【正文】 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、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(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。(1)上位機(jī)與PLC的通信在工控領(lǐng)域中PLC通常作為下位機(jī)使用，工業(yè)計算機(jī)作為上位機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)視空壓機(jī)的運(yùn)行狀況，查看壓力、溫度、運(yùn)行時間、電機(jī)電壓、電機(jī)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(yuǎn)程控制允許的情況下，值班人員還可以遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)。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?！　∑渌ㄊ肿詣愚D(zhuǎn)換開關(guān)、緊急停止按鈕、聲光報警器等。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)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。選擇接口類型為工業(yè)Ethernet，通信速率為100Mbps，設(shè)置PLC和上位機(jī)的IP地址。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。(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(yùn)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)。該過程最多分5個階段。計算機(jī)發(fā)出通訊請求；變頻器處理等待；變頻器作出應(yīng)答；計算機(jī)處理等待；計算機(jī)作出應(yīng)答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過程，如寫變頻器啟停控制命令時完成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。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。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，可實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整。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。比例積分微分被控對象ｅ（ｔ）ｕ（ｔ）圖46 ＰＩＤ控制器系統(tǒng)原理圖在經(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： （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: （42）公式(42)中：e(n)為系統(tǒng)偏差；ec(n)為系統(tǒng)偏差變化率；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；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。510152025300t/sMPa 圖47 PID響應(yīng)曲線由分析系統(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。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(實際值)的差。PID控制的原理基于下面的算式： (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。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150PVnIN調(diào)節(jié)量254SPnIN給定量358MnIN/OUT控制量462KCIN比例增益566TSIN采樣時間（s）670TIIN積分時間（min）774TDIN微分時間（min）878MXIN/OUT累積偏移量982PVn1IN/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(積分項前值)。 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。 系統(tǒng)設(shè)計 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的一般步驟如圖(48)所示。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟：(1) 根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求。如需要完成的動作（動作時序、動作條件、必須的保護(hù)和聯(lián)鎖等）、操作方式（手動、自動、連續(xù)、單周期、單步等）。(2) 根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。據(jù)此確定PLC的I/O點數(shù)。(3) 選擇PLC。(4) 分配PLC的I/O點，設(shè)計I/O連接圖。這一步可結(jié)合第2步進(jìn)行。(5) 進(jìn)行PLC程序設(shè)計，同時可進(jìn)行控制臺的設(shè)計和現(xiàn)場施工。在設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)時，必須在控制線路（接線程序）設(shè)計完成后，才能進(jìn)行控制大的設(shè)計和現(xiàn)場施工?？梢姡捎肞LC控制，可以使整個工程的周期縮短。工藝過程分析控制要求確定用戶I/O設(shè)備選擇PLC分配I/O點，設(shè)計I/O連接圖繪制流程圖編制程序清單設(shè)計梯形圖輸入程序并檢查調(diào)試滿足要求修改設(shè)計控制臺現(xiàn)場連接聯(lián)機(jī)調(diào)試滿足要求編織技術(shù)文件支付使用控制臺設(shè)計及現(xiàn)場施工PLC程序設(shè)計NONONOYesYes圖48 PLC控制系統(tǒng)流程圖 PLC程序設(shè)計的步驟(1) 對于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制流程圖，用以清楚地表明動作的順序和條件。對于簡單控制系統(tǒng)，此步可省略。(2) 設(shè)計梯形圖。(3)根據(jù)梯形圖編制程序清單。(4) 用編程器將程序鍵入到PLC的用戶存儲器中，并檢查鍵入的程序是否正確。(5)對程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿足要求為止。(6)