制氮机在PLC中的应用

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制氮机在PLC中的应用

第一章 绪论

1.1制氮机介绍

在现在工业生产中，空压机在冶金机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等行业都有广泛的应用。传统的空压机供气控制方式大都是采用加、卸载控制方式。该控制方式虽然原理简单、操作简便，但是存在能耗大、进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用，使变频器的节能效果更为显著，它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制相对于其它调速方式(如:降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等)具有更大的优势，变频调速性能稳定、调速范围广、效率高。为此本文采用 PID技术和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造。整个工作系统的安全性和稳定性都有了很大提高，节能效果显著，实用性好。

1.2制氮机产品

氮气，占空气体积的78%，以单质的形式存在于空气之中，取之不尽，用

之不尽，是无色、无毒、无味的惰性气体。目前已被广泛应用于食品保鲜、粮食仓储、金属热处理、石油化学工业、宇航技术、玻璃工业等诸多领域。 氮主要用于合成氨，反应式为N2+3H2=2NH3( 条件为高压，高温、和催化剂。反应

为可逆反应）还是合成纤维（锦纶、腈纶），合成树脂，合成橡胶等的重要原料。 氮是一种营养元素还可以用来制作化肥。例如：碳酸氢铵NH4HCO3，氯化铵NH4Cl，硝酸铵NH4NO3等等。

1.3制氮机工艺图

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图1.1 制氮机工艺图

第二章 系统构成及工作原理

2.1 设计方案的确定

plc气动阀制氮安装(制氮机)是按照变压吸附道理，采纳高品质的碳分子筛作为吸附剂，在确定的压力下，从空气中制取氮气。颠末净化单调的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱附。由于能源学效应，氧在碳分子筛微孔中疏散速率远大于氮，在吸附未达到均衡时，氮在气相中被富集起来，构成制品氮气。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的氧气等杂质形成，实现再生。平凡在琐屑中设置两个吸附塔，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，颠末plc程序放肆器放肆气动阀的启闭，使两塔瓜代循环，以实现接续生产高品质氮气之指标。以空气为原料，颠末压缩、净化，再操纵热交流使空气液化成为液空。

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液空次要是液氧和液氮的同化物，操纵液氧和液氮的沸点分歧(在1大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃)，颠末液空的精馏，使它们分别来获得氮气。深冷空分制氮配备复杂、占地面积大，基建用度较高，配备一次性投资较多，运行资本较高，产气慢(12～24h），安装要求高、周期较长。综合配备、安装及基建诸因素，3500nm3／h以下的配备，相同规格的psa安装的投资范畴要比深冷空分安装低20％～50％。深冷空分制氮安装宜于大范畴工业制氮，而中、小范畴制氮就显得不经济。b分子筛空分制氮以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，使用变压吸附道理，操纵碳分子筛对氧和氮的筛选性吸附而使氮plc气动阀制氮机使命道理和氧分别的方式，通称psa制氮。此法是七十年月迅速成长起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它存在工艺流程复杂、主动化程度高、产气快(15～30分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范畴内按照用户需要进行调理，操作掩护便捷、运行资本较低、安装顺应性较强等特点，故在1000nm3／h以下制氮配备中颇具合作力，越来越获得中、小型氮气用户的欢迎，psa制氮已成为中、小型氮气用户的首选方式。c膜空分制氮以空气为原料，在确定压力条件下，操纵氧和氮等分歧素质的气体在膜中存在分歧的渗透速率来使氧和氮分别。和其它制氮配备相比它存在布局更为复杂、体积更小、无切换阀门、掩护量更少、产气更快(≤3分钟)、增容便捷等长处，它特别适宜于氮气纯度≤98％的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。而氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的psa制氮机相比价格要凌驾逾越15%以上。

