【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的智能度，可編擋控制系統(tǒng)必須具備大型計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算能力。這種對(duì)大型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)的集合主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ① 系統(tǒng)的高速響應(yīng)性 這里有一個(gè)概念要澄清，那就是：系統(tǒng)速度不是僅由 CPU 來決定，而且還要考慮I/0 數(shù)據(jù)的傳輸速度，當(dāng)然 CPU 的速度起著決定性的作，判斷 CPL 的速度主要是看每條指令的執(zhí)行時(shí)間。如 Siemens S7 200 PLC 的每條邏輯指令的計(jì)算速度為 ，三菱的 FX 系列的每條指令執(zhí)行時(shí)間為從 ；貝加菜（ B＆R）的 B＆R2022 的每條指令執(zhí)行時(shí)間為 。要提高整個(gè)系統(tǒng)的速度就要考慮 CPU 模塊的多處理器結(jié)構(gòu)。1／O 處理器主要負(fù)責(zé)獨(dú)立于 CPU 的數(shù)據(jù)傳輸工作。 即雙向口控制器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理?？梢娨粋€(gè)模塊上有三個(gè)處理器，它們既互相獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)（通過 DPR） ，從而使主 CPU 的資源得到合理使用，同時(shí)又最大限度的提高整個(gè)系統(tǒng)的速度。② 定性的多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)來自于大型計(jì)算機(jī)，如 UINIX 機(jī)。它可以將整個(gè)操作界面分成多個(gè)分別具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(jí)（Task Class） 。其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)，有著較短的巡回掃描周期，而且每個(gè)任務(wù)等級(jí)可包含多個(gè)具體任務(wù)。在這些任務(wù)中間可再細(xì)分其優(yōu)先權(quán)的高低。在這種操作系統(tǒng)的管理下，優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)總是被首先執(zhí)行，剩余的時(shí)間里可執(zhí)行優(yōu)先權(quán)較低的任務(wù)等級(jí)。這樣一個(gè)操作系統(tǒng)使得可以將比較重要的任務(wù)定義任務(wù)等級(jí)高一些，如調(diào)節(jié)器（由用戶定義） ，例外任務(wù)（EXCEPTIO －TASK，由系統(tǒng)定義） ，中斷任務(wù)（INTERRUPT－TASK，由系統(tǒng)定義） ，基于 PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5而一些較一般的任務(wù)可以將其任務(wù)等級(jí)定義得低一些，如報(bào)警處理任務(wù)、結(jié)果處理任務(wù)等。這樣整個(gè)控制系統(tǒng)便得到了優(yōu)化，具有較好的實(shí)時(shí)性。 ③ 編程語(yǔ)言高級(jí)化 一般來說，梯形圖和指令表兩種編程方式是比較常見和習(xí)慣的。因?yàn)檫@兩種方式都有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。例如梯形圖靠近電器線路比較直觀。而指令表是由匯編語(yǔ)言演繹過來的，比較靠近計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，然而，在控制思想日趨復(fù)雜的今天，用梯形圖和指令表來表達(dá)就顯得過于復(fù)雜和繁瑣。隨著 C 語(yǔ)言、FORTRAN、PASCAL 等高級(jí)語(yǔ)言加入到 PLC 中去，使復(fù)雜思想的表達(dá)就顯得方便簡(jiǎn)潔得多了。 ④ 較大的應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間 較高的系統(tǒng)分析計(jì)算能力當(dāng)然要求有足夠的程序存儲(chǔ)空間，同時(shí)足夠的程序存儲(chǔ)空間是系統(tǒng)具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力的先決條件。應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間的大小在某種意義上說明了其硬件系統(tǒng)的先進(jìn)程度。貝加菜 PCC 的內(nèi)存容量為 100kB～16mB。Siemens的 S7400 的內(nèi)存容量為 4kB～16mB 等等。⑶ 系統(tǒng)的開放性和兼容性 開放性和兼容性是不可分割的而且是相輔相成的概念。這里一方面是某一產(chǎn)品和第三家同類產(chǎn)品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系統(tǒng)尤其是軟件上的開發(fā)平臺(tái)對(duì)使用者有多大的開放程度。當(dāng)今可編程控制產(chǎn)品的種類繁多加上自動(dòng)化項(xiàng)目越來越大，致使常常在一個(gè)工程項(xiàng)目中出現(xiàn)不同廠家的產(chǎn)品做主從站的現(xiàn)象，這就要求每一廠家的產(chǎn)品族中，都要考慮到和其他廠家產(chǎn)品的兼容性問題。