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1、大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：可编程控制器在空压机变频改造中的应用研究学习中心： 江苏南通奥鹏 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2009年春季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 2011年3月2日 III可编程控制器在空压机变频改造中的应用研究内容摘要空压机是一种用来压缩气体提高气体压力的机械，广泛地应用在采矿、冶金、机械制造、石油化工以及国防工业中。而空压机生产压缩空气的过程是重要耗能环节之一，同时，空压机的加、卸载工作方式会产生很多缺陷。相关资料表明：使用变频调速技术能很好地
2、克服上述缺点。而对空压机进行变频改造，控制系统的稳定性和有效性非常重要。本文通过实践介绍了基于PLC的空压机变频改造系统设计、基本工作原理和主要实现形式，为实现空压机变频改造的稳定性和有效性提供了可行的解决办法。关键词：空压机；PLC；变频改造目 录内容摘要I引 言11 PLC的结构、工作原理及系统设计31.1 PLC的结构31.2 PLC的主要组成部分41.3 PLC的工作原理51.4 循环扫描技术51.5 PLC的编程工具61.6 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤61.7 PLC控制系统发展趋势72 变频调速技术概述92.1 变频调速原理92.2 变频调速的主要功能92.3 变频器的选
3、取102.3.1 变频器的发展概况和过程102.3.2 变频器的控制方式102.3.3 变频器的选取原则103 基于PLC的空压机变频改造设计123.1 车间空压机运营情况简介123.2 螺杆空压机变频控制系统设计123.2.1 系统构成123.2.2 基本工作原理133.2.3 智能PID控制器设计133.3 变速驱动空压机能效特点154 空压机变频改造实现174.1 硬件选择174.2 电气原理图的绘制174.3 可编程控制器程序的编写184.4 系统改造中应注意的问题204.5 节能效果分析215 结论22参考文献23引 言压缩空气是工业上常用的能源介质之一，是用以驱动风镐、风钻等风动机
4、械的原动力，其最大的优点是能够利用取之不尽、用之不竭的自由空气。与电力相比，它具有以下特点：不产生火花；不怕超负荷；无触电危险；在湿度大、温度高、灰尘多的环境中能很好的工作1。空气压缩机(简称空压机)是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。随着生产技术的不断发展，压缩机的种类和结构型式也日益增多。目前不但广泛地应用在采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化工、制冷与气体分离工程以及国防工业中。而且医疗、纺织、食品、农业、交通等部门，对压缩机的需要也在不断地增加。而空压机生产压缩空气的过程是工业生产中的重要耗能环节之一。空压机在很多工矿企业中是不可缺少的设备。同时，配套电动机容量的设
5、计裕量一般偏大，且往往是常年连续运行，系统能源浪费巨大，运行成本高。因此，空压机的节能潜力很大。空压机(螺杆式)传统工作方式为进气阀开、关控制方式。即压力达到上限(emax)时关阀，压缩机进入轻载运行；压力达到下限(Pmin)时开阀，压缩机进入满载运行。压缩机这种加、 卸载方式，使得压缩气体的压力在Pmin-Pmax之间来回变化。这里，Pmin为能够保证用户正常工作的最低压力值，Pmax为设定的最高压力值。一般情况下，Pmax为(1.1125)Pmin。空压机这种加、卸载工作方式，优点是控制方式简单，成本较低，但会造成如下负面效果2：空载运行浪费很多能量。压缩空气压力超过Pmin时，压缩机还要
6、使其压力继续上升到Pmax才关阀，这一过程需要电源提供空压机能量；当P=Pmax时，关闭进气阀，空压机不再压缩气体做功，但空压机的主电机还在运转，此时能耗约占空压机满载运行的3070，属非经济运行，电能浪费严重。主电机虽然以星三角降压起动，但起动时的电流仍然很大，大约是额定电流的57倍，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以对设备的维护量大。减压阀减压能量浪费。气动元件的额定气压在Pmin左右。高于Pmin的气体在进入气动元件之前，要经过减压至接近Pmin值，同样是一个耗能过程。空压机电动机容量的浪费。设计者考虑空压机满载运行的可能，空压机
7、电动机容量按最大需要选择，但实际运行中，轻载运行时间所占比例是非常高的，造成很大能量浪费。靠机械方式频繁地调节阀动作，加速了调节阀的磨损，缩短寿命，增加维护工作量，加大成本。经查阅资料，使用变频调速技术能很好地克服上述的缺点。而对空压机进行变频改造，整体控制系统的稳定度和有效性非常的重要。而基于可编程序控制器(PLC)对空压机进行变频改造可以很好的提高整个系统的稳定性和有效性，是空压机改造的一个未来发展方向之一3。本文基于可编程控制器对空压机变频改造进行了研究、实践，希望本文的研究可以提高我国空压机的应用精度，降低使用能耗。1 PLC的结构、工作原理及系统设计1.1 PLC的结构PLC实质是一
8、种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类4。整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。其基本结构框图如图1.1所示。电源中央处理器（CPU）输入/输出单元存储器系统总线编程器图1.1 整体式结构模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相
