2020年(冶金行业)控制系统在煤气加压机中的应用毕业论文.pdf

（冶金行业）控制系统在煤气加压机中的应用毕业论文 PLC 控制系统在煤气加压机中的应用 摘要：煤气加压机用于煤气输送，是钢铁、煤炭、石化行业的重要设备，其电气控制方式多采用仪器仪表和继电-接触器系统断续控制，自动化程度和可靠性低，难以保证控制精度，且无法实现网络通讯和远程监控。本文设计了一套基于 PLC 的煤气加压机控制系统，实现了煤气加压自动控制；对装备现状与发展趋势进行了研究，提出了总体设计方案，选用 FR-F740变频器实现风机调速，选用 SBWR/Z 温度传感器、EJA 压力传感器实现现场数据采集，并将信号送至三菱FX2N-32M 型 PLC；设计了闭环控制 PID 算法，按照逻辑控制与过程控制结合的程序设计思路，基于 GX Developer 编程软件，开发了变频器控制程序，实现了风机的转速控制，设计了系统过载保护、故障报警、停机自动连锁等功能子程序。结果表明，采用 PLC 控制的煤气加压机具有操作简单、运行精良、抗干扰能力强、编程简单、控制精度高的特点，提高了系统的可靠性，通过 PLC 组网，实现远程监控，较好的达到了设计目的。关键词：煤气加压机；PLC；闭环控制；PID；变频器 Appliacation of PLC control system in gas pressure machine Abstract：Gas pressure machine is used in transport of gas,it is an important device in the industry of iron,steel,coal and petrochemical.Its electrical system mostly use instruments and relay-contactor to control.it is difficult to guarantee that control precision,and unable to perform network communications and remote monitoring.This article has designed a PLC-based gas control system,achieved the automatic control of gas pressure.Situation and development trend of the equipment has been studied,proposed design plan,use FR-F740 frequency to control fan speed,Use SBWR/Z temperature sensors,pressure sensors EJA to field data collection,and send the signal to Mitsubishi FX2N-32M PLC;designed a closed-loop control PID algorithm,follow logic control and process control program design idea,developer programming software based GX,developed the inverter control program for fan speed control,and design a system overload protection,alarm downtime features such as automatic chain subroutine.The results showed that use PLC control of gas has a simple operation,run sophisticated,uding,programming simple,control and high precision,increased system reliability,through networking,PLC for remote monitoring,better design goal is reached.Key words:gas pressure motor;PLC;loop control;PID;VFD 目 录 1绪论.1 1.1课题背景.1 1.2煤气加压机装备现状与发展趋势.2 1.3 控制系统的国内外发展现状.3 1.4 煤气加压机系统控制的概念.4 2 PLC控制系统概述.6 2.1 