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1、起重机变频调速控制系统的设计摘要起重机作为物料搬运系统中一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛作用显著，因此对于提高起重机的运行效率，确保运行的安全可靠性，降低物料搬运成本是十分重要的。传统的起重机控制系统主要采用继电器接触器进行控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，这种控制系统存在可靠性差，操作复杂，故障率高。电能浪费大，效率低等缺点。因此对起重机控制系统进行研究具有现实意义。本文针对起重机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于桥式起重机控制系统上，并进行了较深入的研究。首先根据起重机的运行特点，研究了起重机的控制系统及其组成。其次实现了变频器的参数设置、电机的启动
2、和停止及其系统故障报警。PLC系统通过采用SIEMENS S7-200来控制起重机大车、小车的运行方向和速度换挡，吊钩的升、降方向及速度换挡，检测各个电机故障现象。减少了传统继电-接触式控制系统的中间环节。减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。关键词：起重机；可编程控制器；变频调速Design of Frequency Control System In CraneABSTRACTThe crane carries a kind of typical equipment in the supplies system，so it have extensive function in
3、 the activity of producing enterprise,so it is important to improve the crane operational eficiency,guarantee the safe reliability to be operated, reduce the cost of the supplies carrying.But the traditional crane control system mainly adopts relay and contactor to control crane，adopt the methods of
4、 wire winding bunch of resistance to start and adjust speed of motor，the control system have many disadvantages,for example: dependability is bad, it is complicated to operate, fault rate is high. the electric energy is wasted greatly,efficiency is low.Carrying on the research to the rane control sy
5、stem has realistic meanings, To the question that exist in the crane control system，the paper apply programmablecontroller and frequency converter on control system of bridge crane，have carried on deeperresearch.in relevantre spects. First of all cranes operating in accordance with features of the c
6、ontrol system of the crane and its components. Converter followed by a set of parameters, start and stop the motor and system failure alarm. PLC system through the use of SIEMENS S7-200 to control the crane, the operation of car direction and speed shift, the hook up, down-shift direction and speed,
7、 all the electrical fault is detected. Reduce the traditional relay - touch the middle part of control system. A reduction of the hardware and the line of control has greatly improved system stability, reliability.Keywords: cranes;programmable controllers;Frequency Control目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1传统起重机
8、控制系统存在的问题11.2起重机电气传动技术的国内外发展概况11.3本课题的研究意义及主要内容32矢量控制变频调速52.1变频调速的基本原理52.2变频器的基本结构62.2.1 变频器的主电路62.2.2 变频器的控制电路构成73变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型93.1桥式起重机系统简介及起重机基本数据93.1.1桥式起重机的构造93.1.2各机构组成和特点93.2本系统总体方案设计93.3系统的部件设计103.3.1电机的选用103.3.2变频器的选用124 可编程序控制器在桥式起重机变频控制系统中的应用164.1 PLC概述及其系统组成164.1.1 PLC概述164.1.2
9、PLC的系统组成与各部分的作用164.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点174.2.1 PLC系统选型一SIEMENS S7-200174.2.2 Siemens S7-200系列PLC特性174.2.3 Siemens S7-200 PLC的工作原理194.3变频调速起重机控制系统设计204.3.1系统控制的要求204.3.2控制系统的I/O点及地址分配204.3.3 PLC配置224.3.4电气控制系统原理图225桥式起重机变频调速系统软件设计245.1 PLC程序设计245.1.1 PLC编程软件概述245.1.2 程序设计245.2系统抗干扰措施28结论29致谢30参考文献31附录
10、321绪论1.1传统起重机控制系统存在的问题起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展，我国起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了起重机的技术进步。传统起重机的调速系统存在的问题：(1)传动性能差(2)可靠性差 (3)增加能耗 (4)增加使用维修成本(5)危险性也比较高。传统的起重机驱动方案一般采用：(1)直接起动电动机；(2)改变电动机极对数调速；(3)转子串电阻调速；(4)涡流制动器调速；(5)可控硅串级调速；(6) 直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速：起
