【文章內(nèi)容簡介】 為模擬值，模擬值用16位二進制補碼來表示最高位為符號位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分數(shù)表示的模擬量之間的對應關系為：雙極性模擬量量程的上下限(100%和100%)分別對應模擬值27648和27648。單極性模擬量量程的上下限(100%和0%)分別對應于模擬值27648和0。STEP 7編程軟件用于西門子是供西門子s7300編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。 　　STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在線幫助，用鼠標打開或選中某一對象，按F1可以得到該對象的在線幫助。 　　在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC SMC7和WinAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。 STEP 7的硬件接口：PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計算機的RS232C接口和PLC的MPI接口。，~。除了PC適配器，還需要一根標準的RS232C通信電纜。4．控制系統(tǒng)設計方案控制系統(tǒng)由以下部分組成：變頻器、可編程控制器、電抗器、壓力變送器、接觸器、空氣開關、電流表、電壓表、按鈕、互感器等?？諌簷C空壓機空壓機M1M2M3壓力變送器變頻器PLC電源儲氣與供氣管道PLC由電源、CPU、模擬量輸入、輸出模塊、開關量輸入、輸出模塊等組成。其用來實現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分：起動、運行、停止、切換、報警及故障自診斷。起動：三臺電機M1，M2，M3如圖41所示，可以通過轉換開關選擇變頻/工頻啟動。運行：正常情況，電機M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動機MM3處于停機狀態(tài)。現(xiàn)場壓力變送器檢測管網(wǎng)出口壓力，并與給定值比較，經(jīng)PID指令運算，得到頻率信號，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)電動機的轉速，達到所需壓力的目的。停止：按下停止按鈕，PLC控制所有的接觸器斷開，變頻器停止工作。切換：實現(xiàn)M1，M2，M3工頻、變頻相互切換。報警及故障自診斷：空壓機內(nèi)部一般有四個需要監(jiān)測的量：冷卻水壓力監(jiān)測、潤滑油監(jiān)測、機體溫度監(jiān)測、儲氣罐壓力監(jiān)測。啟動前，將變頻器的機組開關置于欲工作的機組，工作方式選擇置于變頻位置，將 PLC 的控制開關置于運行狀態(tài)，按下啟動按鈕，機組運行。1 空壓機變頻啟動，轉速從零開始上升，若達到預設的頻率上限值50Hz時，延時一段時間后風包出口處的壓力仍不能達到預設的壓力值 ，則由PLC 通過控制中間繼電器的通斷將 1 空壓機切換到工頻運行，同時將2空氣壓縮機切換到變頻狀態(tài)，變頻啟動2空壓機。若2空壓機達到頻率上限時，延時一段時間后仍不能滿足要求，再自動將2空壓機切換到工頻運行，變頻啟動3空壓機。當用風量減小，若3臺空壓機同時運行時，3 空壓機變頻運行而此時變頻器的頻率降到頻率的下限值20Hz時，則自動停止1空壓機，若還不能滿足要求，則自動停止2 空壓機的運行。當空壓機在運行的過程中出現(xiàn)機體溫度過高，潤滑油溫度過高，風包溫度過高，分包壓力過高及潤滑油壓力過高，斷水等故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警信號，提示有關的工作人員及時地排除故障。控制系統(tǒng)工作流程如圖42所示。開始變頻器啟動頻率上限是否達到頻率下限是否達到監(jiān)測參數(shù)是否正常是否有停機信號停機轉化為工頻運行并把變頻器切換到下一臺空壓機當前空壓機停機并把變頻器復位報警延時YYNYYNN該系統(tǒng)具有手動和自動兩種運行方式：(1)手動運行方式選擇此方式時，按啟動按鈕空壓機或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。(2)自動運行方式在自動運行方式下開始啟動運行時，首先打開冷卻水閥，關閉供氣閥，1空壓機變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器連通（啟動過程如圖43）變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時間后，將1空壓機切換為工頻，2空壓機變頻交流接觸器吸合，變頻啟動2空壓機，頻率逐漸上升，直至供氣壓力達到設定壓力，依次類推增加空壓機。變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變?yōu)殡娦盘査徒oPLC內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率。當壓力小于設定值時，頻率升為50HZ，延時30s后，若測量值仍小于設定值，則變頻器切換為工頻運行，同時變頻器啟動下一臺空壓機，依次啟動各臺空壓機。當壓力大于設定值時，通過PID調(diào)節(jié)降低頻率，當頻率降為20HZ，延時30s后，若測量值仍大于設定值，則變頻器切換到下一正在運行的空壓機進行調(diào)速，同時關閉當前機。依次關閉各臺空壓機。從而使實際壓力始終維持在給定壓力。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。