【正文】 C 是基于 Windows 平臺(tái)的控制軟件，具有可視化人機(jī)界面，它將控制、數(shù)據(jù)處理、通信等技術(shù)集于一體，采用了 Ventru Com 司提供的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為 Windows NT 的擴(kuò)展，具有 “ 硬實(shí)時(shí) ” 的特性。 （ 3） CJ International 公司的 ISaGRAF。 ISaGRAF 能夠在多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行，具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，包括數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控和維 護(hù)、在線調(diào)試、應(yīng)用程序下載以及支持運(yùn)行于多個(gè)目標(biāo)機(jī)上的控制程序間的通訊。 除了上述典型產(chǎn)品外，還有許多自動(dòng)化公司也推出了自己的產(chǎn)品，如Wellspring Solutions 公司的 OA2Control；德國(guó) KW公司的 MULTIPROG； GEFANUC公司的 CIMPLICITY； Intellution 公司的 Paradym31； Rockwell automation 公司的 SoftlogixTM5Controller； BECKHOFF 公司的 TWinCAT 等等，它們?cè)诩夹g(shù)和應(yīng)用上都有各自的特點(diǎn)。 國(guó) 內(nèi) 研究現(xiàn)狀 軟 PLC 大約在 1996 年以后才被介紹到國(guó)內(nèi)來。目前國(guó)內(nèi)的一些工控方面的公司及研究機(jī)構(gòu)在這方面也開展了部分基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，但起步較晚，現(xiàn)在還沒有一家公司或機(jī)構(gòu)可以推出比較完整的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)有一些著名的自動(dòng)化軟件公司（如北京亞控自動(dòng)化軟件科技有限公司）正在研究開發(fā)具有自主版權(quán)的中文軟PLC產(chǎn)品，另外也有一些自動(dòng)化工程公司開始代理銷售這些商用化的軟 PLC產(chǎn)品。我國(guó)自行開發(fā)的 DCS 系統(tǒng)，如上海自儀公司的 SUPMAX 800，選用法國(guó) CJ International 公司的符合 IEC611313的 IsaGraf 和美國(guó)的強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks。 呂涌等開發(fā)的面向 DCS 控制組態(tài)軟件中包含一些軟 PLC 功能，它只是 DCS系統(tǒng)的一部分，不能獨(dú)立運(yùn)行。李左章等對(duì)軟 PLC 技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成果，其開發(fā)的數(shù)控內(nèi)嵌式 PLC 具有軟 PLC 的特點(diǎn)，但功能單一，不能作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，且無聯(lián)網(wǎng)通訊能力。 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)項(xiàng)目 第 4 頁(yè) 共 20 頁(yè) 羅華麗等提出了一種基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的嵌入式軟件 PLC 子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，給出了一個(gè)軟件 PLC 的結(jié)構(gòu)模型，并對(duì) PLC 的梯形圖程序編程環(huán)境、梯形圖程序與語(yǔ)言程序的相互轉(zhuǎn)換、 PLC 程序執(zhí)行等軟件部件的設(shè)計(jì)和開發(fā)進(jìn)行 了研究。游華云等研制了一種基于 RTLinux 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件 PLC，既可以作為一個(gè)獨(dú)立模塊和不同的 CNC 系統(tǒng)協(xié)同工作，也可以嵌入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，其實(shí)時(shí)性和可靠性己經(jīng)得到了驗(yàn)證。 黃延延等采用軟件組建的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)軟件劃分為幾個(gè)具有獨(dú)立功能的軟件模塊，模塊之間定義規(guī)范的接口，并基本實(shí)現(xiàn)了各模塊的功能，但整個(gè)系統(tǒng)的性能沒有介紹。 大連理工大學(xué)在數(shù)控系統(tǒng)的軟 PLC 技術(shù)方面進(jìn)行了研究和開發(fā)，由現(xiàn)代制造研究所研制的 DIGIT 03MC等系列數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)置 PLC模塊已經(jīng)在相關(guān)工程項(xiàng)目中得到 了實(shí)際的應(yīng)用。 