PLC在装配线空压控制系统中的应用.docx
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PLC在装配线空压控制系统中的应用
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XXXXXXX大学2010届本科毕业论文（设计）届本科毕业论文（设计）
论文题目：
论文题目：
PLC在装配线空压控制系统中的应用
学生姓名：
学生姓名：
XXXX
所在院系：
所在院系：
XXXXXX
所学专业：
所学专业：
XXXXXX
导师姓名：
导师姓名：
XXXXX
完成时间：
完成时间：
2010年X月XX日
摘要
作为一种基础工业设备，空压机在制造、冶金、矿山、电力、纺织、石化等几乎所有的工业行业中都有着广泛的应用。
但是，传统的空压机由于控制方式落后、自动化程度不高，致使其工作过程中存在着运转效率低、耗电量大、成本高、需人工手动操作等诸多问题。
因此，应用现代先进的控制技术对传统的空压机控制方式进行改造具有十分重大的现实意义。
本文主要论述了基于PLC技术针对装配线空压机控制系统的改造设计方案，采用PLC并结合变频器对空压机进行自动控制改造，实现对两台空压机的自动控制。
此方案采用变频器实现对空压机“一拖多”的控制，通过PLC实现变频器的工频与变频的控制转换，以及切换变频器对某台空压机进行控制。
系统利用压力传感器采集气包出口压力，通过PLC进行A/D转换，并经过PLC内部的PID算法，送出控制信号至变频器，变频器再根据送来的信号改变供电电源的频率，来调节电机转速，确保供气压力的稳定；同时具备电机的软启动、超压软停止，当前空压机工作异常时自动切换到备用机并报警等功能。
改造后系统具有能耗低、供气压力恒定、无电流冲击、自动化程度高、无人值守等优点。
关键词：
PLC；空压机；变频器；PID调节器关键词
ThedesignofAirassemblylinebasedonPLCcontrolsystemAbstract
Asakindofbasalfacilityofindustry,theair-compressorisusedverywidely,suchasinmanufacture,metallurgy,mining,electricpower,spin,landification,andalmosteveryfieldofindustry.However,conventionalair-compressorshavesomeshortagessuchaslowefficiency,highconsumingofelectricityenergy,toomuchservicingworkandhighcost,duetounder-developedcontrolmannerandlow-gradedegreeofrobotization.Consequently,itisverypracticaltoremaketheconventionalcontrolmannerofair-compressorswithadvancedcontroltechnologyofmoderntimes.Inthisthesis,Imainlyrelateandanalyzeaprojectdesigntoremakethecontrolsystemofair-compressorsinassemblylines,realizethegoalofcontrolingtwoair-compressorsautomaticallybythePLCandtheinverter.Theschemeadoptedtheinverterinordertocarryout"multi-split"controltoair-compressors.Meanwhile,PLCimplementedtheshiftoftheinwertercontrolofair-compressors.Thesystemmadeuseofapressuresensortocollectthepressuresignalofgastank,thentransferredtheanalogquantityintodatequantitybyPLC.ThecontrolsignalwasdeliveredtoinverteraftercalculatingPIDinPLC.Finally,inaccordancewiththesignal,theinverteralteredthefrequencyofoutputvoltageinordertoadjustrevofelectromotor,tomakesuretheinvariablenessoffeed-airpressure.Thesystemalsomadesuretosoftstartelectromotors,softstopitwhenairpressuregobeyond,andreplacetheair-compressorwhichwasrunningoutofthewaywiththespareone,ringthealarmatthesametime.Aftertheprojectdesign,thesystemhavetheadvantagessuchaslowconsumingofelectricityenergy,stableairsupply,nosmallcurrentimpact,highdegreeofrobotization,unattendedmode.Keywords：
PLC;Air-compressor;Inverter;PID
目录
1前言……12设计方案的确定……13系统构成及其工作原理……23.1系统构成……23.2被控对象（空压机）简述……23.3可编程控制器（PLC）简述……43.3.1PLC基本结构……43.3.2PLC的主要特点……63.3.3PLC的工作原理……73.4控制系统的工作原理……73.4.1恒压控制……73.4.2节能控制……83.5系统工作过程……93.6系统的通信方式……93.6.1PLC与上位机的通信……93.6.2PLC与变频器的通信……103.7PID控制简述……113.8系统报警……124系统硬件设计……124.1主电路设计……124.2控制电路设计……134.3PLC选型……154.3.1PLC性能指标的确定……154.3.2CPU的I/O接口分配……174.3.3输入输出外部接线……184.3.4扩展模块选型……204.4变频器选型……244.5传感器选型……245系统的软件设计……265.1PLC编程软件……265.2系统的总体框图设计……275.3程序的结构及程序功能的实现……27
