毕业设计（论文）-PLC变频器在双面铣床控制系统的应用.doc

邢台职业技术学院毕业设计论文题 目 : PLC 变频器在双面铣床控制系统的应用姓 名 :班 级 : 电气092班专 业 : 电气自动化技术指导老师 : 完成日期 : 2012年06月01日 摘要 摘 要随着科学技术的发展，电气控制技术在各个领域已得到越来越广的应用。可编程控制器（PLC）作为电气控制技术中的一项新技术，经过30多年的发展，已经形成了完整的工业产品系列。从功能及技术指标等各个方面，都达到了成熟的工业控制计算机的软硬件水平。现已广泛地应用在包括逻辑运算、数值运算、过程控制、位置控制、人机对话、网络通信等各种场合。PLC正在快速地改变着电气控制技术的面貌，并成为电气控制领域人们改造自然、创造财富的有力工具。本文阐述了应用台达公司可编程控制器DVP-24ES系列PLC及阿尔法公司生产的ALPHA5000系列变频器实现对双面铣床系统的控制。该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器（PLC）的多方面的设计知识和方法，再加上变频器两者巧妙的配合精确的实现了对双面铣床系统的控制。这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在机械加工行业的应用，以及根据设计和不同的需求改变，还可以使其应用的范围更加广泛。关键词：可编程控制器（PLC）、变频器、双面铣床、变频器控制方式ABSTRACTWith the development of science and technology, electrical and control technology has been more widely used in various fields. Programmable logic controller (PLC) as a new technology in the electrical control technology, after 30 years of development, has formed a complete industrial product line. From the functional and technical indicators have reached a mature industrial control computer hardware and software level. Now widely applied in a logical, numerical computing, process control, position control, man-machine dialogue, network communications, and other various occasions. PLC is rapidly changing the face of the electrical control technology, and become a powerful tool for the field of electrical control people transforms nature, to create wealth.This paper describes the application of Delta Company programmable controller DVP-24ES series PLC and Alpha produced ALPHA5000 series inverter control on the double-sided milling system. The system takes full advantage of learning about programmable controller (PLC) a wide range of design knowledge and methods, coupled with the inverter both clever with the precise control of the right-sided milling system. Implementation and Application of this control system, fully embodies the application of the PLC system in the machining industry, as well as change its application to a wider range of design and different needs. Keywords: programmable logic controller (PLC), frequency transformer,Double-sided milling machine, the drive control modeIIIIII 目录 目录 目录【摘要】ABSTRACT第1章 绪论11.1 可编程控制器（PLC）11.2 变频器31.3 PLC与变频器的连接6第2章 可编程控制器（PLC）72.1 PLC的组成和基本工作原理72.1.1 PLC的组成 72.1.2 PLC的基本工作原理112.2 PLC的特点及分类132.2.1 PLC的特点132.2.2 PLC的分类13第3章 变频器163.1 变频器的基本构成和工作原理163.1.1 变频器的基本构成163.1.2 变频器内部电路的基本功能163.1.3 逆变电路基本工作原理173.2 变频器的分类183.3 低压通用变频器控制方式193.3.1 U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式193.3.2 电压空间矢量(SVPWM)控制方式193.3.3 矢量控制(VC)方式203.3.4 直接转矩控制(DTC)方式203.3.5 矩阵式交交控制方式20第4章 PLC和变频器在双面铣床控制系统中的应用224.1 双面铣床系统的控制要求224.2 PLC输入输出变量和接线图234.3 双面铣床系统的PLC程序254.4 PLC和变频器控制双面铣床系统274.4.1 变频器的参数设置274.4.2 PLC与变频器的连接29结论30致谢31参考文献32附录1 电气原理图33附录2 程序截图36附录3 实物图38VIVI 第1章 绪论 第1章 绪论1.1可编程控制器（PLC）可编程序控制器(Programmable Controller)原本应简称PC，为了与个人计算机专称PC相区别，所以可编程序控制器简称定为PLC(Programmable Logic Controller)，但并非说PLC只能控制逻辑信号。PLC是专门针对工业环境应用设计的，自带直观、简单并易于掌握编程语言环境的工业现场控制装置。在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。 1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。 1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果,从此这项技术迅速发展起来。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。 20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器1。 PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段： 19701980年：PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器（如逻辑电路型、通用计算机型、单板机型等）不断出现，但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用，逐步向机床、生产线扩展。 19801990年：PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格和品种开始系列化，并且形成了I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有F、F1、F2小型PLC系列产品，K/A系列中、大型PLC产品等。 19902000年：PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。 2000年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3u系列产品），Qn系列中，大型PLC系列产品等。1.2变频器直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机2。 但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： （1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； （2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。 而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点： （1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养； （2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正令人满意的成果，也因此限制可交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。