變頻器一旦出現(xiàn)故障，煤炭生產(chǎn)不允許空氣壓縮機停機，因此，系統(tǒng)設置了工頻與變頻切換功能，這樣當變頻器出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機照常工作。整個控制過程如下：用氣需求↑ —— 管路氣壓↓—— 壓力設定值與反饋值的差值↑ —— PID輸出↑ —— 變頻器輸出頻率↑ —— 空壓機電機轉速↑ —— 供氣流量↑—— 管路氣壓趨于穩(wěn)定特別注意：為防止電機頻繁起制動和變速，在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率不變。開始上電初始化冷卻水壓力潤油壓力 電氣故障啟動運行報警及故障處理NＮＹＮＹＹ上位機報警裝置PLC變頻器1空壓機2空壓機1空壓機檢測變送裝置檢測變送裝置檢測變送裝置 空壓機變頻調(diào)速原理圖空壓機變頻調(diào)速的要求：(1)空壓機是大轉動慣量負載，這種啟動特點很容易引起變頻器在啟動時出現(xiàn)跳過流保護的情況，故采用具有高啟動轉矩的無速度矢量變頻器，保證既能實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設備可靠穩(wěn)定的運行；(2)空壓機不允許長時間在低頻下運行，空壓機轉速過低，一方面使空壓機穩(wěn)定性變差，另一方面也使缸體潤滑度變差，會加快磨損。所以工作下限應不低于20Hz；(3）功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現(xiàn)頻繁跳閘的情況；(4)為了有效的濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行的噪音，提高電機的穩(wěn)定性；(5)系統(tǒng)應具備變頻和工頻兩套控制回路，確保變頻出現(xiàn)異常跳保護時，不影響生產(chǎn)。開始時，若1空壓機變頻啟動，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率達到50Hz而此時空氣壓力還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起的誤動作）后，1空壓機切換為工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz下降至0Hz，2號空壓機變頻起動，如氣壓仍不滿足，則會啟動3空壓機，切換過程同上；同樣，若3臺空壓機（假設3）都在運行，3空壓機變頻運行降到0HZ，此時氣壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1空壓機停止，變頻器頻率從0HZ迅速上升，若此時供氣壓力仍處于上限值，則延時一段時間后使2空壓機機停止。這樣的切換過程，有效的減少空壓機的頻繁啟停，同時在實際管網(wǎng)對供氣壓力波動做出反應之前，由于變頻器迅速調(diào)節(jié)，使氣壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了井下風動工具供氣不足的情況發(fā)生。切換過程流程圖如圖45所示。開始1空壓機變頻運行添加工作空壓機1空壓機變pinn頻運行1空壓機停止運行減少工作空壓機變頻器輸出頻率變頻器輸出頻率變頻器輸出頻率上限上限延時5s延時5s延時5s上限延時5s延時5s下限下限正常 空壓機切換流程圖在自動狀態(tài)下系統(tǒng)啟動時，首先 KM2 吸合，1空壓機在變頻器控制下起動，延時 5s（延時是為了讓壓力穩(wěn)定下來） PLC 對變頻器的輸出頻率進行檢測。當檢測到變頻器下限頻率信號則關閉 1空壓機；反之當檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 執(zhí)行增加空壓機動作：KM2斷開、KM1吸合，1空壓機改為工頻運行并延時 1s（延時一是為了讓開關充分熄弧，另一方面是為了讓變頻器減速為 0，KM4 吸合變頻啟動2空壓機。為了保護空壓機及變頻器，1空壓機的 KM1 與 KM2之間進行了電氣互鎖。當2空壓機投入變頻運行后，延時 5s PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進行檢測，當檢測到變頻器下限頻率信號則關閉1空壓機，剩下2空壓機在變頻狀態(tài)下運行，延時 5s 如果 PLC 再次檢測到變頻器下限頻率信號則把2空壓機也關閉；反之當檢測到變頻器上限頻率信號則 PLC 再執(zhí)行增泵動作：KM3斷開、KM4 吸合，2空壓機改為工頻運行并延時 1s，KM6吸合變頻啟動3空壓機。依此類推，當3空壓機投入變頻運行后，延時 5s，PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進行檢測以決定執(zhí)行增加或減少空壓機動作來滿足恒壓供氣目的。另外為了方便故障檢查維修。在設計中增加了故障指示和故障報警輸出，變頻器本身具有短路保護、過載保護等功能，只需把變頻器的故障輸出點、接觸器、熱繼電器等輔助觸點接到 PLC 即可。PLC通過程序掃描這些輸入點，如果發(fā)生故障則作出相應的動作。如檢測到一臺空壓機出現(xiàn)過載情況，則切斷該空壓機的接觸器并投入備用空壓機，同時輸出故障信號，以方便檢查及時維修。(1)上位機與PLC的通信在工控領域中PLC通常作為下位機使用，工業(yè)計算機作為上位機，通過網(wǎng)絡在線監(jiān)視空壓機的運行狀況，查看壓力、溫度、運行時間、電機電壓、電機電流、輸出功率等實時數(shù)據(jù)，記錄并存儲歷史數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。