電氣自動(dòng)化專業(yè)基于模糊控制的皮帶多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制器的研究

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1、基于模糊控制的皮帶多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制器的研究 摘要：目前, 我國(guó)煤礦行業(yè)使用的帶式輸送機(jī)已逐步向長(zhǎng)距離、大容量、高速方向發(fā)展。因此, 對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的需求越來越高, 然后采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng), 以避免單機(jī)驅(qū)動(dòng)帶來的問題。在實(shí)際使用過程中, 多機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然有許多優(yōu)點(diǎn), 但驅(qū)動(dòng)功率的分布不平衡。這是因?yàn)槊旱V生產(chǎn)中使用的輸送帶屬于輸送帶。在輸送物料時(shí), 如果輸送帶的每個(gè)驅(qū)動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)功率不平衡, 會(huì)造成嚴(yán)重的不平衡張力, 因此傳送帶將被拉扯、偏離或斷開。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的裂紋和故障。為了解決這一問題, 本文提出了一種模糊控制策略, 利用 PLC 和調(diào)速液壓耦合器調(diào)整多機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率平衡。同時(shí), 對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)

2、的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。本文的控制方案是: 通過對(duì)輸送帶速度和各驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子電流信號(hào)的監(jiān)測(cè), 將其傳遞給 PLC 控制器, 并將輸送帶的實(shí)際速度與給定的速度進(jìn)行比較, 以控制輸送機(jī)的啟動(dòng) b爾特;通過將監(jiān)測(cè)電流信號(hào)與參考電流信號(hào)進(jìn)行比較, 以兩個(gè)信號(hào)之間的差異為控制信號(hào), 通過步進(jìn)電機(jī)控制液壓耦合器的勺子桿上下控制。動(dòng)態(tài)位置用于控制液壓耦合器中的充油, 使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子電流值彼此接近, 以滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的要求。本文選擇西門子 PLC300 作為硬件選擇的主要控制器, 選擇了控制系統(tǒng)的模塊, 包括 a/模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、隔離網(wǎng)格等。并對(duì)系統(tǒng)硬件各模塊的布線進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)。在程序設(shè)計(jì)部分, 詳

3、細(xì)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的主要程序和各種子程序模塊。從仿真結(jié)果和本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看, 采用模糊控制策略實(shí)現(xiàn)多機(jī)輸出功率平衡是可行的。 關(guān)鍵詞:驅(qū)動(dòng)功率;模糊控制;輸送帶;液力耦合器;MATLAB; PLC300 目 錄 1.1課題背景及研究意義 3 1.2課題的研究現(xiàn)狀 3 1.3本論文的研究?jī)?nèi)容和方法 4 2.1帶式輸送機(jī)概述 6 2.2多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 6 2.2.1皮帶張緊裝置 7 2.2.2輸送帶 7 2.2.3托棍 7 2.2.4驅(qū)動(dòng)裝置 7 2.3液力親合器可控調(diào)速裝置 8 2.4多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制策略

4、8 3.1 PLC及其器件介紹 10 3.1.1 PLC 介紹 10 3.1.2 PLC的功能 10 3.1.3 UPLC的特點(diǎn) 11 3.1.4西門子PLC介紹 12 3.1.5西門子PLCS7-300硬件介紹 12 3.1.6 S7-300系列PLC的主要優(yōu)點(diǎn) 14 3.2控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì) 14 3.3 S7-300基本模塊的選型及外圍接口電路的設(shè)計(jì) 16 4.1軟件設(shè)計(jì)原則 17 4.1.1軟件設(shè)計(jì)要求 17 4.1.2程序設(shè)計(jì)思路 17 4.2 S7-300系列PLC程序編程 18 4.3控制系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì) 19 第一章 緒論 1

5、.1課題背景及研究意義 帶式輸送機(jī)是一種用于運(yùn)輸散裝物料的運(yùn)輸設(shè)備。它具有大容量和工作時(shí)間。長(zhǎng)途運(yùn)輸廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)和重工業(yè)。隨著我國(guó)礦業(yè)的不斷擴(kuò)大, 需要運(yùn)輸距離較長(zhǎng)、運(yùn)輸量大、工作效率高的帶式輸送機(jī), 并生產(chǎn)大型帶式輸送機(jī)。目前, 在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域, 已采用大型帶式輸送機(jī), 但在實(shí)際應(yīng)用過程中, 當(dāng)皮帶處于一定的張力狀態(tài)時(shí), 如果皮帶是由劣質(zhì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的, 就不能滿足要求。為了降低皮帶的張力和電網(wǎng)的諧波, 基本上采用了多機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。一般情況下, 在理想狀態(tài)下, 功率和驅(qū)動(dòng)力的分布比是相同的, 但實(shí)際上, 功率和驅(qū)動(dòng)力的分布比將因各種因素而偏離。這將導(dǎo)致膠帶上張力分布不平衡, 從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)

6、負(fù)載不平衡, 在嚴(yán)重的情況下直接導(dǎo)致電機(jī)損壞。目前, 這種問題在大多數(shù)大型帶式輸送機(jī)中都存在。 此外, 歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在帶式輸送機(jī)開發(fā)領(lǐng)域取得了大量的研究成果, 無論是在帶式輸送機(jī)的整體設(shè)計(jì)和控制性能方面都處于相對(duì)領(lǐng)先地位。與之相比, 我國(guó)帶式輸送機(jī)技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后, 我國(guó)大型帶式輸送機(jī)的核心技術(shù)仍依賴于進(jìn)口。因此, 研究礦帶多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制器, 不僅是為了解決煤礦生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問題, 也是為了將先進(jìn)的智能控制策略應(yīng)用于實(shí)踐, 深化煤礦帶動(dòng)力平衡控制器。通過實(shí)踐對(duì)控制策略的理解和研究。 1.2課題的研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)帶式輸送機(jī)的研究比較早。目前, 已開發(fā)出適合各種要求的輸送系統(tǒng)。主

7、要研究?jī)?nèi)容包括復(fù)雜模型構(gòu)建、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性研究、控制算法和先進(jìn)的控制策略研究。在驅(qū)動(dòng)裝置中, 主要技術(shù)有: CST 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)加液壓稱重裝置、液體粘性驅(qū)動(dòng)調(diào)速裝置和交流變頻調(diào)速裝置。CST 是一種主要用于大型帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。CST 的基本原理是使用控制器設(shè)置加速度曲線和軟啟動(dòng)時(shí)間。在油壓作用下, 反應(yīng)盤相互摩擦, 傳遞到機(jī)械設(shè)備的力矩與壓力成正比。此外, 系統(tǒng)本身的反饋調(diào)節(jié)能力可以穩(wěn)定加速度。但缺點(diǎn)是, 如果電機(jī)在沒有負(fù)載的情況下直接啟動(dòng), 就會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流, 這將極大地影響電網(wǎng)的電壓, 傳輸效率較低, 運(yùn)行裝置產(chǎn)生的熱量較高。CST 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 維護(hù)難度較大。液壓

