现代电气

第11章现代电气、电机控制技术第11章现代电气、电机控制技术11.1PLC控制技术11.2异步电动机的变频调速技术11.3交流伺服技术思考题与习题第11章现代电气、电机控制技术11.1PLC控制技术11.1.1可编程控制器概述可编程逻辑控制器简称PLC，是20世纪70年代以来在继电—接触器控制系统中引入微型计算机控制技术后发展起来的一种新型工业控制设备。它的引入避免了继电器控制系统的下列缺点：第11章现代电气、电机控制技术（1）硬接线电路的故障率高。（2）电器触头的使用寿命有限。（3）诊断、排除故障的速度慢。（4）以硬接线实现控制逻辑，当控制逻辑需要修改时难于改动接线。PLC产品以软件控制取代了常规电气控制系统中的硬件控制，具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便，体积小，重量轻等优点，目前已在工业生产的各个领域获得广泛使用，成为工业控制的支柱产品。第11章现代电气、电机控制技术国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程逻辑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，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出来控制各类机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。第11章现代电气、电机控制技术现代可编程控制器产品具有如下技术特点：（1）高可靠性与高抗干扰能力。PLC产品是专为工业控制环境设计的，机内采取了一系列抗干扰措施，其平均无故障时间可高达4～5万小时，远远超过采用硬接线的继电—接触器控制系统，也远远高于一般的计算机控制系统。PLC产品在软件设计上采取了循环扫描、集中采样、集中输出的工作方式，设置了多种实时监控、自诊断、自保护、自恢复程序；在硬件设计上采用了屏蔽、隔离、滤波、联锁等抗干扰电路结构，并实现了整体结构的模块化。PLC适应于恶劣的工业环境，这是它优于普通微机控制系统的首要特点。第11章现代电气、电机控制技术（2）通用、灵活、方便。PLC作为专用微机控制系统产品，采用了标准化的通用模块结构，其I/O电路又采用了足够的抗干扰设计，既可以使用模拟量，也可以使用开关量，现场信号可以直接接入，用户不需要进行硬件的二次开发，控制规模又可以根据控制对象的信号数量与所需功能进行灵活方便的模块组合，具有接线简单，使用、维护十分方便的优点。第11章现代电气、电机控制技术（3）编程简单，易于掌握。这是PLC产品优于普通微机控制系统的另一个特点。可编程控制器的程序编写一般不需要高级语言，其通常使用的梯形图语言类似于继电器控制原理图，使未掌握专门计算机知识的现场工程技术人员也可以很快熟悉和使用，这种面向问题和控制过程的编程语言直观、清晰、修改方便且易于掌握。当然，不同机型PLC在编程语言上是多样化的，但同一档次不同机型的控制功能可以十分方便地相互转换。第11章现代电气、电机控制技术（4）开发周期短。设计一套常规继电器控制系统需顺序进行电路设计、安装接线、逻辑调试三个步骤，只有进行完前一步才能进入下一步，开发周期长，线路修改困难，工程越大这一缺点就越明显。而使用PLC完成一套电气控制系统，只要电气总体设计完成，I/O点分配完毕，软件设计模拟调试与硬件设计施工就可以同时分别进行。在软件调试方面，控制程序可以反复修改；在硬件施工方面，安装接线只涉及输入和输出装置，不涉及复杂的继电器控制线路，硬件投资较少，故障率低。在软、硬件分别完成之后的正式调试中，控制逻辑的修改也仅涉及软件修改，大大缩短了开发周期。第11章现代电气、电机控制技术（5）功能强，体积小，重量轻。由于PLC产品是以微型计算机为核心的，所以具有许多计算机控制系统的优越性。