plc在礦井空壓機(jī)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　論文題目：PLC在礦井空壓機(jī)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p>　　所在院系： 機(jī)電學(xué)院</p><p>　　所學(xué)專業(yè)： 機(jī)電技術(shù)教育</p><p><b>　　導(dǎo)師

2、姓名：</b></p><p><b>　　完成時(shí)間：</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　針對(duì)礦井舊空壓機(jī)控制系統(tǒng)中存在的體積龐大、接線復(fù)雜、機(jī)械觸點(diǎn)多、排除故障困難、可靠性差、自動(dòng)化程度低、浪費(fèi)電能等缺陷,設(shè)計(jì)了一種基于先進(jìn)PLC和變頻器控制技術(shù)的礦井空壓機(jī)控制系統(tǒng),詳

3、細(xì)討論了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方案、工作原理、硬件與軟件設(shè)計(jì)方法。該控制系統(tǒng)具有功能完善,運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,便于維護(hù),節(jié)能效果明顯等特點(diǎn),提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益,具有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)該控制系統(tǒng)若配置相應(yīng)的通信模塊和上位計(jì)算機(jī),可方便地組成集散式控制系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,提升企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：礦井，空壓機(jī)，PLC，變頻器，壓力檢測(cè)</p>

4、<p>　　PLC in mine pit air compressor control system transformation design application</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The volume which exists in view of the mine pit old air

5、compressor control system in is huge, the wiring complex, the mechanical electronic contact are many, the trouble clearing difficulty, the reliability are bad, the automaticity is low, flaws and so on waste waste, have d

6、esigned one kind based on advanced PLC and the frequency changer control technology mine pit air compressor control system, discussed system's structure, the control plan, the principle of work, the hardware and the

7、software</p><p>　　Keywords：Mine shaft, Air compressor, PLC, Frequency changer, Pressure examination</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p>&l

8、t;p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　2 電機(jī)的調(diào)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　3 電機(jī)調(diào)速方式2</p><p>　　3.1 調(diào)速控制節(jié)能分析2</p><p>　　3.2 常用的調(diào)速方式3</p&

9、gt;<p>　　3.2.1 變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速4</p><p>　　3.2.2 變頻調(diào)速4</p><p>　　3.2.3 可控硅串級(jí)調(diào)速5</p><p>　　3.3 多臺(tái)空壓機(jī)恒壓控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題6</p><p>　　3.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　4 變頻調(diào)速恒壓提供

10、壓縮空氣系統(tǒng)能耗機(jī)理分析7</p><p>　　4.1 離心式空壓機(jī)及其工況點(diǎn)確定的研究8</p><p>　　4.1.1 空壓機(jī)分類:8</p><p>　　4.1.2 空壓機(jī)工況點(diǎn)分析8</p><p>　　4.2 空壓機(jī)的調(diào)速度方式9</p><p>　　4.2.1 空壓機(jī)的高效調(diào)度方式9</p

11、><p>　　4.2.2 調(diào)速范圍的確定11</p><p>　　4.3 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)分析11</p><p>　　5 變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)12</p><p>　　5.1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及具體要求12</p><p>　　5.1.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)12</p><p>　　5.1.

12、2 控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求為：13</p><p>　　5.1.3 空壓機(jī)控制總體設(shè)計(jì)方法13</p><p>　　5.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)14</p><p>　　5.2.1 硬件電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　5.2.2 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　5.2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及變頻器主要功能的預(yù)

13、置16</p><p><b>　　6 結(jié)束語(yǔ)18</b></p><p><b>　　致謝19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　煤

14、礦礦井空壓機(jī)是煤礦礦井生產(chǎn)的重要組成部分，它生產(chǎn)壓縮空氣，用以帶動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備及其他氣動(dòng)工具。煤礦礦井空壓機(jī)能否正常工作與礦井其它機(jī)器能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)效率的提高密切相關(guān)。隨著我國(guó)政府對(duì)各行各業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)，尤其對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的要求越來越高，對(duì)礦井空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢(shì)在必行。</p><p>　　目前在煤礦礦井空壓機(jī)控制系統(tǒng)中，大多仍采用繼電接觸

15、器控制系統(tǒng)，但這種控制系統(tǒng)存在著體積大機(jī)械觸點(diǎn)多接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷;且因工作空壓機(jī)一直高速運(yùn)行，備用機(jī)停止，且空壓機(jī)的工作效率不高，不能輪休工作，易使工作空壓機(jī)產(chǎn)生故障，降低使用壽命，并且浪費(fèi)嚴(yán)重。</p><p>　　針對(duì)上述一系列問題，本課題采用PLC和變頻器控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造。保留其原有的手動(dòng)控制系統(tǒng)，分別增加一臺(tái)PLC和變頻器及輔助控制單元，與壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制

16、系統(tǒng)。并通過與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、管理與狀態(tài)監(jiān)控，每天24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)定的管網(wǎng)壓力恒定地向礦井提供恒定壓力的壓縮空氣，保證了礦區(qū)的不間斷生產(chǎn)。利用壓力檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井空壓機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，根據(jù)所需壓力的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高了空壓機(jī)的效率，使主機(jī)和備用機(jī)輪換工作，提高了礦井空壓機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，節(jié)能效果顯著，且PLC控制系統(tǒng)具有對(duì)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)的電機(jī)過熱保護(hù)，故障報(bào)警等功能特點(diǎn)為煤礦礦

17、井空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供了一條新途徑。</p><p>　　通過該項(xiàng)目的應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本;而且提高了整個(gè)礦區(qū)的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。由于礦井空壓機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價(jià)值。</p><p>　　2 電機(jī)的調(diào)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀</p&g

