基于PLC和變頻器運(yùn)料小車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘 要 早期運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)多為繼電器—接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)周期長、體積大、成本高等缺陷，無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作，將PLC應(yīng)用到運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的自動化控制，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，PLC運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，可靠性和可維護(hù)性好，易于安裝、維修和改造等優(yōu)點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，運(yùn)料小車不斷擴(kuò)大到各個(gè)領(lǐng)域，從手動到自動，逐漸形成了機(jī)械化、自動化。 運(yùn)料小車是焦化廠及其它工業(yè)運(yùn)料的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冶金、有色金屬、煤礦等行業(yè)。早期運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)多為“繼電器—接觸器”組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作。本文將介紹一種先進(jìn)控制系統(tǒng)來對焦化廠運(yùn)料小車進(jìn)行自動控制。 此系統(tǒng)把PLC控制技術(shù)與變頻器調(diào)速相結(jié)合，利用PLC控制變頻器，再通過變頻器優(yōu)良的調(diào)速性能，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的自動化控制，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。此運(yùn)料小車自動控制系統(tǒng)以可編程序控制器為核心。其中PLC在現(xiàn)場對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，變頻器按PLC的命令對小車電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，整個(gè)系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，精度高，穩(wěn)定性、可靠性和可維護(hù)性好，安裝、維修和改造方便等優(yōu)點(diǎn)。 【關(guān)鍵詞】：運(yùn)料小車控制系統(tǒng)；PLC；變頻器 目 錄 第一章 緒論………………………………………………………………………………1 1.1 課題的提出背景 ………………………………………………………………………………1 1.2 運(yùn)料小車的發(fā)展概況 …………………………………………………………………………2 第二章 可編程控制器（PLC）概況……………………………………………………………3 2.1 PLC的定義………………………………………………………………………………………3 2.2 PLC的發(fā)展………………………………………………………………………………………3 2.3 PLC的特點(diǎn)………………………………………………………………………………………4 2.4 PLC的基本組成及各部分作用…………………………………………………………………4 2.5 PLC的選型………………………………………………………………………………………7 2.6 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域…………………………………………………………………………………7 2.7 PLC的使用注意事項(xiàng)……………………………………………………………………………8 第三章 變頻器的概況………………………………………………………………………… 10 3.1 變頻器的主電路 ……………………………………………………………………………11 3.2 變頻器的控制電路………………………………………………………………………… 12 3.3 變頻器的保護(hù)電路 …………………………………………………………………………12 3.4 變頻器的分類和控制方式 …………………………………………………………………13 3.5 變頻器的使用注意事項(xiàng) ………………………………………………………………15 第四章 運(yùn)料小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………………………………………………17 4.1 運(yùn)料小車的系統(tǒng)介紹 ………………………………………………………………………17 4.2 運(yùn)料小車控制系統(tǒng)圖 ………………………………………………………………………18 4.3 I/O分配地址表 ……………………………………………………………………………20 4.4運(yùn)料小車的狀態(tài)流程圖 ……………………………………………………………………21 4.5運(yùn)料小車的控制梯形圖 ……………………………………………………………………22 結(jié)束語……………………………………………………………………………………………25 致謝………………………………………………………………………………………………26 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………………27 前 言 隨著國民經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，一個(gè)國家的自動化程度的高低，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而且在許多方面已經(jīng)將它提高到?jīng)Q定性的高度，其中工業(yè)控制的水平又是反映自動化程度的關(guān)鍵。 首先，由于焦化廠工藝流程的特點(diǎn)，這是一個(gè)生產(chǎn)環(huán)境很惡劣的地方，有很多對人體有害的灰塵、氣體和液體，如各種苯的化合物，硫的化合物，煤氣等。但焦化是一個(gè)很復(fù)雜很長的過程，需要對原料進(jìn)行多次處理，這就需要有機(jī)電車對這些原料進(jìn)行上料、運(yùn)輸、卸載，并且精準(zhǔn)度要求也很高，如果由人在現(xiàn)場控制這些機(jī)電車，現(xiàn)場的惡劣環(huán)境對人體的傷害是很大的。其次，小車運(yùn)料機(jī)電車屬于中型機(jī)械設(shè)備，一般體積較大(如煤車的重量達(dá)2噸以上)，行走時(shí)慣性較大，運(yùn)行軌道長度一般不小于50m,煤車按照生產(chǎn)工序的要求，需要處于一種“運(yùn)行—對正停車—運(yùn)行”很精確的往復(fù)行走狀態(tài)。再者，焦?fàn)t生產(chǎn)處于露天工作環(huán)境，受天氣的影響較大，加之車輛是在溫度高、粉塵大、腐蝕性氣體嚴(yán)重的惡劣環(huán)境中作業(yè)，車輛分散、活動頻繁、運(yùn)行時(shí)自身振動大，使系統(tǒng)的準(zhǔn)確檢測與定位控制難以保證，相互間信息聯(lián)系不能及時(shí)可靠的傳遞。 所以這就需要有一套穩(wěn)定性很好的并且智能化程度高的自動化機(jī)電車來完成這些工作。怎么來穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制這些電機(jī)車就是系統(tǒng)的關(guān)鍵。結(jié)合生產(chǎn)工藝的各種需要，應(yīng)選擇適合惡劣生產(chǎn)環(huán)境的PLC來控制運(yùn)料小車的運(yùn)行，使其脫離人工的控制，減少控制的誤差，提高生產(chǎn)的效率與質(zhì)量?？