《LC与变频调速、伺服控制系统.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LC与变频调速、伺服控制系统.ppt（44页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第 4 讲 PLC与变频调速、伺服控制系统,主讲：谢楷 西安电子科技大学机电工程学院测控工程与仪器教研中心,一、可编程控制器PLC,在制造业和过程控制中，除了模拟量之外，还有大量的以开关量为主的逻辑和流程顺序控制，要求控制系统按照一定的逻辑条件和一定的顺序产生控制动作。早期的工业控制逻辑由继电器实现。继电器的串联、并联、自锁互锁可以实现与、或、非、触发器逻辑。类似于数字电路，可以构成逻辑与时序控制系统。,继电器逻辑的缺点是连接复杂、笨重、速度慢、可靠性与寿命不高,随着微处理器的出现，可以很方便的处理逻辑与时序。人们希望设计一种以微处理器为核心、可软件编程、能够现场修改、高可靠性、小体积、且与传
2、统继电器逻辑具有兼容性的工业控制产品，以替代庞大笨重的继电器柜。这种控制装置后来发展成为PLC。PLC=Programmable Logic Controller 中文名称为可编程控制器,PLC,无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强 通用性强，控制程序可变，使用方便硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强编程简单，容易掌握 系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维护方便体积小，能耗低.,可编程控制器的特点,PLC与“继电器”,从实现技术的角度看PLC本身是一种计算机微处理器系统。从PLC产生的背景看，PLC与继电器、接触器有着极深的历史渊源。一个逻辑控制系统包括三个部分：输入、逻辑运算部分与
3、输出部分。继电器逻辑依靠触点、线包之间的关系来实现逻辑功能。而PLC采用计算机软件来处理逻辑关系。PLC所使用的梯形图语言是一种模仿继电器连接关系与动作行为的语言。,例：一个简单的继电器控制系统,用PLC实现 相同的功能,梯形图语言：LD X401OR X431ANI X403ANI Y431OUT Y431,PLC的编程语言,梯形图语言是使用最广泛的PLC编程语言。目前都支持图形化的编辑与仿真。采用布尔逻辑代数符号的功能块图语言FDB顺序功能图SCF语言机构文本（ST）某些高端PLC有自己专用的C语言或其他高级语言PLC的指令集、助记符、功能随不同厂家、不同档次而不一致。参考具体型号的使用手
4、册,PLC的性能指标,各个厂家的PLC产品虽然各有特色，但是总体上均可以用以下几个指标来评价1.I/O点数。习惯用“点”表示一个输入或输出通道。IO点数越多的PLC，能够处理越多的输入或输出逻辑。2.扫描速度。宏观的看，PLC内部虚拟的继电器都是并行、同时工作的。但是微观上看，CPU在处理输入输出逻辑时，仍然是串行处理的。处理速度越快实时性越好。一般用1000点的扫描时间(ms/k)来表示扫描速度性能。,3.存储器容量。PLC的逻辑功能依靠梯形图语言所描述的程序来运行。功能越复杂所需的语句越多，所占存储空间越大。存储空间决定了PLC能达到的逻辑规模。4.内部寄存器 内部寄存器用于存放中间结果、
5、变量、定时计数器等数据。容量大小直接决定了编程是否方便、灵活。5.指令系统 不同厂家不同型号的PLC会使用不同的指令系统。指令系统的多少是衡量PLC软件系统强弱的指标。指令越多越容易实现复杂的功能6.特殊功能模块 除基本功能外，评价PLC的技术水平还可以看一些特殊功能，如自诊断、通信能力、远程IO能力等。以及PLC所提供的特殊功能模块，如高速计数单元、闭环控制模块、位置控制模块等,国内主流应用的PLC厂家与型号,1.西门子 S7-200、300、400系列S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种
6、CPU可供选择使用S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算。通讯功能强大,S7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。,西门子 PLC,2.三菱FX-2N系列小型PLC 三菱FX-2N系
