煤礦井下風扇自動調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

摘要針對因通風機恒速云裝而造成“一風吹”排放瓦斯，致使主巷道內(nèi)，瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，設(shè)計一種可根據(jù)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛戎蹈淖兌詣诱{(diào)節(jié)通風機轉(zhuǎn)速的隔爆兼本安型通風機自動轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置，用于對煤礦井下巷道掘進過程中超限瓦斯的排放，從根本上解決了因“一風吹”而造成的瓦斯爆炸爆炸的事故隱患。采用SPWM變頻技術(shù)、PLC技術(shù)研制而成的一種新型全自動瓦斯排放裝置，主要用于控制煤礦井下掘進工作面局部風機，進而實現(xiàn)掘進工作面超限瓦斯的自控排放關(guān)鍵詞：局扇，瓦斯傳感器，變頻調(diào)速，PLCCoalmineshaftventilatorautomaticcontroldevicedesignABSTRACTFansinconnectionwithaconstantspeedwithcloudscausedby"YiFengchui"gasemissions,causingthemainroadway,theconcentrationofgas-gaugeproblems,todesignatunnelunderthegasconcentrationinthevalueofchangesinfanspeedautomaticadjustmentoftheflameproofFansofthistypeofautomaticspeedautomaticadjustmentdevicesforthecoalminetunnelboringprocessoverrungasemissions,andtofundamentallysolvetheresultof"YiFengchui"andtheexplosioncausedbygasexplosioninthehiddencausesofaccidents.SPWMfrequencytechnologyused,PLCtechnologyfromdevelopedanewtypeofautomaticgasemissionsdevices,mainlyusedtocontrolcoalmineheadingfacelocalfansandthenmakingtheheadingface-gauge-controlledgasemissionsKeywords:Bureaufan,gassensor,frequencyconversionvelocitymodulation,PLC目錄第一章概述1111.3瓦斯爆炸的危害性：21.3.1瓦斯爆炸后產(chǎn)生劇毒氣體——一氧化碳。21.3.2瓦斯爆炸后產(chǎn)生高溫。21.3.3瓦斯爆炸以后產(chǎn)生高壓氣體。21.3.4瓦斯爆炸后，在爆炸地點．由于空氣稀薄，溫度急劇下降，222441.7PLC可編程控制器的現(xiàn)狀和發(fā)展661.7.2PLC現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢67第二章變頻調(diào)速92.1變頻調(diào)速的原理9102.2.1交－直－交變頻器102.2.2交－交變壓變頻裝置11112.3正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器12第三章PLC可編程技術(shù)1515161617173.3PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)173.3.1PLC的基本工作原理1819193.4.2PLC的工作原理2222第四章模糊控制的基本原理242424252626284.4模糊控制器設(shè)計的基本方法292930第五章瓦斯傳感器及其井下的布置3434355.2.1掘進工作面甲烷傳感器的布置355.2.2掘進工作面回風流甲烷傳感器的布置355.2.3回采工作面回風巷甲烷傳感器的布置36第六章井下風扇轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)裝置的系統(tǒng)設(shè)置373737376.2.1風扇轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能373841416.3.2.PLC，變頻器與上位機的通信設(shè)計42總結(jié)50致謝51參考文件及資料52第一章概述1.1煤礦井下有五大災(zāi)害瓦斯爆炸、煤塵爆炸、礦井火災(zāi)、礦井透水、冒頂坍塌。其中前三種（瓦斯爆炸、煤塵爆炸、礦井火災(zāi)）均與礦井通風系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性有關(guān)。近年來煤礦井下重特大礦難時有發(fā)生，2003年煤礦發(fā)生特大事故51起，死亡1061人；2004年發(fā)生特大事故42起，死亡1008人，2004年10月~2005年8月近一年礦難32起，2005年11月11日~12月8日近一個月礦難就有8起，直接經(jīng)濟損失數(shù)億元，傷亡礦工數(shù)千人，給國家造成不良的國際影響2006年1月1日至8月21日，發(fā)生特大事故33起，死亡951人，比去年同期上升43.5％和134.2％。事故涉及17個省（區(qū)、市），其中山西6起，貴州4起，河南、重慶各3起。特別是今年2月14日，遼寧阜新孫家灣煤礦瓦斯爆炸，死亡214人，是建國以來的第二大礦難。1.2礦井通風瓦斯事故在礦井安全事故中的比重瓦斯危害在煤礦安全中的比重：瓦斯爆炸的危害是極其嚴重的，不僅毀壞井巷和設(shè)備，更會危害礦工的生命安全。1942年日本帝國主義統(tǒng)治時期本溪煤礦發(fā)生的一次瓦斯煤塵爆炸，共奪走1549人的生命建國以來，全國煤礦共發(fā)生19起一次死亡百人以上的礦難，死亡3162人。其中，15起是瓦斯爆炸事故，死亡2140人，事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占79％和68％。2002年至2005年8月21日，全國煤礦發(fā)生29起特別重大事故，死亡1743人。其中，瓦斯爆炸事故24起，死亡1578人，事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占83％和91％。瓦斯爆炸已經(jīng)成為我國煤礦安全的“第一殺手”。2004年11月28日陜西省銅川礦務(wù)局陳家山煤礦瓦斯爆炸，166名礦工遇難2005年2月14日遼寧省阜新礦務(wù)局孫家灣煤礦瓦斯爆炸，214名礦工遇難2005年12月7日唐山市開平區(qū)劉官屯煤礦爆炸，87名礦工遇難2005年11月27日黑龍江七臺河東風煤礦爆炸事故，170名礦工遇難2007年10月12日，河南省鄭煤集團公司大平煤礦發(fā)生一起煤與瓦斯突出引發(fā)特別重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。1.3瓦斯爆炸的危害性：1.3.1瓦斯爆炸后產(chǎn)生劇毒氣體——一氧化碳。井下發(fā)生瓦斯爆炸以后，將會產(chǎn)生大量的一氧化碳、空氣中的一氧化碳濃度，按體積計算達到％時．人在短時間內(nèi)就會中毒死亡。一氧化碳中毒是瓦斯爆炸造成人員傷亡的主要原因。1.3.2瓦斯爆炸后產(chǎn)生高溫。瓦斯?jié)舛葹椋r，瓦斯爆炸的瞬間溫度可達1850～2650攝氏度。這樣高的溫度對井下人員和設(shè)備構(gòu)很大的危害．還可能伴生火災(zāi)。1.3.3瓦斯爆炸以后產(chǎn)生高壓氣體。瓦斯爆炸以后，巷道中空氣壓力約為爆炸前的7倍左右。高壓空氣以每秒幾百米的沖擊波浪向四周擴張，不僅摧毀巷道支架和設(shè)備，同時也是造成人員傷亡的重要原因之一；還可揚起煤塵，引發(fā)煤塵爆炸。1.3.4瓦斯爆炸后，在爆炸地點．由于空氣稀薄，溫度急劇下降，水蒸氣凝結(jié)成水，在爆源附近會迅速形成低壓區(qū)，因而爆炸波又會反向沖擊，這對巷道的破壞性更丈。當?shù)蛪簠^(qū)迅速積聚瓦斯，或反向沖擊的空氣中帶來的瓦斯足夠多，又有充足的氧氣和引爆火源時，就可形成二次爆炸。防止井下瓦斯聚集，首先應(yīng)加強礦井通風，按實際需要分配風量并及時調(diào)節(jié)風量，利用新鮮空氣來稀釋并排出瓦斯。為此，應(yīng)做好以下幾方面工作。采用機械通風。為保證井下有足夠的風量，每個礦井都必須采用機械通風，主要通風機一套運轉(zhuǎn)、一套備用。對于瓦斯礦井、應(yīng)采用抽出式通風加強掘進巷道通風、掘進巷道要利用總風壓通風或采用局部道風機通風。局部通風機要設(shè)置在進風口的新鮮風流處，禁止產(chǎn)生循環(huán)風。1.4局部通風機的發(fā)展狀況1.4.1國內(nèi)外局扇發(fā)展情況英國、日本、德國等國家煤礦用局部通風機技術(shù)水平較為先進。日本是世界上研制和生產(chǎn)對旋風機最早的國家之一，日本三井三池制作所1965年開始生產(chǎn)對旋式風機，1971年開始研制無聲對旋式風機，軸流式風機降噪方面領(lǐng)先于其它廠家。