另一方面，可編程控制器與工業(yè)控制機(jī)等其他裝置的通信難易也體現(xiàn)了其開放性的特點(diǎn)。除此之外，同一廠家產(chǎn)品族中的各系列產(chǎn)品兼容性也代表了可編程控制產(chǎn)品的水平。 ⑷ 通用性和專業(yè)化的結(jié)合 控制產(chǎn)品是通用的，但是工業(yè)的每一領(lǐng)域都有其自己的特點(diǎn)。怎樣才能使一個(gè)系統(tǒng)既具有通用性又具備專業(yè)化，硬件系統(tǒng)的模塊化使這一矛盾得到解決。這樣一來，適合于某個(gè)行業(yè)或某些特殊問題的專用模塊就可以很容易地集成到通用系統(tǒng)中去。 常用的專用模塊包括：定位或 CNC 模塊、溫度測(cè)量模塊、稱重模塊、電力行業(yè)用的高速采樣模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等等。 ⑸ 可編程控制技術(shù)的智能化提高一個(gè)系統(tǒng)的智能程度不僅提高系統(tǒng)的品質(zhì)，在某種意義上也提高了系統(tǒng)的可靠性。其智能化發(fā)展的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)： ① 開發(fā)環(huán)境的智能性這包括可編程控制系統(tǒng)的自診斷功能、監(jiān)控功能以及在線幫助等功能。同時(shí)豐富基于 PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6的功能庫(kù)也是判斷一個(gè)系統(tǒng)智能性的重要依據(jù)。 ② 硬件的智能集成度現(xiàn)場(chǎng)總線的智能分布式結(jié)構(gòu)是突出的一點(diǎn)。另外，多處理器技術(shù)（MPU）和智能外設(shè)技術(shù)（I）并列于 CPU 的智能硬件也是不可忽略的發(fā)展趨向。③ 模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模糊邏輯的應(yīng)用分為硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)，主要用于模糊調(diào)節(jié)技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有待于進(jìn)一步發(fā)展。 ⑹ 可靠性與冗余所謂冗余即容錯(cuò)，就是功能的備份、安全及可靠性的備份。因?yàn)樘囟ǖ沫h(huán)境和條件要求自動(dòng)化系統(tǒng)有較高的可靠性。冗余基本上可以劃分為：CPU 和電源冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余，以及 1／O 冗余三個(gè)層次。同時(shí)冗余又可分雙冗余和多冗余的結(jié)構(gòu)。但從根本上來講，系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)各單元的可靠程度。要保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，首先要求系統(tǒng)各單元的質(zhì)量要得到保證。MTBF（平均無故障時(shí)間）是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。縱觀各著名廠商，其 PLC 產(chǎn)品都有不同程度的冗余功能，而且發(fā)展越來越完善。通過綜上所述，我們可以了解到，用 PLC 編程邏輯控制器來表達(dá)當(dāng)今可編程控制系統(tǒng)，己經(jīng)不再合適了。因?yàn)樵谄渲屑喝谌肓斯I(yè)計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)集散系統(tǒng)的特點(diǎn)。貝加萊公司于 1994 年首先提出了“ PCC 可編程計(jì)算機(jī)控制器（Programmble Computer Controller） ” 的概念。 Siemens 提出了 PCS 過程控制系統(tǒng)（Process Control System）的概念。基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)人們也提出了 FCS 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Field Bus Control of System）的概念。這些系統(tǒng)雖然名稱不同，側(cè)重面不一，但系統(tǒng)的技術(shù)水平是近似的。 電機(jī)控制的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)在現(xiàn)代社會(huì)中，電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制方式也多種多樣，有傳統(tǒng)人工加儀表的控制方式，現(xiàn)代的自動(dòng)控制方式，對(duì)電機(jī)控制主要是滿足其各種性能指標(biāo)的要求，如電機(jī)調(diào)速，就是這方面的例子，因電子技術(shù)的高速發(fā)展，促使電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是 PLC 的應(yīng)用，使電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段。智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。