【文章內(nèi)容簡介】 中央處理 單元 即 CPU，如同 PC 機一樣它 是可編程邏輯控制器的控制中樞。CPU 按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出 寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來對大型可編程邏輯控制器還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 輸入輸出接口電路 （ 1） 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 4 （ 2） 現(xiàn)場輸出接口 電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。 功能模塊 如計數(shù)、定位 、通信 等功能模塊。 變頻器 圖 12 西門子 MM440變頻器 變頻器是一種靜止的頻率變換設備，其作用是將配電網(wǎng) 50Hz 的工頻交流電變成頻率可調(diào)的交流電，供普通的交流異步電動機作為電源，從而實現(xiàn)電動機的變速、恒速。 變頻器 具有 體積小、質(zhì)量輕、精度高、工藝先進、功能豐富、 安全可靠、操作簡便、通用性強、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點，優(yōu)于以往任何調(diào)速方式。變 頻器目前深受鋼鐵、有色金屬、石油、石油化工、化工、化纖、紡織、機械、電力、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、卷煙、城市供水及污水處理等行業(yè)的歡迎。 由于變頻器具有十分高效率的驅(qū)動性能 、 良好的可控制性能 和廣泛的應用空間 ，所以自問世以來便頗受業(yè)界青睞。 當今的變頻器產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，變頻器產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模日趨壯大。變頻器自 20 世紀 60 年代左右誕生，發(fā)展至 20 世紀 80 年代已得到主要的工業(yè)化國家廣泛的使用。 20 世紀 90 年代，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，變頻器的應用變得越來越普遍。 我國變頻器的市場總規(guī)模并不大，但國民經(jīng)濟的大幅增長極 大的帶動了變頻器市場的容量， 2020 年其總體銷售額大約為 61 億元左右，今后 還將以驚人的速度發(fā)展。 變頻器技術是應交流電機無級調(diào)速的需求而生的。 20 世紀 60 年代，隨著晶閘管（ SCR）功率的不斷增大，才是變頻器具有了實現(xiàn)的可行性。 而使變頻器大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 5 達到普及應用的階段（僅歐美國家） ，則是在 20 世紀 70 年代。 20 世紀 80 年代變頻器 作為變頻器核心技術的 PWM 模式優(yōu)化問題吸引著人們的注意，并且得出了諸多的優(yōu)化模式，如電壓空間相量 PWM 模式、鞍形波 PWM 模式等。 20 世紀 80 年代后半期，歐美等發(fā)達國家的 VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）變頻技術已相當成熟并已有 眾多 成品陸續(xù)投入市場應用。 到 20 世紀 90 年代，IGBT、場效應晶體管的出現(xiàn)和不斷改進提高，使得變頻器在各個方面前均取得了進步。 變頻器 可理解為能改變施加于交流電動機出線端上的電源頻率值和電壓值的調(diào)速設備。 它由電力電子器件、電子器件、微處理器（ CPU）等組成。 它可分為交 交和交 直 交兩種。交 交變頻器可將工頻交流電直接變換成電壓、頻率可調(diào)的交流電。所以 交 交變頻器又被叫做直接式變頻器。 交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過整流器變 成直流電，然后再把直流電變換成頻率和電壓均可控的交流電，又可稱之為間接變頻器。 在變頻調(diào)速時，往往需要同時對逆變器的輸出電壓和頻率進行調(diào)節(jié)，用以保障電動機主磁通維持恒定。 對輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有 PAM 方式、 PWM 方式以及高載波變頻率 PWM 方式。所謂 PAM 方式即脈沖幅值調(diào)節(jié)方式的簡稱，它是通過調(diào)節(jié)直流電壓幅值來對電壓進行控制的方式。 在變頻器中逆變器通常只負責調(diào)節(jié)輸出的頻率，而輸出的電壓則由相控整流器或者直流斬波器通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。 PAM 方式在系統(tǒng)低速運行時會產(chǎn)生較大的噪音與諧波，所以 PAM 方式通常只在 與高速電機配套的高速變頻器中使用。