【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 塊式 PLC的基本結(jié)構(gòu) 11 PLC，主要由機(jī)架、 CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、 接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成 (見(jiàn)圖 3． 1)，各種模塊安裝在 機(jī)架上。通過(guò) CPU模塊或者通信模塊上的通信接口， PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上， 可以與計(jì)算機(jī)、其他 PLC 或其他設(shè)備通信。 （ 1） ． CPU模塊 CPU模塊主要由微處理器 (CPU芯片 )和存儲(chǔ)器組成。在 PLC控制系統(tǒng)中， CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新 系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用水儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。 （ 2） ．信號(hào)模塊 輸入 (Input)模塊和輸出 (Output)模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 I／ O模塊，丌關(guān)量輸入、輸 出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 DI模塊和 DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 AI模塊和 AO 模塊，他們統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)模塊。信號(hào)模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備和 CPU模塊的橋梁。 輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，丌關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開(kāi) 關(guān)、數(shù)字撥碼丌關(guān)、限位丌關(guān)、接近丌關(guān)、光電丌關(guān)、壓力繼電器等傳來(lái)的數(shù)字 信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)和各種變送器提供的連續(xù) 變化的模擬量電流電壓信號(hào)。 丌光量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、 電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和 12 報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。 CPU模塊內(nèi)部的工作電壓一般是 DC 5V，而 PLC的輸入／輸出信號(hào)電壓一般較 高，例如 DC 24V或 AC 220V。從外部引入的尖刻電壓和干擾噪聲可能損壞 CPU 模塊中的元器件，或使 PLC不能正常工作。在信號(hào)模塊中，用光耦合器、光敏晶 閘管、小型繼電器等器件來(lái)隔離 PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。信號(hào) 模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 （ 3） ．功能模塊 為了增強(qiáng) PLC的功能， 擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，減輕 CPU的負(fù)擔(dān)， PLC廠家為了 丌發(fā)各種各樣的功能模塊。它們主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)器量要求很高 的控制任務(wù)。 （ 4） ．接口模塊 CPU模塊所在的機(jī)架成為中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納全部模塊，可以 增設(shè)一個(gè)或者多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用束實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間的通信， 有的幾口模塊還可以為擴(kuò)展模塊供電。 （ 5）．通信處理器 通信處理器用于 PLC之 I39。日 J、 PLC與遠(yuǎn)程 I／ O之問(wèn)、 PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能 設(shè)備之間的通信，可以將 PLC接入 MPI、 PROFIBUS． DP、 AS． i和工業(yè) 以太網(wǎng)，或 者用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等。 （ 6）．電源模塊 PLC一般使用 AC220V電源或 DC24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)為 DC24V 電壓和背板總線一 k 的 DC5V 電壓，供其他模塊使用。 PLC 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)流程 對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制程序，在啟動(dòng)系統(tǒng)之后，首先進(jìn)行參數(shù)的初始化程序， 分別對(duì)系統(tǒng)累加器、定時(shí)器等功能塊進(jìn)行初始化，之后進(jìn)行模擬量采集，對(duì)要求被控制的參數(shù)按照一定的時(shí)問(wèn)間隔進(jìn)行采集，然后調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)度化程序?qū)Σ杉? 的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)度化處理，使從外界采集到的實(shí)際工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部可以直 接 使用的數(shù)據(jù)。在完成以上工作之后，各個(gè)回路調(diào)用自己相 J觀的控制算法對(duì)系統(tǒng) 中的四個(gè)控制回路的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警控制程序，監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 13 參數(shù)的越限情況。按此情況循環(huán)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)控制過(guò)程。具體的系統(tǒng)控 制流程圖如圖 3． 4所示。 單片機(jī)工作原理 PLC 有兩種工作狀態(tài)，即運(yùn)行（ RUN）狀態(tài)和停止（ STOP）狀態(tài)。 ? 在運(yùn)行狀態(tài)， PLC 通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使 PLC 的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到 PLC 停機(jī)或切換到 STOP 工作狀態(tài)。 ? 除了執(zhí)行用戶程序外，每次循環(huán)過(guò)程中， PLC 不還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5 個(gè)階段，如右圖所示。 14 PLC的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為 掃描工作方式 。 掃描周期 ? 在工作狀 態(tài)下， 執(zhí)行一 次上圖 所示的 掃描操 作所需 的時(shí)間稱(chēng)為 掃描周期 。其典型值為 1100ms。 開(kāi)始 自診斷 與編程器通信 讀入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào) 執(zhí)行用戶程序 輸出結(jié)果 STOP RUN 15 。 