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1、11.1 PLC控制技术 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1页/共176页（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2页/共176页国际电工委员会（IE
2、C）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3页/共176页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45万小时，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
3、。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4页/共176页（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
4、优点。第5页/共176页（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6页/共176页（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
5、。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7页/共176页（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87mm40mm90mm，重量0.65kg，内部包含
6、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0.1s，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8页/共176页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2562048点之
7、间，存储容量为28k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9页/共176页大型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10页/共176页的基本组成与功能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
8、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页/共176页图11-1PLC的硬件结构图第12页/共176页1PLC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13页/共176页（4）更新有关的内部继电器或寄存器，并将运算结果传送至
9、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14页/共176页存储器的功能是：（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510年，
10、经常带负载可保存25年）。第15页/共176页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16页/共176页图11-2直流24V输入电路第17页/共176页（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，
11、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18页/共176页图11-3PLC的输出接口电路(a)继电器输出型；(b)晶体管输出型；(c)晶闸管输出型第19页/共176页2PLC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
12、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20页/共176页3PLC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
13、更高。第21页/共176页由于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22页/共176页图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
14、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23页/共176页图11-4三菱FX2N小型PLC产品示意图第24页/共176页的性能规格与内部资源1PLC的性能规格FX2N系列PLC的性能规格如表11-1所示。2PLC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25页/共176页表11-1
15、FX2N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IO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，8k16kEPROM8k(也可配16k)步不能使用带有实时锁存功能存储卡盒第26页/共176页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
16、运算处理速度基本指令008us指令应用指令l.52数100us指令扩展并用时输入点数X000X267184点(8进制编号)输入输出点数扩展并用时输出点数Y000Y267184点(8进制编号)扩展并用时总点数256点第27页/共176页第28页/共176页第29页/共176页第30页/共176页(1)输入触点X。FX2N的基本单元中的输入点按照X000X007，X010X017这样的八进制格式进行编号。扩展单元的输入点则接着基本单元的输入点顺序进行编号。来自现场设备的外部输入信号与硬件上的输入点一一对应，被PLC扫描读入后，存入输入映像寄存器，表现为程序可多次调用的输入触点状态。输入触点X的基本
17、功能是可以读取外部输入信号的状态。第31页/共176页(2)输出继电器Y。FX2N的基本单元中的输出点按照Y000Y007，Y010Y017这样的八进制格式进行编号。扩展单元的输出点也接着基本单元的输出点顺序进行编号。PLC运行时，要接受各路X的输入状态，运行控制程序，然后将运行结果传送至输出继电器Y进行输出，因此，所有输出继电器都对应一个硬件上的输出信号，用来驱动PLC的各路负载。输出继电器Y的基本功能是可以在用户程序的控制下改变负载的状态。第32页/共176页(3)内部继电器M。在可编程控制器内部可多次使用，但不能输出的继电器叫做内部继电器或辅助继电器。内部继电器与输出继电器的不同是它只在
18、程序中使用，既不能直接读取外部输入状态，也不能直接驱动外部负载。内部继电器M在程序中的作用相当于继电器控制系统中的中间继电器，其功能是在程序中用于中间状态暂存、移位、辅助运算或赋予特别用途。PLC的内部继电器分普通型（一般用）、掉电保持型（保持用）和赋予特殊用途型（特殊用）三类。第33页/共176页普通型继电器在断电或停止运行时线圈将失电，机内不记忆停电瞬间的状态，再来电时从失电状态开始执行程序。FX2N系列PLC中，普通型内部继电器按十进制编号，从M0M499共500个。掉电保持型继电器在断电或停止运行时，机内（用锂电池）记忆停电瞬间的状态，再来电时恢复停电瞬间的状态，从此时状态开始执行程序
19、。FX2N系列PLC中，掉电保持型内部继电器按十进制编号，从M500M1023共524个。第34页/共176页赋予特殊用途的内部继电器有两类，第一类信号由PLC的系统程序自动产生，用户编程时可调用其触点。如特殊继电器M8000的功能是在程序RUN时保持ON状态；M8002的功能是在程序RUN的第一个周期产生一个脉冲宽度为一个扫描周期（即一个程序执行周期）的脉冲输出，供用户初始化使用；M8011M8014的功能是提供10ms、100ms、1s、1min的周期性脉冲输出等。第二类信号由PLC的用户程序驱动，用户编程时可置位其线圈。如程序置位M8033，则程序停止运行时输出会保持；如程序置位M803
