【導(dǎo)讀】可編程控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。和通信技術(shù)融為一體，專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)方案采用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)組的自動控制。系統(tǒng)利用壓力傳感器。Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。

　　

【正文】 計(jì)算機(jī)發(fā)出通訊請求； 變頻器處理等待； 變頻器作出應(yīng)答； 計(jì)算機(jī)處理等待； 計(jì)算機(jī)作出應(yīng)答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)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(yùn)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(jì)算機(jī)發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應(yīng)答。 控制系統(tǒng)概述 在工業(yè)控制中， PID (Proportion Integral Differential)控制是工山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 34 業(yè)控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性：當(dāng)控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自動調(diào)整以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。為了使控制器具有較好的自適應(yīng)性，實(shí)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(lǐng)域。其中，模糊 PID 控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之一。到目前為止，現(xiàn)代控制理論在許多控制應(yīng)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(shù)仍然占有主導(dǎo)地位。雖然未來的控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會越來越寬廣，被控對象可以是越來越復(fù)雜，相應(yīng)的控制技術(shù)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(jié)合傳統(tǒng)的 PID 控制理論，構(gòu)造模糊 PID 控制器，可實(shí)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(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制， KP、 KI、 KD 3個參數(shù)的選取直接影響了控制效果。 圖 PID控制器系統(tǒng)原理圖 比例 積分 微分 被控對象 ｅ（ｔ） ｕ（ｔ） 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 35 在經(jīng)典 PID 控制中，給定值與測量值進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)形式為： ])()()([)( dt tdeTTdtteteKtu DIp ??? ? （ 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(yīng)； 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 : )()()()( neKneKneKnU cDIp ??? ? （ 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(yīng)速度和精度； KP 越大，系統(tǒng)響應(yīng)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(dǎo)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(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)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(yīng)誤差的變化，如果 KD過大，會使響應(yīng)過分提前制動，從而延長系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 36 圖 PID響應(yīng)曲線 由分析系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（如圖 ）可知，在函數(shù) U(n)響應(yīng)的初始階段，取較大的 KP和較小的 KI與 KD，可以使響應(yīng)曲線的斜率增大，加快其響應(yīng)速度。在函數(shù) U(n)接近輸出值時，迅速 增大 KD，并逐步減小 KP，使系統(tǒng)獲得較大的阻尼，抑制系統(tǒng)超調(diào)，減小響應(yīng)誤差的變化率。當(dāng)函數(shù) U(n)達(dá)到其輸出值時，應(yīng)使 KI增大，迅速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。根據(jù)偏差 e(n)和偏差變化率 ec(n)值的不同，在線適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù) KP、 KI和 KD值，可以有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，減小超調(diào)并縮短響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。 西門子公司從 S7200 系列 PLC 中的 CPU215, CPU216 開始增加了用于閉環(huán)控制的 PID 模塊。它是通過 PID 調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出，保證偏差值 e為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在系統(tǒng)中，偏差值 e是給 定值 SP(希望值 )和過程變量 PV(實(shí)際值 )的差。 PID 控制的原理基于下面的算式： 5 10 15 20 25 30 0 t/s MPa 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 37 dtdeKMtedKeKtM cin itia lcc ?????)( (43) 其中： M(t)： PID 回路的輸出，是時間的函數(shù) 。 Kc： PID 回路的增益 。 e： PID 回路的偏差 (給定值與過程變量之差 ) 。 Minitial： PID 回路輸出的初始值。 S7300 系列 PLC 中的 CPU313 提供了用于閉環(huán)控制 PID 運(yùn)算指令，用戶只需在 PLC 的內(nèi)存中填寫一張 PID 控制參數(shù)表（見表 41）再執(zhí)行指令：“ PID Table Loop”即可完成 PID 運(yùn)算，其中 操作數(shù) Table 表使用變量存儲器 VBx來指明控制參數(shù)表的表頭字節(jié)；操作數(shù) Loop 只可選擇 07 的整數(shù)，表示本次 PID 閉環(huán)控制所針對的環(huán)路編號，最多 8路。 控制參數(shù)包括 9個參數(shù)，全部為 32位實(shí)數(shù)格式，共占用 36字節(jié)。附表中的參數(shù)分兩類。