【導(dǎo)讀】重影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。本文提出了基于PLC控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，構(gòu)建了。一種新型絲光織染系統(tǒng)。系統(tǒng)中由西門子PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對(duì)變頻器、電機(jī)等設(shè)備的控制。基于STEP7-Micro軟件和組態(tài)王軟件的編程采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，大量采用代碼重用，減少了軟件的開發(fā)和維護(hù)。方案進(jìn)行了論證。其次，介紹了交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速原理和電壓正弦脈寬調(diào)。制波的微機(jī)算法。再次介紹了PLC的基本組成和各部分的作用及PLC的工作。最后，介紹了系統(tǒng)的生產(chǎn)流程、系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)，硬件配置和軟件實(shí)現(xiàn)。

　　

【正文】 間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 PLC 的梯形圖程序也很容易 掌握。 (6)維修方便，且工作量小 PlC 的故障率很低，并且有完善的診斷和顯示功能，一旦發(fā)生故障，可以根據(jù)PLC 上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除 PLC 的故障。 (7)體積小，能耗低 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 17 的基本組成 和 工作原理 PLC 實(shí)質(zhì)上是一種專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它具有比一般計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的與工業(yè)過(guò)程相連的接口，具有更適宜于控制要求的編程語(yǔ)言?？删幊炭刂破鞯慕M成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。 按結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 可分為整體式和組合式兩類。 整體式 PLC 是將中央處理 單元 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的 I/O 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中， CPU 是 PLC 的核心， I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。 組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/O 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過(guò)底板上的總線相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴(kuò)展底板。 CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過(guò)電纜連接，距離一般不 超過(guò) 10m。 無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。 PLC 各組成部分的作用 (1)中央處理單元 (CPU) CPU 模塊相當(dāng)于大腦和心臟，它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù) : ① 接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù) ； ② 診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語(yǔ)法錯(cuò)誤 ； ③ 用掃描的方式接收輸入信號(hào)，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器保存起來(lái) ； ④ PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作 ； ⑤ 將用戶程序的執(zhí) 行結(jié)果送至輸出端。 (2)存儲(chǔ)器 PLC 的存儲(chǔ)器根據(jù)其在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3種 : ① 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 :和各種計(jì)算機(jī)一樣， PLC 也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器就是用來(lái)存放這部分程序的。系統(tǒng)程序由 PLC 生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并固化在 ROM 內(nèi)，用戶不能直接讀取，故所使用的存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器 ROM 或 EPROM。 ② 用戶程序存儲(chǔ)器 :用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序 。由于用戶程序需要經(jīng)常改動(dòng)、調(diào)試，故用戶程序存儲(chǔ)器多為可隨時(shí)讀寫的 RAM。 ③ 工作數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器 :工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 18 存儲(chǔ)在 RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。 (3)I/O接口 數(shù)字 I/O 接口主要實(shí)現(xiàn) CPU 模板與 I/O 裝置和外設(shè)之間的數(shù)字信號(hào) (開關(guān)量 )的聯(lián)系，它完成電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離以及提供足夠驅(qū)動(dòng)能力的各種數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)等工作，有時(shí)還可提供各種中斷和通信方面的控制信號(hào)。 模擬 I/O 接口實(shí)現(xiàn)可編程控制器與 I/O 裝置之間的模擬信號(hào)的連接。其中輸入部分主要完成阻抗匹配、 I/V 變換、小信號(hào)放大、信號(hào)濾波以及 A/D 轉(zhuǎn)換等 功能，以及實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象送出的模擬量轉(zhuǎn)換成可編程控制器易于處理的數(shù)字量的作用。輸出部分主要完成阻抗匹配、功率放大和波形矯正等功能，以便向被控對(duì)象提供正常工作所需要的模擬控制信號(hào)。 (4)通信接口 為實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)過(guò)程”或“機(jī)一機(jī)”之間的對(duì)話，可編程控制器配有各種通信接口。通過(guò)這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它可編程控制器和計(jì)算機(jī)相連。 使用通信接口，使可編程控制器與外圍設(shè)備的連接能力進(jìn)一步加強(qiáng)，從而也豐富了可編程控制器的各種功能。 (5)擴(kuò)展接口 當(dāng)用一個(gè)中心單元不能滿足所要求的控制任務(wù)時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò) 展。擴(kuò)展接口就是用于連接中心單元與擴(kuò)展單元，擴(kuò)展單元與擴(kuò)展單元的模板。使用擴(kuò)展接口模板還可對(duì)系統(tǒng)中的 I/O模板地址進(jìn)行設(shè)定，從而根據(jù)需要方便地修改硬件地址。 (6)編程器 可編程控制器是以順序執(zhí)行存儲(chǔ)在它的存儲(chǔ)器中的程序來(lái)完成控制功能的。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求編出的控制程序通過(guò)一定方式輸入到可編程控制器內(nèi)，并經(jīng)調(diào)試修改后成為可執(zhí)行的控制程序。編程器的主要任務(wù)就是輸入程序、調(diào)試程序和監(jiān)測(cè)程序的執(zhí)行。 (7)電源 PLC 使用 220V交流電源或 24V直流電源。 PLC 內(nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的電路供電。某些 PLC 可以 為輸入電路和外部電子檢測(cè)裝置 (如接近開關(guān) )提供 24V直流電源，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流電源一般由用戶提供。 PLC 的 工作原理 是 用戶程序的執(zhí)行不是從頭到尾只執(zhí)行一遍，而是執(zhí)行完一遍之后，又返回去執(zhí)行第二遍、第三遍??直到停機(jī)。如果程序的每一條指令執(zhí)行的足夠快，整個(gè)程序的長(zhǎng)度有限，使得每執(zhí)行一次程序占用的時(shí)間足夠短，這個(gè)時(shí)間短到足以保證變量條件不變。那么即使在前一次執(zhí)行程序時(shí)對(duì)某一變量的狀態(tài)沒有捕捉到，也能保證在第二次執(zhí)行程序時(shí)該條件依然存在。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 19 PLC 對(duì)用戶程序的執(zhí)行主要按三個(gè)掃描過(guò)程進(jìn)行 : (1)第一過(guò)程 — 輸入 掃描在這個(gè)過(guò)程中， PLC 按掃描方式讀入該 PLC 所有端子上的輸入信號(hào) (可能有的端子上并沒有接輸入信號(hào)，它也作輸入 )，并將這些輸入信號(hào)存入輸入映像區(qū)。在本工作周期的執(zhí)行和輸出過(guò)程中，輸入映像區(qū)內(nèi)的內(nèi)容不會(huì)隨實(shí)際信號(hào)的變化而變化。 由此可見，一般輸入映像區(qū)中的內(nèi)容只有在輸入掃描階段才會(huì)被刷新，但在有些 PLC 控制中，這個(gè)區(qū)內(nèi)的內(nèi)容在程序執(zhí)行過(guò)程中也允許每隔一定的時(shí)間定時(shí)被刷新一次，以取得更為實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。 (2)第二個(gè)過(guò)程 — 執(zhí)行掃描在執(zhí)行用戶程序的掃描過(guò)程中，可編程序控制器對(duì)用戶以梯形圖方式 (或其它方式 )編寫的程序按 從上到下，從左到右的順序逐一掃描各指令，然后從輸入映象區(qū)取出相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)或從輸出映象區(qū)讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，然后做出程序確定的邏輯運(yùn)算或其它數(shù)字運(yùn)算，然后隨運(yùn)算結(jié)果存入確定的輸出映象區(qū)有關(guān)單元，但這個(gè)結(jié)果在整個(gè)程序未執(zhí)行完畢前不會(huì)送到輸出端口上。 (3)第三個(gè)過(guò)程 — 輸出掃描在執(zhí)行完用戶所有程序后， PLC 將輸出映象區(qū)中的內(nèi)容同時(shí)送入到輸出鎖存器中 (稱輸出刷新 )，然后由鎖存器經(jīng)功率放大后去驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈，最后使輸出端子上的信號(hào)變?yōu)楸敬喂ぷ髦芷谶\(yùn)行結(jié)果的實(shí)際輸出。 上述三個(gè)過(guò)程構(gòu)成了 PLC 工作的一個(gè)工作周期。 PLC 按工作周期方式周而復(fù)始地循環(huán)工作，完成對(duì)被控對(duì)象的控制作用。 PLC 的選擇 S7200 系列 PLC 是 德國(guó)西門子 公司生產(chǎn)的高性能小型 PLC。本 設(shè)計(jì) 選用S7200PLC CPU226，是微型 PLC。 (1)S7200PLC CPU226 的特點(diǎn) ① 體積極小 S7200PLC CPU226 的尺寸為 196 80 62cm， 質(zhì)量 660g，功耗 17W。 很適合于在機(jī)電一體化產(chǎn)品中使用， DC輸入型內(nèi)裝的 DC24V電源可作為傳感器的輔助電源。 ② 靈活多變的系統(tǒng)配置 S7200系列 PLC的系統(tǒng)配置靈活， 用戶除了可以選用不同的子系統(tǒng)外，還可以選多種基本單元、擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊，組成不同 I/O 點(diǎn)和不同功能的控制系統(tǒng)，各種不同的配置都可以得到很高的性能價(jià)格比。 S7200 系列的硬件配置就像模塊式PLC 那樣靈活，因?yàn)樗幕締卧捎谜w式結(jié)構(gòu)，又具有比模塊式 PLC 更高的性能價(jià)格比。 ③ 功能強(qiáng)、使用方便 S7200系列 PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)。使用唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 20 范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到復(fù)雜的自動(dòng)控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。 ④ 先進(jìn)美觀的外部 結(jié)構(gòu) S7200PLC CPU226 吸收了整體式和模塊式 PLC 的優(yōu)點(diǎn)，它的基本單元、擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊 都可裝在 基板 上， 用扁平電纜連接。 (2)S7200PLC CPU226 的 技術(shù)參數(shù) S7200PLC CPU226 是 S7200PLC 中功能最強(qiáng)，速度最高的 PLC。程序存儲(chǔ)區(qū)在線編程時(shí)為 16384B，非在線編程時(shí)為 24576B，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 10240B。有 5 種模擬量輸入 /輸出模塊， 本機(jī)具有 24點(diǎn)輸入， 16 點(diǎn)輸出，共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn) 。6個(gè)高速計(jì)數(shù)器， 256 個(gè)定時(shí)器， 2 個(gè)定時(shí)中斷和 4個(gè)外部中斷，自 帶 2個(gè) RS485 接口。有 PID 控制器，具有 PID 自整定的功能 。也有 PPI/MPI 和自由方式通信的能力 ,更大的存儲(chǔ)空間，更強(qiáng)的擴(kuò)展能力及更快的運(yùn)行速度和強(qiáng)大的內(nèi)部集成特殊功能，使其可以滿足復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)的要求。 本設(shè)計(jì)采用西門子公司的 S7200 系列的 PLC 作為本控制系統(tǒng)的核心控制器，所選的 CPU 型號(hào)為 CPU226。實(shí)際使用時(shí)根據(jù)需要可對(duì) CPU 進(jìn)行模擬量和開關(guān)量模塊的擴(kuò)展。 在工業(yè)控制中，某些輸入量 (例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等 )是模擬量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu) (例如電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻器等 )要求 PLC 輸出模擬信號(hào)， 而 PLC 只能處理數(shù)字量。模擬量首先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓，例如 DC 4~20mA， 1~5V， PLC 用 A/D 轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。帶正負(fù)號(hào)的電流或電壓在 A/D 轉(zhuǎn)換后用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示。 D/A 轉(zhuǎn)換器將 PLC 的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量 I/O 模塊的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn) A/D(模擬量輸入 )轉(zhuǎn)換或 D/A 轉(zhuǎn)換 (模擬量輸出 )。 A/D 轉(zhuǎn)換器 和 D/A 轉(zhuǎn)換器 的二進(jìn)制位數(shù)反映了它們的分辨率，位數(shù)越多，分辨率越高。 S7200 的模擬量擴(kuò)展模塊中 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)均為 12 位 。 