【正文】 一個(gè)重要的課題被提出來(lái)。所以稱之為減壓起動(dòng)。 電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)是采用串接于電源與被控電動(dòng)機(jī)間的軟起動(dòng)器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)輸入電壓從零開(kāi)始逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，賦于電動(dòng)機(jī)全電壓的起動(dòng)方式。斜坡電壓起動(dòng)顧名思義是電壓由小到大斜坡線性上升，它是將傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)從有級(jí)變成了無(wú)級(jí)，主要用在重載起動(dòng)，它的缺點(diǎn)是初始轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性拋物線型上升對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)不利，且起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)有損于電機(jī)。同時(shí)降低電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動(dòng)方式，它的缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷，應(yīng)用時(shí)要特別注意。 軟起動(dòng)運(yùn)行特點(diǎn)（1）能使電機(jī)起動(dòng)電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升，起動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊電流，減小負(fù)載的機(jī)械沖擊。（3）可以根據(jù)不同的負(fù)載設(shè)定起動(dòng)時(shí)間。 軟起動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合 原則上，異步電動(dòng)機(jī)凡不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場(chǎng)合都可使用，適用于各種泵類負(fù)載或風(fēng)機(jī)類負(fù)載，需要軟起動(dòng)與軟停車，對(duì)于變負(fù)載工況、電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，只有短時(shí)或瞬間處于滿負(fù)荷運(yùn)行場(chǎng)合，應(yīng)用軟起動(dòng)器（不帶旁路接觸器）則具有輕載節(jié)能的效果。其中高壓固態(tài)軟起動(dòng)器主要依賴進(jìn)口，成本高，價(jià)格雖略低于高壓變頻器，但它采用SCR降壓不降頻的控制方式，性能卻遠(yuǎn)不如高壓變頻器。因此，其對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的應(yīng)用并不廣泛。目前，10000KW的水平，但比較成熟、可靠的還僅限于電壓10KV以下、容量5000KW以下的鼠籠式電動(dòng)機(jī)。變頻器應(yīng)用于高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，主要控制方式有如下兩種：1）10(6)KV電源→降壓變壓器→低壓變頻器→升壓變壓器→高壓電動(dòng)機(jī)2）（6）KV電源→高壓變頻器→高壓電動(dòng)機(jī)高壓變頻器之所以在高壓領(lǐng)域能夠得到廣泛地應(yīng)用，在于其良好的起動(dòng)及調(diào)速特性?？蓪?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流、電壓斜坡上升方式的起動(dòng)，以滿足不同的負(fù)載及工藝起動(dòng)要求。在各種起動(dòng)控制方式中,其起動(dòng)電流最小。起動(dòng)功率因數(shù)及起動(dòng)機(jī)械效率均比其它起動(dòng)方式要高。高壓變頻器不僅可以用于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，而且可以同時(shí)用于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的調(diào)速節(jié)能。對(duì)于6脈沖整流電路，電網(wǎng)輸入側(cè)的5次諧波畸變率達(dá)到基波電流的20%，7次諧波率達(dá)到基波電流的14%，忽略11次及以上的高次諧波，總的電流諧波畸變率達(dá)到基波電流的34%以上，大大超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的諧波電流限定值。因此須同時(shí)投資大容量的諧波濾波裝置。而且從僅用于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)這個(gè)角度考慮，可謂得不償失。如此，將大大降低電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命，甚至損壞電機(jī),一般需配置特殊絕緣的鼠籠式電動(dòng)機(jī)。采用級(jí)聯(lián)五電平以上的變頻器時(shí)，雖可極大地減小這些負(fù)面影響，但要配置正弦濾波器。而且維修費(fèi)用是相當(dāng)高的。但是，在不是舍我莫誰(shuí)的情況下，選用高壓變頻器作為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)設(shè)備，其一次投資并沒(méi)有什么大的收益，尤其是非頻繁起動(dòng)的負(fù)載，更不適宜選用高壓變頻器。雖然能夠基本實(shí)現(xiàn)平滑起動(dòng)，但造價(jià)較昂貴，而且高次諧波含量大、技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，所以應(yīng)用不是很廣范。