9、应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。基本结构框图如图1.2所示，设计采用的是模块式结构。 机 架编程器现场设备其他PLC或上位机电源模块CPU模块通信模块输入模块输出模块特殊功能模块图1.2 模块式结构1.2 PLC的主要组成部分（1）中央处理器中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器
10、内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、调用系统程序对用户程序进行编辑或编译并把相应的操作数转存到内存中去、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。（2）存储器根据存储器存储内容的不同，把存储器分为：系统程序存储器：用来存放系统程序的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。用户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行
11、中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。（3）输入/输出（I/O）单元输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。（4）电源部分不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。（5）通信端口PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或
12、上位机相连。（6）编程器几乎每个PLC厂家都有自己的编程器。用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。（7）特殊功能单元主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/0模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。1.3 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断
13、电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。 1.4 循环扫描技术PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程如图1.3所示。程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段图1.3 循环扫描在输入阶段中，P
14、LC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。1.5 PLC的编程工具PLC的编程主要是通过编程器或用PLC公司提供的编程软件来完成。每个PLC公司都有自己的编
15、程器，一般它比较小，而且比较轻，适合在现场使用。但是它只能使用助记符语言对PLC进行编程，而且由于屏幕较小，每次只能显示一两行程序，难于对程序从整体上进行分析。PLC公司提供的编程软件则能使用梯形图、助记符或功能块图语言进行编程。通过编程软件，不仅能在一个屏幕上看到十几页，甚至几十页的程序，从宏观上对程序进行编辑和分析，而且它还能对程序的运行情况进行监视5。1.6 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模
16、块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。软件部分主要包括对PLC进行I/O点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配，PLC控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等。PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则。（1）根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。（3）考虑到以后控制要求的变化，所
17、以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。（4）控制系统使用和维护方便、安全可靠。 具体操作如下：（1）控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。（2）确定输入/输出设备根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定PLC的I/0点数。（3）选择合适PLC确定PLC的I/0点数后，就根据I/0点数、控制要求等来进行PLC的选择。选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和