18、t;<p>　　在國(guó)內(nèi)外礦區(qū)、工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，空壓機(jī)設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛。其電能消耗和諸如閥門等相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的7%-25%，是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開支。因此如何做到在既滿足生產(chǎn)要求的同時(shí)，又能達(dá)到降低能耗的目的，則成為國(guó)內(nèi)外研究的主要議題,而八十年代初發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個(gè)全新的節(jié)能調(diào)速時(shí)代。從80年代初通用變頻器問世以來，經(jīng)過近20

19、年，通用變頻器更新?lián)Q代了五次:第一代是80年代初模擬式通用變頻器，第二代是80年代中期數(shù)字式通用變頻器;第三代是90年代初智能型通用變頻器;第四代是90年代中期的多功能型通用變頻器，最近研制上市第五代集中通用變頻器。目前國(guó)外變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較快，性能也非常好，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如日本富士、瑞典ABB、德國(guó)西門子等變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較慢，產(chǎn)品性能較差，很難滿足連續(xù)化工生產(chǎn)的需求，而且無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)

20、自動(dòng)控制。因此國(guó)內(nèi)使用單位主要以進(jìn)口為主，很少使用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品。對(duì)風(fēng)機(jī)類機(jī)器的控制以前多采用繼電器-接觸器控制，故障率高，可靠性低，而近年來隨著控制</p><p><b>　　3 電機(jī)調(diào)速方式</b></p><p>　　3.1 調(diào)速控制節(jié)能分析</p><p>　　空壓機(jī)的設(shè)計(jì)負(fù)荷是按最不利條件下最大時(shí)流量及相應(yīng)壓力設(shè)定的。但實(shí)際運(yùn)行中空

21、壓機(jī)每天只有很短的時(shí)間用氣最大，其壓縮空氣量隨外界用氣情況在變化。因此空壓機(jī)不能總保持在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。通常采用的方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量;而電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制可以通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來變更空壓機(jī)的工況點(diǎn)，使其空縮空氣量適應(yīng)管網(wǎng)用氣量的變化，維持壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能效果。</p><p>　　由流體力學(xué)可知，空壓機(jī)給管網(wǎng)供氣時(shí)，

22、空壓機(jī)的輸出功率P與管網(wǎng)的氣壓H及氣流量Q的乘積成正比;空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速n與空氣流量Q成正比:管網(wǎng)的氣壓H與壓縮空氣量Q的平方成正比。由上述關(guān)系有，空壓機(jī)的輸出功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，即:</p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　　（2）</b></p><p><b>　?。?

23、）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中k, k1 k2, k3為比例常數(shù)。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)壓縮空氣量減小時(shí)，通過變頻調(diào)速裝置將空壓機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)小，則空壓機(jī)的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理圖如圖1所示。圖中曲線1, 2, 3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為電機(jī)轉(zhuǎn)速為n

24、1時(shí)的運(yùn)行特性曲線，曲線5為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為n2，時(shí)的運(yùn)行特性曲線。</p><p>　　圖1 變頻調(diào)速節(jié)能原理圖</p><p>　　空壓機(jī)原來的工作點(diǎn)為曲線3和曲線4的交點(diǎn)A，此時(shí)壓縮空氣量為Q1，管網(wǎng)壓力為H1,，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1,。當(dāng)系統(tǒng)的壓縮空氣量減小到Q2時(shí)，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1，曲線1和曲線4的交點(diǎn)B為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時(shí)管網(wǎng)壓力為H2，水泵的輸出功率正比于H2×Q2。由于H

25、2>H1高出的壓力能量被浪費(fèi)了，同時(shí)過高的壓力對(duì)管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時(shí)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)至n2，曲線5和曲線2的交點(diǎn)C為空壓機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持為H1，壓縮空氣量為Q2，空壓機(jī)的輸出功率正比于H1×Q2級(jí)。從圖中可見陰影部分正比于浪費(fèi)的功率輸出。例如，當(dāng)Q2為Q1的80%時(shí)，通過調(diào)速將n2調(diào)為n1的80%則空壓機(jī)的輸出功率P2為P1的51.2%。如不采用調(diào)速控制，48.8%的能

26、量將被浪費(fèi)?？梢娮冾l調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀[2]。</p><p>　　3.2 常用的調(diào)速方式</p><p>　　空壓機(jī)多配用交流異步電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式:</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　式中，n0一異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r

27、/min; </p><p>　　n一異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速r/min;</p><p>　　P一電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù);</p><p>　　f一電源頻率，電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率;</p><p>　　S—轉(zhuǎn)速差，S=×100%</p><p>　　改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)P、改變轉(zhuǎn)速差S及改變電源頻率f都可以改變轉(zhuǎn)速。<

28、;/p><p>　　3.2.1.變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速</p><p>　　在電源頻率一定的情況下，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對(duì)數(shù)，如圖2。</p><p>　　以電動(dòng)機(jī)一相繞組為例，電流方向都是由A指向X，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對(duì)數(shù)P。如果使P =1, 2. 3等，就可以得到n0

29、=3000, 1500, 1000( r / min)等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有極調(diào)速，而且級(jí)差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器[3]。</p><p><b>　　圖2 變極原理圖</b></p><p>　　3.2.2 變頻調(diào)速</p><p>

30、　　變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)，使其可在變速的情況下運(yùn)行。改變電動(dòng)機(jī)定子頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速n0，相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，而轉(zhuǎn)差率S可保持不變或很小。但對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，定子頻率改變后，其運(yùn)行影響，如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通減少，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn)；頻率減少，磁通增加，會(huì)使磁路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實(shí)用上，要求調(diào)頻的

31、同時(shí)，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。 </p><p>　　實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的變頻器有兩種:交一直一交變頻器，交一交變頻器[4]，見圖3所示。</p><p>　　（1） 交一直一交變頻器</p><p>　　它是由三個(gè)環(huán)節(jié)組成:可控硅整流電路，其作用是將定電壓、定頻率的交流電變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電;可控硅逆變電路，其作用是將整流電

32、路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電;濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。</p><p><b>　　圖3 變頻器的種類</b></p><p>　　在交一直一交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。</p><p>　　近年來，由于電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的

