【文章內(nèi)容簡介】 取，而不是直接使用現(xiàn)場的立即輸入信號。對其他信息，則是從 PLC的原件映像寄存器中去讀取，在執(zhí)行用戶程序中，每一次運算的中間結(jié)果都立即寫入元件映像寄存器中，對輸出繼電器的掃描結(jié)果，也不是馬上去驅(qū)動外部負(fù)載，而是將其結(jié)果寫入到輸出映像寄存器中。在此階段，允許對數(shù)字量 I/O指令和不設(shè)置數(shù)字濾波的模擬量 I/O指令進行處理，在掃描周期的各個部分，均可對中斷事件進行響應(yīng)。 在這個階段，除了輸入映像寄存器外，各個元件映像寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行而變化的。 這是第三個集中批處理過程，當(dāng) CPU 對全部用戶程序掃描結(jié)束后，將元件映像寄存器中各輸出繼電器的狀態(tài)同時送到輸出鎖存器中，再由輸出鎖存器經(jīng)輸出端子去驅(qū)動各輸出繼電器所帶的負(fù)載。 PLC 的主要功能及其特點 PLC 的主要功能 這是 PLC應(yīng)用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關(guān)邏輯運算和進行順序邏輯控制，從而可以實現(xiàn)各種控制要求。 （ A/D和 D/A控制） 在工業(yè)生產(chǎn) 過程中，許多連續(xù)變化的需要進行控制的物理量，如溫度、壓力、流量、液位等，這些都屬于模擬量。過去， PLC 長于邏輯運算控制，對于模擬量的控制主要靠儀表或分布式控制系統(tǒng)，目前大部分 PLC產(chǎn)品都具備處理這類模擬量的功能，而且編程和使用方便。 /計數(shù)控制 PLC 具有很強的定時、計數(shù)功能，它可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個定時器與計數(shù)器。對于定時器，定時間隔可以由用戶加以設(shè)定；對于計數(shù)器，如果需要對頻率較高的信號進行計數(shù)，則可以選擇高速計數(shù)器。 4．步進控制 PLC 為用戶提供了一定數(shù)量的位移寄存器，用位移寄存器可方 便地完成步進控制功能。 在機械加工行業(yè)，可編程序控制器與計算機數(shù)控（ CNC）集成在一起，用以完成機床的運動控制。 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 8 大部分 PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理能力，它不僅能進行算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示打印等操作，有些 PLC還可以進行浮點運算和函數(shù)運算。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC與 PLC之間、 PLC與計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。 PLC 的主要特點 PLC 能如此迅速發(fā)展的原因， 除了工業(yè)自動化的客觀需要外，還有許多獨特的優(yōu)點。它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。其主要特點如下： 1. 可靠性高 可靠性指的是可編程控制器平均無故障工作時間。由于可編程序控制器采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。可編程序控制器已被廣大用戶公認(rèn)為是最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 2. 控制功能強 一臺小型可編程序控制器內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。 與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，它具有很高的性能價格比?？删幊绦蚩刂破骺梢酝ㄟ^通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制與集中管理。 3. 用戶使用方便 可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鞯陌惭b接線也很方便，有較強的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。 4. 編程方便、簡單 梯形圖是可編程序控制器使用最多的編程語言，其電路 符號、表達方式與繼電器電路原理圖相似。梯形圖語言形象、直觀、簡單、易學(xué)，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。 5. 設(shè)計、安裝、調(diào)試周期短 可編程序控制器用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 9 間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少，縮短了施工周期。可編程序控制器的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，模擬調(diào)試好后再將 PLC控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場進行安裝和接線，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，大大縮短了設(shè)計和 投運周期。 6. 易于實現(xiàn)機電一體化 可編程序控制器體積小、重量輕、功耗低、抗振防潮和耐熱能力強，使之易于安裝在機器設(shè)備內(nèi)部，制造出機電一體化產(chǎn)品。目前以 PLC作為控制器的 CNC設(shè)備和機器人裝置已成為典型。 