（车辆工程专业论文）起重机变频调速控制系统的设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着现代控制理论的应用，新的控制策略不断出现。微处理器和微电子技 术的发展，使变频调逮控制系统日趋成熟。本文对将变频调速技术应用于起重 机这一问题进行了研究，并将这一技术应用于郑州铁路装卸机械厂最新设计和 生产的4 0 吨龙门起重机中。通过年的实际应用，表明这一技术是可行的，设 计的起重机具有良好的性能。 论文首先讨论了门式起重机的负荷特点、调速方法、变频调速系统要点： 其次介绍了可编程控制器和变频器的组成、原理；第三，详细分析和总结了目 前应用于起重机的主要调速方法的特点和存在的问题，并与变频调速进行了分 析和比较，给出了控制参数利用变频调速的优点：第四，对各种控制参数的设 计进行了分析与研究，并给出了这些控制参数。利用变频技术、可编程控制器 ( p l c ) 技术和触摸屏控制技术，通过软硬件开发以及各种控制参数的设计，实 现了平滑的速度调节。这一平滑的速度调节是根据起升重量的变化自动实现切 换起升工作速度和大、小车走行速度的。起升机构可以根据负荷的大小自动切 换空钩、主钩、副钩不同的工作速度，从而实现了利用一套起升装置替代原来 主、副两套起升机构。由于这种替代在小车内节省了套起升机构，从而减轻 了小车的自重，改善了钢结构的承载，同时增加了小车内的维修空间。所设计 和生产的4 0 吨全变频调速龙门起重机调速系统具备随时修改升降速度、加减速 时间等工艺参数的功能，使门吊始终处于最佳运行状态，保证货物空中或落地 定位准确，确保货物安全，大大提高了装卸效率。起升机构、大车、小车走行 机构运行平稳，制动冲击小。通过软件实现了各机构的零位控制功能，改善了 起重机的性能，减少了起重机故障，提高了装卸作业的安全性。同时采用变频 器进行变频调速，比传统的串电阻调速具有明显的节能效果，较大提高了系统 的功率因素和工作效率。 关键词：起重机可编程控制器交频器变频调速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm o d e r nc o n t r o lt h e o r y ，n e wc o n t r o ls t r a t e g i e sa p p e a r c o n t i n u a l l y t h ed e v e l o p m e n t o f t h em i c r o p r o c e s s o ra n dm i c r o e l e c t r o n i c sl e a dt ot h e i n c r e a s i n gm a t u r i n go f t h ev a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e m s t h i st h e s i ss t u d i e s t h e a p p l i c a t i o n o ft h ev a r i a b l e f r e q u e n c yt e c h n i q u e t oc r a n e s ，a n d a p p l i e s t h i s t e c h n i q u et ot h el a t e s t4 0t o nd r a g o ng a t ed e r r i c kt h a tw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e d i nz h e n gz h o ur a i l r o a dm a c h i n ef a c t o r y t h r o u g ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o r o n ey e a r ，i ti sp r o v e dt h a tt h i st e c h n i q u ei sf e a s i b l ea n dt h en e w l yd e s i g n e dd e r r i c k h a sg o o d p e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eb u r d e nc h a r a c t e r i s t i c so fd r a g o ng a t e d e r r i c k s ，s p e e da d j u s t i n gm e t h o d sa n dt h ef e a t u r e so fv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l s y s t e m s t h e n t h es t r u c t u r e sa n d p r i n c i p l e so f t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a n di n v e r t e r sa r ei n t r o d u c e d t h i r d l y ，t h ef e a t u r e sa n dp r o b l e m so fm a i ns p e e d a d i u s t i n gm e