20、4，则PLC的输出全被禁止。第35页/共176页（4）状态寄存器S。状态寄存器是用于步进顺序控制时表达工序号的继电器。FX2N系列PLC中，状态寄存器S按十进制编号，从S0S999共1000点，其中S0S9供初始状态使用，S10S19供返回原点使用，S20S499为普通型，S500S899为断电保持型，S900S999供报警使用。状态寄存器不作工序号使用时，可作为内部继电器使用。第36页/共176页(5)定时器T。定时器将可编程控制器内的1ms、10ms、100ms等时钟脉冲进行加法计数，当它达到规定的设定值时，其输出点就工作。定时器利用内部时钟脉冲的可测量范围为0.0013276.7s。FX
21、2N系列PLC中的定时器按十进制编号，从T0T255共256个，其中T0T199是100ms普通定时器，当定时线圈的驱动输入变为OFF时，当前值不保持，线圈再得电时计数从零开始，这些定时器中，只有T192T199可以用在子程序和中断子程序中；第37页/共176页T200T245为10ms普通定时器；T246T249是10ms累积定时器，其当前值为累积数，所以，当定时线圈的驱动输入为OFF时，当前值被保持，作为累积操作使用；T250T255是100ms累积定时器。第38页/共176页(6)计数器C。计数器的计数方式分为向上计数或向下计数，向上计数在线圈得电时从零开始对被计脉冲计数，计到预置值时触
22、点动作；向下计数则是在线圈得电时从预置值开始计数，计到零时触点动作。FX2N系列PLC中的计数器按十进制编号，从C0C255共256个，其中C0C99是16位向上计数的普通计数器，当计数线圈的驱动输入变为OFF时，当前值不保持，线圈再得电时计数从头开始；C100C199是16位向上计数的断电保持型计数器，当计数线圈的驱动输入为OFF时，当前值将被保持，线圈再得电时计数从原计数值开始，16位向上计数的范围为132767；第39页/共176页C200C219是32位可逆计数的普通计数器；C220C234是32位可逆计数的断电保持型计数器，32位可逆计数的范围为-2147483648+2147483
23、648。这些计数器是可编程控制器的内部信号用的，其应答速度通常为数10Hz以下；其余的C235C255计数器均为高速计数器，这些计数器直接对来自外部的高速脉冲（例如来自光电编码器、光电编码盘、光栅等）进行32位可逆计数，其输入脉冲可以由输入点X000X007输入，计数值不受可编程控制器的运算控制，最高计数频率为60kHz。第40页/共176页(7)数据寄存器D、V、Z。数据寄存器是存储数值数据的元件。FX2N系列PLC中的数据寄存器全是16位的（最高位为正负位），用两个寄存器组合就可以处理32位（最高位为正负位）数值，数值范围可参考“计数器”的相关说明。D寄存器按十进制编号，从D0D8195共
24、8196个，其中D0D199是通用数据寄存器，D200D511是断电保持的数据寄存器，D512D7999是断电保持的专用数据寄存器，D8000D8195是已被系统程序赋予了特殊用途的数据寄存器。数据寄存器之中还有寻址用的V、Z寄存器，范围从V0V7，Z0Z7，共16点。第41页/共176页(8)常数与指针。PLC程序中使用常数数值时，K表示十进制整数值，H表示十六进制数值。PLC程序中指针有分支用和中断用两种。分支指针P用于指定条件跳转或子程序调入地址。中断指针I用于指定输入中断、定时中断、计数中断的中断子程序。第42页/共176页的基本指令编程法PLC是一套专用的微型计算机的控制系统，该系统
25、具有继电器、定时器、计数器或其他内部电子器件的功能，低端用户不需要学习高级的计算机语言，只要采用简单的类似于继电器电路的梯形图语言就可以编制控制程序，指令系统容易掌握。而将编程器或PC机与PLC主机相连，又可方便地把梯形图送入PLC内存并进行运行状态监控，所以操作使用也十分简便。第43页/共176页PLC在运行状态，采用周期循环扫描方式执行用户程序，一个用户程序的扫描周期由三个阶段构成：（1）输入采样阶段。本阶段检测每个输入触点的状态（通为“1”，断为“0”），然后顺序存入输入映像寄存器。（2）程序执行阶段。对用户梯形图程序按先左后右、从上到下的顺序，逐句执行指令，包括从输入映像寄存器和各种内
26、部寄存器中读取状态和数据，完成程序要求的运算和把结果写入有关内部寄存器或输出继电器。第44页/共176页（3）输出刷新阶段。将输出继电器状态输出至输出锁存器，经隔离、功放、输出端子去驱动负载。程序执行一次的时间称为扫描周期，一个扫描周期可以分为上述输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，小型PLC的扫描周期在十几毫秒至几十毫秒之间。第45页/共176页1输入触点X的编程工业控制系统输入电路中的选择开关、按钮、限位开关等在梯形图中以输入触点表示，在编程时输入触点X可由常开-丨丨-和常闭-丨丨-两种指令来编程，但梯形图中的常开或常闭指令与外电路中X实际接常开还是常闭触头并无对应关系，无论外电路使用什
