【正文】 卡爾曼提出的。 而當(dāng)代我們所最常使用的工業(yè)自動控制設(shè)備是工業(yè)可編程控制器（一下簡稱 PLC） ，其簡單的編程、維護(hù) 方式、 可靠的性能 和超長的 MTBF(平均故障時間 )使得 其成為了 工業(yè)控制值得信賴的控制設(shè)備 。 由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器（ 可參 見 其他文章關(guān)于 直流電機的換向），因此結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。 充分的滿足了工業(yè)大功率作業(yè)的驅(qū)動需求。 基于上面的 種種原因，我們有必要對 這些 可稱作現(xiàn)代 工業(yè)基石的技術(shù)，對他們的聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行研究。創(chuàng)建一個 利用 PLC 控制變頻調(diào)速電機的基礎(chǔ)應(yīng)用模型，為其在實踐、工作 中的廣泛應(yīng)用提供一個參考。也便 有了此文。 2 基于 FX 系列 PLC 的變頻調(diào)速電機控制 一、 選題背景及研究意義 隨著科技的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動化 控制對于生產(chǎn)者來說已經(jīng)不再是一個展望式的問題，其應(yīng)用滲透進(jìn)了生產(chǎn)周期的每一個環(huán)節(jié)，為盡可能的降低社會生產(chǎn)成本及社會生產(chǎn)效率起到 巨大的作用，工業(yè)自動化 的 全面 改造更成為了不可阻擋的趨勢。 據(jù) 有關(guān)部門統(tǒng)計，交流電動機、泵類負(fù)載已經(jīng)占到了全國工業(yè)動力的 40%，電力拖動，已經(jīng)成為一種清潔工業(yè)能源的主流方向。 關(guān)于 工業(yè) 自 動化 雖然工業(yè)自動化控制起源于上世紀(jì) 70年代末的 單片機的發(fā)明，經(jīng)過 30多年時間，已經(jīng)在各方面得到了長足的發(fā)展，但是由單片機與繼電器等組成的老式控制系統(tǒng)壽命短，系統(tǒng)故障率高， 勢必被一種能把 計算機的簡單功能以及靈活運用 集合在一個具有高可靠性的設(shè)備所替代?？删幊炭刂破鳎ㄒ韵潞喎Q PLC）就是這種取代繼電器 操作盤的控制裝置。在保留了俱電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、 價格低廉等優(yōu)點上面，它還 具備了現(xiàn)代化生產(chǎn)線 所要求的 高可靠 性 、 快反應(yīng) 、高時間控制精度、易與計算機相連、網(wǎng)絡(luò)通訊、控制程序隨生產(chǎn)工藝改變比較容易 等諸多特點。 隨著處理器技術(shù)的不斷提升， PLC 在 能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制的基礎(chǔ)上面，增加了數(shù)值運算，甚至完成各種類型的閉環(huán)控制功能。這時，面向工程技術(shù)人員的變成語言發(fā)展成熟，出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言，是 PLC 的日常工藝改變變得更為容易。如今，在功能上， PLC已經(jīng)完全 可以替代部分模擬控制裝置和小型機的 DDC 系統(tǒng)（直接數(shù)字控制系統(tǒng)）。 并且，在越來越復(fù)雜多變的現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境中，其可靠性好，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強，編程簡單，維護(hù)方便等優(yōu)點，更使 PLC 成為控制領(lǐng)域 備受 矚目的焦點。 關(guān)于電力拖動 及變頻調(diào)速 ： 電力拖動技術(shù)以運動 機械的驅(qū)動裝置 —— 電動機為控制的對象，以現(xiàn)代微電子技術(shù)裝置為核心， 以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下完成電力拖動自動控制系統(tǒng)，控制電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)工作機械的旋轉(zhuǎn)運動和反復(fù)運動的技術(shù)。 電力拖動系統(tǒng)按電動機供電種類區(qū)分，有交流拖動系統(tǒng)和直流拖動系統(tǒng)。 其中，交流 拖動系統(tǒng) 可分為 變頻變壓調(diào)速系統(tǒng) 、 交流雙速電動機 及 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 直流拖動系統(tǒng)又分為：可控硅勵磁系統(tǒng)和可控硅直接供電系統(tǒng)。 