t h o d sc u r r e n t l ya p p l i e di nc r a n e sa r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d i nd e t a i l t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw i t ht h ev a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds p e e da d j u s t i n ga r e m a d e ，a n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r sa n dt h ea d v a n t a g e so ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c ya n d s p e e da d j u s t i n ga r eg i v e n f o u r t h l y , t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ed e s i g n o f v a r i o u sc o n t r o lp a r a m e t e r sa r er e a l i z e d ，a n ds u c hc o n t r o lp a r a m e t e r sa r eg i v e n u s i n gs u c ht e c h n i q u e sa s v a r i a b l e f r e q u e n c y ，p l ca n dt o u c h - s c r e e nc o n t r o l ，t h e s m o o t hs p e e da d j u s t i n gi s a c c o m p l i s h e d w i t ht h e h e l po ft h ed e v e l o p m e n to f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea sw e l la st h e d e s i g n o fv a r i o u sc o n t r o l p a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so fl i f t i n gw e i g h t s ，t h i ss m o o t hs p e e da d j u s t i n gs w i t c h e s l i l t i n gw o r ks p e e da n dw a l k i n gs p e e do fb i ga n ds m a l lv e h i c l e sa u t o m a t i c a l l y t h e l i f t i n gm a c h i n ec a ns w i t c hd i f f e r e n tw o r ks p e e do fe m p t yh o o k ，h o s th o o ka n d a s s i s t a n th o o k a u t o m a t i c a l l yi nt e r m so f t h el o a ds i z e s t h e r e f o r ef o r m e rt w os e t so f h o s ta n da s s i s t a n tl i f t i n gm a c h i n e sc a nb er e p l a c e db yo n el i f t i n gm a c h i n e b e c a u s e t h i sr e p l a c e m e n ts a v e sas e to f l i f t i n gm a c h i n e i n s i d et h es m a l lv e h i c l e ，t h ew e i g h to f t h es m a l lv e h i c l ei sr e d u c e d ，t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h es t e e ls t r u c t u r ei si m p r o v e d ， a n da l s ot h e m a i n t a i n i n gs p a c ei n s i d e t h es m a l lv e h i c l ei si n c r e a s e d t h es p e e d a d j u s t i n gs y s t e mi no u rn e w l yd e s i g n e da n dp r o d u c e d4 0 t o nd r a g o ng a t ed e r r i c k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 w i t hf l _ l l lv a r i a b l ef r e q u e n c yh a st h ef