畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）可編程控制器在空壓機(jī)變頻改造中的應(yīng)用研究

1、大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）模板 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 題 目：可編程控制器在空壓機(jī)變頻改造中的應(yīng)用研究學(xué)習(xí)中心： 江蘇南通奧鵬 層 次： ?？破瘘c(diǎn)本科 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí)： 2009年春季 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2011年3月2日 iii可編程控制器在空壓機(jī)變頻改造中的應(yīng)用研究?jī)?nèi)容摘要空壓機(jī)是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力的機(jī)械，廣泛地應(yīng)用在采礦、冶金、機(jī)械制造、石油化工以及國(guó)防工業(yè)中。而空壓機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣的過程是重要耗能環(huán)節(jié)之一，同時(shí)，空壓機(jī)的加、卸載工作方式會(huì)產(chǎn)生很多缺陷。相關(guān)資料表明：使用變頻調(diào)速技術(shù)能很好地

2、克服上述缺點(diǎn)。而對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性非常重要。本文通過實(shí)踐介紹了基于plc的空壓機(jī)變頻改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基本工作原理和主要實(shí)現(xiàn)形式，為實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)變頻改造的穩(wěn)定性和有效性提供了可行的解決辦法。關(guān)鍵詞：空壓機(jī)；plc；變頻改造目 錄內(nèi)容摘要i引 言11 plc的結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)31.1 plc的結(jié)構(gòu)31.2 plc的主要組成部分41.3 plc的工作原理51.4 循環(huán)掃描技術(shù)51.5 plc的編程工具61.6 plc控制系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計(jì)原則及步驟61.7 plc控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)72 變頻調(diào)速技術(shù)概述92.1 變頻調(diào)速原理92.2 變頻調(diào)速的主要功能92.3 變頻器的選

3、取102.3.1 變頻器的發(fā)展概況和過程102.3.2 變頻器的控制方式102.3.3 變頻器的選取原則103 基于plc的空壓機(jī)變頻改造設(shè)計(jì)123.1 車間空壓機(jī)運(yùn)營(yíng)情況簡(jiǎn)介123.2 螺桿空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成123.2.2 基本工作原理133.2.3 智能pid控制器設(shè)計(jì)133.3 變速驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)能效特點(diǎn)154 空壓機(jī)變頻改造實(shí)現(xiàn)174.1 硬件選擇174.2 電氣原理圖的繪制174.3 可編程控制器程序的編寫184.4 系統(tǒng)改造中應(yīng)注意的問題204.5 節(jié)能效果分析215 結(jié)論22參考文獻(xiàn)23引 言壓縮空氣是工業(yè)上常用的能源介質(zhì)之一，是用以驅(qū)動(dòng)風(fēng)鎬、風(fēng)鉆等風(fēng)動(dòng)機(jī)

4、械的原動(dòng)力，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠利用取之不盡、用之不竭的自由空氣。與電力相比，它具有以下特點(diǎn)：不產(chǎn)生火花；不怕超負(fù)荷；無觸電危險(xiǎn)；在濕度大、溫度高、灰塵多的環(huán)境中能很好的工作1?？諝鈮嚎s機(jī)(簡(jiǎn)稱空壓機(jī))是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)械。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，壓縮機(jī)的種類和結(jié)構(gòu)型式也日益增多。目前不但廣泛地應(yīng)用在采礦業(yè)、冶金業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、土木工程、石油化工、制冷與氣體分離工程以及國(guó)防工業(yè)中。而且醫(yī)療、紡織、食品、農(nóng)業(yè)、交通等部門，對(duì)壓縮機(jī)的需要也在不斷地增加。而空壓機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣的過程是工業(yè)生產(chǎn)中的重要耗能環(huán)節(jié)之一。空壓機(jī)在很多工礦企業(yè)中是不可缺少的設(shè)備。同時(shí)，配套電動(dòng)機(jī)容量的設(shè)

