1、焦作大学毕业设计题 目： PLC 在制氮机上的应用学 院： 机电工程学院 专 业： 11 机械制造与自动化（3）班 学 号： 110108309 姓 名： 王文江 指导教师： 宋芳 完成日期： 2013 年 月焦作大学机电工程学院毕业设计IPLC在制氮机上的应用摘 要在现代生产力不断提高的情况下，建设无人值守的空压站，是一个社会发展过程中的必然选择。本文主要论述了一种PLC在制氮机上的应用，采用PLC对空压机进行自动控制改造，实现空气的分离控制和生产设备的集中控制。在改造原有系统的基础上，将制氮机电机的直接启动控制方式改为变频控制，减小对系统电网的冲击和节约能源，同时制定了具体实施的控制方式、
2、设备启停步骤、软件功能、功能扩充、报警系统。并利用相应的控制算法，实现供气的恒定，提高供气质量和效率，保证各项工作的安全生产。关键词：PLC，制氮机，自动控制焦作大学机电工程学院毕业设计ii目 录第一章 绪论 .1第二章 制氮机流量值的计算 .1第三章 系统构成及工作原理 .83-1 设计方案的确定 .83-2 系统构成 .93-3 工作原理 .93-4 控制过程 .113-4-1 恒压控制 .113-4-2 节能控制 .12第四章 硬件电路设计 .124-1 PLC 可编程控制器部分 .134-1-1 PL C 概述 .134-1-2 PLC 选型和性能指标 .154-1-3 PLC 内部分
3、配 .154-1-4 输入输出外部接线 .154-2 模数转换模块 .174-3 传感器部分 .194-4 变频器部分 .204-5 监控对象空压机 .214-6 系统的保护及故障警报的发出 .22第五章 系统的软件设计 .225-1 系统的总体框图设计 .225-2 程序的结构及程序功能的实现 .245-2-1 系统的初始化程序 .245-2-2 系统的主控制程序 .245-2-3 系统的中断程序 .25第六章 结束语 .25致谢 .25焦作大学机电工程学院毕业设计iii参考文献 .26附录 .27焦作大学机电工程学院毕业设计iv第一章 绪论在现在工业生产中，空压机在冶金机械制造、矿山、电力
4、、纺织、石化、轻纺等行业都有广泛的应用。传统的空压机供气控制方式大都是采用加、卸载控制方式。该控制方式虽然原理简单、操作简便，但是存在能耗大、进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用，使变频器的节能效果更为显著，它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制相对于其它调速方式(如:降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等)具有更大的优势，变频调速性能稳定、调速范围广、效率高。为此本文采用 PID 技术和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造。
5、整个工作系统的安全性和稳定性都有了很大提高，节能效果显著，实用性好。第二章制氮机流量值的计算毛细管作为一种重要节流元件，具有结构简单、价格便宜、无运动部件、制造方便、工作稳定可靠和不易发生故障等优点，其压力平衡特性有利于降低压缩机的起动力矩，因此已经广泛应用于家用设备包括电冰箱、冰柜、空调器和减湿器等小型制冷装置中，它对制冷系统的连续运行起着重要作用。在现有的制冷系统中，绝热毛细管应用最多。而 HFC 一 134a(R134a，CH，FCF3，1，3一四氟乙烷)作为 R12(CFC12，CF2CI ，二氟二氯甲烷)的替代制冷工质而提出，已被证明是比较环保的绿色制冷剂，特别适用于家用冰箱、窗式空
6、调、汽车空调以及小型空冷制冷机组和离心式冷水机组。本文针对以制冷剂 HFC 一 134a 为工质的制冷系统，选择一组基于 MH 状态方程(即马丁一候方程)的热力学性质参数方程，对绝热毛细管流量进行数值模拟计算。1 毛细管稳态数学模型为建立绝热毛细管稳态数学模型，主要采用如下假设? ：(1)由于毛细管的管径很小，可忽略径向的参数变化，流动为一维绝热流动；(2)液相和气相的流速较为接近，气相和液相间无滑移，按均相流处理；焦作大学机电工程学院毕业设计v (3)两相介质达到热力学平衡；(4)重力影响较小，可忽略不计；(5)管路截面积保持不变；(6)忽视亚稳态流动。11 基本模型 儿质量方程：m ： ：
7、const能量方程：h+ ：c0list动量方程：一 dp：m2d + 1m dl(1)(2)(3) 式中：m 为质量流速，kg(m2s)；G 为质量流量，kgs；F 为截面积，m ； h 为比焓， Jkg； 为比容，n kg；P 为压力，Pa；f 为沿程摩擦阻力系数(以下简称摩阻系数)；D 为内径，m；为长度，in。12 模型的离散方程的离散采用有限差分方法，将制冷剂在毛细管内的流动沿管长划分若干微元，则对其中的某一微元有：ml= m2 (4)hl+ 百 1m2I2：h2+ 百 1m22 (5)pp =m2( 一 。)+ ! ； (6)式中：下标 l、2、m 分别表示微元的进口参数、出口参数
8、、平均参数；为微元段长度。121 过冷单相区过冷液体可视作不可压缩，比容、焓、过冷区温度和摩阻系数均不变。由式(6)可得过冷段长度为：L ： 2D ApscLSC 一 2 一 (、7，)，I|L J SC3SC 式中：Ap 为过冷区的压强差。122 气液两相区由式(6)可得两相区某一微元段长度为：AL ： p。一 P2 一 mz(32 一 。) (8)HI J mUm对于两相区所有微元段的计算长度求和，可以得到整个两相区的计算长度： 、L ： ZAL， (i) (9)对于气液两相区，比焓 h 和比容 的计算为：h =xh +(1 一 )hs (1O)= +(1 一 ) (11)焦作大学机电工程