11、动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于0.20.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽各服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。1.2起重机电气传动技术的国内外发展概况国外发达国家的起重机，很多都采用变频调速系统控制。即使在发展中国家的比例也比较高。
12、我国虽然近几年对传统的起重机控制系统进行了一些变频调速系统改造，并且很多起重机生产厂家开始采用变频调速系统，但绝大部分用户仍然使用传统的“绕线式电动机转子串电阻调速系统”方式，电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机一电机系统。从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。从交流驱动来讲，常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制
13、动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能：l.DC-300直流驱动调速系统：GE公司DC-300,DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到4000HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。2.交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在二十世纪六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前
14、，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。3.变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全
15、力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国SIEMENS,美国GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展己完成了产品系列化上市，对“变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与
16、完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。1.3 本课题的研究意义及主要内容本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电一接触器控制，这种控制系统的主要缺点有：1.起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。2.继电一接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。3.转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的
17、迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。本论文以20/5t*19.5m通用桥式起重机为研究对象，研究了变频调速技术在起重机中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了桥式起重机变频调速系统。本论文的主要内容分
18、为如下四个部分：(1)矢量控制变频调速原理即本论文的第二章，它首先介绍变频调速的基本原理，然后介绍了变频器的基本结构，即变频器的主电路和控制电路构成。为下一步部分的起重机变频控制系统提供了理论基础。(2)变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型即本论文的第三章，起重机变频调速控制系统主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统)，变频器等组成，并选择系统各主要组成部分。(3)可编程序控制器在桥式起重机变频控制系统中的应用即本论文的第四章，它首先介绍了PLC原理、系统组成及其各部分的作用，然后论述本系统中PLC的选取，采用Siemens公司S7-200型PLC，最后介绍控制系统的构
19、成。(4)桥式起重机变频调速系统软件设计即本论文的第五章，主要是系统的PLC程序设计。它根据控制系统的要求对PLC进行编程。2矢量控制变频调速2.1 变频调速的基本原理异步电动机的转速公式： （2.1）式中：为电动机的转速；为电动机定子的频率；为电动机定子的绕阻的磁极对数；为转差率。 在异步电动机的极对数p和转差率s一定的情况下，只改变异步电动机的供电电源频率，就可以实现对异步电动机的调速。但当供电电源频率小于电动机的额定工作频率内变化时，因端电压（式中：E1感应电动势、供电电源频率、w-串联匝数、 k-绕组系数、电机的磁通），只有维持U/f为常数，才能保证电机的磁通不变，保证电动机的性能不变
20、。而当供电电源频率大于电动机的额定工作频率时，电动机转速超过额定转速，若仍维持U/f为常数，端电压U将超过电动机额定电压，这是不允许的，因此，在实现额定转速以上的调速时，应保持电源电压不变并为额定值，仅使供电电源频率增加，电动机磁通将减少，输出转矩也将随之下降，而输出功率近似恒定。 起重机变频调速方式一般采用U/f控制方式、矢量控制方式及直接转矩控制方式。其中起重机的起升机构一般采用闭环的矢量控制方式或闭环的直接转矩控制方式，而移动机构一般开环的U/f控制方式或开环的矢量控制方式。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型分别控制电机的转矩电流和励磁电流，具有与直流电动
21、机相类似的控制性能。 直流电动机具有两套绕组：励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的、在空间上互差90，两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制，系统具有良好的静、动态性能。而异步电动机虽然有两套多相绕组，定子绕组和转予绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，在定子绕组中流过定子电流。转子绕组虽然流过电流，但它是通过电磁感应在转子绕组中产生的感应电流，并将从定子侧得到的电磁能量转变为机械能供
22、给负载。因此异步电动机的定子电流包括两个分量：励磁电流分量和转子电流分量。由于励磁电流是异步电动机定子电流的一部分，很难象直流电动机那样仅仅控制异步电动机的定子电流达到控制电机转矩的目的。事实上，异步电动机所产生的电磁转矩和定子电流并不成比例，定子电流大并不能保证电机的转矩大。例如，异步电动机起动时，定子电流几乎是额定电流的57倍，但起动转矩仅仅是额定转矩的0.81.2倍。 但是，根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制。2.2变频器的基本结构 图2.1 变频器结构图2.