27、么样的按钮、旋钮、限位开关，无论使用的是这些开关的常开或常闭点，当PLC处于RUN方式时，扫描输入只遵循如下规则：第46页/共176页(1）梯形图中的常开触点-丨丨-X与外电路中X的通断逻辑相一致。如外接线中X5是导通的（无论其外部物理连接是常开点还是常闭点），程序中的-丨丨-X5即处理为闭合（ON）。反之，如外部X5连线断开，则程序中的-丨丨-X5就处理为断开（OFF）。第47页/共176页(2）梯形图中的常闭触点-丨丨-X与外电路中X的通断逻辑相反。如外接线中X5是导通的（无论其外部物理连接是常开点还是常闭点），程序中的-丨丨-X5处理为断开（OFF）。反之，如外部X5连线断开，则程序中的
28、-丨丨-X5就处理为闭合（ON）。梯形图中几个触点串联表示“与”操作，几个触点并联表示“或”操作。第48页/共176页按上述规则，将PLC应用于电机的起动停车控制，外部按图11-5接线，则采用图11-6所示梯形图即可实现按钮X0启动，输出Y0得电并自锁，按钮X1停车的控制逻辑。用一个接触器KM控制电动机的主电路见第10章。上述两个按钮接线时均使用了常开触点，如果工程中需连接停车按钮的常闭触点，则图11-6所示梯形图中将常闭X1换成常开X1，仍能实现控制功能。甚至可以将启停两个按钮都连接常闭点，只要相应修改软件逻辑即可，充分体现了应用PLC控制的方便之处。第49页/共176页图11-5PLC控制
29、的起动停车电路接线图第50页/共176页图11-6起动停车梯形图第51页/共176页2输出继电器Y和内部继电器M的编程继电器具有逻辑线圈及可以多次调用的常开触点、常闭触点。输出继电器和普通内部继电器的简单程序如图11-7所示。PC进入RUN方式时，输出线圈Y0通电，相应的0#输出指示灯亮。当接通输入触点X10后，内部线圈M100通电，M100的常闭触点断开，常开触点导通，因此输出端Y0失电，0#灯熄灭，Y1得电，相应的1#灯亮。掉电保持型继电器M510的简单程序如图11-8所示。第52页/共176页图11-7继电器简单程序第53页/共176页图11-8掉电保持型继电器简单程序第54页/共176
30、页初始状态(PC进入RUN后)输出线圈Y1和Y7不通电，1#和7#输出信号灯不亮。使输出端子X11接通一下，梯形图中X11的常开点即闭合，内部线圈M100通电，常开触点M100通电闭合，对线圈M100起自保作用。另一个闭合的M100触点则接通输出线圈Y1，使1#输出灯亮。与上述动作同时，M510起类似M100的作用，使7#输出灯亮，这两者的差别在于如果将PC置于HALT（暂停）状态，仍然再返回RUN方式，或者使PC断电后再复电，那么1#灯不会亮（因为输入端X11没有接通），但7#灯仍然亮，这就表明了线圈M510的锁存作用。第55页/共176页3定时器T的编程以100ms普通定时器为例，图11-
31、9(a)为T0定时器的梯形图，11-9(b)为执行该程序的时序图。第56页/共176页图11-9普通定时器的简单程序(a)定时器梯形图；(b）定时器时序图第57页/共176页初始状态时，线圈Y0、T0均不通电，0#输出信号灯灭。X0闭合时，定时器T0的线圈通电，并开始记时，K123表示计数值为常数123，定时时间为100ms123=12.3s。当T0线圈通电够12.3s后，定时器动作，其常开触点T0闭合，使Y0输出灯亮，从定时器开始计时到定时器触点动作，其间延迟时间由程序确定。定时器在计时过程中，如果线圈失电后再通电时，定时器相当于自动复位，重新从预置值开始计时。第58页/共176页4.计数器
32、C的编程以16位向上计数的普通计数器C0为例。图11-10(a)为C0定时器的梯形图，11-10(b)为执行该程序的时序图。第59页/共176页图11-10普通计数器的简单程序(a)计数器梯形图；(b）计数器时序图第60页/共176页图11-10中，X001为计数脉冲输入端子，计数线圈C0的计数值为常数5；X000为计数复位输入端子，当X000为ON时，计数线圈C0不允许计数且计数值被清零，只有当X000为OFF时，计数线圈C0才对X000的输入脉冲进行加1计数。在允许计数期间，如计数线圈C0计数够5个，则C0动作，常开触点闭合，Y0得电。C0计满动作后如出现X000变为ON，则C0的触点、线
