1、PLC在往复式两级压缩机保护中的应用四川理工学院毕业设计（论文） PLC在往复式两级压缩机保护中的应用学 生：郭 攀学 号：*专 业：自动化班 级：2004.2指导教师：* 四川理工学院电子与信息工程系二OO八年六月摘 要本课题针对重庆长风化工厂往复式两级压缩机控制系统的单片机电路板老化，运行不稳定，经常出现故障的问题，提出使用S7-200对该控制系统进行改造，通过软硬件的设计，实现了对该往复式两级压缩机的监控报警和联锁停车功能，降低了系统的故障率，增强了系统的稳定性和抗干扰能力，对于复杂的工况能够更好地适应，从而提高了该往复式两级压缩机的工作效率。关键词：往复式压缩机；联锁报警；PLC硬件设
2、计；梯形图；Micro/WIN V4.0ABSTRACTThe topic for reciprocating chemical plant in Chongqing Changfeng two compressor control system of an ageing MCU circuit boards, running instability, frequent failure of the problem and the use of S7-200 of the control system, through the design of hardware and software A
3、nd realized the two of the reciprocating compressors and chain-stopping alarm monitoring function and reduce the failure rate of the system, enhancing the systems stability and anti-jamming capabilities for complex conditions to better adapt to improve Two of the reciprocating compressor efficiency.
4、 Key words: Reciprocating compressors；chain alarm； PLC hardware design； ladder；Micro / WIN V4.0第1章引 言化工生产中，往往要求物料具有一定的压力，压缩机作为一种提高气体压力设备，具有很广应用面。实际上，压缩机在化工厂中通常作为重要设备，其正常运行时的监控以及保护要求非常严格。往复式压缩机属于压缩机中分支活塞式压缩机的一种，他是一种小功率压缩机，分成若干级，每一级压缩比是恒定值，逐级提高被压缩气体压力值。传统的往复式压缩机控制往往采用单片机控制系统，随着使用年限以及新型控制系统的发展，单片机控制系统的
5、成本相较于新型控制系统成本偏高，并且维护与替换越来越不方便。可编程控制器(PLC)是一种新型的通用控制装置，他将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，专为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境适应性好、编成简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。近年来，随着可编程控制器的日渐成熟，越来越多设备的控制都采用PLC控制器来代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。S7-200是西门子公司生产的S7系列可编程控制器中的一种小型PLC，使用于逻辑控制，顺序控制等领域，使用它对往复式压缩机的启动与日常运行进行实时检测监控，当有危险物理信号产生时，通过检测变
6、送装置送入PLC，运算后进行相应的报警输出，并作用于报警装置(报警灯和报警喇叭)。若检测到危机生产安全的物理信息，PLC会马上联锁压缩机电机，进行相应放空。该系统可以与传统控制系统配合使用，也能接入现场总线，组成分散控制、集中管理的分布式控制系统(DCS)。第2章方案设计2.1 往复式两级压缩机简介往复式空压机是一种变容式压缩机，属于活塞式压缩机的一种。这种压缩机将封闭在一个密闭空间内的空气逐次压缩（缩小其体积）从而提高其气压。它以汽缸内的一个活塞作为压缩位移的原件来完成其压缩过程。2.1.1往复式压缩机的分级往复式压缩机的级数按照气缸的个数来进行划分，当压缩机只有一个汽缸，即压缩过程仅靠活塞
7、的一侧来完成压缩工作，该往复式称为单作用压缩机，也叫单级压缩机。如果是压缩机包含有两个气缸，两个汽缸同时工作，这样的往复式空压机称为两级压缩机。按此类推，当往复式压缩机包含有三个汽缸时，称为三级压缩机。一般压缩机的级数设计，是根据其所需的压缩功率来进行，许多功率超过75Kw的往复式空压机被设计为多级机组，压缩过程由双级或多级组成，每一级的压缩比是恒定的，级与级之间往往配装有缓冲罐进行压力稳定，本设计所控制的压缩机即是往复式两级压缩机。2.1.2 往复式压缩机的结构组成不管是几级的往复式压缩机，其结构构成都大抵分成以下三个部分：工作腔部分、机座部分、辅助部分。每个部分又由各个小的部件构成，以下详