删幊绦蚩刂破?PLC)是一種為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它應(yīng)用微電子技術(shù)，按照用戶編制的程序?qū)崿F(xiàn)控制和數(shù)據(jù)處理的功能。由于其可靠性高、編程簡單、易于維護(hù)而廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)。 本文將設(shè)計(jì)一種基于PLC和變頻器的運(yùn)料小車控制系統(tǒng)，根據(jù)對運(yùn)輸機(jī)械電氣控制的分析，設(shè)計(jì)具有控制管理級和現(xiàn)場設(shè)備級的運(yùn)料小車的PLC控制系統(tǒng)，具有操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，工藝參數(shù)修改方便，自動化程度高，能節(jié)省大量人力、物力、財(cái)力，能使國內(nèi)各行各業(yè)的運(yùn)料環(huán)節(jié)節(jié)約大量資金，帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。 第一章 緒論 1.1 課題的提出背景 隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平日益提高，隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài),緩解日趨緊張的供求關(guān)系,我們研究了多功能天車。 新中國成立特別是改革開放以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)取得了舉世矚目的偉大成就。同時(shí)，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會主義初級階段。全面建設(shè)小康社會，既面臨難得的歷史機(jī)遇，又面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)增長過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴(yán)重；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益有待提高。在擴(kuò)大勞動就業(yè)、理順分配關(guān)系、提供健康保障和確保國家安全等方面，有諸多困難和問題亟待解決。從國際上看，我國也將長期面臨發(fā)達(dá)國家在經(jīng)濟(jì)、科技等方面占有優(yōu)勢的巨大壓力。為了抓住機(jī)遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進(jìn)行多方面的努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強(qiáng)社會管理等。與此同時(shí)，我們比以往任何時(shí)候都更加需要緊緊依靠科技進(jìn)步和創(chuàng)新，帶動生產(chǎn)力質(zhì)的飛躍，推動經(jīng)濟(jì)社會的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。 進(jìn)入21世紀(jì)，我國作為一個(gè)發(fā)展中大國，加快科學(xué)技術(shù)發(fā)展、縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，還需要較長時(shí)期的艱苦努力，同時(shí)也有著諸多有利條件。中華民族擁有5000年的文明史，中華文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成獨(dú)特的創(chuàng)新文化。只要我們增強(qiáng)民族自信心，貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經(jīng)過15年乃至更長時(shí)間堅(jiān)韌不拔的艱苦奮斗，就一定能夠創(chuàng)造出無愧于時(shí)代的輝煌科技成就。 科技工作的指導(dǎo)方針是：自主創(chuàng)新，重點(diǎn)跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。自主創(chuàng)新，就是從增強(qiáng)國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新。重點(diǎn)跨越，就是堅(jiān)持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢、關(guān)系國計(jì)民生和國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，集中力量、重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展，就是從現(xiàn)實(shí)的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支撐經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來，就是著眼長遠(yuǎn)，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。這一方針是我國半個(gè)多世紀(jì)科技發(fā)展實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括總結(jié)，是面向未來、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。 要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對外開放條件下推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，必須認(rèn)真學(xué)習(xí)和充分借鑒人類一切優(yōu)秀文明成果。改革開放20多年來，我國引進(jìn)了大量技術(shù)和裝備，對提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進(jìn)而不注重技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，勢必削弱自主研究開發(fā)的能力，拉大與世界先進(jìn)水平的差距?？傊仨毎烟岣咦灾鲃?chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)方面，貫徹到各個(gè)產(chǎn)業(yè)、行業(yè)和地區(qū)，大幅度提高國家競爭力。我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強(qiáng)，為全面建設(shè)小康社會提供強(qiáng)有力的支撐；基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究綜合實(shí)力顯著增強(qiáng)，取得一批在世界具有重大影響的科學(xué)技術(shù)成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀(jì)中葉成為世界科技強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)，形成比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。 企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和深化，使得生產(chǎn)物的輸送成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。