電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)(PLC)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文題 目 電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)（PLC） （院）系 電氣與信息工程系 專業(yè) 自動(dòng)化 班級(jí) 0101班 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 肖 正 導(dǎo)師姓名 胡俊達(dá)(教授) 完成日期 2005年6月15日 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)(PLC)姓名 肖正 系別 電氣與信息系 專業(yè) 自動(dòng)化 班級(jí) 0101 學(xué)號(hào) 0106 指導(dǎo)老師 胡俊達(dá) 教研室主任 唐勇奇 一、 本任務(wù)及要求：針對(duì)大中型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流問(wèn)題及各類降壓起動(dòng)的方式進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)出一種以可編程序控制器（PLC）為控制核心的軟起動(dòng)和保護(hù)系統(tǒng)。該

2、系統(tǒng)除了能完成軟起動(dòng)功能外，還應(yīng)具有多種保護(hù)功能，如斷相、短路、過(guò)流、漏電閉鎖等，并對(duì)變頻器用于軟起動(dòng)的安全同步切換問(wèn)題進(jìn)行探討。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：1系統(tǒng)主電路原理圖，元器件計(jì)算2系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)二、 進(jìn)度安排及完成時(shí)間：3月7日-3月26日查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述、撰寫開題報(bào)告。 3月27日-4月9日 畢業(yè)實(shí)習(xí)、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告。 4月10日-4月22日 主要完成系統(tǒng)硬件構(gòu)建的初步設(shè)計(jì)。 4月23日-5月10日 修改系統(tǒng)硬件構(gòu)建設(shè)計(jì)。 5月11日-5月20日 完成系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)與元器件計(jì)算。 5月21日-5月29日 完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 5月30日-6月11日 完成系統(tǒng)主電路原理圖的繪制，撰寫畢業(yè)

3、設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）。 6月12日-6月16日 修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書、指導(dǎo)教師評(píng)閱。 6月17日-6月20日 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯（公開、分組答辯）。 目 錄摘 要 Abstract第1章 異步電動(dòng)機(jī)及其起動(dòng)方式1.1異步電動(dòng)機(jī)11.1.1異步電動(dòng)機(jī)概述11.1.2異步電動(dòng)機(jī)全壓直接起動(dòng)的危害41.1.3異步電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方式61.2軟起動(dòng)概述71.2.1軟起動(dòng)的概念71.2.2軟起動(dòng)常用的起動(dòng)方式91.2.3軟起動(dòng)的運(yùn)行特點(diǎn)91.2.4軟起動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合91.2.5幾種大中型異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方式在高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)應(yīng)用中的綜合比較9第2章 可編程序控制器及其特殊功能模塊2.1可編程序控制器132.1.

4、1可編程序控制器的概念及歷史132.1.2可編程序控制器的主要特點(diǎn)132.1.3可編程序控制器最新發(fā)展趨勢(shì)152.1.4可編程序控制器的工作原理152.1.5可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)172.1.6可編程序控制器的I/O滯后現(xiàn)象182.1.7可編程序控制器編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)182.2可編程序控制器特殊功能模塊202.2.1模擬量輸入輸出模塊20第3章 PID控制及其調(diào)節(jié)規(guī)律3.1 PID控制213.1.1 PID控制的概念213.1.2 PID控制的特點(diǎn)213.2 PID控制器223.2.1數(shù)字PID控制233.2.2 數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)233.3 PLC的PID模塊分析研究233.3.1

5、PID控制器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)253.3.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)26第4章 系統(tǒng)原理及方案設(shè)計(jì)4.1 基于PLC的大中型軟起動(dòng)控制系統(tǒng)274.1.1 系統(tǒng)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)274.1.2系統(tǒng)原理分析284.2磁控式PLC電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)284.2.1系統(tǒng)原理及方案設(shè)計(jì)294.2.2 硬件設(shè)計(jì)304.2.3 軟件編程314.3基于單臺(tái)軟起動(dòng)器對(duì)多臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)324.3.1主回路圖324.3.2軟件編制33第5章 大中型異步電動(dòng)機(jī)變頻工頻同步切換研究5.1變頻器的輸出切換方法分類355.2硬切換的危害及改進(jìn)方法365.3同步切換(軟切換)385.4鎖相控制385.5變頻器旁路與軟起