5.3.1系统的初始化程序……275.3.2系统的主控制程序……275.3.3系统的中断程序……276结论……28致谢……30参考文献……30附录（程序清单）……32
1前言
在现代工业生产中，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。
传统的空压机大都是采用星形-三角形降压启动或自耦变压器降压启动、继电器控制方式运行，此方式虽然原理简单，但是存在能耗大、供气压力不稳定、自动化程度低等诸多问题。
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、自动控制技术以及计算机技术的高速发展和应用，使PLC控制技术的工业应用日趋成熟。
本文论述的空压机控制系统是基于PLC和变频器技术的自动控制系统，目前在国内工业控制应用领域还属于比较薄弱的环节，因而发展空间巨大。
改造后系统节能效果显著，不但能使实现无级调速，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、变级调速、滑差调速、交流串级调速等）具有更大的优势。
本文通过对应用非常普遍的螺杆式空压机的控制系统改造，极大地简化了其操作过程，节省了人力，并使得整个工作系统的安全性和稳定性都有了很大的提高。
2设计方案的确定
传统的空压机的控制系统采用开环方式，一台空压机由一台电机拖动，独立进行控制，压力系统通过压力调节器进行两点式控制（上、下限控制）来控制空压机的加载与卸载。
当总管压力超过设定的上限值时，压力调节器控制空压机卸荷；当总管压力低于设定的下限值时，压力调节器则控制其加载，空压机和电动机满负荷运转[1]。
这种运行方式的缺点如下：
（1）当空压机卸荷运行时，不产生压缩空气，电机处于空载状态，其用电量为满负荷的60%左右，这部分电能被白白浪费掉；其次，空压机是大转动惯量负载，电机空载起动时所需的功率大致相当于满载运行所消耗2~3倍，时间约为5~60S，在频繁起动控制排气量时，能耗非常明显，且对电网冲击很大。
（2）压力系统采用开环控制方式，供风压力在上下限之间频繁波动，不能保证恒压供气，对机械设备造成较大的冲击，使设备的寿命缩短，设备维护量加大，增加了人力成本。
（3）空压机工作时的巨大噪音和剧烈震动会对操作人员的身体健康造成较大伤害，传统控制方式需要职守人员随时监控，空压机运行异常时需要手动调整和维护，因而自动化程度很低且不利于安全生产。
（4）空压机及其拖动电机长期全速运转时，使电动机和空压机传动部件的寿命降低，润滑油消耗也大，设备成本加大。
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针对上述问题，本设计采用PLC并结合变频器的控制方式，变频器设有压力闭环自动控制和开环控制手动调节两种控制方式（通过一个选择开关可以进行选择控制方式选择）。
正常工作时，采用压力闭环控制方式，使用压力变送器检测空压机的实际供风压力，并将其与供风压力的设定值相比较，用比较得到的差值调节空压机转速，保证空压机的供风压力恒定为设定值。
开环控制方式即按启动或停止按钮启动或停止相应的空压机，此种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。
3系统构成及其工作原理
3.1系统构成本控制系统由以下部分组成：
PLC（包括相应的控制模块以及触摸屏）、变频器、压力变送器、传感器以及所需的按钮开关、接触器、断路器等，其示意图如下所示：
压力变送器
储
电源PLC
气
变频器M1空压机1
气管道供
与
M2
空压机2
图1控制系统简图
其控制过程包括五部分：
启动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。
启动：
2台电机M1、M2如图所示，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，电机M2处于停机状态。
现场压力变送器检测气包出口压力，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，从而调节电机的转速以达到所需压力。
停止：
按下停止按钮，PIC控制所有的接触器断电，变频器停止工作。
切换：
实现M1、M2工频、变频相互切换。
报警及故障诊断：
空压机内部主要有四个需要检测的量，机体温度、储气罐压力、冷却水压力、润滑油压力。
3.2被控对象（空压机）简述被控对象（空压机）空压机是空气压缩机的简称，是气源装置中的主体，将原动机（通常是电动
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机）的机械能转换成气体压力能，是压缩空气的气压发生装置；其工作过程分为进气、压缩、排气三个阶段，循环进行。
作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化等几乎所有的工业行业中都广泛的应用。
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），可根据实际需要来选择。
常见的工作压力为0.7~1.25MPa。
空压机按结构分为螺杆式空压机（螺杆式空压机又分为单螺杆式和双螺杆式两种）、离心式空压机、活塞式空压机、滑片式空压机、涡旋式空压机和旋叶式空压机等类型。
其中，应用最为普遍的是螺杆式和活塞式。
螺杆式空压机的主要特点有：
①可靠性高，使用寿命长；②操作维护方便，可实现无人值守运转；③动力平衡性好，机器可平稳高速工作；④适应性强，具有强制输气的能力，排气量几乎不受排气压力的影响，可在较宽范围内保证较高的效率。
但造价高，不适合高压场合，排气压力一般不能超过3MPa。
