【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，現(xiàn)在的可編程序控制器不僅可以進(jìn)行邏輯控 制，也可以對(duì)模擬量進(jìn)行控制。 PLC 自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，己經(jīng)成為最受歡迎的工業(yè)控制類(lèi)產(chǎn)品。它之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較 好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。 PLC 的組成及各部分作用 PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 可分為整體式和組合式兩類(lèi)。 整體式 PLC 是將中央處理單元 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立 的 I/0 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中， CPU 是 PLC 的核心， I/0 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。 組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/0 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過(guò)底板上的總線 13 相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱(chēng)為 CPU 底板，其它稱(chēng)為擴(kuò)展底板。 CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過(guò)電纜連接，距離一般不超過(guò) 10cm。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的 PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。 1. 中央處理單元 (CPU) CPU 在 PLC 中的作用類(lèi)似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，整個(gè) PLC 的工作過(guò)程都是在 CPU 的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。它的主要功能有以下幾點(diǎn)： 1） 接收從編程器輸入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，送入存儲(chǔ)器存儲(chǔ)； 2） 監(jiān)測(cè)和 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語(yǔ)法錯(cuò)誤； 3） 用掃描的方式接收輸入信號(hào) ，并 送入 PLC 的 數(shù)據(jù)區(qū) (輸入映像寄存器 ) 保存起來(lái) ； 4） PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶(hù)程序，進(jìn)行解釋和執(zhí)行，完成用戶(hù)程序中規(guī)定的各種操作； 5） 根據(jù) 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容， 以實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能； PLC 常用的 CPU 有通用微處理器、單片機(jī)和位片式微處理器。 通用微處理器常用的是 8 位機(jī)和 16 位機(jī)，如 8080、 808 M68000、 80286和 80386 等。 單片機(jī)常用的有 803 805和 8096 等。 位片式微處理器常用的有 AMD290 AMD2903 等。 小型 PLC 大多采用 8位微處理器或單片機(jī)，中型 PLC 大多采用 16位微處理器或單片機(jī)，大型 PLC 大多采用高速位片式處理器。 PLC 的檔次越高， 所用的 CPU的位數(shù)也越多，運(yùn)算速度也越快，功能越強(qiáng)。 14 圖 PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2. 存儲(chǔ)器 PLC 配有 2 種存儲(chǔ)器： 1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器； 2）用戶(hù)程序存儲(chǔ)器； 數(shù)據(jù)表用來(lái)存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個(gè)數(shù)據(jù)占一個(gè)字。它存儲(chǔ)用戶(hù)程序執(zhí)行時(shí)的某些可變參數(shù)值，如定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來(lái)存放 A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等 。 3．輸入輸 出 (I/O)單元 I/0單元也稱(chēng)為 I/0模塊。 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的輸入信號(hào)多種多樣，信號(hào)電平各不相同，而 PLC所能處理的信號(hào)只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此必須通過(guò)輸入模塊將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU能夠接收和處理的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)。同樣，外部執(zhí)行元件如電磁閥、接觸器、繼電器等所需的控制信號(hào)電平也千差萬(wàn)別，亦必須通過(guò)輸出模塊將 CPU輸出的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成這些執(zhí)行元件所能接收的控制信號(hào) 。所以， I/O模塊實(shí)際上是 CPU與現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出設(shè)備之間的連接部件，起著 PLC與被控對(duì)象間傳遞輸入輸出信息的作用。 PLC通過(guò) I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系，輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)信息，加控制按鈕、操作開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)、光電管、繼電器觸點(diǎn)、行程 開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等信號(hào)，并通過(guò)輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU能夠接收和處理的信號(hào)。輸出單元將 CPU送出的弱電控制信號(hào)通過(guò)輸 15 出電路的光電隔離和功率放大等轉(zhuǎn)換 成 為 現(xiàn)場(chǎng) 需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以 驅(qū)動(dòng) 接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件。 4．編程器 編程器是 PLC的最重要的外圍設(shè)備，也是 PLC不可缺少的一部分。 編程器的作用是將用戶(hù)編寫(xiě)的程序下載至 PLC的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器 ,還可以對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行檢查、修改和調(diào)試，以及在線監(jiān)視 PLC的工作狀態(tài) ，內(nèi)部部件及系統(tǒng)參數(shù) 。它通過(guò)接口與 CPU聯(lián)系，完成人機(jī)對(duì)話。 編程器一般分為簡(jiǎn)易編程器和圖形編程器兩類(lèi)。簡(jiǎn)易編程器功能較少，一般只能用語(yǔ)句表形式進(jìn)行編程，通常需要連機(jī)工作。簡(jiǎn)易編程器使用時(shí)直接與 PLC的專(zhuān)用插座相連接，由 PLC提供電源。它體積小，重量輕，便于攜帶，適合小型PLC使用。圖形編程器既可以用指令語(yǔ)句進(jìn)行編程，又可以用梯形圖編程；既可連機(jī)編程又可脫機(jī)編程，操作方便，功能強(qiáng)，有液晶顯示的便攜式和陰極射線式兩種。圖形編程器還可與打印機(jī)、繪圖儀等設(shè)備連接，但價(jià)格相對(duì)較高。通常大中型 PLC多采用圖形編程器。 