【文章內容簡介】 處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技術產生了飛躍。在邏輯運算功能的基礎上，增加了數(shù)值運算、閉環(huán)控制、提高了運算速度，擴大了輸入輸出規(guī)模。在這個時期，日本、西德（原）和法國相繼研制出了自己的 PLC，我國在 1974 年也開始研制。 70 年代由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 PLC 向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展，形成了多種系列化產品。這是面向工程技術人員的編程語言發(fā)展成熟， 出現(xiàn)了工藝人員使用的圖形語言。在功能上， PLC 可以代替某些模擬控制裝置和小型機 DDC 系統(tǒng)。 進入八九十年代后， PLC 的軟硬件功能進一步得到加強， PLC 已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設備通信，生成報表，調度產生，可診斷自身故障及機器故障。這些改進使 PLC 符合今天對高質量高產出的要求。盡管 PLC 功能越來越強，但他仍然保留了先前的簡單與易于使用的特點(PLC 實物圖 21) 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 10 圖 21 三種常見的 PLC PLC 的用途 PLC 的初期由于其價格高于繼電器控制裝置 ,使其應用受到限制。但近年來由于微處理器芯片及有關元件價格大大下降 ,使 PLC的成本下降 ,同時又由于 PLC的功能大大增強 ,使 PLC 的應用越來越廣泛 ,廣泛應用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)。 PLC 的應用通?？煞譃槲宸N類型： （ 1）順序控制 這是 PLC 應用最廣泛的領域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。 PLC 可應用于單機控制、多機群控、生產自動線控制等。如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制等。 （ 2）運動控制 PLC 制造商目前已提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模版。在多數(shù)情況下， PLC 把掃描目標位置的數(shù)據(jù)送給模版塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當?shù)乃俣群图铀俣?，確保運動平滑。相對來說，位置控制模塊比計算機數(shù)值控制（ CNC）裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作方便。 （ 3）閉環(huán)過程控制 PLC 能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量等。 PID（ Proportional Intergral Derivative）模塊的提供使 PLC 具有閉環(huán)控制功能 ,即一個具 有 PID 控制能力的 PLC 可用于過程控制。當過程控制中某一個變量出現(xiàn)偏差時 ,PID 控制算法會計算出正確的輸出 ,把變量保持在設定值上。 （ 4）數(shù)據(jù)處理 在機械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的 PLC 和計算機數(shù)值控制（ CNC）設備緊密結合的趨向。著名的日本 FANUC 公司推出的 Systen1 12 系列，已將 CNC 控制功能作為 PLC 的一部分。為了實現(xiàn) PLC 和 CNC 設備之間內部數(shù)據(jù)自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以獨自編程，由 PLC 送至 CNC 設備使用。美國 GE 公司的 CNC 設備新機種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的 PLC。預計今后幾年 CNC 系統(tǒng)將變成以 PLC 為主體的控 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 11 制和管理系統(tǒng)。 （ 5）通信和聯(lián)網(wǎng) 為了適應國外近幾年來興起的工廠自動化（ FA）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（ FMS）及集散控制系統(tǒng)（ DCS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展 PLC之間， PLC 和上級計算機之間的通信功能。作為實時控制系統(tǒng)，不僅 PLC 數(shù)據(jù)通信速率要求高，而且要考慮出現(xiàn)停電故障時的對策。 可編程控制器 (PLC)的特點 PLC 的性能特點 (1)硬件的可靠性 PLC 是在工業(yè)環(huán)境的惡劣條件下應用而設計的，一個設計良好的 PLC 能置于有很強的電噪聲、電磁干擾、機械振動、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。 在硬件設計方面，首先是選用優(yōu)質器件，再就是采用合理的系統(tǒng)結構，加固，簡化安裝，使它易于抗振動沖擊，對印制電路板的設計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施，而且在電路、結構及工藝上采取了一些獨特的方式。