【正文】 器 電壓型變頻器的主電路典型形式如下圖在電路中中間 直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波直流電壓波形比較平直使施加于負(fù)載上的電壓值基本上不受負(fù)載的影響而基本保持恒定類似于電壓源因而稱之為電壓型變頻器 電壓型變頻器逆變輸出的交流電壓為矩形波或階梯波而電流的波形經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)負(fù)載濾波后接近于正弦波但有較大的諧波分量 圖電壓型變頻器電流型變頻器與電壓型變頻器在主電路結(jié)構(gòu)上基本相似所不同的是電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波見(jiàn)下圖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 圖電流型變頻器交－直－交變頻 器根據(jù) VVVF 調(diào)制技術(shù)不同分為 PAM 和 PWM兩種 PAM 是把 VV 和 VF 分開(kāi)完成的稱為脈沖幅值調(diào)制 Pulse Amplitude Modulation 方式簡(jiǎn)稱 PAM 方式 PAM 調(diào)制方式又有兩種一種是調(diào)壓采用可控整流即把交流電整流為直流電的同時(shí)進(jìn)行相控整流調(diào)壓調(diào)頻采用三相六拍逆變器這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單控制方便但由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí)電網(wǎng)端功率因素較低而輸出環(huán)節(jié)采用晶閘管組成的三相六拍逆變器每周換相六次輸出的諧波較大其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖另一種是采用不控整流斬波調(diào)壓即整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流只整流 不調(diào)壓再單獨(dú)設(shè)置 PWM 斬波器用脈寬調(diào)壓調(diào)頻仍采用三相六拍逆變器這種方式雖然多了一個(gè)環(huán)節(jié)但調(diào)壓時(shí)輸入功率因素不變克服了上面那種方式中輸入功率因數(shù)低的缺點(diǎn)而其輸出逆變環(huán)節(jié)未變?nèi)杂兄C波較大的問(wèn)題其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 圖可控整流調(diào)壓 圖 210 二極管不控整流調(diào)壓 PWM 是將 VV與 VF 集中于逆變器一起來(lái)完成的稱為脈沖寬度調(diào)制 Pulse Width Modulation方式簡(jiǎn)稱 PWM方式 PWM調(diào)制方式采用不控整流則輸入功率因素不變用 PWM逆變同時(shí)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)頻則輸出諧波可以減少其基本 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 圖 PWM 調(diào)制在 VVVF 調(diào)制技術(shù)發(fā)展的早期均采用 PAM 方式這是由于當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體器件是普通晶閘管等半控型器件其開(kāi)關(guān)頻率不高所以逆變器輸出的交流電壓波形只能是方波而要使方波電壓的有效值隨輸出頻率的變化而改變只能靠改變方波的幅值即只能靠前面的環(huán)節(jié)改變中間直流電壓的大小隨著全控型快速半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件 BJTIGBTGTO 等的發(fā)展才逐漸發(fā)展為 PWM 方式由于 PWM 方式具有輸入功率因數(shù)高輸出諧波少的優(yōu)點(diǎn)因此在中小功率的變頻器中幾乎全部采用 PWM方式但由于大功率高電壓的全控型開(kāi)關(guān)器件的價(jià)格還較昂貴所以為降低成本在數(shù)百千 瓦以上的大功率變頻器中有時(shí)仍需要使用以普通晶閘管為開(kāi)關(guān)器件的PAM 方式 3 帶式輸送機(jī)電控裝置 31 可編程控制器 PLC 原理及應(yīng)用 可編程控制器是自自動(dòng)控制技術(shù)微計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置目前它已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域因此它被稱為可編程邏輯控制器 Programmable Logic Controller 簡(jiǎn)稱 PLC 控制器的功能和應(yīng)用 在 PLC 的發(fā)展初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置使得其應(yīng)用受到限制但最近幾年來(lái) PLC的應(yīng)用面越來(lái)越廣目前 PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵采礦水泥石油化 工電力機(jī)械制造汽車裝卸造紙紡織環(huán)保和娛樂(lè)等行業(yè) PLC 的主要包括以下幾個(gè)方面開(kāi)關(guān)邏輯和順序控制模擬控制定時(shí)控制數(shù)據(jù)處理信號(hào)連鎖系統(tǒng)通 PLC 的組成 結(jié)構(gòu)形式的不同 PLC 可分為組合式整體式兩類組合式 PLC 的組成是將 CPU單元輸入單元輸出單元智能 IO 