以下将对PLC、HMI和低压变频器产品在汽车行业的应用进行分类描述。

A. PLC产品在汽车行业的应用

图：汽车行业控制系统

汽车制造产业规模大，自动化水平要求高，涉及的自动化技术和产品包括控制产品、现场总线、运动控制、机器视觉、离散传感器、安全产品等等，汽车制造业成为自动化的主力市场之一。汽车行业是PLC应用的第二大最终用户行业，仅次于冶金行业。

汽车生产线分为冲压、焊装、总装和涂装（喷漆）四大工序。每个工序都会大量使用PLC进行控制，因此是PLC应用最大的潜力行业，也是对综合技术要求最高的FA行业。

冲压车间除用机械手以外，其他控制都用PLC。焊装车间主要用于传输控制，一条生产线用5－8个PLC。如标志206压装线，采用分布式控制，每一个PLC控制一个小系统，如物流生产线上的工位。总装车间PLC主要用于输送线控制，输送线分三种：高架线、内饰线和终装线。高架线上PLC用于后轴和前轴的发动机控制，终装线用于进行测试控制和各个工位的移动控制。一般一段工艺（如终装线）用一个PLC，中型的在300IO左右，大的1000IO以上。

汽车行业的PLC用户不仅包括各种类型的整车厂家，还包括各种总成、部件以及零件厂家，不同厂家使用的PLC差别较大，覆盖各种规模的PLC产品。在零部件厂家，大、中、小型PLC分别用于输送机控制、烤炉控制柜，和空调控制。

汽车行业大中型PLC产品应用较多，从应用的产品价值看，中型PLC比例最大。小型PLC应用很少，主要在一些前处置电小车中有应用。

与前几年略有不同，三年前汽车生产线和其自动化产品基本都是国际采购的，在中国的汽车生产线大多来自进口，PLC随生产线同时引进，只是在国内采购相关的备件。但是近几年汽车市场竞争激烈，汽车大幅降价，厂商开始降低成本，很多生产线上的自动化产品开始国内采购。但是汽车产业是分散制造行业，不同的零部件来自不同的分厂，使用不同的生产设施，因此一家汽车制造厂会使用多个品牌的PLC。
Siemens、Omron、Mitsubishi、RockwellAutomation在汽车行业的用户覆盖最广泛，其他品牌如ABB、Schneider、GEFanuc、Koyo和LS在特定的用户也有运用。汽车行业的品牌选择有一定的国别特征，通常日本汽车企业如本田、尼桑等会优先选用Mitsubishi的PLC产品。

B．HMI在汽车行业的应用

自从汽车问世以来，便出现了驾驶者掌握自己车辆行驶速度和周边状况信息的需求。这方面，车速表是一个很好的例子，它可以弥补人类缺乏的速度感。其他例子还包括了解侧向速度和行驶动力。从人机接口（HMI）到扫一眼车速表、凭自己的感觉和按动按钮，对于一代又一代驾驶者来说，这类信息源已经相当丰富了。汽车人机工学设计主要保证显示器易于读取，按钮操控简便并在驾驶室内合理布局。

现在，HMI已广泛应用于汽车驾驶室，今后将向纵深领域发展。例如，实现驾驶信息系统与驾驶辅助系统的交互。电子辅助系统以及汽车与外界连接技术的不断进步（例如通过互联网）为HMI提出了新的任务。

虽然目前全球汽车行业处境艰难，但是支持免提和导航功能的新人机界面 (HMI) 技术，仍会给汽车制造商带来新的商机。据预测语音识别技术和触摸屏市场规模在2015年将达到29亿美元。其它值得关注的 HMI 技术包括方向盘触摸板，旋转拨号盘，投影技术，电容显示屏和传感器。

C．低压变频器在汽车行业的应用

变频器主要应用在涂装车间里，涂装车间工艺空调加装变频器进行控制，至少可以实现如下几个目的：

1、 方便维护，调节风机转速或者室体内风量，方便、简单。

软启动器控制，只能在风机启动的时候避免启动时的大电流对电机的冲击，不能实现电机的灵活调速。运行中的风机是运行在额定转速，风量的调节只能简单的依*风门的调节。电机或其他机械的维护量大，而且由于厂区大、楼层高、车间噪音大等，对操作人员来说，维护工作量大也非常辛苦。

采用变频器控制，则完全改变了上述不利情况。风量的调节可以轻松通过变频器来调节电机的速度实现，在生产车间，通过网络和工业用触摸屏就近调整相关参数，轻松实现维护、调速，由于电机工作在适当的工艺速度中，对于电机等相关机械的磨损也大大获得改善。

2、 节能降耗，经济效益明显：

软启动器控制，由于电机长期工作在额定转速，甚至于正常的节假日也是如此。这样，就带来了不必要的电力浪费和大量的机械维护成本。

采用变频器控制，轻松实现电机速度可调（近乎无极）。尤其在正常的节假日，完全可以在极低速运行。能源节约至少40%，因为改造而增加的费用，单就电费最多1年可以节约收回投入。其他机械的维护节约就不必计算了。

3、 调控方便直观，应急发生时缩短处理时间。

由于软启动器控制，并非智能化设备，不能实现网络控制，也很难实现远程监控，调控时就要到控制柜直接调整，单人操作还不能实现，至少需要2人配合。当有应急事件发生时，也要从生产车间到控制室来操作或做急停处理，这样就会带来处理时间长，增加危险事件发生的概率。

加装变频器控制之后，通过生产车间就近的触摸屏，借助于网络，可以轻松实现单人调试、直观很快的应急处理突发事件。

来源：www.mirautomation.com

　　变频调速运行是根据负载转速的变化要求，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的，以获得合理的电机运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率，不仅降低了电能消耗，同时能改善启动性能，保护电机及负载设备免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命，还提高电动机和负载设备的工作精确度，实践证明，变频技术用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，普遍节电达到30-50%。
国家对三相异步电动机运行区域作如下规定：负载率70-100%之间为经济运行区；负载率在40-70%之间为一般运行区；负载率在40%以下为非经济运行区；一般负载率保持在60-100%较为理想。在电机选型设计工作中，大部分电机功率选型均有适当的裕量，另外在生产过程中的设备许多时间都是负荷不满或运行有峰谷时间，如果采用交流电动机恒速传动的方案运行，靠风门调节风机或靠阀门调节的泵类设备，使用效率较低，造成大量的能源浪费。

　　变频调速是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机转速的目的。根据流体力学的基本定律可知：风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速N与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：

　　Q1/Q2=N1/N2（1）；H1/H2=（N1/N2）2（2）；P1/P2=（ N1/N2）3（3）。
Q1、 H1、 P1----风机（或水泵）在N1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；Q2、 H2 、 P2------风机（或水泵）在N2转速时的相似工矿条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。

　　由（1）、（2）、（3）可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机（或水泵）转速降低后，其轴功率所需的电功率亦可相应降低。就是说，通过调速方式改变风机风量（或泵流量），风量（或泵流量）下降一半时，即：假如N2/N1降低1/2，则P2/P1=1/8，由于轴功率（耗电）与转速的三次方成正比，因此可节电87%（在不考虑其它因素的情况下），降低转速可大大降低轴功率，这也是为什么变频调速在应用上节能十分显著的原因。

二、应用变频调速技术推进节能减排

　　国内变频调速产品已达到国际同类产品先进水平。国内变频调速产品其性能良好，能保证本地化的长期服务；产品应用广泛，性价比高，节能减排效果显著，能尽快收回投资；国内品牌在不断成长，已从国产化走向国际化，随我国主机产品配套出口许多国家；并正在在市场竞争中克服不足。国外产品在国内比重已降至50%以下，国外产品如果没有完全本土化，就无法从根本上解决在成本和服务方面的问题，国内企业已获得长足发展的机会。

　　变频调速技术发展前景十分广阔，与已经完成的市场相比，未来的市场潜力巨大，在未来十年内，变频调速技术产品每年有上百亿元的市场潜力。建议在电力、石化、钢铁、有色、水泥、自来水、机械、纺织等行业大规模推广应用国产变频技术产品。新建项目从开始设计就应该考虑应用变频技术；技术改造首先考虑风机、泵类设备使用变频技术，逐步淘汰挡板、阀门等机械调节方式；全面推广应用变频技术，全国用电量将下降15-20%而GDP保持不变，使我们最大限度地减少能源消耗和污染物排放，提高经济效益，为我国和世界节能减排做出贡献。

㈠.机械
1．齿轮传动：
1）分类：平面齿轮传动、空间齿轮传动。
2）特点：优点 适用的圆周速度和功率范围广；传动比准确、稳定、效率高。；工作可靠性高、寿命长。；可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动
缺点 要求较高的制造和安装精度、成本较高。；不适宜远距离两轴之间的传动。
3）渐开线标准齿轮基本尺寸的名称有 齿顶圆；齿根圆；分度圆；摸数；压力角等。
2．涡轮涡杆传动：
适用于空间垂直而不相交的两轴间的运动和动力。
1）特点：优点传动比大。；结构尺寸紧凑。
缺点轴向力大、易发热、效率低。；只能单向传动。
涡轮涡杆传动的主要参数有：模数；压力角；蜗轮分度圆；蜗杆分度圆；导程；蜗轮齿数；蜗杆头数；传动比等。
3．带传动：包括 主动轮、从动轮 ；环形带
1）用于两轴平行回转方向相同的场合，称为开口运动，中心距和包角的概念。
2）带的型式按横截面形状可分为平带、V带和特殊带三大类。
3）应用时重点是：传动比的计算；带的应力分析计算；单根V带的许用功率。
4）带传动的特点：
优点： 适用于两轴中心距较大的传动；、带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动；过载时打滑防止损坏其他零部件；结构简单、成本低廉。
缺点： 传动的外廓尺寸较大；、需张紧装置； 由于打滑，不能保证固定不变的传动比 ；带的寿命较短；传动效率较低。
4．链传动包括 主动链、从动链 ；环形链条。
链传动与齿轮传动相比，其主要特点：制造和安装精度要求较低；中心距较大时，其传动结构简单；瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差。
5．轮系
1）轮系分为定轴轮系和周转轮系两种类型。
2）轮系中的输入轴与输出轴的角速度(或转速)之比称为轮系的传动比。等于各对啮合齿轮中所有从动齿轮齿数的乘积与所有主动齿轮齿数乘积之比。
3）在周转轮系中，轴线位置变动的齿轮，即既作自转，又作公转的齿轮，称为行星轮,轴线位置固定的齿轮则称为中心轮或太阳轮。
4）周转轮系的传动比不能直接用求解定轴轮系传动比的方法来计算，必须利用相对 运动的原理，用相对速度法(或称为反转法)将周转轮系转化成假想的定轴轮系进行计算。
5）轮系的主要特点：
适用于相距较远的两轴之间的传动；可作为变速器实现变速传动；可获得较大的传动比；实现运动的合成与分解。

