基于PLC控制的小型货物升降机调速系统设计

基于PLC控制的小型货物升降机调速系统设计 0 前言 在当今的社会，科学技术的发展可谓日新月异，现代化的技术被广泛的运用于工况实践，升降机的发展经历了从原始的人力拖动，到现代的微处理器控制的以液压和机械为驱动单元的发展过程。直到现在，大规模的集成电路在升降机中的投入使用，以及高运算速度的微处理器使得升降机的功能性、安全性以及智能化程度越来越高了。它的应用人的智慧是无穷尽的，针对单一的动作系统，人们又提出是否能在构造成型的硬件系统不变的情况下，通过软件编程来实现硬件系统动作的多样化。因此PLC(可编程序控制器)控制的机械设备在这种几乎是必然的情况下产生了。 可编程序控制器是在计算机技术，通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现在已经广泛的应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。 随着科学技术的进步、大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已日趋完善，变频调速用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，而且结构简单，因而成为交流电动机调速的最新潮流，由于笼型电动机占电动机总数的比例很大，故其调速方法和控制技术无疑将成为电动机控制的关键技术，而变频器与笼型电动机的结合则是交流电动机调速系统的最佳选择。该系统具有显著的节能效果、较高的控制精度及较宽的调速范围，便于使用维护以及易于实现自动控制及远程控制等性能，因而受到普遍欢迎。 1 1 概述 1.1 升降机发展历程与趋势 升降机(Lifter)作为垂直的运输工具已经有一百多年历史了。它是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种运输工具，其地位相当于“垂直运动的汽车”是现代生活必不可少的工[1]具。 升降机的发展经历了从原始的人力拖动，到现代的微处理器控制的以液压和机械为驱动单元的发展过程。直到现在，大规模的集成电路在升降机中的投入使用，以及高运算速度的微处理器使得升降机的功能性、安全性以及智能化程度越来越高了。而且随着科技的进步、现代战争的发展，它的应用领域也在不断的扩大:从最初的只应用在建筑方面，到现在的应用在一些大型船舶领域。 我国是最早出现升降机的国家之一，据考证，公元前11巧年至1079年之间我国劳动 [2]人民就发明了一种叫辘护的升降装置。西方相对来说出现的较晚一些。公元前236年，希腊科学家阿基米德设计出一种卷筒式升降机。在随后近两千多年中，升降机一直是靠人 [3]力、畜力或水力作为动力。 直到1858年瓦特发明蒸汽机后的一百年之后，美国制造商奥的斯才第一次把它作为升降机的动力装置并应用在了纽约的一台客梯上。接着阿姆斯特朗发明的水压梯代替了蒸汽机梯。1880年，德国最早出现了电力拖动的升降机。 1889年美国奥的斯公司制造了用直流电动机通过蜗轮蜗杆减速器带动卷筒卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机，构成了现代电梯的鼻祖。时隔三年，美国的亨利?华特发明了用调节电动机励磁场来调速的电动机—发电机电力驱动系统，使直流升降机的电力拖动结构有了重大的发展。 二次大战后，由于电子技术的发展，升降机的控制系统得到了极大的提高。特别是1970年以后，大规模集成电路在升降机控制系统中投入使用，使得升降机的可靠性、安全性都有了很大的改善，设备体积也大大缩小。 20世纪80年代，随着大功率晶体管模块的问世及微机和数字调节器技术的不断成熟，人们通过调节脉冲宽度来调节电子逆变器，实现对升降机中交流电动机的调压调频，达到线性调速的目的。此后，升降机的发展速度十分惊人，也开始逐渐普及起来。 目前，升降机正朝着高安全性、高可靠性、高性能、自动化、环保化、舒适化等方向 [4]发展。如联邦设备公司中标设计的美国CVN 21航空母舰弹药升降机，由永磁直线同步 2 电机驱动，不需要绳索，其运动更快，自动化程度更高，负载能力比“尼米兹”级大一倍以上。 1.2 国内外升降机研究状况 近三十年来，国外升降机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的升降机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的升降机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交—直—交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一台用同步机悬臂传动的升降机在德国Monopol矿问世，1988年由MAV GHH和西门子合作制造的机电一体的升降机(习惯称为内装电机式)在德国Rom berg矿诞生了， 。 这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动升降机 在升降机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使升降机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器应用于升降机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于升降机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使升降机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一些著名的升降机机制造公司，如西门子、ABB，ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了升降机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。 就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，我国升降机电控系统很长时间都处于落后的状况。直到目前为止，我国正在服务的矿井升降机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产升降机安全性、可靠性差，在关键部位—上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就升降机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。 3 2 PLC 2.1 PLC简介 PLC (编程逻辑控制器)是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极其广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的 [5]应用技术。 在PLC出现以前，继电器控制曾得到广泛应用，在机电设备和工业过程控制领域中占有主导地位。但是继电器控制系统有明显的缺点:体积大，可靠性低，故障查找困难，特别是因为它是由硬接线逻辑构成的系统，造成了接线复杂，容易出故障，对生产工艺变化的适应性较差。 20世纪60年代未，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量，以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。当时，电子计算机的硬件己经基本完备，其主要功能是通过软件来实现的，因此具有灵活性、通用性等优点，但价格相对来说比较昂贵，于是他们想到了把继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜的长处与计算机灵活、通用的优点结合起来，用来制造一种新型的工业控制装置，并进而采用招标的方式，首先山美国数字设备公司(DEC)研制出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器，即PLC(Programmable Logic Controller)。1969年，第一台PLC在GM公司汽车生产线上首次运行，成功地取代了沿用多年的继电器控制系统，尽管当时的PLC功能仅具有 [6]逻辑控制、定时、计数等功能，但却标志着一种新型装置问世。 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，20世纪70年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快也被用到PLC之中，使得PLC不仅其有逻辑控制功能，而且还增加了运算、数据处理和传送等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。1980年美国电器制造商协会正式将其命名为可编程控制器(Programmable Controller)简称PC。 国际电工委员会(IEC)于1982年11月和1985年1月颁布了可编程控制器的第一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义: 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它可 4 采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。 之所以把可编程控制器简称为PC，因为它已经不再是仅具有逻辑控制功能的装置了。只是由于20世纪80年代崛起的个人计算机(Personal Computer)也简称为PC。为了加以区别，人们又把可编程控制器简称为PLC。 2.2 PLC的技术发展方向 1)向高速度、大存储量方向发展 为提高处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前大中型PLC的速度可达0.2ms/k步左右。各大公司都把PLC的扫描速度作为一个很重要的竞争指标。 2)向多品种方向发展 LC比较普遍。为适应市场的多种需要，今后PLC 发展要向多品种方向， 目前中小型P 特别是向超大型和超小型两个方向发展。目前开关量输入输出点数达到8192点的大型PLC 己比较多。为适应大规模控制系统的需要，输入输出点数还在增加。例如:Modicon 公司的984—780、984—785的最大开关量输入输出点数为16384，西门子公司的S5- 55U为10K点，Reliance Electric公司的DCS- 5000为12K点。另一方面，小型的PLC向微型化、多功能、实用性发展，由于可编程控制器向微型化发展，起应用已不仅仅局限在工业领域，广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化和商业领域。 3)编程语言多样化 PLC系统结构不断发展的同时，编程软件也在不断发展。编程语言朝着多种编程语言的方向发展。尽管大多数PLC采用继电器梯形图语言，但是新的编程语言还是不断出现，现在有部分PLC已采用高级语台，例如:Teletrol系统公司的286集成系统就是用C语言，使个人计算机技术得以溶入PLC之中。 4)发展智能模块 智能模块是以微处理器为基础的功能部件。它可以与PLC 的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。发展智能模块可进一步提高PLC处理信息的能力和控制功能。 5 2.3 PLC的基本结构和工作原理 PLC是以微处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装置，也可以说是一种专用微型计算机。各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其组成的一般原理基本相同，即都是以微处理器为核心，并辅以外围电路和I/O单元等硬件所构成。正像通用的微机一样，PLC [7]的各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持。 2.3.1 PLC的硬件组成 PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出部件(I/O)、电源和编程器几大部分组成。其组成如图1-1所示。 图1-1 PLC的结构 Fig.1-1 PLC graph 1)中央处理单元(CPU) PLC中所采用的CPU随机型不同而有所不同，通常有三种: a.通用微处理器(8086、80286、80386等)。 b.单片机芯片(8031、8096等)。 c.位片式微处理器(AMD-2900等)。 PLC的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，其指令功能也越强。 2)存储器 PLC的内部存储器(简称内存)用来存储系统管理程序和用户程序。内存有两种: a.随机存储器RAM。 b.只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM。 3)输入/输出(I/O单元) 6 输入、输出信号分为开关量、模拟量、数字量。 本设计中采用的是开关量为输入和输出，所以这里仅以开关量为例进行说明。 I/O单元是PLC与被控对象之间传递输入输出信息的接口部件。为了防止各种干扰和高电压窜入PLC内部而影响其工作可靠性，I/O单元首先应具有电隔离作用和滤波作用。PLC的各种输入器件(如:各种开关、接头和热电偶等)和各种输出控制器件(如:电磁阀、接触器、和继电器等)有交流和直流型，有高电压和低电压型，有电压型和电流型。为保证PLC能正常工作，I/O单元必须把外部的电压和电流信号变换成PLC 能接受和识别的低电压信号，以及把PLC 输出的低电压信号变换成被控器件能接受或所要求的电压、电流信号，因此I/O单元还应具有电压、电流的变换作用。 通常PLC的输入有三种类型:一种是直流(DC)12—24V输入，另一种是交流(AC)100—120V 或200—240V 输入，第三种是交直流(AC/DC)12-24V 输入。输入开关可以是无源触点或传感器的集电极开路晶体管。各种PLC的输入电路大致相同。 输入电路的一次电路与二次电路间用光耦合器隔离，在电路中设有RC 滤波器，以消 OFF或从除输入触点的抖动和沿输入线引入的外部噪声的干扰。因此，外部输入从ON—OFF—ON变化时，PLC内部有约10ms的响应滞后。输入指示灯亮，光耦合器的发光二极管发光，而三极管从截止状态变为饱和导通状态，PLC的输入数据产生了0和1的改变。 通常，PLC的输出也有三种形式:一种是继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控制外电路的通断;另一种是晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外电路;第三种是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。在这三种输出中，以继电器输出响应最慢。 每种输出电路都有隔离措施。继电器的触点和线圈将PLC内部电路与外部负载电路进行电气隔离。品体管输出型是在PLC内部电路与输出晶体管之间用光耦合器进行隔离。双向晶闸管输出型是在PLC内部电路与双向晶闸管之间采用光触发晶闸管进行隔离。 