PLC 首先掃描所 有輸入端 子，并將各 輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中各對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，此時(shí)輸入影響寄存器與外界隔離，無(wú)論輸入信號(hào)如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫(xiě)入輸入端的新內(nèi)容。 2 ．程序執(zhí)行階段。 根據(jù) PLC 梯形圖程序 ” 先左后右，先上后下 ” 掃描原則進(jìn)行逐句掃描。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)， PLC 就從 輸入映像寄存器 “ 讀入 ” 上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器 “ 讀入 ” 對(duì)應(yīng)元件 ( “ 軟繼電器 ” ) 的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對(duì)元件映像寄存器來(lái)說(shuō)，每一個(gè)元件 ( “ 軟繼電器 ” ) 的狀態(tài)會(huì)隨著程序執(zhí)行過(guò)程而變化。 3 ．輸出刷新階段。 在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通 / 斷開(kāi)） 在輸出刷新階段 轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過(guò)一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 輸 入 輸 出滯后時(shí) 間 ? 輸入輸出滯后時(shí)間又稱(chēng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間， 是指 PLC 的外部輸入信號(hào)發(fā)生 變化的 時(shí)間到 它的控 制的有 關(guān)外部 輸出信 號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻 之間的 時(shí)間間 隔，它 由輸入 電路的 濾波時(shí) 間、輸出 16 電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式的滯后時(shí)間三部分組成。 ? 滯后時(shí)間 與模塊 的類(lèi)型 有關(guān)。 繼電器 輸出電 路的滯 后時(shí)間一般在 10ms 左右，雙向可控硅型輸出電路在負(fù)載接通時(shí)的滯后時(shí)間為 1ms，負(fù)載斷開(kāi)時(shí)的最大滯后時(shí)間為 10ms，晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間一般在 1ms 左右。 ? 由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá) 2 個(gè)掃描周期。 5 單片機(jī)智能輔助鍋爐控制系統(tǒng)原理 基于單片機(jī)的船舶輔助鍋爐控制系統(tǒng)的 工作原理如圖 1— 1 所示。系統(tǒng)的被控對(duì)象是鍋爐，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是鍋爐的風(fēng)、油門(mén)驅(qū)動(dòng)電器，被控參數(shù)為鍋爐內(nèi)的壓力，本系統(tǒng)利用壓力傳感器檢測(cè)鍋爐內(nèi)的壓力，傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)變換后送至單片機(jī)智能控制器，控制器根據(jù)此信號(hào)的大小，利用智能控制算法計(jì)算出輸出控制信號(hào)，經(jīng)放大器放大后以調(diào)節(jié)風(fēng)、油門(mén)的大小，從而控制鍋爐內(nèi)的壓力。 智能控制器的設(shè)計(jì) 眾所周知，二階系統(tǒng)是工程上最常見(jiàn)而又最重要的一類(lèi)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的形式代表了許許多多控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征。正因?yàn)槿绱?，?jīng)典控制理論將二階系統(tǒng)作為典型系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程分析，定義了表示系統(tǒng)控制質(zhì)量的一些特征量，其中以調(diào)節(jié)時(shí)間、最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差 3 個(gè)特征量作為性能指標(biāo)。但是，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是不斷變化的，以常規(guī) PID 控制器控制，難以解決穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性之間的矛盾，原因在于這種控制方式以不變的統(tǒng)一模式之間的矛盾，原因在于這種控制方式以不變的統(tǒng)一模式來(lái)處理變化多端的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 為 了有 效地 模擬 人的 智能 控制 行為 ，并 采用 微機(jī) 實(shí)現(xiàn) 智能 控制，在模糊控制中通常采用誤差 e 和誤差變化率Δ e 作為描述控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的輸入變量。根據(jù)船舶輔助鍋爐控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，從誤差 e 和誤 差變化率Δ e 這兩個(gè)基本的模糊控制變量出發(fā)，引出兩個(gè)特征變量 eΔ e 和Δ e／ e，利用這些信息設(shè)計(jì)智能控制器。 17 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析 利用 eΔ e 取值量是否大于 0，可以描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程誤差變化的趨勢(shì) 對(duì)于圖 2— 1 所 示典 型 二 階系 統(tǒng) 階 躍響 應(yīng) 動(dòng) 態(tài)曲 線 可 知， 當(dāng)eΔ e＜ 0 時(shí)，如 BC 段和 DE 段，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向著誤差減小的方向變化。當(dāng) eΔ e＞ 0 時(shí)，在 AB 段和 CD 段，表明系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向著誤差增大的方向變化。 在控制過(guò)程中，微機(jī)很容易識(shí)別 enΔ en 的符號(hào)，從而掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的行為特征，以便更好地制訂 下一步控制策略。 利用Δ e／ e 描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中誤差變化的姿態(tài) 如圖 2— 1 中 A、 C、 E 點(diǎn)的｜Δ e／ e｜較大，說(shuō)明該點(diǎn)處的某一段，動(dòng)態(tài)過(guò)程呈現(xiàn)誤差小而誤差變化率大， B、 D 點(diǎn)的｜Δ e／ e｜較小，說(shuō)明該點(diǎn)處的某一段，動(dòng)態(tài)過(guò)程呈現(xiàn)誤差大而誤差變化率小。將Δ e／ e 和 eΔ e 聯(lián)合使用，可對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程作進(jìn)一步的劃分。 如圖 2— 1 OA 段， e＞ 0， eΔ e＜ 0，實(shí)際值正不斷地接近設(shè)定值，若Δ e＞ a，（ a 為根據(jù)需要而確定的常數(shù)）表明實(shí)際值趨向設(shè)定值的強(qiáng)度較大，為防止過(guò)沖，應(yīng)減小控制器的輸出。此時(shí)控制器的輸出 U（ k）為： k