【正文】 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 42 表 PLC輸入輸出模塊 I/O點數(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 運行燈 3 檢修燈 3 油壓低燈 3 統(tǒng)計點數(shù) AI 19 AO 1 DI 19 DO 25 總計 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 43 根據(jù)被控對象的 I/O 點數(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。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。（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。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(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。考慮到傳感器精度、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。 MX：第 n1采樣時刻的積分項 (積分項前值 ) 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。 PVn1：第 n1 采樣時刻的過程變量值 。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 )，同時還是下次運算的輸入，如編號為3,8,9 的參數(shù)。附表中的參數(shù)分兩類。 e： PID 回路的偏差 (給定值與過程變量之差 ) 。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。 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。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。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。為了使控制器具有較好的自適應(yīng)性，實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整，可以采用模糊控制方法。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)視變頻器運行頻率時完成 1～ 5 個過程。 在煤礦空壓機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)中，用來控制空壓機(jī)的 PLC 系統(tǒng)作為下位機(jī)，與調(diào)度室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)即上位機(jī)組成一個小型的工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)行 PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋和對 PLC 系統(tǒng)發(fā)送控制信號。遠(yuǎn)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。如檢測到一臺 空壓機(jī)出現(xiàn)過載情況，則切斷該空壓機(jī)的接觸器并投入備用空壓機(jī)，同時輸出故障信號，以方便檢查及時維修。依此類推，當(dāng) 3空壓機(jī)投入變頻運行后，延時 5s， PLC 繼續(xù)對變頻器輸出頻率進(jìn)行檢測以決定執(zhí)行增加或減少空壓機(jī)動作來滿足恒壓供氣目的。 圖 空壓機(jī)切換流程圖 開始 1空壓機(jī)變頻運 行 添加工作空壓 機(jī) 1空壓機(jī)變 pinn 頻運行 1空壓機(jī)停止運 行 減少工作空壓機(jī) 輸出頻率 輸出頻率 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 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計方案 32 在自動狀態(tài)下系統(tǒng)啟動時，首先 KM2 吸合， 1空壓機(jī)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(jìn)行檢測。所以工作下限應(yīng)不低于 20Hz； (3）功率選用比空壓機(jī)功率大一等級的變頻器，以免空壓機(jī)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(jī)運行的噪音，提高電機(jī)的穩(wěn)定性； (5)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(hù)時，不影響生產(chǎn)。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。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(jī)，依次啟動各臺空壓機(jī)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計方案 26 圖 控制系統(tǒng)流程圖 開始 變頻器啟動 頻率上限是否達(dá)到 頻率下限是否達(dá)到 監(jiān)測參數(shù)是否正常 是否有停機(jī)信號 停機(jī) 轉(zhuǎn)化為工頻運行并把變頻器切換到下一臺空壓機(jī) 當(dāng)前空壓機(jī)停機(jī)并把變頻器復(fù)位 報警延時 Y Y N Y Y N N 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計方案 27 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(jī)或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各空壓機(jī)。若 2空壓機(jī)達(dá)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(jī)切換到工頻運行，變頻啟動 3空壓機(jī)。 切換：實現(xiàn) M1， M2， M3工頻、變頻相互切換。 起動：三臺電機(jī) 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。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制系統(tǒng)設(shè)計方案 24 4．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。實現(xiàn) STEP 7 各種功能所需的 SIMATIC 軟件工具都集成在 STEP 7 中。 STEP 7 具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 可編程控制器 23 測試、啟動和維護(hù)、文件建檔、運行和診斷功能等。 模擬量輸入 /輸出模塊中模擬量對應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用 16位二進(jìn) 制補碼來表示最高位為符號位。有的是強(qiáng)電量，例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無功功率等。 通過高效處理速率， CPU 能提供很短的機(jī)器時鐘時間。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 可編程控制器 20 編程設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信接口系統(tǒng)程序應(yīng)用程序用戶數(shù)據(jù)存 儲 器I / O擴(kuò)展接口I / O擴(kuò)展單元微 處 理 器 C P U輸入單元輸出單元電 源 部 件現(xiàn)場信號驅(qū)動被控對象 圖 S7300基本結(jié)構(gòu) 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 可編程控制器 21 S7300 的 CPU[7] CPU 模塊是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的中央控制責(zé)任，存儲并執(zhí)行程序，實現(xiàn)通信功能，為 U 形總線提高 5V電源。 CPU 的右邊是可以選擇的 IM接口模塊，如果只用主架導(dǎo)軌而沒有使用擴(kuò)展支架可以不選擇 IM 接口模塊。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 可編程控制器 19 S7300 及其編程軟件介紹 S7300 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) S7300 為節(jié)省空間的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，它可以適配現(xiàn)有的各種機(jī)械控制任務(wù)， 不需要考慮槽位規(guī)則。 PLC 的 I/O 響應(yīng)時間 為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性， PLC 的每個開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O 映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(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)果會對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)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在這兩個階段中，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)也不會改變。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 （ 4）模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡單、調(diào)試方便 PLC 的各個部件，包括 CPU、電源、 I/O 等均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴(kuò)展、維護(hù)更加方便。光電隔離和故障診斷、自動恢復(fù)等措施，有的 PLC 還采用了冗余技術(shù)等，進(jìn)一步增強(qiáng)了 PLC 的可靠性。在設(shè)計中強(qiáng)化了 PLC的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。 PLC 的特點 （ 1）通用性強(qiáng)、靈活性好、功能齊全 PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點。 PLC 還可與其它智能控制設(shè)備（如變頻器、數(shù)控裝置）實現(xiàn)通信。計數(shù)器的計數(shù)值可以由用戶在編寫程序時設(shè)定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設(shè)定，實現(xiàn)計數(shù)控制。 （ 4）定時、定位、計數(shù)控制 PLC 具有定時控制的功能，它為用戶提供了若干個定時器，定時器的時間可以由用戶在編寫程序時設(shè)定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設(shè)定，實現(xiàn)定時或延時控制。 （ 2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。 PLC 的功能特點 PLC 的功能 隨著自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展， PLC 的功能日益增多。以此來提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的易用性和專業(yè)化水平。 我國工業(yè)控制自動化的發(fā)展道路，大多是在引進(jìn)成套設(shè)備的同時進(jìn)行山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 可編程控制器 12 消化吸收，然后進(jìn)行二次開發(fā)和應(yīng)用。 （ 1）發(fā)展史 長期以來，計算機(jī)控制和傳統(tǒng) PLC 控制一直是工業(yè)控制領(lǐng)域的兩種主要控制方法， PLC 自 1969 年問世以來，以其功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便、體積小等優(yōu)點在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到迅速推廣，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中極具競爭力的控制工具。 其電動機(jī)的參數(shù)為： （ 1）容量： 200Kw（ 2）額定電壓： 380 V （ 3）額定電流： 363 A。 ③不能制成微型 ：螺桿壓縮機(jī)依靠間隙密封氣體，目前一般只有容積流量大于 ，螺桿壓縮機(jī)才具有優(yōu)越的性能 [9]。 ⑤多相混輸：螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面實際上留有間隙，因而能耐液體沖