【文章內(nèi)容簡介】 能實現(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算機的運行方式（掃描技術(shù)）。以上兩個主要原因，使得 PLC的 I/O 響應(yīng)比一般微型計算機構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢得多，其響應(yīng)時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個 掃描周期甚至更長。所謂 I/O響應(yīng)時間指從PLC 的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時間。 PLC 的主要特點 (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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 5)對采用的器件進行嚴格的篩選。 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) ,使可靠性更進一步提高。 (2)豐富的 I/O接口模塊 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、 強電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(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 機對話的接口模塊 。 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) 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 的各個部件，包括 CPU、電源、 I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，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，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 (5)安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便 于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 4 基于 plc 的煤礦空壓機控制系統(tǒng)設(shè)計方案 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(zhuǎn)換開關(guān)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 M M3處于停機狀態(tài)?，F(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，得到空壓機 空壓機 空壓機 M1 M2 M3 壓力變送器 變頻器 PLC 電源 儲氣與供氣管道 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 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(zhuǎn)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。 控制系統(tǒng)的工作原理 啟動前，將變頻器的機組開關(guān)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(guān)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(zhuǎn)速從零開始上升，若達到預(yù)設(shè)的頻率上限值 50Hz 時，延時一段時間后風(fēng)包出口處的壓力仍不能達到預(yù)設(shè)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(dāng)用風(fēng)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(dāng)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(fēng)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(guān)的工作人員及時 地排除故障?？刂葡到y(tǒng)工作流程如圖 42 所示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 圖 42 控制系統(tǒng)流程圖 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(zhuǎn)化為工頻運行并把變頻器切換到下一臺空壓機 當(dāng)前空壓機停機并把變頻器復(fù)位 報警延時 Y Y N Y Y N N 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 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(guān)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(shè)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o PLC 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(dāng)壓力小于設(shè)定值時，頻率升為 50HZ，延時30s 后，若測量值仍小于設(shè)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(dāng)壓力大于設(shè)定值時，通過 PID 調(diào)節(jié)降低頻率，當(dāng)頻率降為 20HZ，延時 30s 后，若測量值仍大于設(shè)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(guān)閉當(dāng)前機。依次關(guān)閉各臺空壓機。從而使實際壓力始終維持在給定壓力。另外，采用該方案后，空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。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(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，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： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 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 ↑ —— 空壓機電機轉(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。 圖 43啟動過程 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 N Ｎ Ｙ Ｎ Ｙ Ｙ 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖 44 所示。 圖 44 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)不上位機 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 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 19 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)設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)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)。 空壓機切換工作過程 開始時，若 1空壓機變頻啟動，轉(zhuǎn)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(shè) 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(yīng)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(fēng)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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 圖 45 空壓機切換流程圖 開始 1空壓機變頻運 行 添加工作空壓 機 1空壓機變頻運行 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 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 21 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(dāng)檢測到變頻器下限頻率信號則關(guān)閉 1空壓機；反之當(dāng)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(guān)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(dāng) 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(dāng)檢測到變頻器下限頻率信號則關(guān)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(guān)閉；反之當(dāng)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(dāng) 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(shè)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(yīng)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。 通信方式 (1)上位機與 PLC 的通信 在工控領(lǐng)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(luò)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(dāng)現(xiàn)場設(shè)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。 其他元件包括手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報警器