工业企业自动化概术.docx

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1、工业企业自动化概术 日本企业界在1970年左右最早提出机电一体化技术这一概念，当时他们取名为“mechatronics”,即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综台计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术( opto-mechatronics)方向发展，应用范围愈来愈广。机电一体化技术具体包括以下内容： (1) 机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，

2、满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 (2) 计算机与信息技术其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术，神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 （3）系统技术系统技术即以整体的概念，组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。 (4) 自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调

3、试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 (5) 传感检测技术传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程度就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。（6) 伺服传动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件，对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。 一、PLC可编程控制器一、PLC的发展历程在工业生产过程中，具有大量的开关量顺序控制，要求按照逻輯条件进行顺序动作，并按照逻辑关

4、系进行连锁保护动作的控制，及大量离散的数据采集等。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车)公司公开招标，提出研制能够取代继电器的控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司( DEC)研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称programmable controller (PC)。个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程序控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controlle ( PLC)，现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义

5、有许多种。国际电工委员会(IEC)对 PLC的定义是：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40% 在这时期，PLC在处理模拟量能力，数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高。PLC逐渐进入过程控制领域，而且在某些应用上取代了

6、在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 现今，PLC已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高，抗干扰能力強，编程简单等特点。在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。 二、 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 三、PLC的各组成元素的构成及功能： 1、 CPU的构成及功能CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主

7、要由运算器、控制器，寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。CPU单元还包括外围芯片，总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。对使用者来说，不必详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令

8、，但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作的。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2、I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块则相反。I/O种类有：开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入（AI），模拟量輸出(AO)等。开关量：是指只有开和

9、关(或1和0)两种状态的信号，糢拟量：是指连续变化的量，常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC, 110VAC，24VDC。按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型(4-20mA，0-20mA)。按精度分，有12bit,14bit，16bit 等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻，热电偶，脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.内存内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。不同机型的PLC其内存大小也不尽相同，

10、除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。 4、电源糢块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。有的同时还为輸入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源( 220VAC或110VAC)直流电源(常用的为24VDC)5、底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系。使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 6. PLC系统的其它设备1)编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的工作状

11、况，伹它不直接参与现场控制运行。某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。2)人机界面：A.最简单的人机界面是指示灯加按钮，B.目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛，C.由计算机(运行组态软件)充当人机界面也非常普及。3）输入输出设备用于永久性地存储用户数据。如 EPROM、 EEPROM写入器，条码阅读器，輸入模拟量的电位器，打印机等。 7、PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使

12、PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信，还未实现互操作性，lEC规定了多种现场总线标难，PLC各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特別是中大规模控制系统)来讲，选择网络是非常重要的。A.首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；B.其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；C.再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次

13、所使用的网络标准。 四、PLC 工作原理 在此就新加坡SYSMAC PLC (可编程序控制器)中共通的基本动作，对初次选用SYSMAC PLC的客户以必要的术语为中心进行解说。但不包括您购买后的FA（工厂自动化）系统和PLC编程设计时所需要的技术信息。1、I/O刷新在PLC(可编程序控制器)中，客户所设计的用户程序通过一边读写PLC内的存储器区域(欧姆龙称I/O存储器)的信息，一边将指令从开始到最后逐个执行的方式来进行处理。另一方面,对于与PLC或I/O单元直接相连的感应器/开关等PLC外的数据，按照一定时序，会与PLC内的I/O存储器的数据一并更新。这种PLC外的数据与PLC内的I/O存儲器

14、的数据的一并更新，即称为I/O刷新动作。了解按照怎样的时序进行I/O刷新，在研究客户所设计的FA系统和用户程序的动作时非常重要。SYSMAC PLC的情况下，该I/O刷新动作会在执行完所有的指令后马上进行。2 周期时间在PLC处理周期中，从I/O刷新执行(开始)到下一次的I/O刷新执行(处理)之间的时间，即周期时间。周期时间包含共通处理(自我诊断)、用户程序执行处理、I/O刷新处理、外围服务处理器所需要的时间。1）、如周期时间过长，则与PLC外部进行数据更新的周期变长，输入输出的响应时间变长，导致无法获取比周期时间短的输入的变化。2）、 如周期时间短，则输入输出的响应时间变短，可进行高速处理。

