基于plc的煤矿空压机控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的煤矿空压机控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

生产要求及生产过程发生变化，必须重新设计线路，重新接线安装。 不利于产品的更新换代。 还有灵活性、通用 性差；体积大；速度慢等缺点。 60 年代末期，美国汽车制造工业相当发达，要求不断更换汽车的型号。 传统的继电接触器控制系统被淘汰。 1968 年，美国最大的汽车制造商 GM 公司公开招标。 研制新的控制系统。 提出以下要求：设计周期短，更改容易，接线简单，成本低；把继电器控制和计算机技术结合起来；但编程要比计算机简单易学，操作方便 ， 系统通用性强。 1969 年，美国数字设备公司研制出世界上第一台 PLC，并在 GM 公司的汽车生产线上首次应用成功。 其后，日本、德国相继引入。 中国 1974 年研制， 1977 年成功。 (3)功能发展史：（名字的由来） 早期：顺序控制。 包括逻辑运算功能。 称 PLC（ Programmable Logic Controller） 70 年代：微处理器用于 PLC。 功能增强、数值运算、数据处理、闭环调节等，称 PC。 PLC 基本结构 PLC 主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。 其基本结构框图如图 31 所示。 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 9 图 31 plc 结构简图 PLC 基本工作原理 PLC 的 CPU 采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即 如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点 (包括其常开或常闭触点 )不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 PLC 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 扫描技术如图 32 所示。 扫描技术 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间， PLC 的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 CPU u 存储器 电源部分 输 入 单 元 输 出 单 元 编程器或其他设备 按钮 接触器 电磁阀 指示灯 行程开关 继电器触点 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 10 图 32 扫描过程 (1)输入采样阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O 映象区中的相应的单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (2)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 )。 在扫描每一组梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在 下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (3)输出刷新阶段 执行 OB100 启动时间循环监控 数据写入输出模块 读取输入模块状态 执行用户程序 执行其它程序 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 11 当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。 在此期间， CPU 按照 I/O 映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 这时，才是 PLC 的真正输出。 PLC 的 I/O 响应时间 为了增强 PLC 的抗干扰能力，提高其可靠性， PLC 的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行 控制， PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。 以上两个主要原因，使得 PLC 的 I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 所谓 I/O 响应时间指从 PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。 PLC 的主要特点 (1)高可靠性 1)所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。 2)各输入端均采用 RC 滤波器，其滤波时间常数一般为 10～ 20ms。 3)各模块均采用屏蔽措施 ，以防止辐射干扰。 4)采用性能优良的开关电源。 5)对采用的器件进行严格的筛选。 6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况， CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。 7)大型 PLC还可以采用由双 CPU构成冗余系统或有三 CPU构成表决系统 ,使可靠性更进一步提高。 (2)丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、 强电或弱电等。 有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人 机对话的接口模块。 为了组成工业局部，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 (3)采用模块化结构 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 12 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU、电源、 I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (4)编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 (5)安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。 使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。 各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 13 第四章 基于 plc 的煤矿空压机控制系统设计方案 控制系统组成 控制系统由以下部分组成：变频器、可编程控制器、电抗器、压力变送器、接触器、空气开关、电流表、 电压表、按钮、互感器等。 基于 PLC 的控制系统原理图如图 41所示。 图 41 控制系统简图 PLC 由电源、 CPU、模拟量输入、输出模块、开关量输入、输出模块等组成。 其用来实现电气部分的控制。 包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。 起动：三台电机 M1， M2， M3 如图 41所示，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 M M3处于停机状态。 现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经 PID 指令运算，得到频率信号，调节变频器的输出频率，以调节电动机的转速，达到所需压力的目的。 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。 切换：实现 M1， M2， M3 工频、变频相互切换。 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。 空压机 空压机 空压机 M1 M2 M3 压力变送器 变频器 PLC 电源 储气与供气管道 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 14 控制系统的工作原理 启动前，将变频器的机组开关置于欲工作的机组，工作方式选择置于变频位置，将 PLC 的控制开关置于运行状态，按下启动按钮，机组运行。 1 空压机变频启动，转速从零开始上 升，若达到预设的频率上限值 50Hz 时，延时一段时间后风包出口处的压力仍不能达到预设的压力值 (～ )，则由 PLC 通过控制中间继电器的通断将 1 空压机切换到工频运行，同时将 2空气压缩机切换到变频状态，变频启动 2空压机。 若 2空压机达到频率上限时，延时一段时间后仍不能满足要求，再自动将 2空压机切换到工频运行，变频启动 3空压机。 当用风量减小，若 3 台空压机同时运行时， 3 空压机变频运行而此时变频器的频率降到频率的下限值 20Hz 时，则自动停止 1空压机，若还不能满足要求，则自动停 止 2 空压机的运行。 当空压机在运行的过程中出现机体温度过高，润滑油温度过高，风包温度过高，分包压力过高及润滑油压力过高，断水等故障时，系统会发出声光报警信号，提示有关的工作人员及时地排除故障。 控制系统工作流程如图 42所示。 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 15 图 42 控制系统流程图 开始 变频器启动 频率上限是否达到 频率下限是否达到 监测参数是否正常 是否有停机信号 停机 转化为工频运行并把变频器切换到下一台空压机 当前空压机停机并把变频器复位 报警延时 Y Y N Y Y N N 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 16 该系统具有手动和自动两种运行方式： (1)手动运行方式 选择此方式时，按启动按钮空压机或停止按钮，可根据需要而分别启停各空压机。 这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。 (2)自动运行方式 在自动运行方式下开始启动运行时，首先打开冷却水阀，关闭供气阀， 1空压机变频交流接触器吸合，电机与变频器连通（启动过程如图 43）变频器输出频率从 0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈 PLC，由 PLC 经 PID 运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至 50Hz， 延时一定时间后，将 1空压机切换为工频， 2空压机变频交流接触器吸合，变频启动 2空压机，频率逐渐上升，直至供气压力达到设定压力，依次类推增加空压机。 变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变 为电信号送给 PLC 内部 PID 调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的 PID 控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率。 当压力小于设定值时，频率升为 50HZ，延时 30s 后，若测量值仍小于设定值，则变频器切换为工频运行，同时变频器启动下一台空压机，依次启动各台空压机。 当压力大于设定值时，通过 PID 调节降低频率，当频率降为 20HZ，延时 30s 后，若测量值仍大于设定值，则变频器切换到下一正在运行的空压机进行调速，同时关闭当前机。 依次关闭各台空压机。 从而使实际压力始终维持在给定压力。 另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时的大电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。 正常情况下，空气压缩机在变频器调速控制方式下工作。 变频器一旦出现故障， 煤炭生产 不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。 整个控制过程如下： 用气需求 ↑ —— 管路气压 ↓ —— 压力设定值与 反 馈值的差值 ↑ —— PID 输出 ↑ —— 变频器输出频率 ↑ —— 空压机电机转速 ↑ —— 供气流量 ↑ — — 管路气压趋于稳定。 特别注意 ：为防止电机频繁起制动和变速， 在压力容差范围内，变频器的输出频率不变。 河南理工大学成人教育 学 院 毕业设计（论文）说 明 书 17 图 43 启动过程 空压机变频调速系统原理如图 44所示。 开始 上电初始化。