三菱FX系列PLC設(shè)計與開發(fā)原理及實踐應(yīng)用研究

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，是實現(xiàn)控制過程自動化運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將以三菱FX系列產(chǎn)品為研究對象，探討水箱系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計方案，深入分析其系統(tǒng)開發(fā)原理，并對系統(tǒng)的實踐應(yīng)用進(jìn)行研究，以期為相關(guān)設(shè)計活動提供參考，優(yōu)化產(chǎn)品功能性能。

關(guān)鍵詞：三菱FX系列 ?PLC設(shè)計 ?開發(fā)原理 ?實踐應(yīng)用

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

在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，需要根據(jù)不同工況，明確控制參數(shù)，并確?？刂凭确弦蟆Ｈ釬X系列PLC控制器具有較好的可擴展性，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，是工業(yè)領(lǐng)域常用的PLC控制器產(chǎn)品。對其系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)原理和實踐應(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)計水平。

1 ?三菱FX系列PLC控制設(shè)計方案

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，對工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要參數(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，在人機操作界面下實現(xiàn)對各項參數(shù)的實施控制。由系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行PID處理，在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，確保整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本次系統(tǒng)設(shè)計采用三菱FX系列核心控制器，利用三菱FX2N實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊具有四個輸入通道和四個輸出通道，CPU能夠處理二進(jìn)制模擬量值，然后通過轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號[1]。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計的PLC控制對象為水箱系統(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，然后通過軟件編程方式，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行參數(shù)的自動化控制。在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要采用GX Works軟件完成FX程序編程，并采用GT Designer3完成人機操作界面編輯。系統(tǒng)中的監(jiān)控功能模塊可以對壓力和液位等數(shù)據(jù)變化量進(jìn)行采集，并分析其變化趨勢。此外還具有PID參數(shù)調(diào)節(jié)和報警記錄等功能。在水箱PLC自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用下，數(shù)據(jù)采集與自動控制功能能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值，調(diào)節(jié)水箱系統(tǒng)運行狀態(tài)，比如在液位過低時自動停止加熱，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

PID控制器主要根據(jù)設(shè)定參數(shù)和實際運行參數(shù)的差值，通過進(jìn)行積分和微分計算，利用不同組合的控制器，實現(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A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量的測定值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，從而利用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。在運行過程中，PID指令設(shè)定值和控制參數(shù)群需要在指令執(zhí)行前輸入到存儲器中，該過程由指令初始化程序完成。完成PID運算后，將結(jié)果存儲到MV寄存器中。若要進(jìn)行模擬量輸出，則經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)綀?zhí)行器中。在PID調(diào)節(jié)過程中，I和D的初始設(shè)定值為0，對P值進(jìn)行改變，如果P值較小，控制參數(shù)達(dá)到設(shè)定值需要較長時間，如果P值過大，則會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。通過合理設(shè)計參數(shù)值，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行狀態(tài)[2]。

2 ?三菱FX系列PLC控制系統(tǒng)開發(fā)原理

2.1 系統(tǒng)運行原理

從水箱控制系統(tǒng)的運行特點來看，在供水過程中需要采用兩臺水泵工作，單泵能夠承擔(dān)設(shè)計流量需求，雙泵同時運行滿足用水高峰期的流量需求。主要依靠PLC控制系統(tǒng)控制兩臺水泵的分工配合。具體包括手動運行、自動運行、自動備用、停止運行四種工作狀態(tài)，由四位萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)控制其狀態(tài)切換。在手動運行狀態(tài)下，由人工現(xiàn)場控制水泵啟停，主要應(yīng)用于水泵安裝和運行檢修過程中。在水位信號采集方面，設(shè)置有公共水位、高、低水位和過低水位幾種控制信號，水泵在自動運行狀態(tài)下，水位應(yīng)保持在高、低水位之間，處于低水位時自動抽水，達(dá)到高水位后關(guān)閉。當(dāng)水泵處于自動備用狀態(tài)時，工作狀態(tài)則在過低水位到高水位之間，在用水高峰期，如果一臺水泵不能滿足供水需求，則啟動備用水泵運行，備用水泵水位處于過低水位時自動啟動抽水，到達(dá)高水位后停止。停止?fàn)顟B(tài)運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和緊急開關(guān)。主電路中的交流接觸器串接熱繼電器，為電機提供過載保護。此外還需要設(shè)置信號裝置，每個機組設(shè)置一組信號燈，顯示水泵運行狀態(tài)。