u n c t i o no f m o d i f y m g s u c ht e c h n i c a lp a r a m e t e r s a s l i f t i n gs p e e da n ds p e e d u pa n dd o w nt i m e a t a n ym o m e n t ，e n s u r i n gt h a tt h e d e r r i c kw o r k si nt h eo p t i m a ls t a t e ，t h el o a d sp o s i t i o np r e c i s e l yi nt h ea i ro rl a n d i n g ， l e a d i n gt ot h eg o o d ss a f e t ya n dh i g hl o a d i n ge f f i c i e n c y t h el i f t i n gm a c h i n ea n d w a l k i n g m a c h i n e so f b i ga n ds m a l lv e h i c l e so p e r a t es m o o t h l y , a n db r a k i n g i m p a c t i s s m a l l t h ez e r o l o c a t i o nc o n t r o lo fe a c hm a c h i n ei sr e a l i z e dv i at h es o f t w a r e t h e p e r f o r m a n c eo f t h ed e r r i c ki si m p r o v e d ，t h em a l f u n c t i o ni sr e d u c e da n dt h es e c u r i t y o fl o a d i n go p e r a t i o ni se n h a n c e d a tt h es a r n et i m e ，u s i n gi n v e r t e r si n v a r y i n g 丘c q u e n c y a n d s p e e da d j u s t i n g h a so b v i o u s e n e r g y s a v i n g e f f e c t c o m p a r i n g t o t r a d i t i o n a ls e r i e s r e s i s t a n c es p e e da d j u s t i n g ，a n di n c r e a s e st h ep o w e rf a c t o ra n dw o r k e f f i c i e n c y o f t h e s y s t e mg r e a t l y k e y w o r d ：c r a n e ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，i n v e r t e r ，v a r i a b l ef r e q u e n c y a n ds p e e d a d j u s t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电动机的应用技 术也得到了进一步的发展，新产品及新应用层出不穷。除了人们已经熟悉的普 通电动机外，许多特种电动机也不断问世，变频电机就是其中一例，它们的工 作原理及结构与传统的电动机有较大的区别。另一方面，随着现代控制理论的 应用，新的控制策略不断出现。微处理器和微电子技术的发展，使电动机的控 制方式变得更加灵活，效率也有更大的提高。起重机变频调速控制系统就是很 好的一例。要想合理、有效地设计、使用好全变频控制起重机，就必须对起重 机变频调速电气控制系统的组成、控制原理、结构性能、应用技术有较详细的 了解。 1 1 门式起重机的负载特点 1 1 1 门式起重机的机构类别 门式起重机的基本机构类别有以下两种： ( 1 ) 起升机构即重物上升或下降的机构，这是门式起重机的基本功能。 ( 2 ) 运行机构即门式起重机平行移动的机构，它分为大车走行机构和小车 走行机构。 1 1 2f - 1 式起重机的负载特点 门式起重机的各类机构都属于恒转矩负载。此外，不同的机构还具有各自 的特点： ( 1 ) 起升机构由于重物在空间具有位能，因此，是位能性负载。其特点是： 重物上升时，电动机克服各种阻力( 包括重物的重力、摩擦阻力等) 而作功， 属于阻力负载；重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力( 位 能) ，因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力( 位能) 是下降的动力，电动机成为了能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重 力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。 ( 2 1 运行机构室内起重机的运行机构都是阻力负载，室外起重机有时在较大 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的风力作用下成为动力负载。 