PLC和變頻器在離心風(fēng)機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、河南科技學(xué)院2008屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：plc和變頻器在離心風(fēng)機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用學(xué)生姓名： 張國強 所在院系： 機電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機電技術(shù)教育導(dǎo)師姓名： 劉法治 完成時間：2008年05月28日摘 要在目前的離心風(fēng)機通風(fēng)系統(tǒng)中離心風(fēng)機普遍存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成能源的大量浪費。為適應(yīng)節(jié)能降耗要求，本文應(yīng)用可編程邏輯控制器與變頻器技術(shù)對原來離心通風(fēng)系統(tǒng)進行改造，并對其控制原理、硬件選擇、軟件設(shè)計進行重點闡述。從而對傳統(tǒng)的離心風(fēng)機控制系統(tǒng)進行節(jié)能降耗改造，可以有效的解決以前通風(fēng)壓力波動大、系統(tǒng)故障率高、能源浪費嚴重等一系列問題。同時，系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，便于對系統(tǒng)

2、進行維護修理，并能通過應(yīng)用軟件對通風(fēng)系統(tǒng)進行監(jiān)控和遠距離控制。提高效率，實現(xiàn)自動控制。關(guān)鍵字：plc，變頻器，自動控制the application of frequency converter and plc in centrifugal fan control systemabstractin the current centrifugal fan ventilation system in the centrifugal fan widespread the phenomenon of the mara car, causing a lot of energy wasted. in or

3、der to meet energy saving requirements, the paper application programmable logic controller and inverter to the original centrifuge technology to transform the ventilation system and its control principle, choice of hardware, software designed to focus on. thus the traditional centrifugal fan contro

4、l system of energy saving, can be an effective solution before the ventilation pressure fluctuations, system failure rate is high and the serious waste of energy, such as a series of problems. at the same time, the system has both automatic and manual control methods, to facilitate the repair of the

5、 system for maintenance and application software through the ventilation system for monitoring and remote control. improve efficiency and achieve control.keywords: plc, frequency converter, automatically control1 緒論空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內(nèi)進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備。作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備之一，空壓機在冶金、機械制造、礦山、電力、紡織、石化、輕紡等幾乎所有的

6、工業(yè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用?？諌簷C占大型工業(yè)設(shè)備(風(fēng)機、水泵、鍋爐、空壓機等)耗電量的15%。由于結(jié)構(gòu)原理的原因，大部分空壓機的運行控制均將空壓機輸出的空氣壓力即管路儲氣罐壓力作為控制對象?？刂乒苈返目諝鈮毫υ谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，即最高不超過氣壓管路和用氣設(shè)備的安全容限(一般為0.7 mpa )，最低要滿足用氣設(shè)備的最低工作壓力要求(0.4mpa)。為滿足這一要求，空壓機中普遍采用兩種控制方法:（1）利用電動機頻繁啟動和停止來調(diào)節(jié)管路壓力。這種方法，首先設(shè)定管路壓力的上、下限。當管路壓力上升達到設(shè)定上限時，電動機斷電，空壓機停止運行，管路壓力隨著現(xiàn)場用氣和管路泄露逐漸下降。當壓力下降至設(shè)定下限時，電動機

7、得電，空壓機重新啟動運行，管路壓力又開始上升。如此周而復(fù)始。采用這種方式，管路壓力不停地在壓力上下限之間變化，控制簡單，成本低，但電機啟動頻繁，對電網(wǎng)的干擾較大，只適用于小功率電動機的驅(qū)動。（2）利用空壓機的壓力氣閥控制。當管路壓力達到設(shè)定壓力上限時，空壓機與儲氣罐聯(lián)接閥門關(guān)閉，空壓機處于空載運行。當管路壓力下降至設(shè)定下限時，空壓機與儲氣罐聯(lián)接的氣閥打開，空壓機輸出壓縮空氣，管路壓力上升。如此往復(fù)，整個運行過程電動機保持運行，避免了頻繁起停，適用于大功率的電動機驅(qū)動。目前，空壓機的運行采用第二種方法控制的居多。這種方法不考慮電動機的運行控制，對電動機只須設(shè)計其啟動控制。對于空壓機中的大功率電動

8、機的啟動，一般采用兩種方法，即線繞式異步電動機的轉(zhuǎn)子串頻敏電阻方法和鼠籠異步電動機的定子y-轉(zhuǎn)換啟動方法。線繞式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的啟動方式，電動機的啟動轉(zhuǎn)矩大，而電機的啟動電流沖擊仍然很大，同時轉(zhuǎn)子電刷機構(gòu)增加了電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。鼠籠異步電動機定子y-啟動，即電機啟動時定子接成y形，電機正常運轉(zhuǎn)時定子接成形，這樣可以降低啟動電流，但也降低了啟動轉(zhuǎn)矩，增加了相應(yīng)的啟動裝置?？傊?，上述傳統(tǒng)控制方式存在的問題是明顯的：（1）管路空氣壓力波動較大，管路壓力在設(shè)定上下限之間波動，氣閥的故障率高；（2）空壓機頻繁加載、卸載造成電網(wǎng)電壓波動大，以及損耗電量大；（3）空壓機總處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成空壓機

