西门子6ES7277-0AA22-0XA0货期较快
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，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的小舒适耗量，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图如图2所示。
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，有可保证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，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于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，tigao电机的稳定性。
(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、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮、互感器等。
基于PLC的变频控制系统原理图如图3所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块、开关量输入、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。
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。现场压力变送器检测管网出口压力，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。
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。
切换：实现M1，M2工频、变频相互切换。
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15秒，减载时间15秒；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（kWh）
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。利用PLC和变频器实现了机器的软启动、软停止，避免了空压机启动时对电网的冲击，减少了对设备的维修量。其次，两套控制回路可保证系统的正常、安全运行。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。
一简述
OPGW光缆是近几年来流行的特种光缆，其优良的使用方式和广泛的用途使其具有广泛的市场。由于生产这种光缆所需要的不锈钢管，钢丝，铝合金丝和铝包钢丝通常是散圈提供或采用1米盘包装，而OPGW生产线上所使用的线盘规格为0.63米，因此需要一种复绕机，将散装的原材料复绕到0.63米的小盘上。
二技术要求和系统构成
1. 技术要求
· 生产线速度：≥300m/min;
· 张力要求：
A) 不锈钢管：10N≤F≤50N;
B) 钢丝，铝包钢丝：100N≤F≤250N;
C) 铝合金丝：50N≤F≤150N;
· 记米精度：0.2%;
· 排线速度：自动跟踪收线速度；
2. 系统构成（电气部分）：
收线，排线和防线电机均采用变频电机，驱动器采用SIEMENS的MM440系列变频器，操作和生产工艺参数显示采用SIEMENS的TP－070触摸屏，全线控制采用 SIEMENS的S7－226＋EM－231构成。S7－226的PORT0＃用于和MM440通讯 （USS4），PORT1＃用于和TP－070通讯。
三各系统简介
1. 收线速度控制
收线用于收卷钢丝，钢管。上下，开合线盘采用电动机带动丝杆的方式。电机采用普通的交流电机加接触器控制。而收线电机采用变频电机和MM440控制。
收线速度由速度电位器通过EM－231送入S7－226，再通过USS4协议由S7－226加到MM440上。由于生产线的速度较快，线盘具有较大的转动惯量。收线的加速度不宜太大，因此收线速度的设定采用PID运算。同时收线盘应采用高速动平衡盘。
驱动器类型： MM440，7.5KW
MM440设定：P700＝5
P731＝52.3（驱动风机）
P1000＝5
P2009＝1
P2010＝6
P2011＝0
2. 线径控制
