PLC在電力拖動控制線路中的應(yīng)用實踐探析

朱子仲

【摘 要】可編程邏輯控制器（PLC）是綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，具有功能強大、可靠性高、使用靈活方便、易于編程以及適合工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用等一系列優(yōu)點，近年來在工業(yè)自動化、機電一體化、傳動產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造等方面應(yīng)用越來越廣泛，成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。本文以五相混合式步進電動機為研究對象，對其進行工作原理、特性、優(yōu)缺點等方面的研究，并使用西門子的S7-200系列PLC為控制核心，設(shè)計一套電動機模擬控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】PLC；電力拖動；控制線路；應(yīng)用

一、引言

在現(xiàn)代高精度控制系統(tǒng)中多采用兩相、三相和四相步進電機進行控制，其控制精度不夠高、性能一般。五相混合式步進電動機和兩相、三相和四相步進電機相比性能更穩(wěn)定、可靠性更高，在相對控制精度要求較低的情況下，為了節(jié)省成本常采用開環(huán)控制，近十幾年來隨著數(shù)字技術(shù)和電子計算機技術(shù)的迅速發(fā)展為五相混合式步進電動機在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，例如數(shù)控機床、繪圖機、計算機外圍設(shè)備、自動記錄儀表、鐘表等。

二、PLC電力拖動控制線路硬件分析

（一）可編程邏輯控制器（PLC）

可編程邏輯控制器是種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。

1.PLC的硬件結(jié)構(gòu)

中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/0 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當PLC 投入運行時，首先它以描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/0映像區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運算等結(jié)果送入I/0映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將I/0 映像區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。

存儲器：與微型計算機一樣，除了硬件之外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。PLC 的軟件分為兩部分： 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。PLC 存儲空間的分配： 雖然大、中、小型PLC 的CPU 的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： 系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)（包括I/0 映像區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等） 和用戶程序存儲區(qū)。系統(tǒng)程序存儲區(qū)： 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM 中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該PLC 的各項功能。系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)： 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/0映像區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如： 邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。I/0 映像區(qū)：由于PLC 投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。

2.PLC的工作原理

可編程邏輯控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程邏輯控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程邏輯控制器停機或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程邏輯控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊踢壿嬁刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為3描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。

（二）S7-200 PLC

S7-200 PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PIC，其某些功能達到中型PLC 的水平，而價格卻是小型PLC的價格，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。2000年以前，西門子在中國市場的PLC產(chǎn)品主要是大中型PIC，日本的小型PIC占據(jù)了中國的大部分市場份額，在S7-200 PLC推出后，這種情況得到了明顯改變，2000 年以后，在小型PLC市場上，S7-200 PLC成為了主流產(chǎn)品。

西門子最早的小型PLC 產(chǎn)品是在上世紀末推出的S7-200CPU21* 系列的PIC，但很快就被CPU22*系列的產(chǎn)品所取代了。由于它具有多種功能模塊和人機界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC 網(wǎng)絡(luò)。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)?，F(xiàn)在最新版的S7-200 系列PLC是在2004年推出的，它的主要特點是：極高的可靠性、極豐富的指令集、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性強和強大的通信能力。最近幾年，西門子公司針對小型PLC市場加大了創(chuàng)新力度，先后推出了S7- 1200 系列PLC和S7- 200 Smart PLC，前者的市場定位略高于S7-200 PLC，后者略低于S7- 200PLC。不能簡單說這兩款產(chǎn)品就是S7-200 PLC 的替代品，它們各有其特色功能?？赡芪鏖T子公司從全球戰(zhàn)略和自身其他方面的因素考慮推出了S7-1200和S7-200 Smart，但目前不論從市場占有率，還是從性價比、產(chǎn)品線、通信聯(lián)網(wǎng)，以及某些實用功能等方面來比較，S7-200PIC都超過S7-1200和S7-200Smart?？紤]到目前S7- 200 PLC 在中國的實際應(yīng)用情況，本文選用這一型號應(yīng)用于我所設(shè)計的控制系統(tǒng)。

三、PLC電力拖動控制線路驅(qū)動分析

（一）單電源驅(qū)動電路

這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對速度要求不高的小型步進電機的驅(qū)動。由于本文的研究對象為小型電機，且受研究條件的限制，所以選用此種驅(qū)動電路。

（二）測速方式介紹

一塊長度為l，寬度為b，厚度為d的半導(dǎo)體薄片，當它被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，如果在其相對兩邊流通控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在該半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個與控制電流I和磁感應(yīng)強度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，該電勢稱為霍爾電勢，該半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件，其大小和外磁場及電流成比例。霍爾開關(guān)傳感器由于其體積小，無觸點，動態(tài)特性好，使用壽命長等特點，廣泛應(yīng)用于測量轉(zhuǎn)動物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域。這里選用SPRAGUE公司生產(chǎn)的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，它是一種硅單片集成電路，其內(nèi)部含有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡單、輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點?；魻杺鞲衅餍盘柗糯笃鲗⒒魻栯妱軺H放大后再經(jīng)整形、放大，輸出幅值相等、頻率變化的方波信號，該霍爾電勢的幅值隨磁場強度變化而變化。將該方波信號傳輸給有計數(shù)功能的芯片，并結(jié)合數(shù)碼管顯示電路便可得到步進電機的轉(zhuǎn)速。

四、總結(jié)

PLC模擬控制電機控制系統(tǒng)符合現(xiàn)場使用要求，具有自動工作模式，控制靈活?？刂葡到y(tǒng)編程簡單明了，一般的技術(shù)人員都可以看懂，因此對工藝流程的修改非常方便。比如修改每一步的運行速度和哪一步的運行方向都非常靈活。但也有不足之處就是PLC的價格較高，不利于推廣，但是PLC的網(wǎng)絡(luò)控制又是它的最大優(yōu)勢。

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