输出电路的负载电源由外部提供。输出电流一般为0.5-2A。输出电流的额定值与负载性质有关。 4)电源 PLC的电源一般为单相交流电源，电源电压必须与额定电压相符(通常为110V或220V)，也有用直流24V供电的。PLC对电源的稳定性要求不高，一般允许电源电压额定值在?15%的范围内波动。PLC都包括一个稳压电源，用于对CPU和I/O单元供电。有些PLC的电源与CPU合为一体。有的PLC特别是大中型PLC备有专用电源模块。有些PLC 7 电源部分还提供有DC24稳压输出，用于对外部传感器供电。 5)编程器 编程器是PLC很重要的附件，它主要由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成。编程器分简易型和智能型两类。小型PLC常用简易编程器，大中型PLC多用智能CRT编程器。编程器的作用是编制用户程序，将程序送入存储器。利用编程器检查修改用户程序和在线监视PLC的工作状况。除上述简易型和智能型这两种编程器之外，还可采用通用计算机作为编程器。现在有些公司在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可使这些微机作为编程器用。用微机作为编程器，可以直接编制梯形图，监视功能也比较强，并且对于己经拥有微机的用户，可省去一台编程器，节省开支。编程器的功能随着PLC功能的不断增强也在不断强化，它已不是一个单一的程序输入装置，而兼有许多功能。 编程器通常有两种编程方式: a.在线(联机)编程方式 编程器与PLC上的专用插座直接相连，程序可直接写入到PLC的用户程序存储器中去，也可先将程序存放在编程器内，然后再转入PLC的存储器中。这种编程方式不但调试程序方便，而且还能监视PLC内部工作状态。 b.离线(脱机)编程方式 编程器与PLC脱开，待程序写完后才与PLC相连。离线编程方式不影响PLC的现行工作。 2.3.2 PLC程序的表达方式 与计算机的工作原理一样，PLC 的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达方式(即用文字符号表达程序，如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号表达程序，如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将 [8]这两种方式结合起来表示PLC程序。 1)梯形图 PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用，为广大电气技术人员所熟知。这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读。当今世界上各国的PLC制 8 造厂家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。 2)语句表 用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。由于不同型号的PLC的标识符和参数表示方法不一，所以无千篇一律的格式。 3)逻辑符号图 采用逻辑符号图表示控制逻辑时，首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数，它类似“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般说来，用这三种逻辑能够表达所有于 的控制逻辑。这是国际电工委员会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。 4)高级编程语言 随着软件技术的发展，近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程。许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微形计算机一样操作PLC。除了完成逻辑控制功能外，还可以进行PID 调节、数据采集和处理以及计算机通信等。 上述几种编程语言(方式)，最常用的是梯形图和语句表，其次是逻辑符号图，近几年来也使用高级语言。下面简述梯形图和语句表的编程格式及特点。 2.3.3 PLC的工作方式 1)PLC中等效元件的功用及其编号 PLC中的等效输入继电器X和等效输出继电器Y。计时器T、计数器C、辅助继电器M 等均可理解为一个线圈和多个动合(常开)、动断(常闭)触点，并都可以在PLC内部控制电路中使用，且均具有各自的相应编号，下面分别简介其功用与编号。 a.输入继电器(X) PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC 内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致(按八进制输入)，线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于10ms。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000,X007，X010,X017，„„。它们一般位于机器的上端。 b.输出继电器(Y) PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供 9 内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的。各基本单元都是八进制输出，输出为Y000,Y007，Y010,Y017，„„。它们一般位于机器的下端。 辅助继电器(M) c. PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。在FX2N中普遍途采用M0,M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如:掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。 d.定时器(T) 在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器(D)的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。 定时器通道范围如下: 100 ms定时器T0,T199，共200点，设定值:0.1, 3276.7秒; 10 ms定时器T200,TT245，共46点，设定值:0.01,327.67秒; 1 ms积算定时器 T245,T249，共4点，设定值:0.001,32.767秒; 100 ms积算定时器T250,T255，共6点，设定值:0.1,3276.7秒; 当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10 ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒(10 * 123ms = 1.23s)时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。 每个定时器只有一个输入，它与常 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 时器一样，线圈通电时，开始计时;断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。 定时器线圈T250的驱动输入X001接通时，T250的当前值计数器对100 ms的时钟脉冲进行累积计数，当该值与设定值K345相等时，定时器的输出触点动作。在计数过程中， 10 即使输入X001在接通或复电时，计数继续进行，其累积时间为34.5s(100 ms*345=34.5s)时触点动作。当复位输入X002接通，定时器就复位，输出触点也复位。 e.计数器(C) FX2N中的16位增计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。 其设定值在K1,K32767范围内有效。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点就动作。 通用计数器的通道号:C0,C99，共100点。 保持用计数器的通道号:C100,C199，共100点。 通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。 由计数输入X011每次驱动C0线圈时，计数器的当前值加1。当第10次执行线圈指令时，计数器C0的输出触点即动作。之后即使计数器输入X011再动作，计数器的当前值保持不变。 当复位输入X010接通(ON)时，执行RST指令，计数器的当前值为0，输出接点也复位。 应注意的是，计数器C100,C199，即使发生停电，当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持。 f.数据寄存器 数据寄存器是计算机必不可少的元件，用于存放各种数据。FX2N中每一个数据寄存器都是16bit(最高位为正、负符号位)，也可用两个数据寄存器合并起来存储32 bit数据(最高位为正、负符号位)。 通用数据寄存器D:通道分配 D0,D199，共200点。 只要不写入其他数据，已写入的数据不会变化。但是，由RUN?STOP时,全部数据均清零。(若特殊辅助继电器M8033已被驱动，则数据不被清零)。 停电保持用寄存器:通道分配D200,D511，共312点，或D200,D999，共800点(由机器的具体型号定)。 基本上同通用数据寄存器。除非改写，否则原有数据不会丢失，不论电源接通与否，PLC运行与否，其内容也不变化。然而在二台PLC作点对的通信时，D490,D509被用作通信操作。 11 文件寄存器:通道分配D1000,D2999，共2000点。 文件寄存器是在用户程序存储器(RAM、EEPROM、EPROM)内的一个存储区，以500点为一个单位，最多可在参数设置时到2000点。用外部设备口进行写入操作。在PLC运行时，可用BMOV指令读到通用数据寄存器中，但是不能用指令将数据写入文件寄存器。用BMOV将 数据写入RAM后，再从RAM中读出。将数据写入EEPROM盒时，需要花费一定的时间，务必请注意。 通道分配D6000,D7999，共2000点。 RAM文件寄存器: 驱动特殊辅助继电器M8074，由于采用扫描被禁止，上述的数据寄存器可作为文件寄存器处理，用BMOV指令传送数据(写入或读出)。 特殊用寄存器:通道分配 D8000,D8255，共256点。 是写入特定目的的数据或已经写入数据寄存器，其内容在电源接通时，写入初始化值(一般先清零，然后由系统ROM来写入)。 2)PLC的扫描工作方式 LC采用循环扫描的工作方式，其工作过程简图如 P 图1-2所示。 这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、 程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需 的时间称为扫描周期。在内部处理阶段，PLC检查CPU 模块内部硬件是否正常，复位监视计时器，以及完成其 它一些内部处理。在通信处理阶段，PLC与带微处理器 的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器 的显示内容。在PLC 处于停止运行(STOP)状态时，只 完成内部处理和通信服务工作。在PLC处于运行(RUN) 状态时，除完成上述操作外，还要完成输入处理、程序 执行、输出处理工作。从输入?第1步运算?第2步运 图1-2 扫描过程 算，„„，最后一步运算?输出。 Fig.1-2 Scan process 3)PLC的工作原理——计算机特性 PLC按扫描方式或串行方式工作，其实质就是因为PLC是一台微型机，它按照微型计算机的工作方式一条条从内存中读取指令，执行指令只是为了便于工厂中技术人员和工人的使用，才把PLC的程序用梯形图来表示。特别是中、高档PLC的指令集中已出现了类 12 似于微型机的指令，比如从操作方式上讲有数据或数据块在内存数据区内移动指令，有两个数据的加、减、乘、除、开方等运算指令，有中断、比较、移位等指令;从寻址方式上讲有直接寻址、间接寻址和变址寻址等指令。在编写梯形图程序时完全像用汇编语言那样使用它们，对数据进行各种操作，使程序分支，或局部循环，执行子程序或中断服务程序等。在程序连续进行嵌套判别时，因为PLC像微型机一样，只有一个进位，前边的判别必须用内存中的某个字的某个位，或者说是用PLC的辅助继电器记住其状态，才能进行下面的判别操作，否则会丢失前面判别的结果，使程序运行紊乱。这些状态和工作过程都和微型机的状态和工作过程十分相似。 13 3 货物升降机调速方式的选择 3.1 交流电动机的调速方式 自19世纪世界上第一台电动机诞生以来，近代工业发生了一场历史性革命。起初，由于直流电动机转矩容易控制，因此它作为调速电动机的代表在20世纪的大部分年代广泛地应用于工业生产中。直流调速系统具有起、制动性能好、调速范围广、静差小及稳定性能好等优点，晶闸管整流装置的应用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位。 虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、最高电压、最高转速及过载能力等主要技术指标受机械换向的制约，限制了直流调速系统的发展，使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，研究没有换向器的交流调速系统。交流电动机的主要优点是:没有电刷和换向器，结构简单，运行可靠，使用寿命长，维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低。早在20世纪30年代就有人提出用交流调速代替直流调速的有关理论，到60年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展，并逐步取代了直流调速。三相交流电动机调速可以分为以下几种类型: 1)调压调速 当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时，在一定的转差率下，电动机的电磁转矩M与加在其定子绕组上电压U的平方成正比，因此，改变电动机的定子电压就可改变其机械持性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。其主要缺点是设备笨重庞大。 2)电磁转差离合器调速系统 电磁转差离合器调速系统，是由笼型异步电动机、电磁转差离合器、测速发电机以及晶闸管控制装置组合而成。笼型电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。其缺点是电机机械特性较软，调速性能差，低速运行时损耗较大，效率较低。 3)绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速 绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速是通过在转子回路中串电阻来进行调速的。虽然这种调速方法比较简单、方便，但存在着以下几个缺点: a.