進入80年代，基于改善作業(yè)環(huán)境，著手無聲對旋式風機的改型更新工作，并取得了一定效果。其生產(chǎn)的對旋式風機共有9種型號，葉輪直徑為400^-1250mm，噪聲77^-91dB(A)，電機功率2X5.5-2X110kW。德國Korfman公司生產(chǎn)AL,ESN,ES,ES-T系列軸流式通風機，GAL和dGAL系列對旋式高壓軸流通風機、DV系列壓風驅(qū)動的軸流式通風機。特點是:對旋式局部通風機的特性曲線較陡，壓力較高，易滿足掘進定量送風要求;采用轉(zhuǎn)速1500r/min和3000r/min兩速電機，在掘進巷道的初期可調(diào)節(jié)風量;風機帶有二通或三通輸出接管，一臺風機可向兩個或三個工作面同時供風。煤礦用局部通風機，大致可分為JBT,YBT系列單級軸流式、斜流式和對旋式3種。(1)JBT,YBT系列單級軸流式局部通風機JBT,YBT系列單級軸流式局部通風機配套的電動機功率有2.2(2.0),4.0,5.5,7.5,11,14(15)、28(30)、37,45kW等規(guī)格。它是我國五、六十年代引進的原蘇聯(lián)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，搬運方便，耐用、價格低廉。但噪聲大，全壓效率低，風壓偏低。因其在我國使用年代較長，部分煤礦用戶，以價廉作為選購的首要條件，目前仍有一部分市場和用戶。其全壓效率約60%-73%左右，噪聲103-111dB(A)，有的甚至達127dB(A)。風機效率低，造成了能源的嚴重浪費。噪聲主要集中在中、高頻范圍，刺耳的尖叫聲，嚴重影響了工人的正常作業(yè)和身心健康。另外，掩蓋了一定距離內(nèi)行車聲、機械運轉(zhuǎn)聲和信號電鈴聲，易引起傷亡事故。(2)斜流式(也稱混流式)局限性部通風機斜流式(也稱混流式)局部通風機是90年代出現(xiàn)和發(fā)展起來的新型風機結(jié)構(gòu)。兼有離心風機的高壓力系數(shù)，工作范圍廣，軸流風機的大流量系數(shù)，效率較高。具有空氣軸向流動、高效運行區(qū)域?qū)?、噪聲小等?yōu)點。它多采用扭曲板型曲面，在滿足設(shè)計條件下，葉頂?shù)饺~根壓力相等，避免了渦流。葉片屬于不可展的扭曲板型曲面，曲面形狀直接影響風機的特性和功能。但風壓偏低，性能曲線緩，適應(yīng)性較差。盡管名義全壓高，但在井下用起來卻感覺到風壓不高，在效率指標上形同虛設(shè)。(3)對旋式局部通風機對旋式局部通風機，是80年代末、90年代初研制并迅速發(fā)展、推廣的一種局部通風機.葉型有等厚板式扭曲、機翼型扭曲、彎掠組合正交型等型式;工作方式有壓入式、抽出式和壓抽式等;葉片材料有鋼葉片、銅葉片、鋁合金鑄造葉片和塑料葉片等。對旋式局部通風機設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)合理、風壓高、效率高、噪聲低、風機性能曲線陡、高效運行范圍寬、反風性能好、送風距離長、在小流量區(qū)域運行穩(wěn)定。它可根據(jù)掘進工作面不同通風要求，選用單級單車和雙級對旋運行，使用方便。1.5交流變頻調(diào)速的發(fā)展現(xiàn)狀變頻調(diào)速器最典型的應(yīng)用是以節(jié)能為目的，各種機械為了節(jié)能使用變頻器控制速度，80年代以來發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域日趨擴大，特別是以風機、泵和壓縮機類機械為中心發(fā)展勢頭日新月異，在美、日和西歐工業(yè)發(fā)達國家。交流變頻技術(shù)已形成新興產(chǎn)業(yè)．據(jù)日本統(tǒng)計1975年銷售交流和直流調(diào)速系統(tǒng)為1：3，到1985年變?yōu)?：1，美國到80年代初，交流調(diào)速與直流相比已達又5：1，在交、直流調(diào)速系統(tǒng)的速度變化中，變頻技術(shù)的發(fā)展起了重要作用，交流變頻調(diào)速在現(xiàn)代傳動系統(tǒng)中有日趨取代直流的重要位置，我國在交流變頻調(diào)速理論和各種控制方法研究方面，有一定基礎(chǔ)和發(fā)展，但只限于高等院校、科研單位和少量大公司開發(fā)部門，在組織生產(chǎn)、實用技術(shù)、維護能力和產(chǎn)業(yè)形成方面，顯得落后，發(fā)展緩慢，對國外近年發(fā)展的GTO、GTR、IGBT、MCT等關(guān)鍵電力電子器件以及現(xiàn)代理論和計算機相結(jié)合產(chǎn)生的交流變頻控制設(shè)備正處于引進、應(yīng)用、消化吸收的階段。我國煤礦應(yīng)用現(xiàn)代交流變頻調(diào)速設(shè)備過去只限于地面，用量不大，1994年以前，煤礦井下實用變頻器還未涉足，90％以上使用的交流鼠籠型電動機，給變頻器的使用提供了廣闊的領(lǐng)地，陽泉礦務(wù)局、北京京桂科技開發(fā)中心和中國華興（北京）電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展公司，于1995年為煤礦研制T660V隔爆型交流變頻調(diào)速器與同時研制的《KJHZ型局部通風安全節(jié)能監(jiān)控裝置》配套使用，它已通過國家級煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，性能指標全部合格，在井下做工業(yè)試驗運行可靠，這是我國煤炭行業(yè)第一次以安全和節(jié)能為目的，在井下實際應(yīng)用全控型電力電子器件的變頻調(diào)速設(shè)備，從此．變頻調(diào)速打破了井下惡劣環(huán)境的困擾沖進了“煤礦禁區(qū)”，開辟了煤礦井下使用交流變頻調(diào)速裝置的新領(lǐng)域，填補了我國煤礦的空白。1.6模糊控制概述模糊控制就是建立在人類思維的模糊性的基礎(chǔ)上，它與傳統(tǒng)控制有著本質(zhì)的區(qū)別。它不像經(jīng)典控制那樣需要用精確數(shù)字所描述的傳遞函數(shù)，也不像現(xiàn)代控制理論那樣需要用矩陣表示的狀態(tài)方程。模糊控制的核心是它用具有模糊性的語言條件語句作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。這里的控制規(guī)則往往是由對被控對象十分熟悉的專業(yè)人員給出的，所以模糊控制從本質(zhì)上來說是一種專家控制。這種控制規(guī)則充分反映了人的智能活動。1974年，英國學者把模糊控制器用于蒸氣機的控制，從而開創(chuàng)了模糊控制的歷史。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，模糊控制的研究大致經(jīng)歷了兩個階段，即簡單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。前者的模糊控制器主要采用CRI推理法，在推理中采用Mamdani提出的蘊含關(guān)系公式，對控制器的算法都采用脫機處理的方法，在微型計算機系統(tǒng)上把控制器上的推理過稱作成控制表，在實際中則用控制表去控制。這個階段的模糊控制器的結(jié)構(gòu)比較死板，自適應(yīng)能力和魯棒性都有限，控制精度也不高。現(xiàn)在的模糊控制器已發(fā)展到自我完善階段，己經(jīng)出現(xiàn)了具有參數(shù)自調(diào)整、自組織、自學習等功能的模糊控制器。模糊控制在實踐應(yīng)用中與傳統(tǒng)控制相比有以下幾個引人注目的特點：(1)無需事先知道被控對象的精確數(shù)學模型，所以，它可以對那些數(shù)學模型難以求取或無法求取的對象進行有效控制。(2)由于控制是以人的經(jīng)驗總結(jié)出來的條件語句表示的，所以對一個不熟悉模糊控制理論的人來說，學習和掌握模糊控制的方法也是很容易的。(3)由于表示控制知識是以人的語言形式，故有利于人機對話和系統(tǒng)的知識處理，從而有系統(tǒng)處理的靈活性和機動性。一個典型的模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖l-1所示。它由給定輸入、模糊控制器。對象、反饋信號以及比較環(huán)節(jié)組成。而一個模糊控制器通常由三部分組成，即模糊化部分、模糊推理部分及反模糊化部分或清晰化部分，如圖l—2所示。各部分的功能大致為：模糊化部分把系統(tǒng)的偏差從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模糊量：模糊推理部分對模糊量按照一定的規(guī)則進行推理；反模糊化部分把推理出來的結(jié)果轉(zhuǎn)化為可用于實際控制的數(shù)字量。模糊控制器對象模糊控制器對象給定R圖1-1模糊控制系統(tǒng)反模糊化模糊推理模糊化反模糊化模糊推理模糊化圖1-2模糊控制器PLC可編程控制器的現(xiàn)狀和發(fā)展近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得以微處理機為核心組成的可編程控制器得到了迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用與各種領(lǐng)域中，以滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)中的高效、大量的自動化要求。