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摘 要
隨著我國城市化進(jìn)程的加快和人口大量集聚，環(huán)境越來越重要，好的環(huán)境能使心身愉快，做事效率提高。其中噴泉可以濕潤周圍空氣，減少塵埃，降低氣溫。噴泉的細(xì)小水珠同空氣分子撞擊，能產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子，有益于改善社區(qū)面貌和增進(jìn)居民身心健康。
花式音樂噴泉采用了可編程控制器PLC和變頻器，用軟件實(shí)現(xiàn)對花式音樂噴泉運(yùn)行的自動控制，可靠性大大提高?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化，可方便的增加或改變控制功能，也可以進(jìn)行故障自動檢測與報(bào)警顯示，提高運(yùn)行安全性，并便于檢修。用SFC 方法編程,可以使設(shè)計(jì)思路清晰,編程簡便。而變頻器調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和起制動性能、高效率、高功率因素和節(jié)電效果，可以控制噴泉水位的高度，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而獲國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。因此，可編程控制器PLC技術(shù)加變頻器調(diào)速技術(shù)已成為現(xiàn)代噴泉行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)是利用PLC 和變頻器的調(diào)速技術(shù)，因而有三種噴水花樣可供選擇；能夠控制每環(huán)噴水管噴水的高度；噴水時(shí)要有燈光顯示；可以根據(jù)不同的季節(jié)、不同的場合可改變噴水的花樣。將各種水型及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序發(fā)出控制信號，使水型及燈光有各種各樣的變化。
關(guān)鍵字：PLC，花式音樂噴泉，梯形圖，變頻器
ABSTRACT
With the acceleration of urbanization and a large population concentration, environment is more and more important, good environment, can make the work efficiency of psychosomatic. Including fountain can reduce dust around, moist air temperature, lower. The tiny water fountain with air molecules, can produce large impact of negative ion, to improve and enhance community residents of physical and mental health.
Fancy fountain adopts PLC and inverter programmable controller, with software to realize the automatic control of fancy fountain operation reliability and greatly increased. Control system structure is simple, convenient, exterior lines simplify the increase or change control function, also can undertake fault detection and alarm automatically, improve safety and easy maintenance. Using SFC method, can make the design program of clear thinking, simple programming. With its excellent and speed-regulate of speed and braking performance, high efficiency, high power factor and energy saving effect, and can control the water fountain, broad scope of height and many other advantages and domestic grandpa think most promising speed. Therefore, the programmable controller PLC technology and speed-regulate technology has become a hot spot of modern fountain industry.
This design is the use of PLC and inverter control technology, which have three spray pattern selection, To control the height of each loop PenShuiGuan water-jet, When a light will show water, According to different season, the different situations can change the pattern of water. All sorts of water and light, according to the predetermined permutation and combination of control program design, through the computer to run a program to control signals, water and light have all sorts of change.
KEY WORDS: PLC programmable controller， fountain， frequency converter， ladder diagram
目 錄
前 言 1
第1章 課題設(shè)計(jì)簡介 2
1.1 課題研究背景 2
1.2 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容 3
1.3課題設(shè)計(jì)的目的和意義 3
第2章 系統(tǒng)控制方案的確定 5
2.1 花式音樂噴泉的概述 5
2.2采用PLC控制花式音樂噴泉的優(yōu)點(diǎn) 5
2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 6
2.4系統(tǒng)控制方案 6
2.5花式音樂噴泉控制系統(tǒng)的原理圖 8
第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9
3.1可編程控制器(PLC)的選型 9
3.1.1 PLC概述 9
3.1.2 PLC的編程 12
3.1.3 PLC的分類 14
3.1.4 PLC的選型 15
3.2變頻器的簡介 17
3.2.1 變頻器的組成與工作原理 18
3.2.2 變頻器的作用 22
3.2.3 國產(chǎn)變頻器 22
3.2.4 變頻器的前景 23
3.2.5 變頻器的選型 24
3.3水泵的選型…………………….......…………………………..24
3.4 硬件接線圖 25
3.5 I/O分配表 26