2.2 系统构成

PSA制氧系统主要由空气压缩机、空气净化系统，空气储罐、切换阀、吸附器和氧气缓冲罐等组成。

原料空气经空压机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入空气储罐，再经过左进气阀进入左吸附塔。此时塔压力升高，压缩空气中的氮分子被沸石分子筛吸附，未被吸附的氧气则穿过吸附床层，经过出气阀进入氧气缓冲罐。这个过程称为吸附，持续时间为几十秒。吸附过程结束后，左吸附塔与右吸附塔通过均压阀连通，使两塔压力达到均衡，这个过程称之为均压，持续时间约为3~5秒。均压结束后，压缩空气又经过右进气阀，进入右吸附塔，重复上述吸附过程。同时左吸附塔中被分子筛吸附的氧气通过左排空阀解压释放至大气当中，此过程称为解吸，吸附饱和的分子筛从而得到再生。同样，左塔吸附时右塔同时也在解吸。右塔吸附结束后，同样进入均压过程，然后再切换到左塔吸附，如此循环交替，连续生产氧气。

上述基本工艺步骤都是由PLC和自动切换阀来实现自动控制。

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2.3 工作原理

PSA制氮机是根据变压吸附原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，在

一定的压力下，从空气中制取氮气。 经过纯化干燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱附。由于空气的动力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮，氧被碳分子筛优先吸附，氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的氧气等杂质，实现再生。一般在系统中设置两个吸附塔A和B，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过控制装置控制气动阀的启闭，使两塔交替循环，以实现连续生产高品质氮气之目的。

2.4 控制过程

PSA制氮系统的工艺流程图如图1所示。

图1中空气压缩机用来提供足够的气量和相对恒定的输入压力（0.75～0.8MPa）的原料气。经冷干机除水、除油、除固态粒子等净化处理后，为了能连续不断的输出恒定的氮气。系统设置A、B两个吸附塔进行交替工作，由气源系统来的纯净压缩空气，经电磁气动控制阀Y1、Y2由吸附塔A下部进入塔体。经吸附塔中碳分子筛床层吸附，并逐步向上推进。在此过程中，空气中的氧分子被吸附在碳分子筛微孔中，而氮被浓缩在气相中，由塔上部流出，经电磁气动控制阀Y6、Y8进入氮气储罐，此过程即为A塔吸附制氮。与此同时，B吸附塔中吸附的氧分子经由电磁气动控制阀Y5排空，即B塔解吸至常压。A、B两塔交替进行连续供氮。当A塔中碳分子筛对氧的吸附量将达到平衡时，则该塔立即停止吸附，此时Y1、Y4、Y5、Y8均处于关闭状态，而Y2、Y3、Y6、Y7同时处于开启状态。实行A、B两吸附塔均压，均压后即切换进入B塔吸附、A塔解吸状态。此时压缩空气经电气控制阀Y1、Y3进入B吸附塔下部，经B塔中碳分子筛床层吸附。分离出来的氮气经Y7、Y8进入氮气储罐，即B塔吸附制氮。这样A、B两塔交替吸附、解吸，即形成连续不断的向氮气储罐输送氮气。以上Y1—Y8电气控制阀的动作顺序、切换时间等全部由PLC控制，使二塔连续不断供应合格氮气。

在正常工作时自动循环过程如下：

按程序启动键→冷干机启动→延时X秒→空挂机启动→延时X秒→进入吸附A→延时X秒→均压A=B→延时X秒→吸附B延时X秒→均压B=A→延时X秒→再次进入吸附A，如此自动循环，按停止键。系统全部停止工作。 在制氮机工作过程的各个阶段。阀Y1—Y8的工作状态如表2所示：

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表2系统手动、自动操作时电磁阀工作状态表 阀号 吸附A 吸附B Y1 + + Y2 + + + Y3 + + + Y4 + Y5 + Y6 + + + Y7 + + + Y8 + + 均压A=B 均压B=A 注：①+表示该阀处于开启状态；②在均压A=B，均压B=A时要比Y?Y 滞后X秒开启;③上延时X秒均应在0-99 9秒任意设置调

控制要求有手动和自动两种工作方式，并要求在手动方式时能进行Y1—Y8阀的检查。

在手动能独立起动、停止空压机和冷干机；能显示吸附A、均压A=B、吸附B、均压B=A四个阶段Y1—Y8的开启情况；各项操作均应有指示灯显示。自动工作时，应该能按照自动工艺流程要求工作。并能在模拟工艺流程图中显示相应工作状态。同时对自动运行过程中的各延时时间均要能任意调节，并能实时显示和查询当前延时设定值。

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第三章 硬件电路设计

3.1 PLC可编程控制部分

3.1.1 PLC概述

PLC(Programmable Logic Controller)，是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1、PLC的基本概念 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1969年美国数据设备公司(DEC)研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。