15、3）、 如更改周期时间，则命令的执行间隔及输入输出的响应时间也会改变。SYSMAC PLC的情况下，可按照以下的步骤计算出周期时间.周期时间(Cycle time)=共通处理时间 + 指令执行时间 + I/O刷新时间 + 外围服务时间各SYSMAC PLC机种的执行时间的计算方法，在产品手册中有记载。3、中断任务通常，在PLC的处理周期内，用户程序包括I/O刷新等其他处理，将按顺序执行。详参I/O刷新。 在这个处理周期中能够优先执行的处理，即中断任务。如果事先指定的中断条件成立，则中断处理周期，优先执行该处理，(根据SYSMAC PLC机种的不同，也有将“中断任务”表示为“中断程序”的情况，在

16、本文中采用CS/CJ系列中使用的中断任务的表示法进行说明) 例如，在SYSMAC cs/cJ系列中，作为中断任务，可提供断电中断，定时中断、I/O中断、按内部计时器的恒定周期中断、外部中断等方式。 主要的中断任务内容1）、断电中断 电源切断时执行2）、定时中断 按一定的时间间隔执行3）、I/O中断 在中断输入单元的接点上升沿处执行4）、外部中断 有来自高功能I/O单元、CPU高功能单元、内插板(仅CS系列)的请求时执行。 4、I/O分配在用户顺序中，为了对PLC内装载的输入輸出单元的输入，输出信号进行处理，有必要事先为其分配PLC内的I/O存储器的地址。将PLC内装载的单元的输入，输出信号分配

17、到I/O存储器上，即为I/O分配。 CPU单元即根据该I/O分配信息执行装载单元及I/O刷新动作。 5、在线自动登录 6 离线自动登录 7、CPU单元的存儲区域在PLC内，进行用户程序、I/O存储器的数据及注释信息、CPU单元及高功能单元的设定信息,登录I/O表信息等各类的数据的处理。保存这些PLC所处理的全部数据的地方，即CPU单元内的存储区域。SYSMAC PLC时，有以下3种存儲区域（8，9，10），由电池支持.此外，在SYSMAC CS/CJ系列，因有内置闪存可将存储区域的内容受到支持，即使电池的电压降低，用户程序和参数区域的数据也不会消失。8、用户程序区域记录客户所设计的用户程序。9

18、、I/O存储器区域通过指令的操作码，可以访问该区域。记录通道I/O (CIO)、内部辅助继电器、保持继电器、特殊辅助继电器、数据存储器、扩展数据存储器、当前值、计时完成标志，当前值、计数完成标志，地址寄存器、数据寄存器、条件寄存器、时钟脉冲等的信息。I/O存储器区域的数据中包括：断电后恢复时，内容会被清除的区域，以及可保持以前的信息的区域。10、参数区域PLC所处理的各种初始设定信息。记录PLC系统设定、登录I/O表、路由表、CPU高功能单元系统设定等信息。二、 伺服电机交流伺服电机的工作原理伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机

19、自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度，伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。什么是伺服电机?有几种类型?工作特点是什么?答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别?答:交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单、便宜。 永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电

20、子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90 年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：1、无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。2、定子绕组散热比较方便。3、惯量少，易于提高系统的快速性。4、适应于高速大力矩工作状态。5、同功率下有较小的体积和重量。1

21、978年德国MANNESMANN的Rexroth公司的lndramat分部在汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80 年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器( DSP)的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为 的永磁交流伺服系统日本安川电机制作所推山的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床(最高转速为100

22、0r/mjn，力矩为0.252.8N.m)，R系列适用于机器人(最高转速为3000r/min，力矩为(0.0160.16N.m)。之后又推出M、F、S、H、 C、G 六个系列。 20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051 单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列(功率范围为0.056kW)较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。日本法奴克( Fanuc)公司（以生产机床数控装置而

23、著名），在20世纪80年代中期也推出了S系列(13个规格)和L系列(5个规格)的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特別快速响应的位置伺服系统。日本其他厂商，例如：三菱电动机(HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS. HC-RFS和 HC-UFS系列)，东芝精机(SM系列)、大隈铁铁工所(BL系列)、三洋电气(BL系列)、立石电机(S系列)等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。德国力士乐公司( Rexroth)的lndramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分