第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28
4.1 PLC梯形圖概述 28
4.2 SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件的操作方法 28
4.3系統(tǒng)工作過程分析 29
4.4控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 29
4.4.1 花式音樂噴泉的第一種花樣 29
4.4.2 花式音樂噴泉的第二種花樣 32
4.4.3 花式音樂噴泉的第三種花樣 33
結(jié) 論 36
謝 辭 37
參考文獻(xiàn) 38
附 錄Ⅰ 39
附 錄Ⅱ 40
外文資料翻譯…………………………………………………………..43
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前 言
隨著城市化進(jìn)程的加速，花式音樂噴泉可以在人們周圍隨處可見。比如廣場，大廈，小區(qū)等?；ㄊ揭魳穱娙侨嗽煨夂颍谘谉岬南娜湛梢云鸬皆鰸窈徒禍氐淖饔?；
也為水體充氧，有利于水體增加自凈能力，起到防止水體黑臭的作用。
花式音樂噴泉運(yùn)行的靈活性是評價(jià)花式音樂噴泉優(yōu)劣的關(guān)鍵，而這與花式音樂噴泉的控制系統(tǒng)息息相關(guān)?；ㄊ揭魳穱娙梢愿鶕?jù)自己的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出各種各樣的花樣，加上燈光，能給人有種不錯(cuò)的視覺享受。
噴泉系統(tǒng)的控制復(fù)雜程度根據(jù)人們對噴泉的觀賞性的不同而有所不同。噴泉控制系統(tǒng)可以是一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)，也可以是一個(gè)相對復(fù)雜的控制系統(tǒng)；其對被控制對象的控制，既可以是相對粗略的控制，也可以是嚴(yán)格按照某一音樂旋律相對比較精確的控制。當(dāng)然，隨著人們對噴泉要求的提高，控制會變得相對復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來也會需要性能更加可靠、功能更加強(qiáng)大的控制器。
第1章 課題設(shè)計(jì)簡介
1.1 課題研究背景
1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制書上世界第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國（GM）的生產(chǎn)線上。但當(dāng)時(shí)只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制期，簡稱PLC（programmable logic controller）。
70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，使PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制域，真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC（programmable controller）.但由于PC容易與個(gè)人計(jì)算機(jī)（programmable computer）相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程器的縮寫。
1985年國際電工委員會（IEC）對PLC的定義如下：
可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。
PLC是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：（1）邏輯運(yùn)算（2）弱電控制強(qiáng)電。
PLC是集自動控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位?？删幊炭刂破鳎喎QPLC。它在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一中新型工業(yè)控制設(shè)備。 具有以下特點(diǎn)：
1. 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)
2. 設(shè)計(jì)、安裝容易，維護(hù)工作量少
3. 功能強(qiáng)、通用性好
4. 開發(fā)周期短，成功率高
5. 體積小，重量輕、功耗底等特點(diǎn)。
6. 功能強(qiáng)、配置靈活、使用方便優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電——接觸器系統(tǒng)相比系統(tǒng)更加可靠；價(jià)格上能與繼電——接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與于之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。
因此，進(jìn)行花式音樂噴泉的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動噴泉行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大PLC在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價(jià)值。
1.2 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容
本設(shè)計(jì)將在以下幾個(gè)方面對花式音樂噴泉的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和論證。
1. 花式音樂噴泉類型的選擇。綜合花式音樂噴泉的類別和各類的特點(diǎn)和要求，在本課題中主要研究能有三種噴水花樣可供選擇；能夠控制每環(huán)噴水管噴水的高度；噴水時(shí)要有燈光顯示；可以根據(jù)不同的季節(jié)、不同的場合可改變噴水的花樣。將各種水型及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序發(fā)出控制信號，使水型及燈光有各種各樣的變化。
2. 花式音樂噴泉硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課題設(shè)計(jì)的花式音樂噴泉要求運(yùn)行迅速準(zhǔn)確度高，在花式音樂噴泉的格層檢測系統(tǒng)中選用用在工業(yè)自動控制上大量運(yùn)用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性能好的接近傳感器，運(yùn)用感應(yīng)器的開關(guān)量信號輸入給PLC來實(shí)現(xiàn)控制。由于本課題的具體需求在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要考慮了花式音樂噴泉的經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定、靈活、美觀的需要。
3. 花式音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中選用了目前運(yùn)用最多的PLC編程語言梯形圖，梯形圖的編程能直觀明了的設(shè)計(jì)花式音樂噴泉控制的要求，梯形圖的編寫運(yùn)用SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件，此軟件支持全部的三菱FX系列的PLC，并且具有強(qiáng)大的診斷功能，能更快的查找出故障的原因，從而大大縮短了維修時(shí)間。
