6ES7322-1HH01-0AA0性能参数

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由于I/O点数较多、数据处理量大，故在美国A-B公司的PLC5系列处理器中选用处理容量较大的PLC5/40处理挨。考虑到设施保护系统本身负责生产处理设备的安全保护功能，其自身可靠性非常重要，将处理器部分设计为冗余配置。两台处理通过DH+通信同步工作，但只有主处理器从远程I/O中读写数据。当主处理器发生故障时，从处理器立即接管远程I/O，同时升级为主处理器。

远程I/O部分选用A-B公司的1771远程I/O适配器。该适配器通过A-B公司的DH+数据总线与主处理器通讯，并刷新各输入/输出模块的I/O点状态。与远程I/O相连的现场设备，不仅包括各类传感器、执行器，还包括一些分散在现场的本地控制器，例如仪表气空压缩机控制器、干气压透平压缩机控制器，均为PLC5系列可编程控制器。考虑到设施保护系统对通信的高可靠性与实时性的要求，这些现场本地控制器不采用串行方式与设施保护系统通信，而使用0/24V开关信号直接受设施保护系统的控制。

人机界面，则由美国费舍尔-罗斯蒙特（Fisher-Rosemount）公司的RS3集散控制系统完成。该集散控制系统既是设施保护系统的人机界面，又是控制处理流程的生产控制系统。出于安全性方面的考虑，生产控制系统不对设施保护系统进行任何控制，仅对设施保系统监视。

为了达到企业管理和生产自动化的紧密结合，系统报表功能由一台与企业局域网相连的报表服务器完成。该服务器定时从生产控制系统与设施保护系统中读取数据，并将数据存入数据库，再自动调用Lotus Notes，将生产数据以电子邮件的形式投送到生产经理、生产监督等管理人员的电子信箱中。

3 设施保护功能的实现

为了达到保护生产设备的目的，需要通过梯形图程序对设备参数进判断并产生相应的关停指令。关停指令共有四种级别，依次是：Fire ESD（Fire Emergency Shut Down，火警紧急关停）、ESD（Emergency Shut Down紧急关停）、PSD（Process Shut Down，处理流程关停）以及USD（Unit Shut Down，生产单元关停）。

Fire ESD指令级别较高，由火灾报警盘报告火警信号产生。其动作是，关停生产平台的一切设备，同时启动海水消防泵与海水喷淋系统。ESD指令由一些表示严重生产事故的信号产生，例如，检测到天然气泄漏。其动作是，除应急发电机以外，关停其他一切设备。PSD指令由一些重要设备的非正常状态产生，例如压缩机喘震，仪表气压力低等。其动作是，关停3整个生产处理流程，但保持发电机、仪表气压缩机的运行。USD则是由局部非正常生产状态产生，例如PID控制回路大幅度震荡、分离器液位高等。其动作是，关停发生故障的生产设备。

整个设施保护系统的工作过程是：PLC处理器通过远程I/O对生产设备的压力、温度、流量、转速等状态进行判断。一旦检测到非正常工作情况，则立即将生产设备进行全部或局部关停，同时通过人机界面向操作员报警。

除了由传感器检测到的非正常生产状态可产生关停止指令以外，设施保护系统同时提供了手动按钮用以产生手动关停止指令。手动按钮散布在生产区各处，由操作人员根据具体事故情况决定是否发出关停指令。

设施保护系统还提供了旁通（Bypass）功能。当维修人员对传感器进行检测或维修时，为了防止设施保护系统产生误动作，需要在梯形图程序中设置旁通位，以便将被维护仪表产生的误关停信号进暂时屏蔽处理

1 引言

空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机自身存在着明显的技术弱点。当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源;异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命，压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大;工作条件恶劣，噪音大;自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。

针对以上存在的问题，设计采用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案，经分析，该方案自动化程度高，节能效果显著，实用性好。

2 空压机变频改造原理

2.1 空压机的工作原理

螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的较小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离，之后，油气经过油冷却器冷却在经过油过滤器流回储油罐，空气经过气后冷却器(空气冷却装置)进行冷却而进入储气罐。