如電動機的起停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計數(shù)、溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等?？删幊炭刂破魇?0世紀60年代末首先在美國出現(xiàn)，最初稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC，目的是用來取代繼電器控制盤，具有邏輯判斷、定時、計數(shù)等順序功能。當時，大規(guī)模生產(chǎn)線的控制電路大多是由繼電控制盤構(gòu)成的，這種控制裝置可靠性低、體積大、耗電多，改變生產(chǎn)程序則更為困難。為了改變這種狀況，提高生產(chǎn)效益，1968年，美國通用汽車公司對外公開招標，想用新的控制裝置取代繼電控制盤。該公司對新型控制器提出了如下要求：編程簡便，可在現(xiàn)場修改程序。維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)?？煽啃愿哂诶^電控制盤。體積小于繼電控制盤。數(shù)據(jù)可以直接送入計算機。成本可與繼電控制盤相競爭。輸入可為市電。輸出可為市電，要求再2A以上，可直接驅(qū)動電磁閥、接觸器等。擴展時原系統(tǒng)變更最少。可以存儲程序，存儲容量大于4K。由以上的要求可以看出PLC的優(yōu)點。PLC現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。(1)國外可編程控制器現(xiàn)狀目前，全世界約有PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多個品種。世界PLC領(lǐng)導廠家的五霸分別為西門子公司、A-B公司、施耐德公司、三菱公司、歐姆龍公司，他們的銷售額約占全球總銷售額的三分之二[19]。從西門子公司的SIMATICS7-400的性能可對PLC窺見一斑:SIMATICS7-400是匣式封裝模塊，可卡在導軌上安裝，由I/0總線和通信總線建立電氣連接，模塊可在工作或加電時替換或插、拔，可快速安裝維護，修改方便，其主要性能有:.CPU存儲器容量64K字節(jié)，可擴展到字節(jié)。.位和字處理速度80ns至200ns..最高系統(tǒng)計算能力可以有4個CPU同時計算。.強大的擴展能力S7-400中央控制器最多能連接21個擴展單元。.每個CPU上多點接口(MPI)能力，可同時連接編程裝置、操作員接口系統(tǒng)等.CPU上的SINEC-L2-DP附加有分散u0的集成性能。.提供與計算機和其它Siemens產(chǎn)品或系統(tǒng)的連接接口。.高可靠性，完善的自診斷和清除故障功能。(2)國內(nèi)可編程控制器現(xiàn)狀我國的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC己批量生產(chǎn);中型PLC已有產(chǎn)品;大型PLC已經(jīng)開始研制。有的產(chǎn)品不僅供應(yīng)國內(nèi)市場，而且還有出口。但是國內(nèi)產(chǎn)品市場占有率不超過10%。另一方面，國產(chǎn)PLC許多仍停留在全套引進或以仿制為主的階段上。當然，國內(nèi)產(chǎn)品在價格上占有明顯的優(yōu)勢。對于國內(nèi)PLC的認識，可以從江蘇嘉華實業(yè)有限公司生產(chǎn)的dH120系列產(chǎn)品窺見一斑，其主要性能有:輸入輸出從20點到120點任意配置內(nèi)置32個定時器、31個計數(shù)器、幾百個中間繼電器和數(shù)據(jù)寄存器，可方便地完成邏輯控制、定時、計數(shù)控制、高速計數(shù)、數(shù)據(jù)處理、模擬量控制等功能。編程簡便，108條指令功能齊全DIN標準卡槽安裝，可拆端子排接線高可靠性，強抗干擾用于各種工業(yè)環(huán)境總體來說，國產(chǎn)PLC的發(fā)展有一定的基礎(chǔ)。但從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，我國自主研制及引進技術(shù)生產(chǎn)的PLC大都屬于中低檔產(chǎn)品，至今沒有形成主流產(chǎn)品和完整的系列產(chǎn)品。(1)PC機產(chǎn)品向小型化方向發(fā)展在80年代初期，超小型與小型機相繼問世，并迅速發(fā)展。如日本三菱公司的FX0、FX2系列PC機，F(xiàn)X0型PC機的I/O點數(shù)為14點，體積最小的是100mm×80mm×47mm，而它卻具有高速計數(shù)、中斷、脈沖調(diào)制等功能，同時，它還可以實現(xiàn)模擬器定時器功能并且具有SFC指令，F(xiàn)X2系列PC機除了具有開關(guān)量I/O外，還具有模擬量輸入、輸出以及多種智能模塊，并具有連網(wǎng)通信能力，擴大了小型PC機的應(yīng)用范圍。(2)向高速度、大容量和智能化方向發(fā)展由于采用了微處理器或大規(guī)模集成芯片，PLC的速度大大提高。如三菱公司的A3A系列高檔PLC就采用了MSP芯片，指令速度可達0.15us/步。PLC的內(nèi)存容量在不斷擴大，有些PLC已采用硬盤作為外部存儲器。智能模塊與PLC的CPU并行工作，提高了PLC的速度和效率。各種智能模塊在不斷推出，如高速計數(shù)模塊、PID回路控制、溫度控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等。這些智能模塊使過程控制功能大為加強。(3)PLC編程工具與編程語言的多樣化、高級化、標準化PLC的編程語言目前朝著三個方向發(fā)展：一是向多種編程語言發(fā)展；二是向高級語言發(fā)展，如BASIC、C、FORTRAN語言等；三是朝著PC機編程語言的標準化方向發(fā)展。(4)向網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展加強PLC的聯(lián)網(wǎng)能力成為PLC的主要發(fā)展趨勢。PLC的聯(lián)網(wǎng)包括PLC之間，PLC與計算機之間。PLC的生產(chǎn)廠家都在使自己的產(chǎn)品與制造自動化通信協(xié)議標準兼容，從而不同的PLC之間可以相互通信。PLC與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)能進一步實現(xiàn)計算機輔助制造和輔助設(shè)計。(5)發(fā)展容錯技術(shù)和故障診斷為了滿足某些系統(tǒng)極高可靠性和安全性的要求，一些PLC增加了容錯功能，如雙機熱備用、自動切換I/O、雙機表決I/O、三重表決。為了及時診斷故障，有的公司研制了智能、可編程I/O系統(tǒng)或故障診斷程序，供用戶了解I/O組態(tài)的狀態(tài)和監(jiān)測系統(tǒng)的故障。近年研制推出了公共回路遠距離診斷和網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)。第二章變頻調(diào)速根據(jù)電機學和電力拖動基礎(chǔ)中提供的結(jié)論，異步電動機轉(zhuǎn)速n的表達式為：（2.1）——旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速——電源頻率——電機極對數(shù)——轉(zhuǎn)差率上式表明，交流電動機的調(diào)速方式實際上有兩大類：一類是在同步轉(zhuǎn)速恒定的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率：另一類是調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速的實質(zhì)是將輸入功率的一部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)差功率以削軸上輸出功率的大小，迫使電動機運行速度下降。異步機的調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、滑差離合器調(diào)速、斬波調(diào)速等等均屬于改變轉(zhuǎn)差率方式，這類調(diào)速方式的主要缺點是：采用這種方式時，必有一部分輸入功率轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)差功率進入轉(zhuǎn)子電路，這部分功率只能以銅耗的形式消耗在轉(zhuǎn)于電阻中。由于轉(zhuǎn)差功率與轉(zhuǎn)差率成正比，轉(zhuǎn)速越低，損耗越大，不僅降低了運行效率，電動機本身的發(fā)熱也十分嚴重。串級調(diào)速把轉(zhuǎn)差功率加以回收利用而沒有白白損耗掉，使系統(tǒng)的實際損耗減小，避免了這一點，但它必須以增加一套功率變換設(shè)備作為代價。一般來說，改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方式是一種耗能的辦法，從節(jié)能的觀點，這種調(diào)速方式是不經(jīng)濟的。