5、計(jì)裕量一般偏大，且往往是常年連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)能源浪費(fèi)巨大，運(yùn)行成本高。因此，空壓機(jī)的節(jié)能潛力很大?？諌簷C(jī)(螺桿式)傳統(tǒng)工作方式為進(jìn)氣閥開、關(guān)控制方式。即壓力達(dá)到上限(emax)時(shí)關(guān)閥，壓縮機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行；壓力達(dá)到下限(pmin)時(shí)開閥，壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。壓縮機(jī)這種加、 卸載方式，使得壓縮氣體的壓力在pmin-pmax之間來回變化。這里，pmin為能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，pmax為設(shè)定的最高壓力值。一般情況下，pmax為(1.1125)pmin。空壓機(jī)這種加、卸載工作方式，優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單，成本較低，但會(huì)造成如下負(fù)面效果2：空載運(yùn)行浪費(fèi)很多能量。壓縮空氣壓力超過pmin時(shí)，壓縮機(jī)還要

6、使其壓力繼續(xù)上升到pmax才關(guān)閥，這一過程需要電源提供空壓機(jī)能量；當(dāng)p=pmax時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，空壓機(jī)不再壓縮氣體做功，但空壓機(jī)的主電機(jī)還在運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行的3070，屬非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。主電機(jī)雖然以星三角降壓起動(dòng)，但起動(dòng)時(shí)的電流仍然很大，大約是額定電流的57倍，會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全。主電機(jī)工頻起動(dòng)設(shè)備的沖擊大，電機(jī)軸承的磨損大，所以對(duì)設(shè)備的維護(hù)量大。減壓閥減壓能量浪費(fèi)。氣動(dòng)元件的額定氣壓在pmin左右。高于pmin的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件之前，要經(jīng)過減壓至接近pmin值，同樣是一個(gè)耗能過程?？諌簷C(jī)電動(dòng)機(jī)容量的浪費(fèi)。設(shè)計(jì)者考慮空壓機(jī)滿載運(yùn)行的可能，空壓機(jī)

7、電動(dòng)機(jī)容量按最大需要選擇，但實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行時(shí)間所占比例是非常高的，造成很大能量浪費(fèi)?？繖C(jī)械方式頻繁地調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，加速了調(diào)節(jié)閥的磨損，縮短壽命，增加維護(hù)工作量，加大成本。經(jīng)查閱資料，使用變頻調(diào)速技術(shù)能很好地克服上述的缺點(diǎn)。而對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度和有效性非常的重要。而基于可編程序控制器(plc)對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造可以很好的提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，是空壓機(jī)改造的一個(gè)未來發(fā)展方向之一3。本文基于可編程控制器對(duì)空壓機(jī)變頻改造進(jìn)行了研究、實(shí)踐，希望本文的研究可以提高我國(guó)空壓機(jī)的應(yīng)用精度，降低使用能耗。1 plc的結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 plc的結(jié)構(gòu)plc實(shí)質(zhì)是一

8、種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，plc的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類4。整體式（又稱箱體式）結(jié)構(gòu)的plc由中央處理器（cpu）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（i/o）單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在同一機(jī)體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、輸入/輸出點(diǎn)數(shù)固定、實(shí)現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，但靈活性較低。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。電源中央處理器（cpu）輸入/輸出單元存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線編程器圖1.1 整體式結(jié)構(gòu)模塊式（又稱組合式）結(jié)構(gòu)的plc是將中央處理器（cpu）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（i/o）單元、電源電路和通信端口等分別做成相

9、應(yīng)的模塊，應(yīng)用時(shí)將這些模塊根據(jù)控制要求插在機(jī)架上，各模塊間通過機(jī)架上的總線相互聯(lián)系。模塊式的plc安裝完成后，需進(jìn)行登記，以便plc對(duì)安裝在總線上的各模塊進(jìn)行地址確認(rèn)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性較高，可以構(gòu)成不同控制規(guī)模和功能的plc，但同時(shí)價(jià)格也較高。基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示，設(shè)計(jì)采用的是模塊式結(jié)構(gòu)。 機(jī) 架編程器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備其他plc或上位機(jī)電源模塊cpu模塊通信模塊輸入模塊輸出模塊特殊功能模塊圖1.2 模塊式結(jié)構(gòu)1.2 plc的主要組成部分（1）中央處理器中央處理器（cpu）是plc的核心部分，它通過系統(tǒng)總線與用戶存儲(chǔ)器、輸入/輸出（i/o）、通信端口等單元相連。通過制造廠家預(yù)制在系統(tǒng)存儲(chǔ)器

