【文章內(nèi)容簡介】 第 2 章 PLC 簡介 PLC 的原理 可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller）簡稱為 PLC，是 20世紀 60 年代末逐步發(fā)展起來的一種以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。近幾年來， PLC 技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動線控制及各類機電一體化設(shè)備控制中得到了極為廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中的一 項十分重要的應(yīng)用技術(shù)。 PLC 的硬件系統(tǒng)由中央處理單元、存儲器、輸入輸出電路等組成，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。由于順序控制是 PLC的主要功能，因此輸入端以開關(guān)量部件按鈕、繼電觸點、限位開關(guān)等為主，輸出端多為繼電器、電磁閥線圈和指示燈等，其工作過程總可分為三個階段 :輸入采樣 (處理 )、程序執(zhí)行和輸出刷新 (處理 )。圖 是 PLC 控制系統(tǒng)圖。 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式。在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式順序讀入所有輸入端的通斷狀態(tài)，并將此狀態(tài)存入輸入映像寄存器。在程序執(zhí)行階段， PLC 按河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 7 先左后右、先上后 下順序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出有關(guān)元件的通斷狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進行邏輯、算術(shù)運算，再將結(jié)果存入輸出映像寄存器中。在輸出刷新階段， PLC 將輸出映像寄存器的通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，向外輸出控制信號，去驅(qū)動用戶輸出設(shè)備。上面三個階段的工作過程稱為一個掃描周期，然后 PLC 又重新執(zhí)行上述過程，周而復始地進行。掃描周期一般為幾 ms到幾十 ms。 由 PLC 的工作過程可見， PLC 執(zhí)行程序時所用到的狀態(tài)值不是直接從輸入端獲得的，而是來源于輸入映像寄存器和輸出映像寄存器 .因此 PLC 在程序執(zhí)行階段 ，即使輸入發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變，要等到下一周期的輸入采樣階段才能改變。同理，暫存在輸出映像寄存器中的內(nèi)容，等到一個循環(huán)周期結(jié)束，才輸送給輸出鎖存器。所以，全部輸入、輸出狀態(tài)的改變需要一個掃描周期。 PLC 是以掃描方式循環(huán)、連續(xù)、順序地逐條執(zhí)行程序。任何時刻，它只能執(zhí)行一條指令，也就是說， PLC 是以“串行”方式工作。 PLC 的這種串行方式可避免繼電器控制系統(tǒng)中觸點競爭和時序失配的問題。 PLC 的特點 PLC 的高可靠性和強抗干擾性，平均無故障時間一般可達 3～ 5 萬小時，而且PLC 的環(huán)境適 應(yīng) 性也很能強，這是 PLC 得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 編程簡單， PLC 最常用的編程語言是梯形圖語言。梯形圖與繼電器原理圖類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識，便于廣大現(xiàn)場工程技術(shù) 人員掌握。當生產(chǎn)流程需要改變時，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便靈活。在大型 PLC中還有高級編程語言以滿足各種不同控制對象和不同使用人員的需要。 通用性強，各個 PLC 的生產(chǎn)廠家都有其各種系列化的產(chǎn)品、各種模塊供用戶選擇。用戶可根據(jù)控制對象的規(guī)模及控制要求，選擇合適的 PLC 產(chǎn)品，組成所需要的控制系統(tǒng)。在進行應(yīng)用設(shè)計 時，一般不再需要用戶制作其它任何附加裝置，從而使設(shè)計工作簡化。體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便， PLC 體積小，重量輕，便于安裝。一般 PLC 都具有自診斷、故障報等、故障種類顯示等功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過更換模塊插件來迅速排除故障。它與被控制對象的硬件連接方式簡單、接線少，便于維護。 歸納起來， PLC的特點有： （ 1）可靠性高、抗干擾能力強，而且 PLC 采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。 （ 2）編程簡單、使用方便目前大多數(shù) PLC 采用繼電器控制形式的梯形圖編程河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 8 方式，很容易被操作人員接受。一些 PLC 還 根據(jù)具體問題設(shè)計了如步進梯形指令等，進一步簡化了編程。 （ 3）設(shè)計安裝容易，維護工作量少。 （ 4）適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場合。 （ 5）與外部設(shè)備連接方便，采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規(guī)格。 （ 6）功能完善、通用性強、體積小、能耗低、性能價格比高。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 已廣泛應(yīng)用國內(nèi)外的機械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中。隨著其性能價格比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，主要有以下幾個方面： (1)開關(guān)量 邏輯控制 PLC 最基本的功能是邏輯運算、計時、計數(shù)等，可實現(xiàn)邏輯控制，常常用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。 PLC 對一些機床、機械手的控制、生產(chǎn)自動線的控制都屬于這一類應(yīng)用。 (2)運動控制 PLC 使用專用的指令或運動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行控制，可以實現(xiàn)單軸、雙軸、 3軸和多軸聯(lián)動的位置控制，使運動控制與順序控制功能有機結(jié)合在一起。 PLC 的運動控制功能廣泛用于各種機械，例如金屬切削機床、金屬成形機械、裝配機械、機器人、電梯等場合。 (3)閉環(huán)過程控制 閉環(huán)過程控制是指對溫度、壓力 、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 PLC通過模擬量 I/O 模塊，實現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換與 D/A 轉(zhuǎn)換，并對模擬量實行閉環(huán) PID（比例 積分 微分）控制。 SIEMENS 的S7300/400 有閉環(huán)控制模塊、用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊和閉環(huán)控制軟件包供用戶選用。其閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機械、冶金、電力、建材等行業(yè)。 (4)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的 PLC 具有整數(shù)四則運算、矩陣運算、函數(shù)運算、字邏輯運算、求反、循環(huán)、 移位、浮點數(shù)運算等運算功能，和數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 9 第 3 章 通用變頻器原理 變頻器的工作原理 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。變頻器的基本構(gòu)成如圖 ，其主電路主要由整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分以及有關(guān)的輔助電路組成。其中整流電路將電網(wǎng)的交流電源進行整流后給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路是變頻器的最主要的部分之一。它的主要作用是在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓 (電流 )轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓 (電流 )。逆變電路的輸出即為變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。 與主電路相對應(yīng)，為主電路提供所需驅(qū)動信號的電路稱為變頻器的控制電路?？刂齐娐返闹饕饔檬歉鶕?jù)事先確定的變頻器控制方式，產(chǎn)生進行 V/f 或電流控制時所需要的各種門極驅(qū)動信號或基極驅(qū)動信號。此外，變頻器 的控制電路還包括對電流、電壓、電動機速度進行檢測的信號檢測電路，為變頻器和電動機提供保護的保護電路，對外接口電路和對數(shù)字操作盒的控制電路。 變頻器主控制電路的中心是一個高性能的微處理器，并配以 PROM、 RAM、 ASIC芯片和其它必要的周邊電路。它通過 A/D、 D/A 等接口電路接收各種檢測信號和參數(shù)設(shè)定值，并進行處理。它主要完成以下任務(wù) :(1)輸入信號的處理 。輸入信號包括頻率 (速度 )指令信號和運行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的操作控制信號。指令信號有兩河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 10 種 :模擬指令信號 :0～ 10V的電壓指令信號或 4～ 20mA的電流指令 信號 。數(shù)字指令信號 :來自 RS232C、 RS485(通常為選件 )的數(shù)字信號。本系統(tǒng)中 PLC 輸入變頻器的信號為 4～ 20mA 模擬指令信號，此信號經(jīng)過 A/D 變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后送入微處理器。 (2)加減速速率調(diào)節(jié)功能 :(3)運算處理等。 主電路驅(qū)動電路是為變頻器逆變電路的換流器件提供驅(qū)動信號。信號檢測電路是將變頻器和電動機的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器進行處理后為各部分電路給出所需的控制信號和保護信號，以達到控制變頻器的輸出和為變頻器及電動機提供必要的保護的目的。 