2、PLC的基本结构 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，基本构成为:

a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上。

b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三

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CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

d、输入输出接口电路 1.现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2.现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。

f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。

3、3、PLC的工作原理 一. 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。

(一) 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。

(二) 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)。在扫描每一条梯形图时，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映象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。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像

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寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

(三) 输出刷新阶段 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映象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。

4、PLC内部运作方式 虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下: 步骤一“输入状态检查”:PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态(1 或0 代表开或关)，并将其状态写入内存中对应之位置Xn。 步骤二“程式执行”:将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。 步骤三“输出状态更新”:将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。 5、PLC的特点 plc 具有以下鲜明的特点。 (1) 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长;也能进行连续过程的PID回 路控制;并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。 (2) 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 (3) 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。 6、PLC目前的主要品牌 美国AB，比利时ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷 创研等。

6.PLC的国内外状况 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控

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制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。 7.PLC的发展前景 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed

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Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 3.1.2 LPC选型和性能指标

根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、I/O点数、以及设置数据需要得内存大小，本文中所选用的PLC是西门子公司的产品S7-200系列，CPU的型号是CPU226。CPU226集成了24点输入和16点输出，共有40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。CPU226有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU226配有2个RS-485通信编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。 3.1.3 PLC内部分配

CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表1和表2。

表1 内部存储器使用 触摸屏PID参数设定置 触摸屏PID参数增益 触摸屏PID参数采样时间 触摸屏PID参数积分时间 触摸屏PID参数微分时间 PID反馈量（PVn） PID给定置（SPn） PID输出置（Yn） PID增益（KC） PID采样时间（T） PID积分时间（TI） PID微分时间（TD） 模拟输入压力值存储 压力下限存储 空压机组1轴承温度 空压机组1定子温度 VW10 VW12 VW14 VW16 VW18 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD128 VD132 VD180 VD184 风机组启动位 手动、自动转换 电机急停 自动空压机组1启动位 自动空压机组2启动位 手动空压机组1启动位 手动空压机组2启动位 M0．0 M0．1 M0．2 M1．0 M1．1 M1．2 M1．3 防止空压机组1频繁启动M1．4 位 防止空压机组2频繁启动M1．5 位 压力下限位 空压机组1轴温报警位 M2．0 M20．0 空压机组1轴温断电切换M20．1 位 空压机组1定温报警位 M20．2 空压机组1定温断电切换M20．3 位 空压机组2轴温报警位 M20．4 空压机组2轴温断电切换M20．5 位 10

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空压机组2轴承温度 空压机组2定子温度 手动报警 VD188 VD192 VD196 空压机组2定温报警位 M20．6 空压机组2定温断电切换M20．7 位

3.1.4 输入输出外部接线

CPU226接线规则如下：

（1）DC输入端中1M、I0.0～I1.4为第1组，2M、I1.5～I2.7为第2组组成，1M、2M分别为各级公共端。DC24V的负极接公共端1N或2M。输入开关的一端接天DC24V的正极，输入开关的另一端连接到CPU226各输入端。DC输出端中1M、1L+、Q0.0～Q0.7为第1组，2M、2L+、Q1.0～Q1.7为第2组组成。1L+、2L+分别为公共端。第1组DC24V的负极接1M端，正极接1L+端。输出负载的一端接到1M端，输出负载的另一端接到CPU226各输出端。第2组的接线与第1组相似。接继电器输出端的1L端。负载的另一端分别接到CPU226各继电器输出端子。第2组的接线与第1组相似。根据接线规则，PLC输入/输出接线和变频器接线图如图3.1所示。

表2 I/O接口分配表

输入 空压机启动 空压机停止 手动自动转换 空压机组选择 变频工频转换 SB1 I0．0 空压机组1输出 SB2 I0．1 空压机组2输出 SB3 I0．2 工频输出 SB4 I0．3 空压力下限指示灯 输出 KM1 KM2 KM3 L1 Q0．0 Q0．1 Q0．2 Q0．4 Q0．5 SB5 I0．4 空压机组1运行指示灯 L2