8、粘滯驅(qū)動(dòng)調(diào)速裝置通過使用機(jī)械的內(nèi)部作用來控制聯(lián)軸器的運(yùn)行。液體粘性調(diào)速裝置不僅可以控制輸送機(jī)的速度和穩(wěn)定運(yùn)行, 還可以平衡多臺(tái)電機(jī)的負(fù)載功率, 從而提高輸送機(jī)的安全性、使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。其缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確控制輸送機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行, 散熱性能差, 容易影響調(diào)速裝置的工作。交流電機(jī)變頻調(diào)速裝置是一種新型的電氣產(chǎn)品。主要采用電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速, 具有較高的控制精度。其原理是通過改變電機(jī)電源的頻率來調(diào)整電機(jī)的速度。當(dāng)功率不平衡時(shí), 電機(jī)的頻率會(huì)隨著時(shí)間的推移而調(diào)整, 電機(jī)的功率會(huì)通過改變每個(gè)變頻器的頻率來重新分配。目前我國(guó)對(duì)帶式輸送機(jī)的研究主要集中在大傾角、長(zhǎng)距離大型帶

9、式輸送機(jī)系統(tǒng)的零件和控制裝置上。通過采用動(dòng)態(tài)分析技術(shù)、中間驅(qū)動(dòng)和智能控制技術(shù), 開發(fā)了各種軟啟動(dòng)和制動(dòng)方法, 以及 PLC 可編程數(shù)字系統(tǒng)控制裝置。其次, 進(jìn)一步研究了帶式輸送機(jī)的部件和結(jié)構(gòu), 包括帶式速度對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行阻力的變化、彎曲部分輸送機(jī)軌道張力的計(jì)算方法以及輸送機(jī)的狀態(tài)模型。輸送機(jī)在水平線上運(yùn)行, 以及各種動(dòng)態(tài)特性。同時(shí), 在控制系統(tǒng)中應(yīng)用了一些先進(jìn)的控制策略, 并采用計(jì)算機(jī)計(jì)算了輸送機(jī)軌道的張力?？刂圃O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。典型的例子是采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略與 DSP 處理器相結(jié)合的方法對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行控制。該方法具有控制實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)性特點(diǎn), 但由于對(duì)控制策略和算法的要求較高, 在控

10、制精度和控制效果方面難以達(dá)到理想狀態(tài)。 1.3本論文的研究?jī)?nèi)容和方法 本文的主要目的是控制多驅(qū)動(dòng)輸送帶的功率平衡, 分析多變量模糊控制策略的實(shí)際應(yīng)用效果。具體內(nèi)容如下: (1) 分析了大型帶式輸送機(jī)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)裝置的不足, 研究了液壓稱重裝置, 分析了輸送機(jī)的組成原理, 并對(duì)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。.(2) 詳細(xì)介紹了模糊控制策略, 包括其基本原理和實(shí)時(shí)控制方法, 以及實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的方法。(3) 根據(jù)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和控制要求, 對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)部分進(jìn)行硬件選擇和外圍接口電路設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了西門子 PLC300 系列的功能和特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了模糊控制器。建立了模糊控制規(guī)則和一般控制決策表

11、?？刂齐姍C(jī)的負(fù)載功率, 實(shí)現(xiàn)多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的控制。(4) 結(jié)合 PLC300 軟件編程開發(fā)和控制算法的特點(diǎn), 進(jìn)行了程序流程圖的設(shè)計(jì)。 第二章 多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制方案 2.1帶式輸送機(jī)概述 所謂大型帶式輸送機(jī)是指輸送機(jī)的輸送機(jī)工作臺(tái)長(zhǎng)度超過 l0km, 運(yùn)輸能力超過3000l:h, 電機(jī)的總?cè)萘吭?l000kW 以上。帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。與其他散裝物料運(yùn)輸方式相比, 帶式輸送機(jī)具有材料種類繁多、輸送能力范圍廣、輸送線適應(yīng)性強(qiáng)、物料裝卸靈活、重量強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)可靠性高、安全性高、成本低。多機(jī)傳動(dòng)帶式輸送系統(tǒng)由機(jī)械設(shè)備、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和計(jì)算機(jī)控制裝置組成。系統(tǒng)的控制對(duì)象是驅(qū)動(dòng)

12、電機(jī), 控制參數(shù)是電機(jī)的速度和負(fù)載功率。該系統(tǒng)的核心是利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)控制帶式輸送機(jī)的工作狀態(tài), 以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。首先, 詳細(xì)介紹了帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。然后, 詳細(xì)介紹了帶式輸送機(jī)的不同驅(qū)動(dòng)裝置。在此基礎(chǔ)上, 著重分析了本文所使用的可控調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)和原理。 2.2多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 帶式輸送機(jī)是一種連續(xù)的機(jī)械輸送設(shè)備。整個(gè)設(shè)備由輸送帶、倒車鼓、銀載體、張緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置等保護(hù)裝置組成。隨著工程技術(shù)的發(fā)展和更新, 帶式輸送機(jī)逐漸采用了多種驅(qū)動(dòng)方式, 驅(qū)動(dòng)方式多樣化, 出現(xiàn)了單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、雙點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)是指在整個(gè)輸送機(jī)的頭部或尾部安裝驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置;兩點(diǎn)

13、驅(qū)動(dòng)是指在輸送機(jī)的頭部和尾部安裝驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置;所謂多點(diǎn)驅(qū)動(dòng), 是指在輸送機(jī)的頭部、中部和尾部安裝驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置。其中, 兩點(diǎn)驅(qū)動(dòng)和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)在大型帶式輸送機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。其目的不僅是為了降低皮帶在工作時(shí)的張力, 也是為了提高工作效率。多機(jī)傳動(dòng)帶式輸送機(jī), 由于是多點(diǎn)驅(qū)動(dòng), 使皮帶的最大張力大大降低, 因此可用于帶低強(qiáng)度帶式的長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)。如果采用這種驅(qū)動(dòng)模式, 如何調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載分布以及每個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的啟動(dòng)順序和間隔時(shí)間是一個(gè)重要問題。選擇單鼓還是多鼓驅(qū)動(dòng)取決于整個(gè)輸送機(jī)的功率。一般情況下, 如果整機(jī)功率超過 4 5千瓦, 可以考慮多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)模式。針對(duì)煤礦長(zhǎng)途距離長(zhǎng)、運(yùn)輸能力大的情況,