6、動(dòng)器的分析比較395.6同步切換問(wèn)題小結(jié)40結(jié)束語(yǔ)41參考文獻(xiàn)42致謝44附錄A 基于PLC的磁控式軟起動(dòng)器的主程序45附錄B 基于單臺(tái)軟起動(dòng)器對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的主程序47附錄C PID運(yùn)算主程序54電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)摘 要： 本文闡述了PLC技術(shù)在大中型異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)自動(dòng)控制中的應(yīng)用及其優(yōu)越性，并給出了具體的實(shí)施辦法。即采用PLC來(lái)對(duì)以串聯(lián)在籠型電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中的電壓調(diào)節(jié)式可漏電抗、A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、電力電子裝置、PID調(diào)節(jié)等共同組成的一套起動(dòng)系統(tǒng)加以控制，大致原理即電機(jī)起動(dòng)時(shí)由于串聯(lián)了可調(diào)電抗，起動(dòng)電流較小。起動(dòng)過(guò)程中通過(guò)PLC調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)可調(diào)電抗的控制電壓

7、，使之電抗逐漸減小至零，電機(jī)由起動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)過(guò)渡到正常運(yùn)行狀態(tài)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。此外，本文針對(duì)目前在變頻器輸出切換問(wèn)題上存在的情況，試圖從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，對(duì)變頻器的同步切換問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討。關(guān)鍵詞： 可編程序控制器（PLC）； 電動(dòng)機(jī) ； 軟起動(dòng)； 變頻器； 同步切換An electric motor is soft to startthe research and the design of control the systemAbstract: This text introduced an electric motor of big and med

8、ium-sized difference soft the concept and the movement principles that start, elaborated the programmable preface controller( PLC) technique in an electric motor of big and medium-sized difference softly start automatic control of application and its superiority, and give concrete implement way.Adop

9、t the PLC namely to turn in an electrical engineering of cage by establish the electric voltage in the sub- back track regulate type can the electric leakage, A/ D, the D/ A conversion mold piece, the electric power electronics equip, the PID regulates etc. to constitute together a set of to start t

10、he system to carry out the control to carry on soft start, thus attain the purpose of protect the electric motor.Mostly principle namely the electrical engineering start because of establishing the adjustable electricity, starting the electric current smaller.Start to regulate to equip to regulate t

11、he control electric voltage of the adjustable electricity anti- through a PLC in the process, the electricity anti- that make lets up to zeroth gradually, electrical engineering from start the appearance steady transfer the normal movement appearance to retreat the adjustable electricity bypass agai

12、n a movement, the electrical engineering starts the process to complete.In addition, this text aim at currently existent circumstance in changing the frequency machine to output to cut over the problem, try from the technique and economies the practical angle set out, cutting over the problem to car

13、ry on the analysis and studies towards changing the frequency machine synchronously.Keyword: The programmable preface controller(PLC) ； Motor； Soft-starting； Changing frequency machine ； Inverter Output switching 第1章 異步電動(dòng)機(jī)及其起動(dòng)方式1.1異步電動(dòng)機(jī)1.1.1異步電動(dòng)機(jī)概述一、異步電動(dòng)機(jī)是如何轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的異步電動(dòng)機(jī)定子上有三相對(duì)稱的交流繞組，三相對(duì)稱交流繞組通入三相對(duì)稱交流電流

14、時(shí)，將在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)； 轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，判斷感應(yīng)電勢(shì)方向。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過(guò)端環(huán)自成閉路，并通過(guò)感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。根據(jù)以上電磁感應(yīng)原理，異步電動(dòng)機(jī)也叫感應(yīng)電動(dòng)機(jī)3。 二、 轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差率（為什么叫異步電動(dòng)機(jī)？）切割磁力線是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的必要條件。 轉(zhuǎn)子必須與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)保持一定的速度差，才可能切割磁力線。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速用n1表示，稱為同步轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速用n表示，轉(zhuǎn)差n=n1-n。 轉(zhuǎn)差率： 轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本變量，在

15、分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)有著重要的地位。 起動(dòng)瞬間，n=0,s=1 理想空載運(yùn)行時(shí)：n=n1,s=0 作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，s的范圍在0-1之間。 轉(zhuǎn)差率一般很小，如s=0.03。 制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，即n1與n反向，s1 發(fā)電運(yùn)行時(shí)，n高于同步轉(zhuǎn)速n1,s0. 根據(jù)轉(zhuǎn)差率可以區(qū)分異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài) 三、電勢(shì)平衡方程式1、定子繞組電勢(shì)平衡方程式定子繞組接到交流電源上，與電源電壓相平衡的電勢(shì)（壓降）包括： 主電勢(shì)（感應(yīng)電勢(shì)）： 定子繞組通入三相對(duì)稱交流電流時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的主磁通，同時(shí)被定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組切割，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。定子繞組感應(yīng)電勢(shì)的有效值： 漏磁電勢(shì)（漏抗壓降） o