㈡.电气
1、精确度高：伺服电机作为动力源，由滚珠丝杠和同步皮带等组成结构简单而效率很高的传动机构。它的重复精度误差是0.01%。
2、节省能源：可将工作循环中的减速阶段释放的能量转换为电能再次利用，从而减低了运行成本，连接的电力设备仅是液压驱动所需电力设备的25%。
3、精密控制：根据设定参数实现精确控制，在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下，能够大大超过其他控制方式能达到的控制精度。
4、改善环保水平：由于使用能源品种的减少及其优化的性能，污染源减少了，噪音降低了，为工厂的环保工作，提供了更良好的保证。
5、降低噪音：其运行噪音值低于70分贝，大约是液压驱动注塑机噪音值的2/3。
6、节约成本：此机去除了液压油的成本和引起的麻烦，没有硬管或软喉，无须对液压油冷却，大幅度降低了冷却水成本等。

㈢.气压
优点
1）以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。
2）因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。
3）与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题。
4）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。
5）成本低，过载能自动保护。
缺点
1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。
2）因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN。
3）噪声较大，在高速排气时要加消声器。
4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。
 
㈣.液压
优点
1)从结构上看，其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率在四类传动方式中是力压群芳的，有很大的力矩惯量比，在传递相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、布局灵活。
2)从工作性能上看，速度、扭矩、功率均可无级调节，动作响应性快，能迅速换向和变速，调速范围宽，调速范围可达100：l到2000：1；动作快速性好，控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，便于与电气控制相配合，以及与CPU(计算机)的连接，便于实现自动化。
3)从使用维护上看，元件的自润滑性好，易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化。
4）所有采用液压技术的设备安全可靠性好。
5）经济：液压技术的可塑性和可变性很强，可以增加柔性生产的柔度，和容易对生产程序进行改变和调整，液压元件相对说来制造成本也不高，适应性比较强。
6)液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化已成为世界发展的潮流，便于实现数字化。

缺点：
任何事物都是一分为二的，液压传动也不例外：
1)液压传动因有相对运动表面不可避免地存在泄漏，同时油液不是绝对不可压缩的，加上油管等弹性变形，液压传动不能得到严格的传动比，因而不能用于如加工螺纹齿轮等机床的内联传动链中。
2)油液流动过程中存在沿损失、局部损失和泄漏损失，传动效率较低，不适宜远距离传动。
3)在高温和低温条件下，采用液压传动有一定的困难。
4)为防止漏油以及为满足某些性能上的要求，液压元件制造精度要求高，给使用与维修保养带来一定困难。5)发生故障不易检查，特别是液压技术不太普及的单位，这一矛盾往往阻碍着液压技术的进一步推广应用。液压设备维修需要依赖经验，培训液压技术人员的时间较长。

　　在工业过程控制系统中要用到多种现场仪表、计算机和执行机构，它们是靠互相传递的各种信号构成完整的控制系统的。这些信号中从强度上看既有微弱的小信号，也有几伏、数十伏的大信号，甚至还有高达数千伏、数百安培的强电信号。从频率上看有直流信号、交流信号也有高频脉冲信号。它们之间的互相干扰就成为控制系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外，解决各种仪表的信号参考点的电位差，是现场调试的重要问题。

 
隔离器的原则
  由于隔离器的工作电源是为隔离器的输入、输出两部份同时供电，要保证隔离器输入/输出信号隔离，也必须确保隔离器的工作电源在电气上与这两个部分完全隔离。这种输入/输出/电源之间相互隔离的隔离器常称为三隔离或全隔离隔离器。这种供电方式，在供电电源功率许可的情况下无论隔离器数量多少，均可使用一台电源供电，不会产生相互干扰。若隔离器的工作电源没有与隔离器的输入/输出部分隔离，严格的说隔离器的输入/输出信号也没有被隔离，因为隔离器的输入/输出信号“地”可以通过工作电源连接到一起。采用三隔离隔离器就可以解决这样的问题。

隔离器的隔离方式
目前市面上充斥着各种各样的隔离器，无论这些产品的外形、颜色怎么样。就隔离技术来说，目前隔离技术主要有磁隔离和光隔离两大类。从技术难度来看，磁隔离比光隔离技术复杂、难度更高。但是，采用磁隔离技术，产品设计可以根据产品技术指标的要求选用合适的产品设计方案，在产品的线性、精度、功耗等技术指标上可以根据产品的要求灵活设计实现要求。而对于光隔离的产品，在产品的线性、精度、功耗等方面只能依赖元器件厂家所提供光隔离元器件的技术指标。产品设计人员为达到一些技术指标可以使用的手段很少，也不可能超过厂家提供的元器件技术指标。另外，光隔离的功耗较大，导致产品的总功耗大、发热量大，产品的精度、功耗、稳定性与磁隔离产品相比都有较大的差距。光隔离元器件也不能应用于无源隔离。总的来讲，磁隔离比光隔离更具有先进性。

隔离器的主要技术指标
在隔离器选型时除了要确定隔离器的功能、适应前后端接口外，还有精度、输出纹波、温度漂移、功耗、响应时间等许多参数需要用户谨慎选择。

 精度：
隔离器的精度是非常重要的参数，精度的高低直接关系到隔离器能否正常使用。隔离器的精度体现了隔离器的设计、制造水平。我们公司的生产的隔离器除小信号、小量程等特殊输入信号的隔离变送器精度为±0.2%以外，其余的精度均为±0.1%。用户在选用时应该选用精度高的产品。

输出纹波：
对隔离器精度产生影响的参数还有输出纹波。输出纹波的产生是由于隔离器使用DC/DC电路对隔离器的工作电源进行隔离给隔离器内部电路供电，输入信号也要先使用DC/DC电路调制成交流信号然后经过隔离部分电路进行信号隔离，隔离后的信号经解调后再转换成直流信号输出。以CPU为核心的隔离器也存在脉冲信号。隔离器内部存在的这种高频的交流分量，就是产生输出纹波的原因。这些高频的交流分量它们的频率一般都有几百KHZ、谐波较多，对信号的污染很难完全清除。如果输出纹波较高，控制系统模拟量输入模板采集到信号的误差就大，对于高速输入的模拟量输入模板更是如此。所以选择隔离器时应要求输出纹波的峰-峰值越小越好。

 温度漂移：
温度漂移是由于隔离器工作时产生热量，导致隔离器内所使用的电子元器件性能指标下降造成隔离器的输出值发生变化。选择隔离器时应要求温度漂移的值越小越好。为了防止温度漂移，我们公司对隔离器产品进行了低功耗、微功耗设计，使得隔离器工作时本身的发热量很小甚至于不发热，这样就能防止因产品工作时发热引起所使用元器件的性能指标下降，防止造成温度漂移。

低功耗：
功耗是指隔离器工作时所消耗的电能。它涉及到产品在工作时的发热量，这个参数与隔离器的使用寿命、可靠性和隔离器的外形、安装方式都有密切的关系。在选用隔离器时应选择功耗低的产品。

响应时间：
　　响应时间是指产品的输入量发生变化到产品的输出量正确的将变化量反映的输出上的时间。响应时间越短，就能够越真实的正确反映出输入量的变化，有效的监视和控制生产过程。在选择隔离器时响应时间要求越短越好。

　　 综上所述，工业过程控制系统选择隔离器的原则就是：产品应是输入-输出-电源三隔离的；隔离方式应是电磁隔离的；应该按照所用地点的仪表接口对应的选出所需要的隔离器；选择隔离器时应选用：高精度、低功耗、低温漂、低纹波、快速响应和小型化的隔离器。

    其中，传动控制、控制器和低压电器是目前塑料机械自动化市场最重要的三大产品。2005年，该三类产品的销售额分别占塑机自动化市场总规模的48%、23%和15%。

    塑料机械行业的主要自动化产品的使用情况如下：

    （1) 控制器

    目前国内的塑料机械的控制主要采用专用控制器，包装机械中的控制大多采用PLC,少数低端设备采用继电器控制。国内生产的塑料机械的控制点一般在128IO以内，少数大型塑料薄膜生产线的控制点可能超过6,000 IO点，使用多个PLC和IPC。

    不同的塑料机械类型选用的控制器的类型也有差别SOOQ.cn版权所有，注塑机和小型吹塑机主要使用专用控制器（嵌入式产品），少量使用PLC和继电器；挤出设备主要使用PLC，少量使用专用控制器；辅助设备主要使用PLC和继电器控制。