PLC简介.6 2.2 PLC的发展.6 2.3 PLC控制系统的结构与工作原理.7 3武钢煤气加压机控制系统总体方案设计.9 3.1 控制系统组成.9 3.2 原系统存在的问题.10 3.3 系统控制要求及目的.10 3.4系统改造方案.10 4系统硬件设计与选型.12 4.1鼓风机选型.12 4.1.1鼓风机结构特点.12 4.1.2鼓风机结构和主要参数.13 4.2变频器选型.14 4.3变送器选型.15 4.3.1压力变送器.15 4.3.2温度变送器.16 4.4低压电器元件选型.17 5系统软件设计.19 5.1设计思想及设计依据.19 5.2煤气出口压力定值控制系统设计.19 5.3 I/O分析.21 5.4 PLC主机与I/O模块选型.21 5.4.1 PLC主机选型.21 5.4.2 I/O模块选型.22 5.5外部接线图.22 5.6 程序流程图.23 5.6.1气压调节流程图.23 5.6.2油压调节流程图.24 5.7程序设计.25 5.7.1调压子程序.25 5.7.2润滑系统子程序设计.25 5.7.3主程序设计.27 6系统安装与调试.30 参考文献.32 致 谢.33 1 绪论 能源是人类赖以生存和发展的基础。我国人口多，资源有限，且许多资源是不可再生的。当前的资源短缺和经济快速发展的矛盾日益突出，已成为制约经济可持续发展的瓶颈之一，特别是能源的过度消耗和浪费已经成为一个亟待解决的问题。“历览前贤国与家，成由勤俭败由奢”，勤俭节约是中华民族的优良传统，现代化发展的今天节约能源、合理使用能源显得尤为重要。近年来，国际能源的走势一直是世界各国关注的焦点。2008 年以来，受国际石油价格波动的影响，液化石油及天然气的价格也随之出现同步震荡，而中国煤炭资源相对丰富，单位热值价格相对较低，受国际能源的影响也较小，但同时煤炭作为直接燃料的应用又受到国家严格控制。煤气加压机系统是集机电于一体的综合自动化程度较高的控制技术和成套工艺装备。.煤气加压机，有单级、多级、增速等多种形式。而对煤气加压机的自动控制可以使加压机在需要加压的时段进行自动加压，其整个工艺过程非常符合闭环控制的要求。所以，在控制过程中，采用可编程控制器对煤气加压机进行控制，它较好的要求，地解决了采用继电器-接触器控制，控制系统较复杂大量的接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率这一问题。因此，将 plc 应用于该控制，具有操作简单、运行可靠、抗干扰能力强、编程简单，控制精度高的特点。在控制的过程中，煤气加压机可以根据参数的修改实现对供气现场的准确控制。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用 PLC 模块、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。1.1 课题背景 煤气既符合中国能源安全战略和环保政策，又符合相关燃耗企业的利益要求，得到了诸如玻璃、陶瓷、冶金、机械、化工等燃耗较大的广泛应用。在这种形势下，煤气的合理开发及充分应用就显得极其重要。然而普通煤气加压机系统存在着许多不足之处，作为系统控制参数煤气出口压力未采用自动控制方式，人工操作滞后大，不能准确、及时的跟随压力变化，造成压力波动，影响用户使用等等。随着机械行业的技术进步和市场的不断发展，自动控制在市场中所占的比重越来越大。将 plc 应用于该控制，具有操作简单、运行可靠、抗干扰能力强、编程简单，控制精度高的特点。在控制的过程中，煤气加压机可以根据参数的修改实现对供气现场的准确控制。1.2 煤气加压机装备现状与发展趋势 煤气加压机系统是集机电于一体的综合自动化程度较高的控制技术和成套工艺装备。它由煤气加压风机、润滑油泵、电加热器构成。它的特征是高效、高质、经济 实用，在电石烟气行业用途广泛。风机产品分为两大类，一类是重要装置中的高精尖产品，主要指平压缩机，另一类是量大面广的中、小型通风机。近年来，风机全行业取得了快速的发展。从 2001 年到 2003 年，工业总产值平均增长 36,45%；风机产量合计平均增长 33,85%,其中：离心压缩机平均增长 26,1%，罗茨鼓风机平均增长28、25，离心通风机平均增长 13、75，轴流通风机平均增长 68、35。但是，国内风机行业与国外大型企业相比还都存在着差距，如透平压缩机有些产品基本可以满足用户需要，但是生产企业没有业绩或业绩不多，难以取得用户的信任，往往在竞标中被淘汰。例如，西气东输用的天然气管线输气离心压缩机即是例证。中、小型通风机产品存在的共性差距则是外观质量太差，难以打入国际市场。