PLC與變頻調(diào)速、伺服控制系統(tǒng)課件

第4講

PLC與變頻調(diào)速、伺服控制系統(tǒng)測(cè)控工程與儀器教研中心一、可編程控制器PLC在制造業(yè)和過(guò)程控制中，除了模擬量之外，還有大量的以開(kāi)關(guān)量為主的邏輯和流程順序控制，要求控制系統(tǒng)按照一定的邏輯條件和一定的順序產(chǎn)生控制動(dòng)作。早期的工業(yè)控制邏輯由繼電器實(shí)現(xiàn)。繼電器的串聯(lián)、并聯(lián)、自鎖互鎖可以實(shí)現(xiàn)與、或、非、觸發(fā)器邏輯。類(lèi)似于數(shù)字電路，可以構(gòu)成邏輯與時(shí)序控制系統(tǒng)。繼電器邏輯的缺點(diǎn)是連接復(fù)雜、笨重、速度慢、可靠性與壽命不高PLC無(wú)觸點(diǎn)免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便硬件配套齊全，用戶(hù)使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)編程簡(jiǎn)單，容易掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少維修工作量小，維護(hù)方便體積小，能耗低.

可編程控制器的特點(diǎn)PLC與“繼電器”從實(shí)現(xiàn)技術(shù)的角度看PLC本身是一種計(jì)算機(jī)微處理器系統(tǒng)。從PLC產(chǎn)生的背景看，PLC與繼電器、接觸器有著極深的歷史淵源。一個(gè)邏輯控制系統(tǒng)包括三個(gè)部分：輸入、邏輯運(yùn)算部分與輸出部分。繼電器邏輯依靠觸點(diǎn)、線包之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能。而PLC采用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)處理邏輯關(guān)系。PLC所使用的梯形圖語(yǔ)言是一種模仿繼電器連接關(guān)系與動(dòng)作行為的語(yǔ)言。用PLC實(shí)現(xiàn)相同的功能梯形圖語(yǔ)言：LDX401ORX431ANIX403ANIY431OUTY431PLC的編程語(yǔ)言梯形圖語(yǔ)言是使用最廣泛的PLC編程語(yǔ)言。目前都支持圖形化的編輯與仿真。采用布爾邏輯代數(shù)符號(hào)的功能塊圖語(yǔ)言FDB順序功能圖SCF語(yǔ)言機(jī)構(gòu)文本（ST）某些高端PLC有自己專(zhuān)用的C語(yǔ)言或其他高級(jí)語(yǔ)言PLC的指令集、助記符、功能隨不同廠家、不同檔次而不一致。參考具體型號(hào)的使用手冊(cè)PLC的性能指標(biāo)各個(gè)廠家的PLC產(chǎn)品雖然各有特色，但是總體上均可以用以下幾個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)1.I/O點(diǎn)數(shù)。習(xí)慣用“點(diǎn)”表示一個(gè)輸入或輸出通道。IO點(diǎn)數(shù)越多的PLC，能夠處理越多的輸入或輸出邏輯。2.掃描速度。宏觀的看，PLC內(nèi)部虛擬的繼電器都是并行、同時(shí)工作的。但是微觀上看，CPU在處理輸入輸出邏輯時(shí)，仍然是串行處理的。處理速度越快實(shí)時(shí)性越好。一般用1000點(diǎn)的掃描時(shí)間(ms/k)來(lái)表示掃描速度性能。國(guó)內(nèi)主流應(yīng)用的PLC廠家與型號(hào)1.西門(mén)子S7-200、300、400系列S7-200PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7-200PLC可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)與8種CPU可供選擇使用S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿(mǎn)足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6~0.1μs）的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比較有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算。通訊功能強(qiáng)大S7-400是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。采用模塊化無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，可靠耐用，同時(shí)可以選用多種級(jí)別（功能逐步升級(jí)）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶(hù)能根據(jù)需要組合成不同的專(zhuān)用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或升級(jí)時(shí)，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０澹隳苁瓜到y(tǒng)升級(jí)和充分滿(mǎn)足需要。