運(yùn)料小車自動控制正是用來實(shí)現(xiàn)輸送生產(chǎn)物的控制系統(tǒng)，隨著PLC的發(fā)展，國外生產(chǎn)線上的運(yùn)輸控制系統(tǒng)非常廣泛的采用該控制系統(tǒng)，而且有些制造廠還開發(fā)研制了出了專用的邏輯處理控制芯片，我國的大部分工控企業(yè)的運(yùn)料小車自動控制系統(tǒng)都是從國外引進(jìn)的，成本高，為了滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)流通的需要，讓PLC技術(shù)與自動化技術(shù)相結(jié)合，充分的利用到我國的工控企業(yè)生產(chǎn)線上，讓該系統(tǒng)在各種環(huán)境下都能夠工作，而且成本低，易控制，安全可靠，效率高。 1.2 運(yùn)料小車的發(fā)展概況 由于PLC的不斷發(fā)展和革新，使得生產(chǎn)線的運(yùn)輸控制也將得到不斷的改善和生產(chǎn)率的不斷提高，運(yùn)料小車控制經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： （1）手動控制：在20世紀(jì)60年代末70年代初期，便有一些工業(yè)生產(chǎn)采用PLC來實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的控制，但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)還不夠成熟，只能夠用手動的方式來控制機(jī)器，而且早期運(yùn)料小車控制系統(tǒng)多為繼電器一接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作。 （2）自動控制：在20世紀(jì)80年代，由于計(jì)算機(jī)的價(jià)格下降，這時(shí)的大型工控企業(yè)將PLC充分的與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，通過機(jī)器人技術(shù)，自動化設(shè)備終于實(shí)現(xiàn)了PLC在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)在自動方面的應(yīng)用。 （3）全自動控制：現(xiàn)階段，由于PLC技術(shù)的向高性能 高速度、大容量發(fā)展大型PLC大多采用多CPU結(jié)構(gòu)，不斷向高性能、高速度和大容量方向發(fā)展。將PLC運(yùn)用到運(yùn)料小車控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的全自動控制，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。PLC運(yùn)料小車自動控制系統(tǒng)具有連線簡單控制速度快，精度高，可靠性和可維護(hù)性好，維修和改造方便等優(yōu)點(diǎn)。 第二章　可編程控制器（PLC）概況 2.1 PLC的定義 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！? 2.2 PLC 的發(fā)展 1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，并公開招標(biāo)提出十項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn): (1)編程方便，現(xiàn)場可修改程序； (2)維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)； (3)可靠性高于繼電器控制裝置； (4)體積小于繼電器控制裝置； (5)數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)； (6)成本可與繼電器控制裝置競爭； (7)輸入可以是交流115V； (8)輸出為交流115V, 2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等； (9)在擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只要很小變更； (10)用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到4K。 1969年，美國數(shù)字公司(DEC)研制出了第一臺可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。這種新型的工業(yè)控制裝置簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長，很快在美國其它工業(yè)領(lǐng)域推廣使用。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有了第五代PLC產(chǎn)品。 2.3 PLC的特點(diǎn) (1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。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。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。 (2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。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。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。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。 (3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。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。 (4)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 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)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。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。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 (5)體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 2.4 PLC的基本組成及各部分作用 PLC實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一 的。如圖下圖所示， PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖所示： 編程器 中央處理單元 （CPU） 輸入電路 輸出電路 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 用戶程序存儲區(qū) 電源 1、中央處理單元(CPU)： CPU在PLC中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，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)和編程的語法錯(cuò)誤; (3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來; (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。 現(xiàn)代PLC使用的CPU主要有以下幾種: (1)通用微處理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微處理器的價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，還可以借用微機(jī)成熟的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、豐富的軟硬件資源。 (2) 單片機(jī)，如8051等。單片機(jī)由于集成度高、體積小、價(jià)格低和可擴(kuò)充性好，很適合在小型PLC上使用，也廣泛地用于PLC的智能UO模塊。 (3) 位片式微處理器，如AMD2900系列等。位片式微處理器是獨(dú)立于微型機(jī)的另一分支。它主要追求運(yùn)算速度快，它以4位為一片。用幾個(gè)位片級聯(lián)，可以組成任意字長的微處理器。改變微程序存儲器的內(nèi)容，可以改變計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。位片式結(jié)構(gòu)可以使用多個(gè)微處理器，將控制任務(wù)劃分為若干個(gè)可以并行處理的部分，幾個(gè)微處理器同時(shí)進(jìn)行處理。這種高運(yùn)算速度與可以適應(yīng)用戶需要的指令系統(tǒng)相結(jié)合，很適合于以順序掃描方式工作的PLC使用。 2、存儲器 根據(jù)存儲器在系統(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)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM. (2)用戶程序存儲器: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，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時(shí)讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池(鏗電池)保護(hù)RAM，以免電源掉電時(shí)，丟失用戶程序。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時(shí)，可將用戶程序?qū)懭隕PROM.目前較先進(jìn)的PLC(如歐姆龍公司的CPMIA型PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時(shí)讀寫，掉電時(shí)數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護(hù)。 (3)工作數(shù)據(jù)存儲器: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)存儲在RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲PLC的開關(guān)量輸入/輸出和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個(gè)數(shù)據(jù)占一個(gè)字。它存儲用戶程序執(zhí)行時(shí)的某些可變參數(shù)值，如定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來存放A/0轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時(shí)用后備電池維持其當(dāng)前值，在停電時(shí)可保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。 3、1/0單元 I/0單元也稱為I/0模塊。PLC通過I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí)CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件. 4、電源部分 PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V, +12V, +24V的直流電源，使PLC能正常工作。 電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部;對于模塊式PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個(gè)模塊中。 5、擴(kuò)展接口 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 6、編程器 編程器的作用是提供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有LCD或CRL圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。現(xiàn)在很多PLC已不再提供編程器，而是提供微機(jī)編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。 2.5 系統(tǒng)PLC的選型 PLC與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O接口模塊來實(shí)現(xiàn)的。PLC有許多I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。 I/O點(diǎn)數(shù)選擇的內(nèi)容如下： 定義PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，包括開關(guān)量的I/O點(diǎn)數(shù)、數(shù)字量的I/O點(diǎn)數(shù)、模擬量的I/O點(diǎn)數(shù)以及特殊功能模塊。根據(jù)系統(tǒng)的需要，確定系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備的數(shù)量。 1、輸入點(diǎn)（設(shè)備）的數(shù)量 小車自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行，需要設(shè)置啟動開關(guān)、手/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)以及停車開關(guān)，手動開關(guān)是便于對系統(tǒng)的檢測與維修，當(dāng)手動有效時(shí)，小車應(yīng)可以在低速度下行駛。小車速度改變信號的輸入點(diǎn)(SQ3～SQ6點(diǎn))，本系統(tǒng)采用行程開關(guān)向PLC發(fā)出信號以此來控制變頻器的頻率變化。 監(jiān)控機(jī)對小車的位置監(jiān)控是通過接收旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號來實(shí)現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)測量裝置，它將被測的角位移直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（高速脈沖信號）。因此可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLC，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對其脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測量結(jié)果。 變頻器的異常輸出端子Y2、Y3、Y4和Y5是額定值為DC24V/50mA的集電極開路輸出，符合FX2N可編程控制器對輸入信號的要求，因此可以將它們與可編程控制器的輸入端直接相連，作為變頻器的異常信號輸入到PLC，經(jīng)過PLC故障處理子程序進(jìn)行異常處理。 因此，由PLC組成的控制系統(tǒng)共有17個(gè)輸入信號。其中有2個(gè)位置檢測輸入信號，11開關(guān)輸入信號，4個(gè)變頻器異常輸入信號。 2、輸出點(diǎn)（設(shè)備）的數(shù)量 控制變頻器的抱閘工作、正反向運(yùn)行、復(fù)位、停止及高低速選擇，需要6點(diǎn)開關(guān)量輸出，為了指示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如左行、右行、報(bào)警等，設(shè)置8個(gè)輸出指示信號，此外，還需要給變頻器一個(gè)故障信號輸入，PLC檢測到系統(tǒng)有故障時(shí)讓變頻器停止工作。 PLC的選型主要依據(jù)控制所需輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和用戶程序的長度來確定。