一類參數(shù)是固定不變的，如參數(shù)編號為 2,4,5,6,7 的參數(shù)，這些參數(shù)可在 PLC 的主程序中設(shè)定。另外一類參數(shù)必須在調(diào)用 PID指令時才填入控制表格。如編號為 1,3,8,9 的參數(shù)，它們具有實(shí)時性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn) :其中有一些參數(shù)，既是本次的輸入 (執(zhí)行 PID 指令之前 )，又是本次的輸出 (執(zhí) 行 PID 指令之后 )，同時還是下次運(yùn)算的輸入，如編號為3,8,9 的參數(shù)。表 41 中變量類型欄的 In/Out 應(yīng)理解為相對于 PID 控制器而言的輸入或輸出。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 38 表 41 控制參數(shù) 參數(shù)編號 地址偏移量 （字節(jié)） 變量名 變量類型 備注 1 50 PVn IN 調(diào)節(jié)量 2 54 SPn IN 給定量 3 58 Mn IN/OUT 控制量 4 62 KC IN 比例增益 5 66 TS IN 采樣時間（ s） 6 70 TI IN 積分時間（ min） 7 74 TD IN 微分時間（ min） 8 78 MX IN/OUT 累積偏移量 9 82 PVn1 IN/OUT 上一次調(diào)節(jié)量 表 41中變量名說明如下： SPn：第 n 采樣時刻的給定值 。 PVn： 第 n采樣時刻的過程變量值 。 PVn1：第 n1 采樣時刻的過程變量值 。 TS：采樣時間間隔 。 TD：微分時間 。 TI：積分時間 。 MX：第 n1采樣時刻的積分項(xiàng) (積分項(xiàng)前值 ) 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 39 報警裝置 系統(tǒng)裝有壓力傳感器和電流傳感器，結(jié)合 PLC 內(nèi)部時間繼電器，由 PLC根據(jù)程序進(jìn)行邏輯判斷，可對電機(jī)過載、電機(jī)過流、電機(jī)起動過載、電機(jī)運(yùn)行過載、 空壓機(jī)斷水、斷油、油水超溫等故障報警，并執(zhí)行相關(guān)保護(hù)動作。由于上述兩種傳感器正常工作時，均輸出 4～ 20mA 電流信號給 PLC 模擬輸入模塊。經(jīng) PLC 內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換為 200～ 1000 數(shù)字信號，而當(dāng)傳感器損壞或斷線時，將不能給 PLC 輸出信號， PLC 所檢測到的輸入信號數(shù)字值將低于 200。據(jù)此可判斷傳感器斷線等故障?？紤]到傳感器精度、調(diào)整值及外界干擾等因素， PLC 程序中將電流或電壓信號持續(xù) 1 秒鐘低于 3mA(即 PLC 內(nèi)部數(shù)值 150)視為傳感器故障。 PLC 程序中，當(dāng)給出電機(jī)運(yùn)行信號，而電機(jī)不在運(yùn)行 (電流信號小于 2OA)。即 判斷為外部故障。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 40 5 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì) 在硬件設(shè)計(jì)中，采用一臺變頻器控制三臺空壓機(jī)的電機(jī)運(yùn)行，三臺電機(jī)的運(yùn)行都有變頻 /工頻兩種狀態(tài)，每臺電機(jī)都需要通過兩個接觸器與工頻電源和變頻輸出電源相連。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機(jī)的額定電流來確定。還需要在工頻電源下面接入同樣的自動空氣開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流過載保護(hù)接通。在 PLC 的 220V 輸入電源前也需要接入自動空氣開關(guān)，保證 PLC 的正常運(yùn)行。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機(jī)的容量適當(dāng)選擇。（主電路如 ） 由于每臺電機(jī)的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機(jī)當(dāng)前的工作電流，必須在每臺電機(jī)三相輸入電源前面都接入一個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、電流表連接。電流表安裝在控制柜上，可以方便地觀察電機(jī)的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機(jī)的工作狀態(tài)。同時熱繼電器可以實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的過熱保護(hù)。 變頻器主電路電源輸入端子 (U1， V1， W1)經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子 (U2， V2， W2)經(jīng)接觸器接至三相電動機(jī)上。對于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動和變頻 輸出電源拖動兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否則在變頻 /工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵來操作，不得以主電路的通斷來進(jìn)行。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 41 上位機(jī)PLC變頻器M 1~M 2~M 3~F R 1F R 2F R 3K M 1K M 2K M 3K M 4K M 5K M 6Q F 1Q F 2Q F 3Q F 4L 2 L 1L 3 圖 控制系統(tǒng)主電路圖 PLC 選型 本系統(tǒng)中共有 3臺電機(jī)、 3個電磁閥、 7個壓力傳感器、 12 個溫度傳感器，啟動停止等開關(guān)控制信號共 19 個，共有 64個 I/O 點(diǎn)、它們構(gòu)成了被控對象。電機(jī)的啟動由開關(guān)量控制， PLC 模擬量模塊輸出 4～ 20mA 電流 作為變頻器的控制端輸入，進(jìn)行壓力的恒壓控制 。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 42 表 PLC輸入輸出模塊 I/O點(diǎn)數(shù) I/O 類型 模擬量輸入 模擬量輸出 開關(guān)量輸入 開關(guān)量輸出 信 號 類 型 類型 數(shù)量 類型 數(shù)量 類型 數(shù)量 類型 數(shù)量 進(jìn)水溫度 3 變頻器控制型號 1 緊急停止 3 工頻繼電器 3 潤油溫度 3 檢修 /正常 3 變頻繼電器 3 風(fēng)包溫度 3 故障燈復(fù)位 3 超溫?zé)? 3 電機(jī)溫度 3 報警燈復(fù)位 1 斷水燈 3 進(jìn)水壓力 3 啟動按鈕 3 電磁閥 3 后冷壓力 3 停止按鈕 3 報警燈 1 總管壓力 1 自動 /手動 3 運(yùn)行燈 3 檢修燈 3 油壓低燈 3 統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù) AI 19 AO 1 DI 19 DO 25 總計(jì) 64 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 43 根據(jù)被控對象的 I/O 點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，采用 SIEMENS 公司的 S7300 系列 PLC。考慮到以后的擴(kuò)展要求，選用 CPU313C 型號 PLC， S7313C CPU 包括一個主要處理單元、 AI5/AO2 以及 DI24/DO16，這些都被集成在一個緊湊的獨(dú)立的設(shè)備中，該型 號具有 24數(shù)字輸入、 16 數(shù)字輸出。可提供標(biāo)準(zhǔn)值為 24V DC 的輸入和