陳佳等在理解軟 PLC 系統(tǒng)的功能、組成和編程方法基礎(chǔ)上，基于 IEC611313國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的編程規(guī)則，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，設(shè)計(jì)出了一套完整易用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，給出了一種基于工業(yè) PC 的軟 PLC 設(shè)計(jì)方案并在 VC 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。最后，通過實(shí)驗(yàn)室被控對(duì)象驗(yàn)證了方案的可行性。 朱兆斌等人詳述了軟 PLC 中梯形圖編輯界面的實(shí)現(xiàn)以及在梯形圖向指令表轉(zhuǎn)化過程中采用的方法：將梯形圖映射為 AOV 有向圖，通過 AOV的拓?fù)渑判騺韺?shí)現(xiàn)最終的轉(zhuǎn)化。其中使用了十字鏈表作為 AOV 有向圖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。 王新華等配合在 PC 機(jī)上運(yùn)行的 自行研制的軟 PLC編輯開發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了軟 PLC 編譯系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，開發(fā)的軟 PLC編譯系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)軟 PLC梯形圖與指令表程序的相互轉(zhuǎn)換，完成軟 PLC 程序的文法設(shè)計(jì)和語(yǔ)法分析，并對(duì)軟 PLC程序的運(yùn)行指令做出正確解釋，使 PC 機(jī)完成相應(yīng)的控制功能。 白艷艷等基于 SERCOS 的開放式數(shù)控系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，構(gòu)建了軟 PLC 的體系結(jié)構(gòu)，將 PLC 的掃描執(zhí)行轉(zhuǎn)化為編譯執(zhí)行，提高了 PLC 的速度。 此外陜西科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、山東大學(xué)等學(xué)者也在 PLC 軟件技術(shù)上進(jìn)行了一些研究。從總的研究情況來看，目前國(guó)內(nèi)軟 PLC 的技術(shù)與國(guó) 外相比，技術(shù)水平相差很大。 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)項(xiàng)目 第 5 頁(yè) 共 20 頁(yè) 3 電機(jī) 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) PLC 的選擇及工作原理 3． 1． 1 PLC 的選擇 本系統(tǒng)采用歐姆龍公司 CP1H 系列 PLC。 PLC 使幾點(diǎn)一體化設(shè)備中的控制器，機(jī)電一體化理念強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)部分之間的配合與協(xié)調(diào)，其目標(biāo)是整體性能最佳CP1H 系列 PLC 正是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而言之的一款小型一體機(jī)，并可擴(kuò)展 CPM1A系列 I/O 單元和 CJ1 系列高功能 I/O 單元及 CPU 總線單元。 CP1H 系列 PLC 的特點(diǎn)是其內(nèi)置有四軸高速計(jì)數(shù)功能，四路模擬量輸出功能以及串行通信功能。 PLC 專為工業(yè)場(chǎng)合 設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。圖 為一典型 PLC 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖 PLC 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1）中央處理單元 中央處理單元（ CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。 CPU 的主要功能： ① 從存儲(chǔ)器中讀取指令 ② 執(zhí)行指令 ③ 順序取指令 ④ 處理中斷 2）存儲(chǔ)器 只讀存儲(chǔ)器 ROM 隨即存儲(chǔ)器 RAM 3）輸入輸出單元 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)項(xiàng)目 第 6 頁(yè) 共 20 頁(yè) 輸出接口電路 通常 PLC 的輸入類型可以是交流、直流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由 PLC 內(nèi)部提供。圖 PLC 的直流和交流輸入接口電路的電路圖，采用的是外接電源。 圖 描述了一個(gè)輸入點(diǎn)的接口電路。其輸入電路的一次電路與二次電路用光耦合器相連，當(dāng)行程開關(guān)閉合時(shí)，輸入電路和一次電路接通，上面的發(fā)光管用于對(duì)外顯示，同時(shí)光耦合器中的發(fā)光管使三極管導(dǎo)通，信號(hào)進(jìn)入內(nèi)部電路，此輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位由 0 變?yōu)?1， 即輸入映像寄存器的對(duì)應(yīng)位由 0變?yōu)?1。 圖 直流輸入電路圖 圖 交流輸入電路圖 3． 1． 