2.2 空压机变频节能原理

螺杆式空压机基本运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,能源白白的浪费，如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。

2.3 变频改造注意事项

(1) 空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，有可保设备可靠稳定的运行。
(2) 空压机不允许长时间在低频下运行，工作下限应不低于20Hz。
(3) 建议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。
(4) 为了有效的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，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音。
(5) 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。

3 基于PLC的空压机变频控制系统

3.1 系统原理设计

控制系统由以下部分组成:变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器等。

基于PLC的变频控制系统原理图如图2所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制。包括五部分:起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。

(1) 起动:以两台电机M1，M2为例，可以通过转换开关选择变频/工频启动。
运行:正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。现场压力变送器管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，动动调节转速达到所需压力。
(2) 停止:按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。
(3) 切换:实现M1，M2工频、变频相互切换。
(4) 报警及故障自诊断:空压机内部一般有四个需要监测的量:冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。

3.2 案例分析

以某厂房空压机为例。改造前经测试参数如下:电机功率110kW，出口压力为5.9~6.5MPa，运行时间为12小时/天，一年运行320天，加载时间为15s，减载时间15s;加载电流为190A，减载电流为90A。经检测其节电率为30%以上。年节电量(按30%)计算如下:
W节电量=12×320×110×30%=1.27×105(k•Wh)

可见节电效果明显，此外，改造后系统还存在其它优点。首先，减少了机器的噪音。其次，两套控制回路可保证系统的正常、安全运行。最后，自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。

4 结束语

利用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案实验结果表明，改造后系统具有节约能源，自动化程度高，降低原系统噪音，减少设备维修量等优点，具有深入研讨的实用价值。

PLC程序现场调试通过后，才可以交给用户使用，或试运行。现场调试要事先编制好调试大纲。依照大纲，按部就班地一步步推进。
开始调试时，设备可先不运转，甚至了不要带电。可随着调试的进展逐步加电、开机、加载，直到按额定条件运转。具体过程大体是:
一、要查接线、核对地址。要逐点进行，要确保正确无误。可不带电核对，那就是查线，较麻烦。也可带电查，加上信号后，看电控系统的动作情况是否符合设计的目的。
二、检查模拟量输入输出。看输入输出模块是否正确，工作是否正常。必要时，还可用标准仪器检查输入输出的精度。
三、检查与测试指示灯。控制面板上如有指示灯，应先对应指示灯的显示进行检查。一方面，查看灯坏了没有，另一方面检查逻辑关系是否正确。指示灯是反映系统工作的一面镜子，先调好它，将对进一步调试提供方便。
四、检查手动动作及手动控制逻辑关系。完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。要查看各个手动控制的输出点，是否有相应的输出以及与输出对应的动作，然后再看，各个手动控制是否能够实现。如有问题，立即解决。
五、半自动工作。如系统可自动工作，那先调半自动工作能否实现。调试时可一步步推进。直至完成整个控制周期。哪个步骤或环节出现问题，就着手解决哪个步骤或环节的问题。
六、自动工作。在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作。要多观察几个工作循环，以确保系统能正确无误地连续工作。
七、模拟量调试、参数确定。以上调试的都是逻辑控制的项目。这是系统调试时，首先要调通的。这些调试基本完成后，可着手调试模拟量、脉冲量控制。较主要的是选定合适控制参数。一般讲，这个过程是比较长的。要耐心调，参数也要作多种选择，再从中选出较优者。有的PLC，它的PID参数可通过自整定获得。但这个自整定过程，也是需要相当的时间才能完成的。
八、完成上述所有的步骤，整个调试基本算是完成了。但较好再进行一些异常条件检查。看看出现异常情况或一些难以避免的非法操作，是否会停机保护或是报警提示。进行异常检查时，一定要充分考虑到设备与人身的安全！ 

PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。

为了安全考虑，较好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。据电工论坛李工介绍，程序的具体调试要按照以下的方法进行。