電機(jī)起動(dòng)時(shí)由于串聯(lián)了可調(diào)電抗，起動(dòng)電流較小。再將可調(diào)電抗旁路后退出運(yùn)行，電機(jī)起動(dòng)過(guò)程完成。熱變電阻的導(dǎo)電介質(zhì)是具有一定濃度的電解液，它的起動(dòng)原理是將水溶液用一容器加固密封，兩極板固定不動(dòng)，起動(dòng)時(shí)利用極板間大的起動(dòng)電流將電解液的溫度急劇提升，使液阻發(fā)生電解反應(yīng)，電解液的電阻率發(fā)生變化。（二）性能特點(diǎn)：由熱變電阻的原理可以看出：起動(dòng)初始電液阻值不可調(diào)由于兩個(gè)導(dǎo)電極板是固定安裝，兩個(gè)導(dǎo)電極板的間距固定不變。因此，每次起動(dòng)電流難以保證相同的起動(dòng)特牲。阻值不易調(diào)整，熱變電阻一旦設(shè)置好就無(wú)法調(diào)整,而電液阻值是被動(dòng)地隨主電機(jī)電流的變化而因液溫間接變化，而不是主動(dòng)地改變電液阻值去控制主電機(jī)的起動(dòng)電流。從前述的工作原理可以看出，用熱變電阻實(shí)現(xiàn)的軟起動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流不可控、不可調(diào)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短根本不由熱變電阻決定，依然決定于電動(dòng)機(jī)及負(fù)載本身的特性。況且實(shí)際的電液溫度不會(huì)超過(guò)800C，那么在起動(dòng)切換到全壓運(yùn)行的時(shí)刻，電液阻值肯定不小?？偲饎?dòng)過(guò)程中溫升明顯，巨大的起動(dòng)電流必然造成局部液體開(kāi)鍋現(xiàn)象，產(chǎn)生大量蒸汽，而液阻箱為嚴(yán)密封閉狀態(tài)，類似高壓鍋，因此存在巨大的安全隱患。由于液態(tài)電阻在常壓下最高溫度為100℃，電阻率ρ不可能為零，因此極板間有一定阻值，在液阻切除時(shí)必然會(huì)造成二次沖擊現(xiàn)象。從嚴(yán)格意義上講，熱變電阻起動(dòng)器并不能歸類于軟起動(dòng)器的行列，因?yàn)闊嶙冸娮杵饎?dòng)不能實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)——最大限度地限制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，起動(dòng)過(guò)程平滑無(wú)沖擊，起動(dòng)性能可控可調(diào)。第2章 可編程序控制器及其特殊功能模塊概述 可編程序控制器 可編程序控制器的概念及其歷史可編程序控制器(Programmable Logic Controller)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)為一體的工業(yè)控制產(chǎn)品，是在硬接線邏輯控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)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)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?！蓖ǔ０裀LC認(rèn)為是由等效的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等元件組成的裝置[2]。它們是美國(guó)ROCKWELL自動(dòng)化公司所屬的AB公司、GEFANUC公司，德國(guó)的西門子公司和總部設(shè)在法國(guó)的施耐得自動(dòng)化公司，日本的三菱公司和歐姆龍公司。它們的系列產(chǎn)品有其技術(shù)廣度和深度，從微型可編程序控制器到有上萬(wàn)個(gè)I/O點(diǎn)的大型可編程序控制器應(yīng)有盡有。了解可編程序控制器的工作原理，具備設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)可編程序控制器控制系統(tǒng)的能力，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電氣技術(shù)人員和工科學(xué)生的基本要求。 2)模塊化組合靈活 可編程控制器是系列化產(chǎn)品，通常采用模塊結(jié)構(gòu)來(lái)完成不同的任務(wù)組合。 3)功能強(qiáng),性能價(jià)格比高 PLC應(yīng)用微電子技術(shù)和微計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)單型式都具有邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。復(fù)雜型式除了具有基本型式的功能外，還具有擴(kuò)展的計(jì)算能力、多級(jí)終端機(jī)制、智能I/O、PID調(diào)節(jié)、過(guò)程監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)通信能力、遠(yuǎn)程I/0、多處理器和高速數(shù)據(jù)處理能力。 4)編程方便 PLC適用針對(duì)工業(yè)控制的梯形圖、功能塊圖、指令表和順序功能表圖(SFC)編程，不需要太多的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)。 5)適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) PLC的技術(shù)條件能在一般高溫、振動(dòng)、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作。使用時(shí)只要各種器件連接無(wú)誤，系統(tǒng)便可正常工作。一些PLC外殼由可在不良工作環(huán)境下工作的合金組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上面帶有散熱槽，在高溫下，該外殼不像塑料制品那樣變形，還可抗無(wú)線電頻率(RF高頻)電磁干擾、防火等。 