23、2.1 变频器的主电路(1)电力电子开关器件电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管(GTR)，功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成电路(SPIC)，高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管发展到PID, PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件.在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器
24、件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。(2)整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，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源能够得到质量较高的直流电源。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它辅助电路。(3)逆变电路逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电
25、路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动机是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。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。2.2.2 变频器的控制电路构成包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路（如图2.2所示）以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制
26、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完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。图2.2 变频器的外部接口电路3变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型3.1桥式起重机系统简介及起重机基本数据3.1.1 桥式起重机的构造起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处用作物料搬运设备，为此要求它高效，灵活，安全可靠。本课题研究的起重机是电动双梁桥式起重机，该起重机由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。机构主要指主起升机构、副起升机构、小车运行机构、大车运行机构。在电气控制系统中，其供电一般是通过电缆卷筒将电源输送到
27、中心电器上，起重机机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气房内，安全保护装置装在在适当的位置上。3.1.2各机构组成和特点起升机构是用来实现货物的升降，它通常由驱动装置、钢丝绳卷绕系统和取物装置三部分组成。此外，根据工作需要还可以装设各种辅助装置，如高度限位器，超载限位器等。运行机构的作用是使起重机运行部分作来回运动，以达到在水平面内运移货物的目的。以下是本课题桥式起重机基本参数：该机的起重量为20/5 t，其跨度(L)为19.5 m， 小车起升速度为15 m/min，大车起升速度为7.5 m/min，小车运行速度为45 m/min，大车运行速度为75 m/min。3.2本系统总体方案
28、设计控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变频调速。由于各机构的特点不同，对调速要求也不相同。桥式起重机变频调速系统主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统)、变频调速系统组成。系统结构图如图3.1。工业触摸屏 PLC变频器变频器变频器PG卡变频器PG卡大车两台电机小车电机副钩电机旋转编码器主钩电机旋转编码器两台制动器制动器制动器制动器图3.1 桥式起重机变频调速系统组成1起升机构主起升和副起升两台电机各使用一个变频器。变频器的选择，应以选择变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流、负载率、变频器运行的效率为依据，通过计算，变频器的额定电流一般为电动机额定电
29、流的1.2倍以上。控制方式选用带PG的矢量控制方式。PLC接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。2运行机构大车运行机构两台电机用一个变频器,考虑到运行机构的工作频率较少，为节省成本，在调速中运行机构共用一台变频器，变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据,通常选额定功率大一级的变频器。控制方式选用v/f的变频控制方式。3.3系统的部件设计3.3.1电机的选用一、变频调速对电机的要求采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随
30、着高开关频率的IGBT等电力电子器件的使用、PWM调制、矢量控制、增强型V/f控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。同时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。二、变频起重机系统中电机的选型起重机起升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续率在60%以下，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致,
31、在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。三、电机起动转矩及电机运行的功率因数起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故电机容量电机容量为 (3.1)式中：为电机平均起动起动转矩倍数。若使电机在额定转速下接近满载运行，且能承受电网电压的波动，并通过1.1倍试验载荷，则要求电机的过载力矩倍数大于1.5倍，或适当增加加速时间，减少加速功率。对每小时作20多个循环的起重机来讲，运行机构的加速时间可在510 s调整，有利于机构的平稳运行。起重机起升机构的负荷特点是起动时间短(13 s)，只占等速运动时间的较少比例;转动
32、惯量较少，占额定起升转矩的10%20%。其电机容量P为 （kW） (3.2)式中：为起重机额定提升负载，kg；为额定起升速度 ，m/s；为重力加速度 ，= 9.81 m /s；为机构总效率。为使电机提升1.25倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于2,否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。通过利用上述公式的计算，选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表3.1。表3.1 桥式起重机各执行机构的电机参数电机型号电机功率，kW主起升机构YZR250M1-830副起升机构YZR200L-815大车运行机构YZR160M1-62*5.5小车运行机构YZR1601-
33、65.5各机构电机启动调速方式说明如下：起升机构：起升、开闭机构的两台电机分别采用各自独立的变频调速器。其控制方式为带PG矢量控制方式。它具有稳定性好，对急加、减速负载变化有较好的响应特性。运行机构：行走机构变频器采用V/F控制方式驱动，这样做一方面简化了电路，另一方面又可降低成本。只是上述机构在运行中不能同时作业。3.3.2变频器的选用1变频器选型起重机各机构负载为恒转矩负载，普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器，如日本的安川，三菱，富士，德国的西门子及丹麦的丹佛斯等。其中本系统选用西门子变频器，西门子变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。2变频器容量