但由于這種方法簡單，設(shè)備價格比較便宜，它還是廣泛應(yīng)用于一些調(diào)速范圍不大，低速運行時間長．電機容量較小的場合中。調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速的方式又有兩種，一種是改變磁極的對數(shù)，即變極調(diào)速，一種是改變定子供電電源頻率，即變頻調(diào)速。變極調(diào)速方式比較簡單，設(shè)備投資比較少，但它必須選用特殊制造的多速電動機。由于電動機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn)2—3種極對數(shù)的切換，調(diào)速是有級的，且轉(zhuǎn)速變化的級差很大，調(diào)速范圍也受到限制。變頻調(diào)速是一種典型的交流電動機高速調(diào)速方法，它既適用于異步電動機，也適用于同步電動機。交流電動機采用變頻調(diào)速不但能無級調(diào)速，而且能根據(jù)負載的不同，通過適當調(diào)節(jié)電壓與頻率之間的關(guān)系，可使電機始終運行在高效率區(qū)，并保證良好的動態(tài)性能。在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，在改變電動機的轉(zhuǎn)速時，須同時調(diào)節(jié)定子電源的電壓和頻率，在這種情況下，機械特性基本上平行移動，而轉(zhuǎn)差功率不變，它是當前交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。長期以來，變壓變頻調(diào)速雖然以其優(yōu)良的性能受到矚目，但因為主要靠旋轉(zhuǎn)發(fā)電機組作為電源，缺乏理想的變頻裝置而未得到廣泛的應(yīng)用。直到電力電子開關(guān)器件問世以后，各種靜止式變壓變頻裝置得到迅速的發(fā)展，而價格逐漸降低，才使變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用與日俱增。風機、泵類負載耗能與轉(zhuǎn)速立方成比例，因此現(xiàn)在該類負載多數(shù)采用變頻調(diào)速的異步電動機拖動，取得了明顯的節(jié)能效果。從結(jié)構(gòu)上看，變壓變頻裝置可分為間接變壓變頻和直接變壓變頻兩類。從變頻電源的性質(zhì)上看，又可分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器兩大類。間接變頻裝置先將電網(wǎng)的交流電源通過整流器整流成直流，然后經(jīng)過逆變器將直流變?yōu)榭煽仡l率的交流。直接變頻裝置將電網(wǎng)交流電源一次變換成可控頻率的交流。2.2.1交－直－交變頻器（l）用可控整流器調(diào)壓、用逆變器調(diào)頻的變頻裝置，此類變頻器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。這種控制方式中，調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者需要在控制電路上協(xié)調(diào)配合，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當電壓和頻率調(diào)得很低時，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)較低，輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成的三相六拍逆變器，輸出諧波較大：（2）用不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的交－直－交變壓變頻裝置，此類裝置整流器不調(diào)壓，單獨設(shè)置斬波器，用脈寬調(diào)壓，調(diào)壓時輸入功率因數(shù)不變，但仍有諧波較大的問題.（3）用不可控整流器整流、脈寬調(diào)制逆變器同時調(diào)壓和調(diào)頻的交－直－交變頻裝置，這種控制方式中，用不可控整流，功率因數(shù)高，用PWM逆變，諧波可以減小，諧波減小的程度取決于開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率受器件開關(guān)時間的限制，是當前最有發(fā)展前途的一種裝置結(jié)構(gòu)。交－直－交變頻裝置中的逆變器一般接成三相橋式電路，以輸出三相交流變頻電源。在一個周期內(nèi)，控制各個晶閘管輪流導通和關(guān)斷，可使輸出端得到三相交流電壓，改變晶閘管導通和關(guān)斷的時間，即可得到不同的輸出頻率。在某一瞬間，控制一個晶閘管導通，同時迫使另一個晶閘管關(guān)斷，在兩管之間實現(xiàn)換相。在同一橋臂上、下兩管之間互相換相的，如圖2－5所示，當VT4導通時關(guān)斷VT1，而VT1導通時又關(guān)斷VT4，這時每個晶閘管在一個周期內(nèi)導通區(qū)間是180度，稱為180度導通型逆變器。另一種是在同一橋臂左右兩管之間進行的，如：VT3導通時，使VT1關(guān)斷，VT5導通時使VT3關(guān)斷。這時，每個晶閘管在一個周期內(nèi)的導通區(qū)間為120度，稱為120度導通型逆變器。2.2.2交－交變壓變頻裝置整流器導通期間它只有一個變換環(huán)節(jié)，其輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上獲得交變的輸出電壓。輸出電壓的幅值取決于兩組整流裝置的的控制角，輸出電壓的頻率取決于兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角保持不變，則輸出平均電壓為方波，要想得到正弦波輸出，就必須在每一組斷改變其控制角。交－交變壓變頻裝置的最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1／3－l／2，一般只用于低速、大容量的調(diào)速系統(tǒng)。無論是間接變頻裝置還是直接變頻裝置，從變頻電源的性質(zhì)上看，都可分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器兩大類。（l）電壓源變頻器在交－直－交變壓變頻裝置中，中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，電壓控制響應(yīng)慢，適用于為多臺電機同步運行時的供電電源，但不要求快速減速的場合。（2）電流源型變頻器當交一直－交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，電源內(nèi)阻抗很大，輸出交流電流是矩形波或階梯波，由于濾波電感的作用，系統(tǒng)對負載變化的反應(yīng)遲緩，不適用于多電機傳動，更適合于一臺變頻器給一臺電機供電的單電機傳動，但可以滿足快速制動和可逆運行的要求。若系統(tǒng)若采用可控整流器，存在以下不足：l）調(diào)頻由逆變器完成，調(diào)壓由可控整流器實現(xiàn)，二者之間需要協(xié)調(diào)配合，而且由于中間直流電路采用大慣性環(huán)節(jié)濾波，電壓調(diào)節(jié)速度緩慢。2）使用可控整流器，對電網(wǎng)。產(chǎn)生諧波污染，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，電壓和頻率調(diào)得低，功率因數(shù)也越低。3）輸出波形為矩形波或階梯波，含有一系列的（6K士1）次諧彼，PWM變頻器較好地解決上述問題。當采用PWM方法控制逆變器功率開關(guān)元件的通、斷時，即可獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度可改變輸出電壓幅值，改變調(diào)制周期可以改變輸出頻率。這樣，調(diào)壓和調(diào)頻在逆變器內(nèi)部完成，二者始終配合一致，而且與中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能；由于輸出等幅脈沖，只需恒定直流電源供電，可用不可控整流取代可控整流，這使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大為改善：采用PWM逆變器，能夠抑制或消除低次諧波，加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率的大幅度提高，輸出被形可以非常逼近正弦波，可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，減小了電機的諧波損耗并且減輕了轉(zhuǎn)矩脈動，太大擴展了傳動系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)的性能。2.3正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器SPWM變頻器是一個交－直－交變壓變頻裝置，整流器UR是不可控的，它的輸出經(jīng)電容濾波（可附加小電感限流）后形成恒定幅值的直流電壓，加在逆變器UI上，逆變器的功率開關(guān)采用全控式器件，按一定規(guī)律控制其導通或關(guān)斷，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。