9、的機械故障增多和空壓機的機體溫度升高；（4）空壓機運轉(zhuǎn)噪聲大，此噪聲一方面由空壓機高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生，另一方面在空壓機氣閥動作時產(chǎn)生。針對以上存在的問題，采用plc1和變頻調(diào)速技術(shù)對空氣壓縮機控制系統(tǒng)進行節(jié)能改造，該系統(tǒng)自動化程度高，節(jié)能效果顯著，實用性好。2 plc和變頻調(diào)速技術(shù)的簡介2.1 plc控制系統(tǒng)特點和功能可編程序控制器（programmable logic controller:簡稱plc）是一種在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用下而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，他將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，成為實現(xiàn)單機、車間、工廠自動化的核心設(shè)備，具有可靠性高、抗干擾能力強、組合靈活、編程簡單、維修方便等諸

10、多優(yōu)點。隨著技術(shù)的進步，其控制功能由簡單的邏輯控制、順序控制發(fā)展為復(fù)雜的連續(xù)控制和過程控制，成為自動化領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱（plc、機器人、cad/ cam）之一。其主要應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域有：順序控制、過程控制、位置控制、生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。 plc用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中的大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。plc的梯形圖程序一般采用順序控制的設(shè)計方法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比繼電接觸器系統(tǒng)電路圖的設(shè)計時間要少。plc的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通

11、過plc上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)問題，一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試比繼電器系統(tǒng)容易得多。一個空壓機plc系統(tǒng)由plc系統(tǒng)硬件、plc應(yīng)用程序、信號采集控制外圍設(shè)備等組成，有時雖然采用了最先進的可靠性最高的plc，但由于外圍設(shè)備不能匹配致使整個系統(tǒng)不能正常工作。例如在空壓機控制系統(tǒng)改造的過程中，如果信號電纜沒有屏蔽接地，傳入到plc中的信號干擾嚴重，傳來的信號沒有利用的價值。如果所有信號線屏蔽層并聯(lián)并在控制室一端接地，就會收到了立竿見影的效果，信號穩(wěn)定無干擾。其實，以上問題是我們在儀表施工中很容易忽視的問題，因為現(xiàn)在大部分二次儀

12、表的抗干擾能力較強，輕微干擾不易覺察，但是對于plc這樣的工控設(shè)備來說，就必須嚴格按照儀表和工控機布線標準去施工。所以規(guī)范的施工布線、可靠的外圍設(shè)備和周密嚴謹?shù)某绦蜻壿嬍翘岣呖諌簷C控制系統(tǒng)可靠性的必要條件，提高空壓機控制系統(tǒng)的可靠性必須從以上幾點抓起。pl c的主要功能：（1） 在線數(shù)據(jù)采集和輸出；（2）控制功能。包括順序控制、邏輯控制、定時、計數(shù)等；（3）數(shù)據(jù)處理功能。既能進行基木數(shù)學(xué)、邏輯運算，還可通過編程實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法；（4）輸入/輸出信號調(diào)制功能；（5）通信、聯(lián)網(wǎng)功能?？蛇M行1：n的遠程控制、多臺pl c間聯(lián)網(wǎng)通信、外部器件與pl c的信號處理，單機之間實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換等；（6）

13、支持人機界面功能；（7）編程、調(diào)試等。2.2 變頻器技術(shù)的特點變頻器技術(shù)2是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，它是利用變頻器對交流電動機進行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點，如節(jié)電、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實現(xiàn)速度的精確控制。容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進行高額度的起、停運轉(zhuǎn)，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅(qū)動。完善的保護功能：變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等），并立即封鎖

14、輸出電壓。這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。2.3 空壓機的變頻調(diào)速技術(shù)原理2.3.1 螺桿空壓機的工作原理螺桿式空壓機3的工作原理圖如圖1所示，空氣經(jīng)空氣過濾器和吸氣調(diào)節(jié)閥而吸入，該調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)氣缸、轉(zhuǎn)子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉(zhuǎn)子相對于氣缸作偏心方式運轉(zhuǎn)?；惭b在轉(zhuǎn)子的槽中，并通過離心力將滑片推至圖1 空氣壓縮機原理圖氣缸壁，高效的注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)油/氣分離器進行分離之后，油氣經(jīng)過油冷卻器冷卻再經(jīng)過油

15、過濾器流回儲油罐，空氣經(jīng)過油/氣分離器后流進氣冷卻器（空氣冷卻裝置）進行冷卻，然后進入儲氣罐。2.3.2 基于管路壓力控制的電動機變頻控制原理螺桿式空壓機基本運行方式為加載、減載方式。減載時電機空轉(zhuǎn)，能源白白地浪費，利用變頻器改變電機供電頻率，來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，即通過改變電動機的轉(zhuǎn)速來控制空壓機單位時間的出風(fēng)量，從而達到控制管路的壓力，具有明顯的節(jié)能效果。與傳統(tǒng)的空壓機運行控制管路壓力的方法不同，變頻控制方式是通過 圖2 變頻壓力控制原理圖 圖3 壓力變化示意圖控制電動機的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速來控制空壓機的單位時間出風(fēng)量，從而達到控制管路壓力的目的。其系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。其控制過程是：通過壓力設(shè)定和壓