1.3 課題設(shè)計(jì)的目的和意義
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已進(jìn)入個(gè)嶄新的時(shí)代，其應(yīng)用越來越廣。而隨著我國城市化進(jìn)程的加快和人口大量集聚，環(huán)境越來越重要，好的環(huán)境能使心身愉快，做事效率提高。其中噴泉可以濕潤周圍空氣，減少塵埃，降低氣溫。噴泉的細(xì)小水珠同空氣分子撞擊，能產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子，有益于改善社區(qū)面貌和增進(jìn)居民身心健康。
可編程序控制器（PLC）因?yàn)榉€(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、簡單易學(xué)、功能強(qiáng)大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。花式音樂噴泉控制要求接入設(shè)備使用簡便，對應(yīng)于系統(tǒng)組態(tài)的編程簡單，具有人性化的人機(jī)界面，配備應(yīng)用程序庫，加快編程和調(diào)試速度。通過PLC對程序設(shè)計(jì)，提高了噴泉的控制水平，并改善了噴泉的樣式。
第2章 系統(tǒng)控制方案的確定
2.1 花式音樂噴泉的概述
噴泉是一種將水或其他液體經(jīng)過一定壓力通過噴頭噴灑出來具有特定形狀的組合體，提供水壓的一般為水泵。
現(xiàn)代城市中的噴泉形式已十分豐富。隨著構(gòu)筑物的大小及水壓等的變化，噴泉或高或低、或珠或霧，精彩紛呈?？煞譃橐韵?種：
1. 普通噴泉：只有簡單的幾種固定水型及燈光，隨著電源的開閉而控制噴泉的運(yùn)行、水型和燈光變化。
2. 程控噴泉：將各種水型及燈光，按照預(yù)先設(shè)定的排列組合進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序發(fā)出控制信號，使水型及燈光有各種各樣的變化。
3. 音樂噴泉：在程序控制噴泉的基礎(chǔ)上加入了音樂控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過對音頻及MIDI信號的識別，進(jìn)行譯碼和編碼，最終將信號輸出到控制系統(tǒng)，使噴泉的造型及燈光的變化與音樂保持同步。
4. 水幕激光噴泉：將激光器發(fā)出的激光束射在水幕噴頭噴出的水膜上，激光束由激光控制系統(tǒng)編程控制，可發(fā)出多種多樣的圖案及色彩，照射在晶瑩透明的水膜上，形成斑斕奪目的奇異效果。
5. 水珍珠噴泉：利用特殊音波將水變成球體的噴水裝置和全頻高速閃光燈的視覺圖像效果的產(chǎn)品組成。
6. 游戲噴泉：又稱感應(yīng)泉，噴泉水柱根據(jù)游人的動作產(chǎn)生反應(yīng)，而且這種反應(yīng)具有不確定性，是一種互動式噴泉，增強(qiáng)了娛樂氛圍。
7. 跳跳噴泉：又名光亮泉。是一種高科技水景藝術(shù)，水形似根根晶瑩透徹地冰柱，一串串飛向空中，輕舞飛揚(yáng)。
2.2 采用PLC控制花式音樂噴泉的優(yōu)點(diǎn)
1. 控制方式上看： PLC軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。
2. 工作方式上看： PLC串行工作，不受制約。
3. 控制速度上看：PLC通過半導(dǎo)體來控制，速度很快，無觸點(diǎn)，顧而無抖動一說。
4. 定時(shí)、記數(shù)看： PLC時(shí)鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時(shí)范圍寬；有記數(shù)功能。
5. 可靠、維護(hù)看：PLC無觸點(diǎn)，壽命長，且有自我診斷功能，對程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)方便。
6. 性能、干擾看：PLC主機(jī)輸入與輸出的電源是相互獨(dú)立的，這樣就可以避免電源之間的干擾，并且輸入與輸出采用了光電隔離，這樣就可以減少干擾，因此，PLC提高了干擾能力。
7. PLC一般采用了密封、防塵、抗震的外殼封裝，這樣就可以很好的適應(yīng)一些惡劣的工作環(huán)境
2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟
在花式音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下幾點(diǎn)：
1. 深入了解和分析花式音樂噴泉的工藝條件和控制要求。
2. 確定I/O設(shè)備。根據(jù)花式音樂噴泉控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)等，常用的輸出設(shè)備有指示燈等。
3. 根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇合適的PLC類型。
4. 分配I/O點(diǎn)，分配PLC的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。
5. 設(shè)計(jì)花式音樂噴泉系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出周密完整的梯形圖程序，這是整個(gè)花式音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作。
6. 將程序輸入PLC進(jìn)行軟件測試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序更加完善。
2.4 系統(tǒng)控制方案
花式音樂噴泉系統(tǒng)的控制要求如下：
1. 1、2 均為外環(huán)形狀的噴水管,3 為內(nèi)環(huán)形狀的噴水管,4 為星形噴水管。
燈光系統(tǒng)由三條支路組成,分別為綠色燈支路（在1，2之間）、黃色燈支路（在2，3之間）、紅色燈支路（在3，4之間）。
2. 該噴泉共有三種花樣可供選擇。按下啟動按鈕,噴泉即開始工作,按下停止按鈕,則停止噴水。噴泉的工作方式(即噴水花樣) 由選擇開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
3. 該花式音樂噴泉有三種噴水花樣可供選擇:
第一種花樣,4、3、2、1 隔2 秒依次噴水,一起噴水15 秒后停下,再按1、2、3、4 的次序隔2 秒依次噴水,再一起噴15 秒后停下,以此規(guī)律循環(huán)。
第二種花樣,1、3 同時(shí)噴水,延時(shí)3 秒后1、3 停噴,同時(shí)2、4 噴水,交替運(yùn)行5 次后1、2、3、4 一起噴水,30 秒后停止,以此規(guī)律循環(huán)。
第三種花樣,1、2、3、4 按順序延時(shí)2 秒噴水,然后一起噴30 秒后1、2、3、4 再分別延時(shí)2 秒停噴,以此規(guī)律循環(huán)。
4. 通過變頻器可以控制每環(huán)噴水管的高度。在第一種花樣中，1、3管為慢速正轉(zhuǎn)噴水，2、4管為中速正轉(zhuǎn)噴水。
5. 燈光系統(tǒng)的控制:由PLC的X5輸入端為燈光系統(tǒng)控制的選擇按鈕,當(dāng)需要燈光配合時(shí),接通X5輸入端。此時(shí)可實(shí)現(xiàn)三路燈光的控制,即3,4任意一層噴水時(shí),紅色燈亮;2噴水時(shí),黃色燈亮;所有的噴頭噴水時(shí),綠色燈亮。
花式音樂噴泉池示意圖如圖2-1所示：
圖2-1花式音樂噴泉池示意圖
2.5 花式音樂噴泉控制系統(tǒng)的原理圖
在噴泉中，通過按鈕開關(guān)信號來控制PLC；因?yàn)橛?層噴水，因此用了1個(gè)變頻器來控制4個(gè)水泵?；ㄊ揭魳穱娙刂葡到y(tǒng)的原理圖如圖2-2所示：