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报警解除按钮 SB6 I0．5 空压机组2运行指示灯 L3 Q0．6 Q0．7 空压机组1转子测速SB7 I0．6 空压机组1温度上限指L4 器输入 示灯 空压机组2转子测速SB8 I0．7 空压机组2温度上限指L5 器输入 急停 示灯 SB9 I1．0 蜂鸣器1 Speaker 压力传感器输入1 压力传感器输入2 AIW0 AIW2 急停指示灯 空压机组错选指示灯 L6 L7 Q1．0 Q1．1 Q1．2 Q1．3 Q1．4 空压机组1轴温度传感器输AIW4 入 空压机组1定温度传感器输AIW6 入 空压机组2轴温度传感器输AIW8 入 空压机组1机械故障指L8 示 空压机组2机械故障指L9 示 手动指示灯 L10 Q1．5 Q1．6 空压机组2定温度传感器输AIW10 自动指示灯 入 压力模拟量输出 L11 Q1．7 QW0 （2） DC输入继电器输出端与CPU226的DC输入DC输出的相同。继电器输出端由3组构成，其中N（-）、1L、Q0.0～Q0.3为第1组，N（-）、2L、Q0.4～Q1.0为第2组，N（-）、3L、Q1.1～Q1.7为第3组。各组的公共端为1L、2L和3L。第1组负载电源的一端N接负载的N（-）端，电源的另一L（+）。

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1L I0.0 SB1 Q0.0 I0.1 SB2 Q0.1 I0.2 Q0.2 SB3 I0.3 2L SB5 Q0.4 SB6 Q0.5 I0.5 Q0.6 SB7 I0.6 Q0.7 SB8 Q1.0 I0.7 SB9 Q1.1 I1.0 SB10 Q1.2 1M Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 3L

图3.1 PLC输入/输出和变频器接线图

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KM1 KM2 KM3 L1 L2 L3 L4 L5 Speaker L6 L7 L8 L9 L10 L1

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3.2 模数转换模块

模数转换模块分为A/D转换模块和D/A转换模块。PLC模拟量处理功能主要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到PLC中。PLC根据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。

表3 EM231性能指标

型号 6ES7231-7PD22-0XA0 模块更新时间 405ms 模块名称及描述 尺寸（mm） W×H×D 重量 功耗 +5VDC EM231模拟输入热电偶4输入 71．2×80×62 数据字格式 -32767到+32767 基本误差 0．1%FS（电压） 210g 1．8W 87mA 冷端误差 重复性 导线长度 ±1．5℃ 0．05%FS 到传感器最长100m +24VDC 输入类型 60mA 悬浮型热电偶 输入阻抗 最大输入电压 ≥1MΩ 30VDC 输入范围 TC类型（选择一种）S，输入滤波衰T，R，E，N，K，J 电压范围：+/-80mV 减 -3dbat21kHz 输入分辨率 0．1℃/0．1℉15位加符24VDC电压范20．4～号位 围 28．8VDC

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PLC模拟量扩展单元的配置及应用，PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。如用S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供气控制中。

本系统设计有6路模拟量输入和1路模拟量输出，其中有四路是温度传感器输入。所以本设计选用一块EM231热电偶模拟量输入模块，该模块完成四路温度传感器的模数字量转换功能；一块EM235模拟量输入输出模块，该模块完成两路传感器的模数转换和路数模转换功能。EM231性能指标如表3所示。

热电偶类型选择：

EM231热电偶模块是专门用于对热电 偶输出信号进行A/D转换的智能模块。它可以连接7种类型的热电偶（J，K，E，N，S，T和R），还可以用于测量0～+/-80mV范围的低电平模拟信号，所以使用EM231模拟量输入热电偶模块时，需要通过模块右下侧的设置开关进行心要的设置。对热电偶模块，其热电偶的类型通过设置开关SW1、SW2、SW3选择，如表4所示。

表4 热电偶类型选择

热电偶类型 J K T E R S N +/-80mV

SW1 0 0 0 0 1 1 1 1 15

SW2 0 0 1 1 0 0 1 1 SW3 0 1 0 1 0 1 0 1

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3.3 传感器部分

该控制系统中存在大量的模拟量信号，这些信号的输入都要通过传感器是进行模拟量采集，将采集的模拟量信号送入PLC输入模块进行模数转换，将连续的变化量（大部分为4－20mA的电流信号，0－5V或0－10V的电压信号）转换离散的数字量，存储到PLC内存里；输出是由模拟量输出模块将我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信号或者电流信号。