8)總價(jià)格低 PLC的重量、體積、功耗和硬件價(jià)格一直在降低，雖然軟件價(jià)格占的比重有所增加，但是各廠商為了競(jìng)爭(zhēng)也相應(yīng)地降低了價(jià)格。 可編程序控制器的最新發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代可編程序控制器的發(fā)展有兩個(gè)主要趨勢(shì):其一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展:其二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強(qiáng)是PLC發(fā)展的一個(gè)重要方面，向下可將多個(gè)PLC, I/0框架相連。 2)多功能 隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。例如西門子公司57400系列PLC即使在惡劣、不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，堅(jiān)固、全密封的模板依然可正常工作，在操作運(yùn)行過(guò)程中模板還可熱插拔。PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC執(zhí)行用戶程序時(shí)，CPU對(duì)梯形圖自上而下、自左向右地逐次進(jìn)行掃描，程序的執(zhí)行是按語(yǔ)句排列的先后順序進(jìn)行的，是一種串行的工作方式，不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線圈同時(shí)改變狀態(tài)的情況，這樣有利于避免觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問(wèn)題。定時(shí)器預(yù)置。然后進(jìn)入循環(huán)掃描工作過(guò)程，掃描過(guò)程如圖21所示。全過(guò)程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。通信操作服務(wù)階段:PLC與一些智能模塊通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。在PLC處于運(yùn)行(RUN)狀態(tài)時(shí)從內(nèi)部處理、外設(shè)端口服務(wù)、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。在此階段，PLC以掃描方式讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對(duì)應(yīng)的映像寄存器，在此輸入映像寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段。 2)程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)梯形圖程序先左后右、先上后下的掃描原則，PLC逐句掃描執(zhí)行用戶程序，遇到跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)轉(zhuǎn)移條件來(lái)決定程序的走向。對(duì)每個(gè)器件而言，器件映像寄存器中所寄存的內(nèi)容會(huì)隨著程序執(zhí)行過(guò)程而變化。②每條指令的執(zhí)行時(shí)間不同。 3)輸出刷新階段 程序執(zhí)行完以后，將所有輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出鎖存電路中，通過(guò)隔離電路，驅(qū)動(dòng)功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號(hào)，形成PLC的實(shí)際輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)外設(shè)。CPU模塊CPU模塊主要是由微處理器（CPU芯片）和存儲(chǔ)器組成。它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，輸入信號(hào)有兩類：一類是從按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)；另一類是由電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)、各種變送器提供的模擬量輸入信號(hào)。 CPU模塊的工作電壓一般是5V ，而可編程序控制器的輸入/輸出信號(hào)電壓一般較高，如直流24V和交流220V。在I/O模塊中，用光電耦合器、光電可控硅、小型繼電器等器件來(lái)隔離外部輸入電路和負(fù)載，I/O模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。電源可編程序控制器使用220V交流電源或24V直流電源。某些可編程序控制器可以為輸入電路和外部電子檢測(cè)裝置（如接近開(kāi)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。暫存在輸出映像寄存器中的輸出信號(hào)，等到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，CPU集中將這些輸出信號(hào)全部輸送給輸出鎖存器。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個(gè)掃描周期。一般掃描周期只有十幾毫秒到幾十毫秒，因此對(duì)一般工業(yè)控制設(shè)備或者對(duì)輸入信號(hào)變化較慢的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種滯后現(xiàn)象是完全允許的。影響I/0滯后的主要原因有:輸入濾波器對(duì)信號(hào)的延遲。程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙萚2]。 IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）于1994年5月公布可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)（IEC1131），該標(biāo)準(zhǔn)由以下5部分組成：通用信息，設(shè)備與測(cè)試要求，可編程序控制器的編程語(yǔ)言，用戶指南與通信。 