14、通常采用頭雙鼓驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)。每個(gè)鼓由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。有三個(gè)電機(jī)一起工作, 以驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)。 2.2.1皮帶張緊裝置 帶式輸送機(jī)上的皮帶運(yùn)動(dòng)由傳送帶與輸送機(jī)導(dǎo)軌上的驅(qū)動(dòng)鼓之間的摩擦力支撐。因此, 當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí), 必須保證帶式輸送機(jī)的拉力足夠大。拉力由張力裝置控制。帶式輸送機(jī)要求張力裝置不僅要滿足皮帶伸長(zhǎng)的要求, 而且要根據(jù)需要使拉力調(diào)節(jié)。張緊裝置的主要功能是: 通過產(chǎn)生拉力和防止皮帶在滾筒上滑移, 確保皮帶獲得所需的牽引力;使支承銀之間的皮帶下垂?jié)M足要求, 降低皮帶的運(yùn)行阻力;在輸送機(jī)的啟動(dòng)停止和正常運(yùn)行過程中, 補(bǔ)償皮帶的塑性和彈性介質(zhì)長(zhǎng)度;并減少皮帶啟動(dòng)-停止過程中的動(dòng)態(tài)載荷。

15、 2.2.2輸送帶 帶式輸送帶屬于由多種復(fù)合材料組成的帶式帶。它在結(jié)構(gòu)上分為多層, 主要是覆蓋層和巖心體。使用的材料有棉織物、鋼絲繩、尼龍等。因此, 皮帶的粘彈性非常好, 但也有許多獨(dú)特的物理和機(jī)械特性, 如非線性、滯后性、螺桿變性、松動(dòng)等。從這些輸送帶的力學(xué)示意圖中可以看出, 輸送帶具有良好的粘彈性。當(dāng)帶式輸送機(jī)工作正常時(shí), 由于負(fù)載不穩(wěn)定等外部因素, 帶式的粘彈性體變化不規(guī)律, 甚至振動(dòng), 皮帶的工作狀態(tài)失去其穩(wěn)定性。無論是電氣控制系統(tǒng)還是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng), 都會(huì)造成很大的沖擊。 2.2.3托棍 該支撐裝置安裝在帶式輸送機(jī)的輸送導(dǎo)軌上, 以支撐帶帶, 降低帶式的下垂值, 使其在輸送物料過

16、程中不會(huì)遇到強(qiáng)烈的阻力, 從而具有穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。該支架按照輸送機(jī)導(dǎo)軌上規(guī)定的距離進(jìn)行組裝, 其性能和質(zhì)量對(duì)輸送機(jī)的正常運(yùn)行有很大影響。目前, 地下礦井使用的支架接近包不僅能有效防止煤塵, 還能有效防止水進(jìn)入軸承。此外, 支承母通過滾動(dòng)軸承與輸送導(dǎo)軌機(jī)械連接, 使運(yùn)行部件之間的摩擦力較小。 2.2.4驅(qū)動(dòng)裝置 在帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中, 驅(qū)動(dòng)裝置的功能是提供帶式輸送機(jī)運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)時(shí), 滾筒和皮帶之間的摩擦被用來將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)移到皮帶上。此外, 在運(yùn)行過程中, 帶式輸送機(jī)需要克服各種阻力。此外, 驅(qū)動(dòng)裝置的啟動(dòng)過程可以控制, 也可以快速啟動(dòng), 而磁帶不能快速與之同步, 這就需要緩慢

17、的啟動(dòng)過程。從膠帶開始到穩(wěn)定運(yùn)行, 它所承受的張力會(huì)逐漸增加。但張力的變化會(huì)改變皮帶的變形, 很容易引起輸送系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊。啟動(dòng)時(shí), 通常要求驅(qū)動(dòng)裝置按順序啟動(dòng), 以避免電機(jī)在過載下啟動(dòng)。多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)需要大容量電機(jī), 可實(shí)現(xiàn)有載啟動(dòng)和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng), 對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求越來越高?；疽笕缦? (1) 啟動(dòng)平穩(wěn), 在負(fù)載下啟動(dòng), 并有足夠的加速度, 以減少因動(dòng)態(tài)負(fù)荷過大而產(chǎn)生的波動(dòng), 避免膠帶與滾筒之間的滑移, 以及材料可能出現(xiàn)的滑移或溢出在磁帶上。(2) 防止過大的驅(qū)動(dòng)功率和扭矩, 確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)在長(zhǎng)期超載下立即停止, 避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。(3) 可提供低速運(yùn)行模式, 使輸送機(jī)能夠低速運(yùn)行,

18、便于皮帶測(cè)試和防凍。(4) 在多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)條件下, 各驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載平衡, 避免了設(shè)備部件過載, 傳動(dòng)效率高。(5) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)可在沒有負(fù)載的情況下啟動(dòng), 以避免其對(duì)供電電網(wǎng)的影響。本文針對(duì)多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制系統(tǒng), 采用液壓親和力可控調(diào)速裝置作為驅(qū)動(dòng)裝置。 2.3液力親合器可控調(diào)速裝置 液壓稱重離合器主要是電機(jī)軸與蔬菜、風(fēng)機(jī)或帶式輸送機(jī)之間的聯(lián)軸器。當(dāng)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速保持不變時(shí), 通過調(diào)整蔬菜、風(fēng)扇或帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速, 可以改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的輸出功率。當(dāng)輸出軸超載和停止時(shí), 原動(dòng)力的輸入軸也可以在不損壞原力的情況下運(yùn)行。啟動(dòng)時(shí), 輸入軸可以快速啟動(dòng), 輸出軸轉(zhuǎn)速將逐漸增加到接近輸入軸的速度, 因此目前在煤

19、礦生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2.4多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制策略 在多機(jī)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中, 雖然電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行可以控制, 但由于各種因素, 包括各驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)的性能差異和不同的因素, 電機(jī)的負(fù)載功率是不平衡的。設(shè)備技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率不平衡, 容易引起輸送帶的拉動(dòng)和燃燒, 嚴(yán)重影響生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。因此, 這也是煤礦生產(chǎn)行業(yè)需要解決的難題。 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的控制方法有三種: 電流控制法、轉(zhuǎn)矩控制法和電流速度控制法。詳細(xì)說明: (1) 電流控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率法, 意思是在相同條件下, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值可以直接反映電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。通過監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流值, 可以作為驅(qū)動(dòng)功率平衡控

20、制器的傳輸。輸入用于平衡多個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。(2) 在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下, 扭矩控制方法是基于電機(jī)輸出扭矩公式 r = 955 n。電機(jī)輸出扭矩 r 直接反映了其驅(qū)動(dòng)功率。通過對(duì)電機(jī)輸出扭矩信號(hào)的監(jiān)測(cè), 將其作為驅(qū)動(dòng)功率平衡控制器的輸入, 調(diào)整電機(jī)軸轉(zhuǎn)速, 平衡多個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。事實(shí)上, 在負(fù)載功率大的情況下, 由于難以采集扭矩信號(hào), 對(duì)設(shè)備性能要求高, 這種方法很少使用。因此, 工程師們使用電流控制來解決這個(gè)問題。(3) 電流速度控制方法電流控制方法是指在許多電機(jī)中, 控制電機(jī)和恒速電機(jī)首先被指定。通過實(shí)時(shí)采集工作電機(jī)的電流和速度信號(hào), 將其作為驅(qū)動(dòng)功率平衡控制器的輸入, 然后控制電機(jī)的

