【正文】 數(shù)分類 超小型 PLC： I/O 點(diǎn)數(shù)一般小于 64 點(diǎn)，開關(guān)量 I/O 信號為主，功能以邏輯運(yùn)算為主，并有定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。結(jié)構(gòu)緊湊，為 整體式結(jié)構(gòu)。用戶程序容量在 256～ 1K 字。 小型 PLC： I/O 點(diǎn)數(shù)一般為 65～ 128 點(diǎn)，開關(guān)量 I/O 信號為主，控制功能簡單，用戶程序儲存器容量一般為 1K～ 4K，結(jié)構(gòu)形式為整體式。 中型 PLC： I/O 點(diǎn)數(shù)一般為 129～ 512 點(diǎn)，兼有開關(guān)量和模擬量的 I/O 信號，控制功能較豐富，用戶程序儲存器容量為 ～ 13K，多數(shù)采用模塊式結(jié)構(gòu)。 大型 PLC： I/O 點(diǎn)數(shù)一般為 1000 點(diǎn)以上，控制功能完善，用戶程序儲存器容量一般為 13K 以上，采用模塊式結(jié)構(gòu)。 超大型 PLC： I/O 點(diǎn)數(shù)一般為 896 點(diǎn)以上，用戶程序儲存器容量一般 為 13K以上，采用模塊式結(jié)構(gòu)，支持 CPU單元。 3）按實(shí)現(xiàn)的功能分類 低檔機(jī)：具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位自診斷監(jiān)控等功能，還具有一定的算術(shù)、數(shù)據(jù)傳送和比較、通訊、遠(yuǎn)程和模擬量處理功能。 中檔機(jī)：除具有低檔機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程、通訊、子程序、中斷處理和回路控制功能。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 高檔機(jī)：除具有中檔機(jī)的功能外，還具有帶符號數(shù)的算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算。函數(shù)、表格、 CRT 顯示、打印機(jī)打印等功能。 PLC 的基本工作原理 PLC 是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在 PLC運(yùn)行時(shí)， CPU 根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC 工作時(shí)將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映像區(qū)對應(yīng)的位上，將運(yùn)算的結(jié)果存放到輸出映像區(qū)對應(yīng)的位上。 PLC 在執(zhí)行用戶程序時(shí)所需輸入繼電器和輸出繼電器的數(shù)據(jù)取自 I/O映像區(qū)，而不是直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。當(dāng)處于停止工作 模式時(shí)，PLC 只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)等內(nèi)容。當(dāng)處于運(yùn)行工作模式時(shí)， PLC 要進(jìn)行內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序處理、輸出處理，然后按上述過程循環(huán)掃描工作， PLC工作流程如圖 12所示。 圖 12 可編程控制器的工作流程 PLC 在工作中不僅執(zhí)行用戶程序，而且在每次的循環(huán)過程中， PLC 還要完成內(nèi)部的處理、通信服務(wù)等工作。 PLC 運(yùn)行時(shí)，一次循環(huán)可分為 5個(gè)階段：內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序處理和輸出處理。 PLC 的這種周期性的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 1）內(nèi)部處理階段 在內(nèi)部處理階段 ， PLC 檢測 CPU 內(nèi)部的硬件是否正常，將檢測定時(shí)器復(fù)位，以及其他內(nèi)部工作。 2）通信服務(wù)階段 內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入處理程序處理輸出處理內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 PLC 同其他設(shè)備間通信，響應(yīng)編程器輸入的命令。更新編程器顯示的內(nèi)容。如果此時(shí)的 PLC 處于工作狀態(tài)則還要完成以下的三個(gè)階段的操作內(nèi)容。 3）輸入處理階段 輸入處理又被稱作為采樣，在 PLC 的存儲器中，專門設(shè)置了一片區(qū)間用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)。在此階段， PLC 順序讀入所有端子的通斷狀態(tài)，并且把讀入的信息存在輸入映像區(qū)，輸入映像區(qū)的狀態(tài)被刷新。然后進(jìn)入是程序處理階段，處理程序時(shí)輸入映像區(qū)隔離，在下一個(gè)掃描周期的輸 入處理階段輸入信號才能被讀入。 4）程序處理階段 根據(jù) PLC梯形圖程序掃描先左后右、先上后下的原則，逐句掃描和執(zhí)行。如果遇到跳轉(zhuǎn)指令則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件在執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)位置。當(dāng)程序涉及到輸入 /輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器中讀取上一階段輸入處理時(shí)對應(yīng)的輸入繼電器狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀取對應(yīng)輸出繼電器狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果存入有關(guān)元件寄存器中。 5）輸出處理階段 CPU 將輸出映像區(qū)中的每位狀態(tài)傳送到輸出鎖存器，梯形圖中輸出繼電器線圈接通時(shí)，對應(yīng)的輸出映像區(qū)中位的狀態(tài)為 ON。信號經(jīng)輸出單元隔離和 功率放大后，繼電器型輸出單元中對應(yīng)的硬件繼電器線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，外部負(fù)載開始工作。