风机行业国内外的发展趋势是：(1)大型风机容量继续增大。(2)发展高压小流量压缩机。(3)高效化。(4)高速小型化。(5)低噪声化。(6)计算机集成制造系统在风机中得以广泛应用。“十一五”需求预测：国内市场对干量大面广的中、小型通风机，用户需求量最大，生产厂家也最多。总体来讲，这类风机的需求量虽然在“十一五”期间仍会有较大幅度地增长，但仍然是供大于求。透平压缩机主要是装备重大工程成套装置，这些装置在国民经济各部门起着重要作用。随着规模经济发展的需求，装置不断扩大，对透平压缩机的要求越来越高、容量越来越大。如高炉冶炼、大型化肥装置、大型炼油装置、大型乙烯装置、大型空分装置及西气东输用的天然气管线等都需要各类透平压缩机。产品出口总体来讲，风机行业产品的出口量很小，主要出口产品是中、小型通风机及风机的配件。离心鼓风机和罗茨鼓风机及离心式压缩机的出口主要是一些工业欠发达国家。预计“十一五”期间，风机的出口产品主要应集中在中、小型风机。潜在市场风机产品尚未涉及或将要涉及的领域还有许多，根据我们所了解到的情况分析，风机产品在煤矸石综合利用、新型干法熟料技改项目、冶金工业的节能及资源综合利用等 20 多个潜在的市场领域将有较大的发展前景。发展目标和发展重点(1)发展目标根据全国历年风机产量以及全国工业产值的统计资料，考虑每年的产量递增比例，预测到第十一个五年计划末的 2010 年，风机总产量在 310325 万台之间。在风机行业协会企业会员单位范围内，到 2010 年风机总产量预计在 35 万台左右。根据风机行业历年分类风机高质量统计资料，预测离心压缩机的产量2010 年为 2oo210 台，轴流压缩机 100 台左右，国产的压缩机市场占有率可达 6070。预测风机行业到 2010 年工业总产值将达到 120 亿元，销售收入可达到 115 亿元。(2)发展重点鼓风机的重点发展方向是发展烧结鼓风机和污水处理用曝气鼓风机；透平压缩机主要是发展高炉冶炼、大型空分装置以及西气东输用的天然气管线压缩机。如离心式压缩机和轴流式压缩机。这类产品目前国内生产的市场占有率只有 50左右，还不能完全满足国民经济各部门的需要，特别是轴流 离心复合式压缩机，国内还不能生产。这些产品将是风机行业“十一五”期间产品发展的重点。风机节能在国民经济各部门中的地位和作用是举足轻重的。通风机的发展重点目标是发展超临界火电机组风机、核电站用风机、清洁煤发电风机、6ooMw 级大型空冷机组、火电厂脱硫风机等，在技术上就是以节能为宗旨，这里既包括产品设计方面的节能，又包括风机运行中调节方式的节能。一是通过应用叶轮、蜗壳等元件的科研成果，以及进一步提高制造精度，力求使各种通风机的效率平均提高 510。二是利用引进技术开发高效节能风机。“十一五”期间，还应根据市场的需求，适当引进火电厂脱硫风机、风力发电机组技术，填补国内的空白。三是大力开展通风机运行调节节能工作的研究。“十一五”期间，风机运行调节节能工作的研究将是风机行业的一个工作重点。1.3 控制系统的国内外发展现状 控制系统从 20 世纪 40 年代就开始使用，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以 PLC 和 DCS 为代表，从 70 年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从 90 年代开始，陆续出现了现场总线控制系统、基于 PC 的控制系统等，下面介绍各种常见的控制系统。1）集散控制系统（Distributed control system），集散控制系统是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称 DCS 系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS 系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。2）PLC 控制系统（PLC control system），PLC 控制系统是以计算机技术为基础的新型工业控制装置。它由中央处理单元(CPU)、存储器、电源三部分组成。是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。3）单片机控制系统（Microcontroller），单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。在国内，工业自动化程度还不高，很多工厂任在使用智能化仪表控制，这种控制人工操作滞后大；连锁保护功能不完善，且线路复杂、故障率高；不利于维护各项工艺参数无历史趋势记录，对机组的运行方式是否经济无法分析；发生故障后不便于查找原因。