考慮到系統(tǒng)今后的功能擴(kuò)展，留有一定余量，本系統(tǒng)選用了功能齊全而且可靠性高的三菱FX2N48MR，這樣共有24輸入點(diǎn)，輸出點(diǎn)24點(diǎn)。可以滿足輸入、輸出的要求，并且還有一定的余量。 2.6 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 (1)開關(guān)量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 (2)模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 (3)運(yùn)動控制 PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。 (4)過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般 是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 (5)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 (6)通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 2.7 PLC使用注意事項(xiàng) 雖然PLC具有很高的可靠性，并且有很強(qiáng)的抗干擾能力，但在過于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當(dāng)?shù)惹闆r下，都有可能引起PLC內(nèi)部信息的破壞而導(dǎo)致控制混亂，甚至造成內(nèi)部元件損壞。為了提高PLC系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，使用時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題。 I/O設(shè)備及電動設(shè)備的電源線應(yīng)分開連接，以避免過強(qiáng)的噪聲和過大的電源波動引起PLC的CPU工作異常。 輸入（出）線盡可能的遠(yuǎn)離輸出（入）線、高壓線及電機(jī)等干擾。信號線應(yīng)該盡量使用屏蔽電纜。 PLC的各單元的地線相連，接地線應(yīng)用專用的，其直徑應(yīng)在2mm以上，且不能和其他設(shè)備共用，更不能接到建筑物的大型金屬結(jié)構(gòu)上。 PLC要求環(huán)境溫度應(yīng)該在0℃～55℃。安裝時(shí)不能把發(fā)熱量大的元件放在PLC下面，并且周圍應(yīng)該有足夠的通風(fēng)散熱空間。 安裝PLC的控制柜應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離有強(qiáng)烈振動和沖擊場所，尤其是連續(xù)、頻繁的振動。必要時(shí)可以采取相應(yīng)措施來減輕振動和沖擊的影響，以免造成接線或插件的松動。 不宜把PLC安裝在有大量污染物（如灰塵、油煙、鐵粉等）、腐蝕性氣體和可燃性氣體的場所，尤其是有腐蝕性氣體的地方，易造成元件及印刷線路板的腐蝕。 第三章　變頻器的概述 異步電動機(jī)用變頻器調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO做逆變元件）給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電源及頻率，由控制回路指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對于需要精密速度或快速響應(yīng)的場合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護(hù)電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓，過電流引起的損壞外就，還應(yīng)保護(hù)異步電動機(jī)及傳動系統(tǒng)等。 圖3-1 變頻器的構(gòu)成 圖3-2 典型的電壓型逆變器一例 3.1 變頻器的主電路 給異步電動機(jī)提供調(diào)速調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖4-2示出了典型的電壓逆變器的例子，其住電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機(jī)需要制動時(shí)，有時(shí)需附加“制動回路”。 1、整流器 最近大量使用的是二極管的變流器，如圖4-2所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。 2、平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波電路。 3、逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率相同的交流輸出。 4、制動電路 異步電動機(jī)在再生制動區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動機(jī)）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時(shí)，可用逆變器向電源反饋或設(shè)置制動回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓升高。 3.2 變頻器的控制電路 給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖3-1所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制回路信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”。 在圖3-1點(diǎn)劃線內(nèi)，僅以控制A部分構(gòu)成控制電路時(shí)，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。 控制電路主要包括： 1、運(yùn)算電路 將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 2、電壓/電流檢測電路 與主回路電位隔離，檢測電壓、電流等。 3、驅(qū)動電路 為驅(qū)動主電路器件的電路。它使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 4、速度檢測電路 以裝在異步電動機(jī)軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 5、保護(hù)電路 檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 3.3 變頻器的保護(hù)電路 1、逆變器保護(hù) (1)瞬時(shí)過電流保護(hù)。由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。變流器的輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。 (2)過載保護(hù)。逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)通達(dá)規(guī)定的時(shí)間以上，為了防止逆變器期間、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時(shí)限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路）。過負(fù)載是由于負(fù)載的GD（慣性）過大或因負(fù)載過大使電機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。 (3)再生過電壓保護(hù)。采用逆變器使電動機(jī)快速時(shí)，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時(shí)超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\(yùn)轉(zhuǎn)或快速減速的辦法，防止過電壓。 (4)瞬時(shí)停電保護(hù)。對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時(shí)停電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電時(shí)間在10s以上時(shí)，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止工作。 (5)接地過電流保護(hù)。逆變器負(fù)載側(cè)接地設(shè)計(jì)，為了保護(hù)逆變器，有時(shí)要有接地過電流保護(hù)功能。但為了確保人身安全，需要裝設(shè)漏電斷路器。 (6)冷卻風(fēng)機(jī)異常。有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，當(dāng)風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)的溫度將上升。因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片傳感器，檢出異常后停止逆變器。 2、異步電動機(jī)的保護(hù) (1)過載保護(hù)。過載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過熱時(shí)，在異步電動機(jī)內(nèi)埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來檢出過熱。動作頻繁時(shí)，可以考慮減輕電動機(jī)負(fù)載、增加電動機(jī)及逆變器容量等。 (2)超頻（超速）保護(hù)。逆變器的輸出頻率或者異步電動機(jī)的速度超過規(guī)定值時(shí)，逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 3、其他保護(hù) (1)防止失速過電流。急加速時(shí)，如果異步電動機(jī)跟蹤遲緩，則過電流保護(hù)電路動作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速），所以，在負(fù)載電流 減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于 恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過電流，也進(jìn)行同樣的控制。 (2)防止失速再生電壓。減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護(hù)電路動作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過壓。 3.4 變頻器的分類和控制方式 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻器中常用的控制方式： 1、非智能控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 (1) V/f控制 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-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控制變頻器結(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)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (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控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(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，就可以使電動機(jī)具有對應(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，并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。 基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對電動機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機(jī)上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。 無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算，因此，實(shí)時(shí)性不是太理想，控制精度受到計(jì)算精度的影響。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，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，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時(shí)間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實(shí)現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 (6)其他非智能控制方式 在實(shí)際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實(shí)現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。 2、智能控制方式 智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。 (1) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中，一般是進(jìn)行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這時(shí)對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進(jìn)行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時(shí)控制多個(gè)變頻器，因此在多個(gè)變頻器級聯(lián)時(shí)進(jìn)行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會在具體應(yīng)用中帶來不少實(shí)際困難。 (2) 模糊控制 模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機(jī)的升速時(shí)間得到控制，以避免升速過快對電機(jī)使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。 (3) 專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個(gè)專家?guī)?，存放一定的專家信息，另外還要有推理機(jī)制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機(jī)制的設(shè)計(jì)是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。 (4) 學(xué)習(xí)控制 學(xué)習(xí)控制主要是用于重復(fù)性的輸入，而規(guī)則的PWM信號(例如中心調(diào)制PWM)恰好滿足這個(gè)條件，因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制中。