當現(xiàn)場設備有動作或者出現(xiàn)故障時能夠彈出提示消息并記錄存儲下來。在遠程控制允許的情況下，值班人員還可以遠程控制空壓機。遠程監(jiān)控方便了調(diào)度，提高了管理自動化水平，是煤礦信息化發(fā)展的需要?！　∑渌ㄊ肿詣愚D換開關、緊急停止按鈕、聲光報警器等。在PLC和上位機之間的通訊中，PLC通過以太網(wǎng)模塊CP3431接入工業(yè)以太網(wǎng)，上位機通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。選擇接口類型為工業(yè)Ethernet，通信速率為100Mbps，設置PLC和上位機的IP地址。在煤礦空壓機組的監(jiān)控系統(tǒng)中，用來控制空壓機的PLC系統(tǒng)作為下位機，與調(diào)度室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)即上位機組成一個小型的工業(yè)以太網(wǎng)，進行PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋和對PLC系統(tǒng)發(fā)送控制信號。(2)PLC與變頻器的通信本系統(tǒng)中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現(xiàn)的，PLC通過RS485通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、和過壓、過流、過負荷等全部報警信息等參數(shù)。該過程最多分5個階段。計算機發(fā)出通訊請求；變頻器處理等待；變頻器作出應答；計算機處理等待；計算機作出應答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應的過程，如寫變頻器啟?？刂泼顣r完成1～3三個過程；監(jiān)視變頻器運行頻率時完成1～5個過程。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計算機發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應答。在工業(yè)控制中，PID (Proportion Integral Differential)控制是工業(yè)控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性：當控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自動調(diào)整以適應外界環(huán)境的變化。為了使控制器具有較好的自適應性，實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整，可以采用模糊控制方法。模糊控制已成為智能自動化控制研究中最為活躍而富有成果的領域。其中，模糊PID控制技術扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。到目前為止，現(xiàn)代控制理論在許多控制應用中獲得了大量成功的范例。然而在工業(yè)過程控制中，PID類型的控制技術仍然占有主導地位。雖然未來的控制技術應用領域會越來越寬廣，被控對象可以是越來越復雜，相應的控制技術也會變得越來越精巧，但是以PID為原理的各種控制器將是過程控制中不可或缺的基本控制單元。利用模糊控制理論的特性，結合傳統(tǒng)的PID控制理論，構造模糊 PID控制器，可實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整[3]。PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖46所示。將偏差的比例（KP ）、積分(KI)和微分(KD)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，KP、KI、KD 3個參數(shù)的選取直接影響了控制效果。比例積分微分被控對象ｅ（ｔ）ｕ（ｔ） PID控制器系統(tǒng)原理圖在經(jīng)典PID控制中，給定值與測量值進行比較，得出偏差e(t)，并依據(jù)偏差情況，給出控制作用u(t)。對連續(xù)時間類型，PID控制方程的標準形式為： （41）式(41)中，u(t)為PID控制器的輸出，與執(zhí)行器的位置相對應；t為采樣時間；KP 為控制器的比例增益；e(t)為PID控制器的偏差輸入，即給定值與測量值之差；TI為控制器的積分時間常數(shù)；TD為控制器的微分時間常數(shù)。數(shù)字式PID控制器的表示函數(shù)為: （42）公式(42)中：e(n)為系統(tǒng)偏差；ec(n)為系統(tǒng)偏差變化率； KP 為比例系數(shù)；KI為積分作用系數(shù)；KD為微分作用系數(shù)。 KP 值影響系統(tǒng)的響應速度和精度； KP 越大，系統(tǒng)響應速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，如果過大，將引起超調(diào)，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KI值影響系統(tǒng)的穩(wěn)定精度；KI越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但如果過大，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調(diào)。KD值影響系統(tǒng)動態(tài)特性；它主要抑制響應誤差的變化，如果KD過大，會使響應過分