7、类PLC有16种，IO点数从8点到128点不等。还有4种扩展单元，可以对系统进行16点或24点的扩充。3.欧姆龙PLC系列 欧姆龙的PLC产品中，小型PLC主要是P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列。中型机主要是C200H、CS1系列，大型机主要有C1000H、C2000H、CV等系列4.台湾、国内的厂家。如台达、电通等,左上：三菱PLC右上：欧姆龙PLC左下：台达PLC,PLC的人机界面,早期的PLC都是功能固定的逻辑操作，没有人机界面。随着功能的复杂，PLC的许多变量或参数需要显示出来或需要人工输入。出现了为PLC专门设计的人机界面（HMI），通过专用通信接口或工业现场总线与PLC或
8、测控系统的总线连接，获取PLC内的数据，或设定PLC的参数。简单的HMI一般具有液晶屏和按键，可以查阅和输入数值信息。中高档的HMI具有高分辨率或彩色LCD并配有触摸屏，可以实现各种图形接口，或者可以作为DCS系统中的现场操作站。,各种HMI,PLC与DCS,按照工业生产过程变量的时间持续性和幅度连续性，工业生产的典型过程可以分为三种：连续过程、离散过程和批量过程。连续过程一般控制对象为温度、压力、流量、液位等幅度与时间连续的量。大部分加工业都属于连续控制离散过程一般控制对象为时间、开关、状态、形状尺寸、个数等离散量。大部分制造业都属于离散过程。批量过程属于间歇性多品种的生产过程。一般是连续过
9、程与离散过程的结合体,加工业、过程控制等连续过程的控制适合采用DCS，而PLC较适合制造业、流程工艺等离散过程的控制。目前，DCS和PLC都在不断扩大自己的应用领域。例如DCS系统可以使用远程IO模块来采集并处理开关量，PLC可以配备模入模出模块采集并输出模拟量，甚至高端PLC具有PID调节等回路调节功能。二者部分功能已经融合。目前以及今后，大部分控制系统会采用DCS和PLC融合的结构。DCS完成参数整定、测量、回路调节功能，PLC完成逻辑、流程、工艺过程等控制,二、变频调速器,工业控制系统中，不可避免需要机械动力源。电动机是最广泛使用的机械动力之一。根据电动机的结构与供电方式，分为直流永磁/
10、励磁电动机、直流无刷电机、交流异步电机、交流同步电机等。交流异步电机主要用于动力。直流电机、同步电机一般用于伺服控制、无刷电机一般用于长寿命高可靠的应用。,作为动力源，很可能需要调整速度。交流异步电动机的转速基本由三相交流电频率决定。异步电机的转子并无外部供电。定子上的三相交流电产生旋转磁场，在转子线圈中产生电流，该电流在转子线圈中产生相反的磁场，推动转子旋转。转子与旋转磁场必然存在速度差，否则转自中将无电流。负荷越重，速度差越大。速度差异的比例叫做“转差率”。功率电机中，一般转差率都较小，因此转速基本靠三相交流电的频率（角速度）决定。,改变三相交流电频率的装置，叫做“变频器”。能够用于三相异
11、步电机的调速。早期用变频发电机来实现。随着功率半导体的发展，GTO、MOS管、IGBT等功率器件用于变频器的输出斩波控制，体积重量稳定性都有了很大程度的提高。矢量变频技术的出现，使交流调速获得了与直流调速同样优良的静态、动态性能。80年代中期开始发展的直接转矩控制理论，简化了结构，便于全数字化实现,左：大功率立柜式变频器右：中小功率变频器,变频器的原理,三相交流电先被整流成直流电。再经过三相斩波（六相桥电路）逆变成三相交流功率输出。由SPWM调制器产生不同频率的正弦脉宽调制波形，控制斩波电路工作。,斩波器只能输出有/无，而不能输出模拟电压值。按照正弦规律占空比输出电压比例(SPWM)。决定定子
12、线圈磁场的是电流而非电压，线圈的电感使电流不能突变，电流会按正弦规律变化。三相错开120度，产生旋转磁场。,变频器与PLC的连接,PLC与变频器结合，能够很方便地根据现场情况及时自动的调整速度。变频器具有以下三种调速方式：手动调节。由面板上的电位器、按键人 工设定频率（转速）外部IO选择速度。在变频器菜单内预置若干速度值，由外部IO选择速度。通过通讯接口或现场总线，远程设置速度。,可以将一组PLC的输出端子接到变频器的速度选择端子上，通过输出组合来选择速度。这种方式最简单，用低端的PLC和变频器即可实现。缺点是速度切换是离散的，可选的速度数目有限。高端的变频器一般都具有通讯接口或现场总线接口。