16、 定子漏磁通：僅與定子繞組相匝鏈。 o 漏抗壓將： 電阻壓降： 定子電勢(shì)平衡方程式： 2、轉(zhuǎn)子繞組的電勢(shì)及電流 轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì) o 轉(zhuǎn)子繞組切割主磁通的轉(zhuǎn)速 主磁通以同步速度旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體切割主磁通的相對(duì)轉(zhuǎn)速為(n1-n)=sn1 o 轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的頻率： 公式： 結(jié)論：由于s很小，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)頻率很低。0.5-3Hz o 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)的有效值 公式： 感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)差率正比。 對(duì)繞線式異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，相數(shù)計(jì)算方法同定子繞組的計(jì)算。 對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)導(dǎo)條中電流相位均不一樣，所以，每個(gè)導(dǎo)條即為一相，可見相數(shù)等于導(dǎo)條數(shù)即轉(zhuǎn)子槽數(shù)；每相串聯(lián)匝數(shù)

17、為半匝即1/2。 注意轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)（s=1)時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)是感應(yīng)電勢(shì)的關(guān)系。 轉(zhuǎn)子繞組的阻抗 o 由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，所以有轉(zhuǎn)子電流流過(guò)。同樣會(huì)產(chǎn)生漏磁電抗壓降。 o 漏抗公式：。漏抗也與轉(zhuǎn)差率正比。轉(zhuǎn)速越高，漏抗越小。 o 考慮到轉(zhuǎn)子繞組的相電阻后： 轉(zhuǎn)子繞組中的電流 o 轉(zhuǎn)子繞組短路，轉(zhuǎn)子電壓為0，感應(yīng)電勢(shì)全部加在轉(zhuǎn)子阻抗上 o 轉(zhuǎn)子回路方程： o 轉(zhuǎn)子電流：， 四、異步電動(dòng)機(jī)的磁勢(shì)平衡1、定子繞組的磁勢(shì) 大?。ㄓ行е担?轉(zhuǎn)速： 2、轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì) 大小： o 轉(zhuǎn)子電流的頻率 o 轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速： o 轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的絕對(duì)轉(zhuǎn)速（相對(duì)于不動(dòng)的定子） 結(jié)論：轉(zhuǎn)子繞組的磁勢(shì)與定子繞

18、組的磁勢(shì)轉(zhuǎn)速相同，在空間相對(duì)靜止。 3、磁勢(shì)平衡方程式 激磁電流和激磁磁勢(shì) o 產(chǎn)生主磁通所需要的電流稱為激磁電流； o 對(duì)應(yīng)的磁勢(shì)稱為激磁磁勢(shì)： 激磁磁勢(shì)近似不變 o 由電勢(shì)方程式：；電源電壓不變，阻抗壓降很小，電勢(shì)近似不變； o 由公式：，近似不變； o 可見，激磁磁勢(shì)和激磁電流幾乎不變。 空載運(yùn)行時(shí)，激磁磁勢(shì)全部由定子磁勢(shì)提供，即：= 負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中有電流流過(guò)，產(chǎn)生一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，為了保持不變，定子磁勢(shì)除了提供激磁磁勢(shì)外，還必須抵消轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的影響，即： 異步電動(dòng)機(jī)的磁勢(shì)平衡方程： oooo 結(jié)論：空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電流為0，定子電流等于激磁電流；負(fù)載時(shí)，定子電流隨負(fù)載增大而增大。

19、 1.1.2 異步電動(dòng)機(jī)全壓直接起動(dòng)的危害從三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性的分析中知道，如果在額定電壓直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，由于最初起動(dòng)瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù)又很低，造成了起動(dòng)電流相當(dāng)大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大的結(jié)果。以普通鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)為例，起動(dòng)電流：IS=KIIN=（4-7）IN，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：TS=KTTN=（0.9-1.3）TN。再看對(duì)供電變壓器的影響，整個(gè)交流電網(wǎng)的容量相對(duì)于單個(gè)的三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)講是非常大的。但是具體到直接供電的變壓器來(lái)講，容量卻是有限的。配電變壓器的容量是按其供電的負(fù)載總?cè)萘吭O(shè)置的，正常運(yùn)行條件下，變壓器由于電流不超過(guò)額定電流，其輸出電壓比較穩(wěn)定，電壓變