10、內(nèi)部的系統(tǒng)程序完成各項(xiàng)任務(wù)。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器、調(diào)用系統(tǒng)程序?qū)τ脩舫绦蜻M(jìn)行編輯或編譯并把相應(yīng)的操作數(shù)轉(zhuǎn)存到內(nèi)存中去、從存儲(chǔ)器上讀取和執(zhí)行程序，還可以進(jìn)行plc內(nèi)部故障的診斷等。（2）存儲(chǔ)器根據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)內(nèi)容的不同，把存儲(chǔ)器分為：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器：用來存放系統(tǒng)程序的存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，主要包括檢查程序、編譯程序和監(jiān)控程序，是plc廠家根據(jù)選用的cpu的指令系統(tǒng)編寫的，并固化到rom里，用戶不能修改其內(nèi)容。用戶程序存儲(chǔ)器：用來存放用戶根據(jù)控制要求編制的程序。不同類型的plc，其存儲(chǔ)容量也不一樣。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：用以存放plc運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。因?yàn)檫\(yùn)行

11、中數(shù)據(jù)不斷變化，所以這種存儲(chǔ)器必須可讀寫。（3）輸入/輸出（i/o）單元輸入/輸出（i/o）單元是plc與外部設(shè)備連接的紐帶。輸入單元接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向plc提供的開關(guān)量信號(hào)，經(jīng)過處理后，變成cpu能夠識(shí)別的信號(hào)。輸出單元將cpu的信號(hào)經(jīng)處理后來控制外部設(shè)備的。（4）電源部分不同型號(hào)的plc有不同的供電方式，所以plc電源的輸入電壓既有12v和24v直流，又有110v和220v交流。plc內(nèi)部使用的電源是整體的供給中心，它的優(yōu)劣直接影響到plc的功能和可靠性，因此目前大部分plc采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。（5）通信端口plc的cpu模塊上至少有一個(gè)通信端口。通過這個(gè)通信端口，plc可以直接和編程器或

12、上位機(jī)相連。（6）編程器幾乎每個(gè)plc廠家都有自己的編程器。用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到plc。它還可以在線檢測(cè)程序的運(yùn)行情況。（7）特殊功能單元主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠(yuǎn)程i/0模塊、通信模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、中斷輸入模塊和pid調(diào)解模塊等。隨著plc的進(jìn)一步發(fā)展，特殊功能單元的應(yīng)用也越來越多。1.3 plc的工作原理plc與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運(yùn)行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點(diǎn)立即動(dòng)作，只要形成電流通路，就有可能有幾個(gè)電器同時(shí)動(dòng)作。而plc則不同，它采用循環(huán)掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷

13、電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時(shí)，該線圈觸點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作，而且每次它只能執(zhí)行一條指令，這也就是說plc以“串行”方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配等問題。也可以說，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而plc控制則需要輸入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出3個(gè)階段才能完成控制過程。 1.4 循環(huán)掃描技術(shù)plc采用循環(huán)掃描技術(shù)可以分為3個(gè)階段：輸入階段（將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)傳送到plc）、執(zhí)行程序和輸出階段（將輸出信號(hào)傳送到外部設(shè)備）。掃描過程如圖1.3所示。程序執(zhí)行階段輸出階段輸入階段程序執(zhí)行階段輸出階段輸入階段程序執(zhí)行階段圖1.3 循環(huán)掃描在輸入階段中，p

14、lc先進(jìn)行自我診斷，然后與編程器或計(jì)算機(jī)通信，同時(shí)中央處理器掃描各個(gè)輸入端并讀取輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲(chǔ)單元。在執(zhí)行階段中，plc按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。從相應(yīng)的輸入存儲(chǔ)單元讀入輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到運(yùn)算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)器單元。在輸出階段中，plc將相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)單元的運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部沒備傳送輸出信號(hào)，開始控制外部設(shè)備。1.5 plc的編程工具plc的編程主要是通過編程器或用plc公司提供的編程軟件來完成。每個(gè)plc公司都有自己的編