21、速度。電機(jī)的輸出速度通過聯(lián)軸器傳遞, 通過調(diào)節(jié)大負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)輸送帶的速度調(diào)節(jié)。體積小, 可平衡多機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率。在三種控制方法中, 電流控制輸出功率平衡法是最常用的方法。電流信號(hào)作為控制器的輸入信號(hào), 調(diào)整液壓稱重離合器勺子桿的位置, 以控制其內(nèi)部充油, 從而改變電機(jī)的負(fù)載扭矩, 達(dá)到多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的目標(biāo)蘭斯。該方法具有原理簡(jiǎn)單、可執(zhí)行性高的特點(diǎn)。但這種控制方法的缺點(diǎn)是控制精度不高, 系統(tǒng)響應(yīng)速度慢, 這是由液壓親和力本身的結(jié)構(gòu)和原理造成的。 第三章 模糊控制器的硬件設(shè)計(jì) 確定多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制策略后, 必須進(jìn)行硬件選擇。良好的控制算法只能通過硬件來實(shí)現(xiàn)。針對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)的功率平衡控制,

22、 本文采用西門子 PLC300 系列可編程控制器, 主要基于煤礦惡劣的工作環(huán)境。煤礦地下噪音大, 振動(dòng)強(qiáng)烈, 塵埃沉重, 潮濕, 風(fēng)力大, 空氣中含有砷、二氧化碳、一氧化碳等有害氣體, 如果使用普通控制器, 就不能適應(yīng)這種惡劣的環(huán)境, 但 PLC 可以在此工作環(huán)境, 特別是礦井 PLC, 不僅工作穩(wěn)定, 而且控制對(duì)象的實(shí)時(shí)控制, 可以滿足煤礦學(xué)生的需求。生產(chǎn)要求可以產(chǎn)生長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益。以下是西門子 PLC300 的詳細(xì)描述。 3.1 PLC及其器件介紹 3.1.1 PLC 介紹 PLC 屬于計(jì)算機(jī)處理器。在硬件上, 它與普通微處理器系統(tǒng)基本相同, 但它有自己的模塊, 包括數(shù)字輸入和輸出模

23、塊、模擬輸入和輸出模塊以及計(jì)數(shù)模塊。他們基本上是獨(dú)立的。在軟件中, 可以執(zhí)行各種邏輯操作、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于其穩(wěn)定的運(yùn)行和精確的控制, 在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而, 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)研究的不斷升級(jí), 各類 PLC 產(chǎn)品相繼出現(xiàn), 性能越來越好。它們正朝著大規(guī)模、高度集中化、智能化的方向發(fā)展, 其應(yīng)用前景非常廣闊。 3.1.2 PLC的功能 PLC 在硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有各種控制模塊, 在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中, 可以調(diào)用許多功能模塊, 包括數(shù)據(jù)比較、PID 操作、指數(shù)運(yùn)算, 因此可用于各種復(fù)雜的控制功能。但常見的基本功能如下: 1、順序邏輯控制是 PLC 控制器最突出的功

24、能。過去使用的繼電器控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。稍微復(fù)雜一點(diǎn)的系統(tǒng)需要相當(dāng)數(shù)量的繼電器。有許多使用順序邏輯控制的軟繼電器, 可以直接取代硬件系統(tǒng)。這不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu), 而且節(jié)省了很多。使用更多空間。在軟件中, 它可以進(jìn)行各種邏輯順序控制、單機(jī)或多機(jī)控制等。2. 在多條自動(dòng)化生產(chǎn)線上, 運(yùn)動(dòng)控制將 PLC 控制器與各種加工設(shè)備相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。由于控制的需要, PLC 產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)出來驅(qū)動(dòng)各種電機(jī)。3. 定時(shí)控制 PLC 控制器有多個(gè)定時(shí)器和各種指令來控制計(jì)時(shí)器。它可以實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間間隔的定時(shí)控制, 并可以根據(jù)實(shí)際控制的需要進(jìn)行設(shè)置。其定時(shí)精度高, 可達(dá)到毫秒級(jí), 控制效果非常準(zhǔn)確, 特別是在位

25、置控制和角度控制方面。4. 計(jì)數(shù)控制在 PLC 控制器內(nèi)具有各種計(jì)數(shù)器, 可實(shí)現(xiàn)常見計(jì)數(shù)、可逆計(jì)數(shù)和高計(jì)數(shù), 應(yīng)用范圍廣。它的計(jì)數(shù)原理是, 當(dāng)內(nèi)部計(jì)數(shù)值達(dá)到程序設(shè)定的值時(shí), 它將發(fā)送一個(gè)信號(hào)。此外, 它還可以通過程序模塊進(jìn)行修改和讀取。5. 分步控制 PLC 控制器可以實(shí)現(xiàn)分步控制, 即完成一個(gè)生產(chǎn)任務(wù)并繼續(xù)下一個(gè)任務(wù)。這主要是因?yàn)?CPU 中有許多移位寄存器, 在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)可以執(zhí)行移位操作和臨時(shí)存儲(chǔ)。6. 數(shù)據(jù)處理多的 PLC 控制器 (包括 F2 系列、C 系列、S5 系列 PLC) 可以進(jìn)行不同類型的數(shù)學(xué)運(yùn)算。它們不僅可以進(jìn)行基本操作, 還可以實(shí)現(xiàn)乘法器和平方等復(fù)雜操作, 從而實(shí)現(xiàn)快

26、速的數(shù)據(jù)處理。7. 模數(shù)轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換與普通處理器相同。PLC 可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換, 并可以監(jiān)控大多數(shù)非電信號(hào), 包括溫度、壓力等。只要選擇了合適的傳感器, 就可以對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控, 并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào), 發(fā)送到 PLC。其次, PLC 可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換, 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào), 并將其發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。8. 通信和網(wǎng)絡(luò) PLC 控制器有自己的通信模塊, 可以實(shí)現(xiàn)各種通信模式, 如西門子 PLC、MPI 協(xié)議、PROFIBUS-DP 等通信模式。各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、控制設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信。 3.1.3 UPLC的特點(diǎn) (1) 穩(wěn)定、可靠、抗干擾的 PLC 控