18、智能模块等。（4）I/0点数分配点数分配就是规定PLC的I/0端子和输入/输出设备，画出I/0接线原理图。（5）PLC程序设计首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。（6）模拟调试程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。（7）现场联机调试现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。（8）整理技术文件这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理
19、图、程序清单和使用说明书等。1.7 PLC控制系统发展趋势PLC的主要发展趋势主要表现在以下几个方面4：（1）高速度、高I/0容量、功能强大随着CPU处理速度的提高，PLC程序执行的速度也越来越快；大规模和超大规模集成电路的发展，相应地使I/O的容量也得到增加；智能模块的增加，使PLC能够实现的功能越来越多。（2）强大的PLC联网能力随着人们对工业自动化的要求越来越高，人们已经不再满足对几个设备、几条生产线的PLC控制，而是要求实现对全工厂的自动化，所以提高PLC控制系统的网络功能成为PLC的发展趋势。以后人们不仅能通过通信模块进行PLC与PLC、PLC与上位机之间的连接，还能通过拨号或者无线
20、的方式使PLC联网。（3）编程软件多样化PLC的梯形图语言、助记符语言和功能模块语言虽然使用方便，而且也能很好地实现控制要求，但是在处理一些高级功能（复杂运算、报表生成和打印等功能）时存在明显的不足，所以就要求高级语言（BASIC、C、FORTRAN等）、图形语言、汇编语言兼容。这样不仅可以通过梯形图语言、助记符语言和功能模块语言来编写程序，也可以通过高级语言来编程。2 变频调速技术概述2.1 变频调速原理变频调速技术可以节约能源，提高产品质量。而在通风空调设备中采用变频调速技术，可以降低空调能耗，本文研究如何在空压机中应用变频调速技术，来使空压机能耗降低。以下对变频调速的原理进行了研究：异步
21、电机的转速n可以表示为： （2.1）式中:-同步转速；-转差损失的转速；P-磁极对数；s-转差率；f-电源频率。分析式2.1，发现改变电源频率可以改变同步转速和电机转速。电源频率的下降会导致以下现象发生：磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这些现象是不允许的，因此要在降频的同时还要降压，因此要求频率与电压协调控制。此外，在许多应用场合，为了保持在调速时电动机产生最大转矩不变，这也需要维持磁通不变。因此这也是由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保
22、护电路以及控制器(MCU / DSP )等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽2。2.2 变频调速的主要功能（1）变频调速系统具有软起动功能，可抑制起动电流，减少机械振动，可无冲击地进行加减速运行，从而对机
23、械实现优化控制。（2）变频调速系统具有非常强的保护功能。如欠压、过压、缺相、过载，过电流、短路、瞬时停电等多项保护功能，系统可手动、自控、遥控，也可与可编程控制器、计算机等联接，实现闭环自动控制。其标准的积木式硬件结构以及模块化软件，使得它可以适应大小不同，功能繁锁的控制要求，并且采用电气操作人员习惯的梯形图与功能助记符编程，便于用户十分方便地读懂程序，编写、修改和扩展。系统有完善的诊断、监视、报警等功能，稳定性、抗干扰能力强，可以适应恶劣的工业环境。（3）变频调速系统具有检测显示，指令丢失的自动运行功能，频率设定，禁止功能，以达到防止机械系统发生共振的目的。2.3 变频器的选取随着计算机技术
24、的日新月异。现代电力电子技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步，变频器不仅用于一般性能的节能调速控制，而且已经用于高性能、高转速、大容量调速控制方面，变频器普遍的被冶金、机械、钢铁、纺织、造纸等企业选用。2.3.1 变频器的发展概况和过程交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一。这是与电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术、微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关的。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。自20世纪80年代初通用变频器问世以来，通用变频器更新换代了五次：第一代是80年代初的模拟通用变频器，第二代是80年代中期的数字式通用变频器，第三代是90年代初的智能型通
25、用变频器，第四代是90年代中期的多功能通用变频器，本世纪研制上市第五代集中型通用变频器。2.3.2 变频器的控制方式变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，对电动机提供电压、电流频率进行控制，达到负载的要求。因此就和变频器的主电路一样，逆变器件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。所以控制方式是很重要的，它代表变频器的水平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为uf恒定控制：转差频率控制；矢量控制；直接转矩控制；非线性控制；自适应控制；滑模变结构控制；智能控制6。2.3.3 变频器的选取原则变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用
