基于plc控制的三层电梯变频设计毕业论文

安徽理工大学毕业设计本科毕业设计说明书教学实训电梯控制系统模型的设计TEACHING AND TRAINING DESIGN OF THE ELEVATOR CONTROL SYSTEM MODEL学院（部）电气与信息工程学院专业班级： 电气08-6班 学生姓名： 毛清东 指导教师： 高俊岭副教授 2012 年 6 月 日教学实训电梯控制系统模型的设计摘要电梯是一种重要的垂直交通运输设备，又是比较复杂的机、电结合一体的大型工业产品，既有完善的机械专用构造，又有复杂的电气控制部分。随着科学技术的不断进步，电梯技术逐渐由交流感应式电动机拖动、双速电机拖动、直流调压电机拖动，继电器接触器控制，发展到现在的计算机或PLC控制的交流变频电机拖动系统，这期间经历100多年的历史。电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。在这些背景下，本次设计主要使用PLC控制电梯的起停，在实验中模拟电梯的运行情况。PLC控制相对于传统的控制方式，有许多无可比拟的优点，功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低，维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少等。关键词：电梯，可编程控制器，变频器，可控性TEACHING AND TRAINING DESIGN OF THE ELEVATOR CONTROL SYSTEM MODELABSTRACTThe elevator is a kind of important vertical transportation equipment, is also more complex machines, electric combined with one of the major industrial products, not only improve the machinery for construction, and the complex electric control part.With the progress of science and technology, elevator technology gradually by the AC induction motor drive, double speed motor drive, DC voltage motor drive, relay contactor control, now to the development of the computer or PLC control of AC variable frequency motor drive system, this period after 100years.Elevator electrical system from the drive system and control system is composed of two parts. The traditional electric control system using relay logic control due to the contact number, high failure rate, low reliability, large volume and other shortcomings, are gradually being phased out.In these circumstances, the design of the main use of PLC control elevator has stopped, in the experiment simulated elevator operation. PLC control compared with the traditional control mode has many advantages, there is nothing comparable to this, function in a flexible, simple programming, less failure, low noise. Convenient repair and maintenance, energy saving, strong anti-interference ability, control box covers an area of less and so on.KEYWORDS：elevator，programmable logic controller，frequency converter,controllability目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1 电梯的定义及分类11.2 电梯的发展11.3 课题的来源及意义22PLC的简介32.1 PLC的起源和发展32.2 PLC控制的优点42.3 PLC的特点52.4 PLC的基本结构72.4.1 CPU模块72.4.2 存储器82.4.3 输入/输出模块82.4.4 电源模块102.4.5 底板与机架102.4.6 可编程控制系统的其他设备112.5 PLC的工作原理112.5.1 循环扫描112.6 PLC编程语言简介123变频器的简介133.1 变频器的概述133.2 变频器的定义及分类143.3 变频器的基本结构143.4 变频器各部分电路的原理154 硬件电路设计204.1 硬件电路的控制要求204.2 PLC的选型214.3 光电开关的选型224.4 变频器的选型224.5 硬件电路的主接线图255程序设计265.1程序所要实现的功能265.2 PLC编程语言种类265.3 PLC控制系统的设计分析285.4梯形图程序295.5指令表语言表示33总结35参考文献36致谢37IV1绪论1.1 电梯的定义及分类电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的倾角小于15度的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或重物的垂直提升设备的工具。1、按用途分类（1）客梯：为运行乘客而设计的电梯，有完善的安全装置。（2）货梯：为运送货物而设计的电梯，通常有人操作，有必备的安全装置（3）客货梯：主要用作运送乘客，但也可以运送货物，它与客梯的区别在于轿厢内部装饰结构不同。（4）病床电梯：为运送病床而设计的电梯，具有轿厢长而窄的特点。（5）住宅电梯：供住宅使用的电梯，一般采用集中控制方式，轿厢内部装饰较简单。（6）船舶电梯：用于船舶上的电梯，能在船舶摇晃中正常工作。（7）观光电梯：轿厢壁透明供乘客观光之用。2、按驱动系统分类（1）交流电梯 拽引电动机是交流电机，当电机具有调压调速装置时，称为交流调速电梯；当电机具有调压调频调速装置时，称为变频调速电梯。 （2）直流电梯 拽引电动机是直流电机，分为直流有齿和直流无齿电梯。 （3）液压电梯 靠液压传动的电梯，分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。 （4）齿轮齿条式电梯（一般为工程电梯）3、按操作控制方式分类（1）门外按钮控制小型杂物电梯（2）内外按钮控制自动门电梯（3）集选控制电梯 该电梯是一种乘客自己操作或有时也可以有专职司机操作的自动电梯。1.2 电梯的发展电梯是一种重要的垂直交通运输设备，又是比较复杂的机、电结合一体的大型工业产品，既有完善的机械专用构造，又有复杂的电气控制部分。随着科学技术的不断进步，电梯技术逐渐由交流感应式电动机拖动、双速电机拖动、直流调压电机拖动，继电器接触器控制，发展到现在的计算机或PLC控制的交流变频电机拖动系统，这期间经历100多年的历史。