15、程器，一般它比較小，而且比較輕，適合在現(xiàn)場(chǎng)使用。但是它只能使用助記符語言對(duì)plc進(jìn)行編程，而且由于屏幕較小，每次只能顯示一兩行程序，難于對(duì)程序從整體上進(jìn)行分析。plc公司提供的編程軟件則能使用梯形圖、助記符或功能塊圖語言進(jìn)行編程。通過編程軟件，不僅能在一個(gè)屏幕上看到十幾頁，甚至幾十頁的程序，從宏觀上對(duì)程序進(jìn)行編輯和分析，而且它還能對(duì)程序的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視5。1.6 plc控制系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計(jì)原則及步驟plc控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。對(duì)于整個(gè)plc控制系統(tǒng)來說，其硬件部分不僅包括選擇符合控制要求的plc機(jī)型、存儲(chǔ)器容量、電源模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊和特殊功能模

16、塊等，還應(yīng)當(dāng)包括選擇合適的可編程控制器外圍裝置、設(shè)備與接口，如輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等）、執(zhí)行裝置（接觸器、繼電器等）和由執(zhí)行裝置控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等）。軟件部分主要包括對(duì)plc進(jìn)行i/o點(diǎn)地址、內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等的分配，plc控制程序的設(shè)計(jì)（梯形圖、語句表、流程圖等），還有一些技術(shù)文件等。plc控制系統(tǒng)是為工藝流程服務(wù)的，所以它首先要能很好地實(shí)現(xiàn)工藝提出的控制要求。plc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則。（1）根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，盡量減少plc系統(tǒng)硬件費(fèi)用。（3）考慮到以后控制要求的變化，所

17、以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮plc的可擴(kuò)展性。（4）控制系統(tǒng)使用和維護(hù)方便、安全可靠。 具體操作如下：（1）控制要求分析在設(shè)計(jì)plc控制系統(tǒng)之前，必須對(duì)工藝過程進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)了解控制對(duì)象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù)，并更好地完成任務(wù)，設(shè)計(jì)出令人滿意的控制系統(tǒng)。（2）確定輸入/輸出設(shè)備根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等）和輸出設(shè)備（接觸器、繼電器等），根據(jù)所選用的輸入/輸出設(shè)備的類型和數(shù)量確定plc的i/0點(diǎn)數(shù)。（3）選擇合適plc確定plc的i/0點(diǎn)數(shù)后，就根據(jù)i/0點(diǎn)數(shù)、控制要求等來進(jìn)行plc的選擇。選擇包括機(jī)型、存儲(chǔ)器容量、輸入/輸出模塊、電源模塊和

18、智能模塊等。（4）i/0點(diǎn)數(shù)分配點(diǎn)數(shù)分配就是規(guī)定plc的i/0端子和輸入/輸出設(shè)備，畫出i/0接線原理圖。（5）plc程序設(shè)計(jì)首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號(hào)和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的聯(lián)系，然后畫出程序流程圖，最后再進(jìn)行程序編制。（6）模擬調(diào)試程序編制好后，可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬量，進(jìn)行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。（7）現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將plc與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實(shí)際問題，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。（8）整理技術(shù)文件這一步主要包括整理與設(shè)計(jì)有關(guān)的文檔，包括設(shè)計(jì)說明書、i/o接線原理

19、圖、程序清單和使用說明書等。1.7 plc控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)plc的主要發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面4：（1）高速度、高i/0容量、功能強(qiáng)大隨著cpu處理速度的提高，plc程序執(zhí)行的速度也越來越快；大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，相應(yīng)地使i/o的容量也得到增加；智能模塊的增加，使plc能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越來越多。（2）強(qiáng)大的plc聯(lián)網(wǎng)能力隨著人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高，人們已經(jīng)不再滿足對(duì)幾個(gè)設(shè)備、幾條生產(chǎn)線的plc控制，而是要求實(shí)現(xiàn)對(duì)全工廠的自動(dòng)化，所以提高plc控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能成為plc的發(fā)展趨勢(shì)。以后人們不僅能通過通信模塊進(jìn)行plc與plc、plc與上位機(jī)之間的連接，還能通過撥號(hào)或者無線

