基于MCGS组态软件和PLC的空气压缩机监控系统.doc
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1、职业技术学院 毕 业 设 计论 文题 目:基于MCGS组态软件和PLC的空气压缩机监控系统设计系 别:电子电气工程系专 业: 机电一体化 班 级: 09级机电二班 _ 红 学 号:0 指导 科 完成时间: 20XX3月 - 37 - / 44 摘 要本设计主要是要研究恒压供气控制系统的硬件电路、恒压变频供气的控制方法、开发基于MCGS组态软件的监控界面。整个系统是用PLC进行控制,MCGS组态软件进行监控。PLC主要控制空压机的启动和停止,MCGS用于读取压力,以便我们随时了解系统信息,进行调整。整个系统自动化水平比较高,大大减少了人力物力,而且对于压力的变化能很快的做出反应,调节压力。该系统
2、结构简单、成本、性能稳定,而且功能齐全,非常适合应用和推广。关键词:MCGS组态软件,PLC,空气压缩机目 录第一章绪论- 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- 2 -1.3本课题的任务- 2 -第二章供气方案的设计- 3 -2.1恒压空气方法的设计- 3 -2.2电气原理图- 4 -2.3元器件的选型- 4 -第三章控制方案的选择- 10 -3.1控制方案的选择- 10 -3.2 PLC的发展过程- 10 -3.3 PLC的发展趋势- 11 -3.4 PLC的主要特点- 12 -3.5 PLC的组成- 13 -3.6系统方框图- 17 -3.7 外部接线
3、图- 18 -3.8 PLC型号的选择- 18 -3.9 PLC I/O点的分配- 19 -3.10 系统梯形图- 20 -第四章组态界面的设计- 26 -4.1组态软件简介- 26 -4.2系统组态- 27 -4.3主要功能的实现- 28 -4.4 监控界面的设计- 29 -4.4.1 新建工程- 29 -4.4.2 定义数据对象- 31 -4.4.3 运行策略- 32 -4.4.4 MCGS与PLC的连接- 32 -第五章结束语- 35 -参考文献- 36 -致- 37 -第一章 绪论1.1空气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
4、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
5、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
6、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20XX注册成立
7、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20XX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
8、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。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。
9、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。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,它可以减轻操作人员的劳动强度,对空压机的可靠安全运行起到保证和促进作用。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。我们以某煤矿的5台空气压缩机为研究对象,研究基于MCGS组态软件的空气压缩机监控系统设计,主要设计容是设计恒压供气控制系统的硬件电路、研究恒压变频供气的控制方法、开发基于MCGS组
10、态软件的监控界面、完成系统监控调试。其中主要监控的空压机运行参数有温度、压力,流量以及供电参数等。1.3本课题的任务1、设计恒压供气控制系统的硬件电路2、研究恒压变频供气的控制方法3、开发基于MCGS组态软件的监控界面4、完成系统监控调试第二章 供气方案的设计2.1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1所示。图2-1 恒压供
