目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
1.1 空气压缩机的发展与现状 (1)
1.2本课题研究的目的与意义 (1)
1.3设计内容 (2)
第2章变频恒压供气系统方案的设计 (4)
2.1变频恒压供气方法的设计 (4)
2.2控制系统的工作原理 (4)
2.2.1空压机变频调速要求 (6)
2.2.2空压机切换工作过程 (6)
2.3本章小结 (7)
第3章控制系统的硬件设计 (8)
3.1 控制系统的要求及分析 (8)
3.2控制系统I/O配置 (8)
3.3 PLC系统的硬件选型设计 (9)
3.3.1 PLC的产生和发展 (9)
3.3.2 PLC的基本结构 (10)
3.3.3 PLC的基本工作原理 (10)
3.3.4 PLC的主要特点 (12)
3.3.5 PLC的选型 (13)
3.3.6 变频器的选择 (13)
3.3.7 传感器的选择 (14)
3.4 PLC电气控制系统原理图 (14)
3.4.1 主电气原理图 (14)
3.4.2 控制电气原理图 (14)
3.4.3 PLC外围控制电气接线图 (16)
3.5 本章小结 (18)
第4章控制系统软件设计 (19)
4.1软件设计分析 (19)
4.2 梯形图程序设计 (19)
4.3 系统流程图 (19)
4.4 本章小结 (19)
结论 (24)
参考文献 (25)
致谢 (27)
第1章绪论
1.1空调压缩机的发展与现状
随着微型计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术。在煤矿中甚至许多有风动机械的企业，因工作性质的需要，都离不开空气压缩机。
目前空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机,往复式压缩机,离心式压缩机,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。目前主要用的是活塞式压缩机。活塞式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命。
随着活塞式空气压缩机因为易损件多、体积大、噪声大、震动大、不稳定及存在危险性等缺点，于一九三六年在瑞典开发出第一台双螺杆式空气压缩机，因工作相对稳定、整机体积小、自动化程度高、维护量少且小、噪声也大幅度降低、震动也少到不用基础等一系列优点，于一九八六年开始引入中国并得到广大广大客户的认可。但是随着螺杆压缩机的广泛应用，随着而来的问题也都暴露出来，主要表现为：压力上不去，适合于八公斤以下，排气量也上不去，最大的机头到现在为止也只有35立方，轴承寿命短，而且需要有专用设备来调整间隙，不稳定性（体现机头会被抱死），力无法平衡，螺杆不能被平衡，噪声及震动不太令人满意，所以，大排气量的离心式空气压缩机，小排气量的滑片式压缩机，1960年在法国成功开发出单螺杆式的压缩机，极大的触动了世界人的神经，特别是当时军舰与潜艇对空压机体积小、震动低、噪声低、可现场维护、无油润滑、随时备用启动的需求，很快在美国、英国、日本也相继开发出来，这几个强国都在努力保护，只应用在军事领域，民用产品一直都被排在外围。美国人如是评价：“这是二十一世纪的战略性产品。”
中国也同样强烈渴望这种高档压缩机，于一九七六年在北京第一通用机械厂成立开发小组，但一直至一九八九年，产品仍与国外的产品有着相当大的差距，所以就停
止开发，而转为在国外寻找华人，查谦被发现并成功的安排在广东肇庆端州压缩机研究所，于一九九三年成功开发第一代产品，经过七年的实验，于2000年注册成立“正力精工”并实行批量生产，并于当年“正力精工”接受国家的创新基金开发国防用无油单螺杆空气压缩机的任务，并于2004年通过验收而转入试用阶段。并于当年成为国家火炬计划的执行单位。同年还承担独家编制“螺杆式空压机”国家标准。并被国家首推为“煤矿井下用空压机”。而且荣获中、美、英、法、日的发明专利。
现在在产品设计上，应用热力学、动力学理论，通过综合模拟预测压缩机在实际工况下的性能；强化压缩机的机电一体化，采用计算自动控制，实现优化节能运行和联机运行。各种新型工质的压缩机仍然是研究的热门，其市场会在一定滞后时间后得到发展。目前最热门的应当是CO2压缩机了，特别是跨临界循环。各种类型，包括活塞、滑片以及螺杆等的CO2压缩机均在研发与应用中。
