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1、 江苏徐州机电工程高等职业学校 06 届高职毕业设计（论文） 第 0 页一一 、课题背景、课题背景随着科技的进步，工业生产中的自动化程度越来越高。电机的使用也越来越普遍。由于普通直流电机结构的局限性，从而使交流电机的得到了生产中的大量运用。交流电机中三相异步电机凭借它诸多优点更是广泛的应用在生产过程中！然而电机调速问题日趋重要。三相异步电机的调速有变级调速，改变转差率调速和变频调速。变级调速是有极调速，转速不能连续变化，并不能满足各种生产的需要。改变转差率调速有消耗能量多，不经济等缺点。而变频器有调速范围大，机械特性硬，转速可以平滑改变等优点。使其在生产过程中得到了广泛的运用！二、课题概述二、
2、课题概述通过变频器控制三相异步电机的转速。再通过 PLC 控制变频器的通与断从而能够控制电机的启停，正反转和运行的时间。变频器电机的调速方式有很多种，可以通过变频器调速面板基本操作，控制端口开关操作，模拟信号操作和多段固定频率操作。运用 PLC 可以控制变频器的开关量的输入与否来控制了变频器，最终实现的对电机转速的调整。PLC 的应用可以实现自动化的控制。避免看人的手动操作，实现了生产过程的自动化！三三 PLCPLC（可编程控制器）（可编程控制器）3.13.1 PLCPLC 简介简介PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型
3、工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： PLC 英文全称 Programmable Logic 江苏徐州机电工程高等职业学校 06 届高职毕业设计（论文） 第 1 页Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC 是可编程逻辑电路，
4、也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC 。 “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ” 3.23.2 PLCPLC 基础知识基础知识 PLC 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作
5、的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。3.33.3 PLCPLC 的特点的特点 3.3.13.3.1 可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之
6、一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 3.3.23.3.2 配套齐全，功能完善，适用性强配套齐全，功能完善，适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各江苏徐州机电工程高等职业学校 06 届高职毕业设计（论文） 第 2 页种数字控制领域。近年来 PLC
7、的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 3.3.33.3.3 易学易用，深受工程技术人员欢迎易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 3.3.43.3.4
8、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 3.3.53.3.5 体积小，重量轻，能耗低体积小，重量轻，能耗低 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 3.43.4 PLCPLC 的构成的构成 从结构上分，PLC 分为固定式和
9、组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.4.13.4.1 CPUCPU 的构成的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，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，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，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，从用户程序存贮器中逐条
10、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，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 江苏徐州机电工程高等职业学
11、校 06 届高职毕业设计（论文） 第 3 页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，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 3.4.23.4.2 I/OI/O 模块模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI） ，开关量输出（DO） ，模拟量输入（AI） ，模拟量输出（AO）等模块。 常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有2
12、20VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 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。 3.4.33.4.3 电源模块电源模块 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
13、作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或110VAC） ，直流电源（常用的为24VDC） 。 3.4.43.4.4 底板或机架底板或机架 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，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。整体式 PLC 组成示意图江苏徐州机电工程高等职业学校 06 届高职毕业设计（论文） 第 4 页3.53.5 PLCPLC 的应用领域的应用领域 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下
14、几类。 3.5.13.5.1开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 3.5.23.5.2模拟量控制模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用
15、于模拟量控制。 3 3.5.3.5.3运动控制运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 3.5.43.5.4过程控制过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模
16、块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 3.5.53.5.5数据处理数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 3.5.63.5.6通信及联网通信及联网 江苏徐州机电工程高等职业学
