【文章內(nèi)容簡介】 環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC 的可靠性，靈活性，近年來對大型PLC 還采用雙CPU 構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。存儲器（Memory）可編程控制器的控制中樞，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，承擔著將外部輸入的信號的狀態(tài)寫入映像寄存器區(qū)域，然后將結果送到輸出映像寄存器區(qū)域。CPU常用的微處理器有通用型微處理器，單片機和位片式計算機等。小型PLC的CPU多采用單片機或專用的CPU。大型PLC的CPU多用位片式結構，具有高速數(shù)據(jù)處理能力?；綢/O接口電路（1）輸入接口單元。PLC內(nèi)部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關、按鈕、傳感器等）提供的、符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光耦電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，~15ms之間。多數(shù)PLC的輸入接口單元都相同，通常有兩種類型。一種是直流輸入，一種是交流輸入。（2）輸出接口單元。PLC輸出電路用來將CPU運算的結果變換成一定形式的功率輸出，驅動被控負載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結構形式分為繼電器式、晶閘管式和晶體管輸出型等三種。在繼電器式輸出中，CPU可以根據(jù)程序執(zhí)行的結果，使PLC內(nèi)設繼電器線圈通電，帶動觸點閉合，通過繼電器閉和的觸點，由外部電源驅動交、直流負載。優(yōu)點是過載能力強，交、直流負載皆宜。但存在動作速度較慢，且為有觸點系統(tǒng)，使用壽命有限等問題。雙向晶閘管和晶體管輸出型輸出分別具有驅動交、直流負載的能力。晶閘管輸出型CPU通過光耦電路的驅動，使雙向晶閘管通斷，可以驅動交流負載；晶體管輸出型CPU通過光耦電路的驅動，使雙晶體管通斷，驅動直流負載。優(yōu)點是兩者均為無觸點開關系統(tǒng)，不存在電弧現(xiàn)象，而且開關速度快，缺點是半導體器件的過載能力差。以上列舉了六類輸入和輸出電路形式，各類PLC產(chǎn)品的輸入、輸出電路結構形式均有所不同，但光耦隔離及阻容濾波等抗干擾措施是相似的。根據(jù)輸入、輸出電路的結構形式不同，I/O借口又可以分為開關量I/O和模擬量I/O兩大類。其中模擬量I/O要經(jīng)過A/D，D/A轉換電路的處理，轉換成計算機系統(tǒng)所能識別的數(shù)字信號，在整體機構的PLC中，有開關量的交，直流I/O模塊，和模擬量I/O模塊及各種智能I/O模塊可供選擇。PLC輸入電路和輸出電路各種不同結構形式能夠適應各不同負載的要求。接口電路PLC接口電路分為I/O擴展接口電路和外設通信接口電路兩類（1）I/O擴接口電路I/O擴展接口電路用連接I/O擴展單元，可以用來擴充開關量I/O點數(shù)和增加模擬量的I/O端子。I/O擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。根據(jù)被控制對象對PLC控制系統(tǒng)的技術和要求，確定用戶所需的輸入、輸出設備，據(jù)此確定PLC的I/O點數(shù)。（2）外設通信接口電路通信接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能組成PLC的控制網(wǎng)絡。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS485接口和電纜與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。電源PLC內(nèi)部配有一個專用開關式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉化為PLC內(nèi)部電源需要的工作電源（5V直流）。當輸入端子為非干接點結構時，為外部輸入元件提供24V直流電源（僅供輸入點使用）。 PLC的基本工作原理 PLC雖然具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，有鍵按下或I/O動作則轉入相應的子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。PLC則采用循環(huán)掃描工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放。 CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結束符后又返回第一條。如此周而復始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應的控制信號。整個工作過程分為5個階段：自診斷，與編程器、計算機等的通信，輸入采樣，用戶程序執(zhí)行，輸出結果，其PLC工作過程圖如圖33所示。 PLC的工作過程框圖①每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為I/O部分、存儲器、CPU等，發(fā)現(xiàn)異常停機顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。②PLC檢查是否有與編程器和計算機的通信請求，若有則進行相應處理，如接收由編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進行顯示。如果有與計算機等的通信請求，也在這段時間完成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送任務。③PLC的中央處理器對各個輸入端進行掃描，將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這就是輸入采樣階段。④中央處理器CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對輸入和原輸出狀態(tài)（這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)）進行“處理”，即按程序對數(shù)據(jù)進行邏輯、算術運算，再將正確的結果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。⑤當所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，以驅動被控設備，這就是輸出刷新階段。PLC經(jīng)過這5個階段的工作過程，稱為一個掃描周期，完成一個周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復始地進行。PLC與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制是按“并行”方式工作的，也就是按同時執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個繼電器同時動作。而PLC是以反復掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說PLC是以“串行”方式工作的。這種工作方式可以避免繼電器控制的接點競爭和時序失配問題。 PLC的選型當某一個控制任務決定由PLC完成后，選擇什么樣的PLC就是最重要的。一方面要選擇PLC的容量，另一方面要選擇PLC的型號及外設。對第一個問題，首先要對控制任務進行詳細的分析，把所有的I/O點找出來，包括開關開關量1/0和模擬量I/O以及這些I/O點的性質。I/O點的性質主要是指它們是直流信號還是交流信號，它們的電源電壓，以及輸出是用繼電器型還是晶體管型或是可控硅型。