应根据继电器的功能特点，适用性，使用环境，工作制，额定工作电压及额定工作电流来选择。

正确选用继电器的原则具体来讲应该是：

a继电器的主要技术性能，如触点负荷 ,动作时间参数，机械和电气寿命等,应满足整机系统的要求；b继电器的结构型式（包括安装方式）与外形尺寸应能适合使用条件的需要；c经济合理。

本课题设计中继电器用于卸荷阀和进水阀中，这些电磁阀P=160W，U=220V，MY2NJ5A220AC，所以选用欧姆龙MY2NJ继电器（见图3.2-4）可以满足设计条件。

它的外形尺寸是22.5mm×68mm。

主要参数见表3.2-4。

品牌

欧姆龙

型号

MY2NJ-DC24V

外形尺寸（mm）

21.5×21.5×36mm（L×W×H）

触点负载

5A220VAC5A24VDC

额定电流

5A

工作温度

-55℃～+70℃

阻抗

≤50mΩ

电气寿命

≥40万回

机械寿命

≥8000万回

表3.2-4欧姆龙继电器参数表

图3.2-4欧姆龙继电器图

⑸接触器选择：

根据接触器控制的负载性质来相应选择直流接触器还是交流接触器，一般场合选用电磁式接触器，对频繁操作的带交流负载的场合，可选用带直流电磁线圈的交流按触器。

接触器的选型主要需要确定种类，负载类型，主回路参数，控制回路参数辅助触点，以及电气寿命，机械寿命及工作制等多种情况综合考虑。

本课题设计中，已经算出气泵的Ijs=6.53A，选用西门子3TB40接触器（见图3.2-5），它的额定电流为9A，可以满足条件，它的外形尺寸是44mm×80mm。

主要参数见表3.2-5西门子3TB40接触器参数表。

表3.2-5西门子3TB40接触器参数表

品牌

西门子

型号

3TB40

外形尺寸

44mm×80mm

频率

50Hz

额定电压

690-1000VAC-3使用类别下额定工作电压为380V

额定电流

9A-400A

适用场合

远距离接通及分断电路之用，适用于控制交流电动机的起动、停止及反转

标准

符合IEC947，VDE0660，GB14048标准

图3.2-5西门子3TB40接触器图

⑹压力变送器的选择：

压力变送器选择三要素为确定测量介质、确定精度范围，补偿温度范围，使用温度范围、确定丈量范围和丈量方式。

本课题设计的负压抽吸系统测量介质为牙科治疗气液废物，需要的压力范围是-40～0KPa。

压力变送器SMP131的压力测量范围是0～0.7bar，1bar=100KPa，所以40KPa=0.4bar，可以满足设计要求，所以选用SMP131-S4M1F2D（见图3.2-6）。

主要参数见表3.2-6。

表3.2-6SMP131压力变送器参数表

测量范围

0～0.1bar至0～600bar

过载范围

满量程的1.5倍

精度等级

0.25%f.s.，0.5%f.s

工作电压:

12～30vdc,24vdc

输出信号

4～20ma，0～10ma，1～5vdc，0～10vdc，0～5vdc

补偿温度

0～50℃，-10～80℃

工作温度

-30～85℃

电气连接

din，航空接头

防护等级

ip65，ip67

螺纹接口

m20*1.5外螺纹，g1/2外螺纹，g1/4外螺纹

图3.2-6SMP131压力变送器图

⑺压力数显仪的选择：

根据已经确定的压力变送器的相关参数，选择合适的压力数显仪与之配合使用。

压力变送器的输出信号方式是4mA～20maADC二线制，数显仪LG8（见图3.2-7）的输入模拟信号为4mA～20maADC，符合设计要求。

主要参数见表3.2-7。

图3.2-7LG8压力数显仪图

表3.2-7LG8压力数显仪参数表

输入信号

模拟量  热电偶：

标准热电偶－B、S、K、E、J、T等

          热电阻：

标准热电阻－Pt100、Cu50、Cu100

电   流：

4-20mA、0-10mA、0-20mA等——输入阻抗≤250Ω 

电   压：

0-5V、1-5V、mV等--输入阻抗≥250KΩ

输出信号

模拟量输出    DC0-10mA（负载电阻≤750Ω）

 DC4-20mA（负载电阻≤500Ω）

DC0-5V（负载电阻≤250KΩ） 

DC1-5V（负载电阻≤250KΩ）

开关量输出   继电器控制输出－继电器ON/OFF带回差。

AC220V/3A；DC24V/6A（阻性负载）

可控硅控制输出－SCR（可控硅过零触发脉冲）输出，  光电隔离AC400V/0.5A

固态继电器输出－SSR（固态继电器控制信号）输出，光电隔离DC6~24V/30mA

通讯输出       接口方式－标准串行双向通信接口，光电隔离，RS-485、RS-232、RS-422等      波特率－300-9600bps  内部自由设定

馈电输出        DC24V，负载≤30mA

根据已经选出的元器件，列出元器件列表（见表3.2-8）。

表3.2-8主要元器件列表

序号

名称

型号

规格（mm）

备注

1

可编程控制器

PLCFX1S-30MR