1 2 门式起重机的调速方法和节能比较 1 2 1 原拖动系统的调速方法 门式起重机各部分的拖动系统，一般都需要调速，由于异步电动机与其他 电动机相比，有着无可匹敌的优点：结构简单坚固，易于维护。因此，在变频 调速问世之前，已经发明了多种调速方法，获得了广泛的应用。例如：增大或 改变转子回路内电阻的调速、电磁调速电动机等等。比较常见的是采用绕线转 予异步电动机，其主电路如图l 一1 所示。调速方法是通过集电环和电刷在转子 回路内串人若干段电阻，由接触器来控制接人电阻的多少，从而控制转速。 骨i 如月3 置 图1 1 绕线转子异步电动机的主电路 1 2 2 绕线转子异步电动机调速时的功率损耗 如图1 ，3 所示，异步电动机的自然特性为曲线，当负载转矩为t 。时，工 6 p 2 超 吟匣 图1 - 2 机械特性及转子侧能量图的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 作点为a 点。转子侧的能量分配如图1 2 b 所示，转予回路中的能量损耗是很 小的。 月 n o l n 1 月0 2 也 0 a ，斗p 、 c 7 b ) 图l 一3 转子功率分配的比较 a ) 转子串入电阻b ) 变频凋速时 当异步电动机的转子回路中串入电阻后，机械特性如图1 3 a 中的曲线所 示。这时，机械特性变软，在转矩不变( 仍为t l ) 的情况下，拖动系统的工作点 由a 点移至b 点，如图1 3 a 所示，转速由r 1 1 下降为1 1 2 。功率分配隋况的变化 如下： l = 瓦l 9 5 5 0 ( 1 - 1 ) ( 1 ) 同步转速1 1 0 l 未变，放电磁功率p m l 与未调速前相同。 ( 2 ) 电动机轴上的转速为n 2 ，输出功率p 1 2 将随之下降。 ( 3 ) 电动机的功率损耗为 鸠= 瓦( 玎o l 一 2 ) 9 5 5 0 = 瓦a n 2 9 5 5 0 ( 1 - 2 ) 功率分配如图1 3 a 右侧所示。可见，功率损耗在电磁功率中所占的比例是 相当大的。事实上，转速的下降( 或者说，机械功率的减少) 是通过在转子的外 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 接电阻中消耗能量来实现的。并且，转速越低，机械特性越软。功率损耗在电 磁功率中所占的比例也越大，是很不经济的。 1 2 3 变频调速时的功率损耗 异步电动机在改变频率后，其桃械特性基本上与自然机械特性平行。所以， 在不同转速下的转差大致相等，如图l 一3 b 中的曲线所示。当负载转矩为t l 时，拖动系统的工作点为c 点。这时 ( 1 ) n 步转速下降为r 1 0 2 ，故电磁功率p m 2 也随之下降。 i = l 玎0 2 9 5 5 0( 1 - 3 ) ( 2 ) 电动机轴上的转速也是n 2 ，故输出功率p l 2 与上面相同。 只2 = 瓦n 2 9 5 5 0( 1 - 4 ) ( 3 ) 电动机的功率损失为 a p2 = 瓦( n 0 2 一 2 ) 9 5 5 0 = 瓦( 玎0 2 一h 2 ) 9 5 5 0 2 瓦a n l 9 5 5 0( 1 5 ) 可见。功率损耗与额定转速时基本相等，如图1 3 b 右侧所示。 所以，两种调速方法相比，变频调速的功率损耗要小得多，节能效果是十 分显著的。 此外，如果变频调速系统荐配上电源反馈选件，则在吊钩下放重物时，还 可将重物释放的位能反馈给电源，进一步节电。 1 3 门式起重机变频调速系统要点 l _ 3 1 必须注意的问题 ( 1 ) 重物上升时起动转矩t s 较大。通常在额定转矩t n 的1 5 0 以上。考虑 到在实际工作中可能发生的电源电压下降以及短时过载等因素，一般情况下， 起动转矩t s 应按照额定转矩t n 的1 5 0 1 8 0 来进行选择，即 丁s = 0 5 0 1 8 0 ) t n ( 1 6 ) ( 2 ) 因为各部分的拖动系统都有机械式制动器，所以，必须充分考虑电动机 在起动与制动时与机械式制动器动作之间的配合。这一点，在起升机构中尤其 重要。 ( 3 ) 起升机构中，上升时在重物刚离开地面的瞬间，以及下降时在重物刚到 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 达地面的瞬问。负载转矩的变化是十分激烈的，应引起注意。 ( 4 ) 起升装置在调整缆绳松弛度时，以及移动装覆在进行定位控制时，都需 要点动运行，应充分注意点动时的工作特性。 1 3 2 变频器容量的选择 在门式起重机中，因为升、降速时的电流较大，应求出对应于最大起动转 矩和升降速转矩的电动机电流。 通常门式起重机用变频器容量按以下步骤求出： ( 1 ) 恒定负载上升时的电动机容量p m n ( k w ) 蒜( 1 - 7 ) 式中饰r 额定重量( k g ) ，具体计算时，应考虑须有1 2 5 的过载能力； v 额定线速度( m m i n ) ； 卜机械效率。 ( 2 ) 变频器容量变频器的额定电流可由下式求出： t k 变频器额定电流 电动机额定电流 ( 1 - 8 ) 匕 式中是，k i 所需最大转矩电动机额定转矩； k 2 1 5 ( 变频器的过载能力) ： k 3 1 1 ( 余量) 。 1 4 本文研究的主要内容 本研究课题来自郑州铁路装卸机械厂为开封货站设计、生产的4 0 吨全变频 调速龙门起重机。随着现代控制理论的应用，新的控制策略不断出现，微处理 器和微电子技术的发展，变频调速控制系统日趋成熟。