圖2-2 花式音樂噴泉控制系統(tǒng)原理圖
第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 可編程控制器(PLC)的選型
3.1.1 PLC概述
1. PLC的輸入和輸出
通過對繼電器控制特點(diǎn)的介紹和最初通用汽車公司提出的要求分析。PLC要想取代繼電器控制，首先要解決外部設(shè)備的直接輸入問題。由于當(dāng)時(shí)主要集中在開關(guān)量控制，也就是開關(guān)量（觸點(diǎn)的開閉狀態(tài)）如何直接接入PLC并被PLC所識別，對此就需要解決以下幾個(gè)問題：有源接入，無源接入，絕緣問題，隔離問題和互相干擾問題。PLC就是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在其發(fā)展過程，人們曾將計(jì)算機(jī)直接用于工業(yè)控制，但是由于以下兩大問題沒有解決好而難以發(fā)展：一是I/O（輸入/輸出）問題，計(jì)算機(jī)不能直接和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備連接現(xiàn)在了應(yīng)用；二是計(jì)算機(jī)的I/O功能，開關(guān)邏輯處理不夠豐富和強(qiáng)大?，F(xiàn)在的PLC成功的解決了這兩個(gè)方面的問題，可以讓PLC和外部設(shè)備直接進(jìn)行物理的連接。計(jì)算機(jī)的內(nèi)部提供了豐富的從位邏輯到雙字運(yùn)算的強(qiáng)大的運(yùn)算功能，使其能夠完成復(fù)雜的控制功能，這也是PLC能夠迅速發(fā)展的原因。
輸出問題主要是接點(diǎn)的驅(qū)動能力問題，或者說是帶負(fù)載能力和輸出方式的問題。輸出動作次數(shù)的限制，是保證PLC的輸出接點(diǎn)能否驅(qū)動接觸器、電磁閥這樣的控制執(zhí)行元器件的問題至少要能直接驅(qū)動中間繼電器?，F(xiàn)在的PLC產(chǎn)品已經(jīng)完全有能力驅(qū)動這些元器件,并提供了多種輸出方式且動作次數(shù)可保證萬次無故障的產(chǎn)品。
2. PLC的定義
最初，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC。只能進(jìn)行計(jì)數(shù)、定時(shí)及開關(guān)量的邏輯控制。1987年2月，國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義是：可編程控制器是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向擁護(hù)的指令，并通過數(shù)字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。
3. PLC的特點(diǎn)
（1）可靠性高。在I/O環(huán)節(jié)，PLC采用了光電隔離、濾波等多種措施。系統(tǒng)程序和大部分的用戶程序都采用EPROM存儲，一般PLC的平均無故障工作時(shí)間可達(dá)幾萬小時(shí)以上。
（2）控制功能強(qiáng)。PLC采用的CPU一般是具有較強(qiáng)位處理功能的為處理機(jī)，為了增強(qiáng)其復(fù)雜的控制功能和連網(wǎng)通訊等管理功能，可以采用雙CPU的運(yùn)行方式，使其功能得到極大的增強(qiáng)。
（3）編程方便易學(xué)。第一編程語言（梯形圖）是一種圖形編程語言，與多年來工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人員學(xué)習(xí)。
（4）使用于惡劣的工作環(huán)境。采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場合。
（5）與外部設(shè)備連接方便。采用統(tǒng)一接線方式的可坼裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合于多種電器規(guī)格。
（6）體積小、重量輕、功耗底。
（7）性價(jià)比高。
（8）模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)場的需要進(jìn)行不同功能的擴(kuò)展和組裝，一種型號的PLC可用于控制從幾個(gè)I/O點(diǎn)到幾百個(gè)I/O點(diǎn)的控制系統(tǒng)。
（9）維修方便，功能更靈活。程序的修改就以意味著功能的修改，因此功能的改變非常靈活。
4. PLC的分類
不同的分類標(biāo)準(zhǔn)會造成不同的分類結(jié)果，PLC常用的分類方式有如下兩種。
按其I/O點(diǎn)數(shù)一般分為微型（32點(diǎn)以下）、小型（128點(diǎn)以下）、中型（1024點(diǎn)以下）、大型（2048點(diǎn)以下）、超大型（從2048點(diǎn)以上可達(dá)8192點(diǎn)以上）5種。
按結(jié)構(gòu)可分為箱體式、模塊式和平板式3種。
5. PLC的工作原理
CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通訊請求、執(zhí)行CPU自診斷測試及寫輸出等等內(nèi)容。
PLC可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。他意識周而復(fù)始的循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個(gè)組成部分，用戶程序不運(yùn)行時(shí)，PLC也在掃描，只不過在一個(gè)周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分的內(nèi)容。典型的PLC在一個(gè)周期中可以完成以下5個(gè)掃描過程。
（1）自診斷測試掃描過程。為保證設(shè)備的可靠行，及時(shí)放映所出現(xiàn)的故障，PLC都具有自監(jiān)視功能。
（2）與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的掃描過程。一般小型系統(tǒng)沒有這一掃描過程，配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)才有通訊掃描過程，這一過程用于PLC之間及PLC與上位計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。
（3）用戶程序掃描過程。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期內(nèi)都包含該掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否執(zhí)行是可控的，即用戶可以通過軟件進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長短會影響過程所用的時(shí)間。
（4）讀輸入、寫輸出掃描過程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都包含這個(gè)掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。CPU在處理用戶程序時(shí)，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的，運(yùn)算的結(jié)果也不直接送到實(shí)際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個(gè)映象寄存器：一個(gè)為輸入映象寄存器，另一個(gè)為輸出映象寄存器。用戶程序所用的輸入值是輸入映象寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器。在輸入掃描過程中，CPU把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器：在輸出掃描過程中CPU把輸出映像寄存器的值的輸出點(diǎn)。