调速是有级的，不平滑; b.串入较大附加电阻后，电动机的机械持性很软，低速运转时负载稍有变化，转速波动就很大; 14 c.电动机在低速运行时，效率甚低，电能损耗很大。 4)绕线转子异步电动机串级调速 在绕线转子异步电动机转子回路中串入附加电动势E。的调速方法称为串级调速。依靠附加电动势E。与转子感应电动势EZ的作用，使得转子电流保持在带动负载所必需的值，从而实现对电动机转速的调节，附加电动势越大，电动机转速越低。串级调速具有效率高、调速平滑等特点，但缺点是整个调速系统的功率因数较低，在高速时约为0.6左右，需要增加补偿装置;另外，串级调速范围有限，一般需要专门起动设备。 5)变极对数调速 60(1)fs,n,交流电动机转速的一般表达式为:，可以看出，只要改变交流电动机的p 极对数，即可改变其转速。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的极对数。采用这种控制方式，电动机的转速变化是有级的，不是连续的，一般只有二档，最多也只有五挡， 因此，其调速不是平滑无级而且范围有限。 6)变频调速 由电机的转速表达式可以看出，只要改变供电电源的频率，即可实现电机的转速调节，这就是变频调速的原理。其核心是变频技术，即把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因数、优异的节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最为理想的调速方式。 3.2 调速方案的选择 本设计重点比较绕线型异步电动机转子电路串电阻调速，绕线型异步电动机的串级调速以及笼型异步电动机的变频调速三种方案。 3.2.1 绕线型异步电动机转子电路串电阻调速 根据电动机的结构特点，转子电路串电阻调速通常采用绕线式电动机，在绕线式电动机的转子电路串接不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性。对应不同的转子电阻值，电动机的同步转速n0及最大转矩Tm不变，只是临界转差率Sm随转子电阻R增大而增大。因此，机械特性线性段的倾斜度也随r的增大而增大，并且，特性曲线都经过同 15 步转速点。在一定负载转矩T下，电动机转子回路总电阻R越大，转速n就越低。 设电机带负载稳定运行在固有特性1上的a点，此时，假如需要减速而在转子电路中串入调速电阻r，则在刚接入r瞬间，由于机械惯性，电机转速n来不及改变，而由特性1的a点转换到特性2上的b点，但b点的电磁转矩Ta时，要保持 1N1N 这时的机械特性如图3-4所示。调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。频率改变的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点由a平移到人为特性上的b点。由于此时T>Tz，n上升，工作点沿人为特性由b移至新交点c为止。系统重新在比原来低的转 f速下稳定运行。显然， 增加时，转速n随之增加。 1 n c bf1a fN OTzT ff图3-4 >时，变频调速机械特性 1N ffFig.3-4 When>,mechanical properties of variable frequency and speed adjusting 1N 变频调速的主要性能如下: 1)调速方向既可以往上调，又可以往下调。 2)调速的平滑性好，可实现无级调速。 3)调速的稳定性好，机械特性的工作段基本平行，硬度大，静差率小。 4)调速的经济性方面，初期投资大，需要专用的变频装置，但运行费用不大。 使用变频器的优点: 1)变频调速的节能 由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可20%一60%，这是因为风机、水泵的耗用功率与转速的二次方成比例，当用户的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，交流电动机总容量的20%一30%，它们的节能就具有非常重要的意义。对于一些在低速运行的恒转矩负载，变频调速也可节能。之外，原有调速方式耗能较大者，原有调速方式比较杂，效率较低者，采用了变频调速后，节能效果也很明显。 2)变频调速在电动机运行方面的优势 19 变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变怜的关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以仟意定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。 3)以提高工艺水平和产品质量为目的的应用 变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高奇特的产成品率延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和 容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现范围内的高效连续调计算机技术的基础上。 速控制、实现速度的精确控制，容易实现电动机的正反转换，可以进行高额度，解决大负载的启动问题。电源功率因数大所需容量小，可以组成高性能的控制系统等。变频器保护功能很强，在运行过中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如:电网瞬时电压降低、电网缺相、直流过电压、功率模块过热、电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。前变频调速的主要方案有:交一交变频调速、交一直一交变频调速、同步电动机自控式变频调速系统、正弦波脉宽调制(SPWM)、矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟，许多智能技术逐步渗透到其中，如:模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。 3.3 结论 通过以上几种方案的比较，变频调速方式具有节能，调速平滑，调速范围大，起动电 20 流小和结构简单，易于实现正、反转切换，保护功能齐全，运行安全可靠的优点，它不但比传统的直流电机调速优越，而且也比其他调速方式优越。随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，作为交流调速中心的变频调速技术得到了显著的发展。变频调速将成为交流电机最为理想的调速方式和电气传动发展的主流方向。因此，选用变频调速做为本设计的调速方式。 21 4 小型货物升降机调速系统硬件设计 4.1 小型货物升降机基本结构 小型货物升降机的升降过程是利用电动机正反转卷绕钢丝绳带动吊笼上下运动来实现。小型货物升降机一般由电动机、滑轮、钢丝绳、吊笼以及各种主令电器等组成，其基本结构如图4-1所示。SQ1~SQ4可以是行程开关，也可以是接近开关，用于位置检测，起限位作用。 电机M SQ4 SQ3 SQ2 吊笼 SQ1 图4-1 升降机结构图 Fig.4-1 Lifter chart 根据升降机在升降过程中，要求有一个由慢到快然后再由快到慢的过程，即起动时缓慢升速，达到一定速度后快速运行，当接近终点时，先减速再缓慢停车，为此将图4-1中的升降过程划分为三个行程区间，各区间段的升降速度如图4-2所示。按下提升起动按钮SB2(或下降按钮SB3)，吊笼以较低的一速速度平稳起动，运行到预定位置时，以二速速度快速运行，等再到达预定位置时，以一速实现平稳停车。 频率(HZ)二速30上 升一速一速10SQ4SQ1SQ3SQ2 SQ1SQ2SQ3SQ4位置10下一速一速 降 30二速 图4-2 升降机速度变化示意图 Fig.4-2 Schematic diagram of the lifter velocity 22 4.2 升降机控制系统图 升降机控制系统图，如图4-3所示。 急停按钮一速上升 电机正转上升按钮二速上升 下降按钮 PLC变频器一速下降 电机反转 二速下降 限位开关 SQ1~SQ4停止 图4-3升降机控制系统图 Fig.4-3 Chart lifter control system 4.3 系统的硬件构成 升降机自动控制系统主要由三菱FX2N—32MR可编程控制器、三垦SAMCO—i变频器、三相鼠笼式异步电动机组成。系统的硬件接线如图4-4所示。 急停上升下降 QFR SB1SB2SB3SQ1SQ2SQ3SQ4 RSTPPRX0X1X2X3X4X5X6COM SAMCO-IFX2N-32MR RRFR2DFDCM1COM1Y0Y1Y2Y4Y5COM2UVW 上下 升降 指指 示示M灯灯3~ 图4-4 系统的硬件接线图 Fig.4-4 Wiring diagram of the hardware PLC控制一方面代替继电线路，另一方面，对于系统所要求的提升和下降、以及由限位开关获取升降机运行的位置信息，通过PLC内部程序的处理后，在Y0~Y2端输出相应的“0”、“1”信号来控制变频器输入端子2DF、FR、RR的状态，使变频器及时按图4-2所示输出相应的频率，从而控制升降机的运行特性。速度档由2DF选择，每档速度的大小则通过对变频器进行功能预置设定，再通过PLC的程序来控制频率切换。当PLC输出端 Y0Y1Y2的状态为“010” 时，变频器输出一速频率，升降机以10Hz对应的转速上升， 23 当为“110”状态时，变频器输出二速频率，升降机以30Hz对应的转速上升;相应的，当Y0Y1Y2的状态为“001”、“101”时，升降机分别以10Hz、30Hz对应的转速下降。 4.4 PLC模块选择 4.4.1 PLC选型 综合考虑，系统选择了日本三菱公司生产的FX2N系统PLC。 FX2N系统PLC具有以下几方面的优点: N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/0模块，A/D模块，D/A模块和其它1)FX2 特殊功能模块。 2)FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。 3)FX2N可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器(C251等)能接受脉冲编码器脉冲。 4)FX2N的编程可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE MEDOC来进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。 由控制要求可知，本控制系统是一个7点输入，5点输出的系统，设计中采用三菱FX2N系列的基本单元模块，故可选用的模块有:FX2N-32MR-001、FX2N-48MR-001、FX2N-64MR-001、FX2N-80MR-001、FX2N-128MR-001，本设计采用FX2N-32MR-001，其输入点数为16，输出点数为16，都大于控制系统的控制要求点数，所以不需要扩展单元。 FX2N-32MR-001，其中:FX2N为系列名称，32为I/O点数，M表示模块为基本单元，R表示继电器输出形式(其他输出形式:S为三端双向可控硅开关元件输出，T为晶体管输 出)，001表示其他区分(电源)。 4.4.2 扩展设备组成 在本设计中，控制对象为一单一独立动作的，然而在实际的工况中，可能还有其他的辅助控制对象，或者用PLC控制多台不同动作流程的机械手，这时当I/O点数大于CPU模块提供的I/O点数时，则需进行I/O扩展，使实际需要的I/O点数? (基本单元，扩展单 [10]元，扩展模块，特殊模块)的I/O点数。 其扩展的示意图如图4-4所示: 24 FX1FX1FX1FX1FX2NFX2N-FX2NFXONFXONFX2FX2FX2FX2CNV-FX2N扩特扩扩扩特特IF型基本单元展殊展展展殊殊转换CPU模块单模模单模单模电缆元块块元块元块 a组b组 图4-4 扩展示意图 Fig.4-4 The graph of exaph of expanding moulds 1)FX2N基本单元右侧可以接a组或者b组，接b组时，须一定用FX2N-CNV-IF型转换电缆。但是，一旦和b组连接之后，就不能再接a组的扩展设备了。 2)FX2N采用DC24V电源供电的容量计算: 机型:FX2N-16M、FX2N-32M，其电流容量为250mA。 机型:FX2N-48M、FX2N-64M、FX2N-80M、FX2N-128M，其电流容量为460mA。 判断扩展可行与否的依据为: 1)M,基本单元电流容量,,〔FX2N，FX0N输入扩展模块 8点分 50mA〕×〔连接个数〕,,,〔FX2N，FX0N输出扩展模块8点分75mA〕×〔连接个数〕 如果M?0，则说明扩展方案可行，如果M,0，则扩展方案不可行。 2)在扩展中若使用FX2N-CNV-IF型转换电缆，则: N,M,,〔FX1，FX2输入扩展模块 8点分 55mA〕×〔连接个数〕,,,〔FX1，FX2输出扩展模块 8点分 75mA〕×〔连接个数〕, 如果N?0，则说明扩展方案可行，如果N,0，则扩展方案不可行。 这里需要说明的是:16点,8点×2个，32点,8点×4个，„„。 4.4.3 安装注意事项 1)不要在有灰尘、油烟、导电性尘埃、腐蚀性气体，可燃性气体的场合，高温、结露、风吹雨淋的场合，有振动、冲击的场所使用。因为上述不宜使用场所会引起震电、火灾、误动作，产品损伤或质量下降。 2)在进行螺孔加工、配线时，不要让铁屑，导线头等落入PLC通风口内。因为会引起火灾、故障、误动作等。 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 结束后，要拆除包在PLC通风口上的防尘罩。 3)若进行扩展，扩展电缆等连接电缆及存储卡盒，要准确地接在所规定的端子上， 25 以防止接触不良引发误动作。 4)扩展模块附带防尘罩，安装配线施工时请将防尘罩贴在通风口上。 5)为防止温度升高，请不要在地面、天棚或垂直方向上安装。 )扩展电缆，请接于离基本单元较近的扩展单元、扩展模块和特殊单元的左侧端子。 6 7)PLC主机和其他设备或结构物之间留50mm以上的空隙。尽量远离高压线、高压设备和动力设备。 8)在进行安装、配线作业时，一定要在全部关闭外部电源之后进行，否则容易电震，损伤产品。 9)安装、配线作业结束之后，通电、运行时，一定要安装产品附带的端子盖板，以防触电。 10)PLC的信号输入线和输出线不能走同一电缆。一般来说输入输出线达到50—100m，基本不会有噪声问题。但是一般为安全起见，请将配线长度定在20m以内为好。 11)若进行扩展，扩展电缆是最易受噪声影响的部分。请将PLC的输出线离其他动力线30—50mm以上，分开配线。 12)基本单元和扩展单元的电源，请勿同时接通断开。 4.5 变频器的选择 4.5.1 变频器的基本结构 1)变频器的基本结构 交一直一交型变频器的主电路框图如图所示。主电路包括三个组成部分:整流器、中间环节和逆变器。 M整流器 中间环节逆变器 ~AC 控控制制指指令令控制电路 运行指令 图4-5 交一直一交变频器基本构成 Fig.4-5 AC-DC-AC constitute the basic inverter 整流器整流器的作用是通过电力开关器件将电网供给的三相交流电转换为直流电。 26 中间环节经整流器整流后的直流电压或直流电流含有频率为电源频率6倍的纹波，如果未经处理直接供给逆变器，则逆变后的交流电压或电流纹波会很大，会给电机造成极大的危害。