20、的方式使plc聯(lián)網(wǎng)。（3）編程軟件多樣化plc的梯形圖語言、助記符語言和功能模塊語言雖然使用方便，而且也能很好地實(shí)現(xiàn)控制要求，但是在處理一些高級(jí)功能（復(fù)雜運(yùn)算、報(bào)表生成和打印等功能）時(shí)存在明顯的不足，所以就要求高級(jí)語言（basic、c、fortran等）、圖形語言、匯編語言兼容。這樣不僅可以通過梯形圖語言、助記符語言和功能模塊語言來編寫程序，也可以通過高級(jí)語言來編程。2 變頻調(diào)速技術(shù)概述2.1 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速技術(shù)可以節(jié)約能源，提高產(chǎn)品質(zhì)量。而在通風(fēng)空調(diào)設(shè)備中采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以降低空調(diào)能耗，本文研究如何在空壓機(jī)中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，來使空壓機(jī)能耗降低。以下對(duì)變頻調(diào)速的原理進(jìn)行了研究：異步

21、電機(jī)的轉(zhuǎn)速n可以表示為： （2.1）式中:-同步轉(zhuǎn)速；-轉(zhuǎn)差損失的轉(zhuǎn)速；p-磁極對(duì)數(shù)；s-轉(zhuǎn)差率；f-電源頻率。分析式2.1，發(fā)現(xiàn)改變電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速。電源頻率的下降會(huì)導(dǎo)致以下現(xiàn)象發(fā)生：磁通的增加，造成磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱。顯然這些現(xiàn)象是不允許的，因此要在降頻的同時(shí)還要降壓，因此要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，為了保持在調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，這也需要維持磁通不變。因此這也是由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速(vvvf)，簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、保

22、護(hù)電路以及控制器(mcu / dsp )等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時(shí)進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對(duì)u/f協(xié)調(diào)控制的要求。pwm的優(yōu)點(diǎn)是能消除或抑制低次諧波，使負(fù)載電機(jī)在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，調(diào)速范圍寬2。2.2 變頻調(diào)速的主要功能（1）變頻調(diào)速系統(tǒng)具有軟起動(dòng)功能，可抑制起動(dòng)電流，減少機(jī)械振動(dòng)，可無沖擊地進(jìn)行加減速運(yùn)行，從而對(duì)機(jī)

23、械實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的保護(hù)功能。如欠壓、過壓、缺相、過載，過電流、短路、瞬時(shí)停電等多項(xiàng)保護(hù)功能，系統(tǒng)可手動(dòng)、自控、遙控，也可與可編程控制器、計(jì)算機(jī)等聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。其標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)以及模塊化軟件，使得它可以適應(yīng)大小不同，功能繁鎖的控制要求，并且采用電氣操作人員習(xí)慣的梯形圖與功能助記符編程，便于用戶十分方便地讀懂程序，編寫、修改和擴(kuò)展。系統(tǒng)有完善的診斷、監(jiān)視、報(bào)警等功能，穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)，可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。（3）變頻調(diào)速系統(tǒng)具有檢測(cè)顯示，指令丟失的自動(dòng)運(yùn)行功能，頻率設(shè)定，禁止功能，以達(dá)到防止機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振的目的。2.3 變頻器的選取隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)

24、的日新月異?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代調(diào)速控制理論的長(zhǎng)足進(jìn)步，變頻器不僅用于一般性能的節(jié)能調(diào)速控制，而且已經(jīng)用于高性能、高轉(zhuǎn)速、大容量調(diào)速控制方面，變頻器普遍的被冶金、機(jī)械、鋼鐵、紡織、造紙等企業(yè)選用。2.3.1 變頻器的發(fā)展概況和過程交流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。這是與電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)、控制技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)的。變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。自20世紀(jì)80年代初通用變頻器問世以來，通用變頻器更新?lián)Q代了五次：第一代是80年代初的模擬通用變頻器，第二代是80年代中期的數(shù)字式通用變頻器，第三代是90年代初的智能型通