以日本三菱公司的FX2N-32MR小型可编程控制器为例，该PLC的外型尺寸是87mm×40mm×90mm，重量0.65kg，内部包含各类继电器3228个，状态寄存器1000个，定时器256个，计数器241个，数据寄存器8122个，耗电量为150W，其应用指令包括程序控制、传送比较、四则逻辑运算、移位、数据（包括模拟量）处理等多种功能，指令执行时间为每步小于0.1μs，无论在体积、重量上，还是在执行速度、控制功能上，都是常规继电器控制系统所无法相比的。第11章现代电气、电机控制技术PLC产品按I/O点数和存储容量可分为小型、中型和大型PLC三个等级。小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量为2k步，具有逻辑控制、定时、计数等功能，目前的小型PLC产品也具有算术运算、数据通信和模拟量处理功能。中型PLC的I/O点数在256～2048点之间，存储容量为2～8k步，具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能，用于多种开关量、多通道模拟量或数字量与模拟量混合控制的复杂控制系统。第11章现代电气、电机控制技术大型PLC的I/O点数在2048点以上，存储容量达8k步以上，具有逻辑运算、算术运算、模拟量处理、联网通信、监视记录、打印等功能，有中断、智能控制、远程控制能力，可完成大规模的过程控制，也可构成分布式控制网络，完成整个工厂的网络化自动控制。第11章现代电气、电机控制技术11.1.2PLC的基本组成与功能PLC实质上是一种为工业控制而设计的专用微机控制系统，因此其硬件结构与微型计算机控制系统相似，但输入、输出电路要求具有更强的抗干扰能力。一套可编程控制器在硬件上由基本单元（主机）、I/O扩展单元及外围设备组成，通过各自的端口连成一个整体。图11-1为PLC的硬件结构图。第11章现代电气、电机控制技术图11-1PLC的硬件结构图编程器打印机…主机输入电路CPUEPROMRAM输出电路基本单元内部电源各种外设接口扩展I/O接口现场输入信号输出信号……输入电路输出电路扩展单元现场输入信号输出信号……扩展连接电缆至其他扩展单元PC机第11章现代电气、电机控制技术1．PLC基本单元PLC基本单元是以CPU为核心的一台工业控制专用微机系统，主要由CPU、存储器和I/O接口电路组成。CPU的功能是：（1）接收编程器、PC机或其他外围设备输入的用户程序、数据等信息。（2）扫描接收现场输入信号，并存入指定内部继电器或寄存器。（3）读取、解释用户程序，执行用户控制程序，获得正确的逻辑运算或算术运算结果。第11章现代电气、电机控制技术（4）更新有关的内部继电器或寄存器，并将运算结果传送至输出电路，以实现对现场设备的准确动作控制。（5）如需输出打印或状态监控，还需将有关信息传送至外围设备。不同档次的PLC产品内部使用的CPU芯片差异较大，三菱公司FX2系列小型PLC使用的微处理器是16位8096单片机，美国AB公司的PLC-3型大型PLC采用的微处理器是ADM-2900高速芯片。第11章现代电气、电机控制技术存储器的功能是：（1）系统存储器（ROM区）用于储存PLC产品生产厂编写的各种系统工作程序，用户不能更改或调用。（2）用户存储器（RAM区）用来储存用户编写的控制程序和用户数据，该区域用户可读可写，可随意增加或删减。在PLC中一般采用锂电池对用户程序进行掉电保护（一般能保持5～10年，经常带负载可保存2～5年）。第11章现代电气、电机控制技术I/O接口电路的功能是：（1）输入接口电路的作用是将来自现场设备的输入信号通过电平变换、速度匹配、信号隔离和功率放大，转换成可供CPU处理的标准电平信号。图11-2为PLC产品中常见的一种直流24V传感器输入电路。如输入器件为按钮、开关类无源器件，+24V端子仍需接24V电源，但输入按钮或开关则可直接连在输入端子和COM端之间，电路更为简单。只要程序运行，PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。第11章现代电气、电机控制技术图11-2直流24V输入电路+24V输入端子COM内部电路LEDPLC内部内部电路第11章现代电气、电机控制技术（2）输出接口电路的作用是将CPU的程序运行结果经过电平转换、隔离和功率放大，转换成能带一定负载的具体的输出状态。