【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 生產(chǎn)要求及生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生變化，必須重新設(shè)計(jì)線路，重新接線安裝。不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。還有靈活性、通用 性差；體積大；速度慢等缺點(diǎn)。 60 年代末期，美國(guó)汽車制造工業(yè)相當(dāng)發(fā)達(dá)，要求不斷更換汽車的型號(hào)。傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)被淘汰。 1968 年，美國(guó)最大的汽車制造商 GM 公司公開招標(biāo)。研制新的控制系統(tǒng)。提出以下要求：設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡(jiǎn)單，成本低；把繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)；但編程要比計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單易學(xué)，操作方便 ， 系統(tǒng)通用性強(qiáng)。 1969 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司研制出世界上第一臺(tái) PLC，并在 GM 公司的汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。其后，日本、德國(guó)相繼引入。中國(guó) 1974 年研制， 1977 年成功。 (3)功能發(fā)展史：（名字的由來(lái)） 早期：順序控制。包括邏輯運(yùn)算功能。稱 PLC（ Programmable Logic Controller） 70 年代：微處理器用于 PLC。功能增強(qiáng)、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)調(diào)節(jié)等，稱 PC。 PLC 基本結(jié)構(gòu) PLC 主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。 其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 9 圖 31 plc 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 PLC 基本工作原理 PLC 的 CPU 采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即 如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn) (包括其常開或常閉觸點(diǎn) )不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式 掃描技術(shù)如圖 32 所示。 掃描技術(shù) 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 CPU u 存儲(chǔ)器 電源部分 輸 入 單 元 輸 出 單 元 編程器或其他設(shè)備 按鈕 接觸器 電磁閥 指示燈 行程開關(guān) 繼電器觸點(diǎn) 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 10 圖 32 掃描過(guò)程 (1)輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (2)用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一組梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O 映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在 下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 (3)輸出刷新階段 執(zhí)行 OB100 啟動(dòng)時(shí)間循環(huán)監(jiān)控 數(shù)據(jù)寫入輸出模塊 讀取輸入模塊狀態(tài) 執(zhí)行用戶程序 執(zhí)行其它程序 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 11 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O 映像區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。 PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間 為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性， PLC 的每個(gè)開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行 控制， PLC 采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。以上兩個(gè)主要原因，使得 PLC 的 I/O 響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多，其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期，一般均大于一個(gè)掃描周期甚至更長(zhǎng)。所謂 I/O 響應(yīng)時(shí)間指從 PLC 的某一輸入信號(hào)變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間。 PLC 的主要特點(diǎn) (1)高可靠性 1)所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 2)各輸入端均采用 RC 濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為 10～ 20ms。 3)各模塊均采用屏蔽措施 ，以防止輻射干擾。 4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 5)對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。 7)大型 PLC還可以采用由雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU構(gòu)成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進(jìn)一步提高。 (2)豐富的 I/O 接口模塊 PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機(jī)對(duì)話的接口模塊 。 為了組成工業(yè)局部，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。 (3)采用模塊化結(jié)構(gòu) 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 12 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的各個(gè)部件，包括 CPU、電源、 I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 (4)編程簡(jiǎn)單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握 。 (5)安裝簡(jiǎn)單，維修方便 PLC 不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 13 第四章 基于 plc 的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 控制系統(tǒng)組成 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(guān)、電流表、 電壓表、按鈕、互感器等。 基于 PLC 的控制系統(tǒng)原理圖如圖 41所示。 圖 41 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 PLC 由電源、 CPU、模擬量輸入、輸出模塊、開關(guān)量輸入、輸出模塊等組成。其用來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。包括五部分：起動(dòng)、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷。 起動(dòng)：三臺(tái)電機(jī) M1， M2， M3 如圖 41所示，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻 /工頻啟動(dòng)。 