6ES7212-1AB23-0XB8质量保障

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 由于plc在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，因此，采用plc实现电机控制，特别是对工作 环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举。 

　　1 引言

　　传统的鼠笼式异步电动机起、制动控制方式一般有四种，即定子回路串电阻起动，y/△起动，自耦变压器起动和延边三角形起动;制动方式有三种，反接制动，能 耗制动和电容制动，其中任何一种起，、制动控制方式的实现通常由继电器-接触器控制系统来完成。下面就以定子回路串电阻降压起动和反接制动为例，分析由继电器-接触器实现的鼠笼式异步电动机的起、制动控制。

　　如图1所示，此控制电路含三个接触器和一个中间继电器线圈，12个触点。起动时，km2、km3线圈均处于断开状态，按下起动按钮sb1，km1线圈通电 并自锁，电动机串电阻减压起动。当电动机转速上升到某一定值时(此值为速度继电器ks1的整定值，可调节，如调至100r/min时动作)，速度继电器 ks1的常开触点闭和，中间继电器ka通电并自锁，ka的常开触点接通接触器线圈km3，km3的主触点在主电路中短接定子电阻r，电动机转速上升至给定值时投入稳定运行。

　　制动时，按下停机按钮sb2，km1线圈断电，其主触点断开三相电源;控制电路中常开触点断开，km3失电，限流电阻串入;常闭触点闭合，接通反接制动接 触器km2，对调两相电源相序，电动机处于反接制动状态。当转速下降至某一定值时(比如100r/min),ks1常开触点断开ka，继而断开km2，电 动机失电，迅速停机。

　　图1 继电器接触器控制系统

　　这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，因此，运行的可靠性较低。随着PLC技术的发展，使用plc进行电机的运行控制已成为必然趋势。

　　2 采用plc实现鼠笼式异步电动器起、制动控制

　　可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国首先研制和使用可编程控制器以后，特别是日本和联邦德国也相继 开发了各自的plc(programmable logic controller)，因此，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用plc实现鼠笼式异步电动机起制动控制是明智的选择。下面就是笔者设 计的采用plc实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。

　　图2 plc控制的输入输出接线图

　　图3 plc控制的梯形图

　　plc控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下:

　　起动时，按下起动按钮sb1,x400常开触点闭 合，y430线圈接通并自锁，km1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻r开始起动，同时y430的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值 时，ks1的常开触点闭合，x402常开触点闭合，m100线圈接通并自锁，m100的一对常开触点接通y432的线圈，km3线圈有电主触头吸合，短接 起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。

　　制动时，按下停机按钮sb2，x401常开触点断开y430线圈，使km1失电释放，而y430的常闭触点接通y431线圈，制动用的接触器km2线圈通 电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。与此同时，y430的常开触点断开y432的线圈，km3失电释放，串入电阻r限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，ks1常开触点断开，x402常开触点断开m100的线圈，m100的常开触点断开y431线圈，km2失电释放，电动机很快 停下来。过载时，热继电器fr常开触点闭合，x403的两对常闭触点断开y430和m110的线圈，从而使km1或km2失电释放，起到过载保护作用。

　　上述控制过程指令程序如下:

　　3 plc与继电器接触器控制系统的比较

　　通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和plc控制方法的比较，从某种意义上看，plc控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很 多不同处。

　　3.1 二种方案的不同点

　　(1)plc内部大部分采用“软”逻辑

　　继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制;plc内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制;

　　(2) plc控制系统结构紧凑

　　继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大;plc控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小;

　　(3) plc内部全为“软接点”动作快

　　电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重;plc内部全为“软接点”动作快;

　　(4) plc控制功能改变极其方便

　　继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦;plc控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便;

　　(5) plc控制系统制造周期短

　　plc控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，因此设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。

　　此外，由于plc技术是计算机控制的基础上发展而来，因此，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。

　　3.2 plc方案的设计要点

　　(1) 设置滤波

　　在plc中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，而且还可减少内部模块之间信号的相互干扰;

　　(2) 设有隔离

　　在plc系统中cpu和各i/o回路(主要指数字口)几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏cpu等;

　　(3) 设置屏蔽

　　屏蔽有两类:一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层;另一类是对cpu和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可 用导电的金属材料作屏蔽层;

　　(4) 采用模块式结构

　　plc通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，同时在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置;

　　(5) 设有联锁功能

　　plc中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故;

　　(6) 设置环境检测和诊断电路

　　这部分电路负责对plc的运行环境(例如电网电压、工作温度、环境的湿度等)进行检测，同时也完成对plc中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软 件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报;

　　(7) 设置watchdog电路

　　plc中的这种电路是专门监视plc运行进程是否按预定的顺序进行，如果plc中发生故障或用户程序区受损，则因cpu不能按预定顺序(预定时间间隔)工 作而报警;

