西门子6ES7221-1BF22-0XA8型号大全

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可编程控制器(PLC)作为新一代的工业控制装置，由于其具有通用性好、适用性强，硬件配套齐全，编程方法简单易学等特点而广泛应用于工业领域。PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，而程序的设计是控制系统中工作量大、重要的一项工作。一个好的程序不仅可以减少I／O点数，节省硬件成本，而且还可以减少PLC程序步骤和占用的空间，收到事半功倍的效率；而设计好程序的关键是掌握一定的编程技巧，因此，讨论PLC程序设计的技巧具有十分重要的意义。
2  根据控制方式设计程序
2．1  集中与分散控制
    在多台单机组成的自动线，有在总操作台上的集中控制和在单机操作台上的分散控制。这两种控制实行联锁，如在多工位组合机床上，有各工位的联合控制，也有各工位的分别控制，其控制梯形图如图1所示。
    在图1中，X2为选择开关，以其触点为集中控制与分散控制的联锁触点。当X2＝l时，为单机分散起动控制；当X2＝0时，为集中总起动控制，在两种情况下，单机和总操作台均可发出停止命令。
2．2  自动控制与手动调整控制
在自动或半自动工作机械上，常常有自动工作和手动调整的控制，其梯形图如图2所示。当自动／手动开关X400接通时，CJP751的跳步条件满足，将跳过自动程序，执行手动程序；反之，将跳过手动程序，执行自动程序。

图1  集中与分散控制
3  按控制状态设计程序
生产机械或生产过程的自动化往往需要根据生产工艺过程的特点及它们的各种不同的状态来进行控制，如行程、时间等。
3．1  按行程原则控制
根据运动行程或限位置的要求，通过检测元件(如行程开关，接近开关等)发出控制信号来实现自动控制。典型的如机加工动力头的快进，工进，快退控制，动力头从原始位置开始，快进向前运动，到一定位置转为工进向前，到达终点位置时转为快退，回到原始快进位置时停止，其梯形图如图3所示。
 

图2  手动／自动程序
 

图3  行程控制梯形图
3．2  按时间原则
这种原则在PLC的保护程序设计中非常有效，且经常使用。由于生产机械在工作循环中的各工步运动在执行时需要一定的时间，且这些时间都有一定的限度，因此可以以这些时间为参考，在要检测的工步动作开始的同时，起动一个定时器，定时器的时间设定值比正常情况下该动作要持续的时间长20％～30％，而定时器的输出信号可以用于报警或自动停机装置。当生产机械某工步动作的时间过规定时间，达到对应的定时器预置时间，还未转入下一工步动作时定时器发出故障信号，该信号停止正常工作循环程序，起动报警或停机程序，这就是我们常说的节拍保护。
4  数值和定时值范围的扩展
每一种PLC的计数器的计数范围和定时器的定时范围都有一定的限度，而在实际应用中有时需要的设定值大于这个限度，这时我们可以采取级联组合的方法来实现。
4．1  计数值范围的扩展
图4为两个计数器级联组合扩展电路。X401每断／通一次，C460计数一次。当X401断／通50次时，C460的常开触点接通，C461计数一次，与此同时，C460另一对常开触点动作，使C460复位，重新从0开始对X40l的断／通进行计数。每当C460计数50次时，C461计数一次，当C461计数到40次时，此时X401总计接通50x 40＝2000次。C461常开触点闭合，Y431接通，可见本电路计数值为两个计数器计数值的乘积。
 

图4  两个计数器级联扩展
4．2  定时值范围的扩展
用定时器与计数器进行级联组合，可以实现定时范围的扩展。图5是这种级联组合的扩展电路图。图中T451形成一个设定值为20s的自复位定时器。当X401接通，在T451线圈接通20s后，其常闭触点断开，T451定时器线圈断开自复位，待下一次扫描时，T451常闭触点才闭合，T451线圈又重新接通。T451延时20s，其常开触点闭合，为计数器输入一个脉冲信号，计数器C461计数一次；当C461计数100次时，其常开触点接通Y431线圈，所以从X401接通到Y431接通，延时时间为定时器和计数器设定值之积，本电路延时时间为2000s。
 