單元通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊各模塊可以查在底板上模塊之間通過(guò)底板上的總線相互聯(lián)系裝有 CPU 的單元稱為CPU單元模塊其他成為擴(kuò)展模塊 CPU與各擴(kuò)展模塊之間若通過(guò)電纜連接距離一般不超過(guò) 10m中大型機(jī)場(chǎng)用組合式由于組合式的 PLC系統(tǒng)配置靈活有的小型機(jī)也用這 種構(gòu)成整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 是將 CPU 存儲(chǔ)器輸入單元輸出單元電源通信端口 IO擴(kuò)展端口等組裝在一個(gè)箱體內(nèi)構(gòu)成主機(jī)整體式 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊體積小小型機(jī)采用這種結(jié)構(gòu)整體式 PLC 的基本組成如圖 3 所示 圖 3 組合式 PLC 的組成示意圖 圖 3 整體式 PLC 的組成示意圖下面介紹 PLC 各組成部分及其作用 中央處理器 CPU CPU是 PLC的核心部件它類似人的大腦能指揮 PLC按照預(yù)先編好的系統(tǒng)程序完成各種任務(wù)其作用有以下幾點(diǎn)接受存儲(chǔ)由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)并可通過(guò)顯示 出程序的內(nèi)容和存儲(chǔ)地址檢查校驗(yàn)用戶程序接受調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)信息執(zhí)行用戶程序故障診斷電源部分 PLC 中一般配有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓范圍寬體積小重量輕效率高抗干擾性能好有的 PLC能向外部提供 24V的直流電源可給輸入單元所連接的外部開(kāi)關(guān)或傳感器供電 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器可以分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)器工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 3 種 IO 擴(kuò)展端口 當(dāng)主機(jī)上的 IO點(diǎn)數(shù)或類型不能滿足用戶需要時(shí)主機(jī)可以通過(guò) IO擴(kuò)展端口連接 IO擴(kuò)展單元來(lái)增加 IO點(diǎn)沒(méi)有 IO擴(kuò)展端口的 PLC是不能進(jìn)行 IO點(diǎn)擴(kuò)展的另外通過(guò) IO 擴(kuò)展口 還可以連接各種智能單元擴(kuò)展 PLC 的功能 外設(shè)端口 每臺(tái) PLC都有外設(shè)端口通過(guò)外設(shè)端口 PLC可與外部設(shè)備相連接例如連接編程器以輸入修改用戶程序或監(jiān)控程序的運(yùn)行有的 PLC可以通過(guò)外設(shè)端口與其他 PLC計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備 PT 等連接進(jìn)行通信或連成各種網(wǎng)絡(luò)等連接打印機(jī)以打印用戶程序打印 PLC運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)打印故障報(bào)警的種類和時(shí)間等連接 EPROM寫入器將調(diào)試好的擁護(hù)程序?qū)懭?EPROM 以免被誤改動(dòng)等連接外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶程序等 輸入輸出單元 輸入輸出單元是 PLC 與外部設(shè)備互相聯(lián)系的窗口輸入單元接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向PLC 提供的信號(hào) 例如由按鈕操作開(kāi)關(guān)限位開(kāi)關(guān)繼電器觸點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)撥碼器等提供的開(kāi)關(guān)量信號(hào)這些信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入電路的濾波光電隔離電平轉(zhuǎn)換等處理變成CPU能夠接收和處理的信號(hào)輸出單元將經(jīng)過(guò) CPU處理的微弱電信號(hào)通過(guò)光電隔離功率放大等處理轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號(hào)以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元件如接觸器電磁閥電磁鐵調(diào)節(jié)閥調(diào)速裝置等 開(kāi)關(guān)量輸入單元 按照輸入端電源類型的不同開(kāi)關(guān)量輸入單元可分為直流輸入單元和交流輸入單元 直流輸入單元 直流輸入單元的電路外接的直流電源極性可任意虛線框內(nèi)是 PLC 內(nèi)部的輸入電路框外左側(cè)為外部用戶接線圖中只畫(huà)出對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸 入點(diǎn)的輸入電路各個(gè)輸入點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電路均相同 圖 33 直流輸入電路 圖中 T 