16、力反饋的比較，得到被控量和期望值的偏差，經(jīng)pid4調(diào)節(jié)器計算出變頻器輸出的控制異步電動機旋轉(zhuǎn)速度的交流電頻率值，由變頻器輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電，在異步電動機上得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)空壓機輸出對應(yīng)的壓縮空氣的風(fēng)量至儲氣罐，使儲氣罐的壓力變化，直到管路壓力與設(shè)定壓力相同。其管路壓力控制過程如圖3所示。3 控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 空壓機控制系統(tǒng)的控制原理原空壓機的運行方式為自藕變壓器減壓起動后全壓運行。其操作程序為：按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在空載模式下啟動，這時進氣閥處于關(guān)閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力，降壓8s后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。當系

17、統(tǒng)壓力上升到壓力開關(guān)限值時，在起跳壓力下，控制器使進氣閥關(guān)閉，油氣分離器放氣，空壓機空載運行，直到系統(tǒng)壓力降到壓力開關(guān)下限值后，在回跳壓力下，控制器使進氣閥打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，空壓機打開滿載運行。原系統(tǒng)工況存在以下問題：(1) 主電機雖然采用自藕變壓器減壓起動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的運行安全；(2) 主電機時?？蛰d運行，屬非經(jīng)濟運行，電能浪費嚴重；(3) 主電機工頻運行致使空壓機運行時噪音很大；(4) 主電機工頻起動使設(shè)備受沖擊大，電機軸承的磨損大，所以設(shè)備維護工作量大。根據(jù)原工況存在的問題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，對空壓機的變頻改造作出如下的設(shè)計方案：為保

18、證一旦變頻器故障時不影響生產(chǎn)的繼續(xù)進行，采用了在保留原有工頻系統(tǒng)的情況下，另增加變頻控制系統(tǒng)的方案。在變頻控制方式下，調(diào)節(jié)方式采用閉環(huán)自動調(diào)節(jié)和手動控制電機轉(zhuǎn)速兩套控制方案。在自動控制方式下，控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器檢測到空壓機出口的壓力信號值，經(jīng)過a/d模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的信號轉(zhuǎn)換后，通過可編程控制器(plc)和變頻器調(diào)整單臺壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，保證電機以最小的功率輸出。在精確控制壓力的同時，實現(xiàn)電機的軟啟動以延長空壓機的使用壽命。在手動控制方式下，通過給電機設(shè)定高速和低速兩種轉(zhuǎn)速的辦法實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速：當空壓機需要工作時，讓電機高速運轉(zhuǎn)；當空壓機不工作時，讓電機在低速擋位運轉(zhuǎn)。一旦變頻器及plc

19、發(fā)生故障時，可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)手動切換到原工頻啟動柜經(jīng)自藕變壓器降壓啟動后運行，以保證空壓機的正常工作。由于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備很多，變頻器工作時會將高次諧波回饋至電網(wǎng)，為減小高次諧波對電網(wǎng)的影響，給變頻器加裝了電抗器，有效地降低了變頻器對電網(wǎng)的污染。同時，為保障電機繞組溫升滿足要求，變頻器低速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速不能過低，設(shè)置的低頻轉(zhuǎn)速為30hz。總之控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下設(shè)計要求：（1）控制系統(tǒng)具有手動/自動轉(zhuǎn)換、在線監(jiān)控及現(xiàn)場調(diào)試功能； （2）plc運行速度要滿足實時控制要求；（3）系統(tǒng)要求用戶能夠直觀了解現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)及空壓機輸出壓力的變化；（4）要求用戶能夠遠程控制空壓機的啟動、停止和過熱保護；（5）用戶

20、可自行設(shè)置空壓機的輸出壓力高低，以控制變頻器的起停；（6）變頻器及其他設(shè)備的故障信息能夠及時反映在遠程plc上。3.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理3.2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成由控制系統(tǒng)設(shè)計要求可知該系統(tǒng)由可編程序控制器、變頻器、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器等構(gòu)成。其中plc作為控制單元，根據(jù)現(xiàn)場信號和系統(tǒng)工作狀態(tài)控制兩臺電動機的起動和停止，控制變頻器的起動和停止，變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力調(diào)節(jié)輸出頻率，改變空壓機電機轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力，并將變頻器工作狀態(tài)輸出到plc?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。圖4 空壓機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.2 系統(tǒng)的控制原理基于plc的變頻控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示，該控制系統(tǒng)原理圖由以下部