11、气控制系统流程图由于本次设计是采用5台空气压缩机为研究对象,当所需要的压力不是很大,其中一天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,以此类推。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以台,还不能满足在关闭其中一台,直到达到需要的压力。2.2电气原理图图2-2电气原理图2.3元器件的选型 变频器因为选用LS-10型固定式螺杆压缩机电机型号:LS286TSC-4,功率22kW,频率50Hz,额定电压380V,额定电流42A,4
12、极,转速1470r/min,我们选用一台台达牌VFD300B43A型变频器。因为LS-10型空压机是一种大转动惯量负载,因此选用加大一级变频器。选用一台台达牌VFD300B43A型变频器。变频器的主要参数:输出:最大适用电机输出功率30kW,输出额定容量45.7kVA,输出额定电流60A,输出频率围0.10400Hz,过载能力为额定输出电流的150%,运行60s,最大输出电压对应输入电源。 输入:3相,380460V AC,50/60Hz,电压容许变动围10%,频率容许变动围5%。输入电流60A,采用强迫风冷。该变频器的主要特点: 采用了新一代电力元件IGBT作为驱动交流电动机的核心元件,应用
13、高速微处理器实现正弦波脉宽调制技术,具有无传感器矢量控制及电压/频率控制。 配有RS-485接口,可与计算机联结,构成计算机监控、群控系统。自动转矩补偿。 禁止电机反转。 自动调整加减速时间。 带过载 PID智能控制器 兰利牌PID智能控制器一个,型号:AL808,采用先进的PID调节算法,PID自整定及分段输出功率限制功能,具备无超调及无欠调的优良控制特性。AL808系列仪表功能强大,具有组态灵活、适应性广的特点,适合温度、压力、流量、液位、湿度的精确控制。AL809系列工业调节器是专门针对执行器为电动调节阀门的应用场合设计的仪表,输出为开关动作,可直接控制电动调节阀电机的正转反转。输入信号
14、 可编程多种热电偶、热电阻、mV级标准信号的输入,还可以扩充输入信号。测量精度: 0.2FS1个字采样速度:125毫秒。控制算法:可编程采用ON/OFF或PID调节算法,具有PID自整定功能。输出方式:模块化输出支持SSR电压、线性电流电压、继电器触点开关、可控硅单相过零触发输出、可控硅三相过零模块报警方式:有上限、下限、上偏差及下偏差等多种报警模式及上电免除报警等功能通讯功能:RS-485或RS-232曲线控制:曲线数目: 1条,具有分段输出功率限制功能;曲线长度:可选4段、8段、16段或30段程序循环次数:1-200次式连续运行面板尺寸: 可选9696mm,4896mm,9648mm等面
15、板尺寸规格 电源:100 to 240V AC 50/60Hz,24V AC/DC50/60Hz工作环境:工作温度:0 to 50,相对湿度85%变频器接线图如下:图2-3 变频器接线图 压力变送器 压力变送器一个型号:DG1300-BZ-A-2-2,量程:01Mpa,输出420mA的模拟信号。精确度0.5%FS。厂家:森纳士压力仪器。该智能型压力变送器选用国际著名公司压力传感器组件,经过高可靠性的微控制器及高精度温度补偿,将被测介质的绝压或表压的压力信号转换成420mADC标准信号叠加HART数字信号,实现远程操控,支持现场总线基于现场控制的技术升级。高质量的传感器、精湛的封装技术以及完善的
16、装配工艺确保了该产品的优异质量和最佳性能,该产品能最大限度的满足客户的需要,适用于与各种测量控制设备配套使用。 特点: 采用美国技术 兼容其它公司符合HART 通讯协议的产品零点自动迁移 具有完整的自诊断功能和通讯功能 可通过手持器与PC机组态调试软件远程管理 零点量程外部可调,高精度,高可靠性 全焊接结构、小体积、高性价比、高稳定性、高灵敏度 多种量程选择、用户调试方便 采用激光打标,确保产品之可溯源性应用: 液压及气动控制系统液位测量与控制 石化、环保、空气压缩 电站运行巡检、机车制动系统 热电机组 轻工、机械、冶金 楼宇自控、恒压供水 其它自动控制和检测系统 工业过程检测与控制实验室压力