    随着塑料机械技术的发展，控制器已经不是简单的动作控制汉阳科技版权所有，而是包括熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间、冷却过程及液压回路的各种参数的综合控制。过去大多数采用开环控制，目前正在向闭环控制方向发展。新的设备对控制器的控制能力和响应速度有了更进一步的要求，传统的基于嵌入式产品的控制器难以满足这些要求，因此在新型的设备和大型设备上以PLC为主。这种以PLC在高端和大型设备上使用、专用控制器在中低端设备上使用的状况在今后3年内在塑料机械行业不会改变。具有竞争性的价格是进入数量最大的通用塑料机械控制器市场的前提。

    （2) 传动

    塑料机械的传动主要指油泵电机和螺杆挤出机电机，功率大多在5.5–55 KW之间，更大功率采用多电机解决方案。

    塑料机械的生产过程特点具有非常大的节能潜力，以注塑机为例，注塑机的工艺过程一般分为锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模等几个阶段，各个阶段需要不同的压力和流量。对于油泵马达而言，注塑过程是处于变化的负载状态，在定量泵的液压系统中，油泵马达以恒定的转速提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流阀回流，此过程称为高压节流，这种回流会造成能量的损失。变频器的使用能够解决这个问题，通过调节油泵转速，油泵能够在注塑机生产的各个不同阶段提供适当的油压，最大程度的降低能量损失。最早在塑料机械上使用变频器的是一些最终用户，系统集成商为他们提供了塑料机械的变频节能改造方案，成效显著，因而越来越多的塑料机械用户采用变频器改造了他们的设备。应对这种需求，塑料机械生产厂商也开始在塑料机械上使用变频器，塑料机械的用户可以选择带变频器的型号。为降低一次性投资，目前大多数用户仍然选择了不带变频器的塑料机械，他们可以在随后的使用过程中进行变频节能改造。

    塑料机械使用变频器的主要目的在于节能，对变频器的要求相对较低，目前市场上的主要供应商都能够提供满足塑料机械使用的变频器产品，因此价格成为进入市场的关键因素造车网版权所有，国内厂商具有一定的优势，他们在塑料机械行业表现最好。

    （3) 运动控制

    伺服及运动控制产品主要用于全电塑料机械上，用于取代传统的液压系统。相对液压系统而言，伺服系统具有控制精度高、维护量小、生产环境好、生产效率高和省电的优点，越来越多的用于产品精度要求较高的场合，如手机，汽车和医疗器械等行业。

1 引言
    在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。

2 PLC系统设备选型
    PLC最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
    目前市场上的PLC产品众多，国外知名品牌有德国的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产品牌有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC 的选型应从以下几个方面入手。
    2.1 确定PLC 控制系统的规模
    依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。
    小规模PLC控制系统:单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128 点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。
    中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512 点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。
    大规模PLC控制系统:生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。
    2.2 确定PLC I/O 点的类型
    根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。
    根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。
    电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。
    2.3 确定PLC编程工具
    （1） 一般的手持编程器编程。 手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。 这主要用于微型PLC的编程。
    （2） 图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。
    （3） 计算机加PLC软件包编程 。这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC 开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中高档PLC系统的硬件组态和软件编程。

3 PLC控制系统的设计
    PLC 控制系统设计包括硬件设计和软件设计。
    3.1 PLC控制系统的硬件设计
    硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。
    （1） PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。
    PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。
    （2） PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。
    如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。
    当PLC扫描频率为10次／min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。
    对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。
    对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。
    （3） PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。一般采用以下几种方式:
    隔离:由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:1超隔离变压器，并将中性点经电容接地。
    屏蔽:一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。
    布线:强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。
3.2 PLC 控制系统的软件设计
    在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。
    （1） PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。
    基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。
    模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。
    （2） PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。
    程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。
    在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。
彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。
    （3） PLC控制系统编程技巧。PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程必须遵循的原则。下面介绍几点技巧。
    PLC各种触点可以多次重复使用，无需用复杂的程序来减少触点使用次数。
    同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者 RQ4.0）。
    如果要使PLC多个输出为固定值 1 （常闭），可以采用字传送指令完成，例如 Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。
    对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端，或者通过PLC编程来减少I/O点数，节约资源。例如:我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。
    模块化编程思想的应用:我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC 程序的编制。

4 PLC控制系统程序的调试 
   PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容，良好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。
    4.1 I/O端子测试 
    用手动开关暂时代替现场输入信号，以手动方式逐一对PLC输入端子进行检查、验证，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常;反之，应检查接线或者是I/O点坏。
    我们可以编写一个小程序，在输出电源良好的情况下，检查所有PLC输出端子指示灯是否全亮。PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常。反之，应检查接线或者是I/O点坏。
    4.2 系统调试
    系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。 
    把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试消除可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行:
    （1） 对每一个现场信号和控制量做单独测试;
    （2） 检查硬件/修改程序;
    （3） 对现场信号和控制量做综合测试;
    （4） 带设备调试;
    （5） 调试结束。

5 结束语
    PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程，要想做到熟练自如，需要反复设计和实践。本文是PLC控制系统的设计和实践经验的总结，在实际应用中具有良好的效果。

1 引言
  在PLC中有多种程序设计语言,如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等。通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用。由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。

2 常用的程序设计语言分类
  根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种:
(1) 梯形图(Ladder Diagram)程序设计语言
  梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是:
•与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;
•与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习;
•与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是:梯形图中的能流(Power FLow)不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待;
•与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。
(2) 布尔助记符(Boolean Mnemonic)程序设计语言
布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。
布尔助记符程序设计语言具有下列特点:
•采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点;
•在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计;
•与梯形图有一一对应关系,其特点与梯形图语言基本类同。
(3) 功能表图(Sepuential Function Chart)程序设计语言
功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。功能表图程序设计语言的特点是:
•以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通;
•对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计、调试时间;
•常用于系统规模校大、程序关系较复杂的场合;
•只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要短得多。

  功能表图来源于佩特利(Petri)网，由于它具有图形表达方式，能比较简单清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存在的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上可以直接编程，因此得到了广泛的应用。近几年推出的可编程控制器和小型集散控制系统中也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。
(4) 功能模块图(Function Block)程序设计语言 
  功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是:
•以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易;
•功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性;
•对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少;
•由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，对功能模块的执行需要一定的执行时间，因此，这种设计语言在大中型PLC和集散控制系统的编程和组态中才被采用。

（1）新购电动机应首先考虑选用高效节能电动机，然后再按需考虑其他性能指标，以便节约电能。
（2）提高电动机本身的效率，如将电动机自冷风扇改为它冷风扇，可在负荷很小或户外电动机在冬天时，停用冷风扇，有利于降低能耗。
（3）将定子绕组改接成星三角混合串接绕组，按负载轻重转换星形接法或三角形接法，有利于改善绕组产生的磁动势波形及降低绕组工作电流，达到高效节能的目的。
（4）采用其他连续调速运行方式。如使用调压调速器、变极电动机、电磁耦合调速器、变频调速装置等。
（5）更换“大马拉小车”电动机，“大马拉小车”除了浪费电能外，极易造成设备损坏。另外，合理调整电动机配套使用，可使电动机运行在高效率工作区，达到节能的目的。
（6）合理安装并联低压电容进行无功补偿，有效地提高功率因数，减少无功损耗，节约电能。
（7）从接头处通往电能表及通往电动机的导线截面应满足载流量，且导线应尽量缩短，减小导线电阻，降低损耗。
以上措施可以分别采用，也可多项同时采用。总之，对电动机采取一些必要的技术节能措施，既对电网安全稳定运行有利，也可使用户减少电费支出。

        在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司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，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。

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，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
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。

CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，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，从用户程序存贮器中逐条读取指令，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。

在使用者看来，不必要详细分析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。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。

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，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

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，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。
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（4-20mA0-20mA）、电压型（0-10V0-5V-10-10V）等，按精度分，有12bit14bit16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO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。
电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供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）。

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。
PLC系统的其它设备

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，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。

人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，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，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

 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的通信现在主要采用通过多点接口(MPI)的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。

PLC控制系统的设计基本原则

最大限度的满足被控对象的控制要求。

在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。

保证控制系统安全可靠。

考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

PLC软件系统及常用编程语言

PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。
标准语言梯形图语言是最常用的一种语言，它有以下特点：

它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。

梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。

梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。

内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。

PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。

1　前言
滑雪的人都明白这样一个道理：突然、急剧的拉动容易使人摔倒。而在工业应用方面，许多企业每年都要为他们所使用的电动机(用于驱动风扇、压碎机、搅拌器、水泵、传送带等等)的这种突然、急剧启动浪费数百万美元，每天都有数不尽的交流电动机在不必要的处于重荷之下。
交流电动机的这种突然而剧烈的启动主要会造成以下几个方面的损失：
(1)直接在线启动或星－三角启动产生的电压和电流瞬变容易导致电气故障。电压和电流的瞬变现象可能导致当地的电网过荷，从而引起不良的电压变化，并最终影响到同电网中的其它电气设备。
(2)导致从电动机到启动设备及到强应力等这一整个驱动链的机械故障。
(3)运行故障：例如使管路系统产生压力振动，对传送带上的产品造成损坏，以及使电梯乘坐不舒适。
此外，经济效益问题也是很明显的：每一个技术问题，每一次的故障，都会因维修甚至暂停生产而导致经济损失。在工业企业的生产中，这就会导致预算外生产成本的增加。
2　软启动器的开发历程
交流电动机的启动问题由来已久，人们一直在试图找出一种能够彻底解决问题的办法，在此过程中，先后主要研究开发了下面几种启动方式。
2.1　星－三角启动器
星－三角启动器是一个较早的解决办法。在启动过程中，电网的相位接头和中性接头之间，电动机定子绕组与启动器进行星型连接，从而可以降低电动机电压，及至降低电流大约;一旦克服主惯量之后，电动机定子绕组在电网相位接头之间的连接就呈三角形，以获得满电压和功率。然而，这种启动器不能从根本上消除机械和电气瞬变现象，只能使其稍微减弱，使他们穿过时间轴上的两个点——从随后的星－三角切换至原点。
星－三角启动法只适用于正常工况，在其它工况下，从星形到三角形之间的切换有时候比直接在线启动情况还要糟糕。
因此，星－三角启动器对于该问题来说只能算是一个粗浅而有限的解决办法。
2.2　滑环电动机
另一个早期的解决办法就是滑环电动机，该电动机由一个经滑环与转子电路连接的启动变阻器启动。采用这种方法，虽然电动机的扭矩仍能维持在足以启动负荷的必要水平，但启动电流已经降低了。
在启动过程中，电动机获得速度，转子电阻逐渐降低，一旦启动变阻器完全脱离电路，电动机就可达到其最大转速，转子绕组也在该点短路，因此，电动机由此点开始作为普通的鼠笼式电动机运行。
滑环电动机的优点是扭矩较高而启动电流受到限制，主要适用于启动负荷较高的电动机，如压碎机和磨坊用电动机；而其不利之处就在于它的机械和电气结构过于复杂，且电刷、滑环、电阻器和接头的使用又使成本(包括维护成本)增加，可靠性降低。