21、分組成：變頻器、可編程控制器、變頻器、壓力變送器、溫度傳感器等。plc由電源、cpu、模擬量輸出模塊等組成。其中采用plc來實現(xiàn)電氣部分的控制。本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機的啟動、運行、調(diào)速和制動的特性，采用日本安川616pc5變頻器，系統(tǒng)中由fp系列plc完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機等設(shè)備的控制任務(wù)?；趂p系列plc的編程軟件，采用模塊化的程序設(shè)計方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護。系統(tǒng)可直接設(shè)置變頻器的參數(shù)和利用對plc軟件的設(shè)計實現(xiàn)電機的啟動和停止和空壓機保護控制。系統(tǒng)主要包括五部分：起動、運行、停止、切換、報警及故障自診

22、斷。(1) 起動：以兩臺電機m1 、m2為例，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻/工頻啟動運行；正常情況，電機m1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動機m2處于停機狀態(tài)。 (2) 停止：按下停止按鈕，plc控制所有的接觸器斷開，變頻器停止工作。(3) 切換：實現(xiàn)m1，m2工頻、變頻相互切換。(4) 報警及故障自診斷：空壓機內(nèi)部一般有四個需要監(jiān)測的量：冷卻水壓力監(jiān)測、潤滑油監(jiān)測、機體溫度監(jiān)測、儲氣罐壓力監(jiān)測。圖5 plc變頻控制系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)中plc通過傳感器，監(jiān)測空壓機一級、二級氣缸排氣溫度，潤滑油溫度，風(fēng)包的溫度，一級、二級的壓力及潤滑油的壓力，冷卻水的水量，電機的過載及變頻器的故障等有關(guān)的各類對象信息，采用一臺

23、變頻器對一臺電機進行頻率的調(diào)節(jié)控制，從而控制電機轉(zhuǎn)速大小，并且向plc反饋自身的工作狀態(tài)信號，當發(fā)生故障時，能夠向plc發(fā)出報警信號。由于變頻調(diào)速是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，故在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能。3.3 plc硬件設(shè)計3.3.1 plc控制系統(tǒng)設(shè)計需采集的參數(shù)(1) 壓力信號分別為1級缸、2級缸的排氣壓力、潤滑油壓力3點； (2) 溫度信號為1級缸的排氣溫度、2級缸的排氣溫度共2點； (3) 繼電器信號為空壓機和油泵的熱繼電器開關(guān)共2點； (4) 開關(guān)量信號為啟動、停止按鈕和手動、自動切換按鈕共4點

24、；(5) 變頻器的輸入信號共4點；(6) 冷卻水的流量信號共1點；采集總數(shù)為3+2+2+4+4+1=163.3.2 plc類型和模塊的選擇根據(jù)plc系統(tǒng)所需要的i/o點總數(shù)在256點以下，屬于小型機范圍，控制系統(tǒng)比較簡單，只需要邏輯運算等簡單功能，所以plc器件選擇日本松下電工公司生產(chǎn)的fp-c40c型號。它具有較大容量的i/o點：輸入為24點、輸出為16點，擁有ram的內(nèi)部存儲器和擴展單元，而且具有標準的rs232c串行口通信，可以方便的實現(xiàn)與計算機的連接實施編程、監(jiān)控的操作。同時它還具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，性能價格比高，適合于自動控制領(lǐng)域中應(yīng)用。輸入模塊選擇：nis fp1-4a/d；輸出

25、模塊選擇：nis fp1-2d/a。3.3.3 plc的i/o分配表表1 plc的的i/o分配表序號地址信號名稱作用序號地址信號名稱作用1x1輸入按鈕啟動16y1輸出指示燈油泵運行2x2輸入按鈕手動17y2輸出接觸器km2閉合3x3輸入按鈕自動18y3輸出接觸器km3閉合4x4輸入壓力傳感器一級壓力19y4輸出接觸器km4閉合5x5輸入壓力傳感器二級壓力20y5輸出接觸器km1閉合6x6輸入壓力傳感器潤滑油壓21y6輸出電鈴告警7x7輸入溫度傳感器一級溫度22y7輸出指示燈一級超壓8x8輸入溫度傳感器二級溫度23y8輸出指示燈二級超壓9x9輸入熱繼電器過載保護24y9輸出指示燈斷水告警10x1

26、0輸入熱繼電器過載保護25y10輸出指示燈缺油、斷油11x11輸入流量計水流量26y11輸出指示燈一級超溫12x12輸入繼電器高頻信號27y12輸出指示燈二級超溫13x13輸入繼電器低頻信號28y13輸出繼電器變頻正轉(zhuǎn)14x14輸入按鈕復(fù)位29y14輸出繼電器外部故障15 yo輸入指示燈電機降壓30y15輸出繼電器外部復(fù)位plc的硬件接線圖如圖6所示3.3.4 壓力變送器的選擇采用bpkzk智能型壓力變送器。這種壓力變送器集測量、顯示、控制一體化，安裝使用方便，零位、量程可用電位器調(diào)整，模擬輸出多種標準形式供用戶選擇，多點繼電器輸出接口，易于控制。3.4 空壓機變頻控制系統(tǒng)設(shè)計3.4.1 變頻

