【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)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(hào)，去驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備。上面三個(gè)階段的工作過(guò)程稱為一個(gè)掃描周期，然后PLC又重新執(zhí)行上述過(guò)程，周而復(fù)始地進(jìn)行。掃描周期一般為幾ms到幾十ms o 由PLC的工作過(guò)程可見(jiàn)，PLC執(zhí)行程序時(shí)所用到的狀態(tài)值不是直接從輸入端獲得的，即使輸入發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)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(gè)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(gè)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(shí)刻，它只能執(zhí)行一條指令，也就是說(shuō)，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(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問(wèn)題。 PLC的特點(diǎn) PLC的高可靠性和強(qiáng)抗干擾性，平均無(wú)故障時(shí)間一般可達(dá)3 } 5萬(wàn)小時(shí)，而且PLC的環(huán)境適應(yīng)性也很能強(qiáng)，這是PLC得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 PLC高可靠性的主要措施有:良好的綜合設(shè)計(jì)。選用優(yōu)質(zhì)器件。采用隔離、濾波、屏蔽等抗干擾技術(shù)。采用先進(jìn)的電源技術(shù)。采用實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)和故障診斷技術(shù):采用冗余技術(shù)及良好的制造工藝。 編程簡(jiǎn)單，PLC最常用的編程語(yǔ)言是梯形圖語(yǔ)言。梯形圖與繼電器原理圖類似，這種編程語(yǔ)言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)，便于廣大現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員掌握。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)改變程序，使用方便靈活。在大型PLC中還有高級(jí)編程語(yǔ)言以滿足各種不同控制對(duì)象和不同使用人員的需要。 通用性強(qiáng)，各個(gè)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(duì)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(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，一般不再需要用戶制作其它任何附加裝置，從而使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)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(bào)等、故障種類顯示等功能[yz}，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過(guò)更換模塊插件來(lái)迅速排除故障。它與被控制對(duì)象的硬件連接方式簡(jiǎn)單、接線少，便于維護(hù)。 歸納起來(lái)，PLC的特點(diǎn)有: C1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。 C2)編程簡(jiǎn)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方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據(jù)具體問(wèn)題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了編程。 (3)設(shè)計(jì)安裝容易，維護(hù)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(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)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(qiáng)、體積小、能耗低、性能價(jià)格比高。 在應(yīng)用PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下的基本原則，才能保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定: (1)最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。 (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單。 (3)系統(tǒng)工作要穩(wěn)定、可靠。 (4)控制系統(tǒng)能方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展、升級(jí)。 (5)人機(jī)界面友好。 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC己廣泛應(yīng)用國(guó)內(nèi)外的機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中。隨著其性能價(jià)格比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面[13]. (l}開(kāi)關(guān)量邏輯控制 PLC最基本的功能是邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制，常常用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。PLC對(duì)一些機(jī)床、機(jī)械手的控制、生產(chǎn)自動(dòng)線的控制都屬于這一類應(yīng)用。這是PLC的最基本的應(yīng)用。例如在中、高檔數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用PLC+NC的控制方式，前者實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量的控制。后者完成插補(bǔ)運(yùn)算等功能。 (2)運(yùn)動(dòng)控制 PLC使用專用的指令或運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、3軸和多軸聯(lián)動(dòng)的位置控制，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)結(jié)合在一起。PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛用于各種機(jī)械，例如金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)械、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 (3)閉環(huán)過(guò)程控制 閉環(huán)過(guò)程控制是指對(duì)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(guò)模擬量I/O模塊，實(shí)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(duì)模擬量實(shí)行閉環(huán)PID(比例一積分一微分)控制。SIEMENS的57300/400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)控制功能己經(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(jī)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(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算、求反、循環(huán)、移位、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等運(yùn)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(chǔ)在存儲(chǔ)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。 (5)通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括PLC與遠(yuǎn)程I/O之間的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC與其他智能控制設(shè)備(例如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置)之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。第三章通用變頻器原理 變頻器是把工頻電源(SOHz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。，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(jìn)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(duì)整流電路的輸出進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。與主電路相對(duì)應(yīng)，為主電路提供所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jìn)行V/f或電流控制時(shí)所需要的各種門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此外，變頻器的控制電路還包括對(duì)電流、電壓、電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行檢測(cè)的信號(hào)檢測(cè)電路，為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)的保護(hù)電路，對(duì)外接口電路和對(duì)數(shù)字操作盒的控制電路。 :變頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖 變頻器主控制電路的中心是一個(gè)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[is}y6}。它通過(guò)A/D , D/A等接口電路接收各種檢測(cè)信號(hào)和參數(shù)設(shè)定值，并進(jìn)行處理。它主要完成以下任務(wù):(1)輸入信號(hào)的處理。輸入信號(hào)包括頻率(速度)指令信號(hào)和運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的操作控制信號(hào)。指令信號(hào)有兩種:模擬指令信號(hào):0}lOV的電壓指令信號(hào)或4}20mA的電流指令信號(hào)。數(shù)字指令信號(hào):來(lái)自RS232C, RS485(通常為選件)的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中PLC輸入變頻器的信號(hào)為4} 20mA模擬指令信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信C7后送入微處理器。(2)加減速速率調(diào)節(jié)功能:(3)運(yùn)算處理等。主電路驅(qū)動(dòng)電路是為變頻器逆變電路的換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。信號(hào)檢測(cè)電路是將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器進(jìn)行處理后為各部分電路給出所需的控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，以達(dá)到控制變頻器的輸出和為變頻器及電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)的目的。而保護(hù)電路是由微處理器來(lái)判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)了異常，異常時(shí)則進(jìn)行各種必要的處理，包括停止變頻器的輸出。變頻器的保護(hù)功能包括對(duì)變頻器的輸出，對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)三個(gè)方面的內(nèi)容。變頻器的種類較多，但是工作原理類似，以交一直一交電壓型變頻器為例，簡(jiǎn)要介紹其工作原理。交一直一交電壓型變頻器是中小容量、通用型變頻器的主要形式。它由交一直變換電路、直一交變換電路和能耗制動(dòng)電路組成[fl} “交一直一交”變頻器的主電路 交一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3 .2中的交一直變換電路所示。 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3 .2中的VD1 } VD6，其導(dǎo)通順序是VD 1 }VD2}VD3}VD4}VDS}VD6。但對(duì)這些整流器件有一定的選擇原則[‘“〕: (1)最大反向電壓URM=2U}(3一1)式中，U}為電源線電壓的振幅值。即當(dāng)電源電壓為380V時(shí)，UR、一2x萬(wàn)x 38011一107311，則選擇UR、一120011。(2)最大整流電流I MAX=21N(32)式中，I、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(gè)電容器并聯(lián)成一組，C1和C2。因?yàn)殡娊怆娙萦休^大的離散性，故電容C1和C2的電容量不會(huì)完全相等，這樣使得它們承受的電壓U}，和Ucz不相等。為了是U}，和Ucz相等，在C1和C2的旁邊個(gè)并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻R}，和R}2 0C2)，串接在整流橋和濾波電容之間，由一個(gè)限流電阻R、和一個(gè)短路開(kāi)關(guān)S組成。1) 變頻器在接入電源之前，濾波電容上的直流電壓Uo = 0。當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向?yàn)V波電容，使得整流橋可能因此受到損壞，同時(shí)，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(kāi)關(guān)S 限流電阻R、如果長(zhǎng)期接在電路內(nèi)，會(huì)影響直流電壓U。和變頻器輸出電壓的大小。所以，當(dāng)直流電壓U。增大到一定程度時(shí)，把短路開(kāi)關(guān)S接通，限流電阻R、就短路了。 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。 ，有開(kāi)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(hào)控制，把直流電壓逆變成三相交流電。SPWM是指在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使得脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，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(fù)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 ) f39。9}fz}l o 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(zhǔn)波或調(diào)制波)和等腰三角波(載波)的交點(diǎn)來(lái)決定的，以單極性SPWM法為例。 。:為正弦調(diào)制波，u，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:C1)截止?fàn)顟B(tài)下的擊穿電壓UcFx=2DMAX式中，U~為直流電壓的最大值。(2)集電極最大電流I C39。M=21 MAX式中，I MA、為輸出電流的最大值。 .2可知，續(xù)流電路由VD7}VD12構(gòu)成，其功能是: (1)為電動(dòng)機(jī)繞組的無(wú)功電流返回直流電路時(shí)提供通路。 (2)當(dāng)頻率下降、從而同步轉(zhuǎn)速下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)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(guò)程中釋放能量提供通路。 (1)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) 在頻率剛減少的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了1800，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)距變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)距，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動(dòng)機(jī)的角度來(lái)看，處于再生制動(dòng)狀態(tài)。 (2)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài) (VD7}VD12)全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無(wú)法回輸給電網(wǎng)，只有靠C1和C2吸收，盡管各個(gè)部分的電路還在繼續(xù)消耗電能，但C1, C2上仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使得直流電壓升高。過(guò)高的直流電壓將使得各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓超過(guò)一定值時(shí)，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度看，拖動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)減少的動(dòng)能，由電動(dòng)機(jī)“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了?？偟膩?lái)說(shuō)，是通過(guò)消耗能量而獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)距的，屬于能耗制動(dòng)狀態(tài)。用于消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動(dòng)電路。 從圖3 .2中知，R。為制動(dòng)電阻，用于將電動(dòng)機(jī)的餓再生電能轉(zhuǎn)換成熱量而消耗掉。其 UnI。=一I、/2}Rlj_Rs2U/幾(35)I、為變頻器的額定電流。U。為直流電壓。R。的功率P川式制動(dòng)電阻R。是屬于短時(shí)間工作，所以比長(zhǎng)期通電時(shí)的消耗功率要小。P _ aU2o/RR(36) 式中，U。為直流電壓。a為選用系數(shù)，取值范圍一般a E [,]，取決于電動(dòng)機(jī)的容量和工作情況。通常，電動(dòng)機(jī)容量較少、制動(dòng)時(shí)間短時(shí)取小值，反之取較大值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)狀態(tài)屬于正常工狀態(tài)時(shí)，取a= 作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心一變頻器的性能越來(lái)越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對(duì)變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。在交流變頻器中常用的非智能控制方式有V/f}}1}調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等[zy 1. v/f控制 即u/f = c，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式。v/啦制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩一速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這