1.4 煤气加压机系统控制的概念 根据控制对象和控制要求，拟采用 PLC 对原控制系统进行改造，实现逻辑控制、过程控制、运动控制三电一体，达到工艺参数集中显示、报警与联锁保护、自动控制压力的目的，系统还可具备报警、历史趋势、自动报表等数据库功能，从而进一步提高生产效率、保障生产安全和降低工艺能耗。煤气加压机控制系统是通过控制电机转速达到自动调节煤气出口压力满足用户需求及过载保护电机启停连锁的自动化系统。其整个工艺符合闭环控制的要求，被广泛的用于不同条件下的煤气输送，加压，亦可适用输送空气，二氧化硫气体。煤气加压机系统由硬件、电气、软件三部分组成。其中硬件部分又包括煤气鼓风机、变频器、传感器、PLC、变送器等；电气部分包括电机电路、工作电路和工作电源等；其包括有控制系统的流程图、顺序功能图、梯形图以及语句表等。煤气加压控制系统具有操作简单、运行可靠、抗干扰能力强、编程简单、控制精度高的特点。在控制的过程中，煤气加压值可根据工艺参数方便的修改 而满足不同用户的需求。2 PLC 控制系统概述 2.1 PLC 简介 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.2 PLC 的发展 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。2.3 PLC 控制系统的结构与工作原理 一、PLC 的外部结构 PLC 是一种专用于工业自动化控制的计算机，主要由 CPU、存储器、I/O 接口电 路、外设接口、编程装置和电源等组成，其内部结构示意图如图所示。图 2.1 PLC 的外部结构 （1）CPU 又称中央处理器或中央处理单元，它是可编程控制器的控制中枢（控制核心）。CPU 一般由控制电路、运算电路和寄存器组成。（2）存储器 主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。系统程序：是制造 PLC 的厂家编写的控制和完成 PLC 各种功能的程序，是 PLC本身自带的程序，用户不可修改。用户程序：是 PLC 使用人员根据要求编写的控制程序。工作数据：PLC 在运行过程中会产生大量的运算数据，将其放在存储器内。（3）输入输出接口电路 是 PLC 与被控对象间传递输入和输出信号的接口部件。1）输入接口电路 有各种按钮、行程开关和传感器等。2）输出接口电路 将 CPU 产生的小信号放大后输出，驱动负载工作。PLC 的输出接口电路分为 3 种：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。（4）外设接口电路 用于连接计算机、手持编程器。（5）电源 PLC 内部有一个专用的稳压电源，可将输入端的电源转换为 PLC 内部所需要的工作电压，并未输出端提供 24V 的直流电源。PLC 的等效电路由输入部分、输出部分、内部控制电路组成。如图所示。图 2.2 PLC 等效电路 三、PLC 的工作原理即为 PLC 的工作过程 PLC 的工作过程是一个不断循环扫描的过程，它分为 3 个阶段，为别为输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。图 2.3 PLC 工作原理 3 武钢煤气加压机控制系统总体方案设计 武钢是新中国成立后由国家投资建设的第一个特大型钢铁联合企业，1955 年 10月破土动工，1958 年 9 月 13 日正式投产。今日武钢，已成为中国重要的板材生产基地，拥有从矿山采掘、炼焦、烧结、冶炼、轧钢等一整套工艺设备。2009 年，武钢新 5 号焦炉投产，煤气供应量增大，新建煤气管道全长 7.3 公里。由于管道长，压力损耗大，在中途设置了煤气加压机，以满足末端用户的压力需求。加压机选用了武汉鼓风机有限公司生产的 D200-32 型离心鼓风机，根据工艺要求,加压机配一个润滑油站，每个油站配两台油泵，并有加热器进行加热。3.1 控制系统组成 鼓风机驱动电机电源由三菱公司生产的 FR-F740 系列变频器提供，通过4-20mA 信号来控制变频器输出频率，改变电机及鼓风机转速，进一步改变系统煤气供应量，保证整个管网稳定。作为监视、控制生产工艺的仪表自动化装置，主要选用了 90 年代的智能化仪表。压力变送器采用了日本横河 EJA 系列产品。操作室采用了 WGT 控制柜，盘装仪表采用了襄樊东风仪表厂的数字显示仪与操作器。控制柜主要由以下部分组成，如表 3.1 所示。