2 PLC 的 工作原理： PLC 采用循環(huán)掃描工作方式，這個(gè)工作過程一般 包括五個(gè)階段：內(nèi)部處理、與編程器等的通信處理、輸入掃描、用戶程序執(zhí)行、輸出處理，其工作過程如圖 所示。圖 中當(dāng) PLC 方式開關(guān)置于 RUN（運(yùn)行）時(shí)，執(zhí)行所有階段；當(dāng)方式開關(guān)置于 STOP（停止）時(shí)，不執(zhí)行后 3 個(gè)階段，此時(shí)可進(jìn)行通信處理，如對(duì)PLC 聯(lián)機(jī)或離線編程。 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)項(xiàng)目 第 7 頁(yè) 共 20 頁(yè) 可編程序控制器的輸入處理、執(zhí)行用戶程序和輸出處理的原理如圖 所示。 PLC 執(zhí)行的五個(gè)階段，稱為一個(gè)掃描周期， PLC 完成一個(gè)周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行。 PLC 作為一種特殊形式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的硬件邏 輯控制系統(tǒng)“繼電器控制”進(jìn)行“硬件軟化”的結(jié)果。但在運(yùn)行方式上， PLC的軟件邏輯也與繼電器控制系統(tǒng)的硬件邏輯存在根本區(qū)別。 繼電器控制系統(tǒng)的硬件邏輯采用的是并行的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)繼電器的線圈通電或者放電，該繼電器的所有觸點(diǎn)都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作；而 PLC的軟件邏輯是通過 CPU 逐行掃描執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，如果一個(gè)邏輯線圈被接通或者斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)并不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 為了消除兩者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的這種差異， PLC 在程序運(yùn)行方式、輸入輸出操作、特殊功能模板等方面做了特別 的考慮。 1） 循環(huán)掃描 PLC 采用了一種不同于普通衛(wèi)星計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式 ——— 循環(huán)掃描方式。因?yàn)槔^電器控制中各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般超過 100ms，因此只要 PLC運(yùn)行整個(gè)用戶程序的時(shí)間“掃描周期”小于 100ms，其運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制就沒有什么差別。 2） 建立 I/O映像區(qū) PLC 在輸入輸出操作上采用定時(shí)采樣、定時(shí)輸出的方式。即在一個(gè)掃描周期的固定時(shí)刻采樣所有的輸入點(diǎn)，采樣結(jié)果存入 RAM 中一個(gè)區(qū)域（輸入映像區(qū)）。這樣在執(zhí)行程序時(shí)，所需的現(xiàn)場(chǎng)訊息全部從輸入映像中取用，不直接從現(xiàn)場(chǎng)取樣。同樣控制訊息輸出也不是采取生成 一個(gè)就輸出一個(gè)的方法，而是將它們存放在RAM 中的一個(gè)區(qū)域（輸出映像區(qū)），掃描周期結(jié)束時(shí)在輸出映像區(qū)中控制訊息集中輸出。通過建立 I/O 映像區(qū)，是 PLC 成為一個(gè)真正的數(shù)字采樣控制系統(tǒng)；雖然PLC 不可能想繼電器控制那樣隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入實(shí)時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)輸出狀態(tài)，但只要采樣周期足夠短，即采樣頻率足夠高，這樣的采樣系統(tǒng)應(yīng)該完全符合實(shí)際系統(tǒng)的需要。 3） 特殊功能模板 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)項(xiàng)目 第 8 頁(yè) 共 20 頁(yè) 由于 PLC 在掃描周期方面限制了用戶程序的長(zhǎng)度，這對(duì)于一般的數(shù)字量控制應(yīng)該不成問題。但實(shí)際的生產(chǎn)過程對(duì) PLC 提出了更多的要求：仿真量處理、死循環(huán)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、高 速 I/O 等。對(duì)于模擬量輸入輸出以及簡(jiǎn)單的控制，一般是利用 PLC 的主 CPU 和一定的硬件支持，通過相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)；其它情況由于牽涉到比較的計(jì)算量和 CPU 運(yùn)算時(shí)間，以及 PLC 掃描周期的限制，一般采用自帶CPU 的專用模板，由模板系統(tǒng)軟件完成相應(yīng)的控制任務(wù)。這樣，這些模板與 PLC主 CPU 并行工作，兩者之間通過總線接口進(jìn)行聯(lián)系，主 CPU 定期向模板發(fā)送命令，模板也定期將自身的狀態(tài)訊息發(fā)送給 CPU。 綜合以上所述，在完成系統(tǒng)自身初始化以后， PLC系統(tǒng)執(zhí)行用戶程序的循環(huán)掃描方式可分為三個(gè)階段：輸入掃描、程序掃描、輸出掃描。 