SPWM調(diào)制原理:脈寬調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓和電流信號，輸出的矩形波脈沖與正弦波等效。等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦波曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈仲來代替，矩形脈沖的幅值不變，備脈沖的中點與正弦波每一等分點的中點相重合，這樣，由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效。以前多用模擬電路元件實現(xiàn)SPWM的控制，這種方法的缺點是所需硬件較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩?，F(xiàn)在大多采用的是數(shù)字電路的SPWM逆變器，采用以軟件為基礎(chǔ)的控制模式。隨著高速度、高精度多功能微處理器、微控制器和SPWM專用芯片的發(fā)展，采用微機控制的數(shù)字化SPWM技術(shù)己占當今PWM逆變器的主導地位。SPWM調(diào)制法原理是利用三角波與正弦波參考電壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。當改變參考信號的幅值時，輸出脈寬隨之改變，從而可以改變輸出基波電壓的大小。當改變參考信號的頻率時，可以改變輸出基波電壓的頻率。如果控制。圖2-1雙極性SPWM模式調(diào)制原理SPWM逆變器的性能與兩個重要參數(shù)有關(guān)，它們是調(diào)制比m和載波比K，其分別為：(2.2)(2.3)式中、——參考信號的幅值、頻率（角頻率周期）式中、——載波信號的幅值、頻率（角頻率周期）在SPWM控制方式中，的值保持不變，m值的改變由改變來實現(xiàn)。根據(jù)載彼比K的變化與否，分為同步調(diào)制和異步調(diào)制。在變頻調(diào)速時，三角載波與正弦調(diào)制波的頻率同步改變，即保持K值不變的為同步調(diào)制。同步調(diào)制輸出電壓半彼內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的，如果取K為3的倍數(shù)，同步調(diào)制能保證輸出波形的正、負半波始終保持對稱，并能嚴格保證三相輸出波形間具有互差120度的對稱關(guān)系。但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加，使負載電機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和較強的噪聲。在改變的同時，的值保持不變，使K值不斷變化的為異步調(diào)制。異步調(diào)制的優(yōu)點是逆變器在低頻運行時K值加大，相應(yīng)地減少諧波含量，以減輕電動機的諧波損耗和轉(zhuǎn)矩脈動。但是，異步調(diào)制可能使K值出現(xiàn)非整數(shù)，相位可能漂移，且正、負半波不對稱，偶次諧波就會變得突出起來。將同步調(diào)制與異步調(diào)制結(jié)合進來，成為分段同步調(diào)制，這克服了同步調(diào)制和異步調(diào)制的不足，在整個變頻范圍內(nèi)劃分成若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比K恒定，對不同的頻段采取不同的K值，頻率越低，K值可取大些。但是隨著器件開關(guān)頻率的提高，使得K值足夠太，偶次諧波問題就不會很明顯。第三章PLC可編程技術(shù)3.1PLC的產(chǎn)生與發(fā)展1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，己經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分四代。第一代在1969-1972年。這個時期的產(chǎn)品，CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器。其功能也比較單一，僅能實現(xiàn)邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，其中PLC特有的編程語言梯形圖一直沿用至今，成為可編程控制器的第一用戶語言。。第二代在1973-1975年。這個時期的產(chǎn)品已開始使用微處理器作為CPU，IPLC(可變成邏輯控制器)成為真正意義上的PC(可編程控制器)(尚未正式命名)，而存儲器采用半導體存儲器。其功能上有所增加，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字運算、傳送、比較等功能，并初步具備自診斷功能，可靠性有了一定提高。第三代在1976^"1983年。這個時期，PLC進入了大發(fā)展階段，美國、日本、原西德各有幾十個廠家生產(chǎn)PLC。這個時期的產(chǎn)品己采用8位和16位微處理器作為CPU,部分產(chǎn)品還采用了多微處理器結(jié)構(gòu)。其功能顯著增強，速度大大提高，并能進行多種復雜的數(shù)學運算，具備完善的通訊功能和較強的遠程1/0能力，具有較強的自診斷功能并采用了容錯技術(shù)。第四代為1983年到現(xiàn)在。這個時期的產(chǎn)品除采用16位以上的微處理器作為CPU外，內(nèi)存容量更大，有的已達數(shù)兆字節(jié);可以將多臺PLC鏈接起來，實現(xiàn)資源共享;可以直接用于一些規(guī)模較大的復雜控制系統(tǒng);編程語言除了可使用傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖等，還可使用高級語言;外設(shè)多樣化，可以配置CRT和打印機等。第一代PLC功能太弱，已基本淘汰;第四代PLC面向復雜大型系統(tǒng)，應(yīng)用還不廣泛。目前，在各行業(yè)應(yīng)用最多的是第二、三代產(chǎn)品。另外，在PLC的發(fā)展過程中，產(chǎn)生了三類按1/0點分類的PLC1'1:小型、中型、大型。一般小于256點為小型〔小于64為超小型或微型PLC)?？刂泣c不大于2048點為中型PLC.2048點以上為大型PLC.3.2PLC控制的優(yōu)越性繼電器控制是采用硬接線邏輯，利用繼電器觸點的串、并聯(lián)及時間繼電器的延遲動作來組成控制邏輯，其缺點是一個系統(tǒng)一旦確定就很難輕易再改動。如果要在現(xiàn)場做一些更改和擴展更是難以實行。而PLC是利用其內(nèi)部的存儲器以數(shù)據(jù)形式將控制邏輯存儲起來的，所以只要改變PLC內(nèi)存儲器的內(nèi)容，也就可以實現(xiàn)更改控制邏輯的目的。對于PLC來講，只要用PLC配備的編程器在現(xiàn)場就可以完成更改。至于PLC對外部的聯(lián)系，只有1/0點，只要輸入輸出對象不變，就無須對硬接線作任何改動。繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作來實現(xiàn)的。工作頻率很低。一次動作一般為數(shù)十毫秒。對于復雜的控制，使用的繼電器越多，反應(yīng)就越慢。而PLC是以微型計算機為基礎(chǔ)的控制裝置，其運行速度為每個指令步數(shù)十微秒(對于高速PLC則是5微秒以下)。并且內(nèi)部有嚴格的同步，所以不會出現(xiàn)抖動的問題。對于限時控制，繼電器是利用時間繼電器的延時動作來實現(xiàn)的。由于時間繼電器是利用空氣阻力，半導體延時電路來實現(xiàn)延時的，所以其定時精度低，調(diào)整不方便。且環(huán)境溫度變化等因素都會對定時精度有直接的影響。而PLC則是由晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖經(jīng)多次分頻后得到的時基脈沖進行計數(shù)來定時的，定時范圍一般為秒，也有秒的，精度一般高于10毫秒，只要根據(jù)需要由編程器送入時間常數(shù)即可實現(xiàn)定時時間的設(shè)定或更改。由于PLC的定時是對時基脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)的，所以如果是對外脈沖進行計數(shù)，就成為計數(shù)器?，F(xiàn)代的PLC一般都具有定時器和計數(shù)器功能。從可靠性和可維護性方面來看，繼電器控制邏輯由于使用了大量的機械觸點，連接線也多，觸點開閉時產(chǎn)生的電弧會使觸點損壞，動作時的機械振動還可能使接線松動，所以可靠性和可維護性都較差。而PLC則采用了無觸點的電子電路來替代繼電器觸點，確切地說是用存貯器內(nèi)的數(shù)據(jù)來代替觸點，因此不存在上述缺點。而且體積小、功耗小、壽命長、可靠性高、還具有監(jiān)控功能和自檢功能，使程序的運行過程成為透明。PLC一般還具有步進控制指令，可以進行步進控制，而繼電器邏輯就比較困難。繼電器邏輯只能對開關(guān)量進行控制。而PLC除了具有開關(guān)量控制功能外，有些功能較全的PLC還具有A/D.D/A轉(zhuǎn)換裝置，可以用來對模擬量進行控制。