在国外，电梯已经实现智能控制，就是利用推理和模糊逻辑，采用专家系统方法指定运行规则，并对选定规则进一步处理以确定电梯在最佳状态运行，及时向乘客通报电梯状态，满足乘客的生理和心理需求，使电梯运行更加人性化。我国电梯业起步较晚，但发展较快。1908年上海安装了第一台进口电梯。1952年开始独立制造各类电梯产品。改革开放以来。吸收和引进了国外先进的电梯技术、先进的电梯制造工艺与设备、先进的科学管理，使我国的电梯工业取得了巨大的发展。产品连续多年成倍增长，产品质量和整体性能明显提高，电梯的许多性能和技术达到了国际先进水平。电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前电梯设计使用可编程控制器，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭。控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。1.3 课题的来源及意义 电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯；高层住宅需要有住宅梯；百货大楼和宾馆需要有客梯，自动扶梯等。在现代社会，电梯已像汽车、轮船一样，成为人类不可缺少的交通运输工具。据统计，美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。当今世界，电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。电梯是一种比较复杂的机、电结合一体的工业自动化的综合应用设备，涉及自动化技术、计算机技术等多学科。由PLC控制的电梯（模型）自动控制系统是楼宇智能控制、工业过程控制的典型实例，是近年来机电一体化、电气自动化、智能楼宇控制等专业的配套教学和实验设施，也是PLC、电气控制等课程实践教学的理想研究对象。该课题的来源是学校的实训实验制作一个基于PLC控制的三层电梯控制系统模型，模型只要求电梯能够实现起停准确，并且只有外部呼叫开关，没有内部呼叫开关，控制功能要求相对较低。该控制系统模型采用的PLC是西门子公司生产的S7-200CPU224系列，并且还包含两个扩展模块（模拟量扩展模块EM235以及通信模块）。此外，对电动机的调速控制还用到了变频器，变频器采用的是PI8000型，属于交直交变频方式。以上元器件，将在下文中详细介绍。2PLC的简介2.1 PLC的起源和发展在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已经广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看成由输入电路、控制电路、输出电路和生产现场这4个部分组成的。其中输入电路也是由按钮、行程开关、限位开关、传感器等构成。用于向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器、电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机、电炉、阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器、电子元件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象（如电动机等）或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已越来越难以适应，因为继电器控制电路通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的，它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制、定时、计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计、布线、装配和调试。显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。出于上述考虑，美国通用汽车公司（GM）于1968年提出公开招标研制新型的工业控制器的设想，第二年，即1969年美国数字设备公司（DEC）就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。所以人们将可编程序控制器称为PLC（Programmable Logical Controller），即可编程序控制器。20世纪70年代末80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，如浮点运算、函数运算、查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行数字量控制，还可以进行模拟量控制。因此，美国电气制造协会NEMA(National Electrical Manufacturers Association)将之正式命名为PC（Programmable Controller）。值得注意的是，因为个人计算机的简称也是PC（Personal Computer），有时为了避免混淆，人们习惯上任将可编程序控制器简称PLC（尽管这是早期的名称）。20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上、设计上、性能价格比等方面有了重大突破。可编程序控制器具有了高速计数、中断技术、PID控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，并给出了它的定义。“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式、模拟式的输入与输出、控制各类的机械或生产过程。可编程序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设计。”综上所述，PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用控制器，维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年的发展后，现在已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CADCAM）之一，被广泛应用于机械，冶金，化工，交通，电力等领域中。2.2 PLC控制的优点以PLC作为控制器的PLC控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工作原理和方式，继电器控制系统的控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的，而PLC控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制、顺序控制。另外，它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多，一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器、计数器，随着计算机和通信技术的发展，现代PLC控制系统已远不是几十年前的那个样子，PLC的控制从早前的单机控制发展到多机控制，实现了工厂生产自动化。尽管现在的PLC控制系统已发生了很大的变化，但从自动控制的角度来看，PLC控制系统与传统的继电器控制系统在结构上仍有相似之处。PLC控制系统与继电器控制系统输入、输出部分基本相同，不同的是继电器控制系统的控制线路被PLC中的程序代替，这样一旦生产工艺发生变化，就只需要修改程序就可以了，正是上述原因，PLC控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以实现模拟量控制、开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展，PLC的成本在降低，传统的继电器控制系统被PLC控制系统代替已是发展的必然趋势。