27、控制系統(tǒng)原理如圖7所示，變頻控制系統(tǒng)中采用日本安川616pc5變頻器組成控制電路，km1、km5、km6在plc的控制下實現(xiàn)工頻/變頻轉(zhuǎn)換。在變頻器中，fs、fv，fi和fc端子是壓力反饋輸入端子。其中，fs提供頻率給定電源(+15v)。在fi、圖6 plc的硬件接線圖圖7 變頻控制電路圖fv端子，輸入電壓信號給定變頻器輸出頻率，這個電壓信號由分壓電阻(4.7k)fv端子輸入壓力設(shè)定值，fi端子輸入由遠傳壓力表反饋的儲氣罐壓力信號，構(gòu)成負反饋。在變頻器中，還具有pid和自學(xué)習(xí)功能，可以根據(jù)現(xiàn)場的壓力變化特性，自動調(diào)整pid控制參數(shù)，得到最佳控制。 s1、s3、s4和sc端子是變頻器運行控制端都

28、發(fā)生故障時k2閉合。s3端子接收此信號，變頻器停止運行，對系統(tǒng)起保護作用。變頻器內(nèi)部發(fā)生故障時，由ma、mc閉合給出信息。此信息輸人給plc，plc控制系統(tǒng)停止工作。當故障排除后，plc控制k3閉合，變頻器s4端子接收信號后使變頻器復(fù)位。m1、m2輸出變頻器運行信號。r、s、t輸入電機運行的工頻電源給變頻器，u、v、w由變頻器輸出變頻后的電源給電機。k1、k2 、k3信號由plc系統(tǒng)的輸出模塊提供。變頻器的m1、m2、ma、mc輸出信號，輸入plc的輸人模塊。同時在安裝變頻裝置時，應(yīng)保留原有的工頻控制設(shè)備及排氣量控制設(shè)備。在變頻柜上設(shè)置工頻/變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)，一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，可方便地轉(zhuǎn)換到工

29、頻運行狀態(tài)。為了減少噪聲對信號的影響，信號線使用屏蔽線與主回路分開布線，以提高抗干擾性。同時將空壓機故障保護觸點串入變頻裝置控制回路.從而實現(xiàn)對空壓機的斷水、斷油、超溫、超壓保護。3.4.2 變頻器與plc的連接（1）運行信號的輸入變頻器的輸入信號包括：運行/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、微動等數(shù)字量輸入信號。變頻器通常利用繼電器接點或晶體管集電極開路形式與上位機連接, 并得到運行信號。如圖8所示。圖8 運行信號的連接方式在使用繼電器接點的場合, 為了防止出現(xiàn)因接觸不良而帶來的誤動作，需要使用高可靠性的控制繼電器。而當使用晶體管集電極開路形式進行連接時，也同樣需要考慮晶體管本身的耐壓容量和額定電流等因素，

30、使所構(gòu)成的接口電路具有一定的裕量, 以達到提高系統(tǒng)可靠性的目的，否則會造成變頻器的誤動作。如圖9所示。在設(shè)計變頻器的輸入信號電路時還應(yīng)注意到，當輸入信號電路連接不當也會產(chǎn)生誤作。例如當輸入信號電路采用如圖10所示的連接方式時，由于存在和運行電壓信號并聯(lián)的繼電器等感性負載, 繼電器合分時產(chǎn)生的浪涌電流所帶來的噪聲干擾有可能引起變頻器的誤動作，應(yīng)該盡量避免這種接法。圖9 輸入信號電路的正確接法圖10 輸入信號電路的錯誤接法此外，當變頻器一側(cè)和繼電器一側(cè)存在電位差時，電源電路本身可能遭到破壞，所以也應(yīng)加以注意，并采取相應(yīng)的措施。（2）接點輸出信號在變頻器的工作過程中, 經(jīng)常需要通過繼電器接點或晶體管

31、集電極開路的形式將變頻器的內(nèi)部狀態(tài)(運行狀態(tài))通知外部。如圖11所示。而在連接這些送給外部的信號時, 也必須考慮繼電器和晶體管的允許電壓、允許電流等因素。此外,在連線時還應(yīng)該考慮噪聲的影響。同時變頻器跳閘后的保護觸點應(yīng)接至plc的一個輸入口和com之間, 這樣一旦變頻器發(fā)生故障，plc將立即做出反映, 使系統(tǒng)停止工作, 還應(yīng)在plc上設(shè)置一個按鈕開關(guān), 在處理完故障后用它使系統(tǒng)復(fù)位。例如當主電路（ac200 v）的開閉是繼電器執(zhí)行, 而控制信號 (dc1224 v) 的開閉是晶體管執(zhí)行時, 應(yīng)注意分開布線, 以保證主電路一側(cè)的噪聲不傳至控制電路此外, 在對帶有線圈的繼電器等感性負載進行開閉時,