脈沖寬度調(diào)制方式簡稱 PWM 方式 ，在變頻器中的整流電路采用了不可控的二極管整流電路，變頻器的輸出頻率和輸出電壓的調(diào)節(jié)全部由逆變器按照 PWM 方式完成。利用參考電壓波與載頻三角波相互比較，以此來決定主開關器件的通斷時間，從而實現(xiàn)調(diào)壓。利用脈沖寬度的變化來得到幅值不同的正弦波基波電壓。這種參考信號 為正弦波、輸出電壓平均值近似為正弦波的 PWM 方式成為正弦 PWM 調(diào)試簡稱為 SPWM 方式。 SPWM 方式經(jīng)常用于通用變頻器中。高載波變頻率 PWM 方式與 PWM 方式的區(qū)別僅在于調(diào)制頻率有了很大的提高 。這是由于主開關器件的工作頻率較高，通常采用 IGBT 或 MOSFET 為主開關器件，開關頻率可達到 10～ 20KHz,可以大幅度降低電機的噪聲，達到靜音的效果。 變頻器的控制方式有三種分別為轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和 U/f 控制。 U/f控制方式又被稱為 VVVF 控制方式。主電路中的逆變器采用 IGBT 使用 PWM 方式進行控制。逆變器的控制脈沖發(fā)生器同時受控于頻率指令 f*和電壓指令 U， f*和 U之間的關系由 U/f 曲線發(fā)生器（ U/f 模式形成）決定。經(jīng)過 PWM 控制之后，變頻器的輸出頻率 f 與輸出電壓 U 之間的關系，就是 U/f 曲線發(fā)生器 所確定的關系。通過改變頻率設定值 f*來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。電動機實際的轉(zhuǎn)速則要根據(jù)負載大大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 6 小來確定。負載一旦變化，即使頻率 f*不變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也將隨負載的改變而改變。因此，它通常用于對轉(zhuǎn)速要求不高或負載變動較小的系統(tǒng)中。 U/f 控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，不需要轉(zhuǎn)速傳感器，控制電路簡單，負載可以使用通用標準異步電動機，所以通用性好，是目前各型通用變頻器產(chǎn)品使用較多的一種控制方式。如果沒有任何附加措施單純使用 U/f 控制方式顯然靜態(tài)調(diào)速精度難以滿足某些系統(tǒng)的要求。為了提高速度調(diào)節(jié)的精確度，可以采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。根據(jù)速度傳感器的 檢測 量 ，可以求出轉(zhuǎn)差頻率 △ f， 把△ f 與數(shù)度設定值 f*相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率 的 設定值 f*?,以此實現(xiàn)轉(zhuǎn)差補償。這種轉(zhuǎn)差補償?shù)拈]環(huán)控制方式就是轉(zhuǎn)差頻率控制方式。與 U/f 相比其調(diào)速精度大為提高。但使用速度傳感器求取轉(zhuǎn)差頻率往往要針對具體的電動機的機械特征調(diào)整控制參數(shù)，所以這種控制方式的通用性并不理想。 U/f 控制和轉(zhuǎn)差頻率控制的控制思想都是建立在異步電動機的靜態(tài)數(shù)學模型上的 ，動態(tài)性能指標并不高。對于造紙、軋鋼等對動態(tài)要求較高的場合中通常會采用矢量控制變頻器。為了提高變頻器調(diào)速的動態(tài)性能矢量控制會根據(jù)交流 電動機的動態(tài)數(shù)學模型利用坐標變換將交流電動機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量電流和磁場分量電流，并分別加以控制。矢量控制 通過 模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，對電動機的轉(zhuǎn)矩和磁場分別進行控制， 來 獲得近 似 于 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。 大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 7 第 二 章 設計方案 系統(tǒng)功能 首先本系統(tǒng)必需能夠進行正常的傳送工作， 如正運行、反向運行、啟動與停止。 與此同時為改進傳統(tǒng)傳送帶的不足系統(tǒng)要具有多速度切換功能。即系統(tǒng)運行中檢測前方出口處是否有物品積壓情況，如果沒有則系統(tǒng)保持正常速度運行 。如果前方出現(xiàn)積壓情況，則系統(tǒng)開始測量距離出口最 近的物品與出口的距離。系統(tǒng)為防止物品間的碰撞會根據(jù)距離出口最近的物品與出口的距離進行減速 或停止 直到物品積壓情況解除 。為保護電動機，傳送帶一般禁止帶負載啟動，所以設計時要加入軟啟動功能。