3 19世界 80 年代末至 19 世紀(jì)末，工業(yè)上傳動用的電動機一直被直流 電機壟斷，直流 電動機 雖然 有調(diào)速機械特性好、調(diào)速范圍大等優(yōu)點，但直流電動機具有換向器日常維護(hù)量大、耗能高的缺點 ，在資源 日益緊缺和工業(yè)生產(chǎn)量不斷加大的今日，并不是我們研究和發(fā)展的重點 。 到 19 世紀(jì)末，出現(xiàn)了三項電源和堅固耐用且結(jié)構(gòu)相對簡單的交流鼠籠型電機以后，交流電機才在調(diào)速的領(lǐng)域代替了直流電動機。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對生產(chǎn)力 多變的要求成為了必要，速度的可調(diào)節(jié)成為了電動裝置的一項基本要求。 并且，出了滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)可調(diào)以外，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)因體積大故障率高而應(yīng)用受限。 20 世紀(jì) 60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。 隨著電力電子學(xué)、 電子技術(shù) 及 電子元器件 的 高速 發(fā)展， 脈寬調(diào)制變壓變頻 (PWM－ VVVF)調(diào)速的研究得到突破 及 20 世紀(jì) 80 年代末的微處理技術(shù)的完善 、 大功率高反壓場效應(yīng)三極管 IGBT 的問世 ， 使得采用半導(dǎo)體變頻調(diào)速系統(tǒng) 得以真正實現(xiàn)， 變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)更加成熟 ， 促進(jìn)了各類型交流電機調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)速控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展 。 變頻調(diào)速系統(tǒng) 在調(diào)速性能方面可以與直流拖動系統(tǒng) 媲美 ，甚至更為節(jié)能。高精度、高效率、寬范圍等特點，使其成為了 應(yīng)用最廣，最有發(fā)展前 景的調(diào)速方式。從種類來說，交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為很多種，從早期的電壓源性的變頻器開始，相繼發(fā)展出了電流源型，脈寬調(diào)制型等等。目前，變頻調(diào)速的主要方案大致有六類，分別為矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，正弦波脈寬調(diào)制系統(tǒng)（ SPWM），同步電機自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，交 交變頻調(diào)速系統(tǒng)，交 直 交變頻調(diào)速系統(tǒng)及直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)等 。 二、 可編程控制器 （ PLC） 可編程控制器概述 可編程邏輯控制器 （ Programmable Logic Controller， PLC） ,是一種用于自動化實時控制的數(shù)位邏輯控制器，廣泛應(yīng)用于目前 的工業(yè)控制領(lǐng)域。在可編程邏輯控制器出現(xiàn)之前，一般要使用成百上千的繼電器以及計數(shù)器才能組成具有相同功能的自動化系統(tǒng)， 而現(xiàn)在，經(jīng)過編程的簡單的可編程邏輯控制器模塊基本上已經(jīng)代替了這些大型裝置?？删幊踢壿嬁刂破鞯南到y(tǒng)程序一般在出廠前已經(jīng)初始化完畢，用戶可以根據(jù)自己的需要自行編輯相應(yīng)的用戶程序來滿足不同的自動化生產(chǎn)要求。 最初的可編程邏輯控制器只有電路邏輯控制的功能 (IO 控制 )，所以被命名為可編程邏輯控制器，后來隨著不斷的發(fā)展，這些當(dāng)初功能簡單的計算機模塊已經(jīng)有了包 4 括邏輯控制，時序控制、模擬控制、多機通信等許多的功 能，名稱也改為可編程控制器（ Programmable Controller），但是由于它的簡寫也是 PC 與個人電腦（ Personal Computer ）的簡寫相沖突，也由于多年來的使用習(xí)慣，人們還是經(jīng)常使用可編程邏輯控制器這一稱呼，并在術(shù)語中仍沿用 PLC 這一縮寫。 現(xiàn)在工業(yè)上使用可編程邏輯控制器 (PLC)已經(jīng)相當(dāng)接近于 為 一臺輕巧型電腦所構(gòu)成，甚至已經(jīng)出現(xiàn)整合個人電腦 (采用嵌入式操作系統(tǒng) )與 PLC架構(gòu)的 PCBASE控制器，能透過數(shù)位或類比輸入 /輸出 模塊 控制機器設(shè)備、制造處理流程、及其它控制 模塊 的電子系統(tǒng)。 PLC可接收 (輸入 )及發(fā)送 (輸出 )多種型態(tài)的電氣或電子訊號，并使用他們來控制或監(jiān)督幾乎所有種類的機械與電氣系統(tǒng)。 PLC 具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。