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yongcunheike
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Mini何小何

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PLC技术的应用及发展方向可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。PLC是在继电器控制逻辑基础上,与3C(Computer,Control,Communication)技术相结合,不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制,发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。自动化系统中所使用的各种类型PLC,有的是集中安装在控制室,有的是分散安装在生产现场的各单机设备上,虽然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,但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置,在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施,故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性,因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。长期以来,plc始终处于工业控制自动化领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案,与dcs和工业pc形成了三足鼎立之势。同时,plc也承受着来自其它技术产品的冲击,尤其是工业pc所带来的冲击。目前,全世界plc生产厂家约200家,生产300多种产品。国内plc市场仍以国外产品为主,如siemens、modicon、a-b、omron、三菱、ge的产品。经过多年的发展,国内plc生产厂家约有三十家,但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品,可以说plc在我国尚未形成制造产业化。在plc应用方面,我国是很活跃的,应用的行业也很广。专家估计,2000年plc的国内市场销量为15(20万套(其中进口占90%左右),约25(35亿元人民币,年增长率约为12%。预计到2005年全国plc需求量将达到25万套左右,约35(45亿元人民币。plc市场也反映了全世界制造业的状况,2000后大幅度下滑。但是,按照automation research corp的预测,尽管全球经济下滑,plc市场将会复苏,估计全球plc市场在2000年为76亿美元,到2005年底将回到76亿美元,并继续略微增长。微型化、网络化、pc化和开放性是plc未来发展的主要方向。在基于plc自动化的早期,plc体积大而且价格昂贵。但在最近几年,微型plc(小于32 i/o)已经出现,价格只有几百欧元。随着软plc(soft plc)控制组态软件的进一步完善和发展,安装有软plc组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长。当前,过程控制领域最大的发展趋势之一就是ethernet技术的扩展,plc也不例外。现在越来越多的plc供应商开始提供ethernet接口。可以相信,plc将继续向开放式控制系统方向转移,尤其是基于工业pc的控制系统。目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类:开关量的逻辑控制:这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等;模拟量控制:在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制;运动控制:PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合;过程控制:过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用;数据处理:现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统;通信及联网:PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。