活塞式空压机的主要特点有：
①流量小，气流速度较小，效率高；②压力范围广，适应从低压高超高压；③适应性强，排气压力变动较大时，排气量保持不变；④制造材料容易获得，制造精度要求不高；但是，其外形尺寸及重量较大，结构复杂，易损坏，震动大，可靠性低。
鉴于以上原因，并根据装配线的实际工况，本系统选择螺杆式空压机，确定其电机为Y160M2-2的鼠笼型交流异步电动机，功率15kW，额定电流为30A。
螺杆式空压机的基本结构如下所示：
图2螺杆式空压机结构示意图
如图所示，在其机体中平行配置着一对相互啮合的螺旋形转子。
通常把节圆外具有凸齿的转子称为阳转子或阳螺杆，把节圆内具有凹齿的转子称为阴转子。
一般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。
转子上的最后一对轴承实
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现轴向定位，并承受空压机的轴向力，转子两端的圆柱滚子轴承使转子实现径向定位，并承受空压机的径向力。
在空压机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔，一个供吸气用，称为进气口；另一个供排气用，称为排气口。
3.3可编程控制器可编程控制器（PLC）简述简述3.3.1PLC基本结构专为在工业PLC是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，现场应用而设计，它采用可编程的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计时和算术运算操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
由中央处理单元（CPU）存储器、（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。
其内部结构如图3所示：
按钮
输
CPU
输入单元出
接触器
接触器触点
存储器
元
单
电磁阀
行程开关电源部分
指示灯
编程器或其他编程单元
图3PLC内部结构
（1）中央处理单元（CPU）与通用计算机中的CPU一样，PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片，总线接口及有关电路。
作为PLC的核心，CPU的功能主要包括：
①接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入的状态或数据存入用户程序存储器中。
②诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。
③PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，并分析执行该指令。
④按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器中的内容。
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⑤根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。
⑥响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。
（2）存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，作用是存储系统程序、用户程序、逻辑变量及其它一些信息。
存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机存储器（RAM）由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态时随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定，若关掉电源，状态丢失。
此种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入、输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。
为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存5年，当电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。
只读存储器（ROM）存在两种类型，一种是不可擦除ROM，这种ROM只能写入一次，不能改写；另一种是可擦除ROM，这种ROM经过擦除以后还可以重写。
其中EPROM只能用紫外线探测内部信息，EPPROM可以用电擦除内部信息。
这两种存储器的信息可以保留10年左右。
（3）I/O模块输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。
输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。
通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排，以便于连接和监视。
I/O模块既可通过底板总线与主控模块放在一起，构成一个系统，又可通过插座用电线引出远程放置，实现远程控制和及联网。
PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。
输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，具有隔离PLC内部电路和外部执行单元以及功率放大的作用。
输出模块分为晶体管、晶闸管和继电器三种类型。
（4）接口单元接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。
扩展接口是用于扩展输入输出单元，使得PLC控制规模的配置更加灵活。
这种接口为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊I/O单元及通信适配器。