為一光電耦合器發(fā)光二極管與光電三極管封裝在一個(gè)管殼中當(dāng)二極管中有電流時(shí)其發(fā)光此時(shí)光三級(jí)管才導(dǎo)通 R1為限流電阻 R2和 C構(gòu)成濾波電路可濾除輸入信號(hào)中的高頻干擾 LED 顯示該輸入點(diǎn)的狀態(tài) 其工作原理是當(dāng) S閉合時(shí)光電耦合起導(dǎo)通 LED點(diǎn)亮表示輸入開(kāi)關(guān) S處于接通狀態(tài)此時(shí) A點(diǎn)高電平該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中當(dāng) CPU訪問(wèn)該路信號(hào)時(shí)將該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器置 1當(dāng) S斷開(kāi)時(shí)光電耦合器不導(dǎo)通 LED不亮表示 輸入開(kāi)關(guān) S處于斷開(kāi)狀態(tài)此時(shí) A點(diǎn)為低電平該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中當(dāng) CPU訪問(wèn)該路信號(hào)時(shí)將該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器狀態(tài)置 0 有的 PLC內(nèi)部提供 24V直流電源這時(shí)直流輸入單元無(wú)需外界電源用戶只需將開(kāi)關(guān)接在輸入端子和公共端子之間既可這就是所謂無(wú)源式直流單元無(wú)源式直流輸入單元簡(jiǎn)化了輸入端的接線方便了用戶 交流輸入單元圖中電容 C為隔直電容對(duì)交流相當(dāng)于短路 R1和 R2構(gòu)成分壓電路這里光電耦合器是兩個(gè)反向并聯(lián)的發(fā)光二極管任意一個(gè)二極管發(fā)光都可以使光電三級(jí)管導(dǎo)通顯示用的兩個(gè)發(fā)光二極管 LED 也是反向并聯(lián)的所以這個(gè)電路可以 接收外部的交流輸入電壓其工作原理與直流輸入電路基本相同 圖 34 交流輸入電路 PLC 的輸入電路有共點(diǎn)式分組式隔離式之別輸入單元只有一個(gè)公共端子 COM的稱為共點(diǎn)式外部各輸入元件都有一個(gè)端子與 COM 相連分組式是將輸入端子分為若干組每組各共用一個(gè)公共端子隔離式輸入單元是具有公共端子的各組輸入點(diǎn)之間互相隔離可各自使用獨(dú)立的電源 開(kāi)關(guān)量輸出單元 按輸出電路所用開(kāi)關(guān)器件的不同 PLC 的開(kāi)關(guān)量輸出單元可分為輸出單元晶閘管輸出單元和繼電器輸出單元 晶體管輸出單元 晶體管輸出單元的電路如圖 35 所示 圖 35 晶體管輸出電路 圖 35 中 T1 時(shí)光電耦合器 LED 指示輸出點(diǎn)的狀態(tài) T2為輸出晶體管 D 為保護(hù)二極管 FU 為熔斷器防止負(fù)載短路時(shí)損壞 PLC 工作原理為對(duì)應(yīng)于晶體管 T2 的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 1 時(shí)通過(guò)內(nèi)部電路使光電耦合器 T1導(dǎo)通從而使晶體管 T2飽和導(dǎo)通因此負(fù)載得電 CPU是與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出鎖存器為高電平使 LED 點(diǎn)亮表示該輸出點(diǎn)狀態(tài)為 1 當(dāng)對(duì)應(yīng)于 T2 的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 0時(shí)光電耦合器 T1不導(dǎo)通晶體管 T2截止負(fù)載失電如果負(fù)載是感性的則必須負(fù)載并接續(xù)流二極管負(fù)載通過(guò)續(xù)流二極管 釋放能量此時(shí) LED 不亮表示該輸出點(diǎn)的狀態(tài)為 0 雙向晶閘管輸出單元 在雙向晶閘管輸出單元中輸出電路采用的開(kāi)關(guān)器件是光控雙向晶閘管電路如圖 34 所示圖中 T 為光控雙向晶閘管兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián) LED 為輸出點(diǎn)狀態(tài)指示 R2C 構(gòu)成阻容吸收保護(hù)電路 FU 為熔斷器 工作原理為當(dāng)對(duì)應(yīng)于 T的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 1時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通不論外接電源極性如何都能使雙向晶閘管 T導(dǎo)通負(fù)載得電同時(shí)輸出指示燈 LED點(diǎn)亮表示該輸出點(diǎn)接通當(dāng)對(duì)應(yīng)于 T 的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為 0 時(shí) T 關(guān)斷負(fù)載失電指示燈 LED滅 晶體管為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)所以晶體管輸出單元使用壽命長(zhǎng)響應(yīng)速度 快雙向晶閘管輸出型 PLC 的負(fù)載電源可以根據(jù)負(fù)載的需要選用直流或交流 繼電器輸出單元 繼電器輸出單元的電路如圖 36 所示圖中 LED 是輸出點(diǎn)狀態(tài)顯示器 J 為一小型直流繼電器 其工作原理為當(dāng)對(duì)應(yīng)于 J的內(nèi)部繼電器狀態(tài)為 1時(shí) J得電吸合其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合負(fù)載得電 