PLC控制系统与继电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。不同之处在于以下几个方面：1. 从控制方法上看，继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械接触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂，体积大，功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加功能。系统连线少，体积小，功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。2. 从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所以继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不改吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作顺序决定于程序扫描处理顺序，这种工作方式称为串行工作方式。3. 从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械接触点还会出现抖动问题。而PLC是通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。4. 从定时和计数控制上看，继电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境影响，且PLC具有计数功能，而继电器控制系统一般不具备计数功能。5. 从可靠性和可维护性上看，由于电气控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高。PLC还具有自诊断功能，能查处自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。2.3 PLC的特点1. 编程方法简单易学梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2. 功能强，性能价格比高一台小型可编程控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能；与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。4. 可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器，时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。可编程控制器用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。5. 系统的设计、安装、调试工作量少可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计算器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。可编程控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。可编程控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过可编程序控制器上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少的多。6. 维修工作量小，维修方便可编程控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。7. 体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型可编程控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。可编程控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。2.4 PLC的基本结构PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU模块、编程器、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。如图2-1所示为典型的可编程控制器的结构简图。图2-1.可编程控制器结构简图2.4.1 CPU模块 CPU模块是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU模块，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集现场输入装置的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号去控制外部电路。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.4.2 存储器 虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区；（2）系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统设备等）；（3）用户程序存储区。1. PLC常用的存储器类型（1）RAM（Random Assess Memory）读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。（3）EEPROM（Electriccal Erasable Programmable Read Only Memory）电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。2. 系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）2.4.3 输入/输出模块 I/O模块是PLC与外部电气回路的接口，I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。PLC的CPU处理的信号只能是标准电平，通过I/O模块的接口电路可实现外部信号与PLC所能处理的信号之间的电平转换；I/O接口还具有良好的光电隔离和滤波作用。PLC输入接口的输入设备一般是各种开关、按钮、传感器触点等；PLC的输出接口与被控对象相连，一般是接触器、电磁阀、指示灯等，如图2-1 所示。I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等模块。 数字量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。1. 数字量输入模块数字量输入模块接受外部开关信号。数字量输入模块一般分为两类：直流输入模块（操作电压一般是DC24V），交流输入模块（操作电压为AC120V或AC230V）。本设计所用的 PLC是直流数字量输入模块。其原理简图如图2-2所示。当外部输入触点接通时，光耦合器的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通；当外部输入触点断开时，光耦合器的发光二极管失电，光敏三极管截止。信号经背板总线接口传送到内部电路。其原理简图如图2-2所示。图2-2 直流数字量输入电路2. 