基于PLC與與變頻器的通訊調(diào)速系統(tǒng)課題研究

1、目錄第一章緒論. 1 1.1課題研究的背景. 1 1.2課題的來源和意義. 2 1.3本文研究內(nèi)容和所做工作. 2第二章PLC簡介. 4 2.1 PLC的原理. 4 2.2 PLC的特點(diǎn). 5 2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域. 6第三章通用變頻器原理. 7 3.1變頻器的工作原理. 7 3.1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理. 73.1.2交一直變換電路. 83.1.3直一交變換電路. 9 3.1.4能耗制動(dòng)電路. 10 3.1.5變頻器的控制方式.11 3.1.6變頻器的干擾問題. 12 3 .2變頻器的類別. 13 3.2.1根據(jù)變頻環(huán)節(jié)的不同的分類. 13 3.2.2根據(jù)主電路工作方式分類. 14

2、3.2.3根據(jù)電壓的調(diào)制方式分類. 14 3.3變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)勢. 14 3.4實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速要解決的問題. 16 3.4.1大功率開關(guān)器件是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的必要條件. 17 3.4.2變頻變壓.17 3.9變頻調(diào)速的現(xiàn)實(shí)意義.19第四章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 20 4.1系統(tǒng)的硬件介紹. 2 1 4.1.2 TP270觸摸屏.21 4.1.3變頻器.21 4.1.4光電編碼器. 23 4.2系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì). 24 4.2.1 Protool組態(tài)語言. 24 4.2.2開機(jī)畫面設(shè)計(jì). 26 4.2.3主畫面. 26 4.2.4報(bào)警畫面. 26 4.2.5 I/O點(diǎn)畫面. 26第五章系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)和調(diào)

3、試. 29 5.1通信方式的選擇. 29 5.2 PLC之間的通訊. 31 5.2.1 NETR(網(wǎng)絡(luò)讀)和NETW(網(wǎng)絡(luò)寫)指令. 31 5.2.2通信程序的設(shè)計(jì). 32 5.3 PLC與變頻器的通訊. 35 5.3.1 USS協(xié)議.35 5.3.2 USS通信數(shù)據(jù)格式和編程要求.37 5.3.3 57-200的接收和發(fā)送指令(XTM/RCV ) . 39 5.3.4設(shè)計(jì)通信程序.39 5.4通信參數(shù)設(shè)置.47 5.4.1 PP工和MPI協(xié)議.47 5.4.2通信參數(shù)設(shè)置.48 5.5系統(tǒng)通信. 50 5.5.1 PLC之間的通信調(diào)試. 50 5.5.2觸摸屏與PLC的通信調(diào)試. 50 5.

4、5.3 PLC和變頻器的通信. 51 5.5.4變頻器、編碼器和電動(dòng)機(jī)的通信測試. 52 5.5.5調(diào)試分析.52第六章結(jié)論. 5 參考文獻(xiàn). 54致謝. 56 基于PLC與與變頻器的通訊調(diào)速系統(tǒng) 【摘要】目前，各種自動(dòng)化技術(shù)手段并行發(fā)展、相互融合，為工業(yè)控制提供了多種可行的技術(shù)途徑?？删幊绦蚩刂破骷夹g(shù)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、人機(jī)界面技術(shù)以及各種嵌入式控制器系統(tǒng)的快速發(fā)展進(jìn)一步提升了工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平。 在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展過程中，變頻器的使用越來越受人們的關(guān)注。但是變頻調(diào)速具有一定的技術(shù)難度，人們需要一個(gè)慢慢了解和熟悉的過程。變頻器的使用最主要的一個(gè)特點(diǎn)就

