【正文】 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出世界上第一臺 PLC，并在 GM 公司的汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。 中國 1974年研制， 1977年成功。包括邏輯運算功能。功能增強、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處 理、閉環(huán)調(diào)節(jié)等，稱 PC。 其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示。 PLC掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此， PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方 式 掃描技術(shù)如圖 32所示。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 圖 32 掃描過程 (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)。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。 執(zhí)行 OB100 啟動時間循環(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 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 (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 )。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。在此 期間， CPU 按照 I/O 映像區(qū)內(nèi)對應(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)動相應(yīng)的外設(shè)。 PLC 的 I/O 響應(yīng)時間 為了增強 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)。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。 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。 3) 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 5) 對采用的器件進行嚴(yán)格的篩選。 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。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。 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。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。 (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。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。 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。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 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。包括五部分：起動 、運行、停止、切換、報警及故障自診斷。 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)。 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。 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。 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。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?？刂葡到y(tǒng)工作流程如圖 42所示。這種方式開始 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 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。 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。 從而使實際壓力始終維持在給定壓力。正常情況下，空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作。 整個控制過程如下： 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。 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 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 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(fù)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。 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 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 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。切換過程流程圖如圖 45所示。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 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 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。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。另外為了方 便故障檢查維修。 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。 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。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。 其他元件包括手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報警器等。選擇接口類型為工業(yè) Ether，通信速率為 100Mbps，設(shè)置 PLC和 上位機的IP地址。 (2)PLC與變頻器的通信 本系統(tǒng)中 PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現(xiàn)的， PLC通過 RS485通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、和過壓、過流、過負(fù)荷等全部報警信息等參數(shù)。 計算機發(fā)出通訊請求； 變頻器處理等待； 變頻器作出應(yīng)答； 計算機處理等待； 計算機作出應(yīng)答。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有計算機發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應(yīng)答。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。 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。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。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。 PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖 46所示。 ）、積分 (KI)和微分(KD)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制， KP、 KI、 KD 3個參數(shù)的選取直接影響了控制效果。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 錯誤 !未指定書簽。 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)。 為比例系數(shù)；KI為積分作用系數(shù)； KD為微分作用系數(shù)。 值影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度； 錯誤 !未指定書簽。 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)。 圖 47 PID響應(yīng)曲線 5 10 15 20 25 30 0 t/s MPa 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 由分析系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（如圖 47）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。當(dāng)函數(shù)U(n)達到其輸出值時，應(yīng)使 KI增大，迅速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。 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。在系統(tǒng)中，偏差值e是給定值 SP(希望值 )和過程變量 PV(實際值 )的差。 Kc： PID回路的增益 。 Minitial： PID回路輸出的初始值。 控制參數(shù)包括 9個參數(shù)，全部為 32位實數(shù)格式，共占用 36字節(jié)。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。如編號為 1,3,8,9的參數(shù)，它們具有實時性。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。 PVn： 第 n采樣時刻的過程變量值 。 TS：采樣時間間隔 。 TI：積分時間 。 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)程序進行邏輯判斷，可對電機過載、電機過流、電機起動過載、電機運行過載、空壓機斷水、斷油、油水超溫等故障報警，并執(zhí)行相關(guān)保護動作。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?？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