【正文】 通常變頻器也通過接線端子向外部 輸出相應(yīng)的監(jiān)測模擬信號。 當(dāng)變頻器和 PLC 的電壓信號范圍不同時，如變頻器的輸入信號為 0～ 10V，而 PLC 的輸出電壓信號范圍為 0～ 5V 時；或 PLC 的一側(cè)的輸出信號電壓范圍為 0～ 10V 而變頻 器的輸入電壓信號范圍為 0～ 5V 時，由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限 制，需用串聯(lián)的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證進(jìn)行開閉時不超過 PLC 和變頻器相應(yīng)的容量。數(shù)字輸入多采用變頻器面板上的鍵盤操作和串行接口來給定；模擬輸 入則通過接線端子由外部給定，通常通過 0～ 10V/5V 的電壓信號或 0/4～ 20ｍＡ的電流 信號輸入。 正確的連接是利用 PLC 電源 ， 將外部晶體管的集電極經(jīng)過二極管接到 PLC。圖 2 與圖 3 給出了 正確與錯誤的接線例子。 在設(shè)計(jì)變頻器的輸入信號電路時還應(yīng)該注意， 當(dāng)輸入信號電路連接不當(dāng)時有時也會 造成變頻器的誤動作。變頻器通常 利用繼電器接點(diǎn)或具有繼電器接點(diǎn)開關(guān)特性的元器件（如晶 體管）與 PLC 相連，得到運(yùn)行狀態(tài)指令。而且 PLC 控制變頻器這個組合能更有效率的反應(yīng)故障信息，作用動作更迅速、測 量更精確，控制更簡單方便。 12 PLC 與變頻器的組合 在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為 常見的是 PLC 和變頻器的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多 種多樣的 PLC 控制變頻器的方法。 當(dāng)今的運(yùn)動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng) 域，總的發(fā)展趨勢是 ： 驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化 纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用。自上世紀(jì) 80 年代被引進(jìn)中國以來，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的 諧波對電機(jī)的影響，二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，三要看本身的能量損耗 （即效率）如何。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是 把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。它能實(shí)現(xiàn)功 率因數(shù)為 l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。為此，矩陣式交 —交變頻應(yīng)運(yùn)而生。 (5) 矩陣式交 —交控制方式 VVVF 變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交 —直 —交變頻中的一種。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型， 控制電動機(jī)的磁鏈 和轉(zhuǎn)矩。經(jīng)實(shí)踐使用后 又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除 低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但是，這種控制方式在低頻時， 由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式見式 ： n＝ 60 f(1－ s)/p 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 8 () 式 中 n———異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速； f———異步電動機(jī)的頻率； s———電動機(jī)轉(zhuǎn)差率； p———電動機(jī)極對數(shù)。 交流電輸入整流器，變?yōu)橹绷魍ㄟ^中間電路，最后變回交流從逆變器輸出。 其控制電路則主要是由 “運(yùn)算電路 ” 、 “電壓、電流檢測電路 ” 、 “驅(qū)動電路 ” 、 “速度檢測電路 ” 、 “保護(hù)電路 ”組成。 變頻器是利用電力半導(dǎo)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。 9 變頻器的介紹 變頻器的工作原理 變頻器，英文名是 Variablefrequency Drive，簡稱 VFD。 從 PLC 的發(fā)展趨勢看， PLC 控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。大型的 PLC 一般為多處理器系統(tǒng)，由字處 理器、位處理器和浮點(diǎn)處理器等組成，有較大的存儲能力和功能很強(qiáng)的輸入輸出接口。這種 PLC 可以廣泛取代繼電器控 制系 統(tǒng) ， 應(yīng) 用 于 單 機(jī) 控 制 和 規(guī) 模 比 較 小 的 自 動 線 控 制 ， 如 日 本 立 石 公 司 的 C20P\C40P\C60P\C20H\C40H 等。 由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)需求的多樣性， PLC 的發(fā)展方向有兩個 ： 8 PLC 控制變頻器帶電機(jī)多段速運(yùn)行 (1) 朝著小型、簡易、價格 低廉方向發(fā)展。 PLC 由于其性能優(yōu)越、可靠性高、程序編寫容 易、安裝與維修方便，且只要改變其軟件程序即可改變其控制順序，從而輕易地達(dá)成控 制上的不同需求。可編程序 控制器技術(shù)在世界上己廣泛應(yīng)用， 成為自動化系統(tǒng)中的基本電控裝置 PLC 在現(xiàn)代工業(yè)生 產(chǎn)和實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用，由于可編程控制器（ PLC）具有編程軟件采自易學(xué)易 懂的梯形圖語言、控制靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，現(xiàn)在的工業(yè)自 動化生產(chǎn)控制多采用可編程控制器來實(shí)現(xiàn)。 由于 PLC 上述幾個方面的應(yīng)用，而且 PLC 控制系統(tǒng)使其網(wǎng)絡(luò)又可大可小，所以 PLC 已經(jīng) 應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)，如冶金、機(jī)械、化工、輕工、食品、建材等等，不僅如此， PLC 也應(yīng)用于一些非工業(yè)過程，如樓宇自動化、電梯控制、以及農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控等 。汽車。 PLC 控制系統(tǒng)可應(yīng)用于三相異步電動機(jī)單向運(yùn)轉(zhuǎn)控制、三相異步電動機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)控 制、水塔水位控制、自動送料裝車控制、交通信號燈控制、液體混合裝 置控制、大小球 分類傳送控制、人行橫道與車道燈控制、電動機(jī)的丫 △ 減壓起動控制、送料車控制和 天塔之光控制等。 6 PLC 的應(yīng)用 最初， PLC 主要用于開關(guān)量的邏輯控制。在此期間， CPU 按照 I/O 映象 區(qū)內(nèi)對應(yīng)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(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。 