朱子仲

【摘 要】可編程邏輯控制器（PLC）是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)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(diǎn)，近年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)電一體化、傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造等方面應(yīng)用越來(lái)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(jìn)電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行工作原理、特性、優(yōu)缺點(diǎn)等方面的研究，并使用西門(mén)子的S7-200系列PLC為控制核心，設(shè)計(jì)一套電動(dòng)機(jī)模擬控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】PLC；電力拖動(dòng)；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(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，其控制精度不夠高、性能一般。五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和兩相、三相和四相步進(jìn)電機(jī)相比性能更穩(wěn)定、可靠性更高，在相對(duì)控制精度要求較低的情況下，為了節(jié)省成本常采用開(kāi)環(huán)控制，近十幾年來(lái)隨著數(shù)字技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景，例如數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動(dòng)記錄儀表、鐘表等。

二、PLC電力拖動(dòng)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(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)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(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲(chǔ)器、I/0 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以描的方式接受現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)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(yùn)行，直到停止運(yùn)行為止。

存儲(chǔ)器：與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件之外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺(tái)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(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。PLC 存儲(chǔ)空間的分配： 雖然大、中、小型PLC 的CPU 的最大可尋址存儲(chǔ)空間各不相同，但是根據(jù)PLC 的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域： 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng)RAM 存儲(chǔ)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(chǔ)區(qū)。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)： 在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)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P(yáng)LC 的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)RAM 存儲(chǔ)區(qū)： 系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)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(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲(chǔ)區(qū)。I/0 映像區(qū)：由于PLC 投入運(yùn)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(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程邏輯控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，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(jī)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(guò)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(gè)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(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。

（二）S7-200 PLC

S7-200 PLC是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種小型PIC，其某些功能達(dá)到中型PLC 的水平，而價(jià)格卻是小型PLC的價(jià)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(mén)子在中國(guó)市場(chǎng)的PLC產(chǎn)品主要是大中型PIC，日本的小型PIC占據(jù)了中國(guó)的大部分市場(chǎng)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(chǎng)上，S7-200 PLC成為了主流產(chǎn)品。

西門(mén)子最早的小型PLC 產(chǎn)品是在上世紀(jì)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(jī)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(shí)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(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)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(diǎn)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(shí)時(shí)特性強(qiáng)和強(qiáng)大的通信能力。最近幾年，西門(mén)子公司針對(duì)小型PLC市場(chǎng)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(chǎng)定位略高于S7-200 PLC，后者略低于S7- 200PLC。不能簡(jiǎn)單說(shuō)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(mén)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(chǎng)占有率，還是從性價(jià)比、產(chǎn)品線、通信聯(lián)網(wǎng)，以及某些實(shí)用功能等方面來(lái)比較，S7-200PIC都超過(guò)S7-1200和S7-200Smart?？紤]到目前S7- 200 PLC 在中國(guó)的實(shí)際應(yīng)用情況，本文選用這一型號(hào)應(yīng)用于我所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。

三、PLC電力拖動(dòng)控制線路驅(qū)動(dòng)分析

（一）單電源驅(qū)動(dòng)電路

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

（二）測(cè)速方式介紹

一塊長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在其相對(duì)兩邊流通控制電流I，且磁場(chǎng)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(gè)與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，該半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件，其大小和外磁場(chǎng)及電流成比例。霍爾開(kāi)關(guān)傳感器由于其體積小，無(wú)觸點(diǎn)，動(dòng)態(tài)特性好，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)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(shì)發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開(kāi)路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡(jiǎn)單、輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點(diǎn)?；魻杺鞲衅餍盘?hào)放大器將霍爾電勢(shì)UH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(hào)，該霍爾電勢(shì)的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化。將該方波信號(hào)傳輸給有計(jì)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

四、總結(jié)

PLC模擬控制電機(jī)控制系統(tǒng)符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求，具有自動(dòng)工作模式，控制靈活?？刂葡到y(tǒng)編程簡(jiǎn)單明了，一般的技術(shù)人員都可以看懂，因此對(duì)工藝流程的修改非常方便。比如修改每一步的運(yùn)行速度和哪一步的運(yùn)行方向都非常靈活。但也有不足之處就是PLC的價(jià)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(shì)。

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