图5  定时器与计数器级联扩展
5  用单按钮控制起动和停止
通常我们用两个按钮控制电动机的起动和停止，但多点控制时，需要按钮和引线较多，利用一个按钮多点远程控制电动机制的起停，则可减少控制线路且节省I／O点数，其梯形图如图6所示。
当X401接通时，M103停电，M103触点闭合，且使M100动作并自锁，M100常开触点闭合，Y430线圈接通并自锁。Y430的常开触点闭合，为M101接通作准备。注意：X401断开后，M103的线圈和触点均断开。M100和M101线圈断开。当X401二次接通时，M101线圈接通，其常闭触点断开，Y430线圈被断电，电机停止。当然，用单按钮控制电动机起停的程序设计方法有很多。用图7所示的梯形图程序同样可以实现这一功能。
 

图6  单按钮起停电机梯形图
 

图7
6  逻辑错误检测编程法
PLC控制系统在正常的情况下各输入、输出信号，中间记忆装置之间存在着确定的逻辑关系，一旦出现异常逻辑关系，必定是控制系统出了故障。因此，我们可以事先编制好一些常见故障的异常逻辑程序加进用户程序中，当这种逻辑关系实现状态为“1”，就必然出现了相应的设备故障，即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，用来实现报警、停机等控制。例如某工作装置有X0、Xl两个输入，Y0、Y1、Y2、Y3共4个输出，其正常逻辑关系有以下3种：

其逻辑错误检测程序如图8所示，M400，M401，M402为合法状态标志，Y4为报警、停机输出触点。
 

图8  逻辑错误检测程序梯形图
7  对常闭触点的处理
对于输入外部控制信号的常闭触点，在编制梯形用时要特别小心，否则可能导致编程错误。以电动机常用的起动和停止控制线路为例，其继电器控制线路如图9(a)所示。
当停止按钮SB2(X402)是以常闭触点接入PLC的输入端时，由于在PC内部电源作用下输入继电器X402线圈已接通，所以需要用图9(C)所示的梯形图，否则，电机不能起动。如果SB2是以常开触点接入X402端，则可用图9(b)所示的梯形图。这一点在设计梯形图时我们一定要注意。
 

图9
8  结束语可编程控制器的程序设计技巧还有很多，如对复杂电路的等效变换，高速计数器和特殊功能指令的使用等。这些设计技巧只要我们编程时注意使用，将会使我们设计的软件加合理、简单，且满足生产机械的工艺流程要求。当然，也只有积累了一定的编程技巧，我们设计程序才会加容易、方便、快捷。

本文介绍如何实现高压同步电机全数字化矢量控制变频器，这种变频器有四象限运行，启动转矩大，恒转矩输出，调速范围宽，谐波小等特点。其构成为矢量控制器、移相变压器、带能量回馈的功率单元、传感器反馈用编码器；叙述了矢量控制方式，坐标变换，速度及电流控制等，通过负载试验运行结果证明了这种变频器的特点。
    一、技术背景


    近年来交流异步电机的调速应用得到较快的发展，与交流异步电机相比较，同步电机有着先天的优势，异步电动机由于励磁的需要，从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。而同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以前。当θ=1时，电枢铜损小，还可以节约变压变频装置的容量。


    由于同步电动机转子有立励磁，在低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机宽。异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有强的承受能力，能作出快的动态响应。由于交流同步电机在性与维护量、功率因数、电机尺寸与转动惯量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的优势，对于大容量电机，已基本趋向于使用同步电机。比如工业应用上大功率空气压缩机、水泵、煤炭与有色金属行业中的大功率提升机和钢厂大容量轧钢机等均采用同步电机驱动。


    国内大功率交流同步电机传动方面，以交-交变频调速传动为主。这些变流、变频传动装置功率大，一般为几百千瓦至数千千瓦。在水泥，采矿与矿山行业、船舶行业、冶金行业、化工，石油与气行业、电力行业、纸浆造纸行业、供水与污水处理、煤炭、有色金属等特别是矿山的大型矿井提升机传动与调速等领域已有较多的应用。大容量、低转速、高过载、响应快、四象限运行等传动领域主要用于矿井提升机和钢铁厂的主轧机，对变频器的控制要求特别严格这是普通异步电机及其变频器所不能解决的，在此类系统中应用的大多是大功率同步电机，我国目前在高压大功率同步电机控制系统中采用的技术主要以交交控制方式的变频为主，还有交直交方式，交交变频器由于其控制原理方式的制约，造成其功能和应用范围受限，交交变频器的结构方式把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。改变切换频率，就可改变输出频率；改变交流电路的导通角，就可以改变交流输出电压幅值；输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。输出波形畸变和输出上限频率的关系，很难确定明确界限。例当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不电网频率的1/3~1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。