由于排线速度需根据线径自动跟踪收线速度（U＝K * ω * D）。
其中U：排线速度，K：修正系数，ω：收线速度，D：线径。所以排线电机驱动器的设定由以下两个因素决定。
· 收线速度通过旋转编码器测定，其信号通过S7－226的10.6和10.7送入PLC （高速计数器4），PLC编程采用定时中断，在单位时间内测量高速计数器的计数值即为收线速度。
· 线径设定通过TP－070设定，并送入PLC。
PLC将上述两个参数相乘并乘以相应的修正系数（根据机械变速比决定），即为排线速度，通过USS4协议送入MM440。
需要注意的是，由于排线电机在使用过程中需要高速换向，因此当收到换向信号时，电机需要高速的降速和升速过程，MM440需外接制动电阻。
排线驱动器类型：MM440，0.75KW
MM440设定：P700＝5
P731＝52.3（驱动风机）
P1000＝5
P1120＝3
P1121＝3
P1234＝
P1235＝
P1237＝
P2009＝1
P2010＝6
P2011＝1
3. 放线张力控制
在整条生产线上，收线电机决定线速度，而张力则是由放线电机决定，由于较高的张力要求，放线需采用主动工作方式。
· 当复绕不锈钢管时采用速度方式，P1000＝2，速度给定由跳舞轮电位器送入PID 板，经过PID运算由MM440模拟量输入1＃口输入。其张力的大小由舞蹈轮的配重决定。
· 当复绕钢丝，铝包钢丝，铝合金丝时采用张力方式，P1000＝5，速度给定由USS4协议设定一个反向速度，当钢丝拉紧以后，速度环饱和，根据线速度和放线焦速度即可以确定放线盘半径，根据工艺张力要求，通过设定电机电流比率（P0640）即可以控制张力。
由于在张力方式时放线电机处于发电状态，因此驱动器必须外接制动电阻，制动电阻必须具有足够的制动电流和功率。
放线驱动器类型：MM440，7.5KW
MM440设定：P700＝5
P0640=150（速度方式）或根据工艺设定（张力方式）
P731＝52.3（驱动风机）
P1000＝2或5（根据速度和张力的方式切换由USS4写入MM440）
P1237＝5
P2009＝1
P2010＝6
P2011＝2
4. 计米和线速度系统
计米和线速度传感器采用旋转编码器，由S7－226的10.1和10.2端（高速计数器0）送入PLC。统计数据值乘以修正系数（由计米轮径和编码器线数决定）即为计米值。单位时间内高速计数器的计数值即为全线速度。计米值和全线速度通过TP－070显示。
四调试过程中的一些需特别注意的问题
1. 变频电机的连接电缆必须采用屏蔽电缆，并且必须双端接地！在现场调试时，单端接地甚至干扰PLC与笔记本计算机的通讯。
2. 变频器与PLC的接地必须可靠，所有信号电缆的屏蔽层必须双端接地。接地线必须有足够的截面。
3. PLC的M端必须接地。
4. USS4电缆PLC端的连接必须用SIEMENS的DP网络连接器。
5. USS4电缆必须采用SIEMENS的紫色网络电缆。
6. MM440端的485连线绝不能反，否则网络口必然损坏
五设计特点
由于采用USS4协议，电气系统具有以下特点：
1. 电气硬件设计简洁、明快，给调试和维修带来很大方便。
2. 系统抗干扰能力大为tigao。
3. 改变工作方式非常方便（由于MM440用BICO技术，通过USS4改变关键参数，即可以达到目的）。
4. 由于采用USS4协议和MM440变频器，大大降低了制造成本。通常类似的系统需采用直流系统，昂贵的直流电机和驱动器，是制造成本居高不下的根本原因。而采用 MM440则可以以较低的成本，达到上述工艺目的。另外由于采用USS4协议可以省略D/A模块，在 一定程度上也可以降低成本。
六存在的问题
1. 当使用张力方式时，通过设定P0640设定张力，线性度不好，效果不是理想。估计所控制的电机电流不是全部用于输出扭矩，有一部分可能用于励磁。
2. MM440内部的PID单元在启动前就开始积分，当启动时，速度瞬时较大，对机械设备有冲击。
3. MM440的网络接线不是牢靠，并且一旦接错必然损坏器件。给现场调试带来很大压力。
七设备工艺布置，电气图纸和程序清单
综述：
上述系统从2000年7月在南通中天日立光缆股份有限公司和鲁能泰山电缆有限公司曲阜电缆厂运行至今，情况良好。近英国PROTON公司与我公司也签订了三条复线生产线，不日交货。可以相信S7－200、MM440变频器的优良性能和极高的性能价格比使他们在电缆行业具有广泛的应用前景。
1、概述