33、圈均清零复位。第61页/共176页5.上升或下降沿检测的编程上升沿或下降沿检测指令用来将输入信号的上升或下降沿检出并通过线圈输出一个扫描周期的电信号。图11-11(a)为上升、下降沿检出的梯形图，11-11(b)为执行该程序的时序图。第62页/共176页图11-11上升、下降沿检出的简单程序(a)梯形图；(b)时序图第63页/共176页程序中，X000为外部信号输入端子，PLS表示取上升沿，X000信号由OFF变ON时，内部继电器M0得电一个扫描周期；X001为另一路外部信号输入端子，PLF表示取下降沿，X001信号由ON变OFF时，内部继电器M1得电一个扫描周期；程序中M0与M1两个触点的任
34、务分别是将内部继电器M50置位与复位；END为程序结束符，用于所有主程序结束。FX2N系列PLC的程序指令除了梯形图格式之外，还有语句表格式，除了上述基本指令编程法之外，还有其他更复杂的指令编程法，本节仅介绍PLC编程的初步知识。第64页/共176页系列PLC应用举例可编程控制器对环境要求低，能经受工业现场的恶劣环境，无需空调，平均无故障时间在2万小时以上，几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤进行的，生产中的各种自动控制设备均需要利用程序进行控制，因此PLC在工业控制中得到广泛应用。第65页/共176页1电动机的Y-起动电路将电动机三相绕组接成星形起动时，起动电流是直接起动的1/3，在达到
35、规定转速后，再切换为三角形运转。这种减小电流的起动方法适合于容量大、起动时间长的电动机，或者是因容量限制，避免起动时造成电源电压下降的电动机使用。图11-12(a）为电动机主电路，接触器KM1、KM2同时接通时，电动机工作在星形起动状态；而当接触器KM2、KM3同时接通时，电动机就转入三角形接法正常工作状态。第66页/共176页图11-12电动机Y-起动电路(a)主电路；(b)控制电路第67页/共176页图11-12(b）是PLC的输入、输出外接电路，其中X1接起动按钮，X2为停止按钮，HL为电动机运行状态指示灯。此外，在输出回路中KM1、KM3利用辅助触点实现互锁。第68页/共176页电动机
36、的Y-起动电路梯形图如图11-13(a)所示。定时器T1确定起动时间，其预置值（TS）应与电机相配。当电动机绕组由星形切换到三角形时，在继电器控制电路中利用常闭点断开在先而常开点的闭合在后这种机械动作的延时，保证KM1完全断开后，KM3再接通，从而达到防止短路的目的。但PLC内部切换时间很短，为了达到上述效果，必须使KM1断开和KM3接通之间有一个锁定时间TA，这是靠定时器T2来实现的。图11-13(b)为工作时序图。第69页/共176页图11-13Y-起动梯形图和时序图(a)梯形图；(b）时序图第70页/共176页2电动机的正反转控制异步电动机由正转到反转，或由反转到正转切换时，使用两个接触
37、器KM1、KM2去切换三相电源中的任何两相即可，在设计控制电路时，必须防止由于电源换相引起的短路事故。例如，由正向运转切换到反向运转，当发出使KM1断电的指令时，断开的主回路触点由于短时间内产生电弧，这个触点仍处于接通状态，如果这时立即使KM2通电，KM2触点闭合，就会造成电源故障，必须在完全没有电弧时再使KM2接通。第71页/共176页械动作的继电器控制电路不同，在其内部处理中，触点的切换几乎没有时间延时，因此必须采用防止电源短路的方法，例如使用定时器来设计切换的时间滞后。图11-14（a）为PLC控制的电动机可逆运行外部电路接线图，（b）为相应的梯形图。X1、X2接正、反转控制按钮，是常开
38、型；X3接停止按钮，是常闭型。梯形图中M101、M102为内部继电器；T1、T2为定时器，分别设置对正转指令和反转指令的延迟时间。第72页/共176页图11-14电动机正反转接线图与梯形图（a）接线图；（b）梯形图第73页/共176页3.加热反应炉自动控制系统图11-15为加热反应炉结构示意图。加热反应的工艺过程分为以下三个阶段。第一阶段为进料控制，其过程如下：（1）检测下液面(X1)、炉温(X2)、炉内压力(X4)是否都小于给定值（均为逻辑0），即PLC输入点X1、X2、X4是否都处于断开状态。第74页/共176页图11-15加热反应炉结构图第75页/共176页（2）若是，则开启排气阀Y1和