例如，在輸入 /輸出電路中都采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，用提高了抗干擾性能；各個 I/O 端口都除采用了常規(guī)模擬器濾波以外，還加上了數(shù)字濾波；內部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進的電源電路，以防止由電源回路串入的 干擾信號；采用了較合理的電路程序，一旦某模塊出現(xiàn)故障，進行在線插拔、調試時不會影響各機的正常運行。 由于 PLC 本身具有很高的可靠性，所以發(fā)生故障的部位大多集中在輸入 /輸出的部件上，以及如傳感器件、限位開關、光電開關、電磁電機等外圍裝置上。 (2) 編程簡單，使用方便 用微機實現(xiàn)自動控制，常使用匯編語言編程，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。 PLC 采用面向控制過程、面向問題的 “自然語言 ”編程，容易掌握。例如，目前打多數(shù) PLC 均采用的梯形圖語言編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感， 又顧及了大多數(shù)電氣技術人員的讀圖習慣及應用微機的水平很容易被電氣技術人員所接受，易于編程，程序改變時也容易修改，很靈活方便。 這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與目前微機控制常用的匯編語言 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 12 相比，雖然在 PLC 內部增加了解釋程序，增加了程序執(zhí)行時間，但對大多數(shù)的機電控制設備來說，這是微不足道的。 (3) 接線簡單，通用性好 PLC 的接線只需將輸入信號的設備（按鈕、開關等）與 PLC 輸入端子連接，將接受輸出信號執(zhí)行控制任務的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與 PLC 輸出端子連接。接線簡單、工作最少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。PLC 的編程邏輯提供了能隨要求而改變的 “接線網(wǎng)絡 ”，這樣生產線的自動化過程就能隨意改變。這種性能使 PLC 具有很高的經(jīng)濟效益。 用于連接現(xiàn)場設備的硬件接口實際上是 PLC 的組成部分，模塊化的自診斷接口電路能指出故障，并易于排除故障與替換故障部件，這樣的軟硬件設計就使現(xiàn)場電氣人員與技術人員易于是用。 (4)可連接為控制網(wǎng)絡系統(tǒng) PLC 可連成功能很強的網(wǎng)絡系統(tǒng)。網(wǎng)絡可分為兩類：一類是低速網(wǎng)絡，采用主從方式通信，傳輸速率從幾千波特到上萬波特 ，傳輸距離為 00m；另一類為高速網(wǎng)絡，采用令牌傳送方式通信，傳輸速率為 1M—10Mbps，傳輸距離為 000m，網(wǎng)上結點可達 1024 個。這兩類網(wǎng)絡可以級連，網(wǎng)上可兼容不同類型的可編程控制器和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡。 (5) 易于安裝，便于維護 PLC 安裝簡單而且功能有效，其相對小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間的一半的地方，在從繼電器系統(tǒng)改換到 PLC 系統(tǒng)的情況下， PLC 小的模塊結構使之能安裝在繼電器附近并將連線向已有接線端，其實改換很方便，只要將輸入 /輸出設備連向接線端即可。 在大型 安裝中，長距離輸入 /輸出站點安放在最優(yōu)地點。長距離站通過同軸電纜獲雙扭線連向 CPU，這種配置大大減少了物料和勞力，長距離子系統(tǒng)方法也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達安裝場地前由 PLC 制造商預先連好線，這一方法大大減少了電氣技術人員的現(xiàn)場安裝時間。 從一開始， PLC 便以易維護作為設計目標。由于幾乎所有器件都是固態(tài)的，維護時只需更換模塊級插入式部件，故障檢測電路將診斷指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于編程設備可見輸入 /輸出是 ON 還是 OFF， 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 13 還可寫編程指令來報告故障。 PLC 的這些及其他特性使之成為任 何一個控制系統(tǒng)的有益部分。一旦安裝后，其作用立即顯現(xiàn)，其收益也馬上實現(xiàn)，向其他智能設備一樣 ,PLC 的潛在優(yōu)點還取決于應用時的創(chuàng)造性。 PLC 的工作原理 PLC 具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。 PLC 則采用循環(huán)掃描工作方式。在 PLC 中，用戶程序按先后順序存放， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結束符后又返回第一條。如此周而不斷循環(huán)。每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。一個掃描周期大致可分為 I/O 刷新和執(zhí)行指令兩個階段。 所謂 I/O 刷新即對 PLC 的輸入進行一次讀取，將輸入端各變量的狀態(tài)重新讀入 PLC 中存入內部寄存器，同時將新的運算結果送到輸出端。