水轮机筒阀由法国NEYRPIC公司于1962年用于真机以来，通过一些中小水轮机的应用实践，逐步得到了完善。到1979年加拿大当时大的水电站LG-2，16台出力为338.5MW的大型混流式水轮机采用了圆筒阀之后，它的应用开始引起各国的注意，许多优点得到公认。因此，被越来越多的水电站采用。它的主要优点有：1、安装在固定导水叶与活动导水叶之间，同安装在蜗壳前的球阀、蝶阀相比，缩短了整个厂房的纵向长度，降低了工程造价；2、密封性更好，能有效抑制了导叶漏水对导叶的磨损。3、开启、关闭时间短，能更好地适应电力系统对水电厂快速开机的要求并能有效地防止事故情况下的机组过速。4、能消除机前阀门进出口处的收缩和扩散段伸缩节的附加水力损失。5、圆筒阀启闭为直线运动，关闭时可根据水压上升率调整关闭速度。而在圆筒阀的应用实践中如何保证多只接力器的同步成为筒阀控制的关键技术问题。下面就这一问题阐述应用PLC技术实现同步的原理和方法。
2、筒阀的结构及同步机构原理
传统的解决同步问题的主要方法采用接力器驱动链条同步，在筒阀圆周尽可能多地均匀布置多支液压接力器，每支接力器动杆（活塞）下端连接固定在阀体上，活塞上下运动可以驱动阀门启闭。各活塞的同步移动有由可逆传动的滚动螺旋副实现，它是在活塞上固定的一只滚动螺旋传动的螺母，螺母连接传动丝杆，当活塞上下移动时丝杆做正反旋转，丝杆上端连接齿轮将筒阀的垂直运动变为齿轮的旋转，齿轮带动链条一起连动其它接力器的齿轮同速旋转并反作用于其丝杆而实现多只接力器的同步。此同步方案的缺点在于：1）、直径大的筒阀将布置数量较多的接力器，增加整个系统的投资。2）、接力器油缸进油口无调节能力，均由调定的节流阀控制liuliang，接力器运行速度的调节控制没有按调节规律运动的随动性。3）、链条同步对发生异步的的油缸矫正能力差，易发生链条张力矩过载甚至拉断，导致筒阀启闭失败。4）、由于油缸进油量由节流阀调整固定，筒阀只能定速启闭，丧失了筒阀直线运动可按程序指定启闭速度进行启闭的优势。
3、采用PLC输出控制比例阀液压随动系统实现同步
此方案采用接力器直接驱动筒阀并控制其同步，滚动螺旋副和链传动的同步机构可以取消或作为辅助同步手段和保护措施。另外，接力器本身不需再设缓冲装置，缓冲功能由PLC控制程序实现。采用本方案与传统的同步控制系统相比有如下特点：1）、可以灵活地改变（修改控制程序）阀门关闭开启的运动规律，使之更符合机组运行之需要。例如：当事故紧急停机调速器主配拒动而需快速关闭筒阀是时，为了即快速又不致使蜗壳及压力钢管水压上升率过高可采用分段关闭的控制规律。2）、可以取消机械同步机构，大大简化控制操作机构从而精简筒阀的整体结构，节省机坑内空间，改善运行维护条件。3）、减少操作执行组件数量，降低工程造价。4）、利用计算机通讯技术，为实现计算机远方监控提供坚实的现场控制和数据采集单元。
3.1控制系统基本原理
该系统主要由硬件和控制软件两部分组成，其中硬件部分包含可编程控制器（本方案PLC选用三菱公司的FX2N-80MT）及其配套的A/D模块、通讯模块、接力器行程测量组件（选用磁感应高精度、高速脉冲输出）、信号功率放大板、液压比例阀、电源、操作开关、按钮以及信号灯等组成；其系统硬件构成如图一所示。软件由三菱公司配套可在bbbbbbS下编程的FXGP-WIN-C开发而得。系统的基本控制策略如下：整个系统可视为以位移量偏差为负反馈的闭环电液随动系统，在多只接力器不同步的情况下，以其中一只为基准，在给定的启、闭规律基础上按经典PI控制算法，产生控制量作用到液压比例阀上，液压比例阀控制油liuliang大小校正发生的不同步的偏差以保证各油缸的同步运行，其基本控制原理框图如图二所示。
3.2各部分工作元器件特性
3.2.1控制运算部件PLC及其各功能模块
PLC（FX2N-80MT）是整个系统的核心控制部件，其丰富齐备的控制运算指令、优越的性能、现场编程调试的方便已成为实现各种控制的现场级设备。其主要性能指标有：运算速度： 0.08uS/步(基本指令)， 1.52uS—数100uS(应用指令)；用户程序内存容量：16K，系统程序内存容量：8K；应用指令：128种 298个；输入口：5组每组8个，其中高速记数口8个（X000—X007）；响应速度：8个点合计小于等于20KHZ，自带电源容量：24V600mA；输入电源：AC/DC170V—250V。各功能模块：1）模数转换模块FX2N-4AD：用于接收压力传感器输出的4-20mA电流信号，将其变为PLC程序可用的0-1000的十进制数。其性能指标如下：功耗：DC5V30mA，模拟量输入范围：电压DC-10V--+10V大-15V--+15V（输入阻抗200K），电流DC-20mA--+20mA大-32mA—+32mA（输入阻抗250），；输出数字范围：-2047--+2047；分辨率：电压5mV，电流20uA；线性度：±1％F.S，采样速度：普通通道15mS，高速通道：6mS；3）数模转换模块FX2N-2DA：将PLC运算得到的控制量数值转化为电压信号输入到比例阀放大板控制液压比例阀。其性能指标如下：DC5V30mA,数值输入范围：-2047— +2047；模拟量电压输出： -10V— +10V，线性度：±1％F.S，分辨率：电压5mV（10V×1/2000），转化速度：普通通道18mS，高速通道：3.5mS；