1.2本课题研究的目的与意义
回顾工业生产过程和发展历程，在20世纪40年代前后，大多数工业生产过程均处于手工操作状态。当时人们主要凭经验由工人控制生产，生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程靠人工去执行，生产效率很低。而如今科学技术有了飞速的发展，在短短的几十年中，生产过程有了深远的变革，自动化水平也在不断进步，实现了全车间，全厂，甚至全企业无人或很少人参与操作管理，实现了过程控制的最优化与现代化的集中调度管理相结合的方式。空气压缩机是矿山生产重要的四大固定设备之一，它产生压缩空气，用以带动凿岩机、风动装岩机等设备及其他风动工具。其能否安全运行直接影响着煤矿生产的产量和效益。影响其安全生产的因素主要有空压机的超温、超压、断水、断油等。空压机是各种工厂，筑路，矿山以及建筑等行业的必备设备，主要用来提供源源不断的具有一定压力的压缩空气，例如给气动阀供气，给需要一定压力气体的工艺流程提供气源。
随着技术的发展，我国许多企业存在着严重的设备老化的问题，有大量设备面临着淘汰。而同时，在国内企业中又普遍存在着资金不足，很难进行大规模的设备更新换代。因此，如何利用现有设备，并对其进行合理的技术改造，使其发挥最大的作用，产生最大的效益，是我们所面临的一个急待解决的重要问题。随着煤矿现代化的发展，矿山企业对矿山设备的要求越来越高,建设安全性矿山已成为煤矿生产建设的核心。矿山设备不断更新，不断进步，可靠性、易操作性、可监视性、易维护性等已是最基本的要求了。用继电器组成的控制电路可靠性差、不易维护、不易监视，已不能适应当前的要求。现在迫切需要可靠性高、易维护、易操作、可监视并且价格不高的控制器
来代替继电器组成的电路。随着电子技术、软件技术、控制技术的飞速发展，可编程控制器（PLC）发展迅猛，性能很高，价格较为合理，与继电器组的控制电路比具有非常大的优势。许多矿山设备已选用了PLC来代替比较重要的控制设备。传统的保护设备主要采用分离仪表，其可靠性差、集程度低、费用高，不能有效的满足矿山设备投入的经济性和安全性的要求。
现代化的煤矿，要求空气压缩机的装置有较高的自动话水平，采用微机控制是空压机发展的必然趋势，按照《煤矿安全规程》的有关要求，空压机必须具有四保护，即超压、超温、断油、断水保护装置，煤矿迫切需要一整套较完善、灵敏可靠的检测保护装置。
空压机控制系统中PLC的引入极大地简化了空压机系统的操作，节省了人力并且提高了系统的安全性和稳定性。基于PLC和变频器的空压机控制系统使工作人员可以在计算机集控下完成各项工作，大大减轻了工人的劳动强度，极大地节省了生产中所需的人力资源，也保障了生产和系统的安全。
下面，我们以某煤矿的3台空气压缩机为例，研究空压机的变频调速恒压控制方法。
1.3 设计内容
技术路线如图1.1所示：
图1.1 技术路线图
本设计方案基于煤矿工业设计采用PLC和变频器实现对空压机组的自动控制。该方案采用变频器实现对空压机“一拖多”的控制，PLC实现变频器的工频与变频的转换控制，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，通过变送器输出4～20毫安标准信号至PLC模拟输入端口，经过PLC内部PID 算法逻辑运算，送出控制信号至变频器，变频器根据送来的信号改变输出电压的频率，来调节电机转速，以确保供气压力的恒定。本论文研究的主要问题如下：
1.变频恒压供气方案的总体设计。
2.PLC和变频器对空压机组的控制功能及要求。
3.PLC控制系统硬件设计，包括PLC、传感器和变频器的选型。
4.PLC控制系统的软件设计。包括梯形图及程序设计。
第2章变频恒压供气总体方案的设计
2.1变频恒压供气方法的设计
我们可以把罐压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID 控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。具体控制流程图如图2.1所示。
图2.1 恒压供气控制系统流程图0
由于本次设计是采用3台空气压缩机为研究对象，当所需要的压力不是很大，其中一台空压机能满足的时候就采用上述方法。当一台空压机不能满足需要就由PLC调节，在启动第2台空压机，在不能满足在启动第3台。相反的，当开启多台空压机是压力太大，按上述方法调节其中一台时，调到最小还不能达到所需要的压力，就关闭其中一台空压机，在用上述方法调节其中一台，还不能满足再关闭其中一台，直到达到需要的压力。