24、为标准型和短型两大类，共八个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61 系列，最多的可供6个轴的电动机控制。德国宝石( BOSCH)公司生产铁氧体永磁的SD系列(17个规格)和稀土永磁的SE系列8个规格)交流伺服电动机和 Servodyn SM系列的驱动控制器。 美国著名的伺服装置生产公司GettyS 曾一度度为Gould电子公司一个分部(Motion ControlDivision)，生产M600系列的交流伺服电动机和 A600 系列的伺服驱动器。后台并到 AEG，恢复了Gettys名称，推山

25、A700全数字化的交流伺服系统。 美国A-B (ALLEN-RBADLEY)公司驱动分部生产1326 型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。 I.D.(Industrial Drives)是美国著名的科尔摩根( Kollmorgen) 的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、 BR-510 三个系列共41 个规格的无刷伺服电动机和BDS3 型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的(Goldline)永磁交流伺服电动机，包括B(小惯量)、M(中惯量)和EB(防爆型)三大类，有10.、20、40、60、80五种机座号，每大类

26、有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84111.2N.m，功率范围为0.5415.7kW。配套的驱动器有BDS4 (模拟型)，BDS5 (数字型、含位置控制)和Smart Drive (数字型)三个系列，最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。 爱尔兰的Inland原为Kllmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺服电动机，直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT1100、2200、3300 三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。 法国Alsthom集团在巴黎的Parvex 工厂生产LC系列(长

27、型)和GC系列(短型)交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。 原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中By系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3 种铁心长度，各有两种绕组数据，共12 个规格，连续力矩范围为735N.m。2By系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范限为0.1l70N.m，配套的是3型控制器。 近年日本松下公司推出的全数字型MlNAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.035kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.754.5kW，共23种规

28、格，MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.55kW，有7种规格。 韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS,CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W5kW。 现在常采用( Powerrate)这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续(额定)力矩和转子转动惯量之比。按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D的Goldline系列为最佳，德国Siemens 的IFT5系列次之。步

29、进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电动机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。1、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用

30、于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司(BERGER LAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8 0.9、072、 0.36、0.18、 0.09、 0.072、 0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1

31、/655。 2、低频振动现象不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( FFT)，可检测出机械的共振点，便于系统调整。3、转矩特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所

32、以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取較大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。5、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现

33、丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。6、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200 400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以

34、，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素选用适当的控制电机。三、工业人机界面可编程序控制器Programmable Logic Controller在工业自动化中占有举足轻重的地位。技术的不断发展极大地促进了基于PLC为核心的控制系统在控制功能、控制水平等方面的提高。同时对其控制方式、运行水平的要求也越来越高，因此交互式操作界面、报警记录和打印等要求也成为整个控制系统中重要的内容。对于那些工艺过程较复杂，控制参数较多的工控系统来说，尤其显得重要。新一代工业人机界面的出现，对于在构建PLC 工控系统时实现上述功能，提供了一种简便可行的途径。工业人机界面的特点和功能 工业人机

35、界面Human Machine Interface，简称HMI，又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。工业人机界面以特殊设计的计算机系统32位RISC CPU芯片为核心，在STN，TFT液晶显示屏或EL电发光显示器上罩盖有透明的电阻网络式触摸屏。触动屏幕时，电阻网络上的电阻和电压发生变化并由软件计算出触摸位置。 HMI的主要功能有：数据的输入与显示;系统或设备的操作状态方面的实时信息显示;在HMI上设置触摸控件可把HMI 作为操作面板进行控制操作；报警处理及打印。此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。 HMI 在PLC工控系统

36、上的应用 下面以国内某大型浮法玻璃生产线冷端切割区主控系统为例，介绍HMI 在PLC 工控系统上的应用。1、系统概述 切割区为浮法玻璃生产线中一个重要工段，其中包括测量发讯、纵切、横切、掰断加速、掰边、纵掰纵分，输送辊道等众多生产控制设备。系统硬件上主要由主控制器PLC，现场设备控制装置，包括伺服控制器、变频器、模拟量信号及脉冲信号处理器等和HMI 构成。作为整个控制系统的核心，切割区主控系统在正常生产时根据生产工艺要求协调各个单机控制子系统的工作，制定切割计划，实现整个生产过程全自动化。整个系统的核心控制部分由日本三菱FX-200系列 PLC完成，此部分内容本文略，而系统的监控和交互式操作界