27、制器是一種功能強(qiáng)大、功能豐富的高度集成的器件。它將工業(yè)生產(chǎn)所需的控制模式集中到 PLC 控制器中, 其信號(hào)輸入和 PLC 內(nèi)部電路采用隔離方式, 避免信號(hào)之間的干擾, 從而可以在極端環(huán)境下工作。(2) PLC 的編程方法是面向過程的, 特別是梯形圖編程, 易于學(xué)習(xí)和掌握。PLC 開發(fā)的程序易于修改和維護(hù), 必要時(shí)可以進(jìn)行加密。(3) 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和集中化, 節(jié)省材料和資源, PLC 對(duì)所有必要的設(shè)備和設(shè)備進(jìn)行模塊化, 不僅易于管理, 而且更容易根據(jù)需要選擇匹配和組合塊工業(yè)生產(chǎn)。(4) 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更新和升級(jí), PLC 控制器變得專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化。無論什么樣的工業(yè)環(huán)境和控制設(shè)

28、備, 他們都能找到合適的 PLC 產(chǎn)品。由于 PLC 將許多工業(yè)控制裝置的效果集中在控制器中, 因此沒有必要頻繁地進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作。維護(hù)和大修。而 PLC 整個(gè)程序的開發(fā)也很耗時(shí)。(5) 豐富的 ito 接口 PLC 控制器不僅具有中央處理單元, 而且還具有多種接口模塊, 如數(shù)字輸入和輸出接口、模擬輸入和輸出接口、計(jì)數(shù)器接口、通信接口、電源接口和人機(jī)界面。因此, PLC 控制器可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展或聯(lián)網(wǎng)。(6) 占地面積小、能耗低的 PLC 控制器屬于高度集成的裝置, 占用空間不大。此外, 一般工作電壓為 DC24V, 采用內(nèi)部晶體管集成電路, 能耗很低。 3.1.4西門子PLC介紹 西門

29、子 PLC 在中國(guó)的工業(yè)應(yīng)用中有著悠久的歷史, 最初集中在礦山。紡織、材料印刷這些輕工業(yè)。目前已進(jìn)入金屬冶煉、汽車制造、船舶生產(chǎn)等各種重工業(yè)領(lǐng)域。西門子 (西門子) 公司目前擁有 S7-200、S7-200、S7-200。S7-1200 等 PLC。這四種類型的產(chǎn)品屬于不同規(guī)模的 PLC 系列。本文采用了 S7-300 系列 PLC。由于占用空間小, 可以進(jìn)行多樣化的數(shù)據(jù)處理, 操作速度快, 通信能力強(qiáng), 控制穩(wěn)定可靠。 3.1.5西門子PLCS7-300硬件介紹 西門子 plc S7-300 屬于模塊化硬件結(jié)構(gòu), 擁有完整的模塊, 包括導(dǎo)軌、電源、微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換、高速

30、計(jì)數(shù)、通信和 iop 接口模塊。圖3.1 是西門子 PLC300 系列的硬件結(jié)構(gòu)。 圖3.1西門子PLC300的硬件結(jié)構(gòu)圖 (1) CPU 模塊具有不同的功能, 因?yàn)樗梢约刹煌愋偷慕涌? 如數(shù)字輸入和輸出通道、MPI 通信接口等。CPU 模塊上顯示了各種信號(hào)指示器、工作開關(guān)、電源終端等。(2) 電源模塊 PLC 的電源模塊不同于普通控制器。它的電源模塊是獨(dú)立的, 因?yàn)樗枰^高的電源電壓, 并且必須確保穩(wěn)定的輸出。電源模塊內(nèi)的電壓穩(wěn)定和濾波電路高度集成, 可將 AC 220V 轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、清潔的 DC 24V, 并將其發(fā)送到 PLC 的電源部分。(3) 信號(hào)模塊 PLC 控制器的

31、信號(hào)模塊是指數(shù)字輸入和輸出模塊, 以及模擬輸入和輸出模塊。對(duì)于數(shù)字輸入模塊, 主要與門和按鈕連接, 接收和發(fā)送開關(guān)信號(hào)。目前, 常用的數(shù)字輸入模塊是 SM321。輸出模塊主要與關(guān)機(jī)動(dòng)作裝置連接, 如繼電器。數(shù)字輸出模塊由 SM322 表示。模擬輸入模塊主要與監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的傳感器連接, 主要代表 SM331。模擬輸出模塊與控制執(zhí)行器連接, 以控制設(shè)備的工作狀態(tài)。(4) 功能模塊 PLC 控制器功能模塊不同于其他模塊, 它主要完成特殊場(chǎng)合, 如監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)速、控制步進(jìn)電機(jī)位移、旋轉(zhuǎn)角、產(chǎn)品計(jì)數(shù)等。(5) 通信處理器 (CP) PLC 控制器的 CP 主要用于多 PLC 控制器之間、PLC 控制器與主

32、機(jī)之間、PLC 控制器與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。它有兩種通信模式, MPI 和 PROFIBUS。它可以在多個(gè)點(diǎn)之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和網(wǎng)絡(luò)通信。(6) 接口模塊 (IM) PLC 控制器的 IM 功能是實(shí)現(xiàn)主控制架與 PLC 擴(kuò)展機(jī)架之間的連接。擴(kuò)展系統(tǒng)模塊時(shí), 最多可以連接32個(gè)。(7) 框架架 (導(dǎo)軌) 是由非引誘鋼制成的, 用于物理固定。 3.1.6 S7-300系列PLC的主要優(yōu)點(diǎn) 西門子 S7-300 系列 PLC 功能強(qiáng)大, 可完成各種控制任務(wù), 數(shù)據(jù)處理快, 每次指令操作時(shí)間在0.6 毫秒至0.9 毫秒之間, 控制速度快, 實(shí)時(shí)性強(qiáng)。在編程中, 很容易開發(fā)。1) 簡(jiǎn)化復(fù)雜操

33、作。通用控制器通過高級(jí)語言編程執(zhí)行復(fù)雜的操作, 而在 PLC 控制器中, 它們可以直接使用各種操作模塊來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的操作。2) 人機(jī)界面 (HMI) 集成。由于需要在人機(jī)界面中完成的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務(wù)、對(duì)象操作、頁面切換等, 已經(jīng)集成到 S7-300 PLC 系統(tǒng)中。此外, 在人機(jī)界面上, PLC 內(nèi)部的各種參數(shù)都可以直接設(shè)置和實(shí)時(shí)修改。3) 智能診斷功能。西門子 PLC 控制器具有自診斷功能。它可以監(jiān)控和分析控制系統(tǒng)中的各種故障, 并在沒有人工判斷和分析的情況下進(jìn)行記錄。4) 改進(jìn)密碼保護(hù)。普通用戶開發(fā)的程序需要保密, 以防止盜竊和修改。西門子 PLC 可以使用密碼設(shè)置來保護(hù)用戶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)