利用这种先进的控制技 术于起重机是一种最理想的实现超重机交流无级调速的方法。本文对将变频 调速技术应用于起重机中这一问题进行研究，并根据设计要求，设计4 0 吨全变 频调速龙门起重机。本文主要研究内容为： ( 1 ) 对现有的起重机调速方法进行分析、比较，讨论其优缺点； ( 2 ) 研究采用变频调速技术对起重机进行控制的可行性、实施方案；研 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 究各种控制参数的确定。 ( 3 ) 根据设计要求，设计出4 0 吨全变频调速龙门起重机。 整篇论文总体结构为： 第一章为绪论。介绍了门式起重机的负荷特点、调速方法、变频调速系统 要点等基本概念。 第二章介绍了可编程( p l c ) 控制技术应用，包括可编程控制器的基本结 构和原理，p l c 的主要性能指标和应用场合，p l c 的编程方法。 第三章介绍了变频调速技术和原理，主要内容为变频调速的基本原理，变 频器的主要构成电路，制动电阻与制动单元 第四章对目前起重机上主要采用的调速技术和方法进行了详细的分析和总 结，指出了这些方法存在的问题。着重讨论门式起重机转子电路串电阻调速和 门式起重机串级调速。在此基础上，分析了利用变频调速的优点。 第五章详细分析和讨论了起升机构、大车走行机构和小车走行机构的要求 和特点，研究了各种控制参数的设计。研究利用变频技术、可编程控制器( p l c ) 技术和触摸屏控制技术通过软硬件开发以及各种控制参数的设计，实现起升 机构、大车走行机构和小车走行机构的平滑的速度调节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章可编程( p l c ) 控制技术应用 2 1 可编程控制器的基本结构和原理 2 1 1 可编程控制器的基本结构和组成 可编程控制器从广义上说也是一种计算机系统，只不过它具有比计算机更 强的与工业设备相连接的接口，具有更适用于控制要求的编程语言。所以，可 编程控制器与一般计算机系统一样，也具有微处理器、存储器、i o 接口等部 分。其结构示意图如图2 1 。由图可见，可编程控制器采用了典型的计算机结构， 其内部数据和指令的传输也是采用总线结构。下面概述各部分的功能和特点。 开黄矗传感嚣 电接点 行程开荧 梗报量人 地址盛缱 控啊总蝗 图2 - 1p c 机结构示意图 1 ) 微处理器 微处理器是可编程控制器的主要部件，是整个系统的核心。它将各输入状 态的信息读入，并按照用户提供的程序对信息进行处理最后刷新输出接口，对 执行部件进行控制。在每个循环中，微处理器还要进行故障诊断、系统管理等 工作。正是由于采用了微处理器，可编程控制器有了编程和处理数据的能力， 才使得它成为一种极有发展前途的工业控制器。在可编程控制器中，具有微处 理器的模板叫c p u 模板，它与被控对象的连接是通过i o 接口来实现的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 2 ) 存储器 在c p u 模板中包含有一定数量供用户使用的内存，但对用户来说远不够 用。所以，一般的可编程控制器都具有存储器扩展功能。存储器扩展可选择不 同容量的r a m 、e p r o m 、e e p r o m ，以满足各种不同的需要。存储器扩展模 板可插在c p u 模板中，也可以插在中央基板上。 r o m 或e p r o m 一般存放可编程控制器工作所必须的程序，如系统管理程 序、通讯管理程序、故障检测程序、指令解释程序等。这些程序一般在出厂前 由厂家直接固化在r o m 或e p r o m 中。 随机存储器r a m 可分为用户程序存储区、数据存储区和监控表区。 用户程序存储区主要用来存放正在调试中的用来实现用户控制目的的程 序。一般r a m 应带有后备电源，以避免突然断电时丢失数据。目前，e e p r o m 发展很快，这种存储器的写入与擦除操作不需要特殊装置，它也不需要后备电 池来保存其内容。因此，采用e e p r o m 是小型可编程控制器的发展趋势。但 写入时间长。约为毫秒级。 数据存储区主要包括i o 映像寄存器、内部辅助寄存器，存放定时器、 计数器的当前值和预置值，也存放从外部采集来的数据。 i o 映像寄存器可直接同外部输入端子、输出端子传递信息。在可编程控 制器中，这个区的寄存器有特殊的编号。与输入端子连接的寄存器叫输入寄存 器，又叫输入继电器，它的编号为x n ，由外部信号驱动：与输出端子连接的寄 存器叫输出寄存器，又叫输出继电器，它的编号为”。编号中的n 是十进制的 任意整数，i 1 的范围主要受c p u 的寻址能力限制。i o 寄存器一般都是十六位 寄存器，它的每一位对应可编程控制器的一个外部端子。 内部辅助寄存器，主要用于存放逻辑运算的中间结果。辅助寄存器的作用 与继电器、接触器控制中的中间继电器类似，因此，称其为辅助继电器。由于 它用逻辑运算代替了传统的继电器控制中大量的硬线连接，使系统大为简化， 调试、更改容易只要修改程序即可。大大增加了系统的灵活性，便于柔性加 工，因此称其为软继电器。 数据存储区中还包括特殊功能寄存器，它用来存放特殊功能指令，如产生 各种时钟的指令，通电产生初始化脉冲的指令，运行监视指令等，也存放一些 特殊标志，这部分寄存器用户不能占用。 监控数据表区用来登记被监视的i 0 号的地址。 