PLC在電力拖動控制線路中的應用實踐探析

朱子仲

【摘 要】可編程邏輯控制器（PLC）是綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術的自動控制產品，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環境下應用等一系列優點，近年來在工業自動化、機電一體化、傳動產業技術改造等方面應用越來越廣泛，成為現代工業控制三大支柱之一。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，設計一套電動機模擬控制系統。

【關鍵詞】PLC；電力拖動；控制線路；應用

一、引言

在現代高精度控制系統中多采用兩相、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定、可靠性更高，在相對控制精度要求較低的情況下，為了節省成本常采用開環控制，近十幾年來隨著數字技術和電子計算機技術的迅速發展為五相混合式步進電動機在自動控制系統中的應用開辟了廣闊的前景，例如數控機床、繪圖機、計算機外圍設備、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環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。

1.PLC的硬件結構

中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據，檢查電源、存儲器、I/0 以及警戒定時器的狀態，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場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/0映像區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算術運算等任務。并將邏輯或算術運算等結果送入I/0映像區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢以后，最后將I/0 映像區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，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。才能構成一臺完整的PLC。PLC 的軟件分為兩部分： 系統軟件和應用軟件。存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。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PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區域： 系統程序存儲區，系統RAM 存儲區（包括I/0 映像區和系統軟設備等） 和用戶程序存儲區。系統程序存儲區： 在系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統的系統程序。它包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷程序等。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RAM 存儲區： 系統RAM存儲區包括I/0映像區以及各類軟設備（例如： 邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等）存儲區。I/0 映像區：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和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態和數據送至相應的外設。

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，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。在運行狀態，可編程控制器通過執行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能。為了使可編程邏輯控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執行一次，而是反復不斷地重復執行，直至可編程邏輯控制器停機或切換到STOP工作狀態。除了執行用戶程序之外，在每次循環過程中，可編程邏輯控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環可分為5個階段。可編程邏輯控制器的這種周而復始的循環工作方式稱為3描工作方式。由于計算機執行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，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，它一經推出，即受到了廣泛的關注。2000年以前，西門子在中國市場的PLC產品主要是大中型PIC，日本的小型PIC占據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成為了主流產品。

西門子最早的小型PLC 產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，所以系統的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC 網絡。同時它具有功能齊全的編程和工業控制組態軟件，使得在完成控制系統的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務。現在最新版的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品就是S7-200 PLC 的替代品，它們各有其特色功能。可能西門子公司從全球戰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、產品線、通信聯網，以及某些實用功能等方面來比較，S7-200PIC都超過S7-1200和S7-200Smart。考慮到目前S7- 200 PLC 在中國的實際應用情況，本文選用這一型號應用于我所設計的控制系統。

三、PLC電力拖動控制線路驅動分析

（一）單電源驅動電路

這種電路采用單一電源供電，結構簡單，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的半導體薄片，當它被置于磁感應強度為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，則在該半導體另外兩邊將產生一個與控制電流I和磁感應強度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。霍爾開關傳感器由于其體積小，無觸點，動態特性好，使用壽命長等特點，廣泛應用于測量轉動物體旋轉速度領域。這里選用SPRAGUE公司生產的霍爾轉速傳感器，它是一種硅單片集成電路，其內部含有穩壓電路、霍爾電勢發生器、放大器、史密特觸發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字電路兼容等特點。霍爾傳感器信號放大器將霍爾電勢UH放大后再經整形、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功能的芯片，并結合數碼管顯示電路便可得到步進電機的轉速。

四、總結

PLC模擬控制電機控制系統符合現場使用要求，具有自動工作模式，控制靈活。控制系統編程簡單明了，一般的技術人員都可以看懂，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的網絡控制又是它的最大優勢。

【參考文獻】

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