目前 很多 PLC制造廠家大都開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助 PLC編程軟件，當(dāng) 個(gè)人計(jì)算機(jī)安裝了 PLC編程支持軟件后，可用圖形編程器進(jìn)行用戶(hù)程序編輯 、 修改并通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)和 PLC之間的通信接口實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序雙向傳送 、 監(jiān)控 PLC運(yùn)行狀態(tài)等。 5．電源部件 PLC配有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的電源模塊，用來(lái)將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供 PLC內(nèi) 部的 CPU、存儲(chǔ)器和 I／ O接口等電路工作所需的直流電源。 PLC的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施，因此對(duì)外部電源的穩(wěn)定性要求不高，一般允許外部電源電壓的額定值在 +l0％～ 15％的范圍內(nèi)波動(dòng)。小型 PLC的電源往往和 CPU單元合為一體，大中型PLC都有專(zhuān)用電源部件。 有些 PLC的 電源部件還能向外提供直流 24V穩(wěn)壓電源，用于對(duì)外部傳感器供電，避免由于外部電源污染或不合格電源引起的故障。為防止在外部電源發(fā)生故障的情況下， PLC內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)等重要信息的丟失， PLC還帶有鋰電池作為后備電源。 PLC 的工作原理 PLC的工作方式：采用循環(huán)掃描方式。 掃描從第 0號(hào)存儲(chǔ)地址所存放的第一條用戶(hù)程序開(kāi)始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增的方向順序逐 16 條掃描用戶(hù)程序，也就是順序執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束，即完成一個(gè)掃描周期，然后再?gòu)念^開(kāi)始執(zhí)行用戶(hù)程序，并周而復(fù)始地重復(fù) 。 PLC開(kāi)始運(yùn)行時(shí) ，首先清除 I／ O映像區(qū) 的內(nèi)容，然后進(jìn)行自診斷，自檢 CPU及 I／ O組件，確認(rèn)正常后開(kāi)始循環(huán)掃描。每個(gè)掃描過(guò)程分為三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。 PLC重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段，每重復(fù)一次的時(shí)間就是一個(gè)工作周期 (或掃描周期 )，如圖 。 圖 PLC工作周期的三個(gè)階段 在輸 入采樣階段， PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存 I/O映像區(qū) 中 的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新階段。 這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I／ O映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變 。 程序執(zhí)行階段 ， 又稱(chēng)程序處理階段。 在程序執(zhí)行階段 ， 根據(jù) PLC梯形 圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。 在程序執(zhí)行階段，只有輸入映像寄存器區(qū)存放的輸入采樣值不會(huì)發(fā)生改變，其他各種元素在輸出映像寄存器區(qū)或系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和 數(shù)據(jù)都有 可能隨著程序的執(zhí)行隨時(shí)發(fā)生改變。 PLC從輸入 映像 寄存器中讀出上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀出對(duì)應(yīng)映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。根據(jù)用戶(hù)程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。 程序執(zhí)行完畢后 ， 進(jìn)入輸出刷新階段。 然后， 將輸出映像寄存器區(qū)中所有輸出 繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器 ，通過(guò)隔離電路，驅(qū)動(dòng)功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 17 第四章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能分析 隨著電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域得到 了廣泛應(yīng)用；可編程控制器 PLC 作為替代繼電器的新型控制裝置，簡(jiǎn)單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長(zhǎng)且功能強(qiáng)大、容易使用、可靠性高，常常被用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的控制；組態(tài)軟件技術(shù)作為用戶(hù)可定制功能的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)工具，可實(shí)現(xiàn)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)速控制，在 PC 機(jī)上可開(kāi)發(fā)友好人機(jī)界面，通過(guò) PLC 可以對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行“智能”控制。在此，本次設(shè)計(jì)就是基于 PLC 的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的 PLC 和變頻器綜合起來(lái)主要功能實(shí)現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動(dòng)等。 本系統(tǒng)主要完成異步電 機(jī)兩 種調(diào)速， 由于變頻器參數(shù)設(shè)置的不同，調(diào)速方式也有所不同，分別為變頻閉環(huán)調(diào)速 和 多段速 控制。 PLC 和變頻器的選擇 本設(shè)計(jì)選用的是 西門(mén)子公司 生產(chǎn) 的 SIMATIC S7200 系列小型 PLC 和 面向世界推出的 21 世紀(jì)通用型變頻器 MM420。 S7200 介紹 S7200 型 PLC 可用于代替繼電器的簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于 它極強(qiáng)的 通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。 本系統(tǒng)中主要選用了 SIMATIC S7200型 PLC， SIMATIC S7200可編程序控制器采用模 塊化設(shè)計(jì)，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴(kuò)展十分方便 。 S7200 CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個(gè)緊湊的外殼中，從而形成了 一 個(gè)功能強(qiáng)大的 Micro PLC。在下載了程序之后， S7200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸出設(shè)備。 S7200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的 CPU模塊和豐富的功能擴(kuò)展模塊組成。它能夠滿(mǎn)足各種設(shè)備的自動(dòng)化控制需求。應(yīng)用 18 領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制相關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包 括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備、汽車(chē)、機(jī)器人等等。如沖壓機(jī)床、印刷機(jī)械、中央空調(diào)、電梯控制、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等等。 S7200系列除了具有 PLC的基本控制功能以外，還有以下三個(gè)方面特點(diǎn)： (1)功能強(qiáng)大的指令集； (2)豐富強(qiáng)大的通信功能； (3)編程軟件的易用性； SIMATIC S7200 PLC 的工作模式 S7200PLC具有兩種工作模式，分別是：運(yùn)行 (RUN)模