32、 必須以和感性負載并聯(lián)的方式接上浪涌吸收器或續(xù)流二極管。如圖12所示。而在對容性負載進行開圖11 接點輸出信號的連接電路閉時, 則應(yīng)以串聯(lián)的方式接入限流電阻, 以保證進行開閉時的浪涌值不超過繼電器和晶體管的允許電流值。圖12 感性負載的連接3.4.3 變頻改造注意事項(1) 空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，這種負載特點是很容易引起變頻器在啟動時出現(xiàn)過流保護的情況，建議采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的無速度變頻器，保證既能實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，有可保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運行。(2) 空壓機不允許長時間在低頻下運行，工作下限不低于30hz。(3) 建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現(xiàn)頻繁調(diào)閘的情況

33、。(4) 為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行的噪音。(5) 設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常調(diào)保護程序時，不影響生產(chǎn)。4 空壓機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)控制過程plc的控制開關(guān)置于運行狀態(tài)，按下啟動按鈕，第一臺空壓機的電機m1變頻啟動，轉(zhuǎn)速從零開始上升，若變頻器輸出頻率達到某一值，風(fēng)包出口處的壓力達到預(yù)設(shè)的壓力值時，輸出頻率不再變化，空壓機的電機恒速運行；若變頻器輸出頻率達到預(yù)設(shè)的頻率上限值時，延時一段時間后風(fēng)包出口處的壓力仍不能達到預(yù)設(shè)的壓力值，自動啟動第二臺空壓機的電機m2，第一臺空壓機的電機m1變

34、頻減速運行，直至達到預(yù)設(shè)的壓力值，輸出頻率不再變化，空壓機的電機恒速運行，反之亦然。當空壓機運行的過程中出現(xiàn)一級、二級氣缸排氣溫度過高，潤滑油溫度過高，風(fēng)包的溫度過高，一級、二級壓力過高及潤滑油壓力過高，斷水等故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警信號，提示有關(guān)的工作人員及時地排除故障。4.2 自動/手動控制設(shè)計（1）手動方式：把空壓機控制屏面板上的切換開關(guān)切至“手動”位置時，空壓機處于手動控制狀態(tài)，通過plc輸出信號控制交流接觸器，從而使空壓機的電機工頻運行，達到手動啟動。（2）自動方式：把高壓空壓機控制屏面板上的切換開關(guān)切至“自動”位置時，空壓機處于自動控制狀態(tài)，通過開關(guān)量和模擬量采集工作罐的壓力；當

35、壓力達到啟動條件時，plc通過開出信號，控制變頻器啟動，空壓機的電機變頻運行，同時控制面板上的啟動燈亮；當達到系統(tǒng)停止壓力時，空壓機自動停止。4.3 系統(tǒng)的保護及故障報警的設(shè)計本系統(tǒng)中，plc所能檢測到的故障有電動機過載、冷卻系統(tǒng)斷水、空壓機無潤滑油、壓縮氣體溫度過高。當上述故障出現(xiàn)時空壓機停止并起動處于備用狀態(tài)的空壓機，為了能區(qū)分空壓機那部分發(fā)生故障，應(yīng)在對應(yīng)的故障工序設(shè)置一個閃爍電路，把引起故障的觸點與閃爍電路的輸出觸點相串聯(lián)驅(qū)動電鈴或信號燈。為了更好地保護系統(tǒng)，最好每臺電動機回路都安裝電動機綜合保護器，進行過流、斷相、漏電等保護，同時將其動作觸點輸入至plc。這樣，plc就檢測到此故障，

36、起動備用空壓機，并自動發(fā)出警報。4.4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.4.1 profibus 簡介現(xiàn)場總線集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)于一體, 是自動化領(lǐng)域的一種新的發(fā)展趨勢, 自八十年代中期以來, 在此領(lǐng)域內(nèi)世界上出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場總線, 如profibus、ff、device net、inter bus、mod bus、can、asi等。它是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場, 在控制系統(tǒng)設(shè)備單元間實現(xiàn)雙向串行、多節(jié)點、數(shù)字通訊系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)。開放式、分散性、低成本是現(xiàn)場總線最顯著的基本特征, 因而近年來得到了迅猛的發(fā)展。profibus是process field b

37、us的縮寫, 由于它是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準, 所以世界上許多自控系統(tǒng)及智能儀表產(chǎn)品廠商都為他們生產(chǎn)的設(shè)備提供了方便的profibus接口。基于上述原因，在空壓機監(jiān)控系統(tǒng)中采用了profibus-dp的現(xiàn)場總線技術(shù)。通過與plc主站的實時通訊, 取得了良好的控制效果。目前的profibus現(xiàn)場總線根據(jù)使用的場合不同具體分為三種, 即profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa。特點如下:(1) profibus-dp經(jīng)過優(yōu)化的高速、低成本通訊連接, 傳輸速率為12mbps, 通常應(yīng)用于現(xiàn)場級, 用于控制系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通訊, 它采用rs-485傳輸