经历了20世纪70年代中期的第二次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着同时期内电力电子技术的发展，作为交流调速系统中心的变频器技术也得到了显著的发展，并逐渐进入了实用阶段。 虽然发展变频驱动技术最初的目的主要是为了节能，但是随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。变领器调速控制系统的优势，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控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，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，容易实现电动机的正反转切换。可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等。 因为以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备。就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机和系统本身进行大的设备改造。在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1：10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可以达到1：1000。此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转矩。因此，高性能的矢量控制变颁器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正反转切换，必须利用开闭器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速拧制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以达到对输出进行换相的目的。很容易实现电动机的正反转切换而不需要专门设置正反转切换装置。此外，对在电网电源下运行的电动机进行正反转切换时，如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换。电动机内将会内于相序的改变而流过大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作。而在采用变频器的交流调速系统中，由于可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行减速，并在电动机减速至低速范围后再进行相序切换。进行相序切换时电动机的电流可很小，同样，电动机的加速过程也可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从刚达到限制加速电流的目的。因此，在利用变频器进行调速控制时更容易和其他设备起构成自动控制系统。对于利用普通的电网电源运行的交流拖动系统来说，电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗，所以不能使电动机进行高频率的起停运转。而对于采用了变频器的交流调速系统来说，电动机的起停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓，电动机的功耗和发热较小，可以进行较高频率的起停运转。变频调速系统购上述特点可以用于采用交流拖动系统的传送带和移动丁作台等以达到节能的目的。这是因为，在利用异步电动机进行恒速驱动的传送带以及移动工作台中，电动机通常一直处于工作状态，而采用变频器进行调速控制后，可以使电动机进行高频率的起停运转，可以使传送带或移动工作台只是在有货物或工件时运行，而在没有货物或工件时停止运行，从而达到节能的目的。变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。1.3 PLC与变频器的连接PLC是的输出端子接变频器的多功能端子，变频器中设置多功能端子为多道速功能，并设置相应频率。通过PLC的输入输出端子的闭合和断开的组合，使变频器在不同转速下运行。其具有响应速度快，抗干扰能力强的优点。通过PLC和变频器上的通讯接口，采用PLC编程通信控制。其具有可以无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好的优点。通过PLC加数模转换模块，将PLC数字信号转换成电压信号，输入到变频器的模拟量控制端子，控制变频器工作。其具有可以无极调速的优点。- 6 - 6 - 第3章 变频器 - 1 - 1 - 第2章 可编程控制器(PLC) 第2章 可编程控制器（PLC）2.1 PLC的组成和基本工作原理2.1.1 PLC的组成PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图2-1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。图2-1 PLC的基本组成（1） 中央处理器单元中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。 小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。 CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。（2） 存储器：PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。 系统程序存储器 PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。 系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。 系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。 EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。 通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。数据存储器 PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等 ）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。（3）输入输出接口接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。 现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。 输入接口输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等提供的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。输出接口输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。 微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。其它接口若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。 （4）编程器编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句指令进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图等语言编程，同时还能进行脱机编程。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、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的双向传送、监控PLC运行状态等。 （5）电源PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。 2.1.2 PLC的基本工作原理 1.PLC的工作流程 PLC虽然具有与微机相似的结构特点，但它的工作方式与微机不同。微机一般是等待命令的工作方式，如键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描的工作方式，整个工作过程可分为5个阶段：自诊断，通讯处理，扫描输入，执行程序，刷新输出，其工作过程如图2-2所示。开始自诊断通讯处理扫描输出执行程序刷新输出图2-2 PLC工作过程自诊断 每次扫描程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，若发现异常，则停机，并显示出错；若正常，则继续向下扫描。 通讯处理 PLC检查通讯接口的外设，如编程器、计算机、人机界面等是否有通讯请求，如有则进行通讯处理。然后进入下一步。 扫描输入 PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，并将输入状态送到输入印像寄存器。 执行程序 如果PLC处于运行状态，中央处理器（CPU）将逐条执行用户指令程序，记按程序要求对数据进行逻辑、算术运算，再将结果送到状态寄存器中。 刷新输出 当所有的指令执行完毕后，将输出印象寄存器中所有的输出寄存器状态送到输出锁存器中，通过一定输出电路驱动外部负载。 PLC经过这5个过程，称为一个扫描周期，一个扫描周期完成后，又重新执行上述过程，如此周而复始不断循环。 