25、用變頻器，第四代是90年代中期的多功能通用變頻器，本世紀(jì)研制上市第五代集中型通用變頻器。2.3.2 變頻器的控制方式變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性參數(shù)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，對(duì)電動(dòng)機(jī)提供電壓、電流頻率進(jìn)行控制，達(dá)到負(fù)載的要求。因此就和變頻器的主電路一樣，逆變器件也相同，單片機(jī)位數(shù)也一樣，只是控制方式不一樣，其控制效果是不一樣的。所以控制方式是很重要的，它代表變頻器的水平。目前變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制方式大體可分為uf恒定控制：轉(zhuǎn)差頻率控制；矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；非線性控制；自適應(yīng)控制；滑模變結(jié)構(gòu)控制；智能控制6。2.3.3 變頻器的選取原則變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平，在工程應(yīng)用

26、中根據(jù)不同的負(fù)載及不同控制要求，合理選擇變頻器以達(dá)到資源的最佳配置，具有重要的意義變頻器選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載特性、工藝要求、工作環(huán)境、投資情況、能否完成調(diào)速功能、能否運(yùn)用于不同負(fù)載，并且負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)能夠起到有效保護(hù)等方面綜合考慮。（1）容量選擇根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率來做初步比較，更為仔細(xì)地按實(shí)際電流選擇。一般變頻器按4級(jí)電機(jī)標(biāo)稱電流，若帶兩種電機(jī)，更應(yīng)注意電流容量。同時(shí)其保護(hù)動(dòng)值也作相應(yīng)修改。避免選用變頻器驅(qū)動(dòng)與其容量不符的電動(dòng)機(jī)變頻器在容量選擇時(shí)主要考慮電機(jī)運(yùn)行電流、過載倍數(shù)、負(fù)載特性等問題。（2）傳動(dòng)功能選擇。根據(jù)所帶電機(jī)負(fù)載變化特性，選擇不同性能的變頻器，在控制精度、反饋控制要求及給定方式比較，

27、并且考慮內(nèi)部功能及其設(shè)置，使其達(dá)到良好控制，如果變頻器控制的電機(jī)長(zhǎng)期低速運(yùn)行，則選型時(shí)要考慮適當(dāng)加大變頻器容量以保證電機(jī)更加良好運(yùn)行此外，還要考慮環(huán)境溫度，散熱條件等其他因素（3）保護(hù)特性。變頻器在出廠時(shí)都設(shè)定保護(hù)功能，為使系統(tǒng)能正常可靠地工作，應(yīng)根據(jù)需要作相應(yīng)調(diào)整。用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，除了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的總電流小于變頻器額定電流外，還要使電動(dòng)機(jī)最大電流的總和(例如加速電流)不得大于變頻器的最大輸出電流。此外，還至少要計(jì)算一臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的影響，以避免變頻器瞬間過流保護(hù)，而造成系統(tǒng)死機(jī)。3 基于plc的空壓機(jī)變頻改造設(shè)計(jì)3.1車間空壓機(jī)運(yùn)營(yíng)情況簡(jiǎn)介為了滿足給生產(chǎn)車間提供正壓和負(fù)壓的需要

28、，工廠設(shè)置了專門空壓房?？諌悍?jī)?nèi)的正壓系統(tǒng)配備有五臺(tái)上海佳力士機(jī)械有限公司生產(chǎn)的og160s27/0.8型空壓機(jī)，單機(jī)產(chǎn)氣量27m3/min，全部為無油螺桿型壓縮機(jī)，具有操作簡(jiǎn)便，智能化程度較高的優(yōu)點(diǎn)，正常運(yùn)行為三用兩備。上海佳力士機(jī)械有限公司生產(chǎn)的螺桿型壓縮機(jī)的壓力采用上、下限控制兩點(diǎn)控制。當(dāng)空氣壓縮機(jī)的壓力達(dá)到設(shè)定值上限時(shí)，空氣壓縮機(jī)通過油壓關(guān)閉進(jìn)氣閥。當(dāng)空氣壓縮機(jī)的壓力下降到設(shè)定值下限時(shí)，也通過油壓打開進(jìn)氣閥。在生產(chǎn)中的用氣量是時(shí)常變化的，這就導(dǎo)致了空氣壓縮機(jī)頻繁的卸載和加載，這對(duì)空氣壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)造成很大的沖擊。當(dāng)空氣壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行時(shí)，不產(chǎn)生壓縮空氣，電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)，其用電量

