周兆松

摘 ? 要：PLC可編程控制器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，是實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將以三菱FX系列產(chǎn)品為研究對(duì)象，探討水箱系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計(jì)方案，深入分析其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理，并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行研究，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)活動(dòng)提供參考，優(yōu)化產(chǎn)品功能性能。

關(guān)鍵詞：三菱FX系列 ?PLC設(shè)計(jì) ?開(kāi)發(fā)原理 ?實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0075-02

在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)不同工況，明確控制參數(shù)，并確保控制精度符合要求。三菱FX系列PLC控制器具有較好的可擴(kuò)展性，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，是工業(yè)領(lǐng)域常用的PLC控制器產(chǎn)品。對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)原理和實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行分析，可以促進(jìn)PLC控制技術(shù)的應(yīng)用推廣，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。

1 ?三菱FX系列PLC控制設(shè)計(jì)方案

1.1 PLC控制器選擇

PLC控制技術(shù)即采用可編程邏輯控制器，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要參數(shù)進(jìn)行控制，確保其按照一定規(guī)律變化，從而保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。以PLC控制技術(shù)在水箱系統(tǒng)控制方面的應(yīng)用為例，主要控制參數(shù)包括水箱系統(tǒng)壓力、流量、液位等，在人機(jī)操作界面下實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)施控制。由系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行PID處理，在經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三菱FX系列核心控制器，利用三菱FX2N實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊具有四個(gè)輸入通道和四個(gè)輸出通道，CPU能夠處理二進(jìn)制模擬量值，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)[1]。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的PLC控制對(duì)象為水箱系統(tǒng)，主要采用壓力、流量傳感器等，構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)采集回路，然后通過(guò)軟件編程方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)化控制。在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用GX Works軟件完成FX程序編程，并采用GT Designer3完成人機(jī)操作界面編輯。系統(tǒng)中的監(jiān)控功能模塊可以對(duì)壓力和液位等數(shù)據(jù)變化量進(jìn)行采集，并分析其變化趨勢(shì)。此外還具有PID參數(shù)調(diào)節(jié)和報(bào)警記錄等功能。在水箱PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用下，數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制功能能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值，調(diào)節(jié)水箱系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，比如在液位過(guò)低時(shí)自動(dòng)停止加熱，防止因水箱干燒而引發(fā)事故。

1.3 PID指令和參數(shù)設(shè)計(jì)

PID控制器主要根據(jù)設(shè)定參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的差值，通過(guò)進(jìn)行積分和微分計(jì)算，利用不同組合的控制器，實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。PID控制器本身屬于線性負(fù)反饋類型的控制器，其控制指令需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量的測(cè)定值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，從而利用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。在運(yùn)行過(guò)程中，PID指令設(shè)定值和控制參數(shù)群需要在指令執(zhí)行前輸入到存儲(chǔ)器中，該過(guò)程由指令初始化程序完成。完成PID運(yùn)算后，將結(jié)果存儲(chǔ)到MV寄存器中。若要進(jìn)行模擬量輸出，則經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)綀?zhí)行器中。在PID調(diào)節(jié)過(guò)程中，I和D的初始設(shè)定值為0，對(duì)P值進(jìn)行改變，如果P值較小，控制參數(shù)達(dá)到設(shè)定值需要較長(zhǎng)時(shí)間，如果P值過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。通過(guò)合理設(shè)計(jì)參數(shù)值，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[2]。

2 ?三菱FX系列PLC控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行原理

從水箱控制系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)來(lái)看，在供水過(guò)程中需要采用兩臺(tái)水泵工作，單泵能夠承擔(dān)設(shè)計(jì)流量需求，雙泵同時(shí)運(yùn)行滿足用水高峰期的流量需求。主要依靠PLC控制系統(tǒng)控制兩臺(tái)水泵的分工配合。具體包括手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)備用、停止運(yùn)行四種工作狀態(tài)，由四位萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制其狀態(tài)切換。在手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，由人工現(xiàn)場(chǎng)控制水泵啟停，主要應(yīng)用于水泵安裝和運(yùn)行檢修過(guò)程中。在水位信號(hào)采集方面，設(shè)置有公共水位、高、低水位和過(guò)低水位幾種控制信號(hào)，水泵在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，水位應(yīng)保持在高、低水位之間，處于低水位時(shí)自動(dòng)抽水，達(dá)到高水位后關(guān)閉。當(dāng)水泵處于自動(dòng)備用狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)則在過(guò)低水位到高水位之間，在用水高峰期，如果一臺(tái)水泵不能滿足供水需求，則啟動(dòng)備用水泵運(yùn)行，備用水泵水位處于過(guò)低水位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)抽水，到達(dá)高水位后停止。停止?fàn)顟B(tài)運(yùn)行則是在緊急情況下或系統(tǒng)檢修期間使用。主電路中的低壓斷路器可作為短路保護(hù)和緊急開(kāi)關(guān)。主電路中的交流接觸器串接熱繼電器，為電機(jī)提供過(guò)載保護(hù)。此外還需要設(shè)置信號(hào)裝置，每個(gè)機(jī)組設(shè)置一組信號(hào)燈，顯示水泵運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 信號(hào)控制原理