33、發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡(jiǎn)稱PWM )變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。PWM變頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。</p><p>　　（2) 交一交變頻器</p><p>　　它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過變頻電路同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可

34、調(diào)的交流電輸出。 交一交變頻器由于直接交換，減少換流電路減少損耗，效率高，波形好，但調(diào)速范圍小，控制線路復(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。</p><p>　　變頻技術(shù)對(duì)空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以獲得良好的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。</p><p>　　3.2.3 可控硅串級(jí)調(diào)速</p><p>　　它是把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電勢(shì)經(jīng)過整流一逆變后回饋給電網(wǎng)差

35、功率。當(dāng)改變逆變角時(shí)，逆變電勢(shì)、轉(zhuǎn)差功率、轉(zhuǎn)差率都將隨之改變，從而達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　如圖4示出晶閘管串級(jí)調(diào)速原理圖。由圖可見，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電勢(shì)E2s經(jīng)晶閘管整流后變?yōu)橹绷麟妷篣2S，再由晶閘管逆變器將Uf逆變?yōu)榻涣?，功率?jīng)變壓器ZB或不用ZB而直接反饋給交流電網(wǎng)。這時(shí)逆變器端電壓Uf可視為加到異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路的電勢(shì)Ef，控制逆變角β就可改變Uf，也就是改變了引入轉(zhuǎn)子電路的電勢(shì)Ef，從而實(shí)現(xiàn)

36、了異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速。</p><p>　　圖4也表明了功率轉(zhuǎn)換過程。如忽略損耗，異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率就是電磁功率PM，輸出機(jī)械功率為（1-s）PM，轉(zhuǎn)差功率為sPM，反饋給電網(wǎng)的功率為P＇=sPM.控制反饋功率P’即可調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖4 串級(jí)調(diào)速原理圖</p><p>　　串級(jí)調(diào)速的最大優(yōu)點(diǎn)是由于它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)

37、速性能也好，但出于線路過于復(fù)雜，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，帶來了成本高，占地面積大等缺點(diǎn)而影響它的推廣價(jià)值。</p><p>　　3.3 多臺(tái)空壓機(jī)恒壓控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題</p><p>　　交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會(huì)給供電系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)帶來不利影響，故對(duì)于容量較大的異步電動(dòng)機(jī)一般都要采用軟起動(dòng)方案。采用變頻器帶動(dòng)電機(jī)從零速開始起動(dòng)

38、，逐漸升壓升速，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速，此時(shí)變頻器同時(shí)承擔(dān)了軟啟動(dòng)的任務(wù)。變頻軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會(huì)產(chǎn)生過電流，并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)力矩。</p><p>　　多臺(tái)空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)為了提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備的投入費(fèi)用，常采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。當(dāng)變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行，變頻器可以再去起動(dòng)其他的

39、電動(dòng)機(jī)。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作. </p><p>　　礦井用空壓機(jī)，在不同時(shí)段的用氣量具有明顯的差異，負(fù)荷變化較大，為保障正常供氣，必須解決壓力不斷減弱和不穩(wěn)定問題。目前通常采用恒速空壓機(jī)組切換加壓供氣的方式。在這種式作方式中，因供氣空壓機(jī)拖動(dòng)電機(jī)一直處于高速運(yùn)行而造成較大的能量損耗。因而在設(shè)計(jì)思想上以查詢方式為主，中斷方式為輔，采用模糊控制法對(duì)系統(tǒng)PID參數(shù)進(jìn)行整定，這樣大

40、大提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，使用戶減少了調(diào)試的工作量，同時(shí)系統(tǒng)的體積很小，抗干擾能力大大增強(qiáng)[5]。</p><p>　　3.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)研和分析，并結(jié)合礦區(qū)的生產(chǎn)實(shí)際，本次研究的主要內(nèi)容和目標(biāo)是基于PLC的單臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的恒壓供氣自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)電機(jī)的軟起動(dòng)和調(diào)速，代替了原有的自藕降壓起動(dòng)裝置，同時(shí)

41、把電機(jī)控制納入自動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的操作控制實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化管理，設(shè)備管理達(dá)到最優(yōu)效果，運(yùn)行調(diào)節(jié)達(dá)到最佳節(jié)能，運(yùn)行參數(shù)有記錄。具體而言，論文包括以下內(nèi)容:</p><p>　?。?） 對(duì)空壓機(jī)電機(jī)的調(diào)控技術(shù)進(jìn)行分析和比較，并對(duì)多臺(tái)空壓機(jī)恒壓控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述;在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究方法。</p><p>　?。?） 從空壓機(jī)理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論空

42、壓機(jī)工作點(diǎn)(工況點(diǎn))的確定方法和空壓機(jī)工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)中，空壓機(jī)工況的調(diào)節(jié)是通過改變空壓機(jī)性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本文重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供氣系統(tǒng)中空壓機(jī)能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得出一些有益的結(jié)論。</p><p>　　（3） 介紹了基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)空壓機(jī)電機(jī)變頻運(yùn)行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)

43、整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變空壓機(jī)性能曲線來實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)壓縮空氣量的調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。</p><p>　?。?） 通過對(duì)PID控制器的基本原理的介紹，簡(jiǎn)要的分析德國(guó)SIMENS公司的S7 200系列CPU中的PID算法的實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用STEP7 MicroWin編程軟件設(shè)計(jì)一個(gè)用于系統(tǒng)壓力控制的PID控制器，并通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，調(diào)整和檢