因此，必须对整流器的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。同时，由于电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数不可能为1，在中间直流环节和电动机之间始终存在无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来 [9]缓冲。所以，中间环节的主要作用是进行滤波和能耗制动。 逆变器逆变器的作用是通过电力开关器件将直流电压或电流逆变成三相交流电。通过有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成电路的各种保护功能等，控制方法可以采用模拟控制或数字控制。现在普遍使用的高性能变频器已经采用微型计算机进行全数字控制，这样可在尽可能简单的硬件电路基础上，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制难以完成的功能。 2)变频器的主电路 电力电子开关器件:电力半导体器件己经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、绝缘栅双极晶体管(IGTB)为代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成电路(SPIC)，高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管发展到PID、PCI通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。 整流电路:一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。 逆变电路:逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三 27 相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动机是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电 [10]源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 3)变频器的控制电路构成 包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。 控制算法:随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略，利用了采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦被，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为SPWM。SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算很繁琐。较为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载被，通过对载波的调制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合PSWM控制的要求。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的频率rf即是逆变器的输出频率人改变rf便可改变人。三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制彼的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。 根据以上介绍的SPWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载被和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。 [11]微机控制技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速 28 控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。电源功率因素大，所需容量小，完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能， [12]不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。 4.5.2 变频器的分类及规格选择 确定变频器的品牌和型号，以及确定变频器的规格，就完成了变频器的选择。先对变频器进行分类，然后分别讨论品牌和型号、规格。 1)变频器的分类 变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类: a.按变换频率的方法分 交一直一交变频器 交一交变频器 b.按主电路工作方式分 电压型变频器 电流型变频器 c.按变频器调压方法的不同分 PAM变频器 PWM变频器 d.按工作原理分类 U/f控制变频器 VC控制变频器 SF控制变频器 e.按照用途分类 通用变频器 高性能专用变频器 高频变频器 2)变频器的规格选择 变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对于系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质，显然是选择时的重要考虑方面。同时，设备的平均寿命的长短是一个重要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验 29 和口碑仍然是主要依据。在同一品牌中选择具体型号时，则主要依据己经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定。 变频器产品说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。 根据具体工程的情况，可以有以下几种不同的变频器规格选择方式: a.按照标称功率选择。 b.按照电动机额定电流选择。 c.按照电动机实际运行电流选择。 d.按照转矩过载能力选择。 根据实际工程情况，以适当的方法选择变频器规格很重要。选择结果多数情况下变频器标称功率与电动机匹配，少数情况需要放大。所以，笼统的认为放大一级功率选择变频器是没有错的想法，但会造成浪费。总的来说从生产成本来作合适的选择。 3)选择的变频器应满足的条件: a.根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。 b.所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。 c.为降低电梯成本，首选通用变频器。 d.电梯的启动和停车都要平稳。 e.变频器带有防止失速功能。 f.变频器具有优良的转矩特性。 4)通用变频器 上个世纪80年代初，通用变频实现了商品化。在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用GBT两个发展过程。 a.容量不断扩大 80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA，400KVA以下的已经系列化，前几年主开关器件开始采用GBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA，随着GBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。 b.结构的小型化 变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。另 30 外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。 c.多功能和智能化 电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。 d.应用领域不断扩大 通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如:搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都己采用了通用变频器;金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床，加工中心超高速伺机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面，如:农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公元喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。 为了满足以上的条件，本设计选择通用变频器。采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的是: a.为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求。 b.为了节约能源、降低生产成本。 4.6 电机的起动与运行特性分析 1)起动特性与传统供电方式的异步电动机直接起动或降压起动方式不同，变频调速电机可以采用控制转子电流不变的恒转矩方式起动，因为电机是在低频低压下起动，故电抗较小，无功电流较小，而磁通和电流的有功分量增加，电机可获得较大的起动转矩，甚至可在最大转矩下起动。由于变频调速电机能够获得最佳起动特性，故在设计电机不必考虑最小转矩和起动电流的影响，在选择定、转子槽配合与设计转子槽形时也不必考虑起动的要求，一般不用采取斜槽。这种对起动条件的放宽，给变频调速电机的设计和制造提供 31 了不少方便。 2)过载能力对于变频调速异步牵引电动机，起动转矩过载系数应为1.15,1.20，即起动转矩的稳定储备为15%,20%。在额定电压和额定频率下的过载系数应为1.6,2.0，而最高转速时的过载系数应不小于1.25。对于其他类型的负载，则需根据负载的性质与特点确定电机的过载能力。 3)电机的功率因数与效率，由于逆变器的输出电压或电流中存在着一系列高次谐波，从而增加了电机的无功分量，使功率因数有所降低。同时，由于电压和电流谐波产生的附加损耗，电机的效率一般也会有所降低。然而，如果进行合理设计，针对逆变器供电特点采取某些抑制谐波电压或谐波电流以及减小谐波损耗的措施，电机的功率因数和效率也不一定会降低。 4)电机的温升与散热如上所述，由于供电电压和电流的非正弦，变频调速异步电动机的损耗与传统正弦波电源供电时相比一般会有所增加，在散热条件相同时，电机的温升也将有所增加。此外，还需考虑电机在变速运行时通风散热情况的变化。对于一般自扇冷的异步电动机，当电机转速降低时，因通风量减小而使电机的散热能力下降。因此，如果不采取强化散热措施，当转速低于额定转速时电机应适当降低容量使用。故一般在低速区，电机不能实现恒功率调速。当转速低于50%额定转速时也不能实行恒转矩调速，建议按转速的降低成比例地减小负载转矩。对于风机、水泵类负载，由于负载转矩近似与转速的平方成正比，故可自动满足上述要求。 在选择电机时要充分考虑变频器的类型，用电压型变频器供电时，希望电动机有较大的定、转子漏电抗，应使额定情况下的电抗标么值大于0.25。对于电流型变频器供电的电动机，情况正好相反，为了减小最大换流时间，限制换流时逆变器和电机上出现过电压，要求换流电路的总电感越小越好。由于电机绕组漏电感是换流回路的一部分，故要求绕组漏电感越小越好，一般要求漏电抗标么值应小于0.15。在选择电机数据如:电压、频率、极数、槽形时都应考虑电压型逆变器或电流型逆变器对电机参数的要求。尽可能达到电机与变频器的最佳匹配。 32 5 小型货物升降机调速系统软件设计 5.1 程序流程图 1)上升运行程序流程图，如图5-1所示。 2)下降运行程序流程图，如图5-2所示。 开始开始 升降机在SQ1位置升降机在SQ4位置 否否 按动上升按钮 按动下降按钮 是是 升降机一速上升升降机一速下降 否否 运动到SQ2位置运动到SQ3位置 是是 升降机二速上升升降机二速下降 否否运动到SQ3位置运动到SQ2位置 是是 升降机一速上升升降机一速下降 否否 运动到SQ4位置运动到SQ1位置 是是 停止停止 图5-1 上升运行程序流程图 图5-2 下降运行程序流程图 Fig.5-1 Flow chart of the program to run raise Fig.5-2 Flow chart of the program to run decline 33 3)急停程序流程图，如图5-3所示。 开始 正常运行 否按动急停按钮 是 结束 图5-3 急停程序流程图 Fig.5-3 Stop process flow chart 5.2 系统资源分配 1)数字输入部分 这个控制系统的输入有急停按钮SB1，上升按钮 SB2，下降按钮SB2， QS1、QS2、 QS3、QS4，4个限位开关共7输入点，具体的输入分配如下: X0 ? 急停按钮SB1 X1 ? 上升按钮SB2 X2 ? 下降按钮SB3 X3 ? 限位开关SQ1 X4 ? 限位开关SQ2 X5 ? 限位开关SQ3 X6 ? 限位开关SQ4 2)数字量输出部分 换，电机上升，电机下降，上升指示灯，下 这个控制系统的输入有10Hz/30Hz频率转 降指示灯，所以输出点应该有5点。具体的输出分配如下: Y0 ? 10Hz/30Hz频率转换 Y1 ? 电机正转接触器(上升) Y2 ? 电机反转接触器(下降) Y4 ? 上升指示 Y5 ? 下降指示 34 3)状态器 在控制系统中，由于自动操作是一个顺控操作，所以在自动控制操作程序中，依据升 降机的动作过程，需要用到的状态器如下: S0 ? 初始状态 S20 ? 一速上升工作状态 S21 ? 二速上升工作状态 S22 ? 一速上升工作状态 S30 ? 一速下降工作状态 S31 ? 二速下降工作状态 S32 ? 一速下降工作状态 5.3 系统顺序功能图 系统顺序功能图，如图5-4所示。 M8002 S0 X1X2上升按钮下降按钮 Y2Y1S20电机正转电机反转S30 Y5Y4上升指示下降指示 X4X5 Y2Y1电机正转S21S31电机反转 Y5Y4上升指示下降指示 Y0Y0二速频率二速频率 X5X4 S32电机正转电机反转Y2Y1S22 Y5Y4下降指示上升指示X6X3 X0急停按钮 图5-4 系统顺序功能图 Fig.5-4 Sequential function chart system 35 下面从可编程序控制器的工作原理来分析所设计的系统顺序功能图。 可编程序控制器采用周期性方式工作，每个循环周期含有若干阶段: 1)诊断阶段:可编程序控制器自检，当状态正常时，进入下一步工作，否则待机。 2)联机通信阶段:可编程序控制器与上位计算机及其它可编程序控制器相联时，进行联机通信，传送本机状态信息和接收上位计算机指令。 