5、是節(jié)能和降低成本，許多傳統(tǒng)的耗能設(shè)備都要進(jìn)行技術(shù)改造。所以變頻調(diào)速技術(shù)的推廣有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，隨著PLC的不斷發(fā)展，使得工業(yè)自動(dòng)化控制更加的準(zhǔn)確、方便、安全和可靠。把PLC和變頻器結(jié)合起來一起對(duì)電機(jī)傳動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 在實(shí)際工程中，有的企業(yè)己實(shí)現(xiàn)了全車間或全廠的綜合自動(dòng)化，即將不同廠家生產(chǎn)的可編程設(shè)備連接在單層或多層網(wǎng)絡(luò)上，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。因此，通信與網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)成為控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，也是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。 在小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，USS協(xié)議通信是一種很成功的解決方案，能顯示出具有硬件邏輯簡單、抗干擾

6、能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)車間級(jí)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制。本文介紹了自動(dòng)化控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，將各種通用的自動(dòng)化技術(shù)與實(shí)踐優(yōu)化結(jié)合，將SIEMENS公司的57-200 PLC和變頻器應(yīng)用于銅大拉機(jī)的自動(dòng)控制中，通過基于USS協(xié)議的RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)，進(jìn)行PLC和變頻器對(duì)電機(jī)的控制，其中PLC和變頻器之間的通信設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。并且將其作了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用于多個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，大大節(jié)約了項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間和成本，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。關(guān)鍵詞:自動(dòng)化控制，USS協(xié)議，變頻器，PLC，通信第一章緒論1.1課題研究的背景 在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展過程中，控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式

7、數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(DCS: Distribution Control System)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS: Field-bus Control System)1fzf3?，F(xiàn)場總線具有開放性、分散化和低成本的三大特征。它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了劃時(shí)代的變革，網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)開始流行，并發(fā)揮了巨大的作用。計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)己經(jīng)成為工業(yè)環(huán)境中大部分解決方案的核心部分，其在控制系統(tǒng)中的比重正在迅速增加。 目前，在工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)廣義上按功能可分為三個(gè)層次，見圖1.1，分別是基礎(chǔ)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化，核心是基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化。其中，基礎(chǔ)自動(dòng)化部

8、分涵蓋了常規(guī)意義上的自動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)容，過程自動(dòng)化部分是基于信息化技術(shù)的自動(dòng)化，管理自動(dòng)化則是最上層的融合了控制技術(shù)、管理技術(shù)的綜合自動(dòng)化技術(shù)4 圖1.1:白動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 本文要闡述的是電線、電纜用銅線的拉拔設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前電線電纜專用設(shè)備中僅有很少部分是自動(dòng)化的，在設(shè)備部件中，也似乎只有放線和收線裝置，可使電纜的收線、放線以及調(diào)換線盤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一種可能是將兩道工序合并在一條生產(chǎn)線上。較高一級(jí)的自動(dòng)化是自動(dòng)化物流處理系統(tǒng)以及生產(chǎn)過程和生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。物流處理系統(tǒng)通過自動(dòng)線盤搬運(yùn)和信息加工使兩道或兩道以上的生產(chǎn)工序的生產(chǎn)過程協(xié)調(diào)一致，從而得到均衡的物

9、料流動(dòng)和機(jī)器的高利用率。該系統(tǒng)包括1 w-4個(gè)線盤搬運(yùn)機(jī)器人，這些機(jī)器人在生產(chǎn)線(機(jī)群)、立體倉庫和控制裝置之間來回搬運(yùn)線盤。 過程控制系統(tǒng)由可編程序控制器和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，通過可編程序控制器對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行進(jìn)行控制;通過工業(yè)計(jì)算機(jī)跟蹤生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行管理;該系統(tǒng)還可通過屏幕實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。采用過程控制系統(tǒng)可使生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最佳化，而不受操作者的技術(shù)水平和能力的影響。生產(chǎn)線能儲(chǔ)存大量的工藝文件，以便迅速調(diào)換產(chǎn)品，并能持續(xù)監(jiān)察和記錄產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面的描述。1.2課題的來源和意義 大拉機(jī)是銅加工生產(chǎn)中的咽喉設(shè)備。十幾年來國產(chǎn)拉絲機(jī)水平有了穩(wěn)步的提高，并己系列化除