　　(8) plc的输入、输出控制简单

　　plc是以扫描方式进行工作的，即plc对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，而且也使plc的工作不易受到外界干扰的影响;同时plc所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误;另外，plc的输入、 输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题。

　　4 结束语　　

由于plc在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，因此，采用plc实现电机控制，特别是对工作 环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举。

PLC系统是应用极其广泛的工业自动化装置，但由于没有配套的数显仪表而无法显示其数据或参数。本文给出了只用两根I/O线连接PLC系统的数显仪表 实现方案，详细介绍了基于STC89C51的硬件组成、时序设计、软件实现和应用方法。该数显仪表可以直接和晶体管输出或电压输出形式的各类PLC连接， 实现PLC系统的数据或参数显示功能。 

　　0 引言

　　可编程逻辑控制器简称PLC(Programmable Logic Controller)，具有编程简单、可靠性高、通用性强和使用方便等特点，广泛应用于工业控制中的各类生产过程[1>。目前的PLC系统多用指 示灯来显示生产过程或设备的状态信号，或借助于专用的人机界面(HMI)、工业PC来显示过程变量或设置系统参数。HMI和IPC不仅增加了PLC系统的 成本，而且无法适应高温、高湿热、多粉尘的工作环境。基于LED的数显仪表具有环境适应性强、显示直观、醒目等优点，可以满足某些工业现场的特殊显示需 求。然而，如果使用PLC系统的I/O直接驱动数码管进行显示，则需要占用大量的PLC系统I/O资源。本文采用单片机和程序控制技术，通过特定的传输时 序，只需使用PLC系统的2个I/O点即可实现其参数显示。

　　1 硬件设计

　　以STC89C51为核心实现的PLC系统两线连接型数显仪表的硬件组成如图1所示。整个硬件系统 主要由STC89C51单片机、输入接口、程序下载接口、数码管显示驱动电路、按键输入(可选)和报警输出(可选)等部分组成。STC89C51和标准 80C51保持硬件结构和指令系统兼容，提高了时钟速率，扩充了在系统编程(ISP)、在应用编程(IAP)、电源欠压检测与复位、看门狗复位等功能，其 I/O口经过了特殊的设计，使其在工业控制环境中具有极高的可靠性。

　　1.1 PLC系统输入接口

　　PLC系统通过两个输出点将显示数据按照一定的时序传给数显仪表。PLC系统一般有继电器出、可控 硅输出、晶体管输出和24V直流电压输出等多种形式可供选择，一般使用其晶体管输出或24V输出形式经过相应的转换电路连接数显仪表。为了适应两种输出形 式，采用光电耦合器统一将PLC系统的输出信号转换为TTL电平信号。如果PLC系统的输出形式为24VDC，例如西门子的S7系列PLC，则PLC输出 与光电耦合器输入侧的连接如图2所示。如果PLC系统的输出为晶体管集电极开路或漏极开路输出，如三菱的FX系列PLC，则PLC输出与光电耦合器输入侧 的连接如图3所示。无论采用何种连接方式，转换后进入STC89C51单片机的信号逻辑都与PLC系统的输出逻辑保持一致。使用光电耦合器实现信号转换， 有利于提高系统的抗干扰能力，因为干扰信号即使具有较高的电压幅值，但其能量相对较小，形成的微弱电流一般不足以使光电耦合器导通。转换后的两路信号分别 作为数据线和时钟线，连接到单片机的两个外中断输入引脚，便于使用中断方式传输显示数据。

　　1.2 程序下载接口

　　借助于ISP编程功能，可以通过RS-232C接口将程序代码从计算机下载到单片机内部的 Flash中。程序下载接口一般设计为标准的RS-232接口，使用一片MAX232转换芯片即可实现。

　　1.3 数码管驱动电路

　　为了确保数码管的显示亮度，使用两片74HC245实现数码管的驱动。其中一片74HC245用于 驱动4位共阴极数码管的段码，其输入和单片机的P0口连接，输出则经限流电阻限流后与4位数码管的8个段码引脚连接。另一片74HC245驱动4位数码管 的位码，其输入和单片机的P1.0～P1.3连接，输出则分别和4位数码管的公共端连接。

　　2 传输时序

　　1台数显仪表和PLC实现数据传输时需占用PLC的2个输出点，分别用作数据线和时钟线。由于显示 数据的传输是串行的，因此必须设计相应的传输时序。构建双方的传输时序时必须充分考虑PLC系统的工作原理、输出特性及其差异以及传输过程的可靠性等问 题。综合考虑这些因素后所设计的传输时序如图4所示。传输1次显示数据总共需要21个时钟周期，其中3个时钟用于同步信号，16个时钟用于传输显示数据的 4位BCD码或特定的提示字符，2个时钟用于传输2位表示小数点显示位置的信息。显示数据和小数点位置信息的低位在前，高位在后。例如，图4表示传输的显 示数据为8951，小数点位置信息为10，表示小数点在十位之后，因此终显示数据为895.1。