数字量输出模块数字量输出模块将PLC内部信号电平转换为控制过程所需要的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。可直接用于驱动电磁阀、接触器、继电器、灯和电动机启动器等负载。按负载回路的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。按输出开关器件的种类又可分为：晶体管输出方式、双向晶闸管输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式的模块，只能带直流负载属于直流输入模块；双向晶闸管输出模块属于交流输出模块；继电器触点输出模块属于交直流输出模块。本设计所用PLC属于继电器型输出模块，其原理简图如图2-3所示。图2-3 继电器型输出模块继电器型输出模块，当某一输出点状态为1时，通过光耦合器，使模块中对应的微型继电器线圈得电，其常开触点闭合，接通与该点对应的外部负载电路。继电器输出电路允许负载一般是AC250V以下，输出电流的典型值是0.52A，容量可达80100VA。当PLC需要驱动大电流负载时，一般可通过直接驱动一个小负载来实现（如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载，如接触器线圈等）。继电器输出电路的继电器触点使用寿命有限（一般数十万次左右，根据负载而定，如驱动感性负载时的寿命要小于阻性负载）。此外，继电器输出的响应时间也比较慢（10ms左右），因此，不适合要求快速响应的场合。当驱动感性负载时，为了延长继电器触点的使用寿命，对于外接直流电源时的情况通常应在负载两端加过电压抑制二极管；对于交流负载，应在负载两端加RC抑制器。3. 模拟量输入模块模拟量输入模块用于接受来自生产过程的连续变化的模拟量信号，如温度、压力、流量、液位及频率等非电量；电压、电流、有功功率、无功功率等电量。4. 模拟量输出模块模拟量输出模块的作用是将PLC输出的数字量转换为模拟量信号（电压、电流）去控制执行机构，其主要组成部分是D/A转换器。5. 除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2.4.4 电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输出类型有：交流电源（220VAC或110V AC），直流电源（常用的为24VDC）。2.4.5 底板与机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块之间的连接，使各模块构成一个整体。2.4.6 可编程控制系统的其他设备 1. 编程设备 2. 人机界面 3. 输入输出设备2.5 PLC的工作原理2.5.1 循环扫描 PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。其工作过程如图2-4所示。 PLC执行的可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程等五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。 其原理图如图2-4所示： 图2-4 PLC工作原理图1. 输入采样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，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2. 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 3. 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为“1”，信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为“0”，对应的硬件继电器的线圈“断电”，其常开触点断开。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。2.6 PLC编程语言简介在可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和结构化语句描述语言是高级的程序语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制、数据的操纵、报表的打印和其他基本程序设计语言无法完成的功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。根据可编程器应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言是：（1）梯形图；（2）布尔助记符（语句表）；（3）功能表图；（4）功能模块图；（5）结构化语句描述；（6）梯形图与结构化语句描述；（7）布尔助记符与功能表图；（8）布尔助记符与结构化语句描述。3变频器的简介3.1 变频器的概述直流电动机调速系统具有良好的启动、制动性能及在大范围内平滑调速的优点，因此在过去很长的一段时间内，在需要进行调速控制的拖动系统中一直占有主导地位。但是直流电动机采用机械换向器换向，其单机容量、最高电压、最大转速等方面受到限制，而且维护，维修复杂。交交变频器采用晶闸管换流方式，工作稳定、可靠。交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有优势。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。虽然大功率交交变频器得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。它仅在传统大功率电机调速系统中应用较多。交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电变成频率和电压都可变的交流电。可以调节的频率范围相比交交变频来说范围大，由于有滤波电路，其输出的高次谐波相对较少。交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点。适合大多数场合的电机使用。本设计采用的便是这种交直交变频器。20世纪70年代以来，随着交流电动机调速系统理论、电力电子技术、以微处理器为核心的全数字化控制等关键技术的发展，交流电动机变频调速技术逐步成熟。目前，变频调速技术的应用几乎已经扩展到了工业生产领域的所有普通交流异步电动机的调速控制，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用。3.2 变频器的定义及分类1定义：变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用，将工频交流电换成频率、电压连续可调的交流电的电能控制装置。2变频器的分类变频器的种类很多，分类方法也有多种，常见的分类方式有：（1）按供电电压分：低压变频器（110V 220V 380），中压变频器（500V 660V 1140V），高压变频器(3kV 3.3kV 6kV 6.6kV 10kV)；（2）按输出功率分：小功率变频器、中功率变频器、大功率变频器；（3）按直流电源性质分：电流型变频器、电压型变频器；（4）按输出电压调制方式分：PAM（脉幅调制）控制变频器、PWM（脉宽调制）控制变频器；（5）按控制方式：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器；（6）按用途分：通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器；（7）按供电电源相数分：单相输入变频器、三相输入变频器；（8）按变换环节分：交直交变频器、交交变频器。