2.3　频率转换器
频率转换器从技术来说要优于上述两种解决方法：因为它可以在电动机从启动到正常运行再到停机的每一次运行循环中，对转速、扭矩和功率等所有相对变量进行精确控制；另一个重要的优点就是其控制设备为静态，即没有移动部件。其可靠性因而也提高了，维护工作量很小。
然而，频率转换器的缺点是前期投资成本相对过大，这一点限制了其在很多领域的应用，尤其在那些正常运行中实际上并不要求定时控制的设备中的应用。
不过，随着技术的不断更新以及价格的下降，频率转换器已经赢得了很大的市场。今天，它已在实际应用中取代了滑环电动机。
2.4　软启动器
软启动器于20世纪70年代末到80年代初投入市场，它与频率转换器相似，同样以电子和可控硅为基础。可以这样说，它填补了星－三角启动器和频率转换器在功能实用性和价格之间的鸿沟。采用软启动器，可以控制电动机的电压，使其在启动过程中逐渐地升高，很自然地限制启动电流(图1)。这就意味着电动机可以平稳地启动，机械和电应力也降至最小；该装置还有一种附带的功能，即可用来“软”停机。
由于该启动器采用电子式电路，可以相对比较容易地通过安全和事故指示灯增强其基本功能，改善电动机的保护，简化故障查找，如失相、过电流和超高温保护，以及正常运行、电动机满电压和某些故障指示。象斜坡电压和初始电压等所有设定值都可以很容易地在启动器面板上设定。
另外，软启动器除了完全能够满足电动机平稳启动这一基本要求外，还具有很多优点，比如可靠性高、维护量小、电动机保护良好以及参数设置简单。
然而软启动器仍有一个缺陷，那就是不能长时间用于启动扭矩要求很高的电动机驱动装置上。这种局限性主要因为，软启动器实际上是靠将自身电压斜坡式抬升至最大值(而在停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平)来完成工作。由于扭矩与电压平方成正比，连接电动机不能从一开始就达到最大扭矩，因此，软启动器更适合于水泵、风扇、传送带、电梯等轻型易启动的设备。
3ABB新型软启动器系列
ABB自从20世纪80年代初就开始研制生产软启动器，其间所获得的宝贵经验已经成功地应用到今天的新系列产品设计之中。最新的PS S系列在许多方面进行了改进(图2)，适用于电流3～515A，电源电压208～690V的电动机。
这种新产品系列具有以下几个重要的特点：
(1)集成化：在一定的安装平面上可以安装更多的软启动器。
(2)易于安装：该装置可以用螺丝钉固定到安装板(只需4个孔)上，或者，固定在安装轨上。这两种安装方式的电缆连接都很方便，且面板上有清晰的操作提示。
(3)设置方便：由于只有3种设置(启动电压斜坡、停机电压斜坡和初始电压)，软启动器的适用范围很广，面板上刻度标识非常清晰的旋转开关有助于你很方便地设定这些值。
(4)固态电路：这有利于确保最高的可靠性，并将维护工作降至最低限度，即使对于启动和停机非常频繁的设备依然如此。
3.1　“内三角”连接
PS S系列中绝大部分启动器都可以与电动机的三角形电路连接，其结果就象一个星－三角启动器(图3)，称之为“内三角”连接。这种连接可使软启动器的电流负荷降低，从而使电流控制范围扩大至515A，可以满足任何较小的应用设备，并能够为用户节约更多的空间和金钱。

3.2　设计安全耐用
该装置外包装坚固，并且对所有有生命的东西均有良好的绝缘，因此，不怕野蛮装卸，不会对人产生危险。其电路也基本上是无故障设计，即使遇到很难出现的内部故障，该装置也会自动关机以保护所连接的其它设备。
3.3S S 03……25 3～25A集成软启动器
该系列软启动器设计用于额定电流在3～25A，主电压分别为230V、400V、500V以及600V的小型电动机，可以并排安装在DIN轨道上。这些启动器在主电路上都配备有旁路接头，可在正常运行时替代可控硅以减少发热。
每个启动器都可以与控制电压范围在24～110V的AC/DC或者110～480V的AC电路连接，从而减化与现有控制系统的接入程序，减少该装置的换代更新次数。
3.4PS S 18/30……30/515适用于18～515A的通用启动器
这种系列的启动器适用于大型电动机，且安装和适应性更强。该系列启动器适用于额定电流为18～300A的电动机，由于它们可以象星－三角启动器一样接入三角电路(图3)，适用电流最高可达515A。这一特性使其能够比任何同类产品都更容易替代现有的星－三角启动器以实现更为平稳的启动(和停机)。
固态电路设计(主电路上无机电接头)使这种启动器特别适用于那些需要频繁启动和停机的电动机驱动装置。
所有该系列的启动器均可与一个单独的限制电路连接，从而可设定一个能与任何斜坡时间接近的最大启动电流。该功能简化了设置，尤其对于那些启动时间很长、惯量很高的设备更是如此。
这种启动器还配备了4个LED指示灯，分别表示“开机”、“满电压”、“外部故障”和“一般故障”以及1个内置式重大故障指示继电器。这些诊断功能简化了监测及故障识别。
该系列启动器的设计适用系数为110％～115％，换句话说它们可以处理连接电动机的过电流问题。
内置式旁路信号继电器可用于控制在连续运行或当利用同一启动器先后启动几台电动机时所需的旁路可控硅接头。
4　结束语
软启动器对于工业企业来说其好处可谓比比皆是。很少有某个生产场所不需要电动机作为驱动设备，不会得益于ABB的新型软启动器，这是许多ABB软启动器的受益人所得出的共同结论。软启动器的强大的适用功能和精巧的设计特点使其在许多现代企业的“必备设备”清单之列中亦占有一席之地。
更多电机资料下载：http://www.simocontrol.com/Sale.asp

1   电机电气控制线路图册

http://www.shequ.shejis.com/Dispbbs.asp?ID=246733&topID=98973

2    Y2系列三相异步电动机技术手册

http://www.shequ.shejis.com/Dispbbs.asp?ID=253298&topID=98973

3  电机控制专用集成电路

http://www.shequ.shejis.com/Dispbbs.asp?ID=242069&topID=98973

4《电机瞬态分析》

http://www.shequ.shejis.com/Dispbbs.asp?ID=424224&topID=98973

希望能给大家学习带来方便.

       步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。由于步进电机采用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用，目前市场上常见的步进电机已能提供每一步1.8°或0.9°的精确移动能力。步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置 (step position)；相形之下，直流电机则是以电机电压做为控制变量，以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，它会以间接方式控制电机位置，步进电机系统多半则是以「开环」方式进行操作。

步进电机

       步进电机可以根据电机结构、驱动架构和步进方式来分类。步进电机的结构有好几种，包括可变磁阻 (variable reluctance)、永磁和混合式永磁 (hybrid permanent magnet)，永磁步进电机的成本很低，多半用于价格低廉的消费性产品。混合式步进电机的价格略高，是工业移动控制应用最常见的电机。可变磁阻电机通常有3或5个相位，需要采用不同的驱动电路架构。

      单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。
       双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。
直流电机是最常见和成本最低的小型电机，并且广泛用于各种应用。无刷直流电机宣称能提供更高可靠性以及更低噪声和成本，然而到目前为止，它却只能在磁盘或计算机风扇等少数量产应用中取代传统直流电机。在某些应用里，无刷直流电机有多项优点胜过传统电刷电机，例如它以电子组件和传感器取代电刷，不但延长电机寿命和减少维护成本，而且也没有电刷产生的噪音。直流电机的特性使它成为调速系统最容易使用的电机。

印刷应用中的主要运动类型

　　印刷应用多种多样，从简单的单色印刷，一直到需要定位的复杂多色印刷。 大多数印刷应用都使用一个包含要印刷的图案的回转喷墨头，印刷表面通常是一种直接与喷墨头接触的卷筒纸。 卷筒纸常为线性的，可以由任意种类的材料组成，包括纸、塑料或树脂薄膜，波纹纸等。印刷油墨直接供应给喷墨头，在喷墨头与卷筒纸接触时，图案就转移到卷筒纸上。

　　印刷应用中的主要运动类型为主轴/从轴运动——要在上面进行印刷的卷筒纸为主轴，喷墨头为从轴。 传统的印刷机的卷筒纸和喷墨头之间是机械连接的，但是现在，考虑到通过高性能运动控制器可执行电子式凸轮仿形，以及印刷的最终用户提高机器灵活性，并希望缩短生产期限和实现快速生产转换的要求，通常使用伺服机构。尤其对于喷墨头而言更是如此，有时对卷筒纸主轴也具有这种要求。