但是目前在成本方面PLC還比繼電器貴，一般進口產(chǎn)品每個I/0點為人民幣80元左右;國產(chǎn)一般點為60元左右。雖然單片機的配置較微機系統(tǒng)簡單，成本也較易接受，但它仍然不是為工業(yè)控制而設(shè)計的。同樣存在著編程難、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍較差，成本高等缺點。盡管其有較強的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制都為開關(guān)量控制，所以其長處仍得不到發(fā)揮。單片機與PLC的比較:在很大程度上，單片機是專為工業(yè)控制而設(shè)計的。因此，它具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。事實上，現(xiàn)代PLC的核心就是單片微處理器。用單片機作控制部件在成本方面具有優(yōu)勢。但是不可否認，從單片機到工業(yè)控制裝置之間畢竟有一個硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的過程。雖然PLC也有必不可少的軟件開發(fā)過程，但兩者所用的語言差別很大，單片機主要使用匯編語言開發(fā)軟件。而PLC用專用的指令系統(tǒng)來編程的。前者復雜而易出錯，開發(fā)周期長。后者簡便易學，現(xiàn)場就可以開發(fā)調(diào)試。單片機控制系統(tǒng)僅適用于較簡單的自動化項目。硬件上主要受CPU、內(nèi)存容量及IO接口的限制;軟件上主要受限于與CPU類型有關(guān)的編程語言。一般說來單片機或單片機系統(tǒng)的應(yīng)用只是為某個特定的產(chǎn)品服務(wù)的。其通用性、兼容性和擴展性都相當差。PLC是專為工業(yè)控制所設(shè)計的。而微型計算機是為科學計算、數(shù)據(jù)處理等而設(shè)計的，盡管兩者在技術(shù)上都采用了計算機技術(shù)，但由于使用對象和環(huán)境的不同，PLC較之微機系統(tǒng)具有面向工業(yè)控制、抗干擾能力強、適應(yīng)工程現(xiàn)場的溫度、濕度環(huán)境、輸入、輸出一一般采用“光一電”隔離技術(shù)，并配備有可承受較大負載可編程控制產(chǎn)品是通用的。但是工業(yè)的每一領(lǐng)域都有其自己的特點。怎樣才能使一個系統(tǒng)既具有通用性又具備專業(yè)化呢?硬件系統(tǒng)的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙。這樣，適合于某個行業(yè)或某些特殊問題的專用模塊就可以很容易地集成到通用系統(tǒng)中去。常用的專用模塊包括;定位模塊、溫度測量模塊、高速采樣模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等。3.3PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)上是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其基本硬件結(jié)構(gòu)與一般計算機幾乎一樣。由于它是對機械或設(shè)備或某個系統(tǒng)直接控制的裝置，所以與一般計算機又有以下幾點不同:(1)使用適宜于控制的專門語言;(2)實時性強;(3)可與各種輸入/輸出設(shè)備直接連接;(4)抗干擾性能強;(5)可在較惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中工作。PLC主要由中央處理單元(CPU)、存儲器(ROM/RAM),輸入/輸出單元(1/0),電源以及外部設(shè)備(如編程器)等幾大部分組成。PLC的基本工作原理(1)PLC的工作過程PLC的工作是循環(huán)掃描的，這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出響應(yīng)的控制信號。整個工作過程可分為五個階段:讀輸入、執(zhí)行程序、處理通訊請求、自診斷、寫輸出，讀輸入，執(zhí)行程序{叫處理通訊請求輸入刷新階段執(zhí)行用戶程序階段 處理通訊請求階段自診斷掃描階段輸出刷新階段擁有256個定時器。256個計數(shù)器，256個內(nèi)部繼電器，2400個特殊用途寄存器可以控制復雜的過程;具有加、減、乘、除運算功能;豐富的移位、位操作、邏輯判斷功能:具有較強的中斷能力，包括:用于自由方式的發(fā)送，接收中斷(2)PLC的結(jié)構(gòu)組成PLC是一種以微處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。因此，它的組成與一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由基本單元，I/O擴展單元及外部設(shè)備組成。PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，它們相輔相成，缺一不可。沒有軟件的PLC系統(tǒng)稱為裸機系統(tǒng)，不起任何作用，猶如無米之鍋。反之，程序根本無法運行。3.4PLC的組成和工作原理3.4.1PLC的組成PLC主要由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM，ROM）、輸入/輸出部件（I/O）、電源和編程器幾大部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2.1PLC的組成框圖(1)CPUCPU是PLC的核心，其作用類似于人的大腦。它能夠識別用戶按照特定的格式輸入的各種指令，并按照指令的規(guī)定，根據(jù)當前的現(xiàn)場I/O信號的狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成預定的控制任務(wù)。另外它還能識別用戶所輸入的指令序列的格式和語法錯誤，還具有系統(tǒng)電源、I/O系統(tǒng)、存儲器及其它接口的測試與診斷功能。CPU與其它部件之間的連接是通過總線進行的。(2)存儲器PLC的內(nèi)部存儲器用來存儲系統(tǒng)管理程序和用戶程序。內(nèi)存有兩種：隨機存儲器RAM，可進行讀寫操作。主要用來存儲用戶程序，生成諸如用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)、計時器、計數(shù)器、輸入/輸出繼電器以及各種輔助繼電器的用戶環(huán)境。只讀存儲器ROM，PROM，EPROM，EEPROM。這幾類只讀存儲器用來固化系統(tǒng)的管理程序和用戶程序。(3)輸入/輸出單元輸入/輸出單元是PLC與生產(chǎn)設(shè)備或?qū)嶋H生產(chǎn)過程連接的接口。CPU所能處理的信號只能是標準電平，因此現(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感器輸出的開關(guān)量或模擬量信號，需要通過輸入單元的轉(zhuǎn)化和處理才可以傳送給CPU。而CPU的輸出信號，也只有通過輸出單元的轉(zhuǎn)換和處理，才能夠驅(qū)動電磁閥、接觸器、繼電器、電機等執(zhí)行機構(gòu)。1）輸入接口電路：PLC以開關(guān)量順序控制為特長，其輸入電路基本相同，通常分為三種類型：直流輸入方式、交流輸入方式和交直流輸入方式。而外部輸入元件可以是無源觸點或有源傳感器。輸入電路包括光電隔離和RC濾波，用于消除輸入觸點抖動和外部噪聲干擾。如下圖2.2是直流輸入方式的接線圖，輸入端在面板上的指示燈，用于表示外部輸入的開/關(guān)狀態(tài)。輸入信號接通時，輸入電流一般小于10mA；響應(yīng)滯后時間一般小于20ms。圖2.2直流輸入方式的接線圖2）輸出接口電路：PLC的輸出電路有三種形式：繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出，如圖2.3所示。圖2.3（a）為繼電器輸出型，CPU控制繼電器線圈的通電或失電，其接點相應(yīng)閉合或斷開，接點再控制外部負載電路的通斷。顯然，繼電器輸出型PLC是利用繼電器線圈和觸點之間的電氣隔離，將內(nèi)部電路和外部電路進行了隔離。圖2.3（b）是晶體管輸出型，晶體管輸出型通過使晶體管截止或飽和來控制外部負載電路，它是在PLC內(nèi)部電路與輸出晶體管之間用光耦合器進行隔離。圖2.3（c）是晶閘管輸出型，晶閘管輸出型采用的是光觸發(fā)型雙向晶閘管。它是在PLC內(nèi)部電路與雙向晶閘管之間采用光觸發(fā)晶閘管進行隔離。圖2.3（a）繼電器輸出型圖2.3（b）晶體管輸出型圖2.3（c）晶閘管輸出型(4)電源單元PLC的供電電源一般是市電，有的也用直流24V電源供電。PLC對電源穩(wěn)定性要求不高，一般允許電源電壓在+10%到+15%內(nèi)波動。PLC內(nèi)含有一個穩(wěn)壓電源用于CPU和I/O單元供電，小型PLC的電源往往和CPU單元合為一體，大中型PLC都有專門的電源單元。(5)編程器編程器是PLC很重要的附件，它主要由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)和外存儲器接插口等部件組成。