PLC 在自動門中的應(yīng)用 通過 PLC控制系統(tǒng)作為中央處理器，來宏觀整體調(diào)控自動門中各硬件設(shè)施協(xié)調(diào)工作，來完成自動打開和關(guān)閉大門。 使用紅外感應(yīng)器或微波發(fā)射器來感應(yīng)外界的物體，當(dāng)有人進如了感應(yīng)范圍之后，感應(yīng)器通過感應(yīng)到人的到來，會產(chǎn)生一個信號，通過 PLC的模擬 /數(shù)字輸入部分輸入 PLC。玻璃門的打開或關(guān)閉 由電機控制來完成，目前少數(shù)由交流變頻電機或無刷直流電機來實現(xiàn)。但更多的使用步進電機來實現(xiàn)。步進電機作為可靠性好，控制簡單，價格低廉的動力裝置已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于自動門。圖 2 是一個以 PIC為控制器，統(tǒng)一控制傳感器、步進電機，通過機械直線運動單元驅(qū)動玻璃門的 PLC自動門控制系統(tǒng)。目前一些廠家 PIE供應(yīng)商都提供可直接控制步進電機運動的定位控制單元，可直接控制步進電機，通過編程完成單軸，兩軸插補運動。直線運動系統(tǒng)設(shè)計師習(xí)慣上自行設(shè)計包括軸承、滾珠絲杠副、同步齒形帶等。設(shè)計時非常簡單，零件可直接選用，但裝配時有較高的 要求。因此，國際上出現(xiàn)了一些機械直線運動控制單元，將滾珠絲杠副、同步齒形帶、軸承等安裝在一個密閉的長殼體內(nèi)，并安裝有一個滑動模塊。生產(chǎn)商預(yù)先調(diào)整好精度、預(yù)緊力等，該單元安裝有限位開關(guān)，并提供安裝法蘭，供電機、編碼器安裝用。用戶按傳動行程、受力情況等直接選用，直接安裝在基礎(chǔ)上即可。 步進電機與機械直線運動單元連接，建立一個直線運動軸，“零點”、“終點”分別為玻璃門全開、全閉時的位置。如果無人進出，玻璃門關(guān)閉。傳感器一旦給 PIC 信號， PLC 通過定位控制單元立刻控制步進電機中斷當(dāng)前運動，回零位。開始速度逐 漸提高，在即將閉合時，速度逐漸減為零。而當(dāng)門在關(guān)閉的過程時，一旦有人通過，應(yīng)立即停止動作，轉(zhuǎn)入開門過程。 PIC 通過定位控制單元進行速度調(diào)節(jié)非常方便。一旦無人進出，傳感器無信號發(fā)出， PIC 控制步進電機 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 10 中斷當(dāng)前運動，向終點運動，速度控制如前。 圖 2 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 11 第 3章 自動門的執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 穩(wěn)壓電源設(shè)計 隨 著自動門的不斷發(fā)展，被越來越多的應(yīng)用于各建筑物，廣泛的應(yīng)用也使其安全變的越來越重要。對電源的影響因素是多方面的，其中主要干擾，來自噪聲的影響。因此，為了提高自動門的運行穩(wěn)定性，穩(wěn)定的電 壓和較小的波紋是重點考慮的問題。較為普遍的穩(wěn)壓裝置是變壓器，因為它價格實惠，但有一定的弱點，對于電源的穩(wěn)壓性能并不是很強。因此我們需要設(shè)計穩(wěn)壓電源并根據(jù)無刷直流電機供電要求選擇合理的電路參數(shù)，同時需要合理設(shè)計交流濾波器以減少電磁干擾。 由于自動門工作時間長、安全性要求高，因此從電網(wǎng)電源開始，就應(yīng)用了過流、過熱保護以盡量避免意外發(fā)生。保護電路有多種形式，下面是一種保護電路的框圖 （圖 3） 。 圖 3 保護電路框圖 過壓保護采用壓敏電阻和瞬變電壓抑制器，以防止雷擊等意外事故產(chǎn)生的瞬間高壓。交流 EMI 濾波器主要是用來 抑制共模、共差干擾。如 圖（ 圖 4） 所示，它主要包括兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，電路包括共模扼流圈、濾波電容、共模濾波電容。 自動門的整流電路主要是把交變的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，使電源適合各種驅(qū)動裝置（如無刷直流電機）的使用。全橋是由 4只整流二極管按橋式全波整流電路的形式連接并封裝為一體構(gòu)成的。全橋的正向電流有 、 1A、 、2A、 、 3A、 5A、 10A、 20A等多種規(guī)格，耐壓值（最高反向電壓有） 25V、 50V、100V、 200V、 300V、 400V、 500V、 600V、 800V、 1000V等多種規(guī)格。下圖 （圖 5）是其電路圖形符號與內(nèi)部電路。 交流 EM I 濾波器整流電路變壓器二次濾波過壓保護過流 、 過熱的保護電路 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 4 圖 5 無刷直流電機的應(yīng)用 目前自動門中的動力部分主要有無刷直流電機、交流變頻電機及步進電機的使用。今以無刷直流電機為例來介紹自動門系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。下圖是電機的主電路圖 （圖 6） ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 6 無刷直流電機需要控制器來進行控制， MC33035 無刷直流電機控制器采用雙極性模擬工藝制造，可在任何惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下保證高品質(zhì)和高穩(wěn)定性。該控制器內(nèi)含可用于正確整流時序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，以及可對傳感器的溫度進行補償?shù)膮?