而保護電路是由微處理器來判斷變頻器本身或 系統(tǒng)是否出現(xiàn)了異常，異常時則進行各種必要的處理，包括停止變頻器的輸出。變頻器的保護功能包括對變頻器的輸出，對驅(qū)動電動機的保護和對系統(tǒng)的保護三個方面的內(nèi)容。 變頻器的種類較多，但是工作原理類似，以交 直 交電壓型變頻器為例，簡要介紹其工作原理。交 直 交電壓型變頻器是中小容量、通用型變頻器的主要形式，其主電路如圖 所示。它由交 直變換電路、直 交變換電路和能耗制動電路組成。 交 直變換電路 交 直變換電路就是整流和濾波電路，其任務(wù)就是把電源的三相交流電變換成平穩(wěn)的直流電，其結(jié)構(gòu)如圖 中 的交 直變換電路所示。 在 SPWM 變頻器中，大多數(shù)采用橋式全波整流電路。在中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管，如圖 中的 VD1～ VD6，其導通順序是 VD1河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 11 → VD2→ VD3→ VD4→ VD5→ VD6。但對這些整流器件有一定的選擇原則： （ 1）最大反向電壓 Ｕ RM =2Ｕ M (3_1) 式中， Ｕ M為電源線電壓的振幅值。即當電源電壓為 380V 時， Ｕ RM =2 2 380V=1073V，則選擇 Ｕ RM=1200V。 （ 2）最大整流電流 Ｉ MAX = 2Ｉ N (3_2) 式中， Ｉ N為變頻器的額定電流。 （ 1）濾波電路 由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯(lián)成一組，如 中所示， C1 和 C2。因為電解電容有較大的離散性，故電容C1 和 C2 的電容量不會完全相等，這樣使得它們承受的電壓 Ｕ C1 和Ｕ C2 不相等。為了是 Ｕ C1 和Ｕ C2 相等，在 C1 和 C2 的旁邊個并聯(lián)一個阻值相等的均 壓電阻 Rc1和 Rc2。 （ 2）限流電路 圖 中，串接在整流橋和濾波電容之間，由一個限流電阻 Rs 和一個短路開關(guān) S組成。 1）限流電阻 Rs 變頻器在接入電源之前，濾波電容上的直流電壓 UD = 0。當變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向濾波電容，使得整流橋可能因此受到損壞，同時，也可能使得電源瞬間電壓明顯下降，形成干擾。限流電阻 S就可起到削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間。 2）短路開關(guān) S 限流電阻 Rs 如果長期接在電路內(nèi)，會影響直流電壓 UD 和變頻器輸出電壓的大小。所以，當直流電壓 UD增大到一定程度時，把短路開關(guān) S 接通，限流電阻 Rs就短路了。 直 交變換電路 三相逆變橋的功能就是把直流電變換成頻率可調(diào)的三相交流電，其基本結(jié)構(gòu)由逆變電路和續(xù)流電路組成。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 12 在圖 中，有開關(guān)器件 V1～ V6組成逆變橋， V1～ V6 的工作接受控制電路中的 SPWM 調(diào)制信號控制，把直流電壓逆變成三相交流電。 SPWM 是指在進行脈寬調(diào)制時，使得脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則較大。這樣的電壓脈沖系列可以使得負載電流中的諧波成分大為減少， 故稱為正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）。 SPWM 脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波（基準波或調(diào)制波）和等腰三角波（載波）的交點來決定的，以單極性 SPWM 法為例，如圖 所示。 圖 中 u r 為正弦調(diào)制波， u t 為等腰三角載波，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同。 逆變器件的選擇 : （ 1）截止狀態(tài)下的擊穿電壓 UCEX =2DMAX （ 33） 式中， UMAX 為直流電壓的最大值。 （ 2）集電極最大電流 ICM = 2IMAX （ 34） 式中 , UMAX 為輸出電流的最大值。 由圖 可知，續(xù)流電路由 VD7～ VD12 構(gòu)成，其功能是： （ 1）為電動機繞組的無功電流返回直流電路時提供通路； （ 2）當頻率下降、從而同步轉(zhuǎn)速下降時，為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路； （ 3）為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 13 能耗制動電路 （ 1）電動機的工作狀態(tài) 在頻率剛減少的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下 降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了 1800，電動機處于發(fā)電機狀態(tài)。與此同時，電動機軸上的轉(zhuǎn)距變成了制動轉(zhuǎn)距，使得電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。 （ 2）變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài) 電動機再生的電能經(jīng)圖 中的續(xù)流二極管