3 、i o 接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 1 ) 数字接口；主要实现c p u 模板与i o 装置之间数字信号的联系，完成 电平转换、电气隔离，并提供具有足够驱动能力的数字信号。数字模板通常配 有相应的l e d 状态显示器，以利于操作人员监测。数字的i 0 输入信号常常 来自按钮开关、选择开关、行程开关、限位开关以及一些传感器输出的开关量。 数字输出接口电路由数字输出电路和功率放大电路组成，主要作用是向现场输 出相应的控制信号。现场执行部件包括电磁阀、继电器、接触器、电热器和电 机等。 ( 2 ) 模拟量接口：模拟量接口实现可编程控制器与i 0 装置之间的模拟信号 连接。其中输入部分主要完成阻抗匹配、i v 转换、小信号放大、信号滤波以 及a d 转换等功能，以实现将被控对象送出的模拟信号转换成可编程控制器 可以处理的数字信号。输出部分主要完成阻抗匹配、功率放大，把c p u 输出的 数字信号转换成被控对象所需要的模拟信号。 ( 3 ) 智能i 0 接1 3 ：为了满足控制过程中的特殊要求，减少c p u 模板的工 作量各厂家竟相研制了独具特色的智能i 0 模板。智能i 0 模板上设有自 己的微处理器和控制软件，因此可以独立工作。常见的有：高速计数模板，可 以满足计数频率高达1 0 0 k h z 以上的计数要求；具有快速p i d 调节功能的闭环 系统模板，可以对控制系统实施闭环控制：运动控制模板，用来控制物体的位 置、速度和加速度；通信模板，可适合多台可编程控制器间联网，用于与其它 智能设备或计算机之间进行通信。 ( 4 ) 扩展接口：当可编程控制器基本单元的i o 接口不能满足用户工作要 求时，可通过扩展接口进行扩充。 4 ) 编程器 编程器是专门为用户输入和调试应用程序用的。编程器通常有两种形式： 一种是简易编程器，它只能输入和编辑指令码程序，编程器上面有命令输入键、 检查键、运行键及l e d 显示。现场调试时，直接使用电缆与p l c 连接，控制 p l c 的运行。调试完毕也可以取下编程器，使它单独运行；另一种是具有c r t 显示或l c d 显示的较高档的编程器，输入程序时可以输入梯形图，也可以输入 命令码，无论编辑、存储、转换、传输都十分方便。 2 1 。2 可编程控制器的工作原理 可编程控制器的基本结构虽然与一般微型计算机大致相同，但它的工作过 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 程却与微型计算机有很大的差别。可编程控制器采用循环扫描的工作方式。 可编程控制器的控制作用是通过用户的程序来实现的。用户根据控制要求 编写的程序存入从0 0 0 0 h 开始的存储单元中。可编程控制器投入运行后，便进 入了工作过程。该过程可分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输 出刷新阶段。 输入采样阶段：在这一阶段中，可编程控制器以扫描方式，按顺序将所有 输入端的输入信号状态( o n 或o f f ) 读人到输入映像寄存器中寄存起来，叫做对 输入信号进行采样。接着转入到程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状 态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，只能在下一个工作周期的 采样阶段重新刷新。 程序执行阶段：从存放在0 0 0 0 h 单元的第一条指令开始，在无中断或跳转 控制的情况下，按存储器地址号递增的方向顺序逐条执行程序指令，直到结束。 如果程序用梯形图表示，则总是先上后下，先左后右地顺序扫描。每扫描到一 条指令时所需要的输入状态从输入映像寄存器中读出，需要的其它元素状态从 输出映像寄存器中读出。并将执行结果再写入到输出映像寄存器中。 输出刷新阶段：当程序执行完后可编程控制器便进入输出刷薪阶段。此时， 它将输出映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器中，再去 驱动用户设备，这就是可编程控制器的实际输出。 可编程控制器重复执行这三个阶段，每重复一次的时间叫一个扫描周期。 显然扫描周期的长短与用户程序的长短有关。 实际上p l c 的工作过程还包括内部处理和通讯服务两个阶段。p l c 通电 后，首先检查c p u 模板内部硬件是否正常，将监控定时：器( w a c h d o g t i m e o 复位， 完成一些内部其它工作；在通信服务阶段，p l c 与别的智能装置进行通信，响 应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。 当p l c 处于停止运行状态时，只执行以上两步操作，当p l c 处于运行阶 段时，还要完成输入采样、程序执行和输出刷新任务。扫描过程示意图如图2 2 所示。 由于p l c 的扫描工作方式，引起了输人输出响应的滞后现象。以图2 3 为例，其中x o 是输入继电器，用来接受外部的输入信号；y 2 0 0 、y 2 0 l 、y 2 0 2 是输出继电器，用来输出信号给外部负载。图2 3 ( b ) 是输入信号和内部编程元 件状态图。高电平代表编程元件对应的映像寄存器的“1 ”状态，相当于继电器 线圈接通电源；低电平代表“0 ”状态，相当于继电器线圈断电。