本系统模拟量传感器HM23Y矿井专用型压力变送器用于检测矿井的井巷气压，Pt100铂热电阻作为测量温度用的传感器用于检测风机组轴承和定子温度。要想正确的使用它们，首先了解各个传感器的性能指标。

HM23Y型压力变送器采用欧洲先进的溅射薄膜压力传感器作为敏感元件，和电子线路做成一体化结构该型号压力变送器为全不锈钢圆柱型结构，使用方便。特别适用于井田测井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。并在国内油田得到很好的应用效果。该压力变送器有高温、高压、高精度、高稳定性、抗振动、冲击、耐腐蚀全不锈钢结构、体积小、重量轻直接过程安装等特点。其性能参数如表5所示。

Pt100铂热电阻作为测量温度用的传感器，通常和显示仪表、记录仪表及控制装置配套使用，测量范围-50℃～180℃。可以用在电机的轴承和定子测温，也可以用在纺织、机械、铁路机车等有需要测量温度的场合。该温度传感器采用德国进口薄膜铂热电阻元件，产品质量达到IEC751国际标准。铂电阻的电阻值随着温度的变化而变化。温度和电阻的关系接近于线性关系，偏差极小，且电气性能稳定。耐振动、可靠性高，同时具有精确灵敏、稳定性好、产品寿命长和安装方便等优点。

Pt100铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，能够准确的测出轴承或定子的温度并将它们传给PLC模数转换电路。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。

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表5 HM23Y型压力变送器性能参数

测量范围 过载能力 压力类型 测量介质 供电电源 信号输出 综合精度 长期稳定性 使用温度范围 补偿温度范围 温度性能 零点温度系数：≤±0．02%FS/℃ 灵敏度温度系数：≤±0．02%FS/℃ 接液材料 响应时间 负载电阻 绝缘电阻 外壳防护 安全防爆 重量

0～0．5MPa～220MPa 2倍满量程压力(其中100Mpa以上过压为1．1倍) 表压或绝压 与316不锈钢兼容的气体或液体 12～36VDC(一般为24V) 4～20mA/1～5VDC/0～5VDC/0．5～4．5VDC ±0．1%FS ±0．25%FS ±0．1%FS/年 -40～+150℃ ±0．5%FS -40～+120℃ 膜片:17-4PN ≤2毫秒 连接件:1Cr18Ni9Ti ≤(U-10)/0．02Ω 100MΩ，50VDC 插头型（IP65）； 电缆型（IP67） ExiaⅡ CT5 约0．25公斤 17

河北化工医药职业技术学院毕业论文 3.4 变频器部分 本系统选用的是西门子全新一代标准变频器MicroMaster440功能强大，应用广泛。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。制氮机其基本原理图如图3.2所示： V10.5UsV3V5~UOVWM3~00.5UsV4V6V2图3.2 变频器基本原理图 变频器的选用： 变频器的选用应满足以下规则，变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的容量不低于电机的容量；变频器的电流大于电机的电流。由于本设计以空压机组 2×30kW为例，因此可选用37kW，额定电流75A的变频器。考虑到改进设计方案的可行性，调速系统的稳定性及性价比，我们采用西门子MM440，2×37kw， 额定电流为75A 的通用变频器。 该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性， 同时具备超强的过载能力， 可以控制电机从静止到平滑起动期间提供3S，有200％ 的过载能力 。 变频器参数的设置： 负载为一大惯性负载， 在停车时，为防止因惯性而产生的回馈制动使电压过高的现象， 加入制动电阻，斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式R≥2Ud／1P≥(0.3—0.5)选取。式中：U 为变频器直流侧电压，d 为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与37kW电机配套的制动电阻响和1对转速调整的要求，系统用模拟量输入作为附加给定，与固定频率设定相叠加234以满足不同型号模具特殊要求。制动电阻的热敏开关4BD22-2EAO，1.5Q，2.2kW [4]