44、驗(yàn)PID算法的重要參數(shù)。</p><p>　　4 變頻調(diào)速恒壓提供壓縮空氣系統(tǒng)能耗機(jī)理分析</p><p>　　空壓機(jī)已經(jīng)成為礦井正常生產(chǎn)所必備的設(shè)備之一，我國(guó)礦區(qū)生產(chǎn)已普遍采用了高效空壓機(jī)，但實(shí)際運(yùn)行效率并不高，其主要原因之一是空壓機(jī)的調(diào)速性能差，二是運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離空壓機(jī)的最高效率點(diǎn)。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中，很難精確地計(jì)算出管網(wǎng)的阻力，并考慮長(zhǎng)期運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題，通常是把系統(tǒng)所需最大空

45、氣壓力作為選擇空壓機(jī)和電機(jī)的設(shè)計(jì)值。但空壓機(jī)的型號(hào)和系列是有限的，往往選用不到合適的空壓機(jī)型號(hào)時(shí)，只好往大機(jī)號(hào)上靠。這樣，空壓機(jī)的效率自然就不會(huì)高了。為了解決礦井空壓機(jī)供壓不穩(wěn)及節(jié)能等問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于PLC的采用變頻調(diào)速節(jié)能恒壓控制系統(tǒng)。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計(jì)若采用變頻調(diào)速技術(shù)來改變流量，可節(jié)約20~50%，其節(jié)能效果相當(dāng)可觀[3]。采用變頻調(diào)速恒壓供氣系統(tǒng)和傳統(tǒng)恒速供氣系統(tǒng)相比，具有氣壓穩(wěn)定、維護(hù)方便

46、、占地面積小、節(jié)約能源和減少對(duì)空壓機(jī)組設(shè)備的沖擊等優(yōu)點(diǎn)[4]。在討論變頻調(diào)速恒壓供氣的節(jié)能機(jī)理之前，有必要討論分析空壓機(jī)機(jī)及空壓機(jī)機(jī)工況調(diào)節(jié)等相關(guān)理論。</p><p>　　4.1 離心式空壓機(jī)及其工況點(diǎn)確定的研究</p><p>　　4.1.1 空壓機(jī)分類:</p><p>　　空壓機(jī)分為螺桿式空壓機(jī)，螺桿式空壓機(jī)又分為單螺桿空壓機(jī)及雙螺桿空壓機(jī)，離心式空壓機(jī)，活

47、塞式空壓機(jī)，滑片式空壓機(jī)，渦旋式空壓機(jī)，旋葉式空壓機(jī)。</p><p>　　離心式空壓機(jī)具有帶葉片的工作輪，當(dāng)工作輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片就帶動(dòng)氣體運(yùn)動(dòng)或者使氣體得到動(dòng)能，然后使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能從而提高氣體的壓力。這種壓縮機(jī)由于它工作時(shí)不斷地將空氣吸入，又不斷地沿半徑方向被甩出去，所以稱這種型式的壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī)。</p><p>　　4.1.2空壓機(jī)工況點(diǎn)分析</p><

48、;p>　　按照液體機(jī)械的相似定律，空壓機(jī)的流量Q、壓力H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間有如下關(guān)系：</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　離心式空壓機(jī)在變速調(diào)節(jié)的過程中，如果不考慮系統(tǒng)管道阻力R的影響，且風(fēng)壓H隨流量Q成平方規(guī)律變化，則空壓機(jī)的效率可在一定范圍內(nèi)保持最高效率不變（只有在負(fù)荷率低于80%是才略有下降）。圖5示出了離心式空壓機(jī)不同調(diào)

49、節(jié)方式耗電特性比較，圖6示出了采用風(fēng)門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，空壓機(jī)的效率—流量曲線。</p><p>　　由圖6可知：在空壓機(jī)的風(fēng)量由100%下降到50%時(shí)，變速調(diào)節(jié)與風(fēng)門調(diào)節(jié)方式相比，空壓機(jī)的效率平均高30%以上。因而，從節(jié)能的觀點(diǎn)來看，變速調(diào)節(jié)方式為最佳調(diào)節(jié)方式。同時(shí)，采用變速調(diào)節(jié)以后，可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低噪聲，大改善起動(dòng)性能。工藝條件的改善也能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[6]。<

50、;/p><p>　　4.2 空壓機(jī)的調(diào)速方式</p><p>　　空壓機(jī)的流量和壓力調(diào)節(jié)方式可分為非變速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)兩大類，非變速調(diào)節(jié)方式有節(jié)流調(diào)節(jié)，分流調(diào)節(jié)，前導(dǎo)葉調(diào)節(jié)等，非變速調(diào)節(jié)不是本文討論的主要內(nèi)容，這里不加詳細(xì)敘述。各種調(diào)速方式的差別，主要表現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)差率的處理上?？諌簷C(jī)的常用變速調(diào)節(jié)方式如下：</p><p>　　1 轉(zhuǎn)差功率消耗型（屬低效調(diào)速方式）<

51、/p><p>　?。?）液力耦合器調(diào)速；</p><p>　?。?）液力調(diào)速離合器（ω離合器）調(diào)速；</p><p>　?。?）電磁轉(zhuǎn)差離合器（滑差電動(dòng)機(jī)）調(diào)速；</p><p>　　（4）鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速；</p><p>　　（5）繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。</p><p>　　2

52、 轉(zhuǎn)差功率回饋型（屬高效調(diào)速方式）</p><p>　　繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串極調(diào)速。</p><p>　　3 轉(zhuǎn)差功率不變型（屬高效調(diào)速方式）</p><p>　　（1）變極調(diào)速（多速電機(jī)）；</p><p><b>　?。?）變頻調(diào)速；</b></p><p>　?。?）直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。<

53、/p><p>　　4.2.1 空壓機(jī)的高效調(diào)度方式</p><p>　　由電機(jī)學(xué)原理可知，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與電源頻率f1、磁極對(duì)數(shù)P之間的關(guān)系式為</p><p>　?。╮/min） （7）</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s的定義式為</p><p><b&

54、gt;　?。?）</b></p><p>　　則可得異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　可見，要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過下述三個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：</p><p>　?。?）改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)P（變極調(diào)速）；</p><p>　　

