5 控制系统硬件设计
5.1主电路设计
在硬件设计中，采用一台变频器控制三台空压机的电机运行，三台电机的运行都有变频/工频两种状态，每台电机都需要通过两个接触器与工频电源和变频输出电源相连。
变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。
还需要在工频电源下面接入同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通。
在PLC的220V输入电源前也需要接入自动空气开关，保证PLC的正常运行。
所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。
（主电路如5.1）
由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入一个电流互感器，电流互感器和热继电器、电流表连接。
电流表安装在控制柜上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。
同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。
变频器主电路电源输入端子(U1，V1，W1)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U2，V2，W2)经接触器接至三相电动机上。
对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。
在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键来操作，不得以主电路的通断来进行。
QF1
QF2
QF3
QF4
L2L1
L3
图5-1 控制系统主电路图
5.2 PLC 选型
本系统中共有3台电机、3个电磁阀、7个压力传感器、12个温度传感器，
启动停止等开关控制信号共19个，共有64个I/O点、它们构成了被控对象。
电机的启动由开关量控制，PLC模拟量模块输出4～20mA电流作为变频器的控制端输入，进行压力的恒压控制。
表5.1 PLC输入输出模块I/O点数
I/O类型模拟量输入模拟量输出开关量输入开关量输出
信号类型类型数
量
类型数
量
类型数
量
类型数
量进水温
度
3 变频器
控制型
号
1 紧急停
止
3 工频继
电器
3
润油温
度
3 检修/正
常
3 变频继
电器
3
风包温
度
3 故障灯
复位
3 超温灯 3
电机温
度
3 报警灯
复位
1 断水灯 3
进水压力 3 启动按钮 3 电磁阀 3 后冷压力 3 停止按钮 3 报警灯 1 总管压力 1 自动/手动 3 运行灯 3
检修灯 3
油压低灯 3 AI 19 AO 1 DI 19 DO 25
64
根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC。
考虑到以后的扩展要求，选用CPU313C 型号PLC，S7-313C CPU包括一个主要处理单元、AI5/AO2以及DI24/DO16，这些都被集成在一个紧凑的独立的设备中，该型号具有24数字输入、16数字输出。
可提供标准值为24V DC的输入和输出电压。
其技术参数为：
(1)指令运行时间：0.1/2/20μs（二进制/定点/浮点）
(2)主存储器：32KB
(3)SIMATIC Micro存储卡：64KB～4M
(4)本机分布式I/O：DI/DO：24/16 A1/AO*PT100：4+1/2
(5)技术功能: 计数频率测量：3 ( 30KHz ) ～ 4 ( 2.5KHz )
(6)接口：MPI 187.5Kbps
(7)外形尺寸：120×125×13
5.3变频器选型
本设计变频器选择西门子MM440变频器。
它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。
创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。
(1)主要特征
200V-240V ±10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW；矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；高过载能力，内置制动单元；
三组参数切换功能。
控制功能：线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；标准参数结构，标准调试软件；数字量输入6个，模拟量
输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；独立I/O端子板，方便维护；采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；内置PID控制器，参数自整定；集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；具有15个固定频率，4
个跳转频率，可编程；可实现主/从控制及力矩控制方式；在电源消失或故障时具有"自动再起动"功能；灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；有直流制动和复合制动方式提高制动性能。
(2)保护功能
过载能力为200％额定负载电流，持续时间3秒和150％额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护，短路保护；闭锁电机保护，防止失速保护；采用PIN编号实现参数连锁。
5.4传感器的选取
传感器是能感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，通常由敏感元件和转换元件组成。
作为一个参数监测系统，传感器占有非常重要的地位。
下面对本系统中所涉及的传感器作简要比较并最终选型。
(1)压力传感器的选型
现场所需要测量的压力参数有主机进水压力、储气罐气体压力。
压力信号要求范围为0～1MPa，精度为0.5%以上。
本系统采用北京科热测控技术有限责任公司研制的GPT压力变送器。
GPT压力变送器压力测量特性如下：传感器为316不锈钢膜片结构，适用被测介质可以是腐蚀性气体、液体、蒸汽，测量范围在
20KPa～20MPa，测量精度分为0.1%，0.25%，0.5%，三倍过压范围。
信号输出特性：电流型输出：DC/4～20mA，最大负载电阻测算(含传输线内阻)：Rmax= ( V -12 ) /0.02（其中V为供电电压）。
供电特性：推荐工作供电电压：DC/24V，空载工作电压：DC/12V，最高过载电压：DC/40V，最大输出限流：30mA，内设电压极性反接保护。
工作环境特性：环境温度补偿范围：0～50℃，环境温度工作范围：-20～80℃。
工作环境湿度范围：0～80％
外型结构与典型接线：探头外型尺寸：φ59mm×120mm，重量：650g; GPT 过程连接外螺纹规格M20×1.5(或定制)；DPT过程连接内螺纹规格M12×1.25。
(2)温度传感器的选型
现场的温度信号范围为0～105℃，所以温度传感器采用PT100标准电阻温度传感器。
PT10是铂电阻温度传感器，可测量-60℃到+400℃之间温度。