　　由于PLC系统基于扫描原理周而 复始地刷新输入信号、执行用户程序和输出运行结果[4>，在一个扫描周期内让PLC系统的输出信号发生跳变难于实现，因此图4的一个时钟周期需要占 用PLC系统的两个扫描周期。每次传输过程增设3个同步脉冲是为了提高传输过程的可靠性，确保PLC系统及其传输线路无论出现何种故障，都可以在故障恢复 后的一个传输周期内正确地传输显示数据。

　　3 软件设计

　　数显仪表的程序由初始化、外中断0服务程序、外中断1服务程序和定时器T0中断服务程序4部分组 成。T0每隔5ms中断1次，在其中断服务程序中根据接收到的显示数据及其小数点位置信息完成4位数码管的动态显示。外中断0服务程序用于检测同步信号， 外中断1服务程序用于接收16位显示数据的BCD编码和2位表示小数点显示位置的信息。

　　3.1 外中断0服务程序

　　外中断0由数据信号线的下降沿触发，在其中断服务程序中，如果检测到时钟线为低电平，则视为同步信 号。当检测到3个同步脉冲后，则表明收到了正确的同步信号，此时关闭外中断0，开启外中断1，借助于外中断1服务程序接收数据。如果在前一次或前两次中断 服务程序中已检测同步脉冲而本次未检测到同步脉冲，则视为无效同步信号。外中断0服务程序的主要代码如下：

　　void Int0_Srvice(void) interrupt 0

　　{ p33=1;

　　if(p33==0) SysClock++; //有效，同步脉冲加1

　　else SysClock=0; //无效，同步脉冲清零

　　if(SysClock==3)

　　{ //检测到3个同步脉冲

　　RecEnable=1; //置允许接收标志

　　EX0=0; //关闭外中断0

　　EX1=1; //开放外中断1

　　｝｝

　　3.2 外中断1服务程序

　　外中断1由时钟信号线的下降沿触发，在其中断服务程序中，如果查询到已建立允许接收标志，则接收 16位显示数据的BCD码和2位小数点位置信息，并将其转换为18位并行数据，存于DispData变量中供T0中断服务程序进行显示。由于显示数据和小 数点位置信息都是低位在前，高位在后，所以在程序中使用右移操作实现串行数据到并行数据的转换。小数点位置信息为0～3时，表示小数点分别位于数码管的千 位、百位、十位和个位之后。如果小数点在个位之后，则不显示小数点。当接收到18位信息后，则关闭外中断1，重新开放外中断0进行下一周期的数据传输。外 中断1服务程序的主要代码如下：

　　void Int1_Srvice(void) interrupt 2

　　{ if(RecEnable==1) //允许接收

　　{ p32=1; //检测数据线电平

　　if(p32==1) RecData=RecData|0x40000;

　　RecData=RecData>>1; //实现串/并转换

　　DataClock++;

　　if(DataClock==19) //已接收到18位数据

　　{ //显示数据存于DispData中

　　DispData=RecData;RecData=0;

　　SysClock=0;DataClock=0;

　　RecDone=1;RecEnable=0;

　　EX0=1; //开外中断0

　　EX1=0; //关外中断1

　　｝｝｝

　　4 应用实例

　　利用PLC系统的(n+1)个输出点可以连接n台数显仪表，其中1点用作公共时钟线，n点用作n台 数显仪表的数据线。使用数显仪表显示PLC系统的数据或参数时，还必须给PLC系统编写满足时序要求的驱动程序。

　　4.1 PLC驱动程序设计

　　此处以三菱FX2N PLC系统为例，介绍PLC系统驱动程序的编写方法。假设使用Y0作为数据线，Y1作为时钟线，则PLC驱动程序的梯形图如图5所示。程序中使用D0单元 存放显示数据，其取值范围为0～9999，D1单元存放小数点位置信息，其取值范围为0～3。占用的资源包括计数器C0～C1和中间继电器 M100～M131，可以结合用户程序进行相应的调整。

　　4.2 多台数显仪表与PLC系统的连接

　　多台数显仪表与PLC系统的连接如图6所示，图中的1台FX2N PLC连接了8台数显仪表，PLC的Y10用作公共时钟线，Y0～Y7分别用作8台数显仪表的数据线。PLC系统的驱动程序和图5类似。由于多台仪表的时 钟线是公共的，数据线是并行输出的，因此多台数显仪表的数据刷新时间和其连接的数量无关，可以确保PLC系统数据显示的实时性。

　　5 结论

　　该数显仪表无需知晓任何PLC系统的协议，仅使用PLC系统的n+1个输出点即可实现在n台数显仪 表上显示其数据或参数。占用较少的PLC资源，既可扩充PLC系统的外围显示设备，又间接地解决了HMI无法适应恶劣工作环境等实际工程问题。该仪表已应 用于垃圾发电12路远程手操信号的显示，应用结果表明其具有极高的可靠性和良好的可维护性。