3)输入采样阶段:对现场信号输入端口状态(即“0”和“1”)进行扫描，并将信号状态存放输入状态寄存器，也称输入刷新，可编程序控制器工作在其它阶段时，即使信号状态发生变化，输入状态寄存器内的内容也不会发生变化，状态变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才能被读入。 4)程序执行阶段:可编程序控制器从程序第一条指令开始按顺序执行，所需要的数据如输入状态和其他元素状态分别由输入状态寄存器和其他状态寄存器中读出，程序执行的结果分别写入相应的元素状态寄存器(包括输入状态寄存器)，输出状态寄存器中的内容会随着程序执行的进程而变化。 5)输出刷新阶段:程序执行结束后，输出状态寄存器中的内容送输出锁存器，产生设备驱动信号，驱动负载设备，完成实际的输出。 可编程序控制器依次执行每个工作阶段工作，如此往复循环，完成一个周期工作的时间即是一个工作周期(或扫描周期)，工作周期的长度与用户程序的长度对应。 注意:有时候升降机没有动作，并不能说明可编程序控制器没有运行。有可能是程序依然在运行，只是此时的程序不满足升降机动作的条件，所以这种条件下，M8002不会发生脉冲。 5.4 操作系统总程序 当吊笼在底部位置，且SQ1常开触点闭合时，按下SB2，升降机以一速缓慢上升，到达SQ2、SQ3位置时，依次以快速、慢速上升。下降时与此类似，当遇到紧急情况时，按下SB1，升降机会停在任意位置。 以PLC和变频器控制的调速方式取代原来的转子串电阻调速方式，具有加、减速平稳，运行可靠，大大提高了系统的自动化程度。该系统可广泛应用十建筑施工、仓库、酒楼餐饮业等货物的上下传输系统中。 由前面的章节，依据操作系统总程序结构框图，可得到操作系统的总程序。系统的总程序梯形图如图5-5所示。 36 M8002 SET S0S0 ZRST Y1 Y5 X1X3 SET S20 X1X3 ( ) S0 X2X6 SET S30 X2X6 ( S32 )S20 SET Y1 SET Y4 X4 SET S21S21 ( Y0 ) X5 SET S22S22X6 ( S0 )S30 SET Y2 SET Y5 X5 SET S31S31 ( Y0 ) X4 SET S32S32X3 ( S0 ) RETX0 ZRST S20 S32 SET S0 图5-5 系统总程序梯形图 END Fig.5-5 The total procedure ladder system 37 其指令表程序如下: LD M8002 SET Y2 SET S0 SET Y5 STL S0 LD X5 ZRST Y1 Y5 SET S31 LD X1 STL S31 AND X3 OUT Y0 SET S20 LD X4 LD X1 SET S32 ANI X3 STL S32 OUT S0 LD X3 LD X2 OUT S0 AND X6 RET SET S30 LD X0 LD X2 ZRST S20 S32 ANI X6 SET S0 OUT S32 END STL S20 SET Y1 SET Y4 LD X4 SET S21 STL S21 OUT Y0 LD X5 SET S22 STL S22 LD X6 OUT S0 STL S30 38 6 技术经济分析 一个PLC可以简单的视为具有特殊系统结构的工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连的接口，具有更适用于控制要求的编程语言。它的众多特点决定了它与其它相似设备相比，具有很大的经济学意义: 1)硬件的可靠性高 PLC专为在工业环境的恶劣条件下应用而设计，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动，极端温度和湿度很大的环境中。 在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它容易抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采用了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，又提高了抗干扰性能;各个I/O端口都除采用常规模拟器滤波以外，还加上数字滤波;内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰;采用了较为先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号;采用了较为合理的电路程 [13]序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。 由于PLC本身具有很高的可靠性，因此发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、电机等外围装置上。为了及时诊断故障，有的公司研制了智能可编程I/O系统，供用户了解I/O组件状态和监测系统的故障，也有的公司研制了故障检测程序。近来还发展了公共回路远距离诊断和网络诊断技术。 2)编程简单，使用方便 用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。 PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前大多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。 这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说， [14]这是微不足道的。 3)接线简单，通用性好 39 PLC的接线只需要将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器等)与PLC输出端子连接。接线简单、工作量少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使PLC具有很高的经济效益。 用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部分，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。 4)可连接为控制网络系统 PLC可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类:一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m;另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器的计算机，从而 [15]组成控制范围很大的局部网络。 5)易于安装，便于维护 PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器控制系统改换PLC传统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器箱附近并将连线接向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端口即可。 在大型安装中，长距离输入/输出站安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆或双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前有PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。 从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需要更换模块级插入式部分，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器件是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。 PLC的这些及其其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，像其他智能设备一样，PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。 40 硬件的可靠性高决定了满足同样的控制要求的设备，从长远的角度来说，用PLC控制系统具有成本低，维修费用少的优点;编程简单，这样对编程人员的培训就显得比较容易，而且由于程序的编制比较简单易懂，因此调试的时间和检错的时间就相对缩少，这样不但节约人力、物力和财力，还可以相对的增加设备的正常工作时间，从而获取更大的利润;接线简单，连接成为网络，易安装维护都是完善控制要求，增大系统控制性能和可靠性，为厂家尽可能的减少了投入，扩大了收益，这些性能使PLC具有很高的经济效益。 41 7 结论 本文应用可编程控制器PLC，采用变频调速方式很好的实现了小型货物升降机的调速，按下上升或下降按钮，控制电动机相应动作的继电器就会马上得电，电动机就会立即转动，系统就会马上动作，响应时间迅速。而且通过限位开关来控制速度你的变化，控制精度也得到了提高。 变频调速系统运行特性良好、经济、可靠，特别适合于升降机电气系统的配套和改造，符合国家能源和交流调速技术的发展方向，具有很高的经济价值和广阔的市场前景。 应用可编程序控制器的最大的一个好处在于它是通过编辑程序来完成控制要求的，根据不同的控制要求，编辑不同的控制程序。在系统接线不变更的情况下，只需要适当改变控制程序，就能满足新的要求。而且系统的动作严格按照程序执行，减少了误动作。在人力、物力、财力上都得到了节余。 因此，在设计中，采用技术先进，可靠性非常高的可编程控制器，这使得机械设备更灵活有效，动作准确，易于维护，劳动生产率大大提高，满足了各种生产需求。 42 参考文献 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[15] 王朔中.中国集成电路大全可编程序控制器分册[M].北京:国防工业出版社,1995. 43 附录A 译文 PLC控制系统应用的抗干扰问题 [摘 要] 分析了电磁干扰及其对PLC控制系统干扰的机制，指出在工程应用时必须综合考虑控制系统的抗干扰性能，并结合工程提出了几种有效的抗干扰措施。 1 概述 随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力;另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 2 电磁干扰源及对系统的干扰 2.1 干扰源及干扰一般分类 影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。 干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中:按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 2.2 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源 44 2.2.1 来自空间的辐射干干扰 空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径:一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰;而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 2.2.2 来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。 )来自电源的干扰 1 实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源，问题才得到解决。 PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。 2)来自信号线引入的干扰 与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。 3)来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。 45 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 2.2.3 来自PLC系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。 3 PLC控制系统工程应用的抗干扰设计 为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施:抑制干扰源;切断或衰减电磁干扰的传播途径;提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。 PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。 3.1 设备选型 在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性(EMC)，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统;其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作;另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进口产品要注意:我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我 46 国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 (GB/T13926)合理选择。 3.2 综合抗干扰设计 主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括:对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰;对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰;正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。 4 主要抗干扰措施 4.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU 电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少PLC系统的干扰。 此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。 4.2 电缆选择的敖设 为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线生产的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。 不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。 