3.4.2PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，即執(zhí)行完一次用戶程序后，又返回去執(zhí)行第二次、第三次、……直至停機。PLC的工作過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。在每一個掃描周期內(nèi)，PLC定時采集現(xiàn)場的有關(guān)信息，存放在某一指定的存儲區(qū)域—輸入映像區(qū)。執(zhí)行用戶程序時所需的現(xiàn)場信息都從輸入映像區(qū)取用，而不是直接取自外設(shè)。同樣，對輸出給被控對象的控制信息，也不采用形成一個就去輸出改變一個的控制方法，而是先把控制信息存放在某個特定區(qū)域—輸出映像區(qū)，當掃描結(jié)束后，將輸出映像區(qū)的控制信息集中輸出，進而改變被空對象的狀態(tài)。輸入映像區(qū)和輸出映像區(qū)統(tǒng)稱I/O映像區(qū)。(1)輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式讀入輸入端的狀態(tài)并存入輸入映像區(qū)的相應(yīng)寄存器中，接著進入程序執(zhí)行階段。在非輸入采樣階段，無論輸入狀態(tài)如何變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變，直到進入下一個掃描周期的采樣階段，PLC才會將輸入端的狀態(tài)讀入輸入映像寄存器中。(2)程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)梯形圖程序先左后右、先上后下的掃描原則。若指令中的元件為輸出元件，則使用當時輸出映像寄存器中的狀態(tài)值進行運算。若程序的結(jié)果為輸出元件，則將運算結(jié)果寫入輸出映像寄存器。輸出映像寄存器中的每一個元件會隨著程序執(zhí)行的進程而變化。(3)輸出刷新階段在程序執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中的繼電器的通斷狀態(tài)傳送至輸出鎖存器，形成PLC的實際輸出，驅(qū)動相應(yīng)外設(shè)。以上是PLC的掃描工作過程。PLC的掃描周期就是它完成一個完整循環(huán)掃描所需的工作周期，即從讀入輸入狀態(tài)到發(fā)出輸出信號所用的時間。3.5PLC的技術(shù)指標(1)電源，機器動力電源115V交流電源或220V交流電源，通過跨接短路片進行選擇。(2)環(huán)境，工作溫度為0—50，最高為60；儲藏溫度為-20—+85；相對濕度為（5—95）%；空氣條件：周圍空氣不能混有可燃性氣體、易爆性和腐蝕性氣體。(3)存儲容量，多采用CMOS—RAM存儲器，也可采用EPROM存儲器。一般小型機器的存儲容量為1KB到幾KB，大型機器為十幾KB，甚至1—2MB。(4)掃描時間，執(zhí)行一次解讀用戶邏輯程序所需的時間。一般情況下機器粗略指每執(zhí)行1000條指令所通常為10ms左右。小型和超小型掃描時間可能大于40ms。(5)指令功能，可編程邏輯控制器的指令足可分為基本指令和擴展指令?；局噶钍侵父鞣N類型的可編程邏輯控制器都有的，其主要是邏輯處理指令。第四章模糊控制的基本原理自從1932年奈魁斯特(NYQUIST)發(fā)表有關(guān)反饋放大器的穩(wěn)定性論文以來，控制理論學科的發(fā)展已走過60多年的歷程，這些控制理論已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)、軍事科學、空間技術(shù)等許多領(lǐng)域得到了成功的運用。在這些控制應(yīng)用工程中，其控制器的設(shè)計是建立在被控對象精確控制模型的基礎(chǔ)之上，用精確定義的概念和嚴格證明的定理描述現(xiàn)實的數(shù)量關(guān)系和空間形式。隨著研究對象和系統(tǒng)復雜化，借助于數(shù)學模型描述和分析的傳統(tǒng)控制理論難以解決復雜系統(tǒng)的控制問題，尤其是在具有以下特點的一類現(xiàn)代控制工程中。(1)不確定性的模型傳統(tǒng)控制是對模型的控制，這里的模型包括控制對象和干擾模型。傳統(tǒng)控制認為模型是已知或經(jīng)辯識可得到的。對不確定的模型，傳統(tǒng)控制難以滿足要求。(2)高度非線性模型(3)復雜的任務(wù)要求這類工程本身所固有的模糊性、復雜性及其它原因，使得人們難以用傳統(tǒng)的數(shù)學方法為其建立精確的數(shù)學摸型。但在生產(chǎn)實踐中，許多復雜生產(chǎn)過程難以實現(xiàn)控制，可通過熟練的操作工或?qū)＜业慕?jīng)驗獲得滿意的控制效果。大腦能夠發(fā)展模糊思維、存儲和處理模糊信息，人們通過模糊的語言性經(jīng)驗來進行這類控制。所謂模糊控制，就是在控制方法上應(yīng)用模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理知識來模擬人的模糊思維方法，以便能對某些無法用精確數(shù)學模型描述的對象或過程進行成功的控制。人們希望把熟練操作人員的經(jīng)驗總結(jié)成一些規(guī)則，并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計成控制器。由于人的經(jīng)驗一般是用自然語言表達的，因此，基于經(jīng)驗的規(guī)則也是模糊的、語言性的。然而，運用模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識，可以把這些模糊的語言規(guī)則上升為數(shù)值運算，從而能利用計算機完成對這些規(guī)則的具體實現(xiàn)，達到以機器代替人對某些對象或過程進行自動控制的目的，這就是模糊控制的基本思想。模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式。因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，一般可分為四個組成部分:規(guī)劃庫數(shù)據(jù)庫規(guī)劃庫數(shù)據(jù)庫解模糊接口模糊化接口推理機輸入輸出解模糊接口模糊化接口推理機模糊控制器模糊控制器圖4-1模糊控制方框圖(1)模糊控制器。模糊控制器實際上是一臺計算機，它實現(xiàn)控制過程中所需的各種模糊算法，是控制系統(tǒng)的“智能”部分。圖4-1是模糊控制器組成方框圖。(2)輸入/輸出接口裝置。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出信號經(jīng)過數(shù)模變換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。(3)廣義對象。包括被控對象及執(zhí)行機構(gòu)。被控對象可以是線性或非線的，也可以是單變量或多變量的，有時滯或無時滯的以及有強干擾的多種情況。(4)傳感器。它是將被控對象或各種過程的被控量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。要實現(xiàn)語言控制的模糊邏輯控制器，就必須了解三個基本問題，第一個是先通過傳感器把要監(jiān)測的物理量變成電量，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字量。精確輸入量輸入至模糊控制器后，首先要把精確的輸入量通過模糊集合的隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換為模糊數(shù)，這一步為精確量的模糊化，其目的是把傳感器的輸入轉(zhuǎn)換成知識庫可以理解和操作的變量格式。第二個問題是根據(jù)有經(jīng)驗的操作者或者專家的經(jīng)驗制訂出模糊控制規(guī)則并進行模糊邏輯推理，以得到一個模糊輸出集合，即一個新的模糊隸屬函數(shù)，這一步稱為模糊控制規(guī)則形成和推理，其目的是用模糊輸入值去選配控制規(guī)則，為每個控制規(guī)則確定其適配的程度。要解決的第三個問題是根據(jù)模糊邏輯推理得到輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同方法找一個具有代表性的精確值作為控制量。這一步稱為模糊輸出量的解模糊判決。其目的是把分范圍概括合并成單點輸出值，加到執(zhí)行器上實現(xiàn)控制。通常控制總是用系統(tǒng)的實際輸出值和設(shè)置的期望值相比較，得到一個偏差值E，控制器根據(jù)這個偏差值來決定如何對系統(tǒng)加以調(diào)整控制，很多情況下還需要根據(jù)該偏差的變化率EC來進行綜合判斷。無論是偏差還是偏差的變化率，它們都是精確的輸入值，要采取模糊控制技術(shù)就必須先把它們模糊化。每個輸入值都對應(yīng)一個模糊集合。某一范圍連續(xù)變化的值就可有無限多個模糊集合，通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干等級。所定義的級數(shù)多少取決于所需輸入量的分辨率。定義輸入量的隸屬函數(shù)可采用吊鐘形、梯形、三角形函數(shù)。