20、化率在允許的范圍之內(nèi)。三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，變壓器提供較大的起動(dòng)電流，會(huì)使變壓器輸出電壓下降。若變壓器額定容量相對(duì)很大、電動(dòng)機(jī)額定功率相對(duì)很小時(shí)，短時(shí)起動(dòng)電流不會(huì)使變壓器輸出電壓下降多少，因此也沒有什么關(guān)系。若變壓器額定容量相對(duì)不夠大、電動(dòng)機(jī)額定功率相對(duì)不算小時(shí)，電動(dòng)機(jī)短時(shí)較大的起動(dòng)電流，會(huì)使變壓器輸出電壓短時(shí)下降幅度較大，超過(guò)了正常值，這樣一來(lái)，影響了幾個(gè)方面：一、起動(dòng)電動(dòng)機(jī)本身，由于電壓太低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很多，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，可能起動(dòng)不了。電動(dòng)機(jī)較大的起動(dòng)電流引起電壓下降，對(duì)電動(dòng)機(jī)本身有著不良影響，因電壓太低會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很多，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能不能起動(dòng)。通常電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程時(shí)間很

21、短，短時(shí)間過(guò)大的電流，從發(fā)熱角度來(lái)看，電動(dòng)機(jī)本身是可以承受的。但是，對(duì)于起動(dòng)頻繁的電動(dòng)機(jī)，過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部過(guò)熱，導(dǎo)致電機(jī)溫升過(guò)高，使電機(jī)繞組絕緣過(guò)熱而老化。因此要采取措施，減少最初起動(dòng)電流的影響。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流的大小為： IST = 由上式可見，降低起動(dòng)電流有三種方法：1.降低電源電壓；2.定子邊串接電阻或電抗；3.轉(zhuǎn)子邊串接電阻或電抗。從上面分析看出，不同的電源和不同的負(fù)載情況，對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求不一樣的。有時(shí)要求有大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；有時(shí)要求起動(dòng)電流要小，有時(shí)上述兩個(gè)要求要同時(shí)滿足?？傊妱?dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：1 應(yīng)有足夠大的最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（TS1.1TL）；2 盡

22、可能小的最初起動(dòng)電流；3 起動(dòng)操作簡(jiǎn)便，起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)；二、大中異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的再一個(gè)危害就是影響由同一臺(tái)配電變壓器供電的其他負(fù)載。顯然，即使是偶爾出現(xiàn)一次，也是不允許的。從上邊分析看出，變壓器額定容量相對(duì)電動(dòng)機(jī)講不足夠大時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)不允許直接起動(dòng)。直接全壓起動(dòng)的危害性主要有如下幾點(diǎn)：(1) 電動(dòng)機(jī)在空載全壓直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的57倍。當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量相對(duì)較大時(shí)，該起動(dòng)電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降，電壓頻率也發(fā)生變化，這會(huì)破壞同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)痣娋W(wǎng)失去穩(wěn)定，造成更大的事故。(2) 電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)的大電流在電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生很大的沖擊力，會(huì)破

23、壞繞組絕緣和造成鼠籠條斷裂，引起電機(jī)故障，大電流還會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，損傷繞組絕緣， 減少電機(jī)壽命。(3) 電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，對(duì)于齒輪傳動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，很大的沖擊力會(huì)使齒輪磨損加快甚至破碎；對(duì)于皮帶傳動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，加大了皮帶磨損甚至拉斷皮帶。對(duì)于水泵類負(fù)荷來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)，水流會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到全速，在遇到管路拐彎時(shí)，高速的水流沖擊到管壁上，產(chǎn)生很大的沖擊力，形成水錘效應(yīng)，會(huì)破壞管道。如果水泵前面的管路比較長(zhǎng)，當(dāng)水泵電機(jī)突然停止時(shí)，高速的水流會(huì)沖擊到水泵的葉輪上，產(chǎn)生很大的沖擊力，會(huì)使葉輪變形或損壞。直接起動(dòng)時(shí)電機(jī)速度上升很快，潤(rùn)滑油往往不能及時(shí)到位，會(huì)引起軸

