基于plc的电机控制系统设计

基于plc的电机控制系统设计内容摘要：

，现在的可编程序控制器不仅可以进行逻辑控 制，也可以对模拟量进行控制。 PLC 自问世以来，经过几十年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。 它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。 它较 好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。 PLC 的组成及各部分作用 PLC 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。 按结构形式的不同， PLC 可分为整体式和组合式两类。 整体式 PLC 是将中央处理单元 (CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。 另外还有独立 的 I/0 扩展单元与主机配合使用。 主机中， CPU 是 PLC 的核心， I/0 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 PLC 与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 I/0 单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线 13 相互联系。 装有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板。 CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10cm。 无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 1. 中央处理单元 (CPU) CPU 在 PLC 中的作用类似于人体的神经中枢，它是 PLC 的运算、控制中心。 它按照系统程序所赋予的功能，整个 PLC 的工作过程都是在 CPU 的统一指挥和协调下进行的。 它的主要功能有以下几点： 1） 接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储； 2） 监测和 诊断电源、 PLC 内部电路的工作状态和编程的语法错误； 3） 用扫描的方式接收输入信号 ，并 送入 PLC 的 数据区 (输入映像寄存器 ) 保存起来 ； 4） PLC 进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作； 5） 根据 数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容， 以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能； PLC 常用的 CPU 有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。 通用微处理器常用的是 8 位机和 16 位机，如 8080、 808 M68000、 80286和 80386 等。 单片机常用的有 803 805和 8096 等。 位片式微处理器常用的有 AMD290 AMD2903 等。 小型 PLC 大多采用 8位微处理器或单片机，中型 PLC 大多采用 16位微处理器或单片机，大型 PLC 大多采用高速位片式处理器。 PLC 的档次越高， 所用的 CPU的位数也越多，运算速度也越快，功能越强。 14 图 PLC的硬件系统结构框图 2. 存储器 PLC 配有 2 种存储器： 1）系统程序存储器； 2）用户程序存储器； 数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。 它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。 它还用来存放 A/D 转换得到的数字和数学运算的结果等。 3．输入输 出 (I/O)单元 I/0单元也称为 I/0模块。 实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，而 PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成 CPU能够接收和处理的标准电平信号。 同样，外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将 CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。 所以， I/O模块实际上是 CPU与现场输入输出设备之间的连接部件，起着 PLC与被控对象间传递输入输出信息的作用。 PLC通过 I/0单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程 开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成 CPU能够接收和处理的信号。 输出单元将 CPU送出的弱电控制信号通过输 15 出电路的光电隔离和功率放大等转换 成 为 现场 需要的强电信号输出，以 驱动 接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。 4．编程器 编程器是 PLC的最重要的外围设备，也是 PLC不可缺少的一部分。 编程器的作用是将用户编写的程序下载至 PLC的用户程序存储器 ,还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视 PLC的工作状态 ，内部部件及系统参数。 它通过接口与 CPU联系，完成人机对话。 编程器一般分为简易编程器和图形编程器两类。 简易编程器功能较少，一般只能用语句表形式进行编程，通常需要连机工作。 简易编程器使用时直接与 PLC的专用插座相连接，由 PLC提供电源。 它体积小，重量轻，便于携带，适合小型PLC使用。 图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可连机编程又可脱机编程，操作方便，功能强，有液晶显示的便携式和阴极射线式两种。 图形编程器还可与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对较高。 通常大中型 PLC多采用图形编程器。 目前 很多 PLC制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC编程软件，当 个人计算机安装了 PLC编程支持软件后，可用图形编程器进行用户程序编辑 、 修改并通过个人计算机和 PLC之间的通信接口实现用户程序双向传送 、 监控 PLC运行状态等。 5．电源部件 PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供 PLC内 部的 CPU、存储器和 I／ O接口等电路工作所需的直流电源。 PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在 +l0％～ 15％的范围内波动。 小型 PLC的电源往往和 CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件。 有些 PLC的 电源部件还能向外提供直流 24V稳压电源，用于对外部传感器供电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的故障。 为防止在外部电源发生故障的情况下， PLC内部程序和数据等重要信息的丢失， PLC还带有锂电池作为后备电源。 PLC 的工作原理 PLC的工作方式：采用循环扫描方式。 扫描从第 0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐 16 条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后再从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。 PLC开始运行时 ，首先清除 I／ O映像区 的内容，然后进行自诊断，自检 CPU及 I／ O组件，确认正常后开始循环扫描。 每个扫描过程分为三个阶段进行，即输入采样、程序执行、输出刷新。 PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期 (或扫描周期 )，如图。 图 PLC工作周期的三个阶段 在输 入采样阶段， PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存 I/O映像区 中 的相应单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I／ O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 程序执行阶段 ， 又称程序处理阶段。 在程序执行阶段 ， 根据 PLC梯形 图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。 在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统 RAM存储区内的状态和 数据都有 可能随着程序的执行随时发生改变。 PLC从输入 映像 寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态。 根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。 程序执行完毕后 ， 进入输出刷新阶段。 然后， 将输出映像寄存器区中所有输出 继电器的状态转存到输出锁存器 ，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 17 第四章 实验系统的设计 系统设计功能分析 随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到 了广泛应用；可编程控制器 PLC 作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在 PC 机上可开发友好人机界面，通过 PLC 可以对自动化设备进行“智能”控制。 在此，本次设计就是基于 PLC 的变频器调速系统。 将现在应用最广泛的 PLC 和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。 电机的正反转，加减速以及快速制动等。 本系统主要完成异步电 机两 种调速， 由于变频器参数设置的不同，调速方式也有所不同，分别为变频闭环调速 和 多段速 控制。 PLC 和变频器的选择 本设计选用的是 西门子公司 生产 的 SIMATIC S7200 系列小型 PLC 和 面向世界推出的 21 世纪通用型变频器 MM420。 S7200 介绍 S7200 型 PLC 可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。 由于 它极强的 通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能。 本系统中主要选用了 SIMATIC S7200型 PLC， SIMATIC S7200可编程序控制器采用模 块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。 S7200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了 一 个功能强大的 Micro PLC。 在下载了程序之后， S7200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。 S7200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。 系统的硬件构架是由成系统的 CPU模块和丰富的功能扩展模块组成。 它能够满足各种设备的自动化控制需求。 应用 18 领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制相关的工业及民用领域，包 括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备、汽车、机器人等等。 如冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。 S7200系列除了具有 PLC的基本控制功能以外，还有以下三个方面特点： (1)功能强大的指令集； (2)丰富强大的通信功能； (3)编程软件的易用性； SIMATIC S7200 PLC 的工作模式 S7200PLC具有两种工作模式，分别是：运行 (RUN)模。