【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 了近 30年的發(fā)展之后，使傳統(tǒng)的 PLC也具有了邏輯順序控制、模擬量處理、回 路調(diào)節(jié)技術(shù)等三個(gè)功能。 可編程控制技求的發(fā)展趨勢(shì) 隨著 計(jì) 機(jī)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化的愈 來(lái)愈高的需求，可編程控制技術(shù) 得到了飛速的發(fā)展。僅僅將 PLC 理解為開(kāi)關(guān)量控制的話，那就是一個(gè)錯(cuò)誤的概 念了。綜合國(guó)外特別是歐洲及國(guó)內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，其發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面 ： ⑴ 可編程控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化 一種自動(dòng)化產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力除表現(xiàn)在其技術(shù)上的個(gè)性外，更重要的還在于其 滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的程度和水平。標(biāo)準(zhǔn)化一方面保證了產(chǎn)品的出廠質(zhì)量，另一方面也保證了各個(gè)廠家產(chǎn)品的互相兼容。出廠檢驗(yàn)時(shí)各可編程控制產(chǎn)品的廠家都有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作依據(jù)。例如，美國(guó)有 NEMA 標(biāo)準(zhǔn)、日本有 JIS 標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)、奧地利有喧囂標(biāo)準(zhǔn)。 按照基于 PLC 的多臺(tái)電機(jī)群控及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 這些標(biāo)準(zhǔn) ，各種型號(hào)的 PLC 產(chǎn)品對(duì)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境、抗干擾性等條目都給出了明確的規(guī)定。 但是，這些標(biāo)準(zhǔn)目前只能是統(tǒng)一區(qū)域性的產(chǎn)品，而不能實(shí)現(xiàn)全球的統(tǒng)一性。在 PLC的發(fā)展過(guò)程中，特別是給工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)的困擾是，雖然 PLC 的基本語(yǔ)言梯形圖和指令表分別是在接觸器、繼電器以及匯編語(yǔ)言的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，但是各廠家無(wú)論是從語(yǔ)言結(jié)構(gòu)、語(yǔ)言功能還是從語(yǔ)言表述 L 都有不同程度上的較大區(qū)別。 為了使各 PLC廠家的產(chǎn)品有一個(gè)共同的參考平面，制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 ⑵ 大型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)的集成 傳統(tǒng)的 PLC 僅憑單純的邏輯順序控制功能己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)今 工業(yè) 控制 任務(wù)的需求，要處理一些復(fù)雜的任務(wù)，使控制系統(tǒng)具有較高的智能度，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(lái)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＆ R20xx 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?jiàn)一個(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(guò) 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(lái)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），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。 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 ③ 編程語(yǔ)言高級(jí)化 一般來(lái)說(shuō) ，梯形圖和指令表兩種編程方式是比較常見(jiàn) 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(guò)來(lái)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(lái)表達(dá)就顯得過(guò)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(shuō)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(kāi)放性和兼 容 性 開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)使用者有多大的開(kāi)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(lái)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(wèn)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(kāi)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(lái) ，適合于某個(gè)行業(yè)或某些特殊 問(wèn)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(kāi)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 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 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(lái)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(wú)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(lái)越 完善。 通過(guò)綜上所述，我們可以了解到，用 PLC 編程邏輯控制器來(lái)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(guò) 程控制系統(tǒng) （ Process Control System）的概念?；诂F(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(lái)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(lái)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，起動(dòng)頻繁時(shí)，過(guò)大的起動(dòng)電流使電機(jī)和線路過(guò)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(wèn)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。 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 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(guò)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(lái)， PLC 在過(guò)程工業(yè)建 模與應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外過(guò)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(guò)程中，大量的開(kāi)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(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)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(guò)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)是組成自動(dòng)控制的兩個(gè)非常重要的部分 .在主流 PLC 往大型化、集成化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)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 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(lái)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(lái)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 。 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) 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(jiàn)，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(kāi)關(guān) Q，按下起動(dòng)按鈕 SB2， KM KT、 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(kāi)， 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) 10 ⑶