控制系統(tǒng)輸出點的類型非常關鍵，如果它們之中既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有直流24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點數(shù)有可能大于實際點數(shù)。因為PLC的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端，這一組輸出只能有一種電源的種類和等級，所以一旦它們是交流220V的負載使用，則直流24V的負載只能使用其他組的輸出端了。這樣有可能造成輸出點數(shù)的浪費，增加成本。所以要盡可能選擇相同等級和種類的負載，比如使用交流220V的指示燈等。一般情況下繼電器輸出的PLC使用最多，但對于要求高速輸出的情況，如運動控制時的高速脈沖輸出，就要使用無觸點的晶體管輸出的PLC了。知道這些以后，就可以定下選用多少點和I/O是什么類型的PLC了。對第二個問題，則有以下幾個方面要考慮：①功能方面：所有PLC一般都具有常規(guī)的功能，但對于某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力完成控制任務。如對PLC與智能儀表及上位機之間有靈活方便的通信要求或對PLC的計算速度、用戶程序容量等有特殊要求時，就要求設計者對市場上流行的PLC品種有一個詳細的了解，以便做出正確的選擇。②價格方面：不同廠家的PLC的PLC產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似、質量相當、I/O點數(shù)相當?shù)腜LC的價格能相差40%以上。③個人喜好方面：有些工程技術人員對某種品牌的PLC熟悉，所以一般比較喜歡使用這種產(chǎn)品。通過對系統(tǒng)原理及控制要求分析可知，結合系統(tǒng)的控制電路圖（見附錄Ⅰ）可知：在氧化溝曝氧機控制系統(tǒng)中我選用的是S7200 CPU 224。西門子S7200系列西門子S7200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7200系列具有極高的性能/價格比。S7200 CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個緊湊的外殼中，從而形成了一個功能強大的Micro PLC。參見圖11。在下載了程序之后，S7200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應用程序中的輸入輸出設備。 西門子S7200系列可編程控制器單元的外形圖 PLC中PID算法的實現(xiàn)S7200 能夠進行 PID 控制。S7200 CPU 最多可以支持 8 個 PID 控制回路（8 個 PID 指令功能塊）。 PID 是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分控制算法。 PID 控制器根據(jù)設定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值，按照 PID 算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構去影響被控對象的變化。PID 控制是負反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化。 PID控制器具有算法簡單，魯棒性好和可靠性高的特點。 被廣泛應用于工業(yè)過程控制中，尤其適應用于可建立精確的數(shù)學模型的確定控制系統(tǒng)。（1）PID控制器的結構設計常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理圖如圖 1所示： 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖比例環(huán)節(jié) ( P ) : 成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e( t)，偏差一旦產(chǎn)生， 控制器立即產(chǎn)生控制作用， 以減小偏差。積分環(huán)節(jié) ( I ) : 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積 分時間常數(shù)T， T越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環(huán)節(jié) ( D ): 反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。（2）PLC實現(xiàn)PID控制的方式用PLC對模擬量進行PID控制大致有如下幾種方法:1)使用PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是PLC 廠家設計的, 并放在模塊中, 用戶使用時只需要設置一些參數(shù), 使用起來非常方便。2)使用PID功能指令它是用于PID控制的子程序, 與模擬量輸入輸出模塊一起使用, 可以得到類似于使用PID過程控制的效果, 但價格便宜的多。如S7 200的PID指令。3)用自編的程序實現(xiàn)PID閉環(huán)控制在沒有PID過程控制模塊和功能指令的情況下, 仍希望采用某種改進的PID 控制算法, 此時用戶需要自己編制PID控制程序。（3）PLC中PID控制器的實現(xiàn) PLC的PID控制器的設計是以連續(xù)的PID控制規(guī)律為基礎, 將其數(shù)字化, 寫成離散形式的PID方程, 再根據(jù)離散方程進行控制程序的設計。在連續(xù)系統(tǒng)中, 典型的PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1 所示。圖中sp ( t) 是給定值, p v ( t) 為反饋量, c( t) 為系統(tǒng)的輸出量,PID控制器的輸入輸出關系如式1 所示:式中: M ( t)為控制器輸出, M 0 為輸出的初始值,e( t) = sp ( t) p v ( t) 為誤差信號。 K c 為比例系數(shù), TI 為積分時間常數(shù), TD 為微分時間常數(shù)。 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖假設采樣周期為TS, 系統(tǒng)開始運行的時刻為t = 0,用矩形幾分來近似精確積分, 用差分近似精確微分, 將式1 離散化, 第n 次采樣時控制器的輸出為:式中: en 為第n 次采樣時的誤差值, K I 為積分系數(shù), KD為微分系數(shù)?；赑LC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2 所示, 圖中虛線部分在PLC內(nèi), spn、pvn、en、Mn 分別為模擬量sp ( t)、p v( t)、e( t) 、M ( t)在第n次采樣的數(shù)字量。 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框 變頻器的選型考慮到目前變頻器價格較貴，在氧化溝污水處理廠中，可以將一部分曝氣轉刷裝上變頻器，其余的曝氣轉刷仍按額定轉速運轉，根據(jù)近年來部分污水處理廠的使用經(jīng)驗，變頻器產(chǎn)品質量應得到保證。變頻器是一種把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置。它能實現(xiàn)交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉精度、改變功率因素、過載保護等功能。變頻器容量的選擇是一個重要且復雜的問題，要考慮變頻器容量與電動機容量的匹配，容量偏小會影響電動機有效力矩的輸出，影響系統(tǒng)的正常運行，甚至損壞裝置，