表 3.1 控制柜构成及功能 序号 名称 功能 1 状态指示灯 综合故障指示，综合停机指示 2 控制柜电源开关 用于控制控制机柜仪表电源 3 温度控制变送器 用于风机轴承温度、电机轴承温度、电机绕组温度和液压进、排油温度的监测控制及温度信号再发送，并在风机或电机轴承温度过热时自动输出故障报警或停机信号。4 压力控制变送仪 用于液偶油压控制报警及压力信号再发送，并在压力异常时自动输出故障报警或停机信号。5 手动操作器 用于风门调节剂液偶转速调节及反馈指示 6 变频过程控制 用于变频器远程操作和工作状态显示。通过仪表手动输出，指示灯显示变频器工作和故障状态。3.2 原系统存在的问题 1、作为系统的重要参数煤气出口压力未采取自动控制方式，人工操作滞后大，不能准确、及时地跟随压力变化，造成压力波动，影响用户使用。2、连锁保护功能不完善，且线路复杂、故障率高，不利于维护。加压机润滑系 统的主、辅油泵未实现联锁切换，若油压突降会直接导致停车。3、各项工艺参数无历史趋势记录，对机组的运行方式是否经济无法分析，发生故障后不便于查找原因。3.3 系统控制要求及目的 1、显示功能：分画面实时显示各机组的过程参数与运行状态，主要包括进出口煤气压力、油压、油温、电机定子温度、轴温、轴振动、转速、变频器输出频率、进气阀阀位等过程参数，以及风机、油泵、电加热器运行状态。2、控制功能：启车，设置启车逻辑画面，当油温、油压、电源等工艺条件满足要求后，人工点击启车按钮后，PLC 系统进入自动启车程序，并根据送气压力自动调整风机转速，风机开始正常运行；停车，当工艺条件超限或人工点击停车按钮时，PLC 系统发出开关信号至电气设备，实现紧急停车，同时关闭进气阀，当送气压力较高时，PLC 系统输出控制电机转速为 0，关闭进气阀，油系统与变频器不停止工作，以备启动。油压，当风机主油泵压力达到一定数值时，辅助油泵自动停止，当风机主油泵压力低于一定数值时，辅助油泵自动启动，也可以手动操作。进气阀的操作在上位机实现。3、报警功能：对超过限定值的参数进行声光报警，并记录。4、历史趋势：对所有参数进行历史记录，设定时间为 1 个月。5、报表功能：根据工艺要求设计报表，并定时打印。3.4 系统改造方案 为满足加压机系统控制要求，克服现有控制系统的不足，采用 PLC 系统对原检测控制系统进行改造。1、取消原来控制监测系统的常规仪表只保留结算用计量表。选用三菱的PLC，完成整个系统的数据采集功能。2、根据用户对煤气压力的要求，采用 PI调节器实现煤气出口压力闭环控制，使其在用户要求的压力范围内相对稳定。3、根据煤气加压电机温度要求，采用 PI 调节器实现煤气加压机过载保护，保证加压机的正常工作。4、在上位机上应用组态软件组态画面，在操作监控画面上制作对系统的监控显示。4 系统硬件设计与选型 整个控制系统由上位机与下位机组成，上位机和下位机之间通过以太网进行通讯。本文主要设计下位机部分控制系统。该部分控制系统由煤气鼓风机、变频器、变送器、传感器、控制柜等部分构成。系统结构如下图所示。图 4.1 控制系统硬件图 4.1 鼓风机选型 煤气鼓风机主要用于煤气的输送,加压等等用途.有单级、多级、增速等多种形式，煤气鼓风机的选择主要根据用户所需煤气压力的要求及功率、性价比来决定。经综合考虑，本系统选择 D200-32 离心鼓风机。4.1.1 鼓风机结构特点 本风机为单吸双支撑结构，鼓风机与液力偶合器、液力偶合器与电动机通过联轴器直联传动，从电动机端看，风机转子为顺时针方向旋转。风机进出口方向均向下。机壳和进气室由铸铁制成，水平剖分为上下两半。轴承箱与壳体铸成一体，增强刚度，便于拆卸检修。在机壳的下方设计有排污孔，可以定期排污清洗。转子由主轴、四级叶轮、轴套等组成。主轴用优质钢制造，叶轮为焊接结构，叶片型式为后向型，与前、后盘焊接在一起，叶轮采用高强度合金钢。平衡盘可以平衡转子的轴向推力。转子装配后作静、动平衡试验，保证风机运转平稳可靠。支撑和止推轴承均采用稀油站强制供油润滑的滑动轴承。在每级叶轮的进口圈外缘处和级间均设置有迷宫式密封，在机壳和进气室轴穿过的地方均设置有迷宫式密封和油杯密封，在高压端设置有两道迷宫式密封，在两道密封的中间有一空腔，通过回气管道，将经过第一道密封后所泄漏的少量气体引入处于负压状态的进气管道，确保气体的零泄露。在轴承箱上装有油封，以防漏油和灰尘进入。本风机采用弹性联轴器，润滑系统由稀油站和高位油箱等组成.稀油站设有两台油泵，一用一备，确保意外情况时供油。当稀油站上的油泵电机突然停电时或其它紧急情况时，高位油箱可以向轴承供油一定的时间，使风机安全停机。该风机具有使用效率高、运行平衡、安全可靠、易损件少、安装、操作、维护简便等特点。4.1.2 鼓风机结构和主要参数 1、主要参数如下：1)结构：单吸双支撑 2)进、出口方向：向下。3)连接方式：膜片联轴器连接。