。变频器的接线图如图3.3所示。

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～220V

压力传感器1 EM235模拟量输入输出压力传感器2 模块 QW0+ QW0- AIN- KM3 AIN1+ Q 3 4 MM440

图3.3 变频器接线图

M 3～ 3.5 监控对象空压机

空压机又叫空气压缩机(英文为：air compressor)是气源装置中的主体，它是将原动机(通常是电动机)的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机，容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理是直接压缩气体，当气体达到一定压力后排出。在本设计中根据我们的具体要求选择空气压缩机，空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。气源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定排气压力分为低压（0.7~1.0MPa）、中压（1.0~10MPa）、 高压（10~100MPa）和超高压（100MPa以上），可根据实际需求来选择。常见使用压力一般为0.7-1.25MPa。

3.6 系统的保护及故障警报的发出

本系统中，PLC所能检测到的故障有:电动机转子回路接触器发生熔焊而不能起动、电动机过载、冷却系统断水、空压机无润滑油、压缩气体温度过高。上述故障出现时，对应的空压机停止并起动处于备用状态的空压机，为了能区

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分是哪台空压机发生故障，应在对应的停车工序设置一个闪烁电路。然后把引起故障的触点与闪烁电路的输出触点相串联驱动电铃与信号灯，电铃与信号灯应安装在调度室与维修人员的值班室。

第四章 系统的软件设计

本设计系统中采用软件来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息采集，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。

4.1 系统的总体框图设计

本系统主要实现如下的控制目的：每天在不同时间段时能自动开机与关机;根据储气罐的压力自动间断地开机关机；各台空压机轮换运转，当运行中的空压机出现故障时，自动起动备用的空压机并报警通知维修人员及时维修。PLC开机时进入初始步S010，若SA设置为“自动”则进入S011，待当天开机时刻到达时，进入1、2、空压机的并行分支S013、S014。

现以1空压机为例分析，若当天的日期被3整除的余数不是1，则起动1空压机(S111) ，起动结束后(设定起动时间为90s)切换至正常运行状态(S112)。在运行过程中，若储气罐的压力超过 800 kPa 时 ，减荷阀动作，空压机空运转;当时间超过10min 时，则空压机暂时停车(S113);当压力低于755～686 kPa时，判断其他空压机是否正在起动，若有延时2min再起动1空压机，若无则直接起动1空压机。在进入步S013时，若当天的日期被3整除后的余数为1，则不起动1空压机(S016)处于备用状态 ，其间若2、3空压机发生故障且本机无故障时，则进入S111～S114 的循环中。由于共用频敏变阻器，故起动1空压机时，也要判断频敏变阻器是否空闭。在整个起动或运行期间若发生故障，都进入步S115中，停机并发出警报 ，同时起动处于备用状态的空压机。2、3空压机分别相继推迟3 min 起动 ，工作过程与1空压机相同。当停机时刻到达时，都进入S115、S212、S217步中，之后回到初始步。总体框图如图4.1所示：

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手动控制 PLC主程序

初始化

压力中断 PID运算 自动控制 报警电路 数据转换 温度状态采集

压力采集1 压力采集2

扫描结束 图4.1 系统总流程图

4.2 程序的结构及程序功能的实现

4.2.1 系统的初始化程序

系统的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能来实现PID控制的定时采样及输出控制。初始化子程序流程框图如图5。在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其主要的用途为节省大量的扫描时间加快整个程序的运行效率，提高了PID中断的精确度。上电处理的作用是CPU进行清除内部继电器，复位所有的定时器，检查I/O单元的连接。

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4.2.2 系统的主控制程序

系统的主控制程序功能最多，如空压机的切换信号的生成、空压机组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等等都在主程序中。平时及特殊时期双恒压的两个恒压值是采用数字式方式直接在程序中设定的。平时供气时系统设定为满量程的70%，特殊时期供气时系统设定为满量程的90%。本系统中的增益和时间常数为:增益 KC=0.25，采样时间Ts=0.2s，积分时间Ti=30min。其控制结构图如下图4.2所示：

图4.2 主控制程序

4-2-3 系统的中断程序

中断程序主要用于PID的相应计算，在PLC的常闭继电器SM0.0的作用下工作，它包括:设定回路输入及输出选项、设定回路参数、设定循环报警选项、为计算指定内存区域、指定初始化子程序及中断程序。程序结构图如图4.3所示：

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图4.3 压力中断子程序

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第五章 结束语

采用PLC和变频器改变电动机电源频率，达到了调节空压机转速改变空压机出口压力，比靠调节阀门的控制空压机出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。由于变量机工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，电机转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长空压机和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。空压电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成空压系统的喘振。在实际应用中，采用PLC控制恒压供气，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更大的灵活性和通用性。