29、為滿負(fù)載的60%左右。這部分電能被白白浪費(fèi)。在這種情況下，對(duì)其進(jìn)行變頻改造是非常必要的。3.2螺桿空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般來說，變頻技術(shù)能夠通過控制螺桿壓縮機(jī)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來改變壓縮機(jī)主機(jī)的速度來，將壓縮空氣的供氣與用氣相匹配，這樣可以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，電流流量負(fù)荷降低。采用變頻控制技術(shù)不僅有利于生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，更可以得到較好的節(jié)能效果。3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成本文設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)的硬件組成主要有以下幾個(gè)部分：智能pid控制器、電源切換柜、傳感器、變頻器和空氣壓縮機(jī)組成。在變頻系統(tǒng)中安裝電源切換柜，主要是為了加大系統(tǒng)安全系數(shù)。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，仍能保證空氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)行；變

30、頻器的主要作用就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能技術(shù)；壓力傳感器的作用主要就是監(jiān)控氣體的壓力；智能pid控制器主要作用是，通過相關(guān)算法保持系統(tǒng)輸出的氣體壓力恒定7。供氣管道電源切換柜變頻器空氣壓縮機(jī)智能pid控制器壓力傳感器圖3.1 系統(tǒng)組成框圖3.2.2 基本工作原理變頻控制系統(tǒng)是通過安裝在壓縮空氣系統(tǒng)總管上的壓力傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)壓力的變化傳給pid控制器，pid控制器按照設(shè)定壓力輸出一個(gè)電流信號(hào)送到變頻器。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)大于目標(biāo)壓力設(shè)定值時(shí)，pid控制器輸出的信號(hào)減弱，使變頻器輸出頻率降低，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，輸送到管網(wǎng)的氣量減少，系統(tǒng)壓力降低；當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)劍的壓力信

31、號(hào)小于目標(biāo)壓力設(shè)定值時(shí)，pid控制器輸出的信號(hào)增強(qiáng)，使變頻器輸出頻率增加，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，空氣壓縮機(jī)輸送到管刪的氣量增加，系統(tǒng)壓力升高，從而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目的。空壓機(jī)變頻控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率的關(guān)系可由式3.1表示： （3.1）式中： n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； s電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； f電源頻率； p電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。3.2.3 智能pid控制器設(shè)計(jì)（1）pid控制基本原理pid控制器由比例單元，積分單元，和微分單元組成。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。pid控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示u(t)+_r（t）e(t)比例p積分i微分d被控對(duì)象圖3.2 pid系統(tǒng)框圖其中r(t)為給定值，

32、e(t)為偏差值，u(t)為控制值。pid控制器根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)相減構(gòu)成的控制偏差e(t) (3.2)將式(3.2)中的控制偏差e(t)與比例環(huán)節(jié)p，積分環(huán)節(jié)i和微分環(huán)節(jié)d通過線性組合構(gòu)成控制量輸出u（t），對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為pid控制器。其控制規(guī)律為： (3.3)其中，為積分時(shí)間和微分時(shí)間，為比例系數(shù)。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到pid控制系統(tǒng)的控制效果的好壞。（2）pid控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響比例增益的作用是為了及時(shí)的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速減小。增大，pid控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過大的比

33、例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的引用是為了消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實(shí)際值對(duì)設(shè)定值的無靜差跟蹤。但積分環(huán)節(jié)的引入會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成pi控制器或者pid控制器。微分環(huán)節(jié)作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化規(guī)律，預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間的大小，越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。（3）智能pid控制器設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的智能pid控制器的主要特點(diǎn)就是相關(guān)參數(shù)可變。為了保持系統(tǒng)輸出壓力的恒定，當(dāng)壓力偏差很大時(shí)，采用比例