10、拉線速度尚有一定差距外，連續(xù)退火、快速換模、雙盤收線、拉絲鼓輪等離子噴涂等先進(jìn)技術(shù)己得到應(yīng)用。近幾年來，國外拉絲機(jī)雖然沒有突破性的進(jìn)展，最高拉線速度也己穩(wěn)定，但在結(jié)構(gòu)上也有一些值得借鑒的改進(jìn)。例如一些大拉機(jī)采用浸沒式乳濁液潤滑系統(tǒng)，提高銅線的表面質(zhì)量，延長鼓輪和模具的壽命;改進(jìn)大拉連續(xù)退火裝置中導(dǎo)輪和退火輪的布置，簡化導(dǎo)線路徑，降低操作高度，便于穿線和維護(hù)保養(yǎng);主齒輪箱采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)用戶訂貨要求組合成不同拉制道數(shù)的拉絲機(jī)。在拉絲機(jī)系列中，巨拉機(jī)和微細(xì)線拉絲機(jī)由于需求量小，發(fā)展緩慢，差距較大s。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的綜合發(fā)展，出現(xiàn)了新型、通用的自動(dòng)化控制裝置P

11、LC?？刂萍夹g(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)設(shè)備控制中大量推廣，變頻控制開始在直進(jìn)式拉絲機(jī)中大量使用，系統(tǒng)并可借助PLC來實(shí)現(xiàn)拉絲速度、品種設(shè)定、過程閉環(huán)控制、定長控制等功能。在工業(yè)控制中，交流電機(jī)的拖動(dòng)控制越來越多地采用變頻器完成，而它也不僅僅作為一個(gè)單獨(dú)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是隨著其不斷的智能化，可以同上位計(jì)算機(jī)之間可以通過各種通信方式結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體。本文所作的研究就是在這樣的背景下利用PLC和變頻器對(duì)大拉機(jī)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。大拉機(jī)的工藝流程如圖1.1所示。 圖1.2:工藝流程圖1.3本文研究內(nèi)容和所做工作 自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用即工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用技術(shù)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程有明顯的提升作用

12、，提高了工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和生產(chǎn)設(shè)備的效率，改善了勞動(dòng)條件，先進(jìn)的控制技術(shù)手段還極大地提高了人們對(duì)社會(huì)生產(chǎn)的預(yù)測及決策能力。自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置和被控對(duì)象構(gòu)成，如圖1.3所示。其中，控制裝置可由各種嵌入式微控制器、可編程控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、回路調(diào)節(jié)器、變頻器以及其他控制技術(shù)(如現(xiàn)場總線技術(shù)、無線通信技術(shù)等)構(gòu)成;控制對(duì)象包括各種電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)過程等;過程通道完成控制裝置與控制對(duì)象之間的信號(hào)(也包括相應(yīng)的反饋信號(hào)部分)匹配。 同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)控制迅速地被推廣和普及，相當(dāng)多的企業(yè)己經(jīng)在大量地使用各式各

13、樣的可編程設(shè)備，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等。有的企業(yè)己實(shí)現(xiàn)了全車間或全廠的綜合自動(dòng)化，即將不同廠家生產(chǎn)的可編程設(shè)備連接在單層或多層網(wǎng)絡(luò)上，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。因此，通信與網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)成為控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，也是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一67。 圖1.3:自動(dòng)控側(cè)應(yīng)用系統(tǒng)圈示 本文通過對(duì)大拉機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涵蓋了目前基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化中典型自動(dòng)控制技術(shù)手段或裝置的應(yīng)用，包括可編程序控制器技術(shù)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻器技術(shù)、觸摸屏技術(shù)及組態(tài)軟件技術(shù)8。并且重點(diǎn)對(duì)PLC和變頻器的通信作了很完整的研究，將通信程

