基于PLC的煤矿空压机控制系统设计(6)

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在自动状态下系统启动时，首先 KM2 吸合，1#空压机在变频器控制下起动，延时 5s（延时是为了让压力稳定下来） PLC 对变频器的输出频率进行检测。当检测到变频器下限频率信号则关闭 1#空压机；反之当检测到变频器上限频率信号则 PLC 执行增加空压机动作：KM2断开、KM1吸合，1#空压机改为工频运行并延时 1s（延时一是为了让开关充分熄弧，另一方面是为了让变频器减速为 0，KM4 吸合变频启动2#空压机。为了保护空压机及变频器，1#空压机的 KM1 与 KM2之间进行了电气互锁。当2空压机投入变频运行后，延时 5s PLC 继续对变频器输出频率进行检测，当检测到变频器下限频率信号则关闭1#空压机，剩下2#空压机在变频状态下运行，延时 5s 如果 PLC 再次检测到变频器下限频率信号则把2#空压机也关闭；反之当检测到变频器上限频率信号则 PLC 再执行增泵动作：KM3断开、KM4 吸合，2#空压机改为工频运行并延时 1s，KM6吸合变频启动3#空压机。依此类推，当3#空压机投入变频运行后，延时 5s，PLC 继续对变频器输出频率进行检测以决定执行增加或减少空压机动作来满足恒压供气目的。另外为了方便故障检查维修。在设计中增加了故障指示和故障报警输出，变频器本身具有短路保护、过载保护等功能，只需把变频器的故障输出点、接触器、热继电器等辅助触点接到 PLC 即可。PLC通过程序扫描这些输入点，如果发生故障则作出相应的动作。如检测到一台空压机出现过载情况，则切断该空压机的接触器并投入备用空压机，同时输出故障信号，以方便检查及时维修。

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4.2.2通信方式

(1)上位机与PLC的通信

在工控领域中PLC通常作为下位机使用，工业计算机作为上位机，通过网络在线监视空压机的运行状况，查看压力、温度、运行时间、电机电压、电机电流、输出功率等实时数据，记录并存储历史数据，提供数据的查询和打印功能。当现场设备有动作或者出现故障时能够弹出提示消息并记录存储下来;在远程控制允许的情况下，值班人员还可以远程控制空压机。远程监控方便了调度，提高了管理自动化水平，是煤矿信息化发展的需要。

其他元件包括手自动转换开关、紧急停止按钮、声光报警器等。

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在PLC和上位机之间的通讯中，PLC通过以太网模块CP343-1接入工业以太网，上位机通过网络实现远程监控功能。选择接口类型为工业Ethernet，通信速率为100Mbps，设置PLC和上位机的IP地址。

在煤矿空压机组的监控系统中，用来控制空压机的PLC系统作为下位机，与调度室内的监控系统即上位机组成一个小型的工业以太网，进行PLC系统工作状态的反馈和对PLC系统发送控制信号。

(2)PLC与变频器的通信

本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，PLC通过RS-485通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数。

该过程最多分5个阶段。1、计算机发出通讯请求；2、变频器处理等待；3、变频器作出应答；4、计算机处理等待；5、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成1～3三个过程；监视变频器运行频率时完成1～5个过程。不论是写数据还是读数据，均有计算机发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。

4.2.3控制系统概述

在工业控制中，PID (Proportion Integral Differential)控制是工业控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性：当控制对象不同时，控制器的参数难以自动调整以适应外界环境的变化。为了使控制器具有较好的自适应性，实现控制器参数的自动调整，可以采用模糊控制方法。

模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。到目前为止，现代控制理论在许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而在工业过程控制中，PID类型的控制技术仍然占有主导地位。虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广，被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中

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不可或缺的基本控制单元。利用模糊控制理论的特性，结合传统的PID控制理论，构造模糊 PID控制器，可实现控制器参数的自动调整。