8、细列出各个部分所包含的部件。1、工作腔部分：包括气缸 、活塞、气阀、密封，压缩工作便集中于该部分，气体通过进气阀被活塞的往复运动吸入气缸进行压缩，然后通过出气阀排出，进入下一级，再重复此操作。密封装置是比不可少的，气缸外部的填料便是进行密封作用。2、机座部分：包括机身、曲轴、连杆、机座。起固定、连接工作腔部分作用，包括固定驱动系统、润滑系统。机座部分使压缩机能够平稳工作。3、辅助部分：辅助部分包括冷却系统、润滑系统、驱动装置、管路系统。辅助部分是与压缩机紧密配套的，尤其是冷却系统系统，压缩过程中，被压缩气体由于受到外来功率，温度会升高。过高的温度非常不利于压缩机的正常运行，甚至会造成大的事故。
9、压缩机的主要冷却部位有以下几处：级间冷却、末级排出气体冷却、气缸冷却、润滑油冷却。冷却有三种配制方案：串联、并联、混联。对于两级往复式压缩机，可用并联式冷却。润滑系统为压缩机的运动部分提供油，他由油箱、油泵、喷射器组成。2.2 往复式压缩机的工艺要求2.2.1 往复式压缩机的工艺流程典型往复式两级压缩机工艺流程如图2-1所示，润滑系统工艺流程如图2-2。图2-1中：原料气通过进气进入脉冲罐，脉冲罐的作用主要是起压力去峰值。然后进入第一级气缸，被压缩后送到第一级出口脉冲罐，通过中间冷却器冷却降温，后送入气液分离罐，该罐一般配有独立的液位控制系统，自动控制液体排放。然后气体进入第二级进口脉冲罐，送
10、到第二级气缸进行压缩，再经过第二级出口脉冲罐送往后续工段。在进气口与第二级出气口之间有一条旁路控制系统，当两端气压偏离正常范围时，调整旁路上的阀门开度，两端压力向正常范围趋近。图2-2中，抽油泵从油箱中将润滑油抽送至喷射器，由喷射器将润滑油均匀喷洒至各连动部位。该过程是一个连续过程，润滑完成的油液通过回收装置送至润滑油冷却器进行冷却，冷却完成之后又送回油箱，供循环使用。图2-1 典型往复式两级压缩机工艺流程图图2-2 润滑系统工艺流程2.2.2 往复式压缩机各参数对压缩机的影响在分析被控参数对压缩机的影响时，首先假设一种气体的压缩系数和比热容比在压缩机的压缩过程中变化不大，在该假设前提下，压缩
11、机将受各种因素的影响如下：1、吸入压力 降低入口吸入压力会导致压缩比增加和升高排出温度。增加压缩比会导致活塞连杆的负荷和功率的需求增加。提高吸入压力，会得到相反的结果。过高的增加派出温度会导致润滑油失去润滑功能。2、排出压力 若吸入压力稳定，降低派出压力，会降低压缩比和排出温度。若增加排出压力，将会相反增加压缩比和排出温度。过高的增加排出压力，会导致部分被压缩机气体被压缩成液体，当液体存在于汽缸内时，会导致润滑油故障、阀门损坏或是导致汽缸和驱动部件严重损坏。3、入口温度 若压缩比保持不变，增加入口温度会增加出口温度，反之则下降。4、入口体积流量变化 入口流量变化会造成压缩机所需功率变化。在实际
12、生产中，往复式压缩机一般都是关键性的设备，若是压缩机停止工作，往往整个装置乃至整个工段都可能要挺下来。2.2.3 往复式两级氮气压缩机的工艺要求从界区来的常压氮气经由第一级气缸吸入，送入冷却器进行冷却，然后进入缓冲罐进行气液分离，缓冲罐必须周期性排放液体。压缩、冷却、气液分离后送入第二级压缩气缸压缩。常压氮气经过压缩机压缩后压力达到1.5Mp，氮气压缩机必须在有润滑油润滑时工作，没有润滑时联锁停车。为了使压缩机正常工作以及氮气的压力值达到额定要求，对压缩机的各级参数作了响应的规定：润滑油压力第一级吸入压力第二级排出压力第一级排出温度第二级排出温度润滑油温度高第一级排出压力关缓冲罐压力2.3 控
13、制要求现实中，生产过程并不是一成不变的，一个突发事件，一个参数的变化都会对后续工段产生影响。在生产中，人们不可能直接预知到这些突然发生的变化，只能检测到已经发生或者正在发生的变化，通过经验进行相应的处理，消除这些变化，或者将变化保持在可控范围内。往复式氮气压缩机的运行同样如此，工艺及设备上控制要求：1、当润滑油压力达到设定低值时，相应控制柜上的报警灯闪烁，与此同时公共报警喇叭鸣叫，人为处理后报警消除。2、当第一级吸入压力达到设定低值时，相应控制柜上的报警灯闪烁，与此同时公共报警喇叭鸣叫，人为处理后报警消除。3、当第二级排出压力达到设定高值时，相应控制柜上的报警灯闪烁，与此同时公共报警喇叭鸣叫，
14、人为处理后报警消除。4、当第一级排出温度达到设定高值时，相应控制柜上的报警灯闪烁，与此同时公共报警喇叭鸣叫，人为处理后报警消除。5、当第二级排出温度达到设定高值时，相应控制柜上的报警灯闪烁，与此同时公共报警喇叭鸣叫，人类处理后报警消除。6、当润滑油温度达到设定高值时，相应控制柜上的报警灯闪烁，与此同时公共报警喇叭鸣叫，人为处理后报警消除。7、当第一级排出压力达到设定高值时，相应控制柜上的报警灯闪烁，与此同时公共报警喇叭鸣叫，人为处理后报警消除。8、当缓冲罐压力达到设定高高值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。9、当润滑油压力达到设定低低值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。
15、10、当第一级吸入压力达到设定低低值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。11、当第二级排出压力达到设定高高值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。12、第一级排出温度达到设定高高值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。13、当第二级排出温度达到设定高高值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。14、当第一级排出压力达到设定高高值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。15、当驱动电机电流达到设定高值时，联锁压缩机驱动电机与润滑油泵，压缩机停车。2.4 控制方案根据工艺及设备所提出的控制要求，现提出以下两套控制方案：方案一、单片机控制系统：使用单片机电路扳子