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( b ) 图2 - 2 扫描过程示意图 在第一个扫描周期的输入采样阶段后，外部输入接点才接通，所以在第一 个扫描周期内各映像寄存器均为“0 ”状态。 在第二个扫描周期的输入采样阶段，x o 的映像寄存器变为“1 ”状态，在 执行阶段，y 2 0 1 继电器的线圈被x o 的接点接通，继电器y 2 0 1 的接点又接通 了y 2 0 2 继电器线圈，y 2 0 1 、y 2 0 2 对应的映像寄存器都变为“1 ”状态。 在第三个扫描周期的程序执行阶段，继电器y 2 0 1 的接点接通y 2 0 0 继电器。 可见，从外部输入信号接点接通到y 2 0 0 驱动的负载接通，响应滞后的时间最 长达到两个多扫描周期。交换第一、二行的位置，y 2 0 0 的滞后时间将减少一个 扫描周期，所以这种滞后和程序的优化设计有关。考虑输入滤波器和输出继电 器动作的滞后效应， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( a ) 艘：广 番| 籍l 篙i 毳l 荐l 蓍 磊l 蓉 警! 第一周期第二周期第三周期 ( b ) 图2 3p l c 输入输出延迟示意图 p l c 输出对输入响应的最大时间约为2 4 个扫描周期，在一般应用场合， 这个问题不十分突出。但是对一些控制时间要求严格、响应速度要求快的闭环 控制系统，必须慎重考虑滞后效应，选用扫描速度快的p l c ，并精心编排程序 来解决。 2 2p l c 的主要性能指标和应用场合 2 2 1p l c 的主要性能指标 1 ) p l c 的基本性能指标 ( 1 ) 用户编程方便简单易行，并在调试时可以很方便地修改程序。 ( 2 ) 系统应用是由插接件或模块拼接而成的，方便用户维护和管理。 ( 3 ) p l c 装置的可靠性明显高于原继电器控制方式，并且p l c 装置的体 积明显小于原继电器控制柜的体积。 ( 4 ) 装置的生产成本低于原继电器控制柜的生产成本，而它的性能高于原 继电器控制柜的性能。 ( 5 ) 可将数据直接输入到管理计算机中，以便用户操作。 ( 6 ) 输入的开关量信号可以高于交流1 1 5 v 的电压信号。 ( 7 ) 输出的驱动信号应该具有交流1 1 5 v 、2 a 以上的容量，即可以直接驱 动电磁阀等执行机构。 ( 8 ) 具有灵活的扩展能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 ( 9 ) 用户的程序容量至少在4 k 以上。 2 ) 特点 ( 1 ) 极高的可靠性 具有较高的抗干扰能力，且能够在比较恶劣的运行环境中( 如高温、过电 压、强电磁干扰等) 长期可靠地运行。 ( 2 ) 用户使用方便 编程和操作方便。 ( 3 ) 维修方便 具有一定的故障自诊断能力和p l c 运行过程的监控能力，因此，在系统出 现故障时，维修人员往往可通过各种异常状态的指示灯或自诊断结果的显示， 比较快地确定故障的位置，以便迅速处理和修复。 ( 4 ) 易于实现机电一体化 p l c 结构紧凑，体积很小，抗震防潮和耐热能力增强，可靠性进一步提高， 能把p l c 安装在每个机器设备内部。与机械设备有机地融合在一起真正做到 机电一体化。 3 ) 特殊功能 数字量l o 模板主要用来实现p l c 的基本控制功能。而各种高性能专用 智能模板，可以实现模拟量控制、精确定位和速度控制，并可以与计算机通信， 处理硬件中断等。它还可以直接使用高级语言进行编程，给用户提供了强有力 的工具。 舢p l c 输出电路连接( 继电器输出) 图2 - 4p l c 输出电路连接 说明： ( 1 ) 由于p l c 的输出电路中没有熔断器，因此每4 点应使用一只5 1 5 a 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 的熔断器，用于防止短路等原因而造成p l c 的烧坏。 ( 2 ) 在直流感性负载的两端并接一个浪涌吸收二极管，将会延长触点的使 用寿命。 ( 3 ) 对正反转接触器这样的负载，应当在p l c 的程序中采取软件联锁 的同时，在p l c 外部也应采取措施。以防止此类负载在两个方向上同时动作。 ( 4 ) 为实现紧急停止，可使用p l c 的外部开关切断负荷。 ( 5 ) 在交流感性负载的两端并接一个浪涌吸收器，可以降低噪音。 2 2 2p l c 的主要应用场合 1 ) 开关量逻辑控制 这是p l c 最基本、最广泛的应用。在有些场合，可以用价格低，仅具有开 关控制功能的p l c 来取代传统的继电器控制系统。如机床电气控制、冲压、铸 造机械、传输带、电梯控制系统，化工生产中各种泵和电磁阀的控制系统，冶 金生产的高炉上料系统，电镀生产线、啤酒罐装生产线、汽车生产线等控制系 统。 2 ) 机械加工中的数字控制 高档的p l c 都具有专用的运动控制模板，p l c 的运动控制功能可广泛地用 于各种机械加工。如金属切削机床、金属成形机、机器人和装配机械等。 3 ) 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制，中、 大型的p l c 都有p i d 子程序或使用专用的p i d 模板。来实现这一功能。 4 ) 通信功能 近期的p l c 都有较强的通信功能。因此，它们都具有很强的联网能力，可 以很容易地实现同位机联网，与上位机联网，组成集中管理、分散控制的自动 化网络系统。 