為防止系統(tǒng)工作中發(fā)生危險，整個系統(tǒng)要對工作狀態(tài)進行指示同時對變頻器的故障進行報警并緊急停止工作。 為保證 系統(tǒng)在檢修維護是仍能夠維持工作，所以系統(tǒng)須具備手動工作與自動工作狀態(tài)相互切換的功能。 方案設計 為完成上述功能，本設計將使用 PLC 為整個系統(tǒng)的核心控制部分。以上幾乎所有功能都由 PLC 進行控制。利用 PLC 的開關量輸入對系統(tǒng) 開關 、 工作狀態(tài)選擇、傳送帶是否有積壓進行控制、選擇或反饋。另外通過 PLC 的數(shù)字輸出量對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行指示，最主要的是對變頻器進行控制。變頻器通過對電動機的頻率的調(diào)節(jié)來控制電動機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。因為需要手動，所以需要兩個變頻器一個主變頻器負責平時的自動調(diào)速 ，該變頻器全部功能都由數(shù)字控制。另一個變頻器變速部分為模擬量控制，另正反轉(zhuǎn)部分為開關量控制，負則檢修時的手動控制。 整個系統(tǒng)的運作流程如 圖 21 所示。 大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 8 圖 21 功能框圖 大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 9 第 三 章 系統(tǒng)的硬件 設計 本系統(tǒng)接工頻電源主要分為 PLC、變頻器和電動機三大部分。 系統(tǒng)最終能夠通過 PLC 與變頻器實現(xiàn)以下功能： (1)能對物品進行運送，速度可根據(jù)兩物品之間的距離自動變換防止傳送物品之間發(fā)生碰撞；（ 2）能夠?qū)崿F(xiàn)故障報警、狀態(tài)指示、傳送帶帶負載軟啟動等；（ 3）能夠?qū)崿F(xiàn)手動與自動狀態(tài)切換，方便維護。該系統(tǒng)主要運用了西門子 PLC、傳感器、繼電器、變頻器等器件，利用 PLC 良好的自動控制性能，實現(xiàn)流水線傳送帶傳送過程的無人控制。本文將主要對 PLC、變頻器以及 PLC 對變頻器的控制部分進行介紹。 主電路 的設計 圖 31 為系統(tǒng)的電氣原理圖 ，整個系統(tǒng)將以它為硬件部分的主體進行工作。論文將主要對 PLC 及變頻器進行介紹。 大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 10 圖31 電氣主接線圖 大 連交通大學 2020 屆 本科生畢業(yè)設計 11 由主接線圖可看出本系統(tǒng)采用兩個變頻器分別對電動機進行控制。 按下啟動按鈕 當開關 SA 選擇自動工作狀態(tài)時， PLC 控制線圈 KM0 得電 同時自動運行指示燈 L3 亮起 。 這時 名為 KM0 的開關動作，即主變頻器通電同時副變頻器與電動機斷開。同理當開關 SA 選擇手動工作狀態(tài)時， 手動操作指示燈 L4 亮起， 副變頻器通電同時主變頻器與電動機斷開。此設計意在保證自動與手動相互切換的同時防止 兩變頻器輸出端接通對變頻器造成損傷。主變頻器上的繼電器 1 為故障監(jiān)控，當變頻器發(fā)生故障時變頻器內(nèi)部繼電器 1 閉合線圈 SB1 得電，此時 PLC 輸入端的開關 SB1 閉合 ，并且常閉開關 SB1 將切斷變頻器對電動機的控制 。 故障信號由此輸入到 PLC 中進行處理 ， PLC 故障燈亮起 。開關 SB3 為反轉(zhuǎn)控制按鈕，當按下 SB3傳送帶反向運行。開關 SB4 為啟動按鈕，當按下啟動按鈕時系統(tǒng)才正式進入自動運行狀態(tài)， 當再按下 SB6 后變頻器停止。 PLC 通過變頻器控制電動機 軟啟動。 此啟動開關是為了防止傳送帶由手動切換回自動狀態(tài)后系統(tǒng)失控而設定。開關 SB5實際上是一個壓力開關 ，用于檢測傳送帶前方出口處是否存在積壓，如果有則相當于開關 SB5 閉合。開關 SB6 為正轉(zhuǎn)開關，用于把從系統(tǒng)反向運行狀態(tài)中恢復過來。 在副變頻器上有開關 SB2 SB2 SB23 分別與副變頻器的數(shù)字量輸入端Din Din Din7 相接。通過對副變頻器的參數(shù)設定可以 對開關功能進行設定或更改。本設計中 按鈕 SB21 為啟動 /停止控制按鈕，當按下 SB21 時啟動斷開時停止。按鈕 SB22 為反轉(zhuǎn)按鈕，當按下 SB22 時傳送 帶反向運行斷開時恢復正轉(zhuǎn)。SB23 為故障復位開關，用于故障后的復位。副變頻器通過電位器改變電位來進行頻率調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)傳送帶速度。 PLC 的選擇及 硬件的設計 從電氣主接線圖可以知道，系統(tǒng) PLC 總共有開關量輸入 7 個、開關量輸出10 個；模擬量輸入 1 個。 在諸多 PLC 廠商中西門子以其悠久的歷史、雄厚的技術勢力、產(chǎn)品 遍及自動化各個領