【正文】 說明書 8 3 可編程控制器（ plc）控制系統(tǒng) PLC 的產(chǎn)生和發(fā)展 (1)PLC 概念 PLC 是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并 逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)及通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。 缺點(diǎn)：采用固定的接線方式。不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 60 年代末期，美國汽車制造工業(yè)相當(dāng)發(fā)達(dá)，要求不斷更換汽車的型號。 1968 年，美國最大的汽車制造商 GM 公司公開招標(biāo) 。提出以下要求：設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡單，成本低 ； 把繼電 器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來；但編程要比計(jì)算機(jī)簡單易學(xué)，操作方便 ， 系統(tǒng)通用性強(qiáng)。 其后，日本、德國相繼引入。 (3)功能發(fā)展史：（名字的由來） 早期：順序控制。稱 PLC（ Programmable Logic Controller） 70 年代：微處理器用于 PLC。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 PLC 基本結(jié)構(gòu) PLC 主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。 圖 31ＰＬＣ結(jié)構(gòu)簡圖 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) )不會立即動作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作。 CPU u 存儲器 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)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 掃描技術(shù) 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。在整個運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。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。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。在掃描每一組梯形圖時，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)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 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 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 儲區(qū)中對應(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。 (3)輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束 后， PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。這時，才是 PLC 的真正輸出。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)）。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。 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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 12 4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 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。 (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(qiáng)電或弱電等。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機(jī)對話的接口模塊 。 (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)。 (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(jì)算機(jī)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。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(yùn)行。 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(yùn)行。 基于 PLC 的控制系統(tǒng)原理圖如圖 41所示。其用來實(shí)現(xiàn)電氣部分的控制。 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?，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(yùn)算，得到空壓機(jī) 空壓機(jī) 空壓機(jī) M1 M2 M3 壓力變送器 變頻器 PLC 電源 儲氣與供氣管道 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到所需壓力的目的。 切換：實(shí)現(xiàn) M1， M2， M3工頻、變頻相互切換。 控制系統(tǒng)的工作原理 啟動前，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)，按下啟動按鈕，機(jī)組運(yùn)行。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(yùn)行，變頻啟動 3空壓機(jī)。當(dāng)空壓機(jī)在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)機(jī)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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(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(yùn)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 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 16 該系統(tǒng)具有手動和自動兩種運(yùn)行方式： (1)手動運(yùn)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)。 (2)自動運(yùn)行方式 在自動運(yùn)行方式下開始啟動運(yùn)行時，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(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， 延時一定時間后，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 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)。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(yùn)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)。依次關(guān)閉各臺空壓機(jī)。另外，采用該方案后，空氣壓縮機(jī)電動機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動，避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。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，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。 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(yùn)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(jì)（論文）說明書 18 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖 44 所示。所以工作下限應(yīng)不上位機(jī) 報警裝 置 PLC 變頻器 1空壓機(jī) 2空壓機(jī) 1空壓機(jī) 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(jì)（論文）說明書 19 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(yùn)行的噪音，提高電機(jī)的穩(wěn)定性； (5)設(shè)計(jì)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(hù)時，不影響生產(chǎn)。這樣的切換過程，有效的減少空壓機(jī)的頻繁啟停，同時在實(shí)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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 20 圖 45 空壓機(jī)切換流程圖 開始 1空壓機(jī)變頻運(yùn) 行 添加工作空壓 機(jī) 1空壓機(jī)變頻運(yùn)行 1空壓機(jī)停止運(yùn)行 減少工作空壓機(jī) 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(jì)（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(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。為了保護(hù)空壓機(jī)及變頻器， 1空壓機(jī)的 KM1 與 KM2 之間進(jìn)行了電氣互鎖。依此類推，當(dāng) 3空壓機(jī)投入變頻運(yùn)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。在設(shè)計(jì)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(hù)、過載保護(hù)等功能，只需把變頻器的故障輸出點(diǎn)、接觸器、熱繼電器等輔助觸點(diǎn)接到 PLC 即可。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。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 。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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 22 在 PLC 和上位機(jī)之間的通訊中， PLC 通過以太網(wǎng)模塊 CP3431 接入工業(yè)以太網(wǎng)，上 位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 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。 該過程最多分 5 個階段。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。 控制系統(tǒng)概述 在工業(yè)控制中， PID (Proportion Integral Differential)控制是工業(yè)控制中最常用的方法。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。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。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。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。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。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)。 比例 積分 微分 被控對象 ｅ（ｔ） ｕ（ｔ） 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 24 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。 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。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 。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。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)。 PID 控制的原理基于下面的算式： dtdeKMtedKeKtM ci n i t i a lcc ?????)( (43) 其中： M(t)： PID 回路的輸出，是時間的函數(shù) 。 e： PID 回路的偏差 (給定值與 過程變量 之差 ) 。