4)密封形式：迷宫密封：密封可靠。5)轴承型式：滑动轴承，强制润滑。6)排污方式：机壳下部设有排污口，并带有法兰。7)转子部件：叶轮为焊接结构。8)润滑系统：由集中油站主、辅油泵强制供油润滑，高位油箱作为机组由于突然停电（电动泵不能工作）停车时，靠自然位差供油用。9)随机仪表：机组配套一次仪表，也可配套二次仪表和仪表控制柜，可直接显示，并输送 420mmA 的标准信号。仪表控制柜对机组进行连锁保护，并接受中控制信号。2、主要部件材质如下：1)主轴：45 2)叶轮:：HG60 3)机壳、轴承箱：HT250(树脂沙工艺)4)轴瓦：ZG35+巴氏合金 5)密封：ZL104 3、配套产品：1）配套电机：型号：YKS5002-2 功率：N=710kW 电压：P=10KV 转速：r=2980r/min 2）稀油站 型号：XYZ-63 油量：Q=63L/min 油压：P=0.4Mpa 3）液力偶合器 型号：YOTCS450/3000 传递功率：320920 输入转速：3000r/min 4.2 变频器选型 变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。变频器有很多种类，根据系统需要，选择风机水泵类变频器系列 FR-A500，如下是该变频器 的功能参数。采用先进磁通矢量控制方式,调速比可达 1：120 (0.5-60Hz)。可拆卸式风扇和接线端子,维护方便。柔性 PWM,实现更低噪音运行。内置 RS485 通信口,可插扩展卡符合全世界主要通信标准。PID 等多种功能适合各种应用场合。下图为 FR-A500 的外部接线图。图 4.2 FR-A500 外部接线图 4.3 变送器选型 变送器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。输出为规定的标准信号。4.3.1压力变送器 一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如420mADC 等)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。而压力变送器的选择主要是根据其测压范围，根据本系统要求选 EJA 系列智能压力变送器。如下是该系列压力变送器的功能参数。电气连接：LCD、电缆 类型：横河 Yokogawa 多功能智能压力变送器 特点：智能压力变送器、Hart 通信 供电电源：可供选择 输出：4-20mADC 精确度：0.075 FS 工作温度范围：-40-120C 量程：可供选择 典型应用：智能压力变送器/智能压力传感器 EJA 系列智能压力变送器全系列（EJA110/EJA120/EJA130/EJA310/EJA430/EJA440/EJA118/EJA438）简单介绍：世界首创单晶硅谐振传感器。高精度：0.075%,连续工作五年不需调校,温度影响可忽略不计,静压影响可忽略不计。单向过压影晌：连续 10 万次单向过压实验后影晌量 0.03%，双向通讯功能（BRAIN/HART 协议，FF 现场总线），完善的 自诊断功能。基本品接液膜片材质：哈氏合金 C-276 小型、轻量（标准型 3.9kg）主要用于用于测量液体、气体和蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成4-20mADC 的电流信号输出。也可以通过 BRAIN 手操器或 CENTUM CS/XL 或HART 275 手操器相互通讯，通过它们进行设定和监控。4.3.2 温度变送器 温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I 转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的420mA 电流信号输出。而温度变送器的选择主要根据其测温范围。根据本系统过载保护温度要求选 SBWR/Z 温度变送器。如下是该款温度变送器具体资料。工作原理：热电偶或热电阻传感器将被测温度转换成电信号，再将该信号送入变送器的输入网络，该网络包含调零和热电偶补偿等相关电路。经调零后的信号输入 到运算放大器进行信号放大，放大的信号一路经 v/i 转换器计算处理后以 420ma 直流电流输出；另一路经 a/d 转换器处理后到表头显示。变送器的线性化电路有两种，均采用反馈方式。对热电阻传感器，用正反馈方式校正，对热电偶传感器，用多段折线逼近法进行校正。一体化数字显示温度变送器有两种显示方式。lcd 显示的温度变送器用两线制方式输出，led 显示的温度变送器三线制方式输出。技术参数 1、输入信号：热电偶：k、e、j、b、s、t、n。