5 ) 数据处理 大型的p l c 都具有很强的数学运算( 包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算 等) 、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集和处 理。因而，使数据处理向柔性制造系统、复杂的过程控制系统发展成为可能。 6 ) 控制变频器 p l c 的输出端子可以直接控制变频器的启动、停止、多段速度运行等，它 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 还可以将变频器的运行状况输送给上位计算机，以便对生产过程进行集中控制。 2 3p l c 的编程方法 p l c 常用的编程语言目前有以下几种：梯形图语言、助记符语言、流程图 语言以及一些高级语言，但目前使用最多的是梯形图语言及助记符语言。因为 p l c 是专门为工业控制而开发的装置，主要使用对象是广大的电气工程技术人 员，为了适应他们传统的编程习惯故而采用面向过程控制的梯形图语言及其 它专用语言。 2 3 1 梯形图语言 梯形图的画法：梯形图的一般格式如图7 _ o 所示。梯形图的基本画法是在 左右两条逻辑电源线之间，按照满足控制要求的一定逻辑关系排列接点和线圈， 接点从左逻辑电源线开始，根据一定的逻辑关系( 可以是一个或多个接点的串并 联) ，然后接到输出线圈或定时器、计数器、移位寄存器、锁存器等。输出线圈 的另一边接到右逻辑电源线上。所有的接点都必须放在输出线圈的左边，而不 图2 5 梯形图的一般格式 能放在右边。输出线圈不能不经过任何接点直接接在两逻辑电源线之间。 由于梯形图编程方法是从继电器控制系统继承而来的，因而它最大限度地 保留了继电器系统的特征。归纳起来，p l c 的梯形图中有四类符号： 接点符号。它们是外部输入元件的接点，如继电器、按钮、行程开关、接 近开关等元件的常开接点与常闭接点及p l c 的内部辅助继电器、输出继电器、 定时器、计数器的常开接点与常闭接点等，用图2 - 6 所示的符号表示。通常可 用字母或i o 地址标注。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 牝扛_ 卜俨 图2 - 6 梯形图中常开和常闭接点的符号 输出符号。所有输出器件的线圈，如内部辅助寄存器、输出继电器的线圈 及电磁阀的线圈等都可以用图2 7 所示的符号表示。定时器、计数器也可以 用类似的符号表示。输出继电器也可以用字母及地址标注。它们有线圈和自己 的接点，表示线圈和接点用的地址和字母相同，只是所用符号不同。 y o c 卜 图2 7 梯形图中输出线圈的符号 数据处理指令符号。可编程控制器的控制功能之所以不同于继电器，除了 可编程外，还在于它采用了微处理器的数据处理指令，从而成为具有很强生命 力的控制器。数据处理指令可以看作是广义的输出线圈，它由一个方框及方框 内的若干条指令组成。在方框前由若干个接点构成逻辑控制关系，当结果寄存 器的内容为“1 ”时，则执行框内指令。其符号如图2 - 8 所示。 卜肖刮 图2 - 8 梯形图中数据处理指令的符号 另外，移位寄存器的符号与之稍有不同，但基本构成类似。 逻辑电源符号。梯形图两边的两根竖线表示假想的逻辑电源。每当一梯级 逻辑运算结果为“l ”。则与真正继电器线圈导通的概念一致，表示输出得电。 2 3 2 梯形图的使用规则 p l c 梯形图的使用应符合以下规则： 每个梯形图是由多个梯级组成，每个线圈可构成一个梯级，每个梯级可由 多条支路组成，每一个梯级代表一个逻辑方程。 梯形图中的继电器不是物理继电器，每个继电器的线圈和接点都是p l c 存 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 储器中的一位。当相应位为“1 ”状态时。则表示梯形图中对应继电器的线圈“通 电”，其常开接点接通，同时常闭接点断开。如果相应位为“0 ”状态，则对应 的继电器的线圈和接点的状态与上述情况相反。 梯形图中流过的电流不是物理电流，而是“概念电流”，是用户程序运算结 果满足输出执行条件的形象表示。“概念电流”只能从左向右流。 梯形图中同一标识的继电器接点，无论是常开接点还是常闭接点，在编制 用户程序时都可以无限次地引用。 梯形图中的输入接点和输出线圈不是物理接点和线圈，用户程序的运算根 据是p l c 的输入和输出映像寄存器中的内容，而不是运算时的现场的开关状 态。 梯形图中用户逻辑运算结果，可以立即被后面的用户程序的运算所引用。 输出线圈只对应输出映像寄存器的相应位，它不能直接驱动现场的执行元 件，该位的状态必须通过i o 模板上对应的输出晶体管、继电器、双向可控 硅等功率器件，才能驱动现场执行元件。 p l c 的内部继电器线圈不能做控制用，它们只能存放一些逻辑控制的中间 状态。 不可编程的回路。在实际线路中有些硬件的连接很容易实现，但若用p l c 编程时，则必需作一些改动，如图2 - 9 ( a ) 的线路尽管简单，但必须画成图2 - 9 ( b ) 的形式才行。 宣盈冒 ( 。) ( b ) 图2 - 9 采用p l c 编程时的线路画法 在复杂线路的编程中。为了节省用户程序存储区，对一些复杂的串并联线 路，如果梯形图的安排合理，可节省编程语句。为此一般可采用两个基本原则， 即串联接点多的支路安排在梯形图的上面；并联接点多的电路放在梯形图的左 边。如图2 - l o ( a ) 可变换成图2 1 0 ( b ) 。 双线圈输出的问题