而計(jì)算量比較大或者響應(yīng)實(shí)時(shí)性比較高的應(yīng)用則由自帶 CPU 的專用模板和專用軟件來實(shí)現(xiàn)。 圖 工作原理圖 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)項(xiàng)目 第 9 頁(yè) 共 20 頁(yè) 圖 程序執(zhí)行原理圖 交流異步電機(jī) 3． 2． 1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) （一）定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：指磁場(chǎng)的軸線位置隨時(shí)間而旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。 在三相異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心中放置三組結(jié)構(gòu)完全相同的繞組 U1U V1VW1W2，各相繞組在空間互差 120176。 電角度，向這三相繞組中通入對(duì)稱的三相交流電，則在定子與轉(zhuǎn)子的空氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。以兩極電機(jī)即 2p=2 為例說明，對(duì)稱的三相繞組 U1U V1V W1W2 假定為集中繞組，三相繞組接成星形，并通以三相對(duì)稱電流 iA、 iB、 iC。如動(dòng)畫演示所示。假定電流的瞬時(shí)值為正時(shí)是從各繞組的首端流入，末端流出。電流流入端用 “179?！?表示，電流流出端用“178?！?表示。 wt=0 時(shí)， iA=0； iB為負(fù)值，即 iB由末端 V2 流入，首端 V1 流出； iC為正值，即 iC 由首端 W1 流入，末端 W2 流出。 電流流入端用 “179。” 表示，電流流出端用 “178。” 表示。用右手螺旋定則可確定在 wt=0 瞬間由三相電流所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)方向，如動(dòng)畫演示所示。 可見合成磁場(chǎng)是一對(duì)磁極，磁場(chǎng)方向與縱軸 線方向一致，上方是北極，下方是南極。 wt= π/2 時(shí)， iA為正最大值，即 iA 由首端 U1 流入，末端 U2 流出； iB為負(fù)值，即iB由末端 V2 流入，首端 V1 流出； iC 為負(fù)值，即 iC 由 W2流入， W1流出。 可見合成磁場(chǎng)方向以較 wt=0 時(shí)按時(shí)針方向轉(zhuǎn)過 90o。 同理可畫出 wt= π ， wt=3π/2 ， wt= 2π 時(shí)的合成磁場(chǎng)，可看出磁場(chǎng)的方向逐步按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，共轉(zhuǎn)過 360o，即旋轉(zhuǎn)一周。 綜上所述，在三相交流電動(dòng)機(jī)定子上布置有結(jié)構(gòu)完全相同在空間位置各相差120o 電角度的三相繞組，分別通入三相交流電，則在定子 與轉(zhuǎn)子的空氣隙間所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)是沿定子內(nèi)圓旋轉(zhuǎn)的，故稱旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)項(xiàng)目 第 10 頁(yè) 共 20 頁(yè) （二）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向 U相、 V相、 W 相繞組的電流分別為 iA、 iB、 iC。 三相交流電的相序 A —— B —— C。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?U相 —— V相 —— W相（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)） 若 U 相、 V相、 W 相繞組的電流分別為 iA、 iC、 iB（即任意調(diào)換電動(dòng)機(jī)兩相繞組所接交流電源的相序）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。綜上所述，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向決定于通入定子繞組中的三相交流電源的相序。只要任意調(diào)換電動(dòng)機(jī)兩相繞組所接交流電源的相序，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)即反轉(zhuǎn) 。 （三）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度 兩極三相異步電動(dòng)機(jī)（即 2P=2）定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)三相交流電變化一周后，其所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也正好旋轉(zhuǎn)一周。故在兩極電動(dòng)機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速等于三相交流電的變化速度，即 n1=60f1=3000 轉(zhuǎn) \分。 四極三相異步電動(dòng)機(jī)（即 2P=4）定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)三相交流電變化一周后，其所產(chǎn)生的旋