34、。5) 安全的操作模式。西門子 PLC 面板上有許多工作模式。PLC 的工作模式可以由 JT 設(shè)置。關(guān)閉。一旦確定了模式, PLC 就會(huì)穩(wěn)定工作。 3.2控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì) 根據(jù)煤礦生產(chǎn)的實(shí)際情況和要求, 選擇西門子 plc S7-300 作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分, 主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、通信和輸出控制信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù)主要設(shè)置在觸摸屏上, 而煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)控和向 PLC 傳輸數(shù)據(jù)。PLC 控制系統(tǒng)的整個(gè)框圖如圖3.2 所示。 圖3.2控制系統(tǒng)的組成框圖 從整個(gè)控制系統(tǒng)的框圖可以看出, 該系統(tǒng)由西門子 PLC300、速度測(cè)量傳感器、電流測(cè)量傳感器、溫度

35、變送器、壓力變送器、安全格柵、觸摸屏等組成。該系統(tǒng)是專門為煤礦地下生產(chǎn)設(shè)計(jì)的, 所有設(shè)備都是防爆的。此外, 圖中各部分的功能如下: (1) PLC300 控制系統(tǒng)的核心部分主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)輸送機(jī)的速度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載電流、減速機(jī)的油壓和油溫, 并進(jìn)行分析。整個(gè)控制對(duì)象的工作狀態(tài): 人機(jī)交互, 控制輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng), 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率平衡和減速機(jī)內(nèi)的油溫和油壓?？刂?控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作時(shí)間。(2) 觸摸屏用于顯示減速機(jī)的油壓和溫度、輸送機(jī)的速度和負(fù)載電流以及故障報(bào)警, 以顯示故障的位置。(3) aad 轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)將4？20mA 的電流信號(hào)從壓力變送器和溫度變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行監(jiān)控, 然后再

36、轉(zhuǎn)換為 PLC 控制器。(4) 速度傳感器負(fù)責(zé)將每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列有序的脈沖信號(hào), 這些脈沖信號(hào)傳輸?shù)礁咚儆?jì)數(shù)模塊, 然后傳送到 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。(5) 電流傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載電流, 并通過發(fā)射機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)?PLC 處理器。(6) 壓力變送器監(jiān)測(cè)液壓秤油箱的壓力, 通過壓力變送器將油壓轉(zhuǎn)化為電流信號(hào), 然后通過安全格柵將其傳遞給控制器。(7) 由于煤礦地下環(huán)境惡劣, 隔離安全爐排含有大量氣體。使用隔離安全爐排可以防止線路分解成危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的高電流, 并在安全值范圍內(nèi)進(jìn)行控制, 防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生。(8) 溫度變送器用于測(cè)量油溫。它將工作油的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)

37、換為4？20mA 的電流信號(hào), 然后將其傳輸?shù)?aad 轉(zhuǎn)換模塊。 3.3 S7-300基本模塊的選型及外圍接口電路的設(shè)計(jì) 在本文設(shè)計(jì)的功率平衡控制系統(tǒng)中, 西門子 PLC 的主要功能是: 1) 監(jiān)控各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載電流、壓力和油溫;2) 調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度和步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作時(shí)間;3) 進(jìn)行人機(jī)對(duì)話, 控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率, 以及故障報(bào)警和緊急停止。測(cè)量三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度信號(hào)需要三個(gè)輸入;1那么, 如果要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)控和功能控制, 就需要6個(gè)輸出。此外, 根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn), 實(shí)際設(shè)計(jì)的輸入和輸出點(diǎn)將比設(shè)計(jì)點(diǎn)多15% 至20%。需要設(shè)計(jì)15個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。輸出 PLC

38、控制器的方法有很多種, 但在過去的工程應(yīng)用中, 繼電器輸出主要是使用的, 但它移動(dòng)緩慢, 適應(yīng)大的驅(qū)動(dòng)能力, 需要較少的動(dòng)作。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中, 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較高, 漏電電流要求小于 lOuA。總之, 本文選擇西門子 CPU315-2DP 作為核心控制器, 其存儲(chǔ)容量可達(dá)到128KB。除了二進(jìn)制算法外, 還可以進(jìn)行浮點(diǎn)算法, 使數(shù)據(jù)處理精度高。它的 PROFIBUS 接口允許它連接到其他 Plc, 建立主站和從站, 并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本文首先對(duì)功率平衡控制系統(tǒng)的整個(gè)硬件的選擇和硬件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的描述, 但控制器需要使用一定的用戶程序來實(shí)現(xiàn)特定的功能和完

39、整的功能。各種生產(chǎn)任務(wù)。此外, 所設(shè)計(jì)程序的質(zhì)量 (包括控制算法和控制精度) 將直接影響控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo), 甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此, 除了硬件, 程序的設(shè)計(jì)是所有鏈接的重要組成部分。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由西門子 PLC300 專用軟件 STEP7 設(shè)計(jì)。 4.1軟件設(shè)計(jì)原則 4.1.1軟件設(shè)計(jì)要求 (1) 各種控制算法, 包括能夠滿足系統(tǒng)需要的模糊算法, 操作的數(shù)值應(yīng)達(dá)到一定的精度。(2) 當(dāng)程序運(yùn)行時(shí), 有必要確保程序不會(huì)崩潰, 并且可以實(shí)時(shí)采樣各種信號(hào);在編程過程中, 要保證系統(tǒng)的完全自動(dòng)化, 正常運(yùn)行, 避免人工干擾;使人機(jī)交互界面更加協(xié)調(diào)、美觀;實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)的參數(shù)和各

40、設(shè)備的工作狀態(tài), 并根據(jù)需要修改參數(shù)。(3) 程序應(yīng)模塊化, 使整個(gè)控制項(xiàng)目可以分為幾個(gè)獨(dú)立的指令塊, 在需要時(shí)可以相互調(diào)用。這不僅實(shí)現(xiàn)了清晰的層次結(jié)構(gòu), 而且使 PLC 的編程更加靈活、易于維護(hù)、修改和調(diào)試。 4.1.2程序設(shè)計(jì)思路 根據(jù)系統(tǒng)控制要求, 選擇模塊化編程, 整個(gè)程序是分層結(jié)構(gòu), 從而將整個(gè)程序框架劃分為七層。如圖4.1 所示。 圖4.1程序結(jié)構(gòu)圖 (1) PLC 與監(jiān)控管理系統(tǒng)之間的通信層: 通信模塊之間的數(shù)據(jù)信息傳輸。主要在 PLC 控制器程序執(zhí)行過程中, 從操作面板傳輸?shù)拿钚畔ⅰ⑾到y(tǒng)狀態(tài)和其他數(shù)據(jù)信息中對(duì)生成的控制指令進(jìn)行分類, 然后傳輸?shù)奖O(jiān)控和監(jiān)控中。理系統(tǒng)