3.3 变频器的基本结构目前，变频器的变换环节大多采用交直交变频变压方式。交直交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电逆变成频率，电压可调的交流电。本次设计所使用的PI8000型变频器采用的是交直交变频变压方式。其电路主要由主回路和控制回路组成，控制回路是整个变频器的核心，发出各种指令以使变频器有不同的响应和动作。其基本结构框图如图3-1所示： 图3-1 变频器基本结构框图主电路又包括：交直回路、直交回路以及能耗制动回路。其中，交直回路包含整流电路、滤波电路、限流电路；直交回路包含逆变电路、续流电路和吸收电路。变频器的控制回路为主电路提供控制信号，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。变频器控制电路的控制框图如下图所示，主要由主控板，键盘与显示板，电源板与驱动板，外接控制电路等构成。 图3-2 控制回路框图3.4 变频器各部分电路的原理1主回路（1）交直回路部分的原理此部分电路主要包含三个部分，整流电路、滤波电路和限流电路。整流电路是由整流管组成三相整流桥，将电源的三相交流全波整流成直流。滤波电路是利用电容滤平全波整流后的电压波纹，当负载变化时，是直流电压保持平衡。限流电路是利用限流电阻限流，因为变频器在上电瞬间，电解电容的充电电流很大，为了防止过大的冲击电流损坏主电容和整流桥，电路内串入限流电阻，其作用是将电容的充电电流限制在允许的范围以内。常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路。在这三种形式的滤波电路中，电容滤波电路最为普及。需要注意的是，在电容滤波电路中，当电路接入电网瞬间，电容的充放电过程会导致电流浪涌，因此在实际应用时要考虑整流桥的抗浪涌能力。可以采用如图所示的抗浪涌电路，也称作软起电路。在电路刚接入电网时，继电器K常开触点断开，电阻起限流作用；等电容电压达到一定值时，控制继电器K动作，将电阻短接，避免正常工作时消耗能量。电路原理图如图所示：图3-3单相相桥式不可控整流电路该电路中，当某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也对负载供电。当二极管关断时，由电容向负载放电，按指数规律下降。假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中以电阻R作为负载。该电路的基本工作过程是，在正半周过零点至期间，因，故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时下降。至之后，将要超过，使得和开通，=，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。设和导通的时刻与过零点相距角，则 （3-1）在和导通期间，以下方程成立：（3-2）式中，为、开始导通时刻直流侧电压值。 将代入并求解得 （3-3）而负载电流为 （3-4） 于是 （3-5） 设和的导通角为，则当时，和关断。将=0代入式（3-5），得 （3-6）电容被充电到时，和关断。电容开始以时间常数RC按指函数放电。当，即放电经过角时，降至开始充电时的初值，另一对二极管和导通，此后又向C充电，与正半周的情况一样。 二极管和关断的时刻，即达到的时刻，还可用另一种方法确定。显然，在达到峰值之前，和是不会关断的。过了峰值之后，和电容电压都开始下降。从物理意义上讲，和的关断时刻，就是两个电压下降速度相等的时刻。（2）整流电路的谐波 20多年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波问题也日益严重，并引起了越来越广泛的关注。电力电子装置会会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2）谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1）和2）项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。实际应用的电容滤波不可控整流电路中通常有滤波电感。这种情况下，其交流侧谐波组成有如下规律：谐波次数为6k1次，k=1，2，3，。谐波次数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的，负载越轻（RC越大），则谐波越大，基波越小；滤波电感越大（越大），则谐波越小，而基波越大。（3）直交回路部分 此部分电路包含逆变电路，续流电路，能耗制动电路。逆变电路是利用二极管组成逆变桥，把整流所得的直流电，再“逆变”成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体环节，因而是变频器的核心部分。续流电路是利用续流二极管实现。其主要功能是：A因为电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。为无功电流返回直流电源时提供“通道”。B当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流返回给直流电路。C在逆变过程中，同一桥臂的两个二极管，处于不停地交替导通和截止的状态。在交替导通和截止的换相过程中，需要它提供通路。能耗制动电路中，电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的机械能转换成电能回馈到直流电路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。利用制动电阻来消耗这部分回馈电压，使电压保持在允许范围内。逆变电路原理图如下图所示：图3-4 三相桥式PWM型逆变电路图3-4是SPWM变频器的逆变电路部分，这种电路都是采用双极性控制方式。U、V、W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波，三相的调制信号、和依次相差120。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。图中VTlVT6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压供电。一组三相对称的正弦参考电压信号，由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当时，给上桥臂以导通信号，给下桥臂以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点的输出电压。当时，给以导通信号，给以关断信号，则。和的驱动信号始终是互补的。当给（）加导通信号时，可能是（）导通，也可能是二极管续流导通，这要由阻感负载中的电流的方向来决定，这和单相桥式PWM逆变电路在双极性控制时的情况相同。V相及W相的控制方式都和U相相同。输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成，负载相电压PWM波由(2/3)、(1/3)和0共5种电平组成。在电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两个桥臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下臂直通而造成短路，在上下两桥臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。这个死区时间将会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。（4）电压型逆变电路的特点：1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2）由于直流电压源的钳位作用