16、与继电器组成控制系统，完成往复式压缩机的启动、停车、报警、联锁。该控制系统成本低，控制条件成熟，程序编写方便。但由于生产单片机的厂家教多，缺乏统一的标准，使得日常的管理以及维护十分不便。，方案二、可编程控制器控制系统：使用可编程控制器（PLC）与继电器报警开关组成，编写相应的控制程序进行启动、停车、联锁、报警。使用可编程控制器来进行控制，系统的抗干扰性好，运行稳定可靠，故障率低，并且检查故障非常方便。由于该往复式氮气压缩机工作环境比较潮湿、恶劣，单片机电路板容易被腐蚀，加之现行工厂多数使用与控制系统相比廉价的分布式控制系统（DCS），单片机控制系统与现场总线之间的通信没有时下普遍使用的PLC方
17、便，为了便于工厂进行集中管理，使用可编程控制器（PLC）对该往复式压缩机进行控制。第3章系统的硬件设计3.1 可编程控制器（PLC）简介可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内，使控制器和被控对
18、象连接方便。3.1.1可编程控制器（PLC）定义国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。3.1.2可编程控制器（PLC）的基本结构可编程控制器（PLC）主要由CPU模块，输入模块、输出模块组成（见图3-1）。PLC的特殊功能模块用来完成某些
19、特殊的任务。1、CPU模块：CPU模块是由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在整个控制系统中，它相当于人的大脑，不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来存储程序和数据。2、I/O模块：输入（Input）和输出（Output）模块简称I/O模块，是联系外部现场设备和CPU模块之间的桥梁。输入模块用于接收和采集信号，接收各个开关所传来的开关量输入。CPU度取这些输入后，执行用户程序，将执行结果送到存储器，输出模块从存储器中读取输出，并将输出送至于执行单元，如接触器、指示灯等。3、编程器：编程器是用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序执行情况。4、电源：可编程
20、控制器一般使用AC 220V电源或者DC 24V电源。图3-1 可编程控制系统示意图3.1.3 可编程控制器（PLC）的工作原理当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。PLC正是采用这种“顺序扫描，不断循环”的扫描方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指
21、令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。通常的扫描过程如图3-2。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的
22、执行而改变。图3-2 PLC的扫描工作过程3.1.4 可编程控制器（PLC）的特点以及应用领域随着PLC的不断发展，目前它已经广泛的应用在几乎所有的工业部门，从实践生产中比较于其他控制系统，PLC具有以下显著优势：1、可靠性高，抗干扰能力强2、编程方法简单易学3、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造4、体积小，重量轻，能耗低5、配套齐全，功能完善，适用性强6、功能强，价格性价比高由于PLC相较于其他控制系统的显著特点，目前它已经广泛的应用在几乎所有的工业部门，总的来说PLC的应用主要可以归纳为以下几个方面：1、开关量的逻辑控制：这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路
23、，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。2、模拟量控制：在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制：PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。4、过程控制：过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。5、数据处理：现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操
24、作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。6、通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.2 S7-200 PLC 简介西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC，可用于代替继电器的简单场合控制，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能发挥作用。S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表、功能块图来编程。3.2.1 S7-200新一代产品介绍西门子公司2004年推出了S7-200新一代产品，包括升级产品CPU224和CPU226，全新产品CPU224XP和TD200