2.2控制系统的工作原理
控制系统工作流程如图2.2所示。
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，
图2.2 控制系统工作流程图
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(0.55～0.65MPa)，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。
2.2.1空压机变频调速的要求：
（1）空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，故采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，又可保证设备可靠稳定的运行；
（2）空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz；
（3）功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况；
（4）为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性；
（5）设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。
2.2.2空压机切换工作过程
开始时，若1#空压机变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率达到50Hz 而此时空气压力还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起的误动作）后，1#空压机切换为工频运行，同时变频器频率由50Hz下降至0Hz，2#号空压机变频起动，如气压仍不满足，则会启动3#空压机，切换过程同上；同样，若3台空压机（假设1#、2#、3#）都在运行，3#空压机变频运行降到0HZ，此时气压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#空压机停止，变频器频率从0HZ迅速上升，若此时供气压力仍处于上限值，则延时一段时间后使2#空压机机停止。这样的切换过程，有效的减少空压机的频繁启停，同时在实际管网对供气压力波动做出反应之前，由于变频器迅速调节，使气压平稳过渡，从而有效的避免了井下风动工具供气不足的情况发生。切换过程流程图如图2.3所示。
自动状态下系统启动时，首先KM2 吸合，1#空压机在变频器控制下起动，延时5s
（延时是为了让压力稳定下来）PLC 对变频器的输出频率进行检测。当检测到变频器下限频率信号则关闭1#空压机；反之当检测到变频器上限频率信号则PLC 执行增加空压机动作：KM2断开、KM1吸合，1#空压机改为工频运行并延时1s（延时一是为了让开关充分熄弧，另一方面是为了让变频器减速为0），KM4 吸合变频启动2#空压机。为了保护空压机及变频器，1#空压机的KM1 与KM2之间进行了电气互锁。当2#空压机投入变频运行后，延时5s PLC 继续对变频器输出频率进行检测，当检测到变频器下限频率信号则关闭1#空压机，剩下2#空压机在变频状态下运行，延时5s 如果PLC 再次检测到变频器下限频率信号则把2#空压机也关闭；反之当检测到变频器上限频率信号则PLC 再执行增泵动作：KM3断开、KM4 吸合，2#空压机改为工频运行并延时1s，KM6吸合变频启动3#空压机。依此类推，当3#空压机投入变频运行后，延时5s，PLC 继续对变频器输出频率进行检测以决定执行增加或减少空压机动作来满足恒压供气目的。另外为了方便故障检查维修。在设计中增加了故障指示和故障报警输出，变频器本身具有短路保护、过载保护等功能，只需把变频器的故障输出点、接触器、热继电器等辅助触点接到PLC 即可。PLC通过程序扫描这些输入点，如果发生故障则作出相应的动作。如检测到一台空压机出现过载情况，则切断该空压机的接触器并投入备用空压机，同时输出故障信号，以方便检查及时维修。
图2.3 空压机切换流程图
2.3 本章小结
本章主要进行了恒压供气的基本方案设计，对系统工作原理以及变频调速原理进行分析，对系统内3台空压机相互切换原理进行了设计与分析，保证系统恒压输出。