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Itachi80

PLC在行车电气控制回路改造中的应用作 者 :李林静,江月新,胡杰嘉,关键词: 电力拖动 变频调速 可编程控制器 1 引言 某厂抓矿行车采用绕线式异步电动机转子串接频敏电阻器进行启动和调速,这种继电器-接触器控制方式在实际运行中存在着以下问题:(1) 行车工作环境恶劣,工作任务繁重,电动机所串频敏电阻器烧损、断裂和接地故障时有发生,造成电动机频繁烧损;(2) 由于机体震动及导电性粉尘环境,继电器-接触器控制系统的可靠性差、故障率高、维护困难、维护费用高、检修工人疲于维护;(3) 转子串频敏电阻器调速,机械特性软,负载变化时,运行不平稳,且运行中频敏电阻器长期发热,电能浪费严重;(4) 各接触器在大电流状态下频繁分断、吸合,造成电网高次谐波污染严重,电网功率因数低。于是该厂采用了PLC代替了继电器-接触器控制,将变频器代替电动机转子串频敏电阻器的调速方式,改造后,运行效果显著,解决了以上问题。2 PLC控制的行车变频拖动系统组成1 系统组成 行车的大车、小车、抓斗提升、抓斗开闭电机都需独立运行,大车有两台电机同时驱动,小车、抓斗提升、抓斗开闭各为一台电机驱动,整个系统有5台电机。为了保证各部分安全运行互不影响,采用了4台变频器拖动,并用4台PLC分别加以控制,系统组成如图1所示: 图1 PLC控制变频拖动系统组成 PLC接收主令控制器的速度控制信号,该信号为数字量控制信号,信号电平为AC220V。这些信号包括:主令控制器发出的正、反转信号、电机过热保护信号、安全限位信号及启动、急停、复位、零锁等信号,全部信号采用汇点式输入。PLC针对这些信号完成系统的逻辑控制功能,并向变频器发出起、停、正、反转及调速等控制信号,使电动机处于所需的工作状态。 变频器接收PLC提供的控制信号,并按设定向电机输出可变频、变压的电源,从而实现电机的调速。操作人员按实际需要通过主令控制器向PLC发出各种控制信号。 提升电机在下放重物时,电机反转,由于重力加速度的原因,电机处于再生制动状态,拖动系统的机械能转化为电能,并存储在电压型变频器的滤波电容器的两端,使直流电压不断上升,甚至能够击穿电器绝缘,当电压上升到设定值时,接入泄能电阻来消耗直流电路的这部分能量,保证变频器安全运行。2 变频器与PLC通信 系统采用现场总线方式代替传统的模拟量或开关量方式控制变频器。系统中,小车及提升变频器通过选件模块连接至Profibus-DP总线上,综合考虑数据传输的实时性及稳定性,系统选用PPC-3作为数据传输格式,波特率选择5kbps。采用总线结构后,系统进一步优化,具体表现如下:(1) 布线简单 只需1根两芯的屏蔽双绞线,而采用别的方式至少要4根电缆,从而减少了维护工作。(2) 给定稳定 避免了因信号的漂移、电磁干扰等诸多因素而引起模拟量给定抖动,因此系统速度给定更加可靠。(3) 速度连续 相对于采用开关量作为速度给定的系统,速度给定由离散量变成了连续量,使得变频器可以接受来自PLC的速度微调指令,以实现抬吊作业平衡。3 备用应急系统 当总线干缆或总线上某点出现损坏时,有可能使系统无法正常工作。因此,系统中设有一套备用的系统,以防止紧急情况下总线不能正常使用,但又不能停止作业的工况。变频器设有两套控制方式,一套采用总线通信,用于正常控制;一套采用开关量控制,用于应急状况。通过PLC切换两套参数,两套参数在手柄档位的速度给定上完全一致,因此从使用角度感觉不出两套参数的切换。4 同步与纠偏 行车在抓斗提升抬吊作业时,系统进入自动纠偏模式,以保证吊钩在抬吊时钢丝位置同步。由于机械安装时磨擦阻转矩,机械抱闸的调整不可能完全一致,因此系统不采用动态实时纠偏,而采用一种折衷方案,其工作原理为:首先,系统在PLC中设置2个阈值,阈值1用于启动吊钩的自动纠偏,阈值2用于结束自动纠偏;其次,PLC读入安装在起升卷筒上编码器的数据并实时计算起升高度;再次,PLC比较所读入的2个起升高度,当2个高度之差大于阈值1时,PLC将一个微小的速度偏差量叠加在由手柄确定的基准速度上,当两个高度之差小于阈值2时,取消该偏差量,通过惯性进一步减少起升高差;最后,PLC将计算合成后的速度值能过Profibus-DP下载至变频器中,作为抓斗提升电机的速度给定。3 PLC软硬件设计及应用1 PLC的硬件设计 行车大车、小车、抓斗提升、抓斗开闭电机分别由不同的PLC控制,大车、小车、提升、开闭电机都运行在电动工作状态,变频器及PLC的控制结构及软、硬件实现基本相同。提升电机运行状态有电动、反接制动、再生制动等状态,变频器及PLC之间的控制结构较大车、小车复杂。以提升电机为例,其PLC的I/O接线如图2所示,变频器接线图如图3所示。2 车的工作过程 图2 PLC系统的I/O接线图 图3 变频器接线图 当行车的驾驶室及横梁拦杆的门关好后,1#、2#安全开关的常闭接点打开,急停开关断开,主令控制器置于零位,此时才能按下启动按钮,接通电源。当主令控制器置于上升档位,电机正转,通过调节速度档位,控制变频器输出不同的电压,达到调节抓斗提升电机的转速。当主令控制器置于下降3挡且满负荷时,电机正转,此时电机处于反接制动状态。当主令控制器置于下降2挡且负荷较重时,为强制下降阶段,电机反转,在重力加速度的作用下,电机进入再生制动状态。另外,当电机由稳定高速向低速换档极快时,电机也会进入再生制动状态。当主令控制器置于下降1挡时,电机反转,处于电动状态。运行中,不论何种原因电机停止运转,为防止重物急速下降,保留了原来的三相液压制动器。 在紧急状态下,可按下急停按钮,一方面机械制动器动作,另一方面,将变频器紧急停机控制端EMS接通,变频器停止工作。当抓斗提升电机因故障跳闸,热继电器动作,电机过载等动作,在故障排除后,可按下复位按钮,接通变频器复位控制端RST,使变频器恢复到运行状态。3 PLC的软件设计 选用FXON系列PLC,采用摸块式编程,具体模块如下:(1) 高度换算功能块。用于将格雷码转换成二进制码,二进制码转换成起升高度及起升高度偏差调整;(2) 变频器开关量控制功能块。用于大车、小车及抓斗起升变频器起动、停止和速度给定的开关量控制;(3) 变频器的通信控制功能块。用于大车、小车、提升电机变频器的启动、停止、速度给定。还用于变频器的控制字与状态字的读取。图4为大车的软件控制流程图,小车、提升电机、开闭电机的软件流程图和大车的相似。4 安全保护措施(1) 配电部分:除设有缺相、过流、短路等保护外,还在行车两侧端梁及平台处设置2只安全开关,只有开关均闭合时,才允许行车运行。在行车上还设有登机请求及应答按钮,用于行车工作中其它工作人员的安全登机。(2) 变频器部分:选用的ACS600系列变频器具有电机过载、缺相、接地、过流、直流母线过压等保护,抓斗提升电机及小车变频器当切换至总线控制方式时具有通信故障监视功能。(3) 行程开关保护:各机构均设有行程限位保护。单动工况时,小车及抓斗提升限位开关各自独立;联动工况时,小车1后限位及小车2前限位作为联动工况允许条件,小车1前限位及小车2后限位做为小车限位,起升1及起升2只要有一个限位动作,则视为起升限位。(4) 其它保护:所有机构均有零位保护、过流保护。抓斗提升机构还有超载保护及超速保护。当超速开关动作时,断开变频器主接触器电源。4 结束语 PLC控制的变频拖动系统应用到行车,各电机各档速度、加速时间、制动时间都可根据实际工况条件设定,而且十分方便。从运行结果来看,负载变化时,电机速度运行平稳。设备的故障率大幅度降低,电机烧毁明显减少,同时减少了到电网高次谐波的影响。设备检修时排除故障的速度明显加快,设备维护量大大减少。
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