24、承干磨，降低其使用壽命。(4) 電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間的諧波電流，使電網(wǎng)的諧波大量增加。電網(wǎng)諧波含量的增加，將導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加。同時(shí)，還可能引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)，儀表指示和電度計(jì)量不準(zhǔn)以及通信受干擾等一系列問(wèn)題。(5) 直接全壓起動(dòng)還會(huì)在高壓開關(guān)關(guān)合時(shí)產(chǎn)生陡度很大的操作過(guò)電壓，使定子繞組上電壓分布不均勻，對(duì)其絕緣造成極大的傷害。許多電機(jī)的自身故障都是由于絕緣受到傷害而引起的。以上各點(diǎn)都會(huì)使設(shè)備增加停工臺(tái)時(shí)，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，增加維修費(fèi)用。綜合考慮，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下應(yīng)盡量避免采用電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)方式，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。在這種情況

25、下，大中型異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)作為一個(gè)重要的課題被提出來(lái)。1.1.3 異步電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方式目前國(guó)內(nèi)大型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有定子回路串電抗器、自耦變壓器、水電阻等減壓起動(dòng)方式，（但起動(dòng)電流仍然很大(一般是額定3到5倍)對(duì)電機(jī)仍然有較大的沖擊，而且會(huì)引起電網(wǎng)電壓急劇下降。所以稱之為減壓起動(dòng)。）起動(dòng)性能的比較；軟起動(dòng)與傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)的性能指標(biāo)見表1-1：表1-1軟起動(dòng)與傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)的性能指標(biāo)現(xiàn)以Allen-Bradley公司SMC Dialog Plus系列交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器為例來(lái)說(shuō)明工作原理和運(yùn)行特點(diǎn): （a）Ma特性 （b）La特性圖1-1 降低電動(dòng)機(jī)端子的電壓時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ma和啟動(dòng)電流La的特

26、性可見三相交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ma直接與所加電壓的二次方有關(guān)，也就是說(shuō)，只要降低電機(jī)接線端子上的電壓就會(huì)影響這些值。1.2軟啟動(dòng)概述1.2.1軟起動(dòng)的概念 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。1.2.2軟起動(dòng)的常用起動(dòng)方式目前的軟啟動(dòng)器有以下五種起動(dòng)方式（圖1-2）：圖1-2 軟起動(dòng)器的五種起動(dòng)方式限流起動(dòng)顧名思義是限制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，它主要是用在輕載起動(dòng)的負(fù)載降低起動(dòng)壓降，在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動(dòng)力矩，對(duì)電動(dòng)機(jī)不利。斜坡電壓起動(dòng)顧名思

27、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)。轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)用在重載起動(dòng)，它是將電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，它的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑，柔性好，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有更好的保護(hù)，它的目的是保護(hù)拖動(dòng)系統(tǒng)，延長(zhǎng)拖動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。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)。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)相仿也是用在重載起動(dòng)，不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩克服電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，縮短起動(dòng)時(shí)間。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

28、注意。電壓控制起動(dòng)是用在輕載起動(dòng)的場(chǎng)合，在保證起動(dòng)壓降下發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能的縮短了起動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式3。1.2.3 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。 （2）起動(dòng)電壓上升斜率可調(diào)，保證了起動(dòng)電壓的平滑性，起動(dòng)電壓可依據(jù)不同的負(fù)載在30%70%Ue(Ue為額定電壓)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。（3）可以根據(jù)不同的負(fù)載設(shè)定起動(dòng)時(shí)間。（4）起動(dòng)器還具有可控硅短路保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)。1.2.4 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，

29、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。1.2.5幾種大中型異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方式在高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)應(yīng)用中的綜合比較目前，高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式種類繁多，主要有：高壓電抗器起動(dòng)、高壓變壓器起動(dòng)、高壓固態(tài)軟起動(dòng)、高壓液態(tài)軟起動(dòng)、電動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)組起動(dòng)等方法。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。且容量?jī)H限于10KV，5000KW以下。因此，其對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的應(yīng)用并不廣泛。1、高壓變頻器隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，

30、半導(dǎo)體電力電子器件在高壓領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛、技術(shù)日趨成熟。目前，應(yīng)用于高壓大容量鼠籠式電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和起動(dòng)的高壓變頻器已能做到13.8KV，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)。變頻器主要應(yīng)用于鼠籠式電動(dòng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能，但也可用于鼠籠式電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)、軟停車。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。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：1、采用VVVF控制方式，通常采取S

