拉萨西门子中国授权代理商电源供应商

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一、引言

可编程序控制器（PLC）作为处理单元由于其运算速度高，指令丰富，功能强大，性高，抗干扰能力强而广泛应用于各种工业控制场合。但是由于其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，使用具有触摸操作功能的触摸屏（Touch Panel Monitor）就是一种很好的选择。在本套变频电源系统中，通过触摸屏和PLC结合使用，可以在触摸屏中直接设定目标电压值与目标频率值，并可实时监控到电源系统实际电流、电压、频率的大小，以及具有报警功能。其操作简单，功能强大，界面友好直观，在生产应用中很好的效果。

二、系统硬件组成与结构原理

本套系统用于变频空调压缩机的测试平台。该测试平台要求电源输出电压可变范围80～480V，频率可变范围20～200Hz，以便对空调压缩机的工作性能进行测试。本套变频电源系统由变频器、励磁单元、异步驱动电机和同步发电机机组、PLC以及人机界面组成。各部分说明如下：

1)变频器选用ABB公司的ASC600变频器，该系列具有高性，控制，自保护系统优良等特点。变频器的作用是根据PLC给定的电机速度和编码盘反馈的实际速度值，通过一定参数的PID调节对异步驱动电机的转速进行实时控制，使电动机运行在给定的转速，从而使与电动机同轴联结的同步发电机输出的电压为给定的频率。

2)励磁单元采用ABB公司的直流电源DCS500。该装置采用可控硅整流，具有良好的电流调节性能和保护功能。选择外部控制后，可根据PLC的给定值直接控制电流，以起到调节同步电动机励磁电流的大小，进而控制同步发电机的端电压大小的作用。

3)异步电动机与同步发电机同轴连接，通过变频器控制电动机的转速可以准确控制发电机输出电流的频率大小，而同步发电机输出电压幅值E与磁通Φ有关，因此调节励磁单元所提供的励磁电流即可以控制发电机输出电压的幅值。终达到电压、频率分别可调，波形为正弦波。

4) PLC作为控制单元，是整个系统的控制。选用OMRON公司的CPM2A。一是输出给变频器转速信号，控制电机转速；二是按照一定的控制策略给出励磁单元的控制信号，实现同步发电机输出电压可调。从而实现整个变频电源输出频率、幅值的连续可调。同时，与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对于触摸屏输入的信息进行处理等。

5) 触摸屏采用OMRON公司NT31C。触摸屏实现了电流、电压、频率的实时显示，电压、频率目标值的设定以及产生报警信息等。

系统硬件结构如图1所示：

图1 变频电源系统硬件结构

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图2 系统程序流图

图3 触摸屏与支持工具、PLC之间的连接电缆

5.1欢迎页面的设计

在支持工具上，创建一个欢迎页面，整个页面为一个透明的触摸按钮，其功能为切换画面，当点击页面任一部分时即进入参数显示页面。当外界无动作时，由PLC编程实现30秒后，改写状态控制区中的数据，将参数显示页面载入。在欢迎页面上的触摸按钮上可放置文本，对系统进行说明与标注等。

5.2参数显示页面的设计

在这套系统中，用户需要观察的量为输出三相电流，电压以及频率的大小。因此，设置三组数字显示区，分别显示电压、电流与频率值，在数字内存表中占据相应的存贮空间，同时，通过数字内存表的地址与PLC数字存储区的位置对应起来。系统启动后，由传感器、编码盘等将电压、电流与频率信号送入PLC进行处理，因PLC数字存储区的地址与PT内存表相关联，此时，PT就可以实时显示这三组数据。数据的精度与位数根据实际情况在PT的数字内存表的属性中设置。

5.3参数设置页面的设计

用户需要设定的量为电压，频率的目标值，这是利用拨码开关型数字设定输入区达到这一目的的。用户可直接在拨码开关上进行增减操作以得到需要的目标值。在拨码开关上设定之后，点击“确定”按钮，该数值送入

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PLC目标值保存单元，点击“取消”按钮，则维持原数值不变。数值的位数、精度以及该数值在PLC内存单元中的地址都是在拨码开关的属性中设置的。见图4所示。