37、面等任务将由HMl 承担。主要有以下内容：系统参数的设定；动态画面的显示；故障报警与诊断。其中HMI选用深圳显控公司的SA-5.7型人机界面。2、HMI与 PLC之间的通讯 当HMI用于PLC控制系统时，HMI 与PLC之间通过串口以Direct Link(直接连接)方式进行通讯。在该方式下，HMI 根据要求直接读入PLC的数据或把数据写入PLC相应的地址中。由于内装通讯协议，因此无须编制通讯程序，只要指定所用PLC类型即通讯协议，运行时便可实现通讯。因此大大减少了PLC 用户程序的负担。在系统设计时，直接指定控制部件与其对应PLC的输入输出（I/O）、寄存器(R)、中间寄存器(M)的地址，运

38、行时HMI就能自动和PLC进行数据交换。直接读取或改写PLC相应地址的内容，并据此改变画面上显示内容。同时通过对HMI 的触摸操作，可向PLC相应的地址输入数据。3、HMI 监控主画面 整个HMI 监控系统采用树型结构，由监控主画面及相应功能子画面组成。在监控主画面下端设有控制功能键，按动功能键可以依次进入相应子画面，执行所需的功能。在每一个子画面中可通过上一页，下一页功能键在同一功能组中进行画面切换，在任一子画面都可以通过主画面功能键退回到监控主画面。系统自动采集相关数据，将切割计划、测量脉沖、辊道速度等一些重要生产工艺参数显示在主画面上，便于操作人员的观察。监控主画面上还有生产过程的动态画

39、面显示，在动态画面上以各种形式模拟出主要控制设备的运行情况，例如光电开关的动作、电磁阀的吸合、电机的运行停止等，直观、生动的反映出现场的过程，方便操作人员对生产情况、设备工况的了解。显控公司的HMI编程软件SamDraw3.1提供了丰富的控制部件，例如按钮部件、画面切换部件、指示灯部件、数据文本显示部件等等，实现上述功能只要根据需要选择相应的控制部件，定义好其属性即可。SamDraw3.1 采用监控软件通用模式，所有控制部件的属性通过组态形式完成，以实现相应控制功能，使用SamDraw3.1 内附的图库及作图工具来构造生产现场的模拟画面，简便易行。内容丰富的作图工具库，使得画面生动，丰富多彩。

40、而且SamDraw3.1 还支持图片上传以及自定义图库功能，用户可以很方便的将本地图片生成为图库或控件，在以后的组态过程中可以很方便的调用。此外，充分利用HMI 的优势将原先布置在控制柜上的开关、指示灯尽可能地用HMI 中的控制部件替代，这样做减少硬件设备，简化了现场设备间的接线，更重要的是给设计和调试带来诸多方便。四、变频器1、什么是变频器？变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。2.、PWM和PAM的不同点是什么? PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)的缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一

41、种调制方式。 PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)的缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量和波形的一种调制方式。 3、电压型与电流型有什么不同? 变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变? 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毀电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变

42、频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。 5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加? 频率下降(低速)时，如果输出相同的功率，则电流增加，但在转矩一定的条件下，电流几乎不变。 6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样?采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下（根据机种不同，为125%200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为67倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起

43、动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2-1.5倍，起动转矩为70%120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。 7、V/f模式是什么意思? 频率下降时电压V也成比例下降，这个问题己在问答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置( ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。8、按比例地改变V和f时，电机的转矩如何变化? 频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生的转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f，要使输出电压提高一些，以便获得一定的起动转矩

44、，这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现，有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。9、在说明书上写着变速范围60-6HZ，即10：1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗?在6Hz 以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.53Hz。10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以?通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50HZ以上的模式)电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。11、所谓

45、开环是什么意思?给所使用的电机装置设速度检出器(PG)，将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办?开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内(1%5%)变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器（选用件)。13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗? 具有PG反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的值取块于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率

46、。 14、失速防止功能是什么意思? 如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速，使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速防止功能。15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。16、什么是再生制动? 电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作。就叫作再生制动，也叫电气制动。17、是否能得到更大的制动力? 从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%20%。如采用选用件制动单元，可以达到50100%。18、请说明变频器的保护功能?保护功能可分为以下两类：(1)、检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。(2)、检知异常后封锁电力半导体