26、中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义变频器选择时，应根据负载特性、工艺要求、工作环境、投资情况、能否完成调速功能、能否运用于不同负载，并且负载出现故障时能够起到有效保护等方面综合考虑。（1）容量选择根据电动机功率来做初步比较，更为仔细地按实际电流选择。一般变频器按4级电机标称电流，若带两种电机，更应注意电流容量。同时其保护动值也作相应修改。避免选用变频器驱动与其容量不符的电动机变频器在容量选择时主要考虑电机运行电流、过载倍数、负载特性等问题。（2）传动功能选择。根据所带电机负载变化特性，选择不同性能的变频器，在控制精度、反馈控制要求及给定方式比较，
27、并且考虑内部功能及其设置，使其达到良好控制，如果变频器控制的电机长期低速运行，则选型时要考虑适当加大变频器容量以保证电机更加良好运行此外，还要考虑环境温度，散热条件等其他因素（3）保护特性。变频器在出厂时都设定保护功能，为使系统能正常可靠地工作，应根据需要作相应调整。用一台变频器控制多台电动机时，除了电动机运行的总电流小于变频器额定电流外，还要使电动机最大电流的总和(例如加速电流)不得大于变频器的最大输出电流。此外，还至少要计算一台电动机起动电流的影响，以避免变频器瞬间过流保护，而造成系统死机。3 基于PLC的空压机变频改造设计3.1车间空压机运营情况简介为了满足给生产车间提供正压和负压的需要
28、，工厂设置了专门空压房。空压房内的正压系统配备有五台上海佳力士机械有限公司生产的OG160S27/0.8型空压机，单机产气量27m3/min，全部为无油螺杆型压缩机，具有操作简便，智能化程度较高的优点，正常运行为三用两备。上海佳力士机械有限公司生产的螺杆型压缩机的压力采用上、下限控制两点控制。当空气压缩机的压力达到设定值上限时，空气压缩机通过油压关闭进气阀。当空气压缩机的压力下降到设定值下限时，也通过油压打开进气阀。在生产中的用气量是时常变化的，这就导致了空气压缩机频繁的卸载和加载，这对空气压缩机、电动机和电网造成很大的冲击。当空气压缩机卸荷运行时，不产生压缩空气，电动机处于空载状态，其用电量
29、为满负载的60%左右。这部分电能被白白浪费。在这种情况下，对其进行变频改造是非常必要的。3.2螺杆空压机变频控制系统设计一般来说，变频技术能够通过控制螺杆压缩机内的电动机的转速，来改变压缩机主机的速度来，将压缩空气的供气与用气相匹配，这样可以使系统达到稳定系统压力，电流流量负荷降低。采用变频控制技术不仅有利于生产设备的稳定运行，更可以得到较好的节能效果。3.2.1 系统构成本文设计的变频控制系统的硬件组成主要有以下几个部分：智能PID控制器、电源切换柜、传感器、变频器和空气压缩机组成。在变频系统中安装电源切换柜，主要是为了加大系统安全系数。当变频系统出现故障时，仍能保证空气压缩机的正常运行；变
30、频器的主要作用就是控制电机的转速，实现变频节能技术；压力传感器的作用主要就是监控气体的压力；智能PID控制器主要作用是，通过相关算法保持系统输出的气体压力恒定7。供气管道电源切换柜变频器空气压缩机智能PID控制器压力传感器图3.1 系统组成框图3.2.2 基本工作原理变频控制系统是通过安装在压缩空气系统总管上的压力传感器检测到系统压力的变化传给PID控制器，PID控制器按照设定压力输出一个电流信号送到变频器。当压力传感器检测到的压力信号大于目标压力设定值时，PID控制器输出的信号减弱，使变频器输出频率降低，空气压缩机电动机转速降低，输送到管网的气量减少，系统压力降低；当压力传感器检测剑的压力信
31、号小于目标压力设定值时，PID控制器输出的信号增强，使变频器输出频率增加，空气压缩机电动机转速上升，空气压缩机输送到管删的气量增加，系统压力升高，从而达到稳定系统压力的目的。空压机变频控制电动机转速和电源频率的关系可由式3.1表示： （3.1）式中： n电动机转速； s电动机转差率； f电源频率； p电动机极对数。3.2.3 智能PID控制器设计（1）PID控制基本原理PID控制器由比例单元，积分单元，和微分单元组成。它结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。PID控制器的结构框图如图3.2所示u(t)+_r（t）e(t)比例P积分I微分D被控对象图3.2 PID系统框图其中r(t)为给定值，
32、e(t)为偏差值，u(t)为控制值。PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)相减构成的控制偏差e(t) (3.2)将式(3.2)中的控制偏差e(t)与比例环节P，积分环节I和微分环节D通过线性组合构成控制量输出u（t），对被控对象进行控制，故称为PID控制器。其控制规律为： (3.3)其中，为积分时间和微分时间，为比例系数。这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果的好坏。（2）PID控制器各参数对系统性能的影响比例增益的作用是为了及时的反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速减小。增大，PID控制器可以加快调节，但是过大的比
33、例增益会使调节过程出现较大的超调量，降低系统的稳定性。积分环节的引用是为了消除系统稳态误差，提高系统的无差度，以保证实际值对设定值的无静差跟踪。但积分环节的引入会使系统动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PID控制器。微分环节作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化规律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。微分作用的强弱取决于微分时间的大小，越大，微分作用越强，反之则越弱。（3）智能PID控制器设计本文设计的智能PID控制器的主要特点就是相关参数可变。为了保持系统输出压力的恒定，当压力偏差很大时，采用比例