9、学院毕业设计vi式中： 为干度；下标 g、f、StY、tp 分别表示气相、液相、过冷区、两相区。式中：n：告 m ( 2 一 ) ；b： m ( g2 一 vp)+h 一， ；C ： 寺 m ( 一 I )，+ ，2 一 httI。13 沿程摩阻系数与粘度计算关于毛细管内摩阻系数的计算，采用 Churchill 关联式，因为该关联式可覆盖整个雷诺数 e 区域，并考虑了毛细管内粗糙度的影响。f：8(8Re) +1(A+曰) (13)式中：A ： 2457ln 瓦B ： (37530Re) ；Re ： mDF。式中：为粗糙度； 为动力粘度；在 eD 无法确定时，可考虑取 327。对于气液两相区，动
10、力粘度 的计算常用 Cicchitti 经验公式： xp +(1 一 ),ul (14)其中对于 HFC134a 的气体液体粘度，采用新的基团贡献法计算 ：c expm ( ) (15)us：cl expI bo(Tr)+ ( )” (16)式中：0(rr)：In +05(1 一 l ) (11 ln rr)101(1 一 l ) 式中：c ，m ， 为物质常数，与温度无关。c ： 1427 10 一 Pas；m ： 0902；cl 4106 10 一 Pas：m，= 一 1962；b ： 一 18。14 壅塞流在正常运行工况下，制冷剂在毛细管内的流动处于壅塞状态 。为避免计算结果失真，在毛细
11、管过程是典型的不可逆过程，必须满足熵增，文献中常使用的壅塞判据是熵增判据。本文采用熵增判据的一种等价形式，l 临界长度判据：等0 (17)计算壅塞质量流量 ：焦作大学机电工程学院毕业设计vii Gch + r (1 8)式中：J vf dsf dry计算出口壅塞压力 ：P =m(p，t， ，卢) (19)式中：m 为质量流速，kg(m2s)；P，为参考状态点压力，Pa； 为参考状态点比容，m3kg；p 为经验常数，表征两相区压力与比容的相对变化率，p=262 105p。此式参考状态点为等焓节流过程线与饱和液体线的交点。当毛细管进口状态为过冷液体时，参考状态点就是两相区的进 IZl 状态，P，是
12、对应进 IZl 温度的饱和液体压力。2 热力性质参数方程制冷工质的热力性质计算式由状态方程、饱和气体压力方程、饱和液体密度方程、理想气体比热容方程和比焓方程组成。21 状态方程式中：温度函数 (T)=A +C e ；为比容，m3kg；p 为状态点压力，kPa；R =O0815kJ(kgK)；A2 = 一 8909485E 一 02，A = 1778071E 一 05，B2 = 4408654E 一 05，B = 一 4016976E 一 08，C2 =一 20“4834E +00，C =一 2977911E 一 04，A3= 一 1016882E 一 03，A5= 一 7481440E 一 0
13、8，B3 = 2574527E 一 06，B5 = 1670285E 一 10，C3 = 2142829E 一 02，C5 = 1255922E 一 06，b = 3755677E 一 04，K = 4599967E + 00。22 饱和蒸气压力方程盯】lgl0 P ：A+导+cl。gl0 +D +从 (21)式中：P 的单位为 kPa；A = 4069889E +01，D = 7616005E 一 03，B = 一 23625 40E +03，E = 2342564E 一 01，C = 一 1306883E +01，F = 3761111E +02。焦作大学机电工程学院毕业设计viii23
14、饱和液体密度方程 ： + (1 一 )“ + (1 一 ) +D，(1 一 )+E，(1 一 )4 (式中： 的单位为 kgm3；Af=5281464E+02；： 7551834E + 02； = 1028676E +03；= 一 9491172E + 02； =5935660E+02。24 理想气体定压比热容方程阳= cI + c2 + c3 + c4 + c4 + c5 -1式中：c。的单位为 kJ(kgK)；I=一 05257455 10 ，2 = 03296570 10 一 ， 3= 一 2017321 10 一，4 = 00， s = 1582170。25 汽化潜热 。采用 Wats
15、on 关联式计算，可得到满意的结果。即根据某一温度下的汽化潜热推算其它任一温度下的汽化潜热值：其汽化潜热 r|为 2158kJkgn26 焓熵的相关计算 利用热力学的余函数理论 计算，可导出其饱和气体比焓、比熵热力性质参数， MH 状态方程代入。(26)式中：压缩性系数 z=等；h。 ，s。是对基准态比焓和比熵值进行校正的常数，与基准态取定及制冷工质种类有关。饱和液体的比焓等于饱和蒸气的比焓减去汽化潜热，饱和液体的比熵等于饱和蒸气的比熵减去汽化潜热与热力学温度的商，则饱和液体焓 hj= h 一， (27)饱和液体熵 s= s 一 i- (28)。以上各式中： 为泓度， K； 为正常沸点， 24705K； 为临界温度，37425K；rr，死，为对比态温度，Tr= ，T6 = Tb 。3 数值计算31 计算方法输入毛细管长度、直径、粗糙度、冷凝压力、蒸发压力、过冷度，首先假设出口压力等于蒸发压力，计算壅塞流量，作为流量迭代初值 Gc，计算毛细管的长度，并将其与给定的长度进行比较。若长度偏大，把 Gc 作为较小值 Gc3，