41、。同時(shí), 對(duì)監(jiān)控管理系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和服務(wù)信息進(jìn)行處理, 完成后分別傳輸?shù)娇刂茮Q策層和 HMI 層。(2) ito 接口層: PLC 加工工程中的 ito 信息集成。PLC 控制器的各種外部連接設(shè)備的工作狀態(tài)、故障情況、參數(shù)設(shè)置和信號(hào)設(shè)置等信息和數(shù)據(jù)種類繁多。(3) HM1 層: 主要負(fù)責(zé)油溫、油壓和輸送速度在線設(shè)置、控制命令傳輸、狀態(tài)顯示等。其傳輸信息以 "信息顯示" 狀態(tài)傳輸?shù)?ito 接口層。為了干預(yù)生產(chǎn)控制過程, 應(yīng)通過工作人員選拔或過程控制指示, 將決策層轉(zhuǎn)移到?jīng)Q策層。以參數(shù)設(shè)置或調(diào)整的形式, 將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)操作層進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。(4) 數(shù)據(jù)操作層: 模型操作、模塊操作、地址操作和數(shù)據(jù)信

42、息集成。包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軟啟動(dòng)、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡算法的計(jì)算等。該層的輸出信息功能是與控制決策層交換信息, 從 ito 接口進(jìn)行過程控制信息, 并將處理結(jié)果傳輸?shù)皆O(shè)備之間的聯(lián)鎖層。(5) 控制決策層: 控制過程模塊根據(jù)系統(tǒng)控制的要求和各種傳輸數(shù)據(jù)的集成。整個(gè)控制過程由多個(gè)控制模塊組成, 包括系統(tǒng)初始化、AD 采樣、DA 輸出控制、軟啟動(dòng)、軟停止和功率平衡控制。該層的主要任務(wù)是: 將自動(dòng)指令傳輸?shù)揭量?(to) 層;將流量控制指令傳輸?shù)讲僮鲗? 以便調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行操作。 4.2 S7-300系列PLC程序編程 西門子300系列 PLC 編程是通過 STEP 7 開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)的。該軟件也

43、是由德國(guó)西門子開發(fā)的 S7-300 系列 PLC 基于 WINDOWS 操作系統(tǒng)編程軟件。它具有硬件配置和參數(shù)調(diào)整、模塊配置、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、編程開發(fā)、設(shè)備調(diào)試與診斷、系統(tǒng)啟動(dòng)與維護(hù)、數(shù)據(jù)歸檔等功能。標(biāo)準(zhǔn) STEP7 開發(fā)環(huán)境嵌入了各種編程語言中, 其中最常用的是梯形圖和功能框圖。它們可以在 STEP7 中相互轉(zhuǎn)換。此外, S7-300 系列 PLC 程序由以下三部分組成: (1) 用戶程序是核心部分, 是整個(gè)控制任務(wù)的核心。在用戶程序結(jié)構(gòu)中, 它也被稱為組織塊 (0B), 它是操作系統(tǒng)和用戶之間的接口。0B 塊是系統(tǒng)操作程序和用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口, 用于控制程序的操作。其中, 0B1 是

44、主程序循環(huán)塊, 在任何情況下都必須存在。當(dāng) CPU 啟動(dòng)、周期或時(shí)鐘執(zhí)行或失敗, 并發(fā)生硬件中斷時(shí), 可以編寫相應(yīng)的組織塊進(jìn)行處理。而每個(gè)組織塊都有優(yōu)先級(jí), 因此組織塊是根據(jù)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行的。并非所有 Cpu 都能處理 STEP7 中的所有組織塊。300系列 (0B) 的主要組織塊是: 循環(huán)執(zhí)行組織塊 0B1, 啟動(dòng)組織塊, 日期和時(shí)間中斷組織塊, 循環(huán)中斷組織塊, 延遲中斷組織塊,硬件中斷組織塊、異步錯(cuò)誤中斷、同步錯(cuò)誤組織塊等 (2) 數(shù)據(jù)塊背景數(shù)據(jù)與特定的 FB 或 SFB 相關(guān)聯(lián), 其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全一致相應(yīng)的 FB 或 SFB 變量聲明表。后臺(tái)數(shù)據(jù)塊為功能塊的數(shù)據(jù)傳輸提供了

45、內(nèi)存空間。當(dāng)數(shù)據(jù)塊關(guān)閉時(shí), 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)被清除 (與函數(shù)或函數(shù)塊中的本地臨時(shí)數(shù)據(jù)不同, 當(dāng)數(shù)據(jù)塊關(guān)閉時(shí), 將清除函數(shù)或函數(shù)塊中的本地臨時(shí)數(shù)據(jù))。(3) 300 系列 PLC 中的功能塊主要包括系統(tǒng)功能塊 (SFC)、系統(tǒng)功能塊 (SFB)、功能塊 (FC)、功能塊 (FB), 其中 SFC 和 SFB 是預(yù)編程程序塊, 供用戶調(diào)用。它們已在 S7PLC 的 CPU 中凝固, 并確定了它們的功能和參數(shù)。函數(shù) (FC) 和函數(shù)塊 (FB) 實(shí)際上是用戶子例程, 它們分為函數(shù)塊 FB 和沒有 "內(nèi)存" 的函數(shù) FC。FC 和 FB 是由用戶自己編寫的程序塊。用戶可以在 FC 或 FB 中使用相同或

46、類似的控制過程編寫程序, 然后在主程序循環(huán)塊0B1 或其他程序塊 (包括組織塊和功能塊) 中調(diào)用 FC 和 FB?？梢钥闯? FC 或 FB 等效于用戶編寫的子例程或函數(shù)。FC 和 FB 都可以定義自己的參數(shù)。 4.3控制系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì) 近年來, 大型帶式輸送機(jī)的輸送距離和輸送量越來越大, 因此整個(gè)帶式輸送機(jī)開始采用多機(jī)驅(qū)動(dòng), 即在輸送帶的頭部、尾部和中部安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī),避免降低輸送帶的張力, 提高輸送機(jī)的工作效率。在本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中, 采用了三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 即在輸送帶的頭部、中部和尾部安裝一個(gè)電機(jī)。這種多機(jī)驅(qū)動(dòng)可以很好地提供生產(chǎn)效率, 但驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率在電容器內(nèi)不平衡,

47、導(dǎo)致皮帶拉, 甚至直接燃燒電機(jī)。本文設(shè)計(jì)的 PLC 控制程序可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)之間的自動(dòng)控制, 保證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率平衡, 保證了輸送機(jī)的軟啟動(dòng)。此外, 本文設(shè)計(jì)的 PLC 控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu), 每個(gè)模塊相互獨(dú)立, 需要時(shí)可以相互調(diào)用, 且程序易于修改, 可隨意擴(kuò)展。 本文提出的多機(jī)驅(qū)動(dòng)的一般程序可分為主程序、輸送機(jī)啟動(dòng)停止子程序和功率平衡控制子程序?？刂葡到y(tǒng) 1 + 4 通電時(shí), 首先進(jìn)入系統(tǒng)的初始化程序, 開始檢測(cè)帶式輸送機(jī)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備, 然后根據(jù)要求設(shè)置控制設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)初始化完成后, 每個(gè)子程序?qū)凑疹A(yù)設(shè)的 JT 啟動(dòng)順序執(zhí)行, 以便整個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備逐漸進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。其