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要1~2個(gè)學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有時(shí)需要實(shí)現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個(gè)穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時(shí)要特別注意。 3、變頻器控制的展望 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的發(fā)展，變頻器的控制方式今后將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。 (1) 數(shù)字控制變頻器的實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)在，變頻器的控制方式用數(shù)字處理器可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)算，變頻器數(shù)字化將是一個(gè)重要的發(fā)展方向，目前進(jìn)行變頻器數(shù)字化主要采用單片機(jī)MCS51或80C196MC等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能。 (2) 多種控制方式的結(jié)合 單一的控制方式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并沒有“萬能”的控制方式，在有些控制場合，需要將一些控制方式結(jié)合起來，例如將學(xué)習(xí)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合，自適應(yīng)控制與模糊控制相結(jié)合，直接轉(zhuǎn)矩控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合，或者稱之為“混合控制”，這樣取長補(bǔ)短，控制效果將會更好。 (3) 遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使“天涯若咫尺”，依靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制也是一個(gè)發(fā)展方向。通過RS485接口及一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這樣在有些不適合于人類進(jìn)行現(xiàn)場操作的場合，也可以很容易的實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。 (4) 綠色變頻器 隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，對于環(huán)境的保護(hù)越來越受到人們的重視。變頻器產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)會帶來污染，降低變頻器工作時(shí)的噪聲以及增強(qiáng)其工作的可靠性、安全性等等這些問題，都試圖通過采取合適的控制方式來解決，設(shè)計(jì)出綠色變頻器。 3.5 變頻器使用注意事項(xiàng) 為防止觸電，燃燒事故和減小電氣干擾，必須將變頻器和電機(jī)接地，變頻器使用專用接地端子，接地線盡量粗，使用22 mm2 線，電機(jī)接地端子使用4芯電纜中的一根線，在變頻器側(cè)接地。 不要將任何電容器連接于變頻器的輸出側(cè)，因過大的諧波電流將使電容器或變頻器過熱而受損。 電機(jī)電源線的端子用帶套管的壓裝端子。 控制電路的連線應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離主功率電路的連線（兩者距離至少大于10厘米），以防止由于干擾噪聲引起誤動作。如果兩者必須相交叉，應(yīng)該使用雙絞線和屏蔽線。 控制回路輸入信號是微弱信號，為防止接觸不良，使用孖生接點(diǎn)。 保護(hù)回路動作時(shí)，為防止控制回路電源斷開，異常輸出信號不能保持，控制端子電源信號R0、T0接到不間斷電源UPS上。 制動電阻應(yīng)連接到制動單元的P（+）和N（-）端子，不能直接連接于變頻器，否則變頻器將會過熱和引起故障，制動電阻也會燒毀。 當(dāng)使用開路集電極輸出端信號時(shí)，應(yīng)該確認(rèn)連接電源的極性是正確的，如接錯(cuò)電壓極性，則可能造成損壞。 第四章 運(yùn)料小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 運(yùn)料小車的系統(tǒng)介紹 1、系統(tǒng)工作概況：運(yùn)料系統(tǒng)流程示意圖如4-1圖所示。運(yùn)料小車由三相交流電動機(jī)驅(qū)動。 4-1運(yùn)料小車工作流程圖 注：SQ1-X11,SQ2-X12,SQ3-X13,SQ4-X14,SQ5-X15,KM1-Y5,KM2-Y6,KM3-Y7,KM4-Y4，KM5-Y1,KM6-Y2。 本運(yùn)料系統(tǒng)具有自動工作方式與手動點(diǎn)動工作方式,具體由自動工作與手動點(diǎn)動工作轉(zhuǎn)換開關(guān)K1選擇。在自動工作方式時(shí)，運(yùn)料小車處于原位即限位開關(guān)SQ1壓合，卸料門關(guān)閉，按啟動按鈕后，運(yùn)料小車按照運(yùn)料方式選擇開關(guān)K2預(yù)先設(shè)定的運(yùn)料方式進(jìn)行裝料，裝好料到卸料處卸料，卸完料到清洗閥處清洗，然后再裝料，卸料，清洗，如此不斷自動循環(huán)工作。按停止按鈕后，運(yùn)料小車在本次裝料、卸料、清洗完成后，快速回到原點(diǎn)停止。按急停按鈕后，運(yùn)料小車立即仃在原處，由手動點(diǎn)動工作方式進(jìn)行處理。 在手動點(diǎn)動工作時(shí)，運(yùn)料小車可通過正向點(diǎn)動按鈕和反向點(diǎn)動按鈕進(jìn)行正向點(diǎn)動和反向點(diǎn)動以便對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，檢修和事故處理。 運(yùn)料系統(tǒng)電氣自動控制系統(tǒng)采用PLC控制，運(yùn)料小車電動機(jī)采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng), 運(yùn)料小車電動機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)亦由PLC控制。 2、自動工作方式時(shí)裝料、卸料及清洗運(yùn)行控制要求： (1)運(yùn)料方式由運(yùn)料方式選擇開關(guān)K2選擇。 當(dāng)K2閉合時(shí)為運(yùn)料方式(一),此時(shí)甲料斗先 裝料4秒鐘,然后乙料斗裝料2秒鐘。當(dāng)K2斷開時(shí)為運(yùn)料方式(二),此時(shí)乙料斗先裝料3秒鐘,然后甲料斗裝料2秒鐘。 (2)在原位時(shí)按下啟動按鈕時(shí)，運(yùn)料小車按照運(yùn)料方式選擇開關(guān)K2預(yù)先設(shè)定的運(yùn)料方式進(jìn)行裝料。在運(yùn)料小車裝料運(yùn)行過程中（包括前進(jìn)與后退運(yùn)行過程）,運(yùn)料小車電動機(jī)均先以1200r/min速度運(yùn)行5秒鐘，然后減速至300r/min速度運(yùn)行,當(dāng)運(yùn)料小車到達(dá)相應(yīng)行程開關(guān)SQ3(X13)或SQ4(X14)時(shí)停車裝料。甲料斗裝料由KM1(Y5)控制, 乙料斗裝料由KM2(Y6)控制。 (3)運(yùn)料小車裝料完畢后先以1200r/min速度運(yùn)行5秒鐘，然后減速至300r/min速度運(yùn)行,當(dāng)運(yùn)料小車到達(dá)相應(yīng)行程開關(guān)SQ2(X12)時(shí)停車卸料。由KM4(Y4)控制卸料5秒鐘。 (4)卸料完成后，運(yùn)料小車電動機(jī)先以1400r/min速度運(yùn)行12秒鐘后再以500r/min速度駛向清洗閥處，當(dāng)運(yùn)料小車到達(dá)相應(yīng)行程開關(guān)SQ5(X15)停車清洗。由KM3(Y7)控制清洗小車6秒鐘。 (5)小車清洗完畢，先以1400 r/min速度反向運(yùn)行6秒鐘后，再減速到300r/min反向運(yùn)行退回裝料處,繼續(xù)按照運(yùn)料方式選擇開關(guān)K2預(yù)先設(shè)定的運(yùn)料方式進(jìn)行裝料, 然后再卸料，清洗，如此不斷自動循環(huán)工作。 (6)按停止按鈕后，運(yùn)料小車在本次裝料、卸料、清洗完成后，以1400r/min速度反向運(yùn)行20秒鐘后再以500r/min速度駛向原點(diǎn)，當(dāng)運(yùn)料小車到達(dá)相應(yīng)行程開關(guān)SQ1(X11)停車。 (7)當(dāng)按了急停按鈕時(shí)，運(yùn)料小車立即停在原處。 3、PLC控制系統(tǒng)和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)控制要求： (1)運(yùn)料系統(tǒng)電氣自動控制系統(tǒng)采用PLC控制，運(yùn)料小車電動機(jī)采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng), 運(yùn)料小車電動機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)亦由PLC控制。 運(yùn)料小車交流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用PLC控制交流變頻器的數(shù)字量輸入端口來控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的起停、正反轉(zhuǎn)、多段固定頻率設(shè)定及正反向點(diǎn)動等。 (2)運(yùn)料系統(tǒng)電氣自動控制系統(tǒng)設(shè)有自動工作與手動點(diǎn)動工作轉(zhuǎn)換開關(guān)，運(yùn)料方式選擇開關(guān)，自動工作時(shí)設(shè)有啟動按鈕，停止按鈕和急停按鈕。手動點(diǎn)動工作時(shí)設(shè)有運(yùn)料小車正向點(diǎn)動按鈕和反向點(diǎn)動按鈕等。 (3)運(yùn)料小車交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)有自動空氣斷路器和熔斷器。為滿足運(yùn)料小車工藝控制要求, 并配置能耗制動單元和能耗制動電阻。運(yùn)料小車交流變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式采用無PG的V/f控制方式。 4、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)定值： (1)電動機(jī)起動從0~1500r/min耗時(shí)3秒，制動從1500r/min~0耗時(shí)2秒。 (2)要求交流電動機(jī)按S字曲線進(jìn)行加、減速運(yùn)行，加速開始、加速完了、減速開始、減速完了的S字特性時(shí)間分別為0.5秒、0.4秒、0.3秒、0.2秒。 (3)停車時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至250r/min開始進(jìn)行直流制動，直流制動電流為50%電動機(jī)額定電流，制動時(shí)間為0.6秒。 (4)正向點(diǎn)動速度為300r/min，反向點(diǎn)動速度為300r/min。 (5)以上各轉(zhuǎn)速均為該電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（忽略轉(zhuǎn)速降）。 4.2 運(yùn)料小車控制系統(tǒng)圖 控制系統(tǒng)如圖所示 所以體統(tǒng)的主要硬件組成就可分為以下三部分： (1)工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 由主控單元、現(xiàn)場變送單元、連接電纜等主要部件組成?，F(xiàn)場變送單元與運(yùn)料電機(jī)傳動軸鋼性連接，通過旋轉(zhuǎn)編碼器和電纜將現(xiàn)場料車位置信號送至主控單元。主控單元與現(xiàn)場變送單元通過連接電纜連接，共同組成機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對料車上料情況的控制和監(jiān)視。 根據(jù)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)選擇研華IPC610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它是專為關(guān)鍵應(yīng)用而設(shè)計(jì)，能夠在沖擊、振動和灰塵較多的惡劣環(huán)境下工作。這種高性能的配置，不僅是使用三菱編程軟件對FX2N-PLC編程、調(diào)試的需要，也為監(jiān)控系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證。其主要配置為：機(jī)箱IPC-610H，主板PCA-6184V，CPU Pentium IV 2.4GHz，內(nèi)存256MB DDR，硬盤HDD 40GB，光驅(qū)：50X CDROM。系統(tǒng)由IPC610工控機(jī)及外圍輸入輸出模板組成。 本系統(tǒng)采用IPC+PLC結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集部分采用工控機(jī)，開關(guān)量輸入采用PLC可編程控制器，使系統(tǒng)的可靠性更高，操作更方便。此時(shí)，工控機(jī)一方面擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)采集任務(wù)，一方面擔(dān)負(fù)著PLC和變頻器監(jiān)控任務(wù)。現(xiàn)場信號傳入計(jì)算機(jī)后通過軟件分析計(jì)算和轉(zhuǎn)換，讓系統(tǒng)的狀態(tài)直觀的顯示在顯示器上。系統(tǒng)操作和畫面切換由鍵盤和鼠標(biāo)輸入，計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的輸入信息，產(chǎn)生系統(tǒng)操作、畫面切換、報(bào)表打印等指令。鍵盤作為工程師鍵盤，用來設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)定值和控制參數(shù)。 (2)PLC運(yùn)動控制系統(tǒng) PLC作為下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)所有信號的采集、運(yùn)算、調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)是：減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程簡單。CP511卡為PLC與工控機(jī)的通信接口卡，即通過上位機(jī)鍵盤直接設(shè)計(jì)參數(shù)給PLC，同時(shí)PLC通過旋轉(zhuǎn)編碼器和電纜將現(xiàn)場料車位置信號和狀態(tài)信號傳給上位機(jī)，通過上位機(jī)編程軟件將信號以直觀方式顯示在終端顯示屏CRT上，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地、動態(tài)地觀察料車在整個(gè)上料過程中的運(yùn)行位置和狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對料車的在線控制。 (3)變頻器調(diào)速系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)的運(yùn)料系統(tǒng)采用變頻器來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)料電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速特性平滑，效率高，可以使普通異步電動機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)