這實際是將存入輸入、輸出狀態(tài)的寄存器內容進行了一次更新，故稱為 “I（輸入） /O(輸出 ) 刷新 ”。 由此可見，若輸入變量在 I/O 刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出端也會相應的發(fā)生變化，或者說輸出隊輸入產生了響應。反之，若在本次 I/O 刷新之后，輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，即不響應，而要到下一次掃描期間輸出才會產生響應。由于 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸出對輸入的響應速度要受掃描周期的 影響。掃描周期的長短主要取決于這幾個因數(shù)，二是每條指令占用的時間，三是指令條數(shù)的多少，即程序的長短。 對于慢速控制系統(tǒng)，響應速度常常不是主要的，故這種方式不但沒有壞處反而可以增強系統(tǒng)抗干擾能力。因為干擾常是脈沖式的、短時的，而由于系統(tǒng)響應較慢，常常要幾個掃描周期才響應一次，而多次掃描后，瞬間干擾所引起的誤動作將會大大減少，故增加了抗干擾能力。 但對控制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統(tǒng)，這一問題就需慎重考慮。應對響應時間作出精確的計算，精心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少周期造成的響應延時等的 不良影響。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 14 PLC 的編程語言 PLC 提供了較完整的編程語言，以適應 PLC 在工業(yè)環(huán)境中的應用。利用編程語言，按照不同的控制要求編制不同的控制程序，這相當于設計和改變繼電器的硬接線線路，這就是所謂的 “可編程序 ”。程序由編程器送到 PLC 內部的存儲器中，它也能方便地讀出、檢查與修改。 PLC 提供的編程語言通常由三種：梯形圖、功能圖、及布爾邏輯編程。 梯形圖 (Ladder Programming)是應用最廣的，梯形圖編程有時稱為繼電器梯形圖邏輯圖編程。它使用的最廣是因為它和以往的繼電器控制線路很接近。梯形圖是在原電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器梯形圖基礎上演變而來的，它與電氣操作原理相呼應。它的最大優(yōu)點是形象、直觀和實用，為廣大電氣技術人員所熟知。 PLC 的梯形圖與電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。 PLC 的梯形圖使用的時內部繼電器、定時器 /計數(shù)器，都是由軟件實現(xiàn)的，其主要特點為使用方便、修改靈活。 功能圖編程（ Function Chart Programming）是一種較新的編程方法。它的作用使用功能圖來表達一個順序控制過程。 布爾邏輯編程 (Boolean Logic Programming)包括 “與 ”（ AND）、或 (OR)、非(NOT)以及定時器、計數(shù)器、觸發(fā)器等。 每一種編程方法都有它的優(yōu)點和缺點，根據(jù)每一種特殊的控制要求，根據(jù)編程者的熟練程度正確合理應用編程方法。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 15 第三章 變頻器的原理與應用 變頻調速技術近年來發(fā)展很快，變頻器在節(jié)約電能的同時可以減少排放、降低能耗，理解并掌握變頻器的控制具有十分重要的現(xiàn)實意義，而且現(xiàn)在越來越多的工業(yè)控制場合選用 PLC 和變頻器用于電機的調速控制。 變頻器 變頻器的基本結構 變頻器是把工頻電源 (50Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。變頻器的基本構成如圖 31 所示，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的輔助電路組成。 圖 31 變頻器的基本結構框圖 變頻器的原理 變頻器可分為間接變頻器和直接變頻器兩大類。間接變頻器先將工頻交流電源整流成電壓大小可控的直流，再經(jīng)過逆變器變換成可變頻率交流，由此也稱交—直 —交變頻器；直接變頻器則將工頻交流一次性變換成可變頻率交流，故可稱交 —交變頻器。目前以間接變頻器應用較為廣泛。本文所述變頻器也屬于這一類。 按照電壓、頻率的控制方式，交 —直 —交變頻器有三種結構形式： (1)可控整流器調壓、逆變器調頻方式。如圖 32(a)所示：其調壓與調頻功能分別在兩個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)，由控制電路協(xié)調配合，故結構簡單、控制方便。由于裝 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 16 置輸入環(huán)節(jié)采用可控整流，當?shù)皖l低壓運行時，移相觸發(fā)角 U 很大，致使輸入功率因數(shù)低下，此外逆變器多用晶閘管型，每周換流 2 次的逆變器，器件開關頻率低輸出諧波成分大，當然，可控器件如 IGBT 的出現(xiàn)使得 PWM 控制成為可能，可以大大的改善其工作性能，但成本較高。 (2)不控整流器整流、斬波器調壓、逆變器調頻方式。如圖 22(b)所示：由于采用二極管整流，使輸入功率因數(shù)提高。由于輸出逆變環(huán)節(jié)功率器件采用晶閘管，仍有輸出諧波成分大的弊病。 (3)不控整流器整流、脈寬調制型 (PWM)逆變器同時實現(xiàn)調壓調頻方式。如圖 32(c)所示。此時除裝置輸入功率因數(shù)高，又因采用高開關頻率的逆變器，輸出諧波