39、进料阀Y2。（3）当液面上升到位使X3闭合时，关闭排气阀Y1和进料阀Y2。（4）延时20s，开启氮气阀Y3，使氮气进入炉内，提高炉内压力。（5）当压力上升到给定值时(X4=1)，关断氮气阀Y3，进料过程结束。第76页/共176页第二阶段为加热反应控制，其过程如下：（1）此时温度肯定低于要求值（X2=0），应接通加热炉电源Y5。（2）当温度达到要求值(X2=1)后，切断加热电源。（3）加温到要求值后，维持保温10min，在此时间内炉温实现通断控制，保持X2=1。第77页/共176页第三阶段为泄放控制，其过程如下：（1）保温够10min时，打开排气阀Y2，使炉内压力逐渐降到起始值(X4=0)。（2
40、）维持排气阀打开，并打开泄放阀Y4，当炉内液面下降到下液面以下时（X1=0），关闭泄放阀Y4和排气阀Y2，系统恢复到原始状态，重新进入下一循环。根据上述工艺规律设计PLC梯形图，如图11-16所示。第78页/共176页图11-16反应炉控制梯形图第79页/共176页11.2 异步电动机的变频调速技术目前市场上，实现交、直流电动机调速的驱动器产品有多种，就调速性能来说，无论对直流电动机还是对交流电动机都可以实现十分优良的无级调速；但从电动机本身的现场使用来说，交流电动机远优于直流电动机，主要原因在于直流电动机内部有碳刷和换向片，需要经常检修，不能适用于恶劣的环境，耐压和容量也受限制。因此，近年来
41、交流电动机调速技术在使用上取得了绝对优势，在交流电动机的各种调速技术中，异步电动机的变频调速技术最具代表性。第80页/共176页我们知道，电网提供的交流电是恒压恒频的，变频器产品的作用是改变电源的频率和电压，对交流异步电动机实现无级变速。变频调速技术是功率电子技术、微电子技术与微机控制技术高度发展的产物，在变频器交流电动机调速系统中，变频器具有升速快，无级变速范围宽，动特性好等优点，而交流电动机又具有环境适应性强，维修简单，价格低等优势，这使得变频调速技术在机械、钢铁、有色金属、矿山、石油化工、纺织、电力、建材、轻工、医药、造纸、卷烟、自来水等行业中均获得广泛应用。第81页/共176页变频调速
42、的控制方式与机械特性由第7章知道，异步电动机的同步转速表达式为因此，只要平滑地调节异步电动机的定子供电频率f1，就可以平滑调节异步电动机的同步转速n1。由于转子是跟随旋转磁场同步旋转的，转子转速为n=n1(1-s)，所以变频能通过同步转速的改变实现异步电动机的无级调速。第82页/共176页表面看来，只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速的大小，但是事实上，只改变f1并不能正常调速。参考异步电动机的电压方程 U1E1=4.44f1K1N1假设现在只改变f1进行调速，设供电频率f1上下调节，而供电电压U1不变，因K1N1为常数，则异步电动机的主磁通必将改变：如f1向上调，则会下降，这使得拖动转矩
43、T下降，第83页/共176页因为T=CTI2cos2，电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转；如f1向下调，则会增强，这会带来更大的危险，因为电机铁磁材料的磁化曲线不是直线而具有饱和特性，设计电机时为了建立更强的磁场，其工频下的工作点已经接近磁饱和，如再增强磁场势必引起励磁电流（体现在定子电流上）急剧升高，最终烧坏电机。第84页/共176页由上可知，只改变频率f1实际上并不能正常调速。在许多场合，要求在调节定子供电频率f1的同时，调节定子供电电压U1的大小，通过U1和f1的不同配合实现安全的调频调速。第85页/共176页1保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式由于E1/f1U1
44、/f1，故调节三相异步电动机的供电频率f1时，按比例调节供电电压的U1的大小可以近似实现为常数。以星形接法的电机为例，变频调速时，如供电50Hz对应220V相电压（一般为额定点），则25Hz需提供110V相电压，10Hz需提供44V相电压。第86页/共176页图11-17保持U1/f1=常数控制方式的机械特性第87页/共176页在机械特性上，保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式的机械特性曲线族体现为近似恒转矩性质，如图11-17所示。由机械特性曲线可以看出，U1/f1=常数调速方式在低频低速运行时拖动力矩不足，显然，U1/f1=常数的调速方式并不是真正的恒磁通调速，这是因为电动机的主磁通与