31、PWM觸發(fā)模式，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)或變轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，幾乎涵蓋各種類型負(fù)載的起動(dòng)。2、可實(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。3、可實(shí)現(xiàn)脈沖突跳方式的起動(dòng)，以克服足夠大的靜阻轉(zhuǎn)矩。4、在各種起動(dòng)控制方式中,其起動(dòng)電流最小。而且最容易實(shí)現(xiàn)工況適宜性調(diào)整。5、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。6、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。但是，用變頻器起動(dòng)電動(dòng)機(jī)并非十全十美，它也存在不足之處：1）、高次諧波污染問(wèn)題高壓變頻器結(jié)構(gòu)上使用大功率半導(dǎo)體電力電子器件（如SCR，GTO，IGBT，ICBT等），采用三相橋式整流電路。對(duì)于6脈

32、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。如此高的諧波嚴(yán)重影響同網(wǎng)其他電力設(shè)備的正常運(yùn)行。因此須同時(shí)投資大容量的諧波濾波裝置。當(dāng)然，采用6倍脈沖整流電路（如18脈沖，24脈沖），則諧波電流大大降低，但電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，一般采用較少。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。2）、對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響問(wèn)題高壓大容量電動(dòng)機(jī)多使用普通鼠籠式電動(dòng)機(jī)，采用變頻器供電時(shí)，由于變頻器采用PWM調(diào)制，電壓變化率du/dt很高，電壓峰值也大大高于額定電

33、壓，同時(shí)變頻器還輸出高頻電壓成分。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)。而且輸出高次諧波引起電機(jī)的過(guò)熱，使電機(jī)不能滿出力運(yùn)行。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。3）、維護(hù)與維修問(wèn)題高壓變頻器較之通用變頻器，其技術(shù)含量更高，設(shè)備更為復(fù)雜，所需維護(hù)與維修的技術(shù)水平更高，維修更為復(fù)雜。而且維修費(fèi)用是相當(dāng)高的。4）、 一次投資與收益一般地，高壓變頻器用于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，具有很高的優(yōu)越性（如調(diào)速性能、降流節(jié)能等），其一次投資具有明顯的收益。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

34、并沒有什么大的收益，尤其是非頻繁起動(dòng)的負(fù)載，更不適宜選用高壓變頻器。2、晶閘管電子軟啟動(dòng)器另一種基于電力電子器件開發(fā)的晶閘管電子軟啟動(dòng)器普遍采用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)的控制。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。3、磁控式電機(jī)軟起動(dòng)裝置磁控式電機(jī)軟起動(dòng)裝置是近年來(lái)開始在工業(yè)上逐漸認(rèn)可的一種大型電機(jī)軟起動(dòng)裝置 它投資較小，起動(dòng)效果好 它的基本工作原理是將電壓調(diào)節(jié)式可漏電抗串聯(lián)在籠型電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中，電機(jī)起動(dòng)前可調(diào)電抗值為最大值。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。起動(dòng)過(guò)程中通過(guò)PLC調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)可調(diào)電抗的控制電壓，使之電

35、抗逐漸減小至零，電機(jī)由起動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)過(guò)渡到正常運(yùn)行狀態(tài)。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。4、高壓熱變電阻起動(dòng)器（一）工作原理：在電機(jī)定子回路串接液體電阻達(dá)到降壓起動(dòng)的目的。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。依據(jù)電解液的電阻值與電解液溫度的反比例變化關(guān)系，電液阻值因電液溫度升高而降低，從而達(dá)到熱變電阻降壓起動(dòng)的目的。（二）性能特點(diǎn)：由熱變電阻的原理可以看出：1、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

36、距固定不變。起動(dòng)初始時(shí)刻，電液阻值受溫度的影響而變化，不同季節(jié)的溫度變化及連續(xù)起動(dòng)情況下每次電液初始溫度的不同，均導(dǎo)致起動(dòng)初始時(shí)刻阻值的不同。因此，每次起動(dòng)電流難以保證相同的起動(dòng)特牲。2、起動(dòng)電流不可控、不可調(diào)其電液箱溶液體積與濃度、極板間距一次成型。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。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電機(jī)參數(shù)、工況、負(fù)載等參數(shù)與計(jì)算有一定偏差或需要調(diào)整時(shí)，這就需對(duì)阻值進(jìn)行調(diào)整和在起動(dòng)過(guò)程中對(duì)阻值變化進(jìn)行靈活控制。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

37、可控、不可調(diào)。3、起動(dòng)時(shí)間不可調(diào)用熱變電阻起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，決定起動(dòng)切換到全壓運(yùn)行的時(shí)刻，是依據(jù)對(duì)主電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)，通過(guò)開關(guān)觸點(diǎn)的控制轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。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。4、對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊及對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊熱變電阻的液阻值完全是按溫度的反比例關(guān)系來(lái)變化的，電液的溫度既不可能無(wú)限大，電液阻值就不可能為0。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。因此切換至全壓運(yùn)行時(shí)刻，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生浪涌電流沖擊，并且對(duì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械沖擊。5、總起動(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鍋現(xiàn)象，產(chǎn)生大量蒸