    还有一种变频器是交直交型高压变频器，这种变频器的驱动高压同步电机的方式目前以V/F控制为主，这种方式在一些对调速比要求不高，动态响应低的场合适用，它的控制方式是采用异步电机的控制策略，启动过程：高压同步电机行异步变频启动，等转速接近同步转速时，再对转子投入励磁电流，使系统进入同步转速运行。这种控制方式的缺点是，响应慢,调速比小,不能发挥同步电机的特长，不能实现四象限运行,高压同步电机输出的转矩低，起动电流大，容易失步，这种变频器只能用于负载较轻，负载变化不大的场合。


    随着微电子技术的发展和应用，计算机用于控制，使交流变频控制系统由模拟式进入数模混合式，进一步发展到全数字式，实现控制方案和控制策略的软件化，在控制系统全数字化的情况下，由于变软件即可变控制模式和参数，这就大大提高了系统的通用性和灵活性，简化了系统的硬件结构，并可采用一些基于现代控制理论的控制算法来提高系统的性能。重要的是，随着现代通信技术、远程控制技术、总线技术和自动化技术的发展，全数字方式是未来发展的必然趋势。因此全数字化交-直-交大功率同步电机矢量控制器的应用是未来应用的方向，这方面在我国的应用和研究还是空白，变频调整控制方法的进展主要体现在由早期的静态控制方式向高动态性能的四象限运行的矢量控制发展,采用这种控制方式可以有效的解决高压同步电机的动态响应，和调速比宽等要求，系统可以恒转矩输出。


    二、全数字化矢量控制方式技术方案的原理


    鉴于现有技术缺点，和要实现的技术目的，我们要实现的高压同步电机矢量控制变频器的实现由以下技术特点和单元组成，三相高压电输入移相隔离变压器，经移相隔离降压多路交流输出后，输入到带能量回馈的功率单元IGBT整流并滤波成直流再经IGBT逆变输出到同步电机；电机的位置速度传感器反馈的信号经高速串行编码传输方式传送给主控板的FPGA进行解码处理后，送给DSP进行数据运算处理；电流反馈经霍尔传感器采样，上传信号板经模拟信号处理电路滤波处理后再上传给DSP主控板的AD采样并运算；主控板与上位机的人机界面进行实时数据通信，并上报系统的各项运行参数和故障状态；输入输出信号单元板与主控制器进行通迅，处理外部输入输出信号的控制功能；系统的原理如图1所示。


   






图1系统原理1、交直交单元串联多电平方式


    现在国内的同步电机变频器，大部分采用的是交交变频，和交直交变频器相比，缺点：驱动晶闸管复杂；输出频率范围低，只能达到电网频率得1/3运行；功率因数低，谐波污染严重。在一些控制场合交交变频器的原理制约了它高速上的应用不能实现和动态响应慢的缺点。


    交直交方式使用移相的目的可以提高整流设备的脉波数，减小网侧高次谐波，整流变压器采用二次侧延边三角形移相，交直交方式频率调速范围宽，功率变换电路采用多电平变换器（见图2），各级功率模块采用H全桥IGBT驱动方式，由于输出电平数较多，输出波形阶梯增多，就可以使调制波接近正弦，降低电压跳变，这样谐波就少。另一个优点是输出电压的dv/dt较小，对负载电机的冲击小。如一些轧钢机，提升机，卷扬机。如果采用交交变频，加减速机构。而交直交可以在许可的范围内频率任意调解。这就解决了上述问题。


    2、基于能量回馈的功率单元


    普通高压变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再电状态。由于二管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统工作，这就限制了普通高压变频器的应用范围,基于能量反馈的系统解决上述问题,并且实现了真正的节能目标而不是浪费掉能量。


    带能量回馈的功率单元，输入为移相隔离变压器副边降压绕组的三相，IGBT的控制信号为经光纤传输过来的PWM信号控制其导通和关断，输出经单元串联后到电机。原理如图2。     






图2能量回馈单元原理图


    3、数字矢量控制方式


    矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而终实施仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量（电压、电流、电动势、磁动势）都是交，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是的，因此，还再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中，需用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在各坐标系之间的变换，交流同步电机的矢量控制，需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成α和β两相静止坐标系(Clarke变换)，也叫三相－二相变换，再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系（Park变换），等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流)；Iq相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标逆变换（Park逆变换）（Clarke逆变换），实现对同步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交解耦控制。例图3二同步电机的物理模型，定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，三相电压UA、UB、UC和三相电流iA、iB、iC都是平衡的，转子以同步转速w1旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压Uf供电下流过励磁电流If。沿励磁磁的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也以同步转速w1旋转，d轴与A轴之间的夹角q为变量。