　　多色印刷应用中包含多个喷墨头，每个喷墨头对应于一种颜色，成为主轴的从轴，各个喷墨头之间要保持相互对准。 　
典型的印刷应用需要使用多种运动控制部件，包括编码器或旋转变压器等反馈部件、伺服电机、减速器、伺服放大器和高性能运动控制器。 在印刷中使用的运动控制方法也可用于其他回转从轴与线性卷筒纸接触的纸品加工应用。

运动控制中存在的主要问题

　　在印刷应用中实现运动控制存在几个问题。

　　首先是当喷墨头与卷筒纸接触时，喷墨头的速度得到精确控制非常重要。 有时，速度相互匹配，但有时，喷墨头的速度会高一些或低一些。速度匹配不精确时，不仅会使印刷质量下降，甚至可能造成材料损坏。

　　如果喷墨头的圆周与产品长度相同，则运动关系是二者之间的一个传动比，此外还有一个位置同步关系（例如，它们是成比例的，但从轴在一个特定主轴位置锁定，因此印刷发生在卷筒纸的正确位置上）。 如果喷墨头的圆周与产品长度不同，当喷墨头与卷筒纸接触时会产生速度匹配，对于产品的剩余长度，喷墨头必须加速或减速，以便在合适的位置与卷筒纸接触以加工下一件产品。

　　此外，在执行运动曲线时，不仅要在速度上同步，而且还要在位置上同步。这样才能使主轴/从轴的相互关系，在从停止到全速的所有主轴速度下都有效，从而将废品率降到最低。 速度取决于承印物，标签的印刷速度通常为 300～1000 FPM，在塑料上进行中央压印滚筒式柔印（卷筒纸绕在一个很大的中央压印滚筒上，喷墨头沿滚筒四周定位）的速度为 1000～2000 FPM，而在纸张上进行中央压印滚筒式柔印的速度可超过 3000 FPM。

　　当然也有例外，有时卷筒纸和印版的速度不匹配，其中一个的速度可超过或不足印版辊 2% 的重复长度。 由于最终客户可以将尺寸尽量与实际需要相接近，而不是接受机器所能生产的量，这样可以节省印版筒/套筒，并大大节省材料。

　　多数印刷应用还需要进行定位，而不同定位的差异是很大的。最佳定位应在 0.0005 英寸范围内，中央压印圆筒式柔印为 0.002 英寸，而连线印刷为 0.003 英寸。

　　因此，运动曲线需要动态进行调节，以补偿卷筒纸上定位标记之间距离的微小变化。 这种情况尤其见于多色印刷，在这种印刷中，必须保持颜色的精确套准，以使最后的印刷图案具有良好质量。

　　根据产品长度的全部范围来设计电机/放大器的组合也很重要。 设计时，最小和最长的产品可能不会代表最差情况。 通常建议这种设计要针对若干个产品长度 （如 5 或 10）来完成，以确保确定一个适用于整个产品范围的适宜电机/放大器组合。 力和扭矩随机器规格尺寸变化很大，负荷惯性也随设计而不同。 运动控制部件的设计要满足 10:1 至 200:1 的惯性不匹配。
如何应用运动控制技术改进印刷的印前与印后，并在可能时进行定量

　　高速的产品定位对于印刷的成功至关重要。要做到高速定位，需要对驱动器或运动控制器提供高速位置锁定输入，以便在遇到定位标记时捕获精确的主轴位置。 用前、后两个位置之间的差值用于计算定位标记之间的实际距离。即该距离与标记之间的理论距离进行比较，从而计算出一个校正量。 随后将该校正量代入从轴运动曲线。

　　从检测到定位标记到应用校正量所需的时间对于生产高质量的产品十分重要。这个时间完全取决于用于该应用的运动控制器，也会因所用技术受到影响（例如，一些数字运动控制网络具有一个必须进行补偿的输送滞后，在某些应用中可能是无法接受的）。 在某些应用中需要使用专门定位算法，例如对几个或很多个产品的校正量进行平均，对校正量进行过滤，或要求在运动曲线的某些段不应用校正量。 运动控制器还应能够恰当处理卷筒纸拼接以及缺失的定位标记。

　　典型的基础配置 10 色印刷机生产线具有 65 个以上的闭环运动控制轴。在更大的生产线中，通常超过 100 个轴。过去，每个轴都通过机械方式传动，而现在，更新后的控制系统提高了定位性能，将定位精度削减到旧系统定位精度值的一半。 这些控制系统具有很高的灵活性，可以应对特殊任务，提供无限的可变重复。 用于替代前面讨论的速度匹配的方法，它能够使用户增加或降低印版辊相对于卷筒纸的速度，以改变重复长度。

　　这些改进还可使速度更快，使最大速度从 1200 FPM 提高到 2000FPM，柔版印刷过程则可以达到更高的速度。印刷机从一个任务切换到下一个任务的时间从平均 4～6 小时缩短到 30 分钟，在某些情况下甚至更短。采用运动控制及印刷驱动装置定位系统的机械手对切换时间有很大影响。在应用中，由于整个控制系统提供了更佳诊断信息，机器生产时间得以延长柔版印刷是一种回转印刷方法，它通过凸起的图案表面在各种承印物上印制图案。即通过橡胶版或感光树脂版非印刷区域的撤出和降低，在印版上生成所要印刷的图案。 印版与直径各不相同的回转圆筒相连以获得各种尺寸的图案。油墨则是通过一个称为网纹辊的具有网状结构的油墨计量辊转移到印版表面。通常，喷墨装置与刮刀协同工作，以便为网纹辊供应油墨。 上述系统操作可以针对每种印刷颜色在印刷机上重复。目前，一台印刷机上的平均印刷站的数目为10个，卷筒纸的宽度为 6 到 136 英寸。

　　随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，外出旅行正逐渐成为一种时尚。汽车作为一种便捷的交通工具已是人们的首选，舒适的乘车环境，如适宜的车内温度、清新的空气应是长途汽车的必备条件。所以，开发一款经济实用的车载空调控制器就成为一种需求。本文采用DC/DC转换芯片MC34063AP1为系统供电，以微控制器Atmega8为系统核心，辅以简单模糊控制技术以及按键选择、LED数码管显示，并使整个控制系统具有电源欠压、过压，温度传感器短路、断路等保护功能。
 
主要功能指标
汽车空调控制系统的主要功能如下。
● 多种工作模式：自动、制冷、化霜、通风。
● 多档风速设定：自动风、低速风、中速风、高速风。
● 具有故障运行处理功能。
● 面板按键操作。
● 适配多类型显示接口。
 
控制器基本原理
汽车空调控制系统框图如图1所示。系统由按键扫描、电压检测、温度检测、风机控制、压缩机控制、LED数码管显示、蜂鸣器报警电路和单片机组成。

图1 汽车空调控制系统框图
单片机工作的主要原理为：扫描键盘，当制冷键按下，同时无故障报警时系统将ADC采样的车内温度与预先设定的制冷温度比较，如车内温度高于设  
定温度则打开冷凝风机、压缩机制冷；当车内温度低于设定温度2℃时关闭压缩机、冷凝风机，若此时强制冷键按下，系统将忽略预设温度直接启动制冷。其中单片机PB0、PB1口输出高低信号控制MOS管的开关，进而控制风机和压缩机的起停；PC0口采样输入电压并与系统默认值进行比较，以确定电压是否正常；PC2口采样化霜温度用以确定化霜操作；PC3口采样车内温度，将计算的结果输出至LED数码管显示。
系统硬件设计
1 主控芯片简介
Atmega8单片机具有8Kb的在线编程Flash程序存储器、512字节EEPROM、1Kb SRAM、32个通用工作寄存器、23个通用I/O口、3个带比较模式灵活的定时器/计数器、18＋2个内外中断源、1个可编程的SUART接口、1个I2C总线接口、4通道的10位ADC、2通道8位ADC、可编程的看门狗定时器、1个SPI接口和5种可通过软件选择的节电模式。
2 电源部分

图2 系统供电部分
系统供电电路如图2所示，DC/DC转换芯片采用MC34063，该芯片具有集成基准电压、振荡器同步和输入电压范围宽等特点，其输出电压可表示为Vout=1.25（1+R39/R40），输出电流可达500mA，完全满足本系统的功耗要求。为了降低干扰，芯片的输入端和输出端加了电容C10、C12、C13进行滤波处理。

图3 电压及温度检测电路
3 电压及温度检测电路
如图3所示，电压、温度检测采用单片机内部专用ADC采样通道，不增加额外芯片有利于降低系统成本。ADC基准电压等同单片机工作电压5V，系统输入电压经R3、R8分压简单滤波后送入PC0（ADC0），此端口根据分压比连续采样21次，然后将每次所得值相加即可还原系统输入电压；RT1、RT2为负温度系数传感器，当温度上升或下降时其阻值随之减小或增大，相应ADC端口将多次采样的电压值进行数值平均滤波并与已知的电压/温度区间比较，得出实时温度。
4 键盘和显示电路
如图4所示，由于单片机I/O口有限，键盘和显示电路采用了端口复用，3位8段LED数码管驱动增加了SN74164串入并出芯片进一步缓解端口有限的压力。其中键盘有7个按键， 分别为开关机、制冷/通风、强制冷、设定、上增、下减，可以进行温度设置和新风时间设置等。LED数码管可以显示当前车内温度、系统预设温度、输入电压等，当蜂鸣器报警时能显示故障代码为维修调试提供了方便。