38、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。6、起動(dòng)性能差，因?yàn)闊嶙冸娮柰耆繙囟日{(diào)節(jié)阻值，溫度是人為無(wú)法控制的，二次起動(dòng)時(shí)與第一次起動(dòng)相比其溫度發(fā)生很大變化，起動(dòng)特性隨之發(fā)生變化，起動(dòng)電流、起動(dòng)時(shí)間也相應(yīng)出現(xiàn)偏差。7、存在二次沖擊現(xiàn)象。由于液態(tài)電阻在常壓下最高溫度為100，電阻率不可能為零，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。由于上述因素，熱變電阻軟起動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中存在很多限制，需滿足以下條件：非常精確的計(jì)算；非常準(zhǔn)確的電機(jī)負(fù)載和電網(wǎng)參數(shù)；嚴(yán)格檢測(cè)的耐高壓箱體；工況參數(shù)不能發(fā)生大的變化和調(diào)整；連續(xù)起動(dòng)的次數(shù)要求低；起動(dòng)時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。從嚴(yán)格意義上講，熱

39、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)。它的起動(dòng)性能與電抗器相比較相似，起動(dòng)性能決定于電動(dòng)機(jī)、電網(wǎng)及負(fù)載參數(shù)。第2章 可編程序控制器及其特殊功能模塊概述2.1 可編程序控制器2.1.1 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。1985年1月，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第2稿對(duì)可編程序控制

40、器作了如下定義：“可編程序控制器是一種數(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。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(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)。”通常把PLC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。 在全世界上百個(gè)可編程序控制器制造廠中，有幾家舉足輕重的公司。它們是美國(guó)ROCKWELL自動(dòng)化公司所屬的A-B公司、GE-FANUC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

41、，日本的三菱公司和歐姆龍公司。這幾家公司控制著全世界80%以上的可編程序控制器市場(chǎng)。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。 可編程序控制器的推廣在我國(guó)得到了迅猛的發(fā)展，可編程序控制器已經(jīng)大量應(yīng)用在引進(jìn)設(shè)備和國(guó)產(chǎn)設(shè)備中，我國(guó)不少?gòu)S家引進(jìn)或研制了一批可編程序控制器，各行各業(yè)也涌現(xiàn)出大批應(yīng)用可編程序控制器改造設(shè)備的成果，機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備越來(lái)越多地采用可編程序控制器作控制裝置。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。2.1.2 可編程序控制器的主

42、要特點(diǎn) 1)可靠性高 PLC的MTBF(Mean Time Between Failures)平均故障間隔時(shí)間一般在40000-50000h以上，三菱、西門子、ABB、松下等微小型PLC可達(dá)10萬(wàn)h以上，而且均有完善的自診斷功能，判斷故障迅速，便于維護(hù)。 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。I/0點(diǎn)數(shù)從88192點(diǎn)，有多種機(jī)型、多種功能模板可靈活組合，結(jié)構(gòu)形式也是多樣的。 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?；拘褪皆偌由夏MI/0、基本算術(shù)運(yùn)算、通信能力等。復(fù)雜型式除了具有基本

43、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。一臺(tái)可編程序控制器可以同時(shí)控制幾臺(tái)設(shè)備，也可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。 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)。新的編程工作站配有綜合的軟件工具包，并可在任何兼容的個(gè)人計(jì)算機(jī)上編程。 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。 6)安裝、維修簡(jiǎn)單與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，PLC安裝

44、不需要特殊機(jī)房和嚴(yán)格的屏蔽。使用時(shí)只要各種器件連接無(wú)誤，系統(tǒng)便可正常工作。各個(gè)模件上帶有運(yùn)行和故障指示裝置，便于查找故障，大多數(shù)模件可以帶電插拔，模件可更換，使用戶可以在最短的時(shí)間內(nèi)查出故障并排除，最大限度地壓縮故障停機(jī)時(shí)間，使生產(chǎn)迅速恢復(fù)。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。 7)運(yùn)行速度快 隨著微處理器的應(yīng)用，PLC的運(yùn)行速度增快，使它更符合處理高速度復(fù)雜的控制任務(wù)。 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