55、（2）改變供電電源的頻率f1(變頻調(diào)速)；</p><p>　?。?）改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。</p><p>　　改變定子繞組磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速方式稱為變極調(diào)速；改變電源頻率的調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速，都是高效調(diào)速方法。而改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法則稱為能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速（串級(jí)調(diào)速除外），它是一種低效的調(diào)速方法，因?yàn)檎{(diào)速過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率都變成熱量消耗掉了，繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和定子調(diào)

56、壓調(diào)速就屬于這種調(diào)速方式。</p><p>　　本文主要討論變頻調(diào)速方式，其它調(diào)速方式不做詳細(xì)敘述。在變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n0改變空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以使空壓機(jī)性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況的目的。</p><p>　　當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，通過VVVF降低交流電的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)膎1，降低到n2。另外根據(jù)離心式空壓機(jī)工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速

57、n，可使空壓機(jī)壓縮空氣流量Q,壓力H和軸功率P以相應(yīng)規(guī)律改變。</p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　從上述比例律公式中消去n2/n1就得到式(12)</p><p>　　即 （12）&l

58、t;/p><p>　　式（12）是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。</p><p>　　在變頻調(diào)速恒壓供氣系統(tǒng)中，單臺(tái)空壓機(jī)工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變空壓機(jī)性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖7來表示。</p><p>　　如圖7所示:空壓機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)D是空

59、壓機(jī)的特性曲線NN與管路曲線R1的交點(diǎn)。用閥門控制時(shí)由于要減小流量而關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R移到R1' ，壓力則從Ho升到H1,流量從Q2減小到Q1。運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到A點(diǎn)。</p><p>　　圖7 變頻調(diào)速恒壓供氣空壓機(jī)工況調(diào)節(jié)圖</p><p>　　用調(diào)速控制時(shí)，阻力曲線R，原樣小變，空壓機(jī)的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果把速度從NN降到N1，特性曲線也從NN移到

60、N1。結(jié)果運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到C點(diǎn)，壓力從H0下降到H3,流量從Q2減小到Q1。</p><p>　　根據(jù)公式求出運(yùn)行在A點(diǎn)、C點(diǎn)空壓機(jī)的軸功率之差為:</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　也就是說用閥門控制流量時(shí)有△P功率是被浪費(fèi)掉的。而且隨著閥門不斷關(guān)小這個(gè)損耗還要增加。用轉(zhuǎn)速控制時(shí)流量Q、壓力H、功率P和轉(zhuǎn)速

61、N之間的關(guān)系可由公式（6）表示。即可概括為:流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比;軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。由以上分析可知，利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速供氣方式中用閘閥增加阻力的節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能[7]。</p><p>　　4.2.2 調(diào)速范圍的確定</p><p>　　空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必

62、須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免空壓機(jī)在低效率段運(yùn)行。空壓機(jī)的調(diào)速范圍由空壓機(jī)本身的特性和用戶所需壓力規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的空壓機(jī)時(shí)即可確定此空壓機(jī)的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶所需求的最大空氣壓力確定具體最低調(diào)速范圍。</p><p>　　4.3 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)分析</p><p>　　空壓機(jī)的工作點(diǎn)就是同一坐標(biāo)系中空壓機(jī)的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn)，由于空壓機(jī)工

63、作點(diǎn)是空壓機(jī)運(yùn)行的理想工作點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)的工作點(diǎn)并非總是固定不變的。本章討論了空壓機(jī)工作點(diǎn)(工況點(diǎn))的確定方法。在變頻調(diào)速恒壓供氣系統(tǒng)中，空壓機(jī)工況的調(diào)節(jié)是通過改變空壓機(jī)性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。通過對(duì)變頻調(diào)速恒壓提供控制系統(tǒng)中空壓機(jī)能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得出了以下結(jié)論:</p><p>　?。?）在空壓機(jī)變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)中，單臺(tái)空壓機(jī)工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變空壓機(jī)

64、性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　?。?）分析空壓機(jī)工況點(diǎn)閥門調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較圖，可以看出利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速方式中用閘閥增加阻力的節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。</p><p>　?。?）空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)需要限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免空壓機(jī)在低效率段運(yùn)行。<

65、/p><p>　　5 變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及具體要求</p><p>　　5.1.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　由前面的分析，為保障礦區(qū)正常生產(chǎn)，必須解決壓力不斷減弱和不穩(wěn)定問題。目前通常采用恒速空壓機(jī)組切換加壓供氣的方式，這種運(yùn)行方式，因空壓機(jī)拖動(dòng)電機(jī)一直處于高速運(yùn)行而造成較大的能量損耗

66、。為了解決礦井空壓機(jī)能夠提供壓力穩(wěn)定的壓縮空氣及節(jié)能等問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于PLC的空壓機(jī)恒壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模糊控制算法，將PLC與交流變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)礦井空壓機(jī)控制系統(tǒng)的節(jié)能改造。</p><p>　　圖8 空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)</p><p>　　吸風(fēng)口；2、空氣濾清器；3、閥門；4、空氣壓縮機(jī)、5止回閥；6、壓力傳感器</p><p>　　采用4臺(tái)

67、變頻調(diào)速裝置構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制恒壓供氣系統(tǒng)，如圖8所示。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)壓縮空氣量，保證管網(wǎng)壓力恒定（誤差±0.01 MPa），實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)恒壓變量控制方式，從而達(dá)到節(jié)能的目的，滿足礦井用氣的需要。</p><p>　　5.1.2 控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求為：</p><p>　　（1） 4臺(tái)空壓機(jī)能自動(dòng)變頻軟起動(dòng)，并根據(jù)壓縮空氣用量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟空壓機(jī)的臺(tái)數(shù)。</p>

