西门子6GK7243-1EX01-0XE0现货库存

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4 控制系统硬件设计

      控制系统由上位机(ipc)、下位机(plc)和外部电路控制组成，通过以太网将上位机和下位机连接，完成液压伺服系统。环境条件变化由仪表控制，通过rs485与上位机通信，控制系统框图如图3所示。

图3 液压脉冲试验机控制系统框图

4.1 压力变送器和ad模块

      压力变送器位于增压器出口，量程0～30mpa，输出4-20ma，频响200hz。压力变送器的精度为满量程的0.75％，为了得到更高的满量程精度，液压系统采用了切换两个压力变送器的组合方式。所有传感器的采样频率为500hz，压力采样相对变送器每个周期有3-5个16位数据，使于平滑处理，tigao测量精度，以保证±2%的误差要求。

      系统采用4路差分输入16位ad模块，输入电流4-20ma，全部转换时间600μs，上传时间1ms，采样频率相当于500hz；2路电压/电流输出，输出±10v，全部转换时间600μs，下传时间1ms。伺服阀按100hz进行调节即为10ms，pid调节算法时间约为0.6ms，pid指令执行时间少于400μs，即可实现5次pid调节，实时性和稳定性有保证。

4.2 液压伺服系统控制

      液压伺服系统的响应频率和调节精度完全取决于系统的固有频率和谐振频率，伺服系统仿真分析将成为伺服系统设计的关键。限于篇幅，本文省略液压伺服系统的相关内容。

      控制系统通过ao模块输出0～10v的电压信号，经过伺服放大器放大来控制伺服阀的开度，伺服阀开度的大小决定了液体的liuliang，从而来控制试验样管所受压力大小。液压伺服系统是使系统的输出量如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点。

      伺服控制采用ad-da方法，使用压力变送器作反馈元件。伺服刷新周期1000μs。伺服系统两个伺服阀控制方法相同，仅压力不同。

4.3 高速计数器和其它电路

      hsc模块提供4路50khz高速输入脉冲计数，该模块与挠曲电动机的编码器相连。挠曲电动机控制挠曲速度和角度。系统的di和do模块用于开关量控制，如油泵、液位、液压阀、变频器、介质的温度与搅拌、液压系统保护和报警等控制。

4.4 以太网

      slc500/l533处理器自带有以太网口，相对于rs232/rs485以太网具有较高的可靠性而且传输速率快，数据传输速率达到10～100mbps，因此本系统通过以太网将上位机和下位机连接，减少数据传输迟滞对波形曲线的影响，使脉冲试验机具有很好的实时性，抗干扰性强，更加稳定可靠。

5 控制系统软件设计

      软件设计的主要难点就是实时脉冲波形曲线的控制，即始终要保证实际波形曲线要处在给定波形曲线的上下允许误差范围内，如图4所示。

图4 实时波形曲线

5.1 上位机软件

      整个控制系统采用labview来编程实现人机界面，通过以太网实现通信，将试验指令下传给下位机，然后接受下位机的上传数据。labview是一种图形化的编程语言，它是一个开放性的环境，用于快速创建灵活的、可升级的测试、测量和控制应用程序。通过labview可以很方便地采集到实际信号，并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结果通过直观化的显示、报告和网络实现共享。

      上位机负责整个控制软件的界面设计，包括动态显示温度、压力、振幅、转速等数据，以数值和曲线形式显示。试验数据保存在数据库中，包括设备硬件信息(液压系统能力，增压器比例，伺服阀型号等)，当前试验信息(试验标准，试件规格、试验参数)。用户可以将保存在数据库中的数据提取出来，将测量的试验数据生成报表输出。所有波形全部保存在相应的波形图文件，波形数据中包含介质温度、环境温度、给定压力波形和实际压力波形数据。软件可以实现历史曲线的重放并可以改变重放的速度，以便用户迅速浏览脉冲的历史曲线。控制系统还实现了报警功能，若监测油箱温度、介质温度、环境温度、液位浮球、破裂浮球、过滤器堵塞、缸到头，出现报警立即输出报警信号。上位机负责采用rs485通信协议与环境仪表控制连接，环境温度用独立的环境箱控制，上位机可以写入温度控制值或者温度控制曲线，实时读取环境箱温度。

5.2 下位机软件

     下位机负责整个控制软件的实时伺服控制和逻辑控制设计，包括接收上位机的给定压力波形曲线、挠曲试验的振动频率、振幅和挠曲的速度和角度，完成两个伺服油缸和挠曲电动机三个闭环控制系统的调节，以及开关量的逻辑控制。此处省略逻辑控制功能。