如果梯形圖中輸出繼電器線圈斷開，對的輸出映像區(qū)中的位為 OFF 狀態(tài)，在輸出處理階段之后，繼電器輸出單元中對應(yīng)的硬件繼電器線圈斷電，常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷開。 可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行串行循環(huán)掃描的工作分為三個(gè)階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，如圖 13所示。 圖 13 循環(huán)掃描工作原理 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 隨著 PLC 的控制功能不斷提 高和完善，它在工業(yè)控制領(lǐng)域中的控制作用越來越大。 PLC 對工業(yè)環(huán)境的要求不高，特別是在較差和復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下還可以高效可靠的運(yùn)行， PLC 幾乎可以完成所有的工業(yè)控制。在設(shè)計(jì) PLC 系統(tǒng)時(shí)一般要遵循一定的原則。 1）滿足控制要求。最大限度地滿足被控對象的工藝要求是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)首要前提。 2）安全可靠?？刂葡到y(tǒng)長期運(yùn)行中是否安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。 3）經(jīng)濟(jì)實(shí)用。在滿足控制要求的前提下，要注意降低系統(tǒng)成本，使得 PLC 控制系統(tǒng)達(dá)到簡單、經(jīng)濟(jì)、合理。 4）適應(yīng)發(fā)展。要考慮到功能的擴(kuò)充，適當(dāng)留有冗余 量。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試流程圖如圖 14所示。 圖 14 PLC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試流程圖 1）熟悉被控對象的工藝過程，分析控制要求。 2）確定 I/O 設(shè)備。 3） PLC 的硬件系統(tǒng)配置。 4）分配 I/O 點(diǎn)。 5）設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序。 6）初步調(diào)試程序。 7）聯(lián)機(jī)調(diào)試。 8）編寫技術(shù)文件。 分析系統(tǒng)控制任務(wù)確定 I / O 設(shè)備PL C 硬件系統(tǒng)配置分配 I / O 點(diǎn)繪制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)制作控制柜 ， 輸入 / 輸出配線設(shè)計(jì)梯形圖初步調(diào)試程序修改程序初調(diào)通過 ？聯(lián)機(jī)調(diào)試滿足要求 ？編寫技術(shù)文件交付用戶裝配 PL C 及連線YYNN內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 變頻器 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 能實(shí)現(xiàn)對交流異 步電機(jī)的軟起動(dòng)、 變頻調(diào)速 、提高運(yùn)轉(zhuǎn) 精度 、改變功率因素、過流 /過壓 /過載保護(hù)等功能。 異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)原理 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流互相作用產(chǎn)生的力矩。如果磁場以 0n 轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生切割磁力線，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子電流，通電的轉(zhuǎn)子繞組相對磁場運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁力。電磁力使轉(zhuǎn)子繞組以轉(zhuǎn)速 n 旋轉(zhuǎn)，方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向相同。 產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n 低于定子磁場的轉(zhuǎn)速 0n ，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁場轉(zhuǎn)速之差稱為轉(zhuǎn)差： 0n n n? ? ? 轉(zhuǎn)差與定子磁場轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率： 0/s n n?? 同步轉(zhuǎn)速 0n 由 0 60 /n f p? 決定，式中 f 為輸入電流的頻率； p 為旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。 因此可以得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為 ? ?60 1 /n f s p?? 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 由于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 ? ?60 1 /n f s p??，所以它的調(diào)速方法有以下三種： 1）改變磁極對數(shù) p ，稱為變極調(diào)速 變極調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、操作方便、機(jī)械特性較硬、效率高、既適用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速又適用于恒功率調(diào)速。缺點(diǎn)是次調(diào)速方法為有極調(diào)速，并且極數(shù)有限，只用于不需要平滑調(diào)速的場合。 2）改變轉(zhuǎn)差率 S ,稱為變 轉(zhuǎn)差率調(diào)速 以改變轉(zhuǎn)差率為目的的調(diào)速方法有：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。 調(diào)壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，采用閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較寬，缺點(diǎn)是低速時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因數(shù)低，電流大，效率低。