理論上說吊鐘形最為理想，但是計算復雜。實踐證明，用三角形和梯形函數(shù)其性能并沒有太大的差別，為簡化計算，較多地采用三角形，其次是梯形。為了實現(xiàn)模糊控制器的標準化設(shè)計，實際中常用的處理方法是把輸入量的變化范圍設(shè)定為[-66]，區(qū)間連續(xù)變化量使之離散化，構(gòu)成13個整數(shù)元素的離散集合{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6,}在實際工作中，精確輸入量的變化范圍一般不會是在[-6,+6]之間，如果其范圍是在[ab]之間的話，可通過變換（4.1）將在[ab]之間變化的量轉(zhuǎn)換為在[-66]之間變化的變量，然后對這一語言變量進行取值，習慣上可分為七個等級:“正大”(PB):可取在+6附近;“正中”(PM):可取在+4附近;“正小”(PS):可取在+2附近;“零”(ZE):可取在0附近;“負小”(NS):可取在-2附近;“負中”(NM):可取在-4附近;“負大”(NB):可取在-6附近:模糊規(guī)則的形成是把有經(jīng)驗的操作者或?qū)＜业目刂浦R和經(jīng)驗制訂出若干模糊控制規(guī)則，為了存入計算機，還必須對它們進行數(shù)學處理，之后，再模仿人的模糊邏輯推理過程，確定推理方法，這樣計算機就可用模糊化的輸入量，根據(jù)制定的模糊控制規(guī)則和事先確定好的推理方法進行模糊推理，并得到模糊輸出量即模糊輸出隸屬函數(shù)。根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論，對不同類型的模糊規(guī)則可用不同的模糊推理方法。（1）對“如果A，那么B"(ifAthenB)類型的模糊規(guī)則可采用如下的推理方法。若已知輸入為A，則輸出為B，若現(xiàn)在已知輸入為，則輸出，可用下式合成規(guī)則求得:（4.1.）其中模糊關(guān)系，這是一個二維的模糊集合，被定義為:(4.2)(2)對“如果A，那么B，否則C”(ifAthenBelseC)類型的模糊規(guī)則可采用如下的推理方法:若己知輸入為A，則輸出為B，否則輸出為C,若現(xiàn)在己知輸入為，則輸出或可用下式合成規(guī)則求得:(4.3)其中模糊關(guān)系，被定義為:(4.4)(3)“如果A且B，那么C"(ifAandBthenC)類型的推理規(guī)則是實際模糊控制器最常用的規(guī)則形式。在這類規(guī)則中，A一般用來表示被控制量的測量值與期望值的偏差E=x-x0的隸屬函數(shù)。B一般表示偏差變化率C=de/dt的隸屬函數(shù)。E和C可分別定義若干不同等級的隸屬函數(shù)，若作標準化處理，可分成負大，負小，零，正小，正大等模糊子集。如果一個模糊控制器的模糊規(guī)則可寫成如下形式:如果且，那么;如果且，那么;…………如果且，那么;那么輸出控制量集合即:(4.5)由此，如果己知輸入E,C和輸出控制量U，就可以求出他們的模糊關(guān)系R，反之，如果己知模糊關(guān)系R就可根據(jù)輸入E和C求出控制量U。由于一個過程控制規(guī)則都是由若干規(guī)則組成的，對于每一條推理規(guī)則都可以得到一個相應(yīng)的模糊關(guān)系，N條規(guī)則就有N個模糊關(guān)系:，，，，對于整個系統(tǒng)的總的控制規(guī)則所對應(yīng)的模糊關(guān)系R可對N個模糊關(guān)系取“并”操作得到:(i=1234…….n)(4.6)經(jīng)過模糊推理得到的控制輸出是一個模糊隸屬函數(shù)或者模糊子集，它反映了控制語言的模糊性，這是一種不同取值的組合，然而在實際應(yīng)用中要控制一個物理對象，只能在某一個時刻有一個確定的控制量，這就必須要從模糊輸出隸屬函數(shù)中找出一個最能代表這個模糊集合即模糊控制作用可能性分布的精確量，這就是解模糊判決，從數(shù)學上講，這是一個從輸出論域所定義的模糊控制作用空間到精確控制作用空間的映射。扎德首先提出了這個問題并做了嘗試性的建議，目前最常用的方法是最大準則法、最大隸屬度平均法和重心法。(1)最大準則法(MAX:MAXcriterionMethod)這種方法是找出控制作用可能性分布達到最大值的輸出點。(2)最大隸屬度平均法(MOM:MEANofMaximumMethod)這種方法是要找出能代表所有隸屬函數(shù)達到最大的局部控制作用的平均值，在輸出是離散的情況下，控制作用可以用下式表示:(4.7)式中，是隸屬函數(shù)達到最大值的那些輸出值，L是這些輸出值的個數(shù)。(3)重心法，又稱面積重心法(COA:centerofAreaNethod)這種方法在實際工程中經(jīng)常使用，其實質(zhì)是找出控制作用可能性分布的重心，在輸出是離散值的情況下，控制作用可用下式求得:(4.8)這里n是輸出的量化級數(shù)。圖4.2為這三種不同的解模糊決策方法的圖形說明。圖4-2不同解模糊決策方法的圖形說明。4.4模糊控制器設(shè)計的基本方法模糊控制器是模糊邏輯控制器(FuzzyLogicController)的簡稱，因為模糊控制器的控制規(guī)則是基于模糊條件語句描述的語言控制規(guī)則，所以模糊控制器又稱為模糊語言控制器。模糊控制器在模糊自動控制中具有舉足輕重的作用，因此，在模糊控制系統(tǒng)中，設(shè)計和調(diào)整模糊控制器的工作是很重要的，本章介紹模糊控制器設(shè)計的基本方法和原則，旨在為后續(xù)章節(jié)的模糊控制器的設(shè)計作鋪墊。對于模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容一般有以下幾項(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量;(2)建立模糊化和非模糊化的方法;(3)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)。(4)設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則。模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。因為模糊控制器的控制規(guī)則是模擬人腦的思維決策方式，因此決定模糊控制的輸入/輸出的信息量亦即為人在手動控制過程中所獲取的信息量，在手動控制過程中，人所能獲取的信息量基本上有三個:(1)誤差;(2)誤差的變化;(3)誤差變化的速率。由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動控制規(guī)則提出的，所以模糊控制器的輸入變量也可以有三個，即誤差、誤差的變化及誤差變化的速率，輸出量一般選擇控制量的變化，通常將模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對象，由于這種控制器輸入變量只選一個誤差，它的動態(tài)控制性能不佳。所以，目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。本文所設(shè)計的模糊控制器即為此類型。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精確，但維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復雜，控制算法實現(xiàn)困難，這是目前人們廣泛應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在?？刂埔?guī)則的設(shè)計是設(shè)計模糊控制器的關(guān)鍵，一般包括三部分設(shè)計內(nèi)容:選擇描述輸入、輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集及建立模糊控制規(guī)則。(1)選擇描述輸入、輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯的集合，稱為這些變量的詞集，由于在模糊控制器中一般選擇誤差及誤差變化率作為模糊控制器的兩個輸入變量，通常情況下，對誤差及誤差變化等語言變量的語言值一般取為{負大，負小，負中，負零，正零，正小，正中，正大}這七種，選擇較多的詞匯描述輸入/輸出變量，可以使制定控制規(guī)則方便，但控制規(guī)則變得相應(yīng)復雜，選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗糙，導致控制器的性能變壞。(2)定義各模糊變量的模糊子集定義一個模糊子集，實際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)的形狀，實驗研究結(jié)果表明，在控制過程中用正態(tài)形分布的模糊變量來描述模糊概念比較適宜，由此可寫出誤差E，誤差變化率EC及控制量U的七個語言值的隸屬函數(shù):圖4-3誤差E的隸屬函數(shù)曲線圖4-4誤差變化EC的隸屬函數(shù)曲線圖4-5輸出U隸屬函數(shù)曲線上述的論域E、EC、U上的七個模糊變量均是假定為正態(tài)性模糊變量，其正態(tài)函數(shù)為：(4-9)其中參數(shù)的大小直接影響隸屬函數(shù)曲線的形狀，而隸屬函數(shù)曲線的形狀不同會導致不同控制特性圖4-6