3.2.2测量部件：位移传感器
选用美国MTS Temposonics III(PB/PH)非接触式位移传感器
原理：由询问信号的电流脉冲所产生的磁场（沿波导管运行）与位置磁铁产生的磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准确的位置。
性能及指标：分辨率：2um；响应速度：比其他测量方式：快4到20倍；提供网络数字输出SSI CANBUS PROFIBUS DEVICENET ；符合欧洲CE规格
3.2.3执行部件:比例阀（包括放大板）
此环节是电气控制信号与机械液压系统连接的关键部分，直接影响到控制系统性能的发挥，所以选用德国REXROTH的VT5005带阀芯位置反馈的自动式比例方向控制阀，其放大电路技术数据如下：电源电压DC24V，功率50VA，控制电压±9V，大输出电流：2.2A。
3.2.4操作显示终端
本系统选用三菱的GOT940触摸操作显示终端，其画面可通过配套的GT-DESIGE软件制作并通过专用通讯电缆AC30R-9SS与PC机连接进行数据传送及调试。安装此显示终端可丰富人机界面，同时监视多个参数，对即时分析筒阀开启、关闭的运行状态提供方便。
3.3、控制策略
利用三菱PLC丰富的指令编制控制程序，对于现场调试及不断完善、优化控制程序具有重大意义。整个控制程序的流程框图如图三所示。
3.3.1具有启闭运动规律的调节给定量
圆形筒阀在启闭过程中，根据其安装结构及位置可知：在运动到全行程的中间段时，各缸允许发生的偏差小，为了保证液压调节系统的调节品质，可将给定量降低，放慢筒阀运行速度。在动水关闭过程中，为了控制蜗壳水压上升率，筒阀关闭速度可分段进行设置。其他启闭规律可在筒阀的运行实践中总结得到，通过编制具有启闭运动规律的调节给定量实现。
3.3.2基准缸判断
把每一次开关动作完成后的慢及行程小的一缸作为下一次筒阀启闭运行的基准缸，因为此缸响应调节量的能力弱，让它只接收固定的给定输出，调节其它缸的输出量以适应基准缸。
3.3.3油压参与调节
当某缸油压上升速率超过设定值，说明此油缸侧运动受卡阻，此时应降低基准缸的给定值，使系统调节变得更加平缓，顺利完成启闭操作。
3.3.4保护及信号设置
油缸油压或四油缸油压之间的差值超过某一整定值油压保护动作；链条张力过载保护通过行程开关接点进行调整；全开、全关极限位置也是在相应位置安装行程开关实现。为了防止油路系统的油垂效应，在临近全开、全关位置时减小比例阀开度，并延时返回开启和关闭中间继电器。现场控制柜装设有以下信号：全开、全关、中间位置、1#-6#链条张力过载。
3.3.5相关参数显示
因为现场控制柜安装了操作显示终端，通过PLC算术指令的运算可以得到多个有关筒阀运行的参数并在一个画面内显示，如各缸的行程、各缸比例阀阀芯位置反馈电压、比例阀阀芯位置（占各阀全开的百分比）、油压、运行速度、筒阀下滑、每次开关经历时间以及各个故障信号、全开全关信号、中间位置信号、下滑信号以及各缸油压、控制量、比例阀开度与位移的关系曲线等。
4、设手动调节功能，保证控制系统的可靠性
当链条张力过载筒阀卡死在中间位置或PLC控制系统故障时，可将“手动/自动”切换开关置“手动”位，各缸比例阀直接由功放输入给定电位器调整。
5、与计算机监控系统通讯，提供现场更多信息。
为了与计算机监控系统各机组LCU的工控机通讯，特在PLC内开辟一个连续的数椐寄存器与中间继电器寄存器区，将要上装的数据和状态变量放在一起，以便工控机快速读取。工控机与PLC的通讯协议是MITSUBISHI PLC通讯协议；数据传输格式：RS422 异步；通讯速率：9600bps；转送的字符：ASCII字符，其中1个起始位，7个数据位，1个奇偶校验位， 1个停止位；字符奇偶校验：偶校验偶数据；数据转送结果校验方式：和校验。
6、结束语
PLC控制技术运用于筒阀的控制，有效地解决了筒阀多只油缸的同步问题，tigao了系统的可靠性，减少了油缸数量，节省了投资，充分发挥了筒阀在水轮机运用上的多方面优势，而且实现了与计算机的通讯，为计算机远方监控提供了功能完善的现场单元