西門(mén)子PLC左上：三菱PLC右上：歐姆龍PLC左下：臺(tái)達(dá)PLCPLC的人機(jī)界面早期的PLC都是功能固定的邏輯操作，沒(méi)有人機(jī)界面。隨著功能的復(fù)雜，PLC的許多變量或參數(shù)需要顯示出來(lái)或需要人工輸入。出現(xiàn)了為PLC專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的人機(jī)界面（HMI），通過(guò)專(zhuān)用通信接口或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC或測(cè)控系統(tǒng)的總線連接，獲取PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)，或設(shè)定PLC的參數(shù)。簡(jiǎn)單的HMI一般具有液晶屏和按鍵，可以查閱和輸入數(shù)值信息。中高檔的HMI具有高分辨率或彩色LCD并配有觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)各種圖形接口，或者可以作為DCS系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)操作站。各種HMI加工業(yè)、過(guò)程控制等連續(xù)過(guò)程的控制適合采用DCS，而PLC較適合制造業(yè)、流程工藝等離散過(guò)程的控制。目前，DCS和PLC都在不斷擴(kuò)大自己的應(yīng)用領(lǐng)域。例如DCS系統(tǒng)可以使用遠(yuǎn)程IO模塊來(lái)采集并處理開(kāi)關(guān)量，PLC可以配備模入模出模塊采集并輸出模擬量，甚至高端PLC具有PID調(diào)節(jié)等回路調(diào)節(jié)功能。二者部分功能已經(jīng)融合。目前以及今后，大部分控制系統(tǒng)會(huì)采用DCS和PLC融合的結(jié)構(gòu)。DCS完成參數(shù)整定、測(cè)量、回路調(diào)節(jié)功能，PLC完成邏輯、流程、工藝過(guò)程等控制二、變頻調(diào)速器工業(yè)控制系統(tǒng)中，不可避免需要機(jī)械動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)是最廣泛使用的機(jī)械動(dòng)力之一。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與供電方式，分為直流永磁/勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)等。交流異步電機(jī)主要用于動(dòng)力。直流電機(jī)、同步電機(jī)一般用于伺服控制、無(wú)刷電機(jī)一般用于長(zhǎng)壽命高可靠的應(yīng)用。作為動(dòng)力源，很可能需要調(diào)整速度。交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本由三相交流電頻率決定。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子并無(wú)外部供電。定子上的三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子線圈中產(chǎn)生電流，該電流在轉(zhuǎn)子線圈中產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)必然存在速度差，否則轉(zhuǎn)自中將無(wú)電流。負(fù)荷越重，速度差越大。速度差異的比例叫做“轉(zhuǎn)差率”。功率電機(jī)中，一般轉(zhuǎn)差率都較小，因此轉(zhuǎn)速基本靠三相交流電的頻率（角速度）決定。左：大功率立柜式變頻器右：中小功率變頻器變頻器的原理三相交流電先被整流成直流電。再經(jīng)過(guò)三相斬波（六相橋電路）逆變成三相交流功率輸出。由SPWM調(diào)制器產(chǎn)生不同頻率的正弦脈寬調(diào)制波形，控制斬波電路工作?？梢詫⒁唤MPLC的輸出端子接到變頻器的速度選擇端子上，通過(guò)輸出組合來(lái)選擇速度。這種方式最簡(jiǎn)單，用低端的PLC和變頻器即可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是速度切換是離散的，可選的速度數(shù)目有限。高端的變頻器一般都具有通訊接口或現(xiàn)場(chǎng)總線接口。對(duì)于同一廠家的PLC/變頻器來(lái)說(shuō)，通訊規(guī)約一般是相同的，而且PLC會(huì)具有相應(yīng)專(zhuān)用的通訊指令。對(duì)于不同廠家的系統(tǒng)，可以使用PLC的“無(wú)規(guī)約”通訊方式（自由通信方式），根據(jù)變頻器的通訊協(xié)議，編制相應(yīng)的通訊程序。變頻器與PLC、伺服系統(tǒng)共同控制生產(chǎn)過(guò)程的例子例：用臺(tái)達(dá)ES系列PLC控制松下變頻器輸出43.5Hz的頻率。兩者不是同一廠家的產(chǎn)品，查看說(shuō)明書(shū)上通訊規(guī)約，前者采用Modbus，后者采用自己專(zhuān)用的協(xié)議。只能用無(wú)協(xié)議模式自己編寫(xiě)通訊程序。