图4 参数设置页面

图5 系统工作区域

 1  引言

    在数控系统中，如切削机床工作时，往往对的进给速度及移动位置进行控制，不少PLC产品中配置了轴定位模块，用来专门控制步进电机或伺服电机的运转，对于某些PLC，当没有步进电机控制模块或PLC本身带有高速计数输入点时，也可以用高速计数方法来实现轴定位，轴定位系统控制的主要对象是位置，一般情况下，电机的转动用传动机械转化为被控对象的直线运动。

    2　轴定位原理

    常一个定位命令要求轴上零件移动到另一位置时，模块先计算一个理论的时间速度图。然后以这个时间速度图控制轴，使之后达到规定的位置。典型的时间速度图是一个梯形，也就是说，轴先以用户设定的加速度a匀加速度运动，直至达到用户设定速度v，然后匀速运动一定的时间，再以用户设定的加速度a匀减速运动，直到速度变为0。速度到0时，轴移动的距离正好是命令规定的值Δp。

    据时间速度图，可以计算出相应一个时间位置图。对于不带旋转编码器的开环步进控制模块，速度命令脉冲就以时间速度图的值输出，当Δp个脉冲全部输出以后停止输出。
在以旋转编码器作位置反馈的闭环控制方式中，每一时刻，时间位置图上的位置为基准值，旋转编码器反馈回来的是实际值，这两者之差即为位置误差。用位置误差和位置环增益的乘积作为速度命令输出。这种控制方法能够保证终定位的位置误差接近0。因为这是一种无偏差控制，只要有误差，就会有这个误差的速度，一直到误差变为0。
用这种方法控制时，位置误差越大，电机的转速就越高。位置误差不改变时，电机以匀速转动。位置误差变小时，电机就减速。要电机停止运动，位置误差为0。
在定位运动过程中，电机的大速度不会过理论速度大值。因为在运动过程开始时，位置误差从0慢慢变大，速度命令值也慢慢变大，电机转速提高。在理论加速阶段，速度命令值总是比理论速度小。所以，随着位置误差不断积累，速度命令值不断变大，电机也逐渐加速。在匀速阶段，如果速度命令还小于理论速度，那么位置误差还会增大，速度命令值也会增大。但增大的限是速度命令值等于理论速度。当两者相等时，位置误差不再变大，电机以理论速度运转。在减速阶段，速度命令的减速比理论速度慢，于是位置误逐渐变小，相应地速度命令值也变小。当理论速度为0时，以前积累的位置误差还没有减少至0，所以还有速度命令输出。这个输出到位置误差为0时才会结束。

    两个速度曲线以下的面积即为运动的位移量，两者是相等的。
这两个速度的关系可以用以下公式表示：

vR(t)=〔∫vT(t)dt-∫vR(t)dt〕f或
式中：vR(t)—实际速度；
vT(t)—理论速度；
f—位置环增益，是时间的倒数值。
上述关系式的通解是：
vR(t)=v0e-ft
式中，v0为某一常数。当速度vT(t)为常数时，特解为：
vR(t)=v0e-ft+vT(t)
式中如果vT(t)为常数，当t足够大时，vR(t)=vT(t)，即实际速度等于理论速度。只要e-ft足够小，实际速度对理论速度的跟随误差等于0。

    3　高速计数

    PLC的高速计数模块可读取普通的输入点读取不到的高速脉冲，并对之进行计数，使用脉冲输出功能和脉冲序列指令型伺服电机马达配合，可构成轴定位装置。
SZ-4型PLC的高速计数模块使用Z-CTIF，在加减计数器中，可进行多达24个设定值区域的多段设定，进行计数时，计数值和设定值比较，在允许中断的状态下，当设定值和计数值一致时，则中断当前处理转去执行中断程序，中断程序执行完，则返回被中断处继续往下执行。
在驱动丝杠转动进行轴定位时，可有二种方法进行控制：一是进行均匀加速，到匀速运动，再到减速的过程，如图3(b)所示，开始时以200pps的速度动作，在1秒钟时间内加速至2kpps，以2kpps的恒定速度动作，在即将到达定位位置时进行减速，减速时间也为1秒，在1秒内速度减为0，定位动作结束，到达位置。另一种方法是进行多段加减速逼近的方式，如图3(a)所示，定位开始时以200pps速度加速移动100个脉冲距离，再以400pps的速度加速移动200个脉冲距离，又以600pps的速度加速移动300个脉冲距离，稳定动作阶段以800pps的速度移动1800个脉冲距离，然后减速运行，先以600pps的速度减速移动300个脉冲距离。再以400pps的速度减速移动200个脉冲距离，又以200pps的速度减速移动100个脉冲距离，后速变为0，结束定位动作，共移动了3000个脉冲的距离。