LED點(diǎn)亮表示該輸出點(diǎn)接通當(dāng)對(duì)應(yīng)于 J內(nèi)部繼電器狀態(tài)為 0時(shí) J失電其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)負(fù)載失電指示燈 LED 滅表示該輸出點(diǎn)斷開(kāi) 繼電器輸出型 PLC 的負(fù)載電源可以根據(jù)需要選用直流或交流繼電器觸點(diǎn)電氣壽命一般為 10～ 30 萬(wàn)次因此在需要輸出點(diǎn)頻繁的場(chǎng)合如高頻脈沖輸出應(yīng)選用晶體管或晶閘管輸 出型的 PLC 另外繼電器從線圈得電到觸點(diǎn)動(dòng)作存在延遲時(shí)間造成輸出滯后于輸出的原因之一 圖 36 繼電器輸出電路 編程工具 編程工具是開(kāi)發(fā)應(yīng)用和檢查維護(hù) PLC 以及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不可缺少的外部設(shè)備編程工具主要作用是用來(lái)編輯程序調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行還可以在線測(cè)試 PLC的內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)與 PLC進(jìn)行人機(jī)對(duì)話等編程工具可以是專用編程器也可以是配有專用編程軟件包的通用計(jì)算機(jī) 智能單元 PLC 還有多種智能單元智能單元本身是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)它有自己的CPU系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器以及與外界相連的接口對(duì)組合式 PLC智能單元是 PLC系統(tǒng) 的一個(gè)模塊它與 CPU單元通過(guò)系統(tǒng)總線相連接并在 CPU單元的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立的進(jìn)行工作不參與循環(huán)掃描對(duì)整體式 PLC 主機(jī)通過(guò) IO 擴(kuò)展接口與智能單元連接 目前已開(kāi)發(fā)的常用智能單元有 AD 單元 DA 單元高速計(jì)數(shù)單元位置控制單元PID 控制單元溫度控制單元和各種通信單元等 PLC 的工作方式 在繼電器控制電路中當(dāng)某些梯級(jí)同時(shí)滿足導(dǎo)通條件時(shí)這些梯級(jí)中的繼電器線圈會(huì)同時(shí)通電也就是說(shuō)繼電器控制電路是一種并行工作方式 PLC 是采用循環(huán)掃描的工作方式在 PLC執(zhí)行用戶程序時(shí) CPU對(duì)梯形圖自上而下自左向右的逐次進(jìn)行掃描程序的執(zhí)行是按語(yǔ) 句排列的先后順序進(jìn)行的這樣 PLC 梯形圖中各線圈狀態(tài)的變化在時(shí)間上是串行的不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線圈同時(shí)改變狀態(tài)的情況這是 PLC 控制與繼電器控制最主要的區(qū)別 PLC 的循環(huán)掃描工作方式 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式它可以看成是一種由系統(tǒng)軟件支持的掃描設(shè)備不論用戶程序運(yùn)行與否都周而復(fù)始的進(jìn)行循環(huán)掃描并執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù)每一個(gè)循環(huán)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期每個(gè)掃描周期又分為幾個(gè)工作階段每個(gè)工作階段完成不同的任務(wù)一個(gè)循環(huán)掃描過(guò)程可歸納為五個(gè)工作階段各階段完成的任務(wù)如下 公共處理階段 在每一次掃描開(kāi)始之前 CPU 都要進(jìn)行復(fù)位 監(jiān)視定時(shí)器硬件檢查用戶內(nèi)存檢查等操作如果有異常情況除了故障顯示燈亮以外還判斷并顯示故障的性質(zhì)如果屬于一般性故障則只報(bào)警不停機(jī)等待處理公共處理階段所用的時(shí)間一般是固定的不同機(jī)型的 PLC 有所差異 程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段 CPU 對(duì)用戶程序按先左后右先上后下的順序逐條地進(jìn)行解釋和執(zhí)行 CPU 從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀取各繼電器當(dāng)前的狀態(tài)根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果在寫入元件映像寄存器中 掃描周期計(jì)算處理階段 若預(yù)先設(shè)定掃描周期為固定值則進(jìn)入等待狀態(tài)直至達(dá)到該設(shè)定值時(shí)掃描再往下進(jìn)行若設(shè)定 掃描周期為不定的則要進(jìn)行掃描周期的計(jì)算 掃描周期計(jì)算處理所用的時(shí)間很短可將其視為零 IO 刷新階段 在 IO 刷新階段 CPU 要做兩件事情其一從輸入電路中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中也就是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容自從輸入映像寄存器就與外界