PLC在电力拖动控制线路中的应用实践探析

朱子仲

【摘 要】可编程逻辑控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术的自动控制产品，具有功能强大、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适合工业环境下应用等一系列优点，近年来在工业自动化、机电一体化、传动产业技术改造等方面应用越来越广泛，成为现代工业控制三大支柱之一。本文以五相混合式步进电动机为研究对象，对其进行工作原理、特性、优缺点等方面的研究，并使用西门子的S7-200系列PLC为控制核心，设计一套电动机模拟控制系统。

【关键词】PLC；电力拖动；控制线路；应用

一、引言

在现代高精度控制系统中多采用两相、三相和四相步进电机进行控制，其控制精度不够高、性能一般。五相混合式步进电动机和两相、三相和四相步进电机相比性能更稳定、可靠性更高，在相对控制精度要求较低的情况下，为了节省成本常采用开环控制，近十几年来随着数字技术和电子计算机技术的迅速发展为五相混合式步进电动机在自动控制系统中的应用开辟了广阔的前景，例如数控机床、绘图机、计算机外围设备、自动记录仪表、钟表等。

二、PLC电力拖动控制线路硬件分析

（一）可编程逻辑控制器（PLC）

可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

1.PLC的硬件结构

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/0 以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/0映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/0映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/0 映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。

存储器：与微型计算机一样，除了硬件之外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC 的软件分为两部分： 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。PLC 存储空间的分配： 虽然大、中、小型PLC 的CPU 的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域： 系统程序存储区，系统RAM 存储区（包括I/0 映像区和系统软设备等） 和用户程序存储区。系统程序存储区： 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC 的各项功能。系统RAM 存储区： 系统RAM存储区包括I/0映像区以及各类软设备（例如： 逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。I/0 映像区：由于PLC 投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。

2.PLC的工作原理

可编程逻辑控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程逻辑控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程逻辑控制器停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程逻辑控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。可编程逻辑控制器的这种周而复始的循环工作方式称为3描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。

（二）S7-200 PLC

S7-200 PLC是德国西门子公司生产的一种小型PIC，其某些功能达到中型PLC 的水平，而价格却是小型PLC的价格，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PIC，日本的小型PIC占据了中国的大部分市场份额，在S7-200 PLC推出后，这种情况得到了明显改变，2000 年以后，在小型PLC市场上，S7-200 PLC成为了主流产品。

西门子最早的小型PLC 产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21* 系列的PIC，但很快就被CPU22*系列的产品所取代了。由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC 网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。现在最新版的S7-200 系列PLC是在2004年推出的，它的主要特点是：极高的可靠性、极丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性强和强大的通信能力。最近几年，西门子公司针对小型PLC市场加大了创新力度，先后推出了S7- 1200 系列PLC和S7- 200 Smart PLC，前者的市场定位略高于S7-200 PLC，后者略低于S7- 200PLC。不能简单说这两款产品就是S7-200 PLC 的替代品，它们各有其特色功能。可能西门子公司从全球战略和自身其他方面的因素考虑推出了S7-1200和S7-200 Smart，但目前不论从市场占有率，还是从性价比、产品线、通信联网，以及某些实用功能等方面来比较，S7-200PIC都超过S7-1200和S7-200Smart。考虑到目前S7- 200 PLC 在中国的实际应用情况，本文选用这一型号应用于我所设计的控制系统。

三、PLC电力拖动控制线路驱动分析

（一）单电源驱动电路

这种电路采用單一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电机的驱动。由于本文的研究对象为小型电机，且受研究条件的限制，所以选用此种驱动电路。

（二）测速方式介绍

一块长度为l，宽度为b，厚度为d的半导体薄片，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在其相对两边流通控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在该半导体另外两边将产生一个与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度，该电势称为霍尔电势，该半导体薄片就是霍尔元件，其大小和外磁场及电流成比例。霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，广泛应用于测量转动物体旋转速度领域。这里选用SPRAGUE公司生产的霍尔转速传感器，它是一种硅单片集成电路，其内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。霍尔传感器信号放大器将霍尔电势UH放大后再经整形、放大，输出幅值相等、频率变化的方波信号，该霍尔电势的幅值随磁场强度变化而变化。将该方波信号传输给有计数功能的芯片，并结合数码管显示电路便可得到步进电机的转速。

四、总结

PLC模拟控制电机控制系统符合现场使用要求，具有自动工作模式，控制灵活。控制系统编程简单明了，一般的技术人员都可以看懂，因此对工艺流程的修改非常方便。比如修改每一步的运行速度和哪一步的运行方向都非常灵活。但也有不足之处就是PLC的价格较高，不利于推广，但是PLC的网络控制又是它的最大优势。

【参考文献】

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[3]KADYLBEK ZHALYN（加棱）. 电力拖动典型负载模拟系统设计与实现[D].东华大学，2016.