热电阻：pt100、cu50、cu100三线制、四线制。智能型温度变送器的输入信号可通过手持器和 pc 机任意设置；2、输出信号：在量程范围内输出 420ma 直流信号，与热电偶或热电阻的输入信号成线性或与温度成线性。智能型温度变送器输出 420ma 直流信号同时叠加符合 hart 标准协议通信；隔离式温度变送器：输入与输出相隔离，隔离电压500v，增加了抗共模干扰能力，更适合与计算机连网使用；3、基本误差：0.5%fs、0.2%fs、智能型 0.2%fs；4、接线方式：二线制、三线制、四线制；5、显示方式：四位 lcd 显示现场温度，智能型四位 lcd 可通过 pc 机或手持 器设定使之显示现场温度、传感器值、输出电流和百分比例中的任一种参数；6、工作电压：普通型号 12v-35v，智能型 12v-45v，额定工作电压为 24v；7、允许负载电阻：500（24vdc 供电）；极限负载电阻 r（max）=50vmin-12,例如在额定工作电压 24v 时，负载电阻可在 0-600 范围内选择使用；8、工作环境：a:环境温度-25-+80（常规型）-25-+70（数显型）-25-+75（智能型）b:相对湿度：5%-95%c:机械振动 f 50hz,振幅 0.15mm d 腐蚀气体或类似的环境；9、环境影响系数：0.05%/。4.4 低压电器元件选型 表 4.1 交流接触器配置表 名称 型号 电流（A）吸引线圈电压（V）消耗功率（VA）个数（个）加压机电机 M1 交流接触器 CJXI-12（3TB41）12 110 22 1 主油泵电机 M2 交流接触器 CJXI-12（3TB41）12 110 22 1 辅助油泵电机 M3交流接触器 CJXI-12（3TB41）12 110 22 1 电加热器电机 M4交流接触器 CJXI-12（3TB41）12 110 22 1 表 4.2 熔断器配置表 名称 型号 熔体最大电流（A）个数（台）加压机电机 M 熔断器 RL1-60 25 1 接触线圈组熔断器 RT18-32 4 1 信号灯熔断器 BHC 4 1 PLC 电源熔断器 BHC 2 1 表 4.3 其他元件配置表 名称 型号 电压 个数 按钮 LA19 380 3 报警器 XXS-11 380 1 气压显示仪 E8Y-A2C 220 1 油压显示仪 E8Y-A2C 220 1 油温显示仪 X-100 220 1 电机定子温度显示仪 X-100 220 1 中间继电器 3VA5000-1J 6.3-10 4 时间继电器 3VA5000-1J 6.3-10 1 5 系统软件设计 5.1 设计思想及设计依据 本课题主要完成由 PLC 实现对加压机的控制和检测，根据工艺要求，兼顾原有系统的功能，系统应实现以下功能：1、显示功能：分画面实时显示各机组的过程参数与运行状态，主要包括进出口煤气压力、油压、油温、电机定子温度、轴温、轴振动、转速、变频器输出频率、进气阀阀位等过程参数，以及风机、油泵、电加热器运行状态。2、控制功能：启车，设置启车逻辑画面，当油温、油压、电源等工艺条件满足要求后，人工点击启车按钮后，PLC 系统进入自动启车程序，并根据送气压力自动调整风机转速，风机开始正常运行；停车，当工艺条件超限或人工点击停车按钮时，PLC 系统发出开关信号至电气设备，实现紧急停车，同时关闭进气阀，当送气压力较高时，PLC 系统输出控制电机转速为 0，关闭进气阀，油系统与变频器不停止工作，以备启动。油压，当风机主油泵压力达到一定数值时，辅助油泵自动停止，当风机主油泵压力低于一定数值时，辅助油泵自动启动，也可以手动操作。进气阀的操作在上位机实现。3、报警功能：对超过限定值的参数进行声光报警，并记录。4、历史趋势：对所有参数进行历史记录，设定时间为 1 个月。5、报表功能：根据工艺要求设计报表，并定时打印。5.2 煤气出口压力定值控制系统设计 原系统中，加压站共有三套加压机，加压机由三相异步电机驱动，采用变频器对电机进行变频调速控制从而达到调节煤气出口压力的目的。原控制系统是开环控制。如图所示：图 5.1 原系统控制框图 当煤气压力高于设定值时，人为降低变频器频率，加压机转速降低，出口压力降低。当煤气压力低于设定值时人为提高变频器频率，加压机转速提高，出口压力增加。这种控制方式存在很大的调节滞后，特别是用户运行工况不稳定时，煤气出口波动很大。加压站煤气管路工艺流程如图所示：图 5.2 管路流程图 从煤气站供出的煤气沿煤气总管送至加压机站后，分 3 个支管分别送入加压机，经加压机加压后经煤气总管送至用户。在加压机煤气入口总管、出口总管均设置了压力、温度检测，压力变送器输出的压力信号送入 PLC 系统，经运算后，通过调节变频