IEC11313標(biāo)準(zhǔn)使用戶在使用新的可編程序控制器時(shí)，可以減少重新培訓(xùn)的時(shí)間；對(duì)于廠家，使用標(biāo)準(zhǔn)將減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間，可以投入更多的精力去滿足用戶的特殊要求。梯形圖（Ladder diagram）功能塊圖（Function block diagram）指令表（Instruction list）結(jié)構(gòu)文本（Structured）標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言中有兩種圖形語(yǔ)言梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD），還有兩種文字語(yǔ)言指令表（IL）和結(jié)構(gòu)文本（ST），可以認(rèn)為順序功能圖（SFC）是一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖。梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)惡毒電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別使用于開(kāi)關(guān)邏輯控制。 （a）錯(cuò)誤的梯形圖 （b）正確的梯形圖 圖22梯形圖的特點(diǎn)梯形圖的特點(diǎn)可編程序控制器梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如：輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等等，但是它們不是真實(shí)的物理繼電器（即硬件繼電器），而是在軟件中使用的編程元件。該存儲(chǔ)單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對(duì)應(yīng)編程元件的線圈“通電”，其常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，以后我們稱這種狀態(tài)是該編程元件為“1”狀態(tài)，或者稱該編程元件ON。梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為公共母線。某些可編程序控制器的梯形圖去掉了右邊的垂直線。邏輯解算是按梯形圖中從上到下、從左到右的順序進(jìn)行的。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行的。 可編程序控制器特殊功能模塊現(xiàn)代工業(yè)控制給可編程序控制器提出了許多新的課題，僅僅用通用I/O模塊來(lái)解決，在硬件方面費(fèi)用太高，在軟件方面編程相當(dāng)麻煩，某些控制任務(wù)甚至無(wú)法用通用I/O模塊來(lái)完成。 模擬量輸入輸出模塊在工業(yè)控制中，某些輸入量（如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）是模擬量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求可編程序控制器輸出模擬信號(hào)，而可編程序控制器的CPU只能處理數(shù)字量。這些數(shù)字量可能是二進(jìn)制的，也可能是十進(jìn)制的，帶正負(fù)號(hào)的電流或電壓在A/D轉(zhuǎn)換后用二進(jìn)制原碼或補(bǔ)碼表示。模擬量I/O模塊的主要任務(wù)就是完成A/D轉(zhuǎn)換（模擬量輸入）和D/A轉(zhuǎn)換（模擬量輸出）。模擬量輸入/模擬量輸出模塊的另一個(gè)重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換時(shí)間。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示。圖31 PID控制系統(tǒng)原理 PID控制的特點(diǎn) 在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制具有很多優(yōu)點(diǎn)： ①算法簡(jiǎn)單，使用方便，容易通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件和軟件方式實(shí)現(xiàn)。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，PID控制直到現(xiàn)仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式之一[13]。 數(shù)字PID控制 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用數(shù)字控制。數(shù)字控制器的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法有兩種:連續(xù)設(shè)計(jì)法和離散設(shè)計(jì)法。 （式32）式中，T為采樣周期(或控制周期)，n為采樣序號(hào)，n=1,2,,e(n1)和。 在模擬控制器中難以實(shí)現(xiàn)的理想微分的de/dt，在計(jì)算機(jī)中可以利用其差分方程很好的實(shí)現(xiàn)，因此式32也稱為理想微分PID數(shù)字控制器。數(shù)字PID控制器的輸出u(n)也和位置對(duì)應(yīng)，因此稱為位置型算式。（式33） 增量型算式僅僅是在計(jì)算方法上作了一點(diǎn)改變，并未改變?cè)隽啃退闶降谋举|(zhì)。 數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一類就是如何根據(jù)控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄊ箞D31所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)滿足給定的系統(tǒng)性