4.3 硬件滤波及软件抗如果措施 47 信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰;在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。 由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施:数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰;定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移;采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位;采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。 4.4 正确选择接地点，完善接地系统 接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 系统接地方式有:浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10 ~ 15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。 信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地;不接地时，应在PLC侧接地;信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。 5 结束语 PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作。 48 附录B 外文原文 Anti-interference question used in PLC control system [ Abstract ] has analyzed the electron magetic interference and its tothe PLC control system disturbance mechanism, pointed out when projectapplication must synthesize the consideration control system theresistance to interference, and the union project proposed severaleffective antijamming measures. 1 sums up it with the development of science and technology, the application in industrial control of PLC is more and more extensive. The dependability of PLC control system influences safety in production of the industrial enterprise and economical operation directly, systematic anti- interference ability is the key to concerning the whole system and running reliably. All kinds of PLC used in the automated system, some install concentratedly in the control room , some install in production scene and every electrical machinery equipment, they in strong electric circuit and strong electric abominable electromagnetic environment that equipment form mostly. Is it improve PLC control system dependability to want, require PLC factory family expenses raise the anti- interference ability of the equipment on one hand; On the other hand , require engineering design , installation construct and use of maintaining causing paying close attention to, cooperate and perfect the problem of solving in many ways, strengthen systematic anti-interference performance effectively. 2 electromagnetic to interfere source and interference in system 2.1 interfere source and interfere generally is it influence PLC interference source of control system with generally influencing industrial control to classifying The interference source of the equipment is the same, mostly produce the position in the electric current or violent change of voltage, these violent position that move of electric charge is the noise source , namely interfere the source . Interfere type interfere the division different from wave form nature of the noise of the mode according to reason , noise produced to interfere usually. Among them: According to reason that noise produce being different, is it 49 discharge noise , wave well up noise , high frequency shake noise ,etc. to divide into; Different according to the wave form , nature of the noise, divided into a lasting noise, accidental noise,etc.; It is different to interfere the mode according to the noise , is divided into mould interfering and difference mould interference altogether. It is a kind of commonly more used categorised method that the mould interferes interfering with the difference mould altogether. It is the electric potential difference to the ground of signal that the mould is interfered altogether, bunch enter, ground electric potential difference and space electromagnetic radiation reaction attitude (with direction) voltage is it is it form to add to change altogether at signal line by electric wire netting mainly. Mould voltage sometimes relatively heavy altogether, is it isolate performance mixing electric apparatus supply power in the room bad to adopt, changer output voltage generally relatively high mould altogether of signal, some can up to 130V the above- mentioned. Mould voltage through asymmetric circuit getting convertible model's voltage of difference, influence the signal of observing and controlling directly altogether, cause the components and parts to be damaged (this is some systematic a main reason of higher spoilage of I/O mould ), this kind mould can interfere for direct current, can for exchange also altogether. The difference mould interferes refering to acting on the voltage of interference between the two poles of the signal, coupling reaction change by uneven circuit mould interferes the voltage formed altogether among signal by space electric magnetic field mainly, this kind is it is it at the signal , influence measurement and control the precision directly to superpose directly to let. 2.2 PLC control system from space radiation is it interfere 2.2.1 electric magnetic field of radiation of space to do electromagnetic main such as source not interfering (EMI) is mainly by the electric network, temporary attitude course , thunder and lightning , radio broadcasting , TV , radar,high-frequency reaction heating device of the electric equipment ,etc. were produced , usually called radiation to interfere, it is extremely complicated that it is distributed. Whether if PLC system put on radio frequency in the field, is it reach radiation interfere to retrieve, it influences and mainly passes two routes . First, produced and interferes by the reaction of the circuit to the radiation within PLC directly; But the radiation of the network, is introduced and interfered by the reaction of the communication line while communicating to PLC. Radiation is interfered with the on-the-spot equipment assigning 50 and electric size of magnetic field that the equipment produce , especially frequency have something to do with, generally through set up shielding cable and PLC some shielding and high pressure discharge component protect. 