17、校验防爆标志:隔爆型d,dCT6技术性能参数指标:测量介质:与316不锈钢兼容的各种液体、气体或蒸汽测量围:表压0-0.1MPa至0250MPa过载压力:2倍满量程或300MPa输出信号:420mADC叠加HART数字信号供电电压:1345VDC介质温度:-40+85环境温度:-20+85储存温度:-40+90相对湿度:95准 确 度:0.1级温度漂移:16位计算机自适应进行温度补偿精度可达到0.01FS温度补尝围:070稳定性:零点时漂0.25FS5年介质接触材料:316不锈钢外壳材料:304或316不锈钢安装方式:螺纹安装压力连接:M20X1.5外螺纹等电气连接:四芯屏蔽电缆 接触器接触器
18、选用CJXl系列,该系列系列交流接触器是九十年代最新产品。本系列产品为交流50Hz或60Hz,额定绝缘电压为690-1000V,在AC-3使用类别下额定工作电压为380V:时的额定工作电流为9A-400A主要供远距离接通及分断电路之用,适用于控制交流电动机的起动、停止及反转,本产品是引进德国西门子公司制造技术的产品符合IEC947,VDE0660,GBl4048等标准。结构特点:接触器为双断点触头的直动式运动机构,具有三对常开主触头,辅助触头可有二常开,二常闭。接触器触头支持件与衔铁采用弹性锁扣联结,消除了薄弱环节。动作机构灵活,手动检查方便,结构设计紧凑,可防止外界杂物及灰尘落入活动部位。接
19、线端都有防盖,人手不能直接接触带电部位。接触器外形尺寸小巧,安装面积小。安装方式可用导轨安装,也可用螺钉坚固,与其它同类产品相比,操作频率和控制容量更高。产品安全、可靠性好,为国际先进的接触器机种。触头系统:主、辅助触头材料由电性能优越的银合金组成,具有使用寿命长及良好的接触可靠性,灭弧室呈封闭型,并有阻燃型材料阻挡电弧向外喷溅,Ie22A无灭弧隔板。Ie22A装有金属隔弧板保证人身及临近电器的安全。接线螺钉采用新型自升螺钉,瓦形垫与螺钉不分离可节省接线用时。电磁系统:电磁工作系统可靠、损耗小、噪音低、具有很高的机械强度,线圈的接线端装有电压规格的标记牌。标记牌电压等级涂有特定的颜色,清晰醒目
20、接线方便。可避免因接错电压规格而导致线圈烧毁。 继电器使用DZJ-11接触器。结构和动作原理:继电器采用JK-1型壳体,将DZJ-200机芯装入壳体中,具有透明的壳罩可以清楚观察到继电器的部结构。继电器系电磁式继电器,当交流电压通过整流块加在线圈两端时,衔铁向闭合位置运动,此时动合触点闭合,动断触点断开,断开电源时,衔铁在接触片的压力作用下,返回到原始状态,动合触点断开,动断触点闭合。动作电压:不大于额定电压的80%,不小于额定电压的30%。返回电压:不小于额定电压的5%。动作时间:在额定电压下不大于0.05s。功率消耗:在额定电压下不大于5VA。触点断开容量在电压不超过220V、电流不超过
21、1A的直流有感负荷电路时间常数为50.75ms中,继电器的触点能断开50W。在电压不超过250V、电流不超过1A的交流电路 功率因数为0.40.1中,继电器的触点能断开250VA。触点长期允许通过电流不大于5A。第三章 控制方案的选择3.1控制方案的选择1机械控制方案 机械控制方案用来实现单一功能的循环,功能较弱。对工作环境的选择无特殊要求,但是保证其长期运行的难度大,它的损耗很大,虽然其价格便宜,但是长期运作又会使得亏价跟高。需较多的硬件部分,这将会增大控制系统的安装接线工作量,且会增大控制系统的故障率。2可编程序控制器控制方案可编程序控制器是以微处理器为基础的新型工业控制装置,已成为当代工
22、自动化的主要支柱之一。近年其推广应用在我国得到了迅猛发展,其应用领域包括:1开关量逻辑控制,2运动控制,3闭环过程控制,4数据处理,5通信联网。而且可编程序控制器控制具有如下几个优点:1编程方法简单易学。2功能强,性能价格比高。3硬件配套齐全,用户使用方便。4无触点免配线,抗干扰能力强。5系统的设计、安装、调试量少。6维修工作量少,维修方便。7体积小,能耗低。因为空气压缩机控制系统的程序步数较多,若采取机械控制方案,则需较多的硬件部分,这将会增大控制系统的安装接线工作量,且会增大控制系统的故障率,修改也不方便;若采用单片机控制方案,则需为控制系统制作印制电路板和许多输入输出接口电路,延长设计制
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