图4 键盘和显示电路
5 输出控制电路
风机、压缩机输出控制电路如图5所示，单片机输出控制信号经ULA2003反向后驱动晶体管Q2，Q2的集电极再连接压缩机的起停开关继电器的控制输入端，当继电器由闭合转为断开时，二极管D10为继电器线圈续流。为有效的控制晶体管的导通和关闭，系统增加了高输入电压、高灌电流的ULN2003A驱动芯片。其内部采用达林顿输入电压最高达50V, 灌电流最大500mA。
 
软件设计
程序设计可分为两大部分：主程序和中断服务程序。
主程序包括定时器、ADC模块初始化、键盘显示处理、蜂鸣器报警等。主程序初始化后，系统根据ADC转化结果依次判断输入电压是否正常、温度传感器是否有短路断路现象发生，如有上述情况发生系统将切断一切输出同时给出故障代码，否则显示室内温度。然后扫描键盘，根据键值进行相应的操作，如风量高中低的切换、制冷开/关、强制冷的选择、制冷温度设定和新风送风时间设定等。

图5 输出控制电路
中断服务程序包括定时器T0、T1中断服务程序。定时器T0定时时间为1ms，设变量a，每次进入中断子程序如故障标志位有效则a增加1，在a小于50前开蜂鸣器；当a大于50时关蜂鸣器同时a清零，这样处理以区别按键铃声。定时器T1定时时间为1s，主要用于压缩机、冷凝风机间的延时，也就是连续两次压缩机开启的时间间隔不能少于6s，压缩机关闭后延时3s关冷凝风机。
 
结束语
本控制器采用Atmega8单片机控制，电路结构简单、性能稳定、功能强、可靠性高、成本较低。实际应用证明，该控制器抗干扰能力强，能在低温和高温地区长久稳定工作，由于采用的是Flash工艺的单片机，方便在线升级，可用于经济型轿车、豪华客车、大型卡车的等汽车空调的控制。

       引言
     在电压无功综合控制方面，国内科研和生产部门研究开展得比较早，提出了很多控制策略，如模糊控制、神经元控制、九区图等，并研制出实际的电压无功综合控制装置。但是，从实际使用情况来看，存在着投切效率低、甚至出现投切振荡等问题。目前一般的处理措施是采取延时动作，一般整定15 min。但在实际运行中发现，定延时的方法在过滤掉大部分负荷波动的同时，不能及时调整较长时间的负荷变化，影响了功率因数和电压合格率。此外，如负荷波动仅为16 min，超过整定值1 min，也要投切变压器或调整变压器分接头一次，对设备寿命和系统安全可靠性有较大影响。这种情况的出现，原因是VQC装置控制策略中缺少负荷波动的信息。本文提出将负荷预测引入变电站电压无功控制，以满足无功综合调节“电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数”的要求。
     1 典型电压无功控制装置中出现的问题
     目前推出的大多数电压无功综合控制装置都是基于“九区图”原理。如图l所示，控制装置根据电压、无功、时间、负荷率、开关信息、有载调压变压器分接头挡位和电容器组投退等所处状态等因素进行综合判别，以最优的控制顺序和最少的动作次数，使运行区域进入到第9区，亦即使被检测母线电压控制在规定的上、下限值(V上，V下)之间，以确保电压合格；同时，尽量使交换无功功率控制在设置的上、下限值(Q上、Q下)之间。

      当无功负荷发生波动时，如果系统恰好运行于第4S小区，根据九区图的调控原则，将投入一组补偿电容器，结果不仅会减少交换的无功，而且还会使电压提高，运行区不是进入第9区，而是进入第2区或第3区，此后装置可能根据第2区和第3区的控制规则，运行点又回到第4S小区，从而发生振荡动作。
     2 引入负荷预测的电压无功控制
     2.1 基本思路
     从前面分析可以看出，为了解决典型电压无功控制存在的问题，关键是要掌握负荷变化，特别是短时波动情况。变压器允许短时间过负荷，当过负荷1.3倍时，可以延续2 h，而负荷波动持续时间通常为20 min～30 min。因此，可以充分利用变压器的过负荷能力，减少不必要的投切和调整。
     考虑到目前越来越多的变电所安装了综合自动化系统，能够实时监测电网运行情况，并存储了大量历史负荷数据，可以实现电网短期和超短期负荷预测。通过预测值与实时数据的比较，将结果作为电压无功综合控制策略的重要参考量，来实现投切和调整的优化，在保障安全的前提下实现最优运行方系统流程框图如图2所示。

      2.2 负荷预测方法
     本文采用人工神经网络(ANN)法、一元线性回归(ULR)法、指数平滑(ES)法相结合的综合短期负荷预测方法。这3种预测方法的权重系数通过求解如下的二次规划问题获得最佳预测结果：

      2.3 电压无功控制判据
     通过短期和超短期负荷预测，可以得到未来24 h或未来10 min的负荷预测曲线，例如无功—时间负荷变化曲线。当发生电压无功越限时，通过预测的负荷曲线，得到本次越限的可能的持续时间△T(预测数据)，然后作为一个判据，用来判断是否需要投切电容器或调整变压器分接头。至于如何投切和调整，则由相应的VQC控制策略模块决定。例如，当VQC装置检测到负荷开始越限时，可以从负荷预测曲线得到其可能的持续越限时间△T。根据电网的需要和变电站设备的情况，可以设电压无功补偿控制装置的延时定值为了Ts，则有关判据如表1所示。

      3 仿真算例
     某变电所主变采用8组400 kvar电容器进行无功补偿，通过短期负荷预测得到该地某日无功负荷曲线，如图3所示。

      从图3可以看出，该地区在11:00～13:00出现了3次负荷波动，设电压无功补偿装置定延时定值为了Ts＝25 min，则控制策略如表2所示。

      如果按照常规电压无功控制方法，在出现负荷波动以后，采用定延时15 min的办法，虽然能躲过第1次和第3次负荷波动，但第2次负荷波动时补偿电容器在15 min以后(12:00)才投入，15 min后又切除，实际投入的时间只有15 min。而引入负荷预测后，能够由负荷预测结果得知该负荷波动持续的时间大于25 min，因此不必等待，可以直接投入一组补偿电容器。在此种情况下，补偿电容器发挥作用的时间为30 min。相比之下，后一种控制策略可以明显提高功率因数和电压合格率，更大幅度地降低网损，因此该方法明显优于常规电压无功控制策略，电网经济性和安全性都得到很大提高。
     4 结语
     作为对传统VAQ控制策略的补充和完善，本文对引入负荷预测的变电站电压无功控制进行了探讨，负荷预测的结果作为重要参考量提供给电压无功控制装置，并建立了相应的控制策略。通过SCADA接口，得到电网实时运行数据，进行短期和超短期负荷预测，并得到负荷波动时间，同时考虑变压器的过载能力等，判断是否需要投切补偿电容器或调整变压器分接头，然后调用传统的VQC控制策略进行调整，从而避免不必要的延时，消除投切振荡。该方法不仅能提高变电站母线电压合格率和功率因数，同时有效地减少开关操作次数，延长设备寿命，减少对系统安全的影响。 
 

    出现以下情况时，说明控制系统发生问题，应立即通知微机维修人员维修，同时操作工到现场进行处理。

    (1) 经常变化的数据长时间不变，且几个数据或所有数据都不变。

    (2) 控制分组画面中，手动自动无法切换，或手动输入数据后，一经确认，又恢复为原来的数据，修改不过来。

    (3) 趋势图画面中，几条趋势都为直线不变。

    (4) 监控画面中，多个数据同时波动较大。

    判断波动数据是否为工艺上相关参数，若是相关参数则通知仪表及微机人员检查，看是否某调节系统波动引起相关参数变化，同时将相关调节系统打到手动状态，必要时到现场进行调节。如水溶液全循环装置中，尿素合成塔压力正常时为l9．67MPa，如果突然大范围波动，此时势必引起下游的中压系统、低压系统压力波动，这种情况是由于几个相关参数中某一参数波动引起其他参数变化，并不是控制系统本身故障。

    若波动数据工艺上彼此并无直接影响，则可能为微机某卡件发生故障，立即将相关自调系统打到手动调节，必要时到现场进行调节，同时，通知微机及仪表人员检查。

    2、查看操作站工作情况

    当发现某个操作站死机，监控画面数据不刷新，调节画面不起作用，查看右上方系统报警指示灯是否正常，并检查其他操作站是否工作正常，若正常，则仅该操作站有问题，通知微机维修人员修理。若其他操作站数据也不变，则为系统通讯网络出现故障，立即通知维修人员检查网络设备的运行情况，进行修复。

    3、观察操作站的断电情况

    若部分操作站突然无显示，则说明UPS或市电断电，立即通知微机维修工进行维修。若有电的操作站可正常监控，此时不会影响控制系统的正常调节。

    4、注意控制站全部断电的情况

    由于所有控制站设备均为双路供电，一路UPS，一路市电，所以这种情况的发生几率很小。

    当控制站全部断电后，监控画面上两个系统报警红灯亮，通讯中断，数据全部不刷新，所有自调系统完全失控，调节阀将恢复到初始状态，气开阀全关，气关阀全开。此时，应立即紧急处理或停车，同时到现场进行操作。

    5、注意所有操作站全部断电的情况

    此时，查看控制站电源指示灯是否正常，卡件诊断指示灯有无故障红灯，绿灯表示卡件正常工作，若以上都正常，则可以确定控制站工作正常，自调系统工作正常，只是操作工暂时看不到监控画面，且不能对现场进行遥控操作，立即通知微机维修人员进行维修，并到现场进行监控。

    6、调节阀仪表气源压力低或仪表空气全部断气

    当发现多个自调系统失灵，监控画面上自调阀阀位在全开或全关位置，立即检查仪表气源压力，若气源压力小于0．4MPa，则不正常，检查气源管道有无堵塞或漏气现象；若气源压力小于0．2MPa，立即进行紧急停车。将监控画面上的自调系统全部打到手动，将调节阀阀位调到安全位置，通知仪表工检查气源，同时到现场进行操作，关闭调节阀两端的截止阀，用旁路阀操作。

    结 论

    DCS发生故障时，操作工应掌握一定的判别方法，及早发现问题，进行适当处理，可以避免或者减少对工艺控制的影响。

　　*1: r/min

　　电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.