14、序作了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要是針對(duì)小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)所作的一種控制方案，有一定的適用價(jià)值，縮短了項(xiàng)目開發(fā)的周期。設(shè)計(jì)的主要思路是基于USS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)SIEMENS 57-200 PLC對(duì)變頻調(diào)速裝置的控制，上位機(jī)采用SIEMENS TP270觸摸屏及Protool組態(tài)語言。在規(guī)模相對(duì)較小的自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于USS協(xié)議是西門子公司一變頻器開發(fā)的通信協(xié)議，可支持變頻器同PC或PLC之間建立通信連接，因此USS協(xié)議通信是一種很成功的解決方案，能顯示出具有硬件邏輯簡單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)車間級(jí)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制，因此，有一定的研究意義。 第二章plc簡介2.1 PLC的原理 可編程邏輯控制器

15、(Programmable Logic Controller)簡稱為PLC，是20世紀(jì)60年代末逐步發(fā)展起來的一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)f9l。近幾年來，PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制及各類機(jī)電一體化設(shè)備控制中得到了極為廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用技術(shù)。 PLC的硬件系統(tǒng)由中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出電路等組成，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。由于順序控制是PLC的主要功能，因此輸入端以開關(guān)量部件按鈕、繼電觸點(diǎn)、限位開關(guān)等為主，輸出端多為繼電器、電磁閥線圈和指示燈等，其工作過程總可分為三個(gè)階段:輸入采

16、樣(處理)、程序執(zhí)行和輸出刷新(處理)。圖2.1是PLC控制系統(tǒng)圖。 圖2.1: PLC的控制系統(tǒng)圖 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。在輸入采樣階段，PLC以掃描方式順序讀入所有輸入端的通斷狀態(tài)，并將此狀態(tài)存入輸入映像寄存器。在程序執(zhí)行階段，PLC按先左后右、先上后下順序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出有關(guān)元件的通斷狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將結(jié)果存入輸出映像寄存器中。在輸出刷新階段，PLC將輸出映像寄存器的通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，向外輸出控制信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備。上面三個(gè)階段的工作過程稱為一個(gè)掃描周期，然后PLC又重新執(zhí)行上述過程，周而復(fù)始地進(jìn)行。掃

17、描周期一般為幾ms到幾十ms o 由PLC的工作過程可見，PLC執(zhí)行程序時(shí)所用到的狀態(tài)值不是直接從輸入端獲得的，而是來源于輸入映像寄存器和輸出映像寄存器.因此PLC在程序執(zhí)行階段，即使輸入發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，要等到下一周期的輸入采樣階段才能改變。同理，暫存在輸出映像寄存器中的內(nèi)容，等到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，才輸送給輸出鎖存器。所以，全部輸入、輸出狀態(tài)的改變需要一個(gè)掃描周期。 PLC是以掃描方式循環(huán)、連續(xù)、順序地逐條執(zhí)行程序。任何時(shí)刻，它只能執(zhí)行一條指令，也就是說，PLC是以“串行”方式工作。PLC的這種串行方式可避免繼電器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競爭和時(shí)序失配的問題。2.2 PLC的特

18、點(diǎn) PLC的高可靠性和強(qiáng)抗干擾性，平均無故障時(shí)間一般可達(dá)3 - 5萬小時(shí)，而且PLC的環(huán)境適應(yīng)性也很能強(qiáng)，這是PLC得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 PLC高可靠性的主要措施有:良好的綜合設(shè)計(jì);選用優(yōu)質(zhì)器件;采用隔離、濾波、屏蔽等抗干擾技術(shù);采用先進(jìn)的電源技術(shù);采用實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)和故障診斷技術(shù):采用冗余技術(shù)及良好的制造工藝。 編程簡單，PLC最常用的編程語言是梯形圖語言。梯形圖與繼電器原理圖類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)，便于廣大現(xiàn)場工程技術(shù)人員掌握。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時(shí)，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便靈活。在大型PLC中還有高級(jí)編程語言以滿足各種不同控制對(duì)象和不同使用人員