在工業(yè)控制領(lǐng)域中， PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用已成為工業(yè)界不可或缺的一員。 國際電工委員會 (IEC)在其標(biāo)準(zhǔn)中將 PLC 定義為 : “ 可編程邏輯控制器是一種數(shù)位運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模 擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊踢壿嬁刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！? PLC 各部分組成及 功能 一般講， PLC 分為箱體式和 模塊 式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式 PLC，有一塊 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按 CPU 性能分成若干型號，并按 I/O 點數(shù)又有若干規(guī)格。對 模塊 式 PLC，有 CPU 模塊 、 I/O 模塊 、內(nèi)存、電源 模塊 、底板或機架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其 I/O 能力可按用戶需要進(jìn)行擴展與組合 。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)框 圖 5 電 源中 央 處 理 器 （ C P U )運 算 器控 制 器輸入接口電路輸出接口電路存 儲 器系 統(tǒng) 程 序（ E P R O M ）用 戶 程 序（ R A M )外設(shè)I/O接口I/O擴展接口編 程 器等 外 設(shè)I / O擴 展輸 入 原 件按 鈕 開 關(guān)接 近 開 關(guān)極 限 開 關(guān)等輸 出 原 件指 示 燈電 磁 閥報 警 器等 圖 PLC 基本結(jié)構(gòu)框圖 由上圖可知 ，可編程控制器由內(nèi)部 CPU，指令及資料存儲單元、輸入輸出單元、電源 模塊 、外圍設(shè)備 ...等單元所 模塊 化組合成： 中央處理單元（ CPU） PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺 PLC 至少有一個 CPU，它按 PLC 的系統(tǒng) 程序 賦予的功能接收并存貯用戶 程序 和資料，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或資料，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài) 和編程過程中的語法錯誤等。進(jìn)入運行后，從用戶 程序 存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮 相關(guān) 的控制電路。與通用電腦一樣， CPU 模塊 主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及地址三條 總線構(gòu)成，還有周邊芯片、總線界面及有關(guān)電路。 CPU 的確定， 6 就決定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度和 內(nèi)存容量等。 其中，最終要的兩個部分為 控制器 和 運算器 。 （ 1） 控制器 （ CU） ： 功能為控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令，也就是通常所說的指令集 解碼器 的作用。但工作節(jié)奏由震蕩信 號控制。 （ 2） 運算器 （ ALU） ：它則 是負(fù)責(zé)數(shù)值 或邏輯運算 （老式的 PLC 數(shù)值運算能力較弱） ，在控制器指揮下工作。 此外關(guān)于 暫存器： 其為 CPU 內(nèi)部內(nèi)存可以暫時存放運算的結(jié)果，等待下一次運算。 CPU 雖然劃分為以上幾個部分，但由于電路的高度集成，對 CPU 內(nèi)部的詳細(xì)分析已無必要，我們只要弄清它在 PLC 中的功能與性能，能正確地使用它就 足 夠了。 CPU 模塊 的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一般講， CPU 模塊 總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。 CPU 模塊 上還有許多設(shè)定 開關(guān)，用以對 PLC 作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。 PLC 存儲單元 存儲單元既內(nèi)存，主要用于 內(nèi)部存放撰寫完成編輯的 程序 指令及資料 ，是 PLC不可缺少的組成單元。常見存儲單元的類型可分為三類： （ 1） 隨機存儲器（ RAM）：其讀寫方便，存取速度快，多用來存儲用戶程序。但是內(nèi)部信息斷電小時 （ 2）可擦除 只讀存儲器（ EPROM）：在斷電情況下存儲單元內(nèi)的所