運(yùn)行：正常情況，電機(jī) M1 處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動(dòng)機(jī) M M3處于停機(jī)狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)出口壓力，并與給定值比較，經(jīng) PID 指令運(yùn)算，得到頻率信號(hào)，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)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(shí)現(xiàn) M1， M2， M3 工頻、變頻相互切換。 報(bào)警及故障自診斷：空壓機(jī)內(nèi)部一般有四個(gè)需要監(jiān)測(cè)的量：冷卻水壓力監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)、機(jī)體溫度監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)氣罐壓力監(jiān)測(cè)。 空壓機(jī) 空壓機(jī) 空壓機(jī) M1 M2 M3 壓力變送器 變頻器 PLC 電源 儲(chǔ)氣與供氣管道 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 14 控制系統(tǒng)的工作原理 啟動(dòng)前，將變頻器的機(jī)組開關(guān)置于欲工作的機(jī)組，工作方式選擇置于變頻位置，將 PLC 的控制開關(guān)置于運(yùn)行狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)組運(yùn)行。 1 空壓機(jī)變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_始上 升，若達(dá)到預(yù)設(shè)的頻率上限值 50Hz 時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后風(fēng)包出口處的壓力仍不能達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值 (～ )，則由 PLC 通過(guò)控制中間繼電器的通斷將 1 空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)將 2空氣壓縮機(jī)切換到變頻狀態(tài)，變頻啟動(dòng) 2空壓機(jī)。若 2空壓機(jī)達(dá)到頻率上限時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后仍不能滿足要求，再自動(dòng)將 2空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)行，變頻啟動(dòng) 3空壓機(jī)。當(dāng)用風(fēng)量減小，若 3 臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)， 3 空壓機(jī)變頻運(yùn)行而此時(shí)變頻器的頻率降到頻率的下限值 20Hz 時(shí)，則自動(dòng)停止 1空壓機(jī)，若還不能滿足要求，則自動(dòng)停 止 2 空壓機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)空壓機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)體溫度過(guò)高，潤(rùn)滑油溫度過(guò)高，風(fēng)包溫度過(guò)高，分包壓力過(guò)高及潤(rùn)滑油壓力過(guò)高，斷水等故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示有關(guān)的工作人員及時(shí)地排除故障。控制系統(tǒng)工作流程如圖 42所示。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 15 圖 42 控制系統(tǒng)流程圖 開始 變頻器啟動(dòng) 頻率上限是否達(dá)到 頻率下限是否達(dá)到 監(jiān)測(cè)參數(shù)是否正常 是否有停機(jī)信號(hào) 停機(jī) 轉(zhuǎn)化為工頻運(yùn)行并把變頻器切換到下一臺(tái)空壓機(jī) 當(dāng)前空壓機(jī)停機(jī)并把變頻器復(fù)位 報(bào)警延時(shí) Y Y N Y Y N N 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 16 該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式： (1)手動(dòng)運(yùn)行方式 選擇此方式時(shí)，按啟動(dòng)按鈕空壓機(jī)或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機(jī)。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)使用。 (2)自動(dòng)運(yùn)行方式 在自動(dòng)運(yùn)行方式下開始啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先打開冷卻水閥，關(guān)閉供氣閥， 1空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器連通（啟動(dòng)過(guò)程如圖 43）變頻器輸出頻率從 0Hz開始上升，此時(shí)壓力變送器檢測(cè)壓力信號(hào)反饋 PLC，由 PLC 經(jīng) PID 運(yùn)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(shí)一定時(shí)間后，將 1空壓機(jī)切換為工頻， 2空壓機(jī)變頻交流接觸器吸合，變頻啟動(dòng) 2空壓機(jī)，頻率逐漸上升，直至供氣壓力達(dá)到設(shè)定壓力，依次類推增加空壓機(jī)。 變頻調(diào)速系統(tǒng)將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變 為電信號(hào)送給 PLC 內(nèi)部 PID 調(diào)節(jié)器，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小按既定的 PID 控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率 。當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，頻率升為 50HZ，延時(shí) 30s 后，若測(cè)量值仍小于設(shè)定值，則變頻器切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)空壓機(jī)，依次啟動(dòng)各臺(tái)空壓機(jī)。當(dāng)壓力大于設(shè)定值時(shí)，通過(guò) PID 調(diào)節(jié)降低頻率，當(dāng)頻率降為 20HZ，延時(shí) 30s 后，若測(cè)量值仍大于設(shè)定值，則變頻器切換到下一正在運(yùn)行的空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)關(guān)閉當(dāng)前機(jī)。依次關(guān)閉各臺(tái)空壓機(jī)。 從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。 另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)的大電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。正常情況下，空氣壓縮機(jī)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(jī)停機(jī)，因此，系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能，這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可由工頻電源通過(guò)接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。 整個(gè)控制過(guò)程如下： 用氣需求 ↑ —— 管路氣壓 ↓ —— 壓力設(shè)定值與 反 饋值的差值 ↑ —— PID 輸出 ↑ —— 變頻器輸出頻率 ↑ —— 空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速 ↑ —— 供氣流量 ↑ — — 管路氣壓趨于穩(wěn)定 。 特別注意 ：為防止電機(jī)頻繁起制動(dòng)和變速， 在壓力容差范圍內(nèi)，變頻器的輸出頻率不變。 河南理工大學(xué)成人教育 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō) 明 書 17 圖 43 啟動(dòng)過(guò)程 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖 44所示。 開始 上電初始化