19、的需要。 通用性強(qiáng)，各個(gè)PLC的生產(chǎn)廠家都有其各種系列化的產(chǎn)品、各種模塊供用戶選擇。用戶可根據(jù)控制對(duì)象的規(guī)模及控制要求，選擇合適的PLC產(chǎn)品，組成所需要的控制系統(tǒng)。在進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，一般不再需要用戶制作其它任何附加裝置，從而使設(shè)計(jì)工作簡化。體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便，PLC體積小，重量輕，便于安裝。一般PLC都具有自診斷、故障報(bào)等、故障種類顯示等功能yz，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過更換模塊插件來迅速排除故障。它與被控制對(duì)象的硬件連接方式簡單、接線少，便于維護(hù)。 歸納起來，PLC的特點(diǎn)有: C1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。 C2)編程簡單、

20、使用方便目前大多數(shù)PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據(jù)具體問題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步簡化了編程。 (3)設(shè)計(jì)安裝容易，維護(hù)工作量少。 (4)適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，采用封裝的方式，適合于各種震動(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場合。 (5)與外部設(shè)備連接方便，采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動(dòng)端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規(guī)格。 (6)功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價(jià)格比高。 在應(yīng)用PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下的基本原則，才能保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定: (1)最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求; (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡單; (3)系統(tǒng)工作要穩(wěn)定、

21、可靠; (4)控制系統(tǒng)能方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展、升級(jí); (5)人機(jī)界面友好。2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC己廣泛應(yīng)用國內(nèi)外的機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中。隨著其性能價(jià)格比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面13. (l開關(guān)量邏輯控制 PLC最基本的功能是邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制，常常用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。PLC對(duì)一些機(jī)床、機(jī)械手的控制、生產(chǎn)自動(dòng)線的控制都屬于這一類應(yīng)用。這是PLC的最基本的應(yīng)用。例如在中、高檔數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用PLC+NC的控制方式，前者實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量的控制。后者完成插補(bǔ)運(yùn)算等功能。 (2)運(yùn)動(dòng)控制 PLC使用專用的指令或運(yùn)動(dòng)控

22、制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、3軸和多軸聯(lián)動(dòng)的位置控制，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)結(jié)合在一起。PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛用于各種機(jī)械，例如金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)械、機(jī)器人、電梯等場合。 (3)閉環(huán)過程控制 閉環(huán)過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量I/O模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量實(shí)行閉環(huán)PID(比例一積分一微分)控制。SIEMENS的57-300/400有閉環(huán)控制模塊、用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊和閉環(huán)控制軟件包供用戶選用。其閉環(huán)

23、控制功能己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)。 (4)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的PLC具有整數(shù)四則運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算、求反、循環(huán)、移位、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等運(yùn)算功能，和數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。 (5)通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括PLC與遠(yuǎn)程I/O之間的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC與其他智能控制設(shè)備(例如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置)之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成

24、“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。第三章通用變頻器原理3.1變頻器的工作原理3.1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理 變頻器是把工頻電源(SOHz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器的基本構(gòu)成如圖3.1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(guān)的輔助電路組成“。其中整流電路將電網(wǎng)的交流電源進(jìn)行整流后給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路是變頻器的最主要的部分之一。它的主要作用是在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓(電流)轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓(電流)。逆變電路的輸出即

25、為變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。與主電路相對(duì)應(yīng)，為主電路提供所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路稱為變頻器的控制電路。控制電路的主要作用是根據(jù)事先確定的變頻器控制方式，產(chǎn)生進(jìn)行V/f或電流控制時(shí)所需要的各種門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此外，變頻器的控制電路還包括對(duì)電流、電壓、電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行檢測的信號(hào)檢測電路，為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)的保護(hù)電路，對(duì)外接口電路和對(duì)數(shù)字操作盒的控制電路。 圖3.1:變頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖 變頻器主控制電路的中心是一個(gè)高性能的微處理器，并配以PROM, RAM, ASIC芯片和其它必要的周邊電路isy6。它通過A/D , D/A等接口電路接收各種檢測信號(hào)和參數(shù)設(shè)定值，