PID控制器系统原理框图如图4-6所示。将偏差的比例（KP ）、积分(KI)和微分(KD)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，KP、KI、KD 3个参数的选取直接影响了控制效果。

比例 ｅ（ｔ） ｕ（ｔ） 积分 被控对象 微分

图4-6 ＰＩＤ控制器系统原理图

在经典PID控制中，给定值与测量值进行比较，得出偏差e(t)，并依据偏差情况，给出控制作用u(t)。对连续时间类型，PID控制方程的标准形式为：

dtde(t)u(t)?Kp[e(t)??e(t)?TD]TIdt （4-1）

式(4-1)中，u(t)为PID控制器的输出，与执行器的位置相对应；t为采样时间；KP 为控制器的比例增益；e(t)为PID控制器的偏差输入，即给定值与测量值之差；TI为控制器的积分时间常数；TD为控制器的微分时间常数。

数字式PID控制器的表示函数为:

U(n)?Kpe(n)?KI?e(n)?KDec(n) （4-2）

公式(4-2)中：e(n)为系统偏差；ec(n)为系统偏差变化率； KP 为比例系数；KI为积分作用系数；KD为微分作用系数。

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KP 值影响系统的响应速度和精度； KP 越大，系统响应速度越快，系统的调节精度越高，如果过大，将引起超调，导致系统不稳定。KI值影响系统的稳定精度；KI越大，系统静态误差消除越快，但如果过大，在响应过程的初期会产生积分饱和的现象，从而引起响应过程的较大超调。KD值影响系统动态特性；它主要抑制响应误差的变化，如果KD过大，会使响应过分提前制动，从而延长系统调节时间。

MPa 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

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10 15 20 25 30 t/s

图4-7 PID响应曲线

由分析系统的响应曲线（如图4-7）可知，在函数U(n)响应的初始阶段，取较大的KP和较小的KI与KD，可以使响应曲线的斜率增大，加快其响应速度。在函数U(n)接近输出值时，迅速增大KD，并逐步减小KP，使系统获得较大的阻尼，抑制系统超调，减小响应误差的变化率。当函数U(n)达到其输出值时，应使KI增大，迅速消除系统的静态误差。根据偏差e(n)和偏差变化率ec(n)值的不同，在线适当调节参数KP、KI和KD值，可以有效提高系统的响应速度和精度，减小超调并缩短响应时间，提高系统的工作稳定性。

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西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215, CPU216开始增加了用于闭环控制的PID模块。它是通过PID调节器来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态。在系统中，偏差值e是给定值SP(希望值)和过程变量PV(实际值)的差。PID控制的原理基于下面的算式：

M(t)?Kce?Kc?edt?Minitial?Kcdedt (4-3)

其中：

M(t)： PID回路的输出，是时间的函数; Kc： PID回路的增益;

e： PID回路的偏差(给定值与过程变量之差) ; Minitial：PID回路输出的初始值。

S7-300系列PLC中的CPU313提供了用于闭环控制PID运算指令，用户只需在PLC的内存中填写一张PID控制参数表（见表4-1）再执行指令：“PID Table Loop”即可完成PID运算，其中操作数Table表使用变量存储器VBx来指明控制参数表的表头字节；操作数Loop只可选择0-7的整数，表示本次PID闭环控制所针对的环路编号，最多8路。

控制参数包括9个参数，全部为32位实数格式，共占用36字节。附表中的参数分两类。一类参数是固定不变的，如参数编号为2,4,5,6,7的参数，这些参数可在PLC的主程序中设定。另外一类参数必须在调用PID指令时才填入控制表格。如编号为1,3,8,9的参数，它们具有实时性。进一步分析发现:其中有一些参数，既是本次的输入(执行PID指令之前)，又是本次的输出(执行PID指令之后)，同时还是下次运算的输入，如编号为3,8,9的参数。表4-1中变量类型栏的In/Out应理解为相对于PID控制器而言的输入或输出。

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