25、C及编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0和软件PC Access V1.0。最新升级的S7-200 系列CPU224和226产品新老兼容性100%，运算速度提高40%，程序存储区扩大50%，数据存储区扩大60%，可选择在线程序编辑，同时增加CPU诊断LED、数据记录指令、配方指令、PID自整定指令、线性斜坡脉冲指令等。而全新产品CPU224XP除了具备升级CPU的突出特性外，还集成有模拟量通道(2模拟量输入，1模拟量输出)，且具备双通信口(RS-485)，高速脉冲输出率提高500%(100KHz)，2相高速计数器频率提高500%(最大100KHz)，另外增加漏型或源型脉冲输出，T
26、TL24 VDC高速计数器。3.2.2 S7-200 CPU模块介绍S7-200有5种CPU模块共有的技术指标和特有的指标分别见表3-1、表3-2。表3-1 CPU模块的共同技术指标项 目技术指标用户存储器类型EEPROM最大数字量I/O映像区128点入，128点出最大模拟量I/O映像区32点入，32点出内部标志位（M寄存器）256位掉电永久保护112位超级电容或电池保护256位定时器总数1ms器10ms器100ms器256个4个16个236个计数器总数（超级电容或电池保护）256个布尔运算执行速度037s/指令顺序控制继电器256点定时中断2个，1ms分辨率硬件输入边沿中断4个可选滤波时间输
27、入0212。8ms表3-2 CPU模块的共同技术指标特 性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸90*80*6290*80*621205*80*621205*80*62190*80*62用户数据储存区/B可在运行模式下编辑不能在运行模式下编辑409640964096409681921228812288163841638424576数据存储区/B2048204881921024010240掉电保持时间典型值/H5050100100100本机数字量I/O本机模拟量I/O6入/4出-8人6出-14入/10出-14入/10出2入/1出24入/16出-数字量I/O映像区
28、256（128入/128出）模拟量I/O映像区无16入/16出32入/32出扩展模块数量-2个7个脉冲捕捉输入个数681424高速计数器个数单相高速计数器个数双相高速计数器个数4个4路30KHZ2路20KHZ6个6路30KHZ4路20KHZ6个4路30KHZ3路20KHZ6个4路30KHZ2路20KHZ高速脉冲输出2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路100KHZ2路20KHZ实时时钟有（时钟卡）有（时钟卡）有有有RS485通信口11122DC24V电源输入电流/最大负载80mA/450mA85mA/500mA110mA/700mA120mA/900mA150mA/105mAAC220
29、V电源输入电流/最大负载15mA/60mA20mA/70mA30mA/100mA35mA/100mA40mA/160mA模拟量调节电位器1个，8位分辨率2个，8位分辨率可选卡件存储器卡、电池卡和实时钟卡存储器卡和电池卡以上五种CPU模块，除了CPU221无扩展功能，适用于作小点数微型控制器，其他模块均有扩展功能。3.2.3 S7-200扩展模块介绍除CPU221外，其他的CPU模块均可以配接多个扩展模块，连接到CPU模块放到最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧模块相连。扩展模块分数字量扩展模块和模拟量扩展模块，其基本的技术指标分别见表3-3、表3-4。表3-3 数字量扩展模块的一般技术数据型 号各
30、组输入点数各组输出点数EM221 8点DC24V输入4，4-EM221 8点AC230V输入8点相互独立-EM221 16点DC24V输入4，4，4，4-EM222 4点DC24V输出5A-4点相互独立EM222 4点继电器输出10A-4点相互独立EM222 8点DC24V输出-4，4EM2228点继电器输出-4，4EM222 8点AC230V输出-8点相互独立EM223 DC4输入/DC4输出44EM223 DC4输入/继电器4输出44EM223 DC8输入/继电器8输出4，44，4EM223 DC8输入/DC 8输出4，44，4EM223 DC16输入/DC16输出8，84，4，8EM223 DC16输入/继电器16输出8，84，4，4，4表注：EM表示是扩展模块，EM后面的第一位数据2表示S7-200，第二位数据2表示数据量，第三位数据1表示输入点，2表示输出点，3表示输入输出点。表 3-4 模拟量扩展模块技术数据模块EM231EM232EM235点数4路模拟量输入2路模拟量输入4路输入，1路输出表注：EM表示是扩展模块，EM后面的第一位数据2表示S7-200，第二位数据3表示模拟量，第三位数据1表示输入点，2表示输出点，5表示输入输出点。3.3 变送