　　例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min]

　　4极电机 50Hz 1500 [r/min]

　　结论：电机的旋转速度同频率成比例

　　 本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和 频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值 来调整电机的速度。

　　另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

　　因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。

　　n = 60f/p

　　n: 同步速度

　　f: 电源频率

　　p: 电机极对数

　　 结论：改变频率和电压是最优的电机控制方法

　　如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。

　　例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，  变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

　　*1: r/min

　　电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.

　　例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min]

　　4极电机 50Hz 1500 [r/min]

　　结论：电机的旋转速度同频率成比例

　　 本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和 频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值 来调整电机的速度。

　　另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

　　因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。

　　n = 60f/p

　　n: 同步速度

　　f: 电源频率

　　p: 电机极对数

　　 结论：改变频率和电压是最优的电机控制方法

　　如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。

　　例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

　　2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？

　　*1: 工频电源

　　由电网提供的动力电源（商用电源）

　　*2: 起动电流

　　当电机开始运转时，变频器的输出电流

　　变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动

　　电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。

　　通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。

　　通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

　　3. 当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低

　　通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te P="Pe")

　　变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

　　当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。

　　举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

　　因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)

　　4. 变频器50Hz以上的应用情况

　　大家知道 对一个特定的电机来说 其额定电压和额定电流是不变的。

　　如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A 电机可以工作在50Hz以上。

　　当转速为50Hz时 变频器的输出电压为380V 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.

　　这时的转矩情况怎样呢?

　　因为P=wT (w:角速度 T:转矩). 因为P不变 w增加了 所以转矩会相应减小。

　　我们还可以再换一个角度来看:

　　电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流 R为电子电阻 E为感应电势)

　　可以看出 UI不变时 E也不变.

　　而E = k*f*X (k:常数 f: 频率 X:磁通) 所以当f由50--60Hz时 X会相应减小

　　对于电机来说 T="K"*I*X (K:常数 I:电流 X:磁通) 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.

　　同时 小于50Hz时 由于I*R很小 所以U/f=E/f不变时 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变--最大转矩不变)

　　结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时 电机的输出转矩会减小.

　　5. 其他和输出转矩有关的因素

　　发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。

　　载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。

　　环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.

　　海拔高度: 海拔高度增加 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.

　　6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？

　　*1: 转矩提升

　　此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。

　　$ 改善电机低速输出转矩不足的技术

　　使用"矢量控制"，可以使电机在低速如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。

　　对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。

　　转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。

　　"矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。

　　"矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。

　　1、什么是变频器？

　　变频器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)缩写，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种调值方式。

　　 PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值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，其直流回路滤波石电感。

　　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，严重时将烧毁 电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变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6~7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，这个问题已在回答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地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f要使输出电压提高 一些以便获得一定地起动转矩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0.5~3Hz.

　　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。但速度精度的植取决于ＰＧ本身的精度和变频器输出频率的分辨率。

　　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，这就叫作再生（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50%~100%。

　　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器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

　　19、为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作？

　　用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。

　　20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么？

　　电机起动时将流过和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。

　　21、什么是变频分辨率？有什么意义？

　　对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。

　　变 频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为 1r/min 以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。

　　22、装设变频器时安装方向是否有限制。

　　变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。

　　23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？

　　在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动。

　　24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题？

　　超过60Hz运转时应注意以下事项

　　(1)机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。

　　（2） 电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作（风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。

　　(3) 产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。

　　（4） 对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。

　　25、变频器可以传动齿轮电机吗？

　　根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。

　　26、变频器能用来驱动单相电机吗？可以使用单相电源吗？

　　机基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁

　　辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。

　　27、变频器本身消耗的功率有多少？

　　它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。

　　28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？

　　一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。

　　29、使用带制动器的电机时应注意什么？

　　制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。

　　30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，清说明原因

　　变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流(OCT)所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。

　　31、变频器的寿命有多久？

　　变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。

　　32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？

　　对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护

　　33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命？

　　作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%时为基准来判断寿命。

　　34、装设变频器时安装方向是否有限制。

　　应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有：

　　（1）盘的设计要针对实际装置所需要的散热；

　　（2）利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积；

　　（3） 采用热导管。

　　此外，已开发出变频器背面可以外露的型式。

　　35、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择？

　　设基准速度为50Hz50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时，容量 需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大。
 
这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

　　2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？

　　*1: 工频电源

　　由电网提供的动力电源（商用电源）

　　*2: 起动电流

　　当电机开始运转时，变频器的输出电流

　　变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动

　　电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。

　　通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。

　　通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

　　3. 当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低

　　通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te P="Pe")

　　变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

　　当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。

　　举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

　　因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)

　　4. 变频器50Hz以上的应用情况

　　大家知道 对一个特定的电机来说 其额定电压和额定电流是不变的。

　　如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A 电机可以工作在50Hz以上。

　　当转速为50Hz时 变频器的输出电压为380V 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.

　　这时的转矩情况怎样呢?

　　因为P=wT (w:角速度 T:转矩). 因为P不变 w增加了 所以转矩会相应减小。

　　我们还可以再换一个角度来看:

　　电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流 R为电子电阻 E为感应电势)

　　可以看出 UI不变时 E也不变.

　　而E = k*f*X (k:常数 f: 频率 X:磁通) 所以当f由50--60Hz时 X会相应减小

　　对于电机来说 T="K"*I*X (K:常数 I:电流 X:磁通) 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.

　　同时 小于50Hz时 由于I*R很小 所以U/f=E/f不变时 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变--最大转矩不变)

　　结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时 电机的输出转矩会减小.

　　5. 其他和输出转矩有关的因素

　　发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。

　　载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。

　　环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.

　　海拔高度: 海拔高度增加 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.

　　6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？

　　*1: 转矩提升

　　此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。

　　$ 改善电机低速输出转矩不足的技术

　　使用"矢量控制"，可以使电机在低速如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。

　　对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。

　　转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。

　　"矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。

　　"矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。

　　1、什么是变频器？

　　变频器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)缩写，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种调值方式。

　　 PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值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，其直流回路滤波石电感。

　　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，严重时将烧毁 电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变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6~7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，这个问题已在回答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地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f要使输出电压提高 一些以便获得一定地起动转矩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0.5~3Hz.

　　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。但速度精度的植取决于ＰＧ本身的精度和变频器输出频率的分辨率。

　　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，这就叫作再生（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50%~100%。

　　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器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

　　19、为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作？

　　用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。

　　20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么？

　　电机起动时将流过和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。

　　21、什么是变频分辨率？有什么意义？

　　对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。

　　变 频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为 1r/min 以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。

　　22、装设变频器时安装方向是否有限制。

　　变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。

　　23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？

　　在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动。

　　24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题？

　　超过60Hz运转时应注意以下事项

　　(1)机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。

　　（2） 电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作（风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。

　　(3) 产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。

　　（4） 对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。

　　25、变频器可以传动齿轮电机吗？

　　根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。

　　26、变频器能用来驱动单相电机吗？可以使用单相电源吗？

　　机基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁

　　辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。

　　27、变频器本身消耗的功率有多少？

　　它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。

　　28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？

　　一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。

　　29、使用带制动器的电机时应注意什么？

　　制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。

　　30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，清说明原因

　　变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流(OCT)所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。

　　31、变频器的寿命有多久？

　　变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。

　　32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？

　　对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护

　　33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命？

　　作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%时为基准来判断寿命。

　　34、装设变频器时安装方向是否有限制。

　　应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有：

　　（1）盘的设计要针对实际装置所需要的散热；

　　（2）利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积；

　　（3） 采用热导管。

　　此外，已开发出变频器背面可以外露的型式。

　　35、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择？

　　设基准速度为50Hz50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时，容量 需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大。
 

1、发电机的励磁方式
发电机励磁方式有两种，一种叫他励方式，这种方式是电网供给励磁电流来建立磁场。这种方式在农村无其它电源供电的情况下，无法使用。另一种叫做自励方式，他是依靠本身剩磁和一组接在定子线卷上的电容器来自行励磁，此种方式在农村广泛使用。

2、自励式异步电机的选择和发电所要具备的条件
(1)为了同时满足动力及照明负荷的用电，通常应选择“Y”型接法的异步电动机，以便于引出中性线。

　　(2)为了降低造价，应选择容量在15kW以内，电压为380/220V的异步电动机为宜。

　　(3)电动机转速的选择应略低于原动机转速，原动机转速一般比电动机同期转速高出5%～10%左右为宜。

　　(4)电动机转子上必须有一定的剩磁。

　　(5)必须并联恰当数值的励磁电容。

3、空载励磁和负载并联电容量的选择
正确选择空载励磁并联电容量很重要，如果电容量选择过大，则造成空载电压太高，可能损坏设备；选得过小，空载电压又太低，选择空载励磁电容应使发电机产生的电压不超过铭牌规定的额定电压，根据这一条件空载时所需的励磁电容Co(按“△”接法)可以按下式计算:

　 (1) 式中IO—在UN下的空载励磁电流A

　　UN—电动机的额定线电压V

　　CO—空载励磁电容μF

　　对于三相总电容量按“Y”接法，可以按下式计算:

　　C0=106*3I0/314UNx　　　　　
 (2) 式中UNX—电动机的额定相电压V

　　当电动机带上负荷后，发电机电压将随负荷的增加而降低，因此带负荷运行时还必须补偿电容量。当负荷功率因数cosφ=1(即纯电阻负载)且满载时，由于有功功率在电网引起无动损耗，则必须增加电容器以补偿负荷中的无功功率，其补偿电容值可按下式估算:

　　C1=1.25CO　　　　　　　　　　
(3) 式中C1——带负荷时补偿电容值μF

　　当负荷的功率因数cosφ约为0.8时，由于负载中有感性负载，为了补偿无功功率在电网中引起的无功损耗，因此必须相应的补偿电容值，其补偿电容值C2可按下式计算：

　　C2=0.6SN/314UN2　　　　　　　　　　　　　　　　　
(4) 式中C2——补偿无功功率电容值μF

SN—异步电动机的额定容量VA

　　其带额定负荷时总的负荷补偿电容C为:

　　C=C1+C2　　　　　　　　　　　　　　　
(5) 三相总的励磁电容值为:

　　C总=CO+C=CO+C1+C2　　　　　　　　
(6) 例如有一台J02-71-8电动机，额定功率Pe=17kW，额定转速720r/min，额定电压380V，额定电流35.8A，Y型接法，功率因数为0.8，空载电流5.5A(铭牌值)，现需要改为异步发电机，求空载电容、负荷电容多少?