2.2.2 comes from the system outside the lead wire disturbance mainly through the power source and the holding wire introduction, usually is called the conducted interference. This kind of disturbance is more serious in our country industry scene 1)comes from the power source disturbance practice proof, becausethe power source introduces the disturbance creates the PLC controlfailure the situation to be very many, the author has met in someproject debugging, latter replaces the isolation performance higherPLC power source, the question only then is solved. The PLC systemnormal electric power supply supplies power by the electrical network.Because the electrical network cover scope is broad, it will receiveall spaces electronmagetic interference but on the line the inducedtension and the electric circuit. The electrical network interiorchange, enters the switch operation surge, the large-scale powerequipment in particular gets up stops the overtone, the electricalnetwork which, the alternating and direct transmission device causesshort-circuits the transition condition impact and so on, all passesto through the transmission line the power source originally side. ThePLC power source usually uses isolates the power source, but itsorganization and the manufacture craft factor causes its isolation not to be certainly ideal. In fact, because the distribution parameterspecially is the distributed capacity existence, the absolutequarantine is not impossible 2)comes the disturbance the PLC control system connection each kind of signal transmission line which introduces from the holding wire, besides the transmission effective each kind of information, the general meeting has exterior unwanted signal invasion. This disturbance mainly has two ways: One, through changes the delivering electric power supply or altogether uses the electrical network disturbance which the signal measuring appliance the electric power supply string enters, this is often neglected; Two is the holding wire the disturbance which is induced the space electromagnetic radiation, namely on holding wire exterior induction interference, this is very serious. Can cause I/ by the signal introduction disturbanceThe O signal work exceptionally 51 greatly reduces with the measuring accuracy, is serious when causes the primary device damage. Regarding isolation energy balance system, but also will cause between the signal mutually to disturb, causes altogether the system bus backflow, will create the logical data change, moves and dying machine by mistake. The PLC control system because the signal introduction disturbance creates I/O module damage number quite serious, from this causes the system failure situation very to be also many. 3)come is enhances the electronic installation electromagnetic compatibility from the earth system chaotic time disturbance earth (EMC) one of effective methods. Correct earth, both can suppress the electronmagetic interference the influence, and can the locking device send out the disturbance to outside; But the wrong earth, instead can introduce the serious unwanted signal, will cause the PLC system to be unable the normal work. PLC control system grounding including systematically, shield,exchange and protection and so on. The earth system chaotic to the PLC system disturbance mainly is each potential distribution uneven, is different between has the terrestrial electricity potential difference, causes the ring circuit electric current, interferes with the system normal work. For example the cable shielding level must as soon as accept after checking, if cable shielding level beginnings and ends A, B all earth, the existenceterrestri al electricity potential difference, has the electric current to flow the shield level, when occurs the abnormal state like is struck by lightning, the grounding electric current is bigger. 2.2.3 From inside PLC system interference components and parts and mutual electromagnetic radiation of circuit produce inside system mainly, for instance and to imitating the influence of the circuit, simulation influences each other with logic and the mutual mismatch among the components and parts is used etc. in the mutual radiation of the logical circuit. This is PLC factory , to carrying on the electromagnetic compatible content designed within the system, more complicated, as using the department to be unable to change, but needn't consider too much , but will choose to have more systems that use the actual achievement or test 3 PLC control anti-interference that system engineering use is it 52 it avoids to be or electromagnetic to interfere inside and outside reducing among industry electromagnetic environment for security system to design, must take three respects to suppress the measure since design phase : Suppress and interfere the source ; Cut off or decay the electromagnetic spread way to interfere; Anti-interference ability to raise device and system. These three points suppress the electromagnetic basic principle that is interfered. The PLC control system antijamming is a systems engineering, the request manufacture unit designs produces has the stronger antijamming ability the product, also depends on the use department in the engineering design, the installment constructs and moves in the maintenance to give the comprehensive consideration, and the union has the situation to carry on the synthesis design, can guarantee the system the electromagnetic compatibility and the movement reliability. When carries on the concrete project the antijamming design, should the main following two aspects. 3.1 equipment shapings when choose the equipment first must choose has the higher antijamming ability the product, it has included the electromagnetic compatibility (EMC), the anti- exterior disturbance ability, like uses in particular floats technical, the isolation performance good PLC system; Next also should understand the production factory produces the antijamming target, like altogether the mold draws up compared to, the difference mold draws up compared to, the pressure resistance ability, the permission works in the big electric-field intensity and in the multi- high-frequency magnetic field strength environment; Moreover is depends on examines it in the similar work application actual accomplishments. Must pay attention in the choice overseas import product: Our country uses the 220V high electrical network service pattern, but the European and American area is the 110V electrical network. Because our country electrical network big, a zero electric potential drifts in a big way, the terrestrial electricity position changes in a big way, the industrial enterprise scene electronmagetic interference at least must compared to European and American area high 4 times above, be higher to the system resistance to interference request, not necessarily be able reliably to move in overseas can the normal work PLC product in the home industry, this must when uses the overseas product, according to our country standard (GB/T13926) reasonable 53 choice. 3.2 Comprehensive anti-interference it come from system external odd kinds suppress the measure to consider mainly to design. The main content includes: Carry on shielding to PLC system and other lead wire in case radiation electromagnetic to interfere space; Is it is it isolate , strain wave to go on to go between to the outside, especially principle power cable, divide layer assign, in case introduce and conduct interfering electromagnetically through the other lead wire; Design and connect the place and earth device correctly, perfect the earth system. Must also utilize the means of software in addition , improve the systematic safe reliability further. 