26、并進(jìn)行處理。它主要完成以下任務(wù):(1)輸入信號(hào)的處理;輸入信號(hào)包括頻率(速度)指令信號(hào)和運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的操作控制信號(hào)。指令信號(hào)有兩種:模擬指令信號(hào):0-lOV的電壓指令信號(hào)或4-20mA的電流指令信號(hào);數(shù)字指令信號(hào):來自RS232C, RS-485(通常為選件)的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中PLC輸入變頻器的信號(hào)為4- 20mA模擬指令信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信C7后送入微處理器。(2)加減速速率調(diào)節(jié)功能:(3)運(yùn)算處理等。主電路驅(qū)動(dòng)電路是為變頻器逆變電路的換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。信號(hào)檢測電路是將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器進(jìn)行處理后為各部分電路給出所需的控制

27、信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，以達(dá)到控制變頻器的輸出和為變頻器及電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)的目的。而保護(hù)電路是由微處理器來判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)了異常，異常時(shí)則進(jìn)行各種必要的處理，包括停止變頻器的輸出。變頻器的保護(hù)功能包括對(duì)變頻器的輸出，對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)三個(gè)方面的內(nèi)容。變頻器的種類較多，但是工作原理類似，以交一直一交電壓型變頻器為例，簡要介紹其工作原理。交一直一交電壓型變頻器是中小容量、通用型變頻器的主要形式，其主電路如圖3.2所示。它由交一直變換電路、直一交變換電路和能耗制動(dòng)電路組成fl 圖3.2“交一直一交”變頻器的主電路3.1.2交一直變換電路 交一直變換電路就是整流和濾波電路，其任務(wù)

28、就是把電源的三相交流電變換成平穩(wěn)的直流電，其結(jié)構(gòu)如圖3 .2中的交一直變換電路所示。 1.整流電路 在SPWM變頻器中，大多數(shù)采用橋式全波整流電路。在中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管，如圖3 .2中的VD1 - VD6，其導(dǎo)通順序是VD 1 VD2VD3VD4VDSVD6。但對(duì)這些整流器件有一定的選擇原則“: (1)最大反向電壓URM=2U(3一1)式中，U為電源線電壓的振幅值。即當(dāng)電源電壓為380V時(shí)，UR、一2x萬x 38011一107311，則選擇UR、一120011。(2)最大整流電流I MAX=21N(3-2)式中，I、為變頻器的額定電流。2.濾波限流電路(1)濾

29、波電路由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，如3.2中所示，C1和C2。因?yàn)殡娊怆娙萦休^大的離散性，故電容C1和C2的電容量不會(huì)完全相等，這樣使得它們承受的電壓U，和Ucz不相等。為了是U，和Ucz相等，在C1和C2的旁邊個(gè)并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻R，和R2 0C2)限流電路圖3.2中，串接在整流橋和濾波電容之間，由一個(gè)限流電阻R、和一個(gè)短路開關(guān)S組成。1)限流電阻R.s 變頻器在接入電源之前，濾波電容上的直流電壓Uo = 0。當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向?yàn)V波電容，使得整流橋可能因此受到損壞，同時(shí)，也可能使得電源瞬間電

30、壓明顯下降，形成干擾。限流電阻S就可起到削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間。 2)短路開關(guān)S 限流電阻R、如果長期接在電路內(nèi)，會(huì)影響直流電壓U。和變頻器輸出電壓的大小。所以，當(dāng)直流電壓U。增大到一定程度時(shí)，把短路開關(guān)S接通，限流電阻R、就短路了。3.1.3直一交變換電路 三相逆變橋的功能就是把直流電變換成頻率可調(diào)的三相交流電，其基本結(jié)構(gòu)由逆變電路和續(xù)流電路組成。 1.逆變電路 在圖3.2中，有開關(guān)器件V1-V6組成逆變橋，V1-V6的工作接受控制電路中的SPWM調(diào)制信號(hào)控制，把直流電壓逆變成三相交流電。SPWM是指在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使得脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值