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致谢

在毕业设计期间，得到了导师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我们无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。！由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正，我将悉心采纳和改进，谢谢。

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参考文献

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[23] 李国厚,杨青杰,余泽通.球磨机润滑站控制系统的设计［J］.金属矿山,2005,9

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附录：

Network 1 LD I0.2 O M0.0 AN I0.3 = M0.0 Network 2 LD I0.3 O M0.1 AN I0.2 = M0.1 Network 3 LD M0.0 O Q0.1 A I0.5 A Q0.2 AN M0.2 = Q0.0 = Q0.1 Network 4 LD M0.1 A M0.2 O Q0.2 A I0.4 AN Q0.1 = Q0.0 = Q0.2 Network 5 LD SM0.0 CALL SBR1 LD SM0.0 Network6 LD I0.2 A I0.0

AN Q0.1 = M0.5 Network7 LD SM0.1 O I0.0 O I1.1 LPS

A M0.5 S M0.0 LPP

AN M0.5 R M0.0 Network 8 LD I1.0 R M0.7 R M3.0 Network 9 LD I2.1 S Q0.4, 1 Network 10 LD I2.2 R Q0.4, 1 Network 11 LD I0.5 AN Q0.1 = Q0.0 Network 12 LD I0.4 AN Q0.0 = Q0.1 Network 13 LD I1.0 R M0.7

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AN Q0.2 = Q0.3 Network14 LD I0.7 A I0.0 AN Q0.3 = Q0.2 Network 15 LD I1.6 A I1.4 O M0.7 AN I1.7 = M0.7 Network 16

MOVB 16#F8, SMB37 MOVD +0, SMD38 MOVD +28672, SMD42 HDEF 0, 9

ATCH COUNT_EQ:INT1, 12 ENI HSC 0 LD SM0.0

MOVB 16#C0, SMB37 MOVD +0, SMD38 HSC 0 SI Q0.2, 1 LD SM0.1 = M0.0 LD M0.0 R Q0.0, 4 R Q0.5, 3 R M0.1, 6 LDN M0.0 AN I0.5 AN I0.4

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A I0.3 LPS AN T37 TON T38, 18000 LPP EU

S M0.1, 1 LDN M0.0 LD T38 O M0.1 ALD

TON T37, 50 = M1.0 LDN M0.0 A M0.1 TON T39, 50 LD T39 R M0.1, 1 LDN M0.0 AN I0.5 A I0.4 LPS AN T40 TON T41, 15000 LPP EU

S M0.2, 1 LDN M0.0 LD T41 O M0.2 ALD

TON T40, 100 = M1.1 LDN M0.0 A M0.2

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TON T42, 100 LD T42 R M0.2, 1 LDN M0.0 A I0.5 LPS AN T43 TON T44, 6000 LPP EU

S M0.3, 1 LDN M0.0 LD T44 O M0.3 ALD

TON T43, 150 = M1.2 LDN M0.0 A M0.3 TON T45, 150 LD T45 R M0.3, 1 LD SM0.0 A I0.6 S M0.4, 1 LD M0.4 = M1.3 LD SM0.0 AN I0.6 R M0.4, 1 LDN M0.0 AN I0.5 AN I0.4 AN I0.3 A Q0.1

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A Q0.0 LPS AN T46 TON T47, 18000 LPP EU

S M0.5, 1 LDN M0.0 LD T47 O M0.5 ALD

TON T46, 50 = M1.4 LDN M0.0 A M0.5 TON T48, 50 LD T48 R M0.5, 1 LD SM0.0 AN M0.0 AN I0.0 LD I1.0 O I1.1 ALD LPS AN T49 TON T50, 3000 LPP EU

S M0.6, 1 LDN M0.0 LD T50 O M0.6 ALD

TON T49, 600

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= M1.5 LDN M0.0 A M0.6 TON T51, 600 LD T51 R M0.6, 1 LDN M0.0 LD I0.7 O I0.5 O I1.3 ALD = M1.6 LDN M0.0 LD M1.0 O M1.1 O M1.2 O M1.3 O M1.4 LD I1.6 ON I1.2 = M0.6

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