38、技術(shù), 使用profibus-dp模塊可取代24v或420ma測量值的傳輸, 并具有非常短的響應(yīng)時間和抗干擾性能。(2) profibus-fms是一種車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò), 能完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通訊任務(wù), 提供較大數(shù)據(jù)量的通訊服務(wù), 它也采用rs-485傳輸技術(shù), 用于樓宇自動化、紡織工業(yè)、電氣傳動等方面, 它是一種令牌結(jié)構(gòu), 實時多主網(wǎng)絡(luò)。(3) profibus-pa專為過程自動化設(shè)計, 它采用iec1158-2傳輸技術(shù), 用于對安全性要求高的場合和由總線供電的場合。由于profibus-dp在三個兼容版本中是用于現(xiàn)場級的高速實時性通訊協(xié)議, 在通訊距離100m時, 采用屏蔽雙絞線

39、速率高達12mbps, 加之其可靠性高, 實用性強等諸多優(yōu)點, 因此廣泛的應(yīng)用控制系統(tǒng)中。如圖13所示利用現(xiàn)場總線profibus5，它可以實現(xiàn)數(shù)字和模擬輸入/輸出、智能信號裝置和過程調(diào)節(jié)裝置與可編程控制器plc和pc之間的數(shù)據(jù)傳輸，把i/o通道分散到實際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近。4.4.2 人機畫面的設(shè)計選用visual basic編寫入機接口，用戶界面友好，主要實現(xiàn)以下功能：(1) 接收下位機來的數(shù)據(jù)并處理；(2) 顯示各空壓機組的運行狀況及歷史運行記錄和備存，并進行趨勢分析；(3) 故障報警顯示，并進行故障分析；(4) 對空壓機各種參數(shù)進行設(shè)置、修改；(5) 發(fā)送各種控制命令，進行手自動切換。

40、圖13 監(jiān)控系統(tǒng)4.5 plc控制軟件設(shè)計本系統(tǒng)主要是以保護、監(jiān)控為主，根據(jù)煤礦安全規(guī)程的要求和空壓機的保護原理，其控制的軟件設(shè)計流程如圖14所示。4.6 plc控制系統(tǒng)程序圖編程軟件采用fpwin gr，它是基于windows平臺的松下電工fp系列plc的編程軟件，它可以完成程序輸入、程序的編輯、程序注釋、程序檢查、plc運行時的數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)控及測試、參數(shù)設(shè)置、程序和監(jiān)控結(jié)果的打印及文件管理等功能。為使整個控制系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，軟件系統(tǒng)可靠性配套也是必不可少的，因此我們對控制軟件進行了特別處理。(1) 對輸入信號進行濾波處理。要提高現(xiàn)場輸入給空壓機 plc控制系統(tǒng)的信號的可靠性，首先要選擇

41、可靠性高的變送器與各種開關(guān)，規(guī)范布線、具有良好的接地措施，防止各種原因引起傳送信號線短路、開路或接觸不良。其次在程序設(shè)計時增加數(shù)字濾波程序，增加輸入信號的可信性，數(shù)字濾波可采用的程序設(shè)計方法是在現(xiàn)場輸入觸點后加一定時器，定時時間根據(jù)觸點抖動情況與系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度確定，一般在幾十毫秒，這樣可保證觸點確實穩(wěn)定閉合后，才有其它響應(yīng)。模擬量濾波采用的程序設(shè)計方法是對現(xiàn)場模擬信號連續(xù)采樣3次，采樣間隔由ad轉(zhuǎn)換速度與該模擬信號變化速率決定，3次采樣的數(shù)據(jù)分別存放在三個數(shù)據(jù)字db1、dwo、db1、dw2、db1、dw4中，當最后采樣結(jié)束后，再求取三個數(shù)的平均值為本次采樣的結(jié)果存放在數(shù)據(jù)字db1、dw4

42、中。(2) 對輸出信號進行可靠性處理。對于空壓機儲氣罐卸荷控制，為了防止卸荷閥在卸荷值附近頻繁的動作, 可以采用余量控制法程序段來解決這一問題。余量控制法的原理是這樣的, 在卸荷值附近設(shè)置卸荷上限值和卸荷下限值，作為電圖14 plc 控制系統(tǒng)流程圖磁閥開啟和關(guān)閉動作的條件，儲氣罐壓力高于上限值電磁閥打開，壓力低于下限值電磁閥關(guān)閉，這樣同設(shè)置一個動作值相比，可以十分有效的防止電磁閥因壓力在動作值附近波動而引起電磁閥頻繁的吸合，并且其精度隨意調(diào)整。只要上限值與下限值相等，其效果就相當于一個動作值。改造后空壓機控制系統(tǒng)總的梯形圖見附錄。5 系統(tǒng)的調(diào)試(1) 根據(jù)電機參數(shù)及負載特性預(yù)設(shè)變頻器參數(shù)；(2

43、) plc程序及人機界面通訊調(diào)試；(3) pid調(diào)節(jié)器的整定；(4) 最小頻率的確定；(5) 智能電源切換控制器的調(diào)試； 使用plc控制智能電源切換器時，plc控制變頻器以自動調(diào)頻、調(diào)壓的方式啟動電機，當電機平穩(wěn)啟動運行后，plc向切換器發(fā)出允許合閘命令，切換器根據(jù)變頻電源和工頻電源的電壓差、頻率差、相位差數(shù)據(jù)與整定條件比較，滿足預(yù)設(shè)定值時，自動預(yù)測最佳切換時機，并以預(yù)先設(shè)置的導(dǎo)前時間t提前向plc控制的電源切換裝置發(fā)出合閘狀態(tài)輸出信號，完成合閘動作。由于智能電源切換器是開環(huán)控制，切換器發(fā)出合閘信號后，便完成了整個控制。如果plc沒有切換成功，只有重新啟動切換器，再一次進行切換。 切換器啟動時