本課題對(duì)各種電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、比較，最終決定采用 PLC 和軟啟動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的任務(wù)。交流異步電機(jī)是電力拖動(dòng)的主力電機(jī)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。交流電機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流達(dá)額定電流的7倍使電網(wǎng)電壓驟降，影響其它用電設(shè)備的正常工作。此外，起基于 PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7動(dòng)頻繁時(shí)，過大的起動(dòng)電流使電機(jī)和線路過熱，拖動(dòng)設(shè)備也易受機(jī)械沖擊；若減少起動(dòng)次數(shù)，又常使電機(jī)長(zhǎng)期空轉(zhuǎn)，能耗大。因此，解決交流異步電機(jī)的起動(dòng)問題，對(duì)改善電網(wǎng)質(zhì)量，節(jié)省電能和線材，延長(zhǎng)電機(jī)與設(shè)備壽命，有重大的意義。通常交流異步電機(jī)是長(zhǎng)期工作制，起動(dòng)后長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行；即使是短時(shí)工作制或周期工作制。多數(shù)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間也超過數(shù)分鐘，遠(yuǎn)比數(shù)秒鐘的起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)得多。 因此在具有集群電機(jī)的場(chǎng)合，如每臺(tái)電機(jī)配一臺(tái)容量相當(dāng)?shù)钠饎?dòng)器，則起動(dòng)器長(zhǎng)期空閑，投資大，而效率極低。這也是中小型電機(jī)起動(dòng)設(shè)備難以推廣應(yīng)用的重要原因。而如果用一臺(tái)起動(dòng)設(shè)備管理多臺(tái)電機(jī)，實(shí)行交流電機(jī)起動(dòng)的集中控制。則可大大降低起動(dòng)設(shè)備成本，減小體積，提高效益。 課題發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望近些年來，PLC 在過程工業(yè)建模與應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外過程控制技術(shù)人員所關(guān)注的熱門研究課題。工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968 年美國(guó) GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求。第二年，美國(guó)數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable Controller（PC） 。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（PLC） ，現(xiàn)在，仍常常將PLC 簡(jiǎn)稱 PC。PLC 的定義有許多種。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì) PLC 的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。在各個(gè)領(lǐng)域，小到一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)電一體化設(shè)備、機(jī)床、大到整個(gè)生產(chǎn)線，大型的基于 PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8工程領(lǐng)域里，都存在 PLC 控制技術(shù)。PLC 已不在是局限在邏輯上，應(yīng)該理解成過程控制器，如西門子全集成自動(dòng)化 TIA 的概念。在整個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域，PLC 和傳動(dòng)是組成自 PLC 往大型化、集成化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的同時(shí)，還有很多分支在并列發(fā)展。我們還有很多單體化、一體化的設(shè)備，現(xiàn)在越來越微型化離散的控制也在同步進(jìn)行。比如西門子 S7200 功能強(qiáng)大，1000 多塊一個(gè)，原來是不能想象的。為滿足自動(dòng)控制領(lǐng)域各層面的不同要求，微型機(jī)、小型機(jī)的發(fā)展也很有前景?；?PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9第 2 章 電機(jī)啟動(dòng)控制方法的分析與比較 概述異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。例如，工業(yè)上各種機(jī)床、中小型軋鋼設(shè)備、礦山采掘機(jī)械、輸送機(jī)、提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等，都是三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的。在農(nóng)業(yè)方面，它被用于排灌、脫粒、磨粉和拖動(dòng)其它農(nóng)副產(chǎn)品的加工機(jī)械。