48、中, 控制器 PLC 中的各種控制信號(hào)如下: (1) 信號(hào): (1) 從外圍連接設(shè)備傳輸?shù)娇刂破黩?qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)控制信號(hào)和停止控制信號(hào);傳送帶速度信號(hào) (4-20mA);驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率信號(hào) (4-20mA);緊急停止信號(hào);允許的操作信號(hào)和禁止的操作信號(hào);(2) 從控制器傳輸?shù)酵獠窟B接設(shè)備的信號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的電機(jī)緊急跳轉(zhuǎn)信號(hào); (2) 控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)控: (1) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率信號(hào)控制系統(tǒng)初始化后, 電流傳感器開始連續(xù)監(jiān)測(cè)三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流信號(hào), 并控制輸出功率電機(jī)根據(jù)三個(gè)電流信號(hào)。在監(jiān)控過程中, 如果電流信號(hào)值超過 4-20 ma, 則控制器開始發(fā)出電機(jī)功率報(bào)警信號(hào)。此時(shí), 有必要監(jiān)控電

49、流傳感器是否工作正常, 電機(jī)是否超載。(2) 減速機(jī)輸出軸的速度信號(hào)控制系統(tǒng)初始化后, 速度傳感器始終監(jiān)控減速機(jī)輸出軸的速度。當(dāng)控制器監(jiān)視減速機(jī)輸出軸的速度時(shí), 它將指示控制器立即停止。(3) 輸送帶速度信號(hào)控制系統(tǒng)初始化后, 對(duì)輸送帶的速度信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。一旦超過正常范圍, PLC 控制器將立即發(fā)出報(bào)警命令, 以檢查輸送帶的現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)。溫度傳感器一直在監(jiān)測(cè)減速機(jī)儲(chǔ)罐中的油溫信號(hào), 從啟動(dòng)、運(yùn)行到制動(dòng), 但如果溫度超過設(shè)定范圍, PLC 控制器將發(fā)送報(bào)警信號(hào)。_ 系統(tǒng)初始化后, 壓力傳感器對(duì)減速機(jī)中的油壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 以確保三種減速機(jī)中的正常油壓。 (3) 在輸送機(jī)的工作過程中, 輸

50、送機(jī)在以下狀態(tài)下工作, 從安全啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行到安全制動(dòng)。(1) 在此狀態(tài)下停止, 各種傳感器分別監(jiān)控相應(yīng)的設(shè)備。當(dāng) PLC 控制器接收到減速機(jī)的油壓和油溫信號(hào), 且系統(tǒng)沒有故障信號(hào)時(shí), PLC 控制器會(huì)將減速機(jī)內(nèi)部的油位稱為零, 并將啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送到三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī), 使其在無-加載狀態(tài)。之后, 油灌裝能力增加到液壓稱重離合器, 使輸送機(jī)開始軟啟動(dòng)根據(jù)預(yù)定的加速度曲線。(3) 預(yù)壓膠帶啟動(dòng)時(shí)容易反轉(zhuǎn), 因此在松動(dòng)前, 應(yīng)在離合器上預(yù)置一定的壓力。(4) 當(dāng)速度傳感器以最低速度監(jiān)測(cè)傳送帶的啟動(dòng)時(shí), 啟動(dòng)緩沖過程, 并讓傳送帶以低速運(yùn)行一段時(shí)間。加速當(dāng)傳送帶運(yùn)行一段時(shí)間時(shí), 其速度將繼續(xù)沿設(shè)計(jì)的加速度曲

51、線上升, 直到指定的值。全速當(dāng)傳送帶達(dá)到全速時(shí), 它將以這個(gè)速度運(yùn)行, 直到停止。_ 減速 PLC 控制器接收到減速信號(hào)時(shí), 將根據(jù)設(shè)定的減速曲線控制輸送機(jī)的下降, 直至完全停止。同時(shí), 在空載條件下, 將控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接剎車。 第五章 總結(jié) 本文對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率平衡進(jìn)行了深入的研究和綜合分析。通過工程背景和技術(shù)分析的研究, 選擇西門子 PLC300 作為主控制器, 選擇步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu), 選擇液壓耦合器作為驅(qū)動(dòng)裝置, 并采用各種轉(zhuǎn)換模塊和保護(hù)設(shè)備在硬件系統(tǒng)中選擇。在程序設(shè)計(jì)中, 設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的主程序模塊、軟啟動(dòng)程序模塊、軟停止程序模塊和驅(qū)動(dòng)功率平衡程序模塊。本文所采用的方法在

52、智能控制領(lǐng)域是很淺的。事實(shí)上, 還有許多更先進(jìn)的控制算法, 如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、遺傳算法等。因此, 在今后的研究中, 可以采用更先進(jìn)的算法來研究多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)效應(yīng)。 致 謝 時(shí)光飛逝，終于到了論文定稿的這一刻。雖然文章顯得有些粗糙，但畢竟凝聚了自己的心血，在此謹(jǐn)向曾經(jīng)關(guān)心、幫助、支持和鼓勵(lì)我的老師、同事、同學(xué)、親人和朋友們致以最誠摯的謝意和最衷心的祝福衷心感謝我的導(dǎo)師謝鐵兔。老師對(duì)我兩年來的學(xué)習(xí)、生活給予了悉心的關(guān)懷，在本論文的開題、寫作、修改、定稿方面更是給予了悉心指導(dǎo)和匠心點(diǎn)撥，論文凝結(jié)著導(dǎo)師的汗水和心血。在這兩年多的學(xué)習(xí)和生活過程中，我要向老師們表示衷心的感謝是他們

53、給了我熱情的關(guān)懷、支持和幫助，使我得以順利完成學(xué)業(yè)。同時(shí)，衷心感謝我的父母、家人以及和我一起學(xué)習(xí)的各位同學(xué)，是他們?cè)谖覍W(xué)習(xí)和論文寫作過程中，給予我了莫大的支持和鼓勵(lì)。 最后，再一次感謝所有關(guān)心和支持我的人們，我一定會(huì)用所學(xué)知識(shí)更好地做好本職工作來報(bào)答你們。 參考文獻(xiàn) [1] 胡玉玲、張立權(quán)、劉艷軍、陳一民.模糊控制器設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用[M].l版.北京.?機(jī)械工業(yè)出販社,2010.1 [2] 張巖峰.西門子PLC在電氣控制中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技,2013(5):99-101 [3] 李士勇、李巍.智能控制[M].l版.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社,2011.5 [4] 羅兵、甘俊英、

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