2.2 信號控制原理

在上述系統(tǒng)運行模式下，分別在水箱中設(shè)置四個水位電極，對應(yīng)于公共水位、高、低水位和過低水位。其中公共水位電極與PLC控制系統(tǒng)的COM點連接，其他三個水位電極分別與一個PLC控制信號輸入點連接。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，實現(xiàn)控制決策功能。比如實際水位處于高低水位之間時，僅僅依靠水位電極的采集信號無法判斷水泵運行狀態(tài)，如果此時水位下降，水泵應(yīng)處于停機狀態(tài)。因此在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，要解決水位信號識別問題，確保PLC控制決策的準(zhǔn)確性。兩臺水泵的默認(rèn)工作狀態(tài)為一用一備，工作水泵是在低水位時啟動，備用水泵則是在過低水位時啟動，兩者均在達(dá)到高水位后停止運行，需要在準(zhǔn)確識別三種運行狀態(tài)的同時，考慮運行狀態(tài)的保持問題。

3 ?三菱FX系列PCL控制系統(tǒng)實踐應(yīng)用

3.1 主電路設(shè)計

在三菱FX系列PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，實現(xiàn)要實現(xiàn)主電路設(shè)計。根據(jù)上述系統(tǒng)控制方案，在主電路設(shè)計過程中，以兩臺水泵電機作為控制對象，分別為M1和M2。采用低壓斷路器作為系統(tǒng)總電源開關(guān)，同時具有短路保護功能。采用兩個交流接觸器作為自動控制信號執(zhí)行設(shè)備，分別為KM1和KM2，主要對電源通斷進(jìn)行控制。此外，需要設(shè)置兩個熱繼電器，為水泵電機提供過載保護，分別為FR1和FR2。主電路中的三維轉(zhuǎn)換開關(guān)為SA1，通過與信號燈組合，在低壓斷路器前對電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，具有故障排除和缺項檢查功能。

3.2 I/O接線設(shè)計

在該控制系統(tǒng)中，需要使用15個輸入PLC地址，6個輸出PLC地址，共計21個接線點，可采用FX2N-23M型控制器，滿足實際控制需求。在I/O接線設(shè)計方面，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，其中，PLC控制電源設(shè)計為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和水位信號外，還要接入主電路過載保護熱繼電器，從而在保護動作時終端PLC程序運行。

3.3 控制程序設(shè)計

在系統(tǒng)控制運行過程中，首先要設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)對水泵的手動啟動和停止，將手動控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚L信號，存儲在內(nèi)部輔助繼電器中，然后串接高水位輸入點的動斷觸點，實現(xiàn)手動啟動。當(dāng)豎向水位達(dá)到高水位后，即使操作人員未及時停止，PLC控制系統(tǒng)也會自動停止水泵運行，避免出現(xiàn)滿溢事故。其次，通過設(shè)計手動控制信號的轉(zhuǎn)換程序，支持工作水泵與備用水泵之間的控制信號轉(zhuǎn)換。在水泵自動運行和自動備用運行時，可由萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)控制其信號中斷，從而控制水泵運行狀態(tài)。

4 ?結(jié)語

綜上所述，三菱FX系列PLC控制器在實際工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，可以較為容易地實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制功能，支持信號采集和智能控制等操作，同時支持手動控制與自動控制的自由切換。在其應(yīng)用過程中，通過合理設(shè)計控制方案、主電路和控制程序，可以確保控制功能的完整實現(xiàn)。在系統(tǒng)運行過程中，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)運行穩(wěn)定性提供保障。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 程院蓮，周華.基于三菱FX5U系列PLC的工作臺運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2017，46（4）：18-22.