45、為了競(jìng)爭(zhēng)也相應(yīng)地降低了價(jià)格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計(jì)、編程和投產(chǎn)周期，使總價(jià)格進(jìn)一步降低。 2.1.3 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。 1)大型網(wǎng)絡(luò)化 主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。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;向上可與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 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

46、現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。 3)高可靠性 由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。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。2.1.4 可編程序控制器的工作原理 在繼電器控制電路中，當(dāng)某些梯級(jí)同時(shí)滿足導(dǎo)通條件時(shí)，這些梯級(jí)中的繼電器線圈會(huì)同時(shí)通電，這是一種并行的工作方式。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

47、，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。 PLC上電后首先進(jìn)行初始化:I/0、內(nèi)部輔助、特殊輔助、輔助記憶繼電器區(qū)域清零;定時(shí)器預(yù)置;識(shí)別擴(kuò)展單元。然后進(jìn)入循環(huán)掃描工作過(guò)程，掃描過(guò)程如圖2-1所示。這個(gè)工作過(guò)程分為內(nèi)部處理、外設(shè)端口服務(wù)、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個(gè)階段。全過(guò)程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段:CPU都要進(jìn)行復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器、硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等操作。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。當(dāng)PLC處于停止(

48、STOP)狀態(tài)時(shí)只進(jìn)行內(nèi)部處理和外設(shè)端口服務(wù)操作等內(nèi)容。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。 圖2-1 PLC工作掃描流程圖 1)輸入處理階段 輸入處理也叫輸入采樣。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。自此輸入映像寄存器就與外界隔離，即使輸入信號(hào)發(fā)生變化其映像寄存器的內(nèi)容也不發(fā)生變化，只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息，也就是說(shuō)，各輸入映像寄存器的狀態(tài)要保持一個(gè)掃描周期不變。 2)程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)

49、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。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器中讀出上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器中讀出對(duì)應(yīng)映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。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。 執(zhí)行用戶程序階段的掃描時(shí)間是影響掃描周期時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素，而且不是固定的，其原因主要取決于以下幾方面因素:用戶程序中所用語(yǔ)句條數(shù)的多少。每條指令的執(zhí)行時(shí)間不同。程序中有改變程序流向的指令。 3)輸出刷新

50、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)。2.1.5 可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器主要是由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。1、CPU模塊CPU模塊主要是由微處理器（CPU芯片）和存儲(chǔ)器組成。在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟。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)。2、I/O模塊輸入模塊和輸出模塊簡(jiǎn)稱為I/O模塊，它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)和CPU模塊的

51、橋梁。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、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等來(lái)的開關(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)。 可編程序控制器通過(guò)輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等執(zhí)行器，可編程序控制器控制的另一類外部負(fù)載是指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等。 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。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使可編程序控制器不能正常工作。在I/O模塊中，用光電耦

52、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。3、編程器編程器除了用來(lái)輸入和編輯用戶程序外，還可以用來(lái)監(jiān)視可編程序控制器運(yùn)行時(shí)各種編程元件的工作狀態(tài)。4、電源可編程序控制器使用220V交流電源或24V直流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的電路供電。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。2.1.6 可編程序控制器的I/0滯后現(xiàn)象 由于PLC是掃描工作過(guò)程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)變化，要等

53、到下一周期的輸入處理階段才能改變。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。由此可以看出，全部輸入輸出狀態(tài)的改變需要一個(gè)掃描周期。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個(gè)掃描周期。掃描周期越長(zhǎng)，滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。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。若要輸出對(duì)輸入作出快速響應(yīng)的場(chǎng)合，則可采取相應(yīng)的措施如選用高速CPU提高掃描速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施來(lái)盡量減少滯后時(shí)間。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;輸出繼電器的動(dòng)

54、作延遲;程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙?。2.1.7 可編程序控制器編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn)代的可編程序控制器一般備有多種編程語(yǔ)言，供擁護(hù)選擇，不同廠家的可編程序控制器的編程語(yǔ)言有較大的區(qū)別，用戶不得不學(xué)習(xí)多種編程語(yǔ)言。 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。其中的第三部分（IEC1131-3）是可編程序控制器的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。 IEC1131-3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。 IEC1131-3詳細(xì)地說(shuō)明了句法、語(yǔ)義和下述5種編程語(yǔ)言的表達(dá)方式：1、順序功能圖（Sequential function chart）;2、梯形圖（Ladder diagram）3、功能塊圖（Function block diagram）4、指令表（Instruction list）5、結(jié)構(gòu)文本（Structure