    4　应用实例

    轴定位系统选用SZ-4模块式PLC，该型号的PLC是属于小型的可编程序控制器，使用比较方便，系统选用高速计数模块Z-CTIF一块，8点输入模块Z-8ND1一块，8点输出模块Z-8TD1一块。输出端与变频马达相联，由马达驱动丝杠的转动，丝杠的转动次数由旋转编码器，旋转编码器的送PLC的高速计数模块，在具体梯形图编制时，以多段加减速方式处理比较方便，把多段设定值放在寄存器中，当丝杠转动达到设定脉冲数时，马达变速运转，起动时先加速，然后平稳转动，后减速至定位位置。变速部分的指令放在中断程序中，每当计数值与设定值一致时，特殊功能寄存器变为ON，执行中断指令。
系统多段设定值寄存器开始处为R3630，把四档速度值输入到R3630-R3633内。
输入输出模块的分配：
I10：起动开关
I11：停止开关
Q10：变频速度1
Q11：变频速度2
Q12：变频速度3
Q13：变频速度4
Q14：变频起动(ON)/制动(OFF)


    5　结论 

    用高速计数模块实现的轴定位功能可普遍用于自动化设备中，如数控车床或其他需要确定位置的场合，对于行程的控制比较。当然对于定位复杂的情况，梯形图编制稍微有点复杂，这时使用的步进电机控制模块或伺服电机控制模块。但是对于如SH系列的PLC来说，它们本身带有二点高速计数功能，而且由于是整体式PLC，较难扩展步进电机控制模块，利用上述方法就有很大的应用和较高的性能价格比。

自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

电磁干扰类型及其影响

影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是干扰源。

干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，可分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。

共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

电磁干扰的主要来源

1．来自空间的辐射干扰。空间辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布为复杂。若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护

2．来自系统外引线的干扰。主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较为严重，主要有下面三类：

类是来自电源的干扰。实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后换隔离性能高的PLC电源问题才得到解决。

PLC系统的正常供电电源均由电网供电，由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流，尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，隔离是不可能的。

二类是来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这种往往非常严重。

由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。

三类是来自接地系统混乱的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一，正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷击时，地线电流将大。

此外，屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

3．来自PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂家对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无法改变，可不多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

抗干扰设计

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为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。

PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以考虑，并结合具体情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要注意以下两个方面。

1．设备选型。

在选择设备时，要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。

在选择国外进口产品要注意，我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求高。在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准(GB/T13926)合理选择。

2．综合抗干扰设计。主要考虑来自系统外部的几种抑制措施，内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆应分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还利用软件手段，进一步提高系统的性。

主要抗干扰措施

1．采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰。

在PLC控制系统中，电源占有重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少PLC系统的干扰。

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此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，提高供电的性。而且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。

2．正确选择电缆的和实施敷设。

为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰，笔者在某工程中采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，降低了动力线产生的电磁干扰，该工程投产后了满意的效果。

不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠行敷设，以减少电磁干扰。

3．硬件滤波及软件抗干扰措施。

信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两间加装滤波器可减少差模干扰。

由于电磁干扰的复杂性，要根本干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的性。常用的一些提高软件结构性的措施包括：数字滤波和工频整形采样，可有效周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等。

4．正确选择接地点，完善接地系统。

接地的目的通常有两个，一为了，二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

系统接地有浮地、直接接地和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体接地点以单的接地线引向接地。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体接地点，然后将接地母线直接连接接地。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地的接地电阻小于2Ω，接地埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点与强电设备接地点相距10m以上。

信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。

本文小结

PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症的方法，才能够使PLC控制系统正常工作,保证工业设备运行。