34、P控制，让实际值快速趋近给定值，增强系统的快速性；而当压力偏差很小的时候，采用PI联用控制，增强系统的稳定性，抑制超调。系统框图如图3.3所示。变参数PID控制器系统响应方程传感器设定值实际值图3.3 系统框图系统程序逻辑框图如图3.4所示。否是测量到的压力值求系统偏差eE很大P控制PI控制图3.4 程序框图3.3 变速驱动空压机能效特点空压机的转矩负载在工作过程中比较恒定。因此，当空气压缩机内的电动机的功率与转速呈近似一次方的关系时，其消耗功率和负荷百分比的变化曲线如图3.5所示。图3.5 变频控制空气压缩机负荷功率对比曲线由于变速驱动过程存在一些内在损耗，因此变速驱动控制模式在负荷变化较大
35、且很少处于满载状态的单个压缩机应用场合工作效果最佳。在多级压缩机应用场合，变速控制压缩机应当只作为调节压缩机使用。针对本文而言，本文的压缩机不属于多级压缩机，所以应用起来比较适合。4 空压机变频改造实现4.1 硬件选择空压机冷却系统水泵控制系统使用的三菱FX2N-64MR-001型可编程控制器，外加了一模拟量输入模块FX2N-4AD-PT。压力表选择了磁助电接点压力表，量程为01.6Mpa。水泵变频器选用了三垦品牌风机水泵专用变频器，在型号和功率选择方面考虑可能性的重载而选择了SANKEN SHF-15K，功率为15KW。其它控制元器件如断路器、接触器、热继电器和中间继电器均选择西门子产品，其
36、它部分元器件如隔离开关、电度计量表和保险等选择国内正泰产品。4.2 电气原理图的绘制选用了AUTOCAD2004画图软件画制了电气原理图，详见附件一的电气接线图，在设计上为了控制能耗情况而设计了电能计量表，第二台水泵现采用工频控制，预留安装变频器控制的空间，内含有水池冷却塔控制电源，同时在第一台变频器控制水泵留有工频控制功能。详见图4.1电气原理图。图4.1 电气原理图4.3 可编程控制器程序的编写在可编程控制器的程序编写中，使用了三菱公司较新的编程软件：GX DEVELOPER。其具有较强大的功能，具有检测程序对否和纠错功能，可在线运行观察。在设制控制变频器运行中，对变频器设立了三档，由可编
37、程控制器对变频器进行控制及切换。其规定是按照程序设定的要求，管道内冷却水如超过第三档则停机开另一台工频水泵，如低于第一档则停机，具体设定如下：（1）变频器低速档：进水总管内温度低于20或回水总管内温度低于26或进水总管内压力高于0.45MPa。（2）变频器高速档：进水总管内温度高于28或回水总管内温度高于40或进水总管内压力低于0.25MPa。（3）变频器中速档：变频器低速档和高速档之外的状况。另设置了报警信号：进水总管内温度高于30，回水总管内温度高于45，进水总管内压力低于0.25MPa等。具体程序图如下：4.4 系统改造中应注意的问题（1）电动机的散热问题。电动机经过变频器变频后，转速降
38、低，其电机风扇的散热效果也要降低。（2）空压机的润滑问题。空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差。（3）系统压力设定问题。在满足生产工艺的要求下，压力设定越低越好，因为空压机的排气压力越高，所需的电机轴功率越大，电机耗电也就越多。（4）空压机不允许长时间在低频下运行，工作下限应不低于20 Hz。（5）考虑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。（6）为有效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，考虑选用输出交流电抗器滤波，还可以减少电机运行的噪音。（7）设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，可以自动切换，确保变频出现异
39、常跳保护时，不影响生产。4.5节能效果分析本文设计的变频控制系统在工厂中进行了真实的应用，应用后发现节能效果明显，使用变频控制系统的空气压缩机的能耗明显降低。加入变频控制系统前后电能节约情况如下表4.1 所示。表4.1 节能效果项目加入前加入后电流A500485电压V380230频率Hz5030实际功率kW250150节电率0040从上述数据可知，加入变频控制系统后，空气压缩机的节电效果十分明显。如果空压机工作时间每年按350天来计算，则每年可以节电。5 结 论 本文基于可编程控制器应用变频调速技术，对空压设备进行了节能改造。该变频调速系统最大的特点是采用了智能PID技术，既当空压机压力偏差很
40、大时，采用比例P控制，让实际值快速趋近给定值，增强系统的快速性；而当压力偏差很小的时候，采用PI联用控制，这样可以是空压设备的控制精度更高，节能效果也更好。通过该设备在工厂中的实际应用，发现该系统节能节电效果非常的明显。参考文献1周义德，李虹，樊瑞，等喷气织机用压缩空气性能分析研究棉纺织技术，2008，36(3)：19222高相铭基于艾默生EV2000的空压机变频改造电气时代，2007，4(3)：71733文丽松. PLC和变频器在矿山空气压缩机改造中的应用. 采矿技术. 2008, 8(5): 1011034吴中俊，黄永红可编程序控制器原理及应用北京：机械工业出版社5段铁群等基于PLC的模糊自整定PID参数控制器在变频调速恒压供气系统中的应用电机与控制学报2008（4）：3483516王鹏飞从变频技术的几种控制方式谈调速系统变频器的选择变频器世界2005(5)92937张金焕PID控制系统和模糊自适应PID控制系统的研究及比较武汉理工大学学报信息与管理工程版2009(5)：28729023