2. PLC的工作过程 a.输入采样阶段 扫描输入端子，将各输入状态存入对应的输入印象寄存器中，此时输入印象寄存器被刷新，其值保持到下一个扫描周期。 b.执行程序阶段 PLC根据从左到右，先上后下的顺序扫描原则，逐点扫描。逐条执行用户程序，并将执行的结果存入元件映像寄存器。 c.刷新输出阶段 在所有的指令执行完之后，将元件映像寄存器中所有与输出相关的寄存器状态送给输出寄存器。 从上面的工作过程可以看出，PLC控制系统是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任意时刻只能执行一条指令，是“串行”的工作方式的，这也是PLC控制系统与继电器控制系统的重要区别之一，继电器控制系统是按“并行”的方式工作的，也就是说是按同时执行的工作方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时工作。总之，循环扫描、分别工作是PLC控制系统工作的特点4。2.2 PLC的特点及分类2.2.1 PLC的特点PLC是一种工业控制系统，在结构、性能、功能及编程手段等方面有独到的特点。 （1）在结构上具有模块结构特点。基本单元和功能齐全的扩展模块均可按积木式组合，有利于维护和功能的扩展，结构紧凑，系统简单便于安装。 （2）在性能上具有可靠性。PLC的平均无故障运行时间为5-10万小时，通过良好的整机结构设计、元器件选择、抗干扰技术的使用、先进电源技术的采用，以及监控、故障诊断等技术的采用，同时配以严格的制造工艺，使PLC在工业环境中可靠的工作。 （3）在功能上可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多PLC分布式控制等功能。适用于机械、冶金、化工、轻工、服务和汽车等行业的工程领域。 （4）在编程手段上直观、简单、方便，易于各行各业的工程技术人员掌握。2.2.2 PLC的分类（1）按I/O点数和功能分类小型PLC总点数在256点以下，以开关量控制为主。用户程序存储容量在4K左右。现在高性能的小型PLC具有一定的通讯能力。这类PLC的价格低廉，体积小，适用于单台设备开发。典型的机型有欧姆龙的CPM2A系列，三菱公司的FX系列，西门子公司的S7-200系列等。 中型PLC 总点数在256-1024之间的称为中型机，用户程序存储容量在4K左右。它除了具有逻辑、模拟量控制功能外，还具有强大的计算能力、通讯功能和模拟量处理能力，如PID调节，浮点运算等。典型的机型有欧姆龙的CH200系列，西门子公司的S7-300系列等。适用于温度、压力、流量、速度等过程控制的场所。 大型PLC 总点数大于1024点，具有计算、控制、调节等功能，强大的网络结构和通讯能力，CRT显示，用于自动化生产线的控制、工厂自动化控制和集散控制系统。典型的机型有西门子公司的S7-400系列，欧姆龙的CVMI和CSI系列，AB公司的SLC5/05系列等。 随着PLC技术的飞速发展，某些小型PLC也具有中型机和大型机的功能，这也是PLC发展的趋势。（2）按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。 整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的- 15 -模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插 第3章 变频器 座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。第3章 变频器3.1 变频器的基本构成和工作原理3.1.1 变频器的基本构成变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图3-1所示的基本结构。整流电路中间直流电路逆变电路交流电控制电路频率和电压可调的交流电图3-1 变频器的基本构成而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以DSP(数字信号处理器）为主的转矩计算用CPU以及相应的磁通检测和调节电路。3.1.2 变频器内部电路的基本功能虽然变频器的种类很多，但内部结构也各不相同，它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而已。结合图3-1简单介绍一下变频器各部分电路的基本作用。 一般的三相变频器的整流电路由三项全波整流桥组成。它的主要作用是对外部电源进行整流，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路能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要元器件是大容量电感组成，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他辅助电路。 逆变电路是变频器最主要的部分之一。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。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基极）驱动电路、外部电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也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将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D、D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备进行各种高性能的控制。3.1.3逆变电路基本工作原理 逆变电路的基本作用是将直流电源转换为交流电源。在逆变电路中，由六个开关组成了一个三相桥式电路。交替打开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位上各相差120度（电气角）的三相交流电源。该交流电源的频率由开关频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。为了改变该交流电源的相序从而达到改变异步电动机转向的目的，只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。因为这些开关同时又起着改变电流流向的作用，所以它们又被称为换流开关或换流器件。 当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的变频器逆变电路中还没有各种相应的辅助电路，以保证逆变电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。在由逆变电路所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中，开关器件起着非常重要的作用。由于机械式开关的开关频率和使用寿命都很有限，在实际的逆变电路中采用半导体器件作为开关器件。半导体开关器件的种类很多，如晶体管、晶闸管、GTO、IGBT等。而变频器本身也常常根据逆变电路中使用的半导体开关器件的种类而被称为晶闸管变频器、晶体管变频器等。3.2 变频器的分类1. 按变换的环节分类： （1）交-直-交变频器，它是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。 （2）交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。 2 . 按直流电源性质分类： （1）电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 （2）电流型变频器 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 3. 按照工作原理分类：可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等 。 4. 按照开关方式分类：可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器。 5.按变频器调压方法： PAM变频器它是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。 PWM变频器它是在变频器输出波形的一个周期产生脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。 6. 按工作原理分： U/f控制变频器（VVVF控制） SF控制变频器（转差频率控制） VC控制变频器（Vectory Control 矢量控制)3.3 低压通用变频器控制方式3.3.1 U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式，其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。3.3.2电压空间矢量(SVPWM)控制方式电压空间矢量(SVPWM)控制方式是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。3.3.3 矢量控制(VC)方式矢量控制变频调速是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1 Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。3.3.4 直接转矩控制(DTC)方式1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