【文章內容簡介】 程控制器（ PLC）是微電子技術、繼電器控制技術和計算機及通信技術相結合的新型通用的自動控制裝置。 PLC 具有體積小、功能強、可靠性高、使用方便、易于編程控制、適于工業(yè)應用環(huán)境等一系列優(yōu)點，因此廣泛應用于各行業(yè)的控制系統(tǒng)中，如機械制造、電力、交通、輕工、食品加工等行業(yè)。 PLC 既可用于舊設備改造，也可用于新產(chǎn)品開發(fā)，在機電一體化、工業(yè)自動化等方面應用極其廣泛 。 可編程控制器（ PLC）廣泛地應用于工業(yè)控制。它通過用戶存儲的應用程序來控制生產(chǎn)過程，具有可靠性高、穩(wěn)定性好 和實時處理能力強的優(yōu)點。 PLC 是把計算機技術與繼電器控制技術有機地結合起來，為工業(yè)自動化提供近乎完美的現(xiàn)代化自動控制的裝置。 ，抗干擾能力強 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng) 1/10~1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采 用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F系列PLC平均無故障時間高達 30萬小時。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣 ，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 ，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標準化、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)。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 有較強的帶負載能力，可直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加 13 上 PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 ，深受工程技術人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門 。 、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 ，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，僅相 當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的 1/2~1/10。它的重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備 。 1 掃描技術 當 PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC的 CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 1）輸入采樣階段 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)，并將它們存入 I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 2)用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù) 邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O映象區(qū)或系統(tǒng) RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用 。 3） 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后， PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O 映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時，才是 PLC的真正輸出。同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結果也不同。另外，采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區(qū)別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。 一般來說， PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采 樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和 。 14 目前， PLC產(chǎn)品大致可分為美國、歐洲國家、日本三大主流。在 PLC 選型時，反復比較，編者選中了目前流行的、有較高性價比的西門子 S7200系列小型 PLC。該型號的 PLC指令豐富、功能強大，其占有率在國內市場正處于上升趨勢。 選擇西門子 S7200的 PLC， CPU224的結構圖如圖 2所示。 本機集成 14輸入 /10輸出共 24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接 7個擴展模塊，最大擴至 168路數(shù)字量 I/O點或 35路模擬量 I/O點。 16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空 間。 6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個 RS485通訊 /編程口，具有 PPI通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。 (1)當三相異步電機接入三相交流電源 (各相差 120度電角度 )時，三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢并產(chǎn)生旋轉磁場，該磁場以同步轉速 n0沿定子和轉子內圓空間作順時針方向旋轉。 (2)該旋轉磁場與轉子導體有相對切割運動 ,根據(jù)電磁感應原理 ,轉子導 體產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流。 (3)根據(jù)電磁力定律，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產(chǎn)生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。載流的轉子導體在定子產(chǎn)生的磁場磁場中受到電磁力作用，電磁力對電機轉子軸形成電磁轉矩，驅動電機轉子沿著旋轉磁場方向旋轉，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。 （ 1）變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆 變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 （ 2） 我們知道，交流電動機的同步轉速表達式位： n＝ 60f(1－ s)/p (1) 式中 n——— 異步電動機的轉速； f——— 異步電動機的頻率； s——— 電動機轉差率； p——— 電動機極對數(shù)。 由式 (1)可知，轉速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉速，當頻率 f在 0～ 50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調 節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。 整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 變頻器主要是由主電路、控制電路組成： (1)主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 (2)控制電路是給異步電動機供電（電壓 、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路” 15 以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 MM 440系列變頻器 MICROMASTER440是用于控制三相交流電動機速度和轉矩的變頻器。本系列有多種型號，額定功率范圍從 120W到 200kW(恒定轉矩 (CT)控制方式 )，或者可達 250kW(可變轉矩 (VT)控制方 )，供用戶選用。 本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術 水平的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調制技術，可使電動機噪聲運行。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。 MICROMASTER 440 具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動裝置。由于 MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。 MICROMASTER 440既可用于單獨傳動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’ 中。 MM440變頻器特點 1）、主要特性 易于安裝 易于調試 牢固的 EMC設計 可由 IT電源供電 對控制信號的響應是快速和可重復的 參數(shù)設置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應用對象進行配置 電纜連接簡便 具有多個繼電器輸 具有多個模擬量輸出 (0~20mA) 6個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換可 NPN/PNP接線 1 2個模擬輸入： ? ADC1： 0~10V， 0~20mA和 10至 +10V ? ADC2： 0~10V， 0~20mA 1 2個模擬輸入可以作為第 7和第 8個數(shù)字輸入 1 BICO技術 1模塊化設計，配置非常靈活 1開關頻率高 (傳動變頻器可到 16kHz)，因而電動機運行的噪音低 1內部 RS485接口 (端口 ) 1詳細的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能 2）、性能特性 矢量控制 ? 無傳感器矢量控制 (SLVC) ? 帶編碼器的矢量控制 (VC) V/f控制 ? 磁通電流控制 (FCC)，用于改善動態(tài)響應和電動機的控制特性 ? 多點 V/f特性 自動再啟動 捕捉再啟動 滑差補償 快速電流限制 (FCL)動能，適用于自由脫扣運行 電機停機抱閘 16 內置直流制動 復合制動功能改善了制動特性 內置制動單元 (框架尺寸 A至 F)用于電阻制動 (動力制動 ) 1給定值輸入，通過： ? 模擬輸入 ? 通訊接口 ? 點動 (JOG)功能 ? 電動電位計 ? 固定頻率 1斜坡函數(shù)發(fā)生器 ? 有平滑功能 ? 無平滑功能 1工藝調節(jié)器 (PID) 1參數(shù)組轉換 ? 傳動數(shù)據(jù)組 (DDS) ? 命令數(shù)據(jù)組和給定值源 (CDS) 1自由功能塊 1直流母線電壓調節(jié)器 1動能緩沖 1定位控制的斜坡下降 3）、保護特性 過電壓 /欠電壓保護 變頻器過熱保護 接地故障保護 短路保護 I2t電動機過熱保護 PTC/KTY84電動機保護 17 MM440變頻器的控制端子 表 2 MM440變頻器的控制端子 PLC 的 I/O 分配 I0.，電動機運行，對應電動機運行按鈕 SB1； I0.，電動機停止，對應電動機停止按鈕 SB2； Q0.，固定頻率設置，接 MM40數(shù)字輸入端子“ 5” 18 Q0.，固定頻率設置，接 MM40數(shù)字輸入端子“ 6” Q0.，固定頻率設置，接 MM40數(shù)字輸入端子“ 7” Q0.