循環(huán)掃描有如下特點(diǎn)：
（1）掃描周期周而復(fù)始地進(jìn)行，讀輸入、輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。
（2）輸入映像寄存器的內(nèi)容是由設(shè)備驅(qū)動的，在程序執(zhí)行過程中的一個(gè)周期內(nèi)輸入映像寄存器的值保持不變，CPU采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像寄存器的值來控制程序的執(zhí)行。
（3）對同一個(gè)輸出單元的多次使用、修改次序會造成不同的執(zhí)行結(jié)果。
（4）各個(gè)電路和不同的掃描階段會造成輸入和輸出的延遲，這是PLC的主要缺點(diǎn)。
在讀輸入階段，CPU對各個(gè)輸入端子進(jìn)行掃描，通過輸入電路將各輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入映象寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段，CPU按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映象寄存器和輸出映象寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映象寄存器。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變——輸入端子狀態(tài)變化只能在下一個(gè)周期的輸入階段才被集中讀入。
3.1.2 PLC的編程
PLC的硬件系統(tǒng)中，與PLC的編程應(yīng)用關(guān)系最直接的要算數(shù)據(jù)存儲器。計(jì)算機(jī)運(yùn)行處理的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在存儲區(qū)中，找到待處理的數(shù)據(jù)一定要知道數(shù)據(jù)的存儲地址。
PLC和其他的計(jì)算機(jī)一樣，為了使用方便，數(shù)據(jù)存儲器都作了分區(qū)，為了每個(gè)存儲單元編排了地址，并且經(jīng)機(jī)內(nèi)系統(tǒng)程序?yàn)槊總€(gè)存儲單元賦予了不同的功能，形成了專用的存儲元件。這就是前面提到過的編程的“軟”元件。為了理解方便，PLC的編程元件用“繼電器”命名， 認(rèn)為它們象繼電器一樣具有線圈以及觸點(diǎn)，并且線圈得電，觸點(diǎn)動作。當(dāng)然這個(gè)線圈和觸點(diǎn)只是假象，所謂線圈得電不過是存儲單元置1，線圈失電，不過就是存儲單元置0，也正因?yàn)槿绱耍覀兎Q之為“軟”元件。但是這種“軟”繼電器也有個(gè)突出的好處，可以認(rèn)為它們具有無數(shù)多對動合動斷觸點(diǎn)，因此每取用一次它的觸點(diǎn)，不過是讀一次它的存儲數(shù)據(jù)而已。
1. PLC的編程結(jié)構(gòu)功能圖
任何語言都有編程的對象和基礎(chǔ)，重要介紹梯形圖語言和語句表語言，而功能圖是理解這兩種語言的基礎(chǔ)。
輸入繼電器是由外部輸入驅(qū)動的，梯形圖中只能使用其介入點(diǎn)狀態(tài)值，用戶不能改變輸入繼電器的狀態(tài)。輔助繼電器的種類和多少決定了PLC控制功能的強(qiáng)弱，相當(dāng)于工作寄存器的多少和功能的強(qiáng)弱。
實(shí)際的PLC中并沒有圖中的物理繼電器，用繼電器來表示PLC的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)是為了使習(xí)慣于繼電器控制的工程技術(shù)人員更好的理解PLC的功能，更好的使用PLC，就像他在設(shè)計(jì)繼電器控制電路一樣。
梯形圖語言是一種圖形化的語言，是一種面向控制過程的“自然語言”。梯形圖編程語言形象、直觀、準(zhǔn)確的描述了邏輯控制關(guān)系，容易被廣大的工程技術(shù)人員所掌握。
PLC與被控對象所連接的只是I/O條件，而I/O之間的組合控制關(guān)系需要用軟件的方法來描述清楚，梯形圖是一種描述方法，當(dāng)然還有語句等表示其他的語言。語言的支持取決于廠家開發(fā)的系統(tǒng)程序只要將其輸入PLC的用戶程序存儲器中，PLC就能夠直接解釋并實(shí)現(xiàn)I/O間的控制關(guān)系。當(dāng)控制關(guān)系發(fā)生改變時(shí)，只要修改梯形圖程序，重新輸入到PLC的存儲器即可，從而快捷的改變生產(chǎn)工
2. 梯形圖編程語言
PLC是通過程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制的，作為一種專用計(jì)算機(jī)，為了適應(yīng)其應(yīng)用領(lǐng)域，一定有其專用的語言。PLC的編程語言有多種，如梯形圖、語句表、功能圖、邏輯方程等。梯形圖編程語言是一種圖形語言，具有繼電器控制電路形象、直觀的優(yōu)點(diǎn)；語句表編程語言類似計(jì)算機(jī)的匯編語言，用助記符來表示各種指令的功能，是PLC用戶程序的基礎(chǔ)元素。
一般而言，梯形圖程序讓PLC仿真來自電源的電流通過一系列的輸入邏輯條件，根據(jù)結(jié)果決定邏輯輸出的允許條件。邏輯通常被分解成小的容易理解的片，這些片通常被稱為“梯級”或網(wǎng)絡(luò)。
程序一次掃描執(zhí)行一次網(wǎng)絡(luò)，按照從做到右、從上到下的順序進(jìn)行。一旦CPU執(zhí)行到程序的結(jié)尾，就又從上到下執(zhí)行程序。在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，指令以列為基礎(chǔ)被執(zhí)行，從上而下、從左到右依次執(zhí)行，直到本網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)線圈列。因此為了充分利用存儲器容量，使掃描時(shí)間盡可能短，利用梯形圖編程時(shí)應(yīng)限制觸點(diǎn)之間的距離，并使網(wǎng)絡(luò)左上邊這部分空白最少。其中，串聯(lián)觸點(diǎn)較多的支路要寫在上面，并聯(lián)支路應(yīng)寫在左邊，線圈放于觸點(diǎn)的右邊。
如圖3-1所示是用PLC控制的梯形圖程序，可完成與繼電器控制的電動機(jī)直接起、停（起、保、停）繼電器控制電路圖相同的功能。
梯形圖和繼電器控制電路圖很相似，這是可以用PLC控制取代繼電器控制的基礎(chǔ)，可以把經(jīng)過實(shí)踐證明設(shè)計(jì)是成功的繼電器電路圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而設(shè)計(jì)出具有相同功能的PLC控制程序，充分發(fā)揮PLC的功能完善、可靠性高、控制靈活的特點(diǎn)。當(dāng)然，它們還是存在著本質(zhì)上的區(qū)別，主要表現(xiàn)如下所述。
圖3-1 梯形圖