查閱松下VFOC變頻器通訊協(xié)議：寫(xiě)：%[站號(hào)]#WD[功能號(hào)][起始地址][結(jié)束地址][數(shù)據(jù)][XOR]\CR讀：%[站號(hào)]#RD[功能號(hào)][起始地址][結(jié)束地址][XOR]\CR如果寫(xiě)正確，返回：%01$WD[XOR]\CR如果讀正確，返回：%01$RD[數(shù)據(jù)][XOR]\CR在松下VF0C系列變頻器中，站號(hào)默認(rèn)為01，通訊格式為9600、N、8、1，通訊方式是ASCII方式，十六進(jìn)制數(shù)據(jù)也全部轉(zhuǎn)換為ASCII碼。設(shè)定頻率的地址是DT237，而讀設(shè)定頻率的地址為DT133，而且在DT237和DT133的數(shù)據(jù)都是以0.01Hz為單位的.因此，要設(shè)定43.5Hz頻率需要向DT133寄存器寫(xiě)4350（10FEH）.由于串口是式為8位模式，該款變頻器規(guī)定應(yīng)從低位開(kāi)始寫(xiě)入，那么應(yīng)該先寫(xiě)FE后寫(xiě)10。校驗(yàn)碼是把從起始碼到數(shù)據(jù)碼所有的字節(jié)進(jìn)行異或所得。XOR：%01#WDD0023700237FE10=52（HEX）得出以下所有通訊格式碼：%01#WDD0023700237FE1052\CR把這些數(shù)據(jù)依次從PLC串口發(fā)出至變頻器，就可以將43.5HZ寫(xiě)入到變頻器設(shè)定頻率單元DT237中編制發(fā)送上述數(shù)據(jù)字串的梯形圖程序目前大廠商的變頻器/PLC之間通訊協(xié)議互不兼容。所以盡量選擇同一廠家產(chǎn)品，利用廠家自己的專(zhuān)用指令，以簡(jiǎn)化編程工作，減少兼容性問(wèn)題。一些第三方廠家的變頻器/PLC系統(tǒng)因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)實(shí)例較弱，反而會(huì)選擇一種通用協(xié)議（例如Modbus）以爭(zhēng)取市場(chǎng)，它們之間反而有較強(qiáng)的兼容性。三、伺服控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)專(zhuān)指被控制量是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)。其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角、速度等）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角、速度等）指令。伺服系統(tǒng)是反饋系統(tǒng)中的一種。一般選用測(cè)速電機(jī)、編碼盤(pán)、光柵尺等作為反饋元件，控制精度很高。工業(yè)中，采用伺服系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個(gè)目的：①以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載。②在沒(méi)有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。③使輸出機(jī)械位移精確地定位，并受程序的控制。伺服系統(tǒng)的組成工業(yè)系統(tǒng)中，一個(gè)完整的伺服控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部件構(gòu)成1.伺服電機(jī)或伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。是最終的執(zhí)行元件和動(dòng)力輸出部件。2.反饋元件。一般由電機(jī)尾部的編碼盤(pán)、絲杠上的光柵尺、測(cè)速電機(jī)等形式。3.伺服控制器。提供大功率電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。同時(shí)采集反饋信息，及時(shí)調(diào)整執(zhí)行動(dòng)作，消除誤差。目前一般由DSP為核心。4.指令機(jī)構(gòu)。向伺服控制器發(fā)出速度、位移、轉(zhuǎn)角等動(dòng)作指令。各種伺服電機(jī)各種反饋元件。編碼盤(pán)、光柵尺、測(cè)速電機(jī)伺服控制器典型的伺服控制系統(tǒng)一般控制器都有速度閉環(huán)模式與位置閉環(huán)模式。速度閉環(huán)模式下，一般用模擬量輸入速度指令。位置閉環(huán)模式下，一般由脈沖數(shù)作為位置指令。伺服系統(tǒng)與PLC的連接

PLC可以作為很理想的伺服系統(tǒng)指令機(jī)構(gòu)與PLC連接時(shí)，伺服系統(tǒng)一般工作在位置閉環(huán)模式下。通過(guò)PLC內(nèi)部的計(jì)數(shù)器輸出脈沖，控制脈沖數(shù)量即可控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角或最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移通過(guò)PLC內(nèi)部的定時(shí)器，周期性輸出脈沖，可以控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變脈沖周期實(shí)際上就能改變轉(zhuǎn)速。PLC一般都用該方法調(diào)速，而不用速度模式（因?yàn)镻LC難以處理模擬量）。通過(guò)脈沖的有