13、对于同一厂家的PLC/变频器来说，通讯规约一般是相同的，而且PLC会具有相应专用的通讯指令。对于不同厂家的系统，可以使用PLC的“无规约”通讯方式（自由通信方式），根据变频器的通讯协议，编制相应的通讯程序。,变频器与PLC、伺服系统共同控制生产过程的例子,例：用台达ES系列PLC控制松下变频器输出43.5Hz的频率。两者不是同一厂家的产品，查看说明书上通讯规约，前者采用Modbus，后者采用自己专用的协议。只能用无协议模式自己编写通讯程序。查阅松下VFOC变频器通讯协议：写：%站号#WD 功能号 起始地址 结束地址 数据 XOR CR 读：%站号#RD 功能号 起始地址 结束地址 XOR CR
14、 如果写正确，返回：%01$WD XORCR 如果读正确，返回：%01$RD 数据 XORCR,在松下VF0C系列变频器中，站号默认为01，通讯格式为9600、N、8、1，通讯方式是ASCII方式，十六进制数据也全部转换为ASCII码。设定频率的地址是DT237，而读设定频率的地址为DT133，而且在DT237和DT133的数据都是以0.01Hz为单位的.因此，要设定43.5Hz频率需要向DT133寄存器写4350（10FEH）.由于串口是式为8位模式，该款变频器规定应从低位开始写入，那么应该先写FE后写10。校验码是把从起始码到数据码所有的字节进行异或所得。XOR：%01#WDD002370
15、0237FE10=52（HEX）得出以下所有通讯格式码：%01#WDD0023700237FE1052CR 把这些数据依次从PLC串口发出至变频器，就可以将43.5HZ写入到变频器设定频率单元DT237中,编制发送上述数据字串的梯形图程序,目前大厂商的变频器/PLC之间通讯协议互不兼容。所以尽量选择同一厂家产品，利用厂家自己的专用指令，以简化编程工作，减少兼容性问题。一些第三方厂家的变频器/PLC系统因为竞争实例较弱，反而会选择一种通用协议（例如Modbus）以争取市场，它们之间反而有较强的兼容性。,三、伺服控制系统,伺服系统专指被控制量是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统。其作用是使输
16、出的机械位移（或转角、速度等）准确地跟踪输入的位移（或转角、速度等）指令。伺服系统是反馈系统中的一种。一般选用测速电机、编码盘、光栅尺等作为反馈元件，控制精度很高。,工业中，采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：以小功率指令信号去控制大功率负载。在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。使输出机械位移精确地定位，并受程序的控制。,伺服系统的组成,工业系统中，一个完整的伺服控制系统由以下几个部件构成1.伺服电机或伺服执行机构。是最终的执行元件和动力输出部件。2.反馈元件。一般由电机尾部的编码盘、丝杠上的光栅尺、测速电机等形式。3.伺服控制器。提供大功率电信号，驱动
17、伺服执行机构动作。同时采集反馈信息，及时调整执行动作，消除误差。目前一般由DSP为核心。4.指令机构。向伺服控制器发出速度、位移、转角等动作指令。,各种伺服电机,各种反馈元件。编码盘、光栅尺、测速电机,伺服控制器,典型的伺服控制系统一般控制器都有速度闭环模式与位置闭环模式。速度闭环模式下，一般用模拟量输入速度指令。位置闭环模式下，一般由脉冲数作为位置指令。,伺服系统与PLC的连接,PLC可以作为很理想的伺服系统指令机构与PLC连接时，伺服系统一般工作在位置闭环模式下。通过PLC内部的计数器输出脉冲，控制脉冲数量即可控制伺服电机的转角或最终执行机构的位移通过PLC内部的定时器，周期性输出脉冲，可以控制伺服电机的转速。改变脉冲周期实际上就能改变转速。PLC一般都用该方法调速，而不用速度模式（因为PLC难以处理模拟量）。通过脉冲的有无可以控制电机的启停。通过方向输入端子可以改变电机转向,PLC与伺服系统连接的一个例子。PLC用2个输出端口控制伺服系统。Y0控制方向。ON=顺时针 OFF=逆时针Y1每个脉冲伺服电机旋转1/10000圈。（采用2500线编码器，4倍细分）,谢 谢！,联系方法：西安电子科技大学机电工程学院测控工程与仪器教研中心 谢楷E-mail:邮编710071,
