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1、 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：可编程控制器在空压机变频改造中的应用研究学习中心： 江苏南通奥鹏 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2009年春季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 2011年3月2日 内容摘要空压机是一种用来压缩气体提高气体压力的机械，广泛地应用在采矿、冶金、机械制造、石油化工以及国防工业中。而空压机生产压缩空气的过程是重要耗能环节之一，同时，空压机的加、卸载工作方式会产生很多缺陷。相关资料表明：使用变频调速技术能很好地克服上述缺点。而对空压机进行变频改造，控制系统的稳定性和有效性非常重要。本文通过实践介绍了
2、基于PLC的空压机变频改造系统设计、基本工作原理和主要实现形式，为实现空压机变频改造的稳定性和有效性提供了可行的解决办法。关键词：空压机；PLC；变频改造目 录内容摘要I引 言11 PLC的结构、工作原理及系统设计31.1 PLC的结构31.2 PLC的主要组成部分41.3 PLC的工作原理51.4 循环扫描技术51.5 PLC的编程工具61.6 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤61.7 PLC控制系统发展趋势72 变频调速技术概述92.1 变频调速原理92.2 变频调速的主要功能92.3 变频器的选取102.3.1 变频器的发展概况和过程102.3.2 变频器的控制方式102.3.3 变
3、频器的选取原则103 基于PLC的空压机变频改造设计123.1 车间空压机运营情况简介123.2 螺杆空压机变频控制系统设计123.2.1 系统构成123.2.2 基本工作原理133.2.3 智能PID控制器设计133.3 变速驱动空压机能效特点154 空压机变频改造实现174.1 硬件选择174.2 电气原理图的绘制174.3 可编程控制器程序的编写184.4 系统改造中应注意的问题204.5 节能效果分析215 结论22参考文献23引 言压缩空气是工业上常用的能源介质之一，是用以驱动风镐、风钻等风动机械的原动力，其最大的优点是能够利用取之不尽、用之不竭的自由空气。与电力相比，它具有以下特点
4、：不产生火花；不怕超负荷；无触电危险；在湿度大、温度高、灰尘多的环境中能很好的工作1。空气压缩机(简称空压机)是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。随着生产技术的不断发展，压缩机的种类和结构型式也日益增多。目前不但广泛地应用在采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化工、制冷与气体分离工程以及国防工业中。而且医疗、纺织、食品、农业、交通等部门，对压缩机的需要也在不断地增加。而空压机生产压缩空气的过程是工业生产中的重要耗能环节之一。空压机在很多工矿企业中是不可缺少的设备。同时，配套电动机容量的设计裕量一般偏大，且往往是常年连续运行，系统能源浪费巨大，运行成本高。因此，空压机的节能潜力
5、很大。空压机(螺杆式)传统工作方式为进气阀开、关控制方式。即压力达到上限(emax)时关阀，压缩机进入轻载运行；压力达到下限(Pmin)时开阀，压缩机进入满载运行。压缩机这种加、 卸载方式，使得压缩气体的压力在Pmin-Pmax之间来回变化。这里，Pmin为能够保证用户正常工作的最低压力值，Pmax为设定的最高压力值。一般情况下，Pmax为(1.1125)Pmin。空压机这种加、卸载工作方式，优点是控制方式简单，成本较低，但会造成如下负面效果2：空载运行浪费很多能量。压缩空气压力超过Pmin时，压缩机还要使其压力继续上升到Pmax才关阀，这一过程需要电源提供空压机能量；当P=Pmax时，关闭进
6、气阀，空压机不再压缩气体做功，但空压机的主电机还在运转，此时能耗约占空压机满载运行的3070，属非经济运行，电能浪费严重。主电机虽然以星三角降压起动，但起动时的电流仍然很大，大约是额定电流的57倍，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以对设备的维护量大。减压阀减压能量浪费。气动元件的额定气压在Pmin左右。高于Pmin的气体在进入气动元件之前，要经过减压至接近Pmin值，同样是一个耗能过程。空压机电动机容量的浪费。设计者考虑空压机满载运行的可能，空压机电动机容量按最大需要选择，但实际运行中，轻载运行时间所占比例是非常高的，造成很大能量浪费。
7、靠机械方式频繁地调节阀动作，加速了调节阀的磨损，缩短寿命，增加维护工作量，加大成本。经查阅资料，使用变频调速技术能很好地克服上述的缺点。而对空压机进行变频改造，整体控制系统的稳定度和有效性非常的重要。而基于可编程序控制器(PLC)对空压机进行变频改造可以很好的提高整个系统的稳定性和有效性，是空压机改造的一个未来发展方向之一3。本文基于可编程控制器对空压机变频改造进行了研究、实践，希望本文的研究可以提高我国空压机的应用精度，降低使用能耗。1 PLC的结构、工作原理及系统设计1.1 PLC的结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基
8、本结构分为整体式和模块式结构两类4。整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。其基本结构框图如图1.1所示。电源中央处理器（CPU）输入/输出单元存储器系统总线编程器图1.1 整体式结构模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。模块式
9、的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。基本结构框图如图1.2所示，设计采用的是模块式结构。 机 架编程器现场设备其他PLC或上位机电源模块CPU模块通信模块输入模块输出模块特殊功能模块图1.2 模块式结构1.2 PLC的主要组成部分（1）中央处理器中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、调用系统程序对
10、用户程序进行编辑或编译并把相应的操作数转存到内存中去、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。（2）存储器根据存储器存储内容的不同，把存储器分为：系统程序存储器：用来存放系统程序的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。用户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。（3）输入/输出（I/O）单元输入/输出（I/O
11、）单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。（4）电源部分不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。（5）通信端口PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。（6）编程器几乎每个PLC厂家都有自己的编程器。用户通过编程器来编写控制程序，
12、并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。（7）特殊功能单元主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/0模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。1.3 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是
13、说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。 1.4 循环扫描技术PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程如图1.3所示。程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段图1.3 循环扫描在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。1.5 PLC的编程工具PLC的编程主要是通过编程器或用PLC公司提供的编程软件来完成。每个PLC公司都有自己的编程器，一般它比较小，而且比较轻，适合在现场使用。但是它只能使用