31、時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則較大。這樣的電壓脈沖系列可以使得負(fù)載電流中的諧波成分大為減少，故稱為正弦波脈寬調(diào)制(SPWM ) f'9fzl o SPWM脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波(基準(zhǔn)波或調(diào)制波)和等腰三角波(載波)的交點(diǎn)來決定的，以單極性SPWM法為例，如圖3.3所示。 SPWM極性調(diào)制9圖3.3中，。:為正弦調(diào)制波，u，為等腰三角載波，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同。逆變器件的選擇:C1)截止?fàn)顟B(tài)下的擊穿電壓UcFx=2DMAX式中，U為直流電壓的最大值。(2)集電極最大電流I C'M=21 MAX式中，I MA、為輸出電流的最大值。

32、 2.續(xù)流電路由圖3 .2可知，續(xù)流電路由VD7-VD12構(gòu)成，其功能是: (1)為電動(dòng)機(jī)繞組的無功電流返回直流電路時(shí)提供通路; (2)當(dāng)頻率下降、從而同步轉(zhuǎn)速下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通路; (3)為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。3.1.4能耗制動(dòng)電路 1.能耗制動(dòng)電路的作用 (1)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) 在頻率剛減少的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了1800，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)距變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)距，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動(dòng)機(jī)的角度來看，處于

33、再生制動(dòng)狀態(tài)。 (2)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài) 電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)圖3.2中的續(xù)流二極管(VD7-VD12)全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，只有靠C1和C2吸收，盡管各個(gè)部分的電路還在繼續(xù)消耗電能，但C1, C2上仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使得直流電壓升高。過高的直流電壓將使得各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓超過一定值時(shí)，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度看，拖動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)減少的動(dòng)能，由電動(dòng)機(jī)“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了?？偟膩碚f，是通過消耗能量而獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)距的，屬于能耗制動(dòng)狀態(tài)。用于消耗電

34、動(dòng)機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動(dòng)電路。 2.能耗制動(dòng)電路的構(gòu)成 從圖3 .2中知，R。為制動(dòng)電阻，用于將電動(dòng)機(jī)的餓再生電能轉(zhuǎn)換成熱量而消耗掉。其 UnI;。=一<I、/2Rlj>_Rs2U/幾(3-5)I、為變頻器的額定電流;U。為直流電壓。R。的功率P川式制動(dòng)電阻R。是屬于短時(shí)間工作，所以比長期通電時(shí)的消耗功率要小。P >_ aU2o/RR(3-6) 式中，U。為直流電壓;a為選用系數(shù)，取值范圍一般a E 0.3,0.5，取決于電動(dòng)機(jī)的容量和工作情況。通常，電動(dòng)機(jī)容量較少、制動(dòng)時(shí)間短時(shí)取小值，反之取較大值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)狀態(tài)屬于正常工狀態(tài)時(shí)，取a=1.Oo3.1.5變頻

35、器的控制方式 作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心一變頻器的性能越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對(duì)變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。在交流變頻器中常用的非智能控制方式有V/f1調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等zy 1. v/f控制 即u/f = c，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式。v/啦制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩一速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)

36、償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。其特點(diǎn)是:控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，己在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小zz。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，但系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。 2.轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在v/f空制的基礎(chǔ)上，按照知道異步

37、電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。 3.矢量控制(磁場定向法)，又稱VC控制 矢量控制變頻調(diào)速的做法是:將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流I Ih IC通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Inl Ihl，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流lml ltl(幾，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流

38、;Itl相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制23。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解禍控制。然而轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，實(shí)際效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。 4.直接轉(zhuǎn)矩控制，又稱DTC控制 1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