68、;<p>　?。?） 電控自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，4臺(tái)空壓機(jī)自動(dòng)輪換變頻運(yùn)行，工作空壓機(jī)故障時(shí)備用空壓機(jī)自動(dòng)投人，可轉(zhuǎn)換自動(dòng)或人工手動(dòng)開、停機(jī)。</p><p>　?。?） 設(shè)備具有缺相、欠壓、過壓、短路、過載等多種電氣保護(hù)功能，具有相序保護(hù)防止空壓機(jī)反轉(zhuǎn)，并具有故障報(bào)報(bào)警停機(jī)的功能。</p><p>　?。?） 有設(shè)備工作、停機(jī)、報(bào)警指示。</p><p>　　

69、5.1.3 空壓機(jī)控制總體設(shè)計(jì)方法</p><p>　　采用一臺(tái)變頻器控制4臺(tái)空壓機(jī)的“一控四”切換方案。以西門子S7-200（CPU224）的PLC和MICROMASTER 430系列風(fēng)機(jī)和泵類專用型變頻器為控制核心，采用變頻率控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過對(duì)用戶管網(wǎng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并與設(shè)定壓力值比較，根據(jù)壓力偏差來控制變頻空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速及定量空壓機(jī)的起、停，實(shí)現(xiàn)恒壓變量的提供壓縮空氣，從而更好地達(dá)到節(jié)能的效果。當(dāng)用

70、戶管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，控制器通過壓力傳感器檢測(cè)，輸出控制信號(hào)起動(dòng)其中一臺(tái)空壓機(jī)作變頻運(yùn)行，通過控制變頻空壓機(jī)使管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力值相符。如用氣量較大，變頻器輸出頻率為50 Hz，變頻空壓機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高，管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定壓力，控制器將變頻空壓機(jī)切換成工頻運(yùn)行，待變頻器輸出頻率下降至最低值時(shí)再接通另一臺(tái)空壓機(jī)，由一臺(tái)工頻和一臺(tái)變頻空壓機(jī)同時(shí)提供壓縮空氣。經(jīng)過變頻空壓機(jī)的調(diào)節(jié)，如果管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定值，控制器以同樣的方式將運(yùn)行頻率為50

71、 Hz的變頻空壓機(jī)切換成工頻運(yùn)行，而后繼續(xù)起動(dòng)另外一臺(tái)空壓機(jī)作變頻運(yùn)行，直至管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力值相符。</p><p>　　當(dāng)?shù)V井用氣量較少，變頻空壓機(jī)轉(zhuǎn)速降到一定程度時(shí)，控制器自動(dòng)停止最先運(yùn)行的空壓機(jī)，并根據(jù)管網(wǎng)壓力調(diào)整變頻空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定。這樣每臺(tái)空壓機(jī)的起動(dòng)均經(jīng)變頻器控制，全部機(jī)組實(shí)現(xiàn)循環(huán)軟起動(dòng)，即每臺(tái)空壓機(jī)的起動(dòng)頻率都從設(shè)定的最低頻率開始逐漸上升，并遵循“先開的先停，先停的先開”的原則。

72、當(dāng)外來管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)，則控制器完全停止各空壓機(jī)工作，由外界管網(wǎng)和儲(chǔ)氣罐向礦井供氣。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.2.1 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖9 系統(tǒng)硬件電路圖</p><p>　　（1） 本系統(tǒng)的硬件電路如圖9所示，它由4臺(tái)離心式空壓機(jī)，一臺(tái)智能型電控柜（包括西門子變頻器、PLC

73、、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、斷相相序保護(hù)裝置以及供電主回路等構(gòu)成。該系統(tǒng)的核心是S7-200（CPU224）和MICROMASTER 430。MICROMASTER 430是泵和風(fēng)機(jī)類專用變頻器，擴(kuò)展功能強(qiáng)．CPU224集成了14點(diǎn)輸入10點(diǎn)輸出，共有24點(diǎn)數(shù)字量I/0，其模擬量擴(kuò)展模塊具有較大的適應(yīng)性和靈活性，且安裝方便，滿足設(shè)計(jì)需要。</p><p><b>　?。?） 系統(tǒng)主電路&l

74、t;/b></p><p><b>　　圖10 系統(tǒng)主電路</b></p><p>　　如圖10所示，該系統(tǒng)有4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，分別拖動(dòng)4臺(tái)空壓機(jī)。合上空氣開關(guān)后，當(dāng)交流接觸器KM1、KM3, KM5、KM7主觸點(diǎn)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)為工頻運(yùn)行；當(dāng)KM2、KM4、KM6、KM8主觸點(diǎn)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)為變頻運(yùn)行。4個(gè)熱繼電器KR1～KR4分別對(duì)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，避免電動(dòng)機(jī)在過

75、載時(shí)可能產(chǎn)生的過熱損壞。</p><p>　　5.2.2系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)控制電路</b></p><p>　　圖11 系統(tǒng)控制電路</p><p>　　如圖11所示，Q0.0～Q0.7為PLC輸出軟繼電器觸點(diǎn)，其中Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6控制變頻運(yùn)行電路；Q0.

76、1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工頻運(yùn)行電路。SA為轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)控制切換。當(dāng)SA切在手動(dòng)位時(shí)，通過SB1～SB4按鈕分別起動(dòng)4臺(tái)水泵工頻運(yùn)行,SB5～SB8按鈕分別停止4臺(tái)空壓機(jī)工頻運(yùn)行．當(dāng)SA在自動(dòng)位時(shí)，由PLC控制水泵進(jìn)行變頻或工頻狀態(tài)的起動(dòng)、切換、停止運(yùn)行。 </p><p>　?。?）PLC及變頻器控制模塊電路</p><p>　　PLC及變頻器控制模塊是

77、本系統(tǒng)的核心，它包括時(shí)間控制電路、故障報(bào)警保護(hù)電路、斷相相序保護(hù)電路。如圖12（見下頁(yè)）所示，KT是時(shí)間繼電器。</p><p>　　5.2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及變頻器主要功能的預(yù)置</p><p>　　本系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是PLC程序的合理性、可行性和變頻器功能的預(yù)置問題。</p><p>　　圖12 PLC及變頻器控制模塊電路</p><p&g