（1）繼電器控制電路中使用的繼電器是物理的元器件，繼電器與其他控制電器之間的連接必須通過硬件連接線來完成。PLC中的繼電器是內(nèi)部的寄存器位，稱為“軟繼電器”，它具有物理繼電器相似的功能。當(dāng)它的“線圈”通電時(shí)，其所屬的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開；當(dāng)它的線圈斷電時(shí)，其所屬的常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)均恢復(fù)常態(tài)。PLC梯形圖中的接線稱為“軟接線”，這種“軟接線”是通過編程來實(shí)現(xiàn)的，具有更改簡單、調(diào)試方便等特點(diǎn)。而繼電器控制電路圖是點(diǎn)線連接圖，相對來素施工困難、更改費(fèi)力。
（2）PLC中的每一個(gè)繼電器都對應(yīng)著一個(gè)內(nèi)部的寄存器，由于可以隨時(shí)不受限地讀取其內(nèi)容，所以，可以認(rèn)為PLC的繼電器有無數(shù)個(gè)常開、常閉觸點(diǎn)供用戶使用。PLC梯形圖中的觸點(diǎn)代表的是“邏輯”輸入條件、外部的實(shí)際開關(guān)、按鈕或內(nèi)部的繼電器觸點(diǎn)條件等。而物理繼電器的觸點(diǎn)個(gè)數(shù)是有限的。
（3）PLC的輸入繼電器是由外部信號驅(qū)動的，在梯形圖中只能用其觸點(diǎn)，這在物理繼電器中是不可能的。線圈通常代表“邏輯”輸出結(jié)果，如燈、電機(jī)啟動器、中間繼電器、內(nèi)部輸出條件等。
（4）繼電器控制系統(tǒng)中是按照觸點(diǎn)的動作順序和是延遲逐個(gè)動作的，動作順序與電路圖的編寫順序無關(guān)。PLC按照掃描方式工作，首先采取輸入信號，然后對所有梯形圖進(jìn)行計(jì)算，造成了宏觀與動作順序的無關(guān)，但是微觀上在一個(gè)時(shí)間段上的是實(shí)際執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致而不是無關(guān)的。
（5）PLC梯形圖中的兩根母線以失去原有的意義，它只表示一個(gè)梯形的起始和終了，并無實(shí)際電流通過，假象的概念電流只能從左向右流。
為了充分發(fā)揮CPU的邏輯運(yùn)算功能，設(shè)置了大量的稱為盒的附加命令，如定時(shí)器、計(jì)算器、格式轉(zhuǎn)換、模擬量I/O、PID調(diào)節(jié)或數(shù)學(xué)運(yùn)算指令等，充分的發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能，他們與內(nèi)部繼電器一起完成PLC的各種復(fù)雜控制功能。
3.1.3 PLC的分類
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)有了多種形式，而且功能也不盡相同，分類時(shí)，一般按以下原則來考慮
按I/O點(diǎn)數(shù)容量分類
一般而言，處理I/O點(diǎn)數(shù)越多，則控制關(guān)系就 比較復(fù)雜，用戶要求的程序存儲器容量比較大，要求PLC指令及其他功能比較多，指令執(zhí)行的過程也比較快。按PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的多少可將PLC分為以下三類。
1. 小型機(jī)
小型機(jī)PLC的功能一般以開關(guān)量控制為主，小型PLC輸入、輸出點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)以下，用戶程序存儲器容量在4K左右。現(xiàn)在的高性能小型PLC還具有一定的通訊能力和少量的模擬量處理能力。這類的PLC的特點(diǎn)是價(jià)格低廉，體積小巧，適合于控制單臺設(shè)備和開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品。
2. 中型機(jī)
中型PLC的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在256--2048點(diǎn)之間，用戶程序存儲器容量達(dá)到8K字左右。中型PLC不僅具有開關(guān)量和模擬量的控制功能，還具有更強(qiáng)的數(shù)字計(jì)算能力，它的通信功能和模擬量處理功能更強(qiáng)大，中型機(jī)比小型機(jī)更豐富，中型機(jī)適用于更復(fù)雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)線的過程控制系統(tǒng)場合。
3. 大型機(jī)
大型PLC的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶程序儲存器容量達(dá)到16K以上。大型PLC的性能已經(jīng)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相當(dāng)，它具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)的能力，還具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力，有些PLC還具有冗余能力。它的監(jiān)視系統(tǒng)采用CRT顯示，能夠表示過程的動態(tài)流程，記錄各種曲線，PID調(diào)節(jié)參數(shù)等；它配備多種智能板，構(gòu)成一臺多功能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號的控制器互聯(lián)，和上位機(jī)相聯(lián)，組成一個(gè)集中分散的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)。大型機(jī)適用于設(shè)備自動化控制、過程自動化控制和過程監(jiān)控系統(tǒng)。
3.1.4 PLC的選型
在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
1. 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算
I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。
2. 存儲器容量的估算
存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。
存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲2000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。
3. 控制功能的選擇
該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。
根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。
（1）控制功能
PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。
（2）編程功能
離線編程方式：PLC和編程器公用一個(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（IEC6113123），同時(shí)，還應(yīng)支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。
（3）診斷功能
PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。
PLC的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。
4. 機(jī)型的選擇
通過對輸入/輸出點(diǎn)的選擇、對存儲容量的選擇、對I/O響應(yīng)時(shí)間的選擇以及輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分許。