45、E1/f1成正比例，严格意义上不是与U1/f1成正比，外加电压U1只是在不计定子内阻时才近似等于反电势E1，第88页/共176页当供电频率和电压变得较低时，内阻的影响增大，E1达不到要求值，就出现了低速下拖动转矩明显不足的问题。解决这个问题的方法是采用E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式。第89页/共176页 2保持E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式 在三相异步电动机中，E1不是一个可以直接测量和控制的物理量，所以变频调速所能做的仍然是通过控制供电电压U1来间接控制反电势E1。在通用变频器产品中，通常采用的措施是低频段电压补偿法，使U1与f1满足图11-18的配合关系。图中U1N和f1N分别
46、为电动机的额定电压和额定频率。第90页/共176页利用图11-18实现严格恒磁通的基本思路是以近似恒磁通控制方式为基础，在U1/f1=常数的基础上加一定的供电电压U1提升，以补偿定子内阻压降对反电势E1的影响，使E1/f1=常数。低频低速运行时内阻压降较小，需要加强U1的补偿量；而额定工作点附近（50Hz）内阻压降较小，可以不加补偿。第91页/共176页图11-18实现严格恒磁通的U1与f1配合关系第92页/共176页图11-19保持E1/f1=常数控制方式的机械特性第93页/共176页严格恒磁通控制方式下，变频调速电动机的机械特性如图11-19所示，特性曲线族呈现恒转矩性质。实际补偿时，必须
47、根据不同参数的电动机运用不同的补偿曲线才能取得理想的补偿效果，补偿不足会造成拉力不足，过度补偿则会造成起动时电流过大。此外，在变频调速时，如果将频率调到额定频率以上（大于50Hz），则不允许将供电电压比例上调，U1只能保持在U1N不变，因为所有的用电器都不允许超过额定电压。第94页/共176页变频器的工作原理1.变频器概述对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频CVCF（Constant Voltage Constant Frequency）交 流 电 变 换 为 变 压 变 频 VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）交流电
48、，通过变频伴随变压，对交流电动机实现无级调速。变频器可分为交交变频器与交直交变频器两大类型，其结构对比如图11-20所示。第95页/共176页图11-20两种类型的变频器(a)交交变频器；(b)交直交变频器第96页/共176页交交变频器没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电，又称为直接变频器。而交直交变频器先把电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节之后，再经过逆变才转换为变频变压的交流电，故称为间接变频器。从图11-20(a)、(b)的对比中可以看出，交直交变频器有一个明显的中间滤波环节，按照这个中间滤波环节是电容性或是电感性可以将交直交变频器划分为电压（源）型或电流
49、（源）型交直交变频器。第97页/共176页目前通用变频器产品最常用的是交直交电压型电路形式，其结构如图11-21所示。该电路首先用二极管整流器接入电网，将交流电变成直流电，整流之后采用电容滤波，获得平直的直流电压，再由逆变器将直流能量逆变成可以调频调压的新交流电。第98页/共176页图11-21交直交电压型变频器的结构形式第99页/共176页现代变频器中，逆变电路是变频器的核心。因二极管整流的直流电压幅度不可调节，逆变器的输出电压调节靠改变电压输出脉冲的宽度来完成，所以现代变频器产品的主导设计思想是在逆变器侧采用脉冲宽度调制（PluseWidthModulation,PWM）技术以合成变频变压
50、的交流输出波形。第100页/共176页脉宽调制变频的设计思想源于通信系统中的载波调制技术，1964年由德国科学家率先提出并付诸实施。用这种技术构成的PWM变频器，使近代交流电动机调速技术上升到了新的水平。第101页/共176页2.SPWM逆变器的脉宽调制原理图11-22是PWM变频器的主电路示意图。整流电路采用三相二极管整流桥，相对比较简单；中间滤波环节的电解电容在实际变频器中可能只有一个，也可能根据容量或耐压需要串、并联几个。图中的0点仅仅是为了原理分析引入的零电位参考点，并非实际接线点。逆变器的变压变频控制主要通过控制图中的六个功率开关VT1VT6的规律性通断来实现，因此，逆变器中六个开关