      由于系统响应时间至少要4个系统时间常数，下位机根据给定压力波形曲线通过控制伺服油缸和增压器，保证压力上升斜坡时间小于50ms，调节周期5-10ms，界面波形显示滞后约1个实时波形。

      脉冲给定压力曲线与伺服信号调节受到试验压力大小、试验样管膨胀量大小、增压器比例、伺服阀放大器增益大小等因素影响。下位机应根据前述影响因素自动改变给定压力曲线和放大器增益，通过控制伺服阀和增压器实现对脉冲压力的控制。通过ad模块采样频率和伺服阀响应频率的佳匹配，以保证实际压力曲线和设定压力曲线误差不超过2%。通过以太网将控制系统实时数据上传上位机，实现压力波形曲线的实时监控，保证了控制系统的实时性、高可靠性。

6 结束语

      由于此试验系统比较复杂，控制系统和液压伺服系统先在实验室进行实物仿真，然后在试验系统联调时解决系统的机电耦合问题。目前控制系统实验室实物仿真已取得初步成果，初步解决ad模块采样频率和伺服阀响应频率的匹配、分级改变给定压力曲线和放大器增益等问题，还有待于试验系统联调时检验实际压力曲线和设定压力曲线误差是否符合相关标准要求。

1 引言

      空气压缩机作为气动控制系统的气源设备，其在运行过程中的稳定程度和可靠性直接关系到生产安全性。由于早期的电气控制多为继电器线路，长期运行容易老化，从而使灵敏度降低，在运行过程中会经常出现停机故障，给正常生产造成影响。采用可编程控制器技术改造空气压缩机的控制，克服了传统的纯继电器控制电路的不足，不仅可以完成对开关量控制，还能实现对模拟量进行控制。满足了系统对控制准确性和安全性的要求。

      本文采用西门子公司的s7-300可编程控制器，对两台柳州柳二空机械股份有限公司(原柳州第二空气压缩机总厂)生产的zw-3/7型无油润滑空气压缩机及其气体干燥器进行控制。本控制系统是在原生产线控制基础上，进行i/o口扩展从而达到空压机的控制目的。

2 系统工作过程

2.1 空气压缩机组的工作过程

      在设备上电开机后，系统首先对空缩机的运行条件进行检查，当冷却水压力、空压机曲轴箱油压满足要求时，1＃机启动，2＃机作为备用，其启动方式均采用y-δ起动方式，y-δ起动延时为6秒。起动后，储气罐开始充气，在储气罐压力达到设定值0.7mpa时空缩机进气阀关闭，机器空运转。当储气罐压力下降到0.65mpa时，进气阀打开，再次进行充气。由于故障等原因使储气罐压力降到设定值0.55mpa时，且1#机处于停机状态，则2#机起动并正常运行，其运行原理同1#机相同，继续对储气罐充气。在储气罐压力降到0.55mpa时，且2#机处于停机状态，1＃机起动并正常运行。与此同时，两台机器的正常运行时间均为12小时，也就是说，一台机器运行到12小时时，无论其有无故障，或是储气罐压力是否低于0.55mpa，均要停机并启动另一台机器。

2.2 气体干燥设备的工作原理

      两台压缩机共用一台气体干燥设备。该设备是采用柳州柳二空机械股份有限公司生产的gwu系列无热气体干燥器，其工作原理如图1所示。开机后，a塔先做吸附运行，b塔做再生运行。在设定的时序控制下，进气电磁阀a2打开a1、b1、b2均关闭，压缩空气经a2阀，从底部进入a塔，在向上运输过程中，气体中的水分被塔内吸附剂吸掉，干燥的气体通过梭阀c进入储气缺罐，与此同时，在a2打开后，经延时10秒b1打开，用b塔中的残余气体从上到下运动，将吸附剂中的小分从b1阀带出，经消声器排空。其开启的10秒时间是进行b塔脱附工作。在a2打开后延时十分钟后b2电磁阀打开，同时a2阀关闭，b塔进行充气，十秒后，a1阀打开，a塔中剩余气体从上至下经a1阀，从d消声器排出，并将a塔中水分带出，使a塔脱附，经延时十秒a1阀关闭。此时，由于a塔中的压力下降，b塔中的压力上长，梭阀c将a排气口关闭，将b排气口打开。同理，在b2阀开启十分钟后，a2阀打开，b2阀关闭，延时十秒，b1阀打开，使b塔进行脱附运行。就这样两塔交替运行，进行对气体的干燥。