本系統(tǒng)擴(kuò)展了 1個(gè) EM223 數(shù)字量擴(kuò)展模塊和 2 個(gè) EM235 和 4 個(gè) EM232 模擬量輸入 /輸出模塊。以 CPU 自帶的 RS485 通訊口作為 PLC 與上位機(jī) 的 通訊端口。 表 31 系統(tǒng)擴(kuò)展模塊技術(shù)數(shù)據(jù) 模塊 擴(kuò)展 模塊 數(shù) (塊 ) 點(diǎn)數(shù) EM223 1 32 輸入 /32 輸出 EM232 4 2 路模擬量輸出 EM235 2 4 路輸入 1 路輸出 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 21 電動(dòng)機(jī)的選擇 (1)電動(dòng)機(jī)的類型選擇 選擇電機(jī)主要選擇電動(dòng)機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)、容量、轉(zhuǎn)速，最后確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和規(guī)格。 生產(chǎn)單位一般用三相交流電源，如無(wú)特殊要求通常采用 Y 系列三相交 流異步電動(dòng)機(jī)。 Y 系列封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)效率高，耗電少，性能好，噪聲低，振動(dòng)小，體積小，重量輕，運(yùn)行可靠，維修方便。為 B 級(jí)絕緣。結(jié)構(gòu)為全封閉、自扇冷式，能防止灰塵、鐵屑、雜物侵入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部 [17]。 (2)電動(dòng)機(jī)的功率選擇 標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的容量以額定功率表示，所選的電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)不小于所需工作機(jī)要求的功率 P，工作機(jī)要求的電動(dòng)機(jī)功率 P 可以由式 (36)計(jì)算 [18] P=P1/η (36) P——電動(dòng)機(jī)功率 P1——機(jī) 械傳動(dòng)軸上的功率 η——機(jī)械總效率，一般主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床 η=；主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床 η=(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的取大值，復(fù)雜的取小值 ) 取 η= 設(shè) 機(jī)械傳動(dòng)軸上的功率 為 P1為 6 kW。 P=6/=(kW) (3)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇 電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速有 3000， 1500， 1000 和 750r/min。設(shè)計(jì)經(jīng)常選用同步轉(zhuǎn)速為 1500 和 1000r/min 的電動(dòng)機(jī)，其滿載轉(zhuǎn)速可查電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)各電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇 1440r/min 和 1430r/min。 (4)電動(dòng)機(jī)的選型 選 擇電動(dòng)機(jī)的種類時(shí)，首先考慮電動(dòng)機(jī)的性能必須滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求；其次，盡量?jī)?yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的電動(dòng)機(jī)。 拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的核心部分，為使電力拖動(dòng)系統(tǒng)安全、可靠，經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)行，首要的就是正確選用電動(dòng)機(jī)。 衡量電動(dòng)機(jī)的選擇是否妥當(dāng)，是看選擇過(guò)程中是否滿足生產(chǎn)機(jī)械所提出的有關(guān)機(jī)械特性的要求，其功率是否能被充分利用，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式是否適合周圍環(huán)境的條件。 根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速范圍，從 《新編機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》 中查出適用的電機(jī)型號(hào)。如 果 適用型號(hào)有數(shù)種，應(yīng)綜合考慮電機(jī)和傳動(dòng)裝置 的尺寸、重量、價(jià)格和傳動(dòng)比，選擇出較佳型號(hào) 的電動(dòng)機(jī) ，并記錄下主要性能參數(shù)。 如表 33所示。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 22 表 32 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù) 電動(dòng)機(jī) 規(guī)格(/kW) 數(shù)量(臺(tái) ) 型號(hào) 額定電流(/A) 額定電壓(/V) 轉(zhuǎn)速(r/min) 二輥軋車 電動(dòng)機(jī) 11 2