78、t;　　5.2.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)   </p><p>　?。?） 輸入、輸出地址及功能表（I/O表），如表1所示。</p><p>　　表1 PLC的輸入輸出地地址及功能（I/O表）</p><p>　?。?） 程序設(shè)計(jì)思路</p><p>　　由于空壓機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大無法突變的系統(tǒng)，不需要過高的響應(yīng)速度，因而

79、在設(shè)計(jì)思路上以查詢方式為主，中斷方式為輔，采用模糊控制法對(duì)系統(tǒng)PID參數(shù)進(jìn)行整定，這樣大大提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，使用戶減少了調(diào)試的工作，同時(shí)系統(tǒng)的體積很小，抗干擾能力大大增強(qiáng)。</p><p>　　本系統(tǒng)PLC控制程序由主程序和4個(gè)子程序組成，如圖13所示。</p><p>　　圖13 PLC控制主程序流程圖</p><p>　　5.2.3.2 變頻器主要功能的預(yù)置

80、</p><p>　　雖然空壓機(jī)對(duì)系統(tǒng)調(diào)速的精度要求不高，但要使系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，工作可靠，就必須正確設(shè)置變頻器的各種性能。變頻器功能的設(shè)定通過變頻器操作面板上的相關(guān)按鍵確認(rèn)。</p><p>　　1 頻率功能的預(yù)置</p><p>　?。?）最高頻率 空壓機(jī)屬于平方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載。因此，變頻器的工作頻率是

81、不允許超過額定頻率的，其最高頻率只能與額定頻率相等，即fmax＝f0＝50Hz,</p><p>　?。?）上限頻率 一般說來，上限頻率以等于額定頻率為宜。但有時(shí)也可以預(yù)置得略低一些，原因有二：一是變頻器內(nèi)部有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，同在50Hz的情況下，空壓機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要高于工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而增大了空壓機(jī)和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載．二是變頻調(diào)速系統(tǒng)在50 Hz下運(yùn)行時(shí)，還不如直接在工頻下運(yùn)行，可以減少變頻器本身的損失

82、。因此，將上限頻率預(yù)置為49Hz或49.5 Hz是適宜的。</p><p>　?。?） 下限頻率 在空壓機(jī)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低，會(huì)出現(xiàn)空壓機(jī)的出口壓力小于實(shí)際壓力，形成空壓機(jī)“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。所以，下限頻率不能太低。</p><p>　?。?） 起動(dòng)頻率 空壓機(jī)在起動(dòng)時(shí)，如果從0Hz開始起動(dòng)，空壓機(jī)沒有壓力輸出，為減少調(diào)節(jié)時(shí)間，應(yīng)預(yù)置起動(dòng)頻率值為15～20Hz，即設(shè)置變頻器PID輸出值的下限為最

83、大值的30%～40%。   </p><p><b>　　2 升速、降速時(shí)間</b></p><p>　　由于空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)不需頻繁的起、停，對(duì)于起、停時(shí)間無嚴(yán)格要求。整定變頻器的升、降速時(shí)間時(shí)主要考慮升、降速時(shí)間過短，變頻器可能因過流或過壓而跳閘；升、降速時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)使變頻器調(diào)速系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，造成管路中欠壓或超壓時(shí)間過長(zhǎng)，滿足不了恒壓控制要求。因

84、此，升、降速時(shí)間的確定，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來決定。</p><p><b>　　6 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　本文介紹了基于PLC的變頻調(diào)速的空壓機(jī)恒壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)空壓機(jī)電機(jī)變頻運(yùn)行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。工作可主要

85、概括如下:</p><p>　　（1） 變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、空壓機(jī)電機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，分別采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給PLC的PID模塊，PLC根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算，發(fā)出指令，對(duì)空壓機(jī)電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。PLC上接工控計(jì)算機(jī)，上位

86、機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對(duì)恒壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。</p><p>　?。?） 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)含有主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)以及PLC的選型與配置。在硬件系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)中，采用一臺(tái)變頻器連接4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，都具有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，電機(jī)通過兩個(gè)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，電機(jī)只通過一個(gè)接觸器與變頻輸出電源連接。</p><p>　　（3） 在控制電路的設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)PLC設(shè)備，PLC輸

87、出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機(jī)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離。控制電路之中存在電路之間互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)分組的組內(nèi)自動(dòng)循環(huán)，所以電路的互鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。</p><p>　?。?） 該系統(tǒng)采用的是西門子可編程序控制器S7-200系列，系統(tǒng)所需的輸入4個(gè)點(diǎn)，輸出8個(gè)點(diǎn)，CPU 224共有14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。</p&

88、gt;<p>　?。?） 由于該系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大無法突變的系統(tǒng)，不需要過高的響應(yīng)速度，因而在設(shè)計(jì)思路上以查詢方式為主，中斷方式為輔，采用模糊控制法對(duì)系統(tǒng)PID參數(shù)進(jìn)行整定，這樣大大提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，使用戶減少了調(diào)試的工作，同時(shí)系統(tǒng)的體積很小，抗干擾能力大大增強(qiáng)。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文的全部工作是在劉老師的

89、親切關(guān)懷和悉心的指導(dǎo)下完成的。</p><p>　　導(dǎo)師崇高的人格、敏捷的思維、淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、深厚的專業(yè)功底以及追求真理、勇于創(chuàng)新的精神給我留下了深刻的印象，使學(xué)生受益終身，也將永遠(yuǎn)激勵(lì)和鞭策著我刻苦學(xué)習(xí)，努力工作。導(dǎo)師不僅在學(xué)業(yè)上為我嘔心瀝血，還在工作中為我指明了方向，在生活中給予我無私的關(guān)懷和傳授我許多做人的原則。我在工作和學(xué)習(xí)中的點(diǎn)滴進(jìn)步，都離不開導(dǎo)師的幫助。至此論文結(jié)稿之際，謹(jǐn)向我敬愛的導(dǎo)師致以