图1 空气压缩机组工作原理

3 系统的控制要求

3.1 空气压缩机的控制要求

(1) 开机前按通电源，所有安装在中控室和现场的状态指示灯点亮，显示当前状态。

(2) 按下起动按钮，空压机按y-δ方式起动，进气口电磁阀打开，开始给储气罐充气。另外，在起动时，不要求两台机器同时运行，但可选任意一台先运行。

(3) 正在运行的机器，运行时间超过12小时或故障，备用机起动，并运行。

(4) 在运行过程中，如果发生水压、油压不足，立刻停机，并发出指示。

(5) 按下停止按钮，停机。

3.2 气体干燥器的控制要

气体干燥器的控制与空压机的运行同步，与空压机的电源一并打开，其起动受空压机的主接触器的控制。

4 系统硬件设计

4.1 系统配置

      本设计所选用的是s7-300的标准型cpu，i/o口选用sm321和sm322数字量输入/输出模块及sm331模拟量输入模块在其三号扩展槽的第二个sm口上依次进行扩展。

4.2 扩展单元i/o分配及接线

对西门子s7-300的扩展口进行分配，其接i/o口定义如附表所示。

   开关量信号的采集，空压机在高速运行时，必须有很好的冷却系统和润滑系统，以避免运行过程中产生的热量对机器造成损坏。所以水压、油压是首先要考虑的，采用压力开关进行这些量的采集，并连接到其数字量输入模块sm321上，起始地址为100.0-100.3。模拟量的采集主要是用于测试储气罐的压力，以控制空压机运行。这些量需要用压力变送器进行采集，并将0-1mpa的压力转换成4-20ma的电流信号送到模拟量输入模块sm331上，其起始地址为672-687。其硬件接线如图2所示。

图2 硬件接线

      对于空压机的y-δ起动，虽然在软件程序设计中已经对其进行km2和km3、km5和km6的互锁，但为了其运行的安全性，所以在硬件连接中再一次对其进行互锁，确保起动时由于触点烧蚀或其它故障造成不能断开而产生短路情况。气体干燥器部分有四个电磁阀，这四个阀的在电源接通后，由km1和km4进行控制，无论是1＃机还是2＃一旦起动，气体干燥器就开始工作，其a塔下面的a2阀打开，a塔先行工作。然后按前述的工作原理进行工作。用km1和km2控制这一部分能保证气体干燥器与空压机的同步工作。

5 软件设计

5.1 空压机控制

      依据空压机的工作原理设计其运行程序。开机，检查其水压、油压，在这些条件满足时1#机起动，并开始正常运转。在此要注意的是，在运动中2#机的起动，由于它一方面要受到定时器的控制，还要受到储气罐的压力控制，当储气罐的压力低于0.55mpa时，这说明1#机故障，所以2#机起动，但是这与1#机的初始条件相同，在开机时，储气罐的压力为0，两台机器都可以运行，因此在这里要求通过压力变送器和km1、km4共同对开机进行控制。km1、km4分别与压力变送器串接进行对两台机器的互锁运行控制。其主机和备用机的运行梯形图如图3所示，通过i672与q108.3控制1#机起动，i672与q108.0控制2#机的起动。这样就使得，当压力低于设定值0.55mpa时，两台机器不至于同时起动。

图3 空压机梯形图

5.2 气体干燥器系统控制

      空压机气体干燥器系统的梯形图如图4所示。对气体干燥器的控制，主要依据两台空压机的起动情况而定。作为共用部分，无论那一台机器起动都要求气体干燥运行，因此，在气体干燥的梯形图中不必设计起、停按钮，而是通过q108.0和q108.3即1#、2#机的km1、km4来完成其控制。

图4 干燥器梯形图

6 结束语

      本次改造后，在空压机在运行过程中，减少了操作人员到现场的巡回次数，可以通过在中控室直接观察空压机的工作状况，对现场出现的异常情况发出的报警信号，可做出快速反应，而不是像以前那样，等到其它气动控制的设备出现气压不足报警时才发现空压机系统有问题。经过这一年多的运行，除了设备的机械故障外，基本上没有出现控制上面的问题，完全符合设计要求。采用可编程控制器对空压机的控制，使其操作简便，而且在运行过程中的安全性和稳定性也进一步得到tigao。