該控制系統(tǒng)選用三菱公司FXON系列的PLC。它體積小,重量輕,使用壽命長,編程和維護(hù)方便,故障率低,通過擴(kuò)展模塊的連接, 可以增加輸入/ 輸出點(diǎn)數(shù)。我設(shè)
計(jì)的模型共有6個(gè)輸入,11個(gè)輸出,因此,選用型號為FX2N-32MR 的PLC。
圖3-2 FX2N-32MR
圖3-2 PLC實(shí)物圖
3.2 變頻器的簡介
最常用的訪問控制技術(shù)有：查詢、沖突檢測和令牌傳遞。一般查詢和令牌傳遞沒有沖突檢測的速率高，但是可靠性好，最大延遲時(shí)間可以控制，控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常采用這種控制技術(shù)；沖突檢測通訊效率較高，速度較快，但各個(gè)站點(diǎn)通訊機(jī)會不均，在商務(wù)網(wǎng)絡(luò)中使用較多。
3.2.1 變頻器的組成與工作原理
1. 組成
變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。變頻器主要是由主電路、控制電路組成。主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。
（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。
（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。
（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形?！ 】刂齐娐肥墙o異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成?！ 。?）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 ?。?）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等?！ 。?）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷?！ 。?）速度檢測電路:以裝在異步電動機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 ?。?）保護(hù)電路:檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。
2. 工作原理
（1）電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？
*1: r/min
電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm.
例如：2極電機(jī) 50Hz 3000 [r/min]
4極電機(jī) 50Hz 1500 [r/min]
結(jié)論：電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例
本文中所指的電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，在工業(yè)中所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以一般不適和通過改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。
另外，頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。
因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。
n = 60f/p
n: 同步速度
f: 電源頻率
p: 電機(jī)極對數(shù)
結(jié)論：改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法
如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會使電機(jī)出于過電壓（過勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時(shí)，電壓卻不可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機(jī)的額定電壓。
例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，把變頻器的輸出頻率從50Hz改變到25Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V
（2）當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（頻率）改變時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會怎樣？
*1: 工頻電源
由電網(wǎng)提供的動力電源（商用電源）
*2: 起動電流
當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器的輸出電流
變頻器驅(qū)動時(shí)的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小，直接用工頻電源驅(qū)動電機(jī)在工頻電源供電時(shí)起動和加速沖擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動會產(chǎn)生一個(gè)大的起動起動電流。而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動電流和沖擊要小些。
通常，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小（速度降低）而減小。減小的實(shí)際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊中會給出說明。
通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
（3）當(dāng)變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計(jì)制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個(gè)電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.
變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。
當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
舉例，電機(jī)在100Hz時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。
因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速.
（4）變頻器50Hz以上的應(yīng)用情況
大家知道, 對一個(gè)特定的電機(jī)來說, 其額定電壓和額定電流是不變的。
如變頻器和電機(jī)額定值都是: 15kW/380V/30A, 電機(jī)可以工作在50Hz以上。
當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時(shí), 變頻器的輸出電壓為380V, 電流為30A. 這時(shí)如果增大輸出頻率到60Hz, 變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A. 很顯然輸出功率不變. 所以我們稱之為恒功率調(diào)速.