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在電網(wǎng)的總負(fù)載中，動(dòng)力負(fù)載約占 59%，而異步電動(dòng)機(jī)則占總動(dòng)力負(fù)載的 85%，由此可見，異步電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要原動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)之所以被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)楹推渌鞣N電動(dòng)機(jī)比較，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、效率較高等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是也有一定的缺點(diǎn)，其調(diào)速性能較差，不如直流電動(dòng)機(jī)，功率因數(shù)較低，不如同步電動(dòng)機(jī)。 異步電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)與控制方法 星/三角轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制控制電路圖如圖 所示。圖 星/三角轉(zhuǎn)換主電路與控制回路電路工作分析：⑴ 合上電源開關(guān) Q，按下起動(dòng)按鈕 SB2，KMKT、KM3 線圈同時(shí)通電并自鎖，電動(dòng)機(jī)三相定子繞組聯(lián)接成星形接入三相交流電源進(jìn)行減壓起動(dòng)。⑵ 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通電延時(shí)型時(shí)間繼電器動(dòng)作，KT 常閉觸點(diǎn)斷開，KM3 線圈斷電釋放。基于 PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10⑶ 同時(shí) KT 常開觸點(diǎn)閉合，KM2 線圈通電吸合并自鎖，電動(dòng)機(jī)繞組聯(lián)接成三角形全壓運(yùn)行。⑷ 當(dāng) KM2 通電吸合后，KM2 常閉觸點(diǎn)斷開，使 KT 線圈斷電，避免時(shí)間繼電器長(zhǎng)期工作。KMKM3 觸點(diǎn)為互鎖觸點(diǎn)，以防止同時(shí)接成星形和三角形造成電源短路[10]。 自耦變壓器啟動(dòng)控制控制電路圖如圖 所示。 圖 自耦變壓器減壓起動(dòng)電路圖及控制回路電路工作分析：⑴ 按下起動(dòng)按鈕 SB2，KMKT 線圈同時(shí)通電并自鎖，將自耦變壓器接入主電路，電動(dòng)機(jī)由自耦變壓器供電作減壓起動(dòng)，同時(shí)指示燈 HL1 滅，HL2 亮，顯示電動(dòng)機(jī)正進(jìn)行減壓起動(dòng)。⑵ 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，時(shí)間繼電器 KT 通電延時(shí)閉合觸點(diǎn)閉合，使KA 線圈通電并自鎖，其常閉觸點(diǎn)斷開 KM1 線圈供電控制電路，KM1 線圈斷電釋放，將自耦變壓器從主電路切除；KA 的另一對(duì)常閉觸點(diǎn)斷開，HL2 指示燈滅；KA 的常開觸點(diǎn)閉合，接觸器 KM2 線圈通電吸合，電源電壓全部加在電動(dòng)機(jī)定子上，電動(dòng)機(jī)在額定電壓下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，KM2 常開觸點(diǎn)閉合，HL3 指示燈亮，表示電動(dòng)機(jī)減壓起動(dòng)結(jié)束。由于自耦變壓器星形聯(lián)接部分的電流為自耦變壓器一、二次電流之差，所以用KM2 輔助觸點(diǎn)來連接。自耦變壓器繞組一般具有多個(gè)抽頭以獲得不同的變化，自耦變壓器減壓起動(dòng)比Ｙ－△減壓起動(dòng)獲得的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大得多，所以自耦變壓器又稱為起動(dòng)補(bǔ)償器，是三基于 PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)11相籠型異步電動(dòng)機(jī)最常用的一種減壓起動(dòng)裝置 [10]。 串電抗啟動(dòng)控制控制電路如圖所示。圖 異步電機(jī)串電抗主電路圖及控制回路電路工作分析：通上電源之后，按下啟動(dòng)按鈕 SB2 按鈕，線圈 KM1 得電，其對(duì)應(yīng)的常開觸點(diǎn)KM1 閉合，常閉觸點(diǎn) KM1 斷開，從而電機(jī)串電抗啟動(dòng)；等電機(jī)正常啟動(dòng)完之后，按下按鈕 SB3，線圈 KM2 得電，其對(duì)應(yīng)的常開觸點(diǎn) KM2 閉合，常閉觸點(diǎn) KM2 斷開，此時(shí)短接電抗電機(jī)，從而退出串電抗啟動(dòng)。 電機(jī)在啟動(dòng)的一瞬間，由于啟動(dòng)電壓太大，對(duì)設(shè)備的沖擊性很強(qiáng)，所以利用串電抗的啟動(dòng)方法進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)完成之后再退出電抗，串電抗啟動(dòng)有利于減輕設(shè)備的壓力，即電壓電流對(duì)設(shè)備的沖擊損壞性 [10]。 軟啟動(dòng)軟啟動(dòng)器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路，主電路圖見圖 。