34、p控制，讓實(shí)際值快速趨近給定值，增強(qiáng)系統(tǒng)的快速性；而當(dāng)壓力偏差很小的時(shí)候，采用pi聯(lián)用控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制超調(diào)。系統(tǒng)框圖如圖3.3所示。變參數(shù)pid控制器系統(tǒng)響應(yīng)方程傳感器設(shè)定值實(shí)際值圖3.3 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)程序邏輯框圖如圖3.4所示。否是測(cè)量到的壓力值求系統(tǒng)偏差ee很大p控制pi控制圖3.4 程序框圖3.3 變速驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)能效特點(diǎn)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)載在工作過程中比較恒定。因此，當(dāng)空氣壓縮機(jī)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速呈近似一次方的關(guān)系時(shí)，其消耗功率和負(fù)荷百分比的變化曲線如圖3.5所示。圖3.5 變頻控制空氣壓縮機(jī)負(fù)荷功率對(duì)比曲線由于變速驅(qū)動(dòng)過程存在一些內(nèi)在損耗，因此變速驅(qū)動(dòng)控制模式在負(fù)荷變化較大

35、且很少處于滿載狀態(tài)的單個(gè)壓縮機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合工作效果最佳。在多級(jí)壓縮機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，變速控制壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)只作為調(diào)節(jié)壓縮機(jī)使用。針對(duì)本文而言，本文的壓縮機(jī)不屬于多級(jí)壓縮機(jī)，所以應(yīng)用起來比較適合。4 空壓機(jī)變頻改造實(shí)現(xiàn)4.1 硬件選擇空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵控制系統(tǒng)使用的三菱fx2n-64mr-001型可編程控制器，外加了一模擬量輸入模塊fx2n-4ad-pt。壓力表選擇了磁助電接點(diǎn)壓力表，量程為01.6mpa。水泵變頻器選用了三墾品牌風(fēng)機(jī)水泵專用變頻器，在型號(hào)和功率選擇方面考慮可能性的重載而選擇了sanken shf-15k，功率為15kw。其它控制元器件如斷路器、接觸器、熱繼電器和中間繼電器均選擇西門子產(chǎn)品，其

36、它部分元器件如隔離開關(guān)、電度計(jì)量表和保險(xiǎn)等選擇國(guó)內(nèi)正泰產(chǎn)品。4.2 電氣原理圖的繪制選用了autocad2004畫圖軟件畫制了電氣原理圖，詳見附件一的電氣接線圖，在設(shè)計(jì)上為了控制能耗情況而設(shè)計(jì)了電能計(jì)量表，第二臺(tái)水泵現(xiàn)采用工頻控制，預(yù)留安裝變頻器控制的空間，內(nèi)含有水池冷卻塔控制電源，同時(shí)在第一臺(tái)變頻器控制水泵留有工頻控制功能。詳見圖4.1電氣原理圖。圖4.1 電氣原理圖4.3 可編程控制器程序的編寫在可編程控制器的程序編寫中，使用了三菱公司較新的編程軟件：gx developer。其具有較強(qiáng)大的功能，具有檢測(cè)程序?qū)Ψ窈图m錯(cuò)功能，可在線運(yùn)行觀察。在設(shè)制控制變頻器運(yùn)行中，對(duì)變頻器設(shè)立了三檔，由可編程控制器對(duì)變頻器進(jìn)行控制及切換。其規(guī)定是按照程序設(shè)定的要求，管道內(nèi)冷卻水如超過第三檔則停機(jī)開另一臺(tái)工頻水泵，如低于第一檔則停機(jī)，具體設(shè)定如下：（1）變頻器低速檔：進(jìn)水總管內(nèi)溫度低于20或回水總管內(nèi)溫度低于26或進(jìn)水總管內(nèi)壓力高于0.45mpa。（2）變頻器高速檔：進(jìn)水總管內(nèi)