在上述系統(tǒng)運(yùn)行模式下，分別在水箱中設(shè)置四個(gè)水位電極，對(duì)應(yīng)于公共水位、高、低水位和過(guò)低水位。其中公共水位電極與PLC控制系統(tǒng)的COM點(diǎn)連接，其他三個(gè)水位電極分別與一個(gè)PLC控制信號(hào)輸入點(diǎn)連接。完成電極布設(shè)和PLC連接后，需要根據(jù)水位電極回路通斷和水位變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)控制決策功能。比如實(shí)際水位處于高低水位之間時(shí)，僅僅依靠水位電極的采集信號(hào)無(wú)法判斷水泵運(yùn)行狀態(tài)，如果此時(shí)水位下降，水泵應(yīng)處于停機(jī)狀態(tài)。因此在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要解決水位信號(hào)識(shí)別問(wèn)題，確保PLC控制決策的準(zhǔn)確性。兩臺(tái)水泵的默認(rèn)工作狀態(tài)為一用一備，工作水泵是在低水位時(shí)啟動(dòng)，備用水泵則是在過(guò)低水位時(shí)啟動(dòng)，兩者均在達(dá)到高水位后停止運(yùn)行，需要在準(zhǔn)確識(shí)別三種運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，考慮運(yùn)行狀態(tài)的保持問(wèn)題。

3 ?三菱FX系列PCL控制系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用

3.1 主電路設(shè)計(jì)

在三菱FX系列PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)主電路設(shè)計(jì)。根據(jù)上述系統(tǒng)控制方案，在主電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，以兩臺(tái)水泵電機(jī)作為控制對(duì)象，分別為M1和M2。采用低壓斷路器作為系統(tǒng)總電源開(kāi)關(guān)，同時(shí)具有短路保護(hù)功能。采用兩個(gè)交流接觸器作為自動(dòng)控制信號(hào)執(zhí)行設(shè)備，分別為KM1和KM2，主要對(duì)電源通斷進(jìn)行控制。此外，需要設(shè)置兩個(gè)熱繼電器，為水泵電機(jī)提供過(guò)載保護(hù)，分別為FR1和FR2。主電路中的三維轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為SA1，通過(guò)與信號(hào)燈組合，在低壓斷路器前對(duì)電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，具有故障排除和缺項(xiàng)檢查功能。

3.2 I/O接線設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，需要使用15個(gè)輸入PLC地址，6個(gè)輸出PLC地址，共計(jì)21個(gè)接線點(diǎn)，可采用FX2N-23M型控制器，滿足實(shí)際控制需求。在I/O接線設(shè)計(jì)方面，主要根據(jù)控制方案和地址分配需求進(jìn)行I/O接線設(shè)計(jì)，其中，PLC控制電源設(shè)計(jì)為AC220V，由單極低壓斷路器引入。在系統(tǒng)輸入端，除了要接入控制信號(hào)和水位信號(hào)外，還要接入主電路過(guò)載保護(hù)熱繼電器，從而在保護(hù)動(dòng)作時(shí)終端PLC程序運(yùn)行。

3.3 控制程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)控制運(yùn)行過(guò)程中，首先要設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)水泵的手動(dòng)啟動(dòng)和停止，將手動(dòng)控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)信號(hào)，存儲(chǔ)在內(nèi)部輔助繼電器中，然后串接高水位輸入點(diǎn)的動(dòng)斷觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)豎向水位達(dá)到高水位后，即使操作人員未及時(shí)停止，PLC控制系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)停止水泵運(yùn)行，避免出現(xiàn)滿溢事故。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)手動(dòng)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換程序，支持工作水泵與備用水泵之間的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換。在水泵自動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)備用運(yùn)行時(shí)，可由萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制其信號(hào)中斷，從而控制水泵運(yùn)行狀態(tài)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三菱FX系列PLC控制器在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，可以較為容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制功能，支持信號(hào)采集和智能控制等操作，同時(shí)支持手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的自由切換。在其應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)控制方案、主電路和控制程序，可以確?？刂乒δ艿耐暾麑?shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可以確保參數(shù)傳遞和參數(shù)控制的準(zhǔn)確性，從而為系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 張潮，郭京波，陳曉陽(yáng).基于三菱FX3U系列PLC的盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2018（12）：17-20，26.

[2] 程院蓮，周華.基于三菱FX5U系列PLC的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2017，46（4）：18-22.