基本单元上的输出信号一般为开关量，输出接口电路分继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种，如图11-3所示。第11章现代电气、电机控制技术图11-3PLC(a)继电器输出型；(b)晶体管输出型；(c)晶闸管输出型(a)(b)(c)PLC内部COM～PLC内部负载COM～PLC内部负载COM负载第11章现代电气、电机控制技术2．PLC的扩展单元每个系列的PLC产品都有一系列与基本单元相匹配的扩展单元，以便根据所控制对象的控制规模大小来灵活组成电气控制系统。扩展单元内部不配备CPU和存储器，仅扩展输入/输出电路，各扩展单元的输入信息经扩展连接电缆进入主机总线，由主机的CPU统一处理，执行程序后，需要输出的信息也由扩展连接电缆送至各扩展单元的输出电路。PLC处理模拟量输入/输出信号时，要使用模拟量扩展单元，这时的输入接口电路为A/D转换电路，输出接口电路为D/A转换电路。第11章现代电气、电机控制技术3．PLC的外围设备小型PLC最常用的外围设备是编程器和PC机。编程器的功能是完成用户程序的编制、编辑、输入主机、调试和执行状态监控，是PLC系统故障分析和诊断的重要工具。PLC的编程器主要由键盘、显示屏、工作方式选择开关和外存储器接口等部件组成，按功能可分为简易型和智能型两大类。以三菱FX2N系列PLC为例，它可以使用手持式简易编程器FX2N-20P-E-SETO编程，也可以使用更高级的智能型图形编程器GP-80FX-E来编程，后者的功能更强，但价格更高。第11章现代电气、电机控制技术由于PLC产品一般在程序调试或需要监控时才插上编程器，当电气控制系统正常运行时不必使用编程器，所以目前对PLC编程在许多场合采用了个人电脑（装载专用编程软件）加PC-PLC专用连接电缆，而不使用专用编程器的编程方法，即用计算机键盘通过屏幕对话完成图形编程、图形显示、通信联网、修改调试、输出打印等任务。目前各PLC公司均开发有相应的编程软件，另外，利用个人电脑还可以运行更多的工业控制软件。第11章现代电气、电机控制技术图11-4为三菱FX2N小型PLC产品主机及扩展单元示意图。图中FX2N-32MR为基本单元，带有32个I/O点（16入16出），M表示主机，R表示该单元为继电器输出型；FX2N-32ER为32点开关量扩展单元，E表示该单元为扩展单元；FX2N-2AD为两路模拟量输入扩展单元；FX2N-2DA为两路模拟量输出扩展单元。PLC产品的扩展单元种类很多，扩展单元的功能及与主机的配合细节可查阅有关手册。第11章现代电气、电机控制技术图11-4三菱FX2N小型PLC产品示意图第11章现代电气、电机控制技术11.1.3PLC的性能规格与内部资源1．PLC的性能规格FX2N系列PLC的性能规格如表11-1所示。2．PLC的内部资源各种不同型号和档次的PLC具有不同数量和功能的内部资源，但构成PLC基本特征的内部软元件是类似的。现以FX2N系列小型PLC为例，介绍PLC的内部资源。第11章现代电气、电机控制技术表11-1FX2N系列PLC的性能规格项目性能规格运算控制方式存储程序反复运算方式、中断命令输入／输出控制方式批处理方式(执行END指令时)，但是有I／O刷新指令程序语言继电器符号+步进梯形图方式(可用SFC表示)最大存储容量16k步(含注释文件寄存器最大16k)，有键盘保护功能程序存储器内置存储器容量8k步RAM(内置锂电池后备)，电池寿命约5年，使用RAM卡盒约3年可选存储卡盒RAM8k(也可配16k)／EEPR()M，8k／16k／EPROM8k(也可配16k)步不能使用带有实时锁存功能存储卡盒第11章现代电气、电机控制技术项目性能规格指令种类顺控步进梯形图顺控指令27条，步进梯形图指令2条应用指令128种，298个运算处理速度基本指令0．08／us／指令应用指令l.52～数100us／指令扩展并用时输入点数X000～X267184点(8进制编号)输入