即使用 I/O 指 令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從 I/O 模塊取值，輸出過程影 像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 即在用戶程序執(zhí)行過程中， 只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化， 而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)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(jié)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。 (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(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。 (1) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段， 以掃描方 式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù) PLC 據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。 完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 ⑤ 體積小，重量輕，能耗低。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變 程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 PLC 控制變頻器帶電機(jī)多段速運(yùn)行 PLC 用存儲邏輯代替接線邏 輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 及。 這種編程方法很有規(guī)律， 很容易掌握。為不熟 悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之 門。它接口容易，編程語 言易于為工程技術(shù) 人員接受。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī) 界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。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(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端 子連接外部接線。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇 怪了。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。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采 用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 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(guān)的少量硬件， 接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/10~1/100， 因觸點(diǎn)接觸不良造 成的故障大為減少。 (2) PLC 其特點(diǎn)如下 ： ① 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 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。 ⑤ 功能模塊 如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。 ④ 輸入輸出接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路， 作用是 PLC 與現(xiàn)場控制的 接口界面的輸入通道。 ③ 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。為了進(jìn)一步提 高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 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)。當(dāng) PLC 投入運(yùn)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(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù) 據(jù)寄存器內(nèi)。一般交流 電壓波動在 +10%(+15%)范圍內(nèi)， 可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去 ② 中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。 圖 1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備和實(shí)訓(xùn)室布局圖 PLC 和變頻器的介紹 4 PLC 的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) (1) PLC 的結(jié)構(gòu)如下 ① 電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。 （ 3）學(xué)習(xí)條件 10套 THMDTK1型機(jī)械設(shè)備裝調(diào)與控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)裝置 。本項(xiàng)目陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 4 任務(wù)處于《電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用》課程的后期，即學(xué)生通過本課程前幾章的學(xué)習(xí)，已經(jīng)熟練掌握了電氣控制系統(tǒng)常用器件及常用電氣控制線路設(shè)計(jì)，了解 S7200PLC 的原理、結(jié)構(gòu)、編程元件與指令系統(tǒng)，梯形圖設(shè)計(jì)原則與技巧，熟悉常用基本環(huán)節(jié)的編程以及計(jì)算機(jī)輔助編程。 1 背景分析 （ 1）項(xiàng)目選題背景 該項(xiàng)目選自于高等職業(yè)院校機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程《電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用》，課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握常用電氣控制元件，常用電氣控制線路，可編程序控制器（ PLC）的原理、結(jié)構(gòu)、編程元件與指令系統(tǒng)，梯形圖設(shè)計(jì)原則與技巧， PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以及計(jì)算機(jī)輔助編程和 PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 ⑷ 實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計(jì)。 ⑵ 對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括變頻器參數(shù)的設(shè)置、變頻開環(huán)調(diào)速、多 段速控制以及觸摸屏通信方式的設(shè)計(jì)。 本系統(tǒng)是通過可編程控制器控制三相交流異步電動機(jī)的調(diào)速功能。如搬運(yùn)機(jī)械，從 反抗性負(fù)載的搬運(yùn)車輛、帶式 運(yùn)輸機(jī)到位能負(fù)載的起重機(jī)、提升機(jī)、立體倉庫、立體 停車廠等都已采用了通用變頻器。 通用變頻器經(jīng)歷了模擬控制、 數(shù)字控制、 數(shù)模混合控制， 直到全數(shù)字控制的演變， 逐步地實(shí)現(xiàn)了多功能化和高性能化，進(jìn)而使之對各類生產(chǎn)機(jī)械、各類生產(chǎn)工藝的適應(yīng) 性不斷增強(qiáng)。例如安川公司的 VS616—G5 變頻器 就有 :無 PG(速度傳感器 )V/f 控制 :有 PG V/f 控制 :無 PG 矢量控制 :有 PG 矢量控制等四 種控制方式。日益 豐富的軟件