考電平，同時它還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調(diào)制器比較器、三個集電極開路頂端驅(qū)動輸出和三個非常適用于驅(qū)動功率場效應(yīng)管（ MOSFET）的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外， MC33035還有欠鎖定功能，同時帶有可選時間延遲鎖存關(guān)斷模式的逐周限流特性以及內(nèi)部運行使能等。 自動門控制要求。物體靠近門時傳感器獲得信號傳給控制器，控制器根據(jù)當(dāng)前所在位置決定門的動作。有三種情況： ①門處于關(guān)閉狀態(tài)，控制器應(yīng)驅(qū)動執(zhí)行電機以最佳速度曲線打開門。 ②門處于半開狀態(tài)，控制器應(yīng)根據(jù)門當(dāng)前所在位置，以 適當(dāng)?shù)乃俣闰?qū)動執(zhí)行電機開門。 ③門處于開啟狀態(tài)，控制器使門保持開啟狀態(tài)。 無物體靠近門時：如果門處于開啟狀態(tài)，延時適當(dāng)?shù)臅r間后以最佳速度曲線關(guān)閉門：如果門處于關(guān)閉狀態(tài)，維持相應(yīng)的開、關(guān)門速度曲線如圖一所示。關(guān)門時： OA 段為加速段， AB 段為穩(wěn)速運行段， BC 段為減速停止（門關(guān)到位）段。開門時： CB段為加速段， BA段為穩(wěn)速運行段， OA段為減速停止（門開到位）段。 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 14 根據(jù)自動門控制要求，系統(tǒng)原理框圖如下圖 （圖 7） 所示。開門門磁：檢測門的最大開啟位置，門開后驅(qū)動電機停止工作，并防止開門過量而損壞系統(tǒng)部件。閉門門磁： 檢測門的關(guān)閉位置，門關(guān)后驅(qū)動電機停止工作。驅(qū)動器：擴大驅(qū)動功率以驅(qū)動 150w的無刷直流電機。工作指示燈：（ a）有電源指示燈；（ b）正常、故障指示燈。超過預(yù)期時間門不到位即是故障狀態(tài)。 圖 7 系統(tǒng)原理框圖 直流電動機的選型 直流電動機的調(diào)速 并勵或他勵直流電動機與交流異步電動機相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維修也不方便，但是在調(diào)速性能上有其獨特的優(yōu)點。因為鼠籠式電動機在一般情況下是不能調(diào)速的，更不能無級調(diào)速，因此，對調(diào)速要求高的設(shè)備，均采用直流電動機。這是因為直流電動機能無級調(diào)速，機械傳 動機構(gòu)比較簡單。 由直流電動機的轉(zhuǎn)速公式： n=（ UIaRa） /KEΦ 可知， Ra、Φ和 U中的任意一個值，都可使轉(zhuǎn)速改變，改變電樞電路中外電阻的方法也可進行調(diào)速。但其缺點是耗電多，電機機械特性軟，調(diào)速范圍小，且只能進行有級調(diào)速，故這種方法目前已較少采用?，F(xiàn)常用的對直流電動機調(diào)速的方法有調(diào)磁法和調(diào)壓法。 紅外傳感器開門門磁閉門門磁控制器 驅(qū)動器電源220 v 市電M執(zhí)行電機 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 15 （ 1）調(diào)磁法 即改變磁通量Φ。當(dāng)保持電源電壓 U為額定值時，調(diào)節(jié) Rf，改變勵磁電流If以改變磁通量，如圖 13所示。由于 n=U/KEΦ Ra/KTKEΦ T 可知磁通Φ減少時， n0 升高 ，轉(zhuǎn)速降△ n 增大，但后者與Φ 2 成反比，所以磁通愈小，機械特性曲線愈陡，但仍具有一定硬度，如圖 14所示。在一定負(fù)載下，Φ愈小，則 n 愈高。由于電動機在額狀態(tài)運行時，它的磁路已接近飽和，所以通常都是減小磁通（Φ＜Φ n），將轉(zhuǎn)速往上調(diào)（ n＞ nn）。 調(diào)速的過程是：當(dāng)電壓 U保持恒定時，減小磁通Φ。由于機械慣性，轉(zhuǎn)速產(chǎn)立即發(fā)生變化，于是反電動勢 E=KEΦ n 就減小， Ia 隨之增加。由于 Ia 增加的影響超過Φ減小的影響，所以轉(zhuǎn)矩 T=KTΦ Ia也就增加。如果阻轉(zhuǎn)矩 Tc未變，則 T＞ Tc轉(zhuǎn)速 n上升。隨著 n的升高，反電動勢 E增大 ， Ia和 T也著減小，直到T=Tc時為止。但這時轉(zhuǎn)速已比原來升高了。 必須指出，若電動機在額定狀態(tài)下運行，則電樞電流 Ia為額定值，如果調(diào)速時負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍舊保持不變（為額定值），由于 T=KTΦ Ia，故減小磁通量Φ后 Ia必然超過額定值，因此調(diào)速后負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。這種調(diào)速方法適用于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比而輸出功率基本不變（恒功率調(diào)速）的場合。 這種調(diào)速方法有 3個優(yōu)點： （ 1）調(diào)速平滑，可無級調(diào)速； （ 2）調(diào)速經(jīng)濟，控制方便； （ 3）機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。 這種調(diào)速方法的局限是轉(zhuǎn)速只能升高，即調(diào)速后的轉(zhuǎn)速要超過額定轉(zhuǎn)速 。因為電機不允許超速太多，因此限制了它的調(diào)速范圍。在實際工作中，這種方法常