编程器接口用于编程器的连接，PLC本体上通常不带。
为了能对PLC编程及监控，PLC上专门设置有编程器接口，通过此接口可以连接各种形式的编程装置，还可以利用此接口进行通信和监控。
存储器接口是为存储器
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而设置的，用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，其内部也连接到总线上。
通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而建立的接口，其输入输出接口均采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。
（5）电源模块PLC一般都配有开关式稳压电源，用于给PLC的内部和各模块的集成电路提供工作电源。
有些PLC中的电源与CPU模块合二为一，有些是分开的。
从输入类型上分，有220V或110V的交流输入电源，也有24V的直流输入电源。
3.3.2PLC的主要特点
（1）可靠性高①所有的输入/输出接口电路均采用光电耦合器进行隔离，使工业现场的外部电路与PLC内部电路之间在电气上隔离。
②输入端采用RC滤波器，滤波时间常数一般为10~20ms，高速输入端则采用数字滤波，滤波时间常数可以用指令设定。
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对器件进行严格的筛选。
⑥具有软件自诊断功能，一旦电源或其他软硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施进行处理，防止故障扩大。
（2）编程简单易学PLC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图语言。
梯形图主要由人们熟悉的常开/常闭触点、线圈、定时器、计数器等符号组成，对于使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易为一般工程技术人员所理解和掌握。
（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制的需要，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中的CPU、直流电源、I/O模块（包括特殊功能模块）等各个部件均采用模块化设计，由机架、电缆或连接器将各模块连接起来，系统的规模和功能可以根据实际控制要求方便地进行组合。
（4）安装简单，维修方便PLC可以在各种工业环境下直接安装运行，使用时只需将现场的各种输入/输出设备与PLC相应的I/O端连接，系统便可以投入运行。
由于PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能，当PLC或外部的输入装置及执行机构发生故障时，如果是PLC本身的原因，在维修时只需更换插入式模块及其他已损坏器件即可，既方便又减少影响生产的时间。
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（5）接口模块丰富PLC除了具有CPU和存储器以外，还有丰富的I/O接口模块。
对于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），PLC都有相应的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、控制阀等）直接相连。
此外，为了适应新的工业控制要求，I/O模块也越来越丰富，如通信模块、数控模块、位置控制模块等，进一步提高了PLC的性能。
（6）系统设计与调试周期短用PLC进行系统设计时，用程序代替继电器硬接线，控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，设计和施工可同时进行，缩短了施工时间。
同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机调试，调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计、施工、调试和投运周期。
3.3.3PLC的工作原理PLC的CPU采用循环扫描的工作方式，用户程序按先后顺序存放，在没有PLC从第一条指令开始顺序执行，直到程序结束符后又返回中断或跳转指令时，到第一条指令，如此周而复始地不断循环执行程序。
有些情况下，也允许中断正在扫描运行的程序，以处理紧急任务。
PLC的扫描工作分为三个阶段：
第一阶段，采样，通过输入接口把所有输入端子的信号状态读入缓冲区，即刷新输入信号的原有状态；第二阶段，扫描用户程序，根据本周期输入信号的状态和上周期输出信号的状态，对用户程序逐条进行运算处理，将结果送到输出缓冲区；第三阶段，输出刷新，将输出缓冲区各输出点的状态通过输出接口电路全部送到PLC的输出端子。
PLC周期性的循环执行上述三个步骤，每一个循环称为一个扫描周期。
其工作流程如下图所示：
上电初始化上电初始化通信处理输入扫描第一个扫描周期程序运行输出刷新
……
第二个扫描周期
图4PLC的工作流程图
3.4控制系统的工作原理3.4.1恒压控制流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。
在供气
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系统中，储气罐中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：
若供气流量＞用气流量→储气罐气压上升若供气流量＜用气流量→储气罐气压下降若供气流量＝用气流量→储气罐气压不变所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。
系统恒压控制是通过变频调压和增减当前空压机运行的
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