調(diào)壓調(diào)速既非恒功率調(diào)速也非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，比較適合用于風(fēng)機(jī)、泵類特性負(fù)載。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和線路簡單，投資不高，但其機(jī)械特性較軟，調(diào)速范圍受到一定限制，低速時(shí)轉(zhuǎn)差功率損耗較大，效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，運(yùn)行可靠，能平滑調(diào)速，采用閉環(huán)控制后可擴(kuò)大調(diào)速 范圍，常常用在通風(fēng)類或恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，其缺點(diǎn)是低速時(shí)損耗大效率低。 3）改變頻率 f ，稱為變頻調(diào)速 當(dāng)極對數(shù) p 和轉(zhuǎn)差率 s 不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)的改變供電頻率，就可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑性能好、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者是恒功率調(diào)速。 變頻器的分類 變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，并且構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換成為可以調(diào)節(jié)的電壓和可調(diào)頻率的交流電的變換器。是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制裝置。 1）按變頻器主電路結(jié)構(gòu)形式分類 按變頻器主電路的結(jié)構(gòu)形式可分為交 — 直 — 交變頻器和交 — 交變頻器。 交 — 直 — 交變頻器首先通過整流電路將電網(wǎng)的交流電整流成直流電。再由逆變電路將直流電逆變?yōu)轭l率和幅值均可變的交流電。 交 — 交變頻器把一種頻率的交流電直接變換為另一種頻率的交流電，中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)。 2）按變頻電源的性質(zhì)分類 按變頻電源的性 質(zhì)可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。對于交 — 直 — 交變頻器，電壓型變頻器與電流型變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什么樣的濾波器。 電壓型變頻器在電路中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，故而施加在負(fù)載上的電壓值基本不受負(fù)載的影響而保持恒定，類似電壓源，因而稱之為電壓型變頻器。 電流型變頻器與電壓型變頻器的不同之處在于電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，基本不受負(fù)載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。 3）按 VVVF 調(diào)制 技術(shù)分類 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 變壓： Variable Voltage，簡稱為 VV。 變頻： Variable Frequency，簡稱為 VF。 交 — 直 — 交變頻器按 VVVF 調(diào)制技術(shù)可分為 PAW 和 PWM 兩種方式。 PAW 是把 VV 和 VF分開完成的，稱為脈沖幅值調(diào)制方式，簡稱為 PAW 方式。 PWM 是將 VV 與 VF集中于逆變器一起來完成的，稱為脈沖寬度調(diào)制方式，簡稱為PWM方式。 變壓變頻協(xié)調(diào)控制 進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，需要對電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩 調(diào)速，基頻以上采用恒功率調(diào)速。 1）基頻以下調(diào)速 在一定調(diào)速范圍內(nèi)維持磁通恒定，在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，如果能夠控制電機(jī)的電流恒定，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定，這就是恒轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。由于恒定 11/fU 控制能在一定調(diào)速范圍內(nèi)近似維持磁通恒定，因此恒定 11/fU 控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。恒定 ? 控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動(dòng)機(jī)的電 源頻率變化的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，并使之二者之比為 11/fU 恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。 恒定 11/fU 控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的開環(huán)速度控制。 2）基頻以上調(diào)速 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電動(dòng)機(jī)的電壓已經(jīng)達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定電壓時(shí)，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電動(dòng)機(jī)的絕緣。為此，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加扔維持電動(dòng)機(jī)電壓不變。 這樣，電動(dòng)機(jī)所能輸出的功率由電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過額定電壓，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。 變頻器的作用 變頻調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動(dòng)場合