34、选择(1)起升机构起升机构平均起动转距一般来说可为额定力矩值的1.31.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距必须有1.82倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量(Yz型电机)或同时提高变频器和电机容量(Y型电机)来获得200%力矩值。此时变频器容量为 (kVA) (3.3)式中：为电机的功率因数，；为起升额定负载所需功率，kW；为电机效率，；-变频器容量，kVA；-系数，。起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量
35、，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下: (3.4)式中：为变频器额定电流，A；为电机额定电流，A(2)运行机构当运行电机在300 s内有小于60 s的加速时间的并且起动电流不超过变频器额定位的1.5倍时变频器容量可按下式计算： (3.5)式中：为电流波形补偿系数，PWM方式；为负载转距，Nm；为总转动惯量对电机轴的折算值，kgm；-加速时间，s；-电机额定转速，r/min当运行电机在300 s内电机有大于60 s加速时间时，变频器容量按下式取值 (kVA) (3.6)电流验证：以上公式均以负载功率作为变频器容量计算的基本参数不同的额定电流。故最终尚需验
36、证电机和变频器额定电流，即，通过利用上述公式的计算，改造后的桥式起重机各执行机构的变频器如表3.2所示。表3.2 桥式起重机各执行机构的变频器型号变频器型号额定功率,kW/电流,A主起升机构6SE70272-ED6137/48副起升机构6SE70274-7ED6122/47大车运行机构6SE6440-2AD3115/30小车运行机构6SE6440-2AD255.5/11.6(3)变频器主要参数设置首先将所用电机铭牌数据输入P80-P85，大车变频器应输入几个电机的总电流及总功率，并且大车变频器带有几个电机时应运行于线性频率/电压特性，速度变化采用固定频率的迭加，同时利用变频器的制动器接通、断开
37、功能由RL2输出继电器触点控制机械制动器，使行走机构在电机停止时不会由于外力而随意移动。如表3.3参数号参数值说明：表3.3 参数号参数值说明参数号参数值说明P0026加减时间 秒P0036减速时间 秒P00551档速度P0063附加数字给定P0070开关量输入控制P0516固定频率5开关P0526固定频率4开关P0536固定频率3开关P05410故障复位P0551运行右转P03562运行左转P0465固定频率5P04415固定频率4P04325固定频率3P0616故障P0624外部制动控制P0770v/f特性（大车多电机）P0771FCC特性（小车单电机）4 可编程序控制器在桥式起重机变频控
38、制系统中的应用4.1 PLC概述及其系统组成4.1.1 PLC概述可编程程序控制器(ProgrammableController)，其早期主要应用于开关量的控制，现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC自问世以来，经过多年的
39、发展，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗、体积减少，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便.而且远程UO和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展，所有这些已经使PLC应用于连续生产的过程控制系，使之成为最受欢迎的工业控制类产品。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。4.1.2 PLC的系统组成与各部分的作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，P
40、LC可分为整体式和组合式。整体式PLC是将中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相连.装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m无论哪种结构类型的PLC，都可以根据
41、需要进行配合与组合。它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。4.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点4.2.1 PLC系统选型一SIEMENS S7-200目前PLC使用性能较好的SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司，根据性价比的选择，根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。SIMATIC S7-200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络。同时它具有
42、功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。4.2.2 Siemens S7-200系列PLC特性1S7一200系列PLC介绍S7- 200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、
43、机械、机床等领域。S7-200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性，良好的通信能力，丰富的扩展模块。2Siemens S7一200主要功能模块介绍(1) CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*，它具有如下五种不同的结构配置的CPU单元。 CPU221 它有6输入/4输出，I/O共计10点。无扩展能力，程序和数据存储容量较小 ，有一定的
44、高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。 CPU222 它有8输入/6输出，I/O共计14点。和CPU221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。 CPU224 它有14输入/10输出，I/O共计24点。和前两者相比，存储容量扩大了一倍 ，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。 CPU226 它有24输入/16输出，I/O共计40点，和CPU224相比，增加了通信口的数量 ，通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统 。 CPU226XM 它在用户程序存储容量
45、和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同 。(2) I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展，I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。典型的数字量I/O扩展模块有:输入扩展模EM221有两种:8点DC, 8点AC输入;输出扩展模块EM222有三种:8点DC晶体管输出，8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM2323有六种:分别为4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)DC输出、4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)继电器输出。(3) 功能扩展模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主
46、机可以扩展特殊功能模块.如要求进行PROFIBUS-DP现场总线连接时，就需要EM277 PROFIBUS-DP模块，在这里主要介绍模拟量输出模块EM232和模拟量输入模块EM231。 EM232模块提供了有2输出模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多输入，输出信号范围。其内部集成了D/A转换器、放大器等多种功能的电路，可用于复杂的控制场合。它能够不用外部放大器而与传感器直接相连，可根据输出模拟量的大小，通过其外置的DIP开关选择不同的档位及分辨率，且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。 EM231模拟量输入扩展模块提供了4.12位模拟量输入的功能。其内部集成了A/D转换器、放大器等多种功能的电路，有很强的抗干扰性，可用于复杂的控制场合，它能够不用放大器而与传感器直接相连，有4输入模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多种输入、输出信号范围。4.2.3 Siemens S7-200 PLC的工作原理各种PLC具体工作原理大同小异都采用扫描工作方式，SiemensS7一200PLC的工作过程：