90、深深的謝意和崇高的敬意。</p><p>　　在論文進(jìn)行的整個(gè)過程中，作者參考了許多優(yōu)秀的教材、專著、科研論文和學(xué)位論文，受到了很多啟發(fā)，在此向收錄于論文參考文獻(xiàn)中的各位作者表示最誠(chéng)摯的謝意。</p><p>　　特別感謝給予我無私幫助和支持的父母和家人，是他們的奉獻(xiàn)、關(guān)愛以及支持和鼓勵(lì)使我的論文得以順利完成。</p><p>　　最后，向曾給我提供幫助而未提及的所

91、有親人、朋友、老師、同學(xué)和同志表示感謝。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?］杜金城,電氣變頻調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京: 中國(guó)電力出版社,2001</p><p>　?。?］邱文淵,童國(guó)道.國(guó)內(nèi)外變頻器技術(shù)的現(xiàn)狀及我國(guó)發(fā)展策略初探［J］.電子與自動(dòng)化，1995,(5): 3～5</p><

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99、<p>　　09/08 20:02 3kN微型裝載機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　09/20 15:09 45T旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸設(shè)計(jì)</p><p>　　08/30 15:32 5噸卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　10/30 17:12 C620軸撥桿的工藝規(guī)程及鉆2-Φ16孔的鉆床夾具設(shè)計(jì)</p&

100、gt;<p>　　09/21 13:39 CA6140車床撥叉零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)831003</p><p>　　08/30 15:37 CPU風(fēng)扇后蓋的注塑模具設(shè)計(jì)</p><p>　　09/20 16:19 GDC956160工業(yè)對(duì)輥成型機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　08/30 15:45

101、 LS型螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)</p><p>　　10/07 23:43 LS型螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　09/20 16:23 P-90B型耙斗式裝載機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　09/08 20:17 PE10自行車無級(jí)變速器設(shè)計(jì)</p><p>　　10/07 09:23 話機(jī)機(jī)座下殼模

102、具的設(shè)計(jì)與制造</p><p>　　09/08 20:20 T108噸自卸車拐軸的斷裂原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　09/21 13:39 X-Y型數(shù)控銑床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)</p><p>　　09/08 20:25 YD5141SYZ后壓縮式垃圾車的上裝箱體設(shè)計(jì)</p><p>　　10/07 0

103、9:20 ZH1115W柴油機(jī)氣缸體三面粗鏜組合機(jī)床總體及左主軸箱設(shè)計(jì)</p><p>　　09/21 15:34 ZXT-06型多臂機(jī)凸輪軸加工工藝及工裝設(shè)計(jì)</p><p>　　10/30 16:04 三孔連桿零件的工藝規(guī)程及鉆Φ35H6孔的夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　08/30 17:57 三層貨運(yùn)電梯曳引機(jī)及傳

104、動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　10/29 14:08 上蓋的工工藝規(guī)程及鉆6-Ф4.5孔的夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　10/04 13:45 五噸單頭液壓放料機(jī)的設(shè)計(jì)</p><p>　　10/04 13:44 五噸單頭液壓放料機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　09/09 23:40 儀表外殼塑料

105、模設(shè)計(jì)</p><p>　　09/08 20:57 傳動(dòng)蓋沖壓工藝制定及沖孔模具設(shè)計(jì)</p><p>　　09/08 21:00 傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)繪與分析設(shè)計(jì)</p><p>　　10/07 23:46 保護(hù)罩模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　09/20 15:30 保鮮膜機(jī)設(shè)計(jì)</p>

106、<p>　　10/04 14:35 減速箱體數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　10/04 13:20 鑿巖釬具釬尾的熱處理工藝探索設(shè)計(jì)</p><p>　　09/08 21:33 分離爪工藝規(guī)程和工藝裝備設(shè)計(jì)</p><p>　　10/30 15:26 制定左擺動(dòng)杠桿的工工藝規(guī)程及鉆Ф12孔的夾具設(shè)計(jì)&

107、lt;/p><p>　　10/29 14:03 前蓋板零件的工藝規(guī)程及鉆8-M16深29孔的工裝夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　10/07 08:44 加油機(jī)油槍手柄護(hù)套模具設(shè)計(jì)</p><p>　　09/20 15:17 加熱缸體注塑模設(shè)計(jì)</p><p>　　10/07 09:17 動(dòng)模底板零件的

108、工藝規(guī)程及鉆Φ52孔的工裝夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　10/08 20:23 包縫機(jī)機(jī)體鉆孔組合機(jī)床總體及夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　09/21 15:19 升板機(jī)前后輔機(jī)的設(shè)計(jì)</p><p>　　09/09 22:17 升降式止回閥的設(shè)計(jì)</p><p>　　09/22 18:52 升降

109、桿軸承座的夾具工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　09/09 16:41 升降杠桿軸承座零件的工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　08/30 15:59 半自動(dòng)鎖蓋機(jī)的設(shè)計(jì)（包裝機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)）</p><p>　　08/30 15:57 半軸零件的機(jī)械加工工藝及夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　10/29

110、 13:31 半軸零件鉆6-Φ14孔的工裝夾具設(shè)計(jì)圖紙</p><p>　　09/26 13:53 單吊桿式鍍板系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　08/30 16:20 單級(jí)齒輪減速器模型優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　08/30 16:24 單繩纏繞式提升機(jī)的設(shè)計(jì)</p><p>　　09/09

111、23:08 臥式加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)</p><p>　　09/08 22:10 厚板扎機(jī)軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　09/18 20:56 叉桿零件的加工工藝規(guī)程及加工孔Φ20的專用夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　08/30 19:32 雙臥軸混凝土攪拌機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)</p><p>