4 main anti-interference measures 4.1 uses the performance fine power source suppresses disturbance which the electrical network introduces in PLC control system, the power source holds the extremely important status. The electrical network disturbance string enters the PLC control system mainly through the PLC system electric power supply (for example the CPU power source, I/The O power source and so on), changes the delivering electric power supply and has direct electrical connection coupling and so on measuring appliance electric power supply with the PLC system enters. Now, regarding the PLC system power supply power source, generally all uses an isolation performance better power source, but regarding changes the delivering power supply the power source and the PLC system has the direct electrical connection the measuring appliance electric power supply, certainly has not received the enough value, although has taken the certain isolation measure, but generally also insufficient, mainly is the use insulating transformer distributed parameter big, the suppression disturbance ability is bad, but strings together after the power source coupling enters altogether the mold disturbance, the bad mold disturbance. Therefore, regarding changes delivering and altogether uses the signal measuring appliance power supply to be supposed to choose the distributed capacity to be small, the suppression raises (for example uses isolates and shield and leaks feeling technology the distributor many times), reduces the PLC system the disturbance. In addition, position guarantee electrical network does not sever, may use the on-line uninterrupted electric power supply (UPS) to supply power, enhances the power supply the security reliability. 54 And UPS also has the stronger disturbance isolation performance, is one kind of PLC control system ideal power source. 4.2 that cable choose set up for cable radiation electromagnetic to interfere to reduce power, especially frequency conversion fits the feed cable. I among some project , adopt copper bring armor shielding electric cable , reduce power electromagnetism that line produces interfere, made the satisfactory result after this project went into operation . Different kinds of signal transmit by different cable separately, signal cable should according to transmit signal kind divide layer Ao set up, forbid conveying power power and signal at the same time with different wire of the same cable, prevent the signal line and power cable from being set up close to parallel Ao, interfere in order to reduce electromagnetically. 4.3 Hardware is it involve software resist to strain if in front of inserting the computer measure signal, connect electric capacity among signal line and ground, in order to reduce mould interferes altogether; Install the reducible difference mould of the wave filter additional to interfere between the two poles of the signal. As a result of the electronmagetic interference complexity, wants the radical elimination to greet the disturbing effect is not impossible, therefore in time PLC control system software design and configuration, but also should carry on antijamming processing in the software aspect, further enhances the system the reliability. Commonly used some measures: Digital filter and labor frequency reshaping sampling, but effectively eliminates the periodic disturbance; Fixed time adjusts the reference point electric potential, and uses the dynamic zero spot, but effectively prevents the electric potential drifting; Uses the information redundant technology, designs thecorresponding software flag bit; Uses indirectly jumps the extension, establishes the software trap and so on to enhance the software architecture reliability. 4.4 correct choices consummates the earth system earth the goal usually to have two, its one in order to be safe, its two is for suppress the disturbance. The consummation earth system is one of PLC control system anti- electronmagetic interference important measures. When supply oscillator earth, the shield level should in the signal side joint place; When 55 does not earth, should in the PLC side joint place; Among when the holding wire has the attachment, the shield level should reliably connect and carry on insulation processing, certainly must avoid accepting after checking; Many measuring points signal shielded twisted pair to twists with the multi- cores when the total screen electric cable connects, each shield level should mutually connect, and after insulation processing. Chooses the suitable earth place simple point contact. The system earth way includes: Floats the way, the direct earth way and the capacity ground three ways. Speaking of the PLC control system, it is the high speed low level control device, should select the direct earth method. As a result of the signal electric cable distributed capacity and the input device filter and so on the influence, between the installment signal exchange frequency generally all is lower than 1MHz, therefore the PLC control system meets the grounding to use as soon as accepts after checking and the series as soon as accepts after checking the way. The centralism arrangement PLC system is parallel suitable for parallel as soon as to accept after checking the way, each installment cabinet body center by independent meets the grounding to course . If the installment spacing is bigger, should use the series as soon as to accept after checking the way. (Or insulation electric cable) connects each installment with a big section copper generatrix the cabinet body center , then ground strap direct connection . Meets the grounding to use the section to be bigger than 22mm2 the copper wire, the total generatrix net section is bigger than 60mm2 the copper bar. the earth resistance is smaller than 2 Omega, best buries in is apart from building 10 ~ the 15m distant place, moreover the PLC system must be distanced above 10m with the strong electricity equipment. 5 conclusion PLC interference of control system one complicated problem very, so should consider the factors of various fields synthetically in the anti-interference design, it is rational to suppress anti-interference effectively, interfere situation also need to make a concrete analysis of to some , take the method to suit the remedy to the case, can just make PLC control system work normally . 56