1.程序的模拟调试

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。

对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

2.程序的现场调试

程序的现场调试完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。

如果控制对象按照动作先后顺序运行，则可以采用顺序控制功能图（简称顺控图）设计法编程。顺控图也可称为状态转移图或顺序功能图等。顺控图是描述控制系统的控制过程、功能及特性的一种图形，也是设计PLC控制程序的有效辅助工具。西门子S7-300/400 PLC的编程软件中就提供了功能块图。

    顺控图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（也称命令）组成。以图5-7所示的送料小车项目为例，其工作过程的顺控图如图5-10所示。

图5-10 送料小车工作过程的顺控图

    1．步

    顺控图设计法是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为“步”，步是顺控图的较基本组成部分，它是某一特定控制功能的程序段。用矩形框表示步，框内的数字是步的编号，如图5-10 (a)所示。在设计梯形图时，用代表步的编程元件的元件号作为该步的编号，如图5-10 (b)中的W1.01～W1.04，100.00～100.03，这样再根据顺控图设计梯形图时就更方便了。

    步是根据输出线圈的ON/OFF状态的变化来划分的，在任何一步内，各输出线圈的状态不变，但是相邻两步输出线圈总的状态是不同的，步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与各输出线圈的状态之间存在着较为简单的逻辑关系。

    与系统的初始状态相对应的步称为“初始步”，初始状态一般是系统等待启动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，每一个顺控图至少应有一个初始步。

当系统正运行于某一步时，该步处于活动状态，称之为“活动步”。步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于非活动状态时，相应的非存储型动作被停止执行。

    2．动作

    步既然是某一控制功能的程序段，就要执行相应的动作，用另一个矩形框中的文字或符号来表示与该步相对应的动作，该矩形框应与对应步的矩形框相连，代表步的矩形框之间用有向线连接，如果有向线的方向是从上至下或从左至右的，则可以省略表示方向的头，参见图5-10 (b)。

    若某一步包含几个动作，可以选用图5-11中的某一种画法来表示，但是并不表示这些动作之间存在着任务顺序。说明命令的语句应清楚地表明该命令是存储型的还是非存储型的。例如，某步的存储型命令“启动1号泵并保持”，是指该步活动时开启1号泵，该步不活动时继续开着；而非存储型命令“打开2号阀”，是指该步活动时打开，不活动时关闭。

图5-11 单步多动作的画法示例

    3．转换与转换条件

    “转换”是某一步操作完成启动下一步的条件，当条件满足时执行下一步控制程序。转换在图中用短线表示，短线位于有向线上并与之垂直。“转换”旁边标注的是转换条件，转换条件是使系统由当前步进入下一步的信号。转换条件可以是外部的输入信号，如按钮、开关的通／断等；也可以是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器的触点提供的信号；转换条件也可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合，可以用文字、布尔代数表达式及图形符号来表述。

    顺控图设计法是指用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制PLC的各输出位。

    顺控图的结构可分为单序列、选择序列和并行序列三种，如图5-12所示。

    图5-12 单序列、选择序列和并行序列结构示意图

图5-12 (a)为单序列结构，没有分支，每个步后只有一个步，步与步之间只有一个转换条件。

    图5-12(b)为选择序列结构，选择序列的开始称为分支，转换符号只能标在水平线之下。步1之后有两个分支，二者不能同时执行，当步1正在执行（即活动步）且转换条件a满足时(a：1)，则转向步2；当步1为活动步且转换条件b满足时(b=1)，则转向步3。当步2或步3成为活动步时，步1自动变成不活动步。为了防止两个分支序列同时执行，应使两个分支序列互锁。选择序列的结束称为合并，转换符号要标在水平线之上。

    图5-12(c)为并行序列结构，并行序列的开始也称为分支。为了与选择序列结构相区别，用双线表示并行序列分支的开始，转换符号放在双线之上。当步1为活动步且转换条件a满足时，步2、3、4同时变为活动步，而步1变为不活动步。步2与步5、步3与步6、步4与步7是三个并行的单序列，表示系统的三个独立工作部分。并行序列的结束也称为合并，用双线表示并行序列的合并，转换符号放在双线之下。当各并行序列的最后一步即步5、6、7均为活动步且转换条件e满足时，将同时转向步8，且步5、6、7同时变为不活动步。