44、，首先對工頻電源和變頻電源各自的相序進行檢測，保證 plc控制的切換裝置接線正確。如果切換器檢測出兩路電源的相序不正確，則提示重新接線。待連線正確后，切換器自動進入下一畫面。如果相序檢測正確后，則相應(yīng)的指示燈亮，并進入整定值的設(shè)定。 整定值的設(shè)定。設(shè)定plc控制的切換裝置切換時必須滿足的壓差、頻差、相位差、以及導(dǎo)前時間的要求，只有當變頻電源和工頻電源的電壓、頻率、相差滿足設(shè)定值后，才能夠進行安全可靠的切換。 切換器完成整定后，切換器顯示實時數(shù)據(jù)。有兩種顯示方式:數(shù)據(jù)顯示方式和矢量圖顯示方式。默認進入矢量圖顯示方式，可以按任意鍵改變顯示方式。傳感器顯示工頻電源與變頻電源的電壓 (以傳感器電壓標稱

45、值的百分比來表示)、頻率以及兩路電源的頻率差、相位差。當兩路電源的電壓差、頻率差滿足設(shè)定要求后，相應(yīng)的指示燈亮； 當切換器收到plc發(fā)出的允許切換信號時，切換器開始控制電源切換過程，并且允許切換指示燈亮，當工頻電源和變頻電源的相差滿足設(shè)定要求后，即發(fā)出切換狀態(tài)信號。變頻器工作穩(wěn)定后，其穩(wěn)定頻率為50.1hz，而工頻電源的頻率為50hz，故每隔10秒鐘，兩路電源的相差必有一次為0(或360度)，此時便是切換的最佳時機，由于plc控制的切換器從接收到合閘信號到完成電源切換有一定的動作時間，因此切換器要提前一段時間發(fā)出合閘信號，這段時間就是導(dǎo)前時間，可通過鍵盤方便地進行設(shè)置。6 系統(tǒng)改造調(diào)試中應(yīng)注意

46、的問題(1) 電機頻率切換 電機從變頻狀態(tài)切換到工頻時，由于可能存在相位、電壓頻率差，如果未經(jīng)檢測進行切換將出現(xiàn)短路現(xiàn)象，造成事故。因此在需要電機從變頻轉(zhuǎn)到工頻時一定要加裝智能電源切換控制器。(2) 最低頻率的設(shè)定 由于空壓機具備了變轉(zhuǎn)矩負載和恒轉(zhuǎn)矩負載的特性。因此在設(shè)定最低頻率時要充分考慮其最小起動轉(zhuǎn)矩，以免因電流長時間超過額定電流損壞電機，同時也降低了空壓機的排氣效率。(3) 電機的溫升 采用變頻調(diào)速后，電機在低速運行時，電機冷卻效果下降，可能導(dǎo)致?lián)姍C的絕緣等級下降，因此要確定是否需增加強制冷卻風(fēng)機。(4) 空壓機的潤滑 空壓機轉(zhuǎn)速越低，潤滑油的壓力就越低，影響潤滑效果。應(yīng)根據(jù)最小運行頻

47、率時的油壓情況，調(diào)整減壓閥，提升油壓。(5) 系統(tǒng)的壓力設(shè)定 在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，壓力設(shè)定越低越好。因為空壓機的排氣壓力越高，所需的電機軸功率越大，電機耗電也就越多。7 plc運行分析 （1）空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，啟動轉(zhuǎn)矩需求大，這種啟動特點很容易引起變頻器零速啟動時出現(xiàn)過流，運行時出現(xiàn)失速過壓自保護跳閘的情況，這樣就有必要在變頻器啟動時投入無速度傳感矢量13控制方式，保證零速啟動時具有100%轉(zhuǎn)矩輸出，延長給定值的加、減速時間來滿足工作要求。（2）空壓機是將輸出壓力作為控制對象的，由壓力傳感器對管網(wǎng)壓力進實時檢測，變頻器內(nèi)部的pid功能會將此信號與給定值進行比較，從而調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，進而改變空壓機電機的轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定。傳感信號采用帶屏蔽兩線制電流信號傳輸，保證信號傳輸過程中無損失和干擾，并將檢測到的信號傳送給變頻器。（3）空壓機不允許長時間低頻運行，空壓機的轉(zhuǎn)速過低會使空壓機的工作穩(wěn)定性變差，同時油壓過低使缸體的潤滑性能變差，會加快磨損。所以工作的下限頻率應(yīng)不低于30hz。（4）通過變頻器面板，可準確了解空壓機系統(tǒng)的主要運行參數(shù)，如輸出電流、輸出電壓