這時(shí)的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢?
因?yàn)镻=wt（w:角速度, T:轉(zhuǎn)矩）.因?yàn)镻不變, w增加了,所以轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減小。
我們還可以再換一個(gè)角度來看:
電機(jī)的定子電壓 U = E + I*R（I為電流,R為電子電阻,E為感應(yīng)電勢）
可以看出, U,I不變時(shí), E也不變.
而E = k*f*X,（k:常數(shù),f:頻率,X:磁通）,所以當(dāng)f由50——>60Hz時(shí),X會相應(yīng)減小
對于電機(jī)來說,T=K*I*X,（K:常數(shù), I:電流, X:磁通）,因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小.
同時(shí),小于50Hz時(shí),由于I*R很小,所以U/f=E/f不變時(shí),磁通（X）為常.轉(zhuǎn)矩T和電流成正比.這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載（轉(zhuǎn)矩）能力.并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（額定電流不變——>最大轉(zhuǎn)矩不變）
結(jié)論:當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時(shí),電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會減小.
（5）其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)的因素
發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力，從而影響變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩能力。
載波頻率:一般變頻器所標(biāo)的額定電流都是以最高載波頻率, 最高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數(shù)值.降低載波頻率, 電機(jī)的電流不會受到影響。但元器件的發(fā)熱會減小。
環(huán)境溫度：就象不會因?yàn)闄z測到周圍溫度比較低時(shí)就增大變頻器保護(hù)電流值.
海拔高度:海拔高度增加,對散熱和絕緣性能都有影響.一般1000m以下可以不考慮.，以上每1000米降容5%就可以了.
（6）矢量控制是怎樣改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能力的？
轉(zhuǎn)矩提升
此功能增加變頻器的輸出電壓（主要是低頻時(shí)），以補(bǔ)償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù)
使用“矢量控制”，可以使電機(jī)在低速,如（無速度傳感器時(shí)）1Hz（對4極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150％）。
對于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對增加，這就導(dǎo)致由于勵(lì)磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個(gè)不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個(gè)功能叫做“轉(zhuǎn)矩提升”。
轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應(yīng)的提高。 因?yàn)殡姍C(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。
“矢量控制”把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量（如勵(lì)磁分量）的數(shù)值。
“矢量控制”可以通過對電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機(jī)低速時(shí)溫升也有效。
3.2.2 變頻器的作用
1. 變頻節(jié)能
變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動力驅(qū)動時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。
2. 功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能
無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。
3. 軟啟動節(jié)能
電機(jī)硬啟動對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動時(shí)對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
3.2.3 國產(chǎn)變頻器
國產(chǎn)變頻器的發(fā)展，經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：
第一階段：萌芽期。通過引進(jìn)、借鑒國外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，20世紀(jì)80年代，國產(chǎn)變頻器開始蹣跚起步。但是，因?yàn)楫?dāng)時(shí)主要是，僅有成都佳靈等少數(shù)幾個(gè)品牌。
第二階段：發(fā)展期：隨著國內(nèi)電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，為國產(chǎn)變頻器的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。2000年左右，國產(chǎn)變頻器得到初步的發(fā)展，上海和深圳成為國產(chǎn)變頻器發(fā)展的前沿陣地，涌現(xiàn)出了像華為變頻器、康沃變頻器等一批國產(chǎn)變頻器，但是，由于部分國產(chǎn)變頻器沒有解決好產(chǎn)品的高可靠性和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)問題，限制了國產(chǎn)變頻器的發(fā)展速度。
第三階段：成長期。因?yàn)橹悄芄β誓K的出現(xiàn)與發(fā)展，使得變頻器企業(yè)只要做控制部分電路及主電源回路和外殼就可以生產(chǎn)出成熟的產(chǎn)品，國產(chǎn)變頻器出現(xiàn)了百家爭鳴的局面。從2006年左右，國產(chǎn)變頻器迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出了大批的國產(chǎn)變頻器品牌。
3.2.4 變頻器的前景
未來的市場競爭中，國產(chǎn)變頻器的發(fā)展方向是多方面的。
1. 高性能。比如去年底面世的帶PG反饋功能變頻器能實(shí)時(shí)檢測電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速參數(shù)，今年初推向市場的矢量控制型變頻器，能夠應(yīng)用在很多以往國產(chǎn)變頻器尚未涉及的高端領(lǐng)域。我們的產(chǎn)品正在向高可靠性，高轉(zhuǎn)矩，高精度，低諧波的方向發(fā)展。
2. 模塊化。模塊化發(fā)展是變頻器發(fā)展一個(gè)大的趨勢，即高性能的電機(jī)驅(qū)動模塊（通用變頻器）十功能模塊（如注塑機(jī)卡、張力卡等、PG反饋卡、多功能通訊卡等）十專用模塊或軟件功能（如電梯、拉絲機(jī)、卷染機(jī)等）。這樣，有特殊功能和特殊需求時(shí)，不必加許多外圍部件，插一個(gè)功能卡或?qū)Ｓ每纯?，簡單而降低成本?
3. 專用化。這是日業(yè)電氣也是國產(chǎn)變頻器如此迅猛發(fā)展的取勝法寶。國產(chǎn)變頻器因?yàn)橘N近市場，根據(jù)用戶需