    现以动力头进给运动并钻孔过程为例，说明如何采用顺控图法设计控制程序。

    【例5-3】 某动力头进给运动并钻孔过程的示意图如图5-13所示。工艺过程与控制要求如下。

    图5-13 动力头进给运动并钻孔过程的示意图

    ①在图5-13中，动力头主轴电动机为M1，进给运动由液压驱动，液压泵电动机为M2，动力头的一个工作周期为：初始状态时动力头停在SQ1处，各电磁阀及电动机不工作。按启动按钮后，启动液压泵带动动力头从SQ1处快进，同时启动主轴电动机，到达SQ3处动力头转入工进，到达SQ5处动力头停留10 s并钻孔。10 s到时后转入快退并停主轴电动机，返回到SQ1处停液压泵电动机。

    ②动力头的工作模式分为自动循环和单周期工作两种，需配备一个模式选择开关。当动力头运动时，对应的电磁阀与电动机的实际通断情况见表5-3。

    表5-3 电磁阀与电动机工况运行表

注：表中“+”代表导通，“-”代表关闭。

本例选取欧姆龙小型机CP lH-XA40DR-A型PLC为控制器，其I/O分配见表5-4。

    表5-4 动力头进给控制I/O分配表

分析动力头的整个工作过程可以分为五步，绘制顺控图如图5-14所示。

    图5-14 动力头进给控制顺控图

    图5-14 (a)是顺控图的文字表达形式，将步号用PLC的内部工作位号代替，则可以转化为图5-14(b)的符号表达形式，这样更易于编写梯形图程序。针对图5-14 (b)需做以下几点说明。

    ①初始步l的转换条件有两个：一个是PLC上电**个扫描周期为ON的标志位(P_First_Cycle)，它的作用是使PLC开机运行时就无条件地进入到初始步1；另一个来自于5步的转换条件，即行程开关SQ1 (0.01)和循环模式选择开关0.02“非”的逻辑与组合。

②2步的转换条件也有两个：一个来自于初始步1的转换条件，即SQ1 (0.01)和启动按钮0.00的逻辑与组合，以防动力头偏离了初始位置；另一个来自于5步的转换条件，即行程开关SQ1 (0.01)与循环模式选择开关0.02的逻辑与组合。因此，如果选择循环工作模式，则当转换条件满足时，5步将直接转入到2步，无须再按启动按钮了。

    ③在2步的动作中，启动电动机M1和M2且保持，因此在图5-14 (b)中的2步对应动作框中内画“S 100.04”和“S 100.05”，符号S表示置位保持；在5步和1步中分别关闭M1和M2，在对应的动作框中内画“R 100.04”和“R 100.05”，符号R表示复位停止。

    根据顺控图5-14 (b)编写梯形图程序，程序示例如图5-15所示。该程序仍利用了“启保停”电路的框架，PLC -运行就将初始状态标志位W10.01自锁并执行复位M2的动作。当转换条件0.01与0.00逻辑与为“1”时，使快进标志位W10.02自锁并相应动作，同时复位W10.01，实现初始步向快进步的转换，以此类推。当然，“启保停”电路也可以由置位SET/复位RSET指令或保持指令KEEP改写，异曲同工。

图5-15 动力头进给控制梯形图程序示例

    梯形图中工进位101.02仅在工进阶段接通，故可以将其与工进标志位W10.03并联。同理，快退位101.03应与快退标志位W10.05并联。但是，由于快进位101.01在快进与工进阶段都接通，若直接将其分别与W10.02、W10.03并联，则会出现线圈重复输出的现象，这是编程规则中所禁止的。解决的办法是将W10.02和W10.03常开触点并联来控制线圈101.01。

    与介绍的经验设计法相比较而言，顺控图设计法是一种较先进的设计方法，简单易学，提高了编程效率，程序的调试与修改更加方便，而且可读性也大为改善。