　　将上述数据代入公式(1)、(3)、(4)、(5)中，得到空载电容为78μF，负荷补偿总电容为322.4μF。

4、运行中注意事项
(1)为了保证供电电压质量，应随负荷的变化而增减补偿电容量。
(2)应在发电机的空载电压升起后再带负荷，否则发电机电压很难建立起来。
(3)带动力负荷不要超过发电机容量的25%，所带电动机的单台容量不应超过发电机总容量的10%，否则启动电流太大，电压急剧下降，电动机难以启动。

　　本控制装置与一次反射镜、二次聚焦镜的机械结构结合，通过本控制装置进行一次反射镜的方位、俯仰的角度调整、二次聚焦镜与焦点间的距离调整。在二次聚焦镜箱体的4边装有4个光敏传感器接至控制单元。经程序的处理，能使机械结构（一次镜面）进行阳光自动跟踪。
装置简述：以可编程控制器、可编程终端等组成控制单元的硬件。由运行的软件程序，实现通讯、控制功能。并且，通过文字提示进行操作和显示。
以交流伺服控制器等组成伺服单元的硬件。由运行的软件程序，接收
指令、驱动机构上的交流异步电机实现精确的位置、速度控制。
温度控制器能保证放置在室外的伺服驱动单元箱体内的冬季时的工作
温度。（另外，作为备用选项功能，装有制动器控制部分，能控制机构上的制动器的紧锁和解锁。）
动作范围：一次反射镜 方位 90°(东)～270°(西)
俯仰 0°(俯)～90°(仰)［实际值与机构和限位对应］
二次聚焦镜 行程约100 mm ［实际值与机构和限位对应］

动作方式：
⑴阳光跟踪：光敏传感器检测的自动跟踪方式。
⑵步进操作：选择步进距后，单键操作，按1次键，方位或俯仰运动1步。(方位、俯仰和二次反射镜的步距分挡不同)
⑶启停操作：选择电机转速后，单键操作，按1次键，开始运转、再按1次同一个键停止运转。(方位、俯仰和二次反射镜的速度分挡不同)

限位保护：设有限位开关和极限开关。
控制精度：与电机同轴装有2500线(即转一圈发出2500个脉冲)的编码器，作为位置及速度的传感器。方位轴经减速器（168×600）后，1′间距对应46667个脉冲。俯仰轴经减速器（168×900）后，1′间距对应约70000个脉冲。伺服控制将编码器的信息按4倍频(10000脉冲/转)进行数据处理。而且，其位置控制精度达±1个脉冲。

报警提示：制动器状态及限位开关监视，异常时有文字提示。（备用选项）交流伺服控制器监视，异常时有文字提示。
限位和原点传感器监视，异常时有文字提示。

3、控制方案

4、工作原理
室内控制单元、室外伺服驱动单元、异步电机及反馈单元构成系统。通过室外伺服驱动单元使异步电机按照指令动作，以完成一次反射镜的方位、俯仰角度调整和二次聚焦镜的距离调整。（备用的制动器控制部分完成制动器的解锁、紧锁工作）。安装在电机上的反馈单元(编码器)作为交流伺服控制的反馈信息。
安装在方位、俯仰和聚焦机构上的6个限位开关(接近开关)也是作为反馈元件，起着相应的重要作用。在机构上的触片(定位螺丝钉)到达限位开关的位置时，机构将不能沿此方向继续转动，只能反向转动。
在二次镜箱体下方的东西南北各边，共装有4个光敏传感器，接至室内控制单元。东西2侧的光敏传感器为1组，作为方位自动跟踪的检测元件。南北2侧的光敏传感器为1组，作为俯仰自动跟踪的检测元件。经控制单元及伺服驱动单元中程序的处理，能使机械结构（一次镜）进行阳光自动跟踪。

方位、俯仰机构上安装了4个极限开关。当机构上的触盘使任一个或二个极限开关改变信号状态时，都会关断3台交流伺服控制器的电源。这种情况一般不会发生，因为限位开关是在极限开关之前起作用。极限开关是最外一层保护。
软件在实现装置的各种功能中起着非常重要的作用。本装置的软件有可编程控制器的程序、可编程终端的程序和交流伺服控制器(3台)的程序。这5部分程序分别担负着人机介面、数据处理、动作控制以及状态监视等各类作用。本装置安装的软件适于北半球（因在方位操作中有向东、西方向的运行）。
温度控制部分是保证在极低温度时伺服控制器能正常运行。由温度传感器、温度调节器和加热器组成。温度调节器是可设定上、下限的3位式调节形式。加热器为埋入式陶瓷远红外辐射元件（220V 300W）。
另外、还有一个接近开关用于方位的原点检测。只在原点复归的操作时，作为方位的原点信号。其它时候不起作用。

5、可编程控制器与伺服控制器的连接和通讯连接
 如图所示

由422通讯，可编程控制器实时读取伺服位置值（4字节）和状态（1字节）。依操作选择，向伺服发送指令代码（和指令位置值）。同时发出开关量启动信号。
指令代码信息如下表

伺服控制器状态信息如下表

市场调查公司ARC咨询机构首次采用PAC这一术语，它定义了一种新类型的控制器，该控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性。PAC采用COTS（现有的商业化）技术，非常适合于工业化环境，它具有可伸缩性，易于维护和较低的发生故障时间等特性。PXI（用于仪器的扩展型PCI）已成为快速增长的PAC平台；如NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供应商现在可提供1,000多种独特的I/O模块，包括模拟I/O，数字I/O，视觉，运动和高精度数据采集。PXI结合了PCI总线的电路特性和CompactPCI坚固的欧卡机械结构，这种结构已在工业环境中成功使用了许多年。

十年前当Internet还处于雏形时，机器视觉非常昂贵，而且基于PC的仪器还没有出现，那时PLC统治了整个自动化领域。即使是今天，那些使用数字I/O进行简单控制的工程师依然感到PLC是他们最好的选择。然而，如果考虑到要为您的PLC增加视觉，运动，仪器和分析功能，那么您就会明白为什么PAC正逐渐占领自动化领域。本文中我们将在成本，高级功能，外形结构，控制器，I/O和软件这六个方面，详细介绍在未来自动化应用中PAC优于PLC的20条原因。

成本
1.采用单一的控制器节省了成本 现在您可以考虑使用PAC，它具有单一的控制器和机箱，可用于处理数字和模拟I/O，具有运动，视觉功能和模块化仪器，因此不需要花钱购买多个控制器。如果您需要控制系统具有多种功能，如视觉或模块化仪器，那么采用PAC将是最为经济的。

高级功能
2.高级控制 在能源或材料的成本很高的情况下，工程师需要优化他们简单的PID控制算法来以最大程度地减少浪费。这些复杂的算法常常采用如模糊逻辑或神经网络等控制设计技术，从而可以最大限度地降低过程控制的稳定时间。传统上，PLC所能实现的PID控制算法并没有为特定的过程进行优化。高级的控制算法不仅需要强大的浮点处理器，而且还要占用大量的内存，使用PAC平台则可以满足这些条件。

3. 实时分析 在机器监控应用中，需要实时采集地来自模拟或数字I/O通道的数据，从而能有效地检测故障状态。您可能要进行如阶次跟踪和振动分析这些复杂工作来有效地检测机器的状况。对于这些应用，您可以使用PAC的高效平台来进行实时地分析工作。

4.数据库/网络连接 利用来自厂房内的实时数据，操作人员可以在控制室内根据所得的信息制定决策。然而，要使控制系统具有输出现场数据的功能是很困难的。企业系统一般采用标准的ODBC，ADO和XML以获得来自自动化系统的数据。PLC只能通过标准的OPC进行通信，这意味着需要增加一台PC来采用OPC获取数据并使用如ODBC、ADO和XML这样的标准把数据传送给企业。为了能有效地把现场数据传送到ERP系统中，控制系统必须能直接和外部数据库通信——您可以使用PAC来完成这些工作。 5.安全性 在把控制系统与数据库和网络连接时，您需要考虑安全问题。出于安全的利益，许多厂商选择不把自动化系统和企业数据库相连，但是对于大多数厂商而言，连接所带来的好处要远大于安全方面的顾虑。 

尽管可以对PLC加锁来防止他人入侵工厂的网络，但是由于PLC通过以太网发送非加密包，所以它并不适合用于防止黑客入侵。PAC在通过网络传送数据时，可以对数据加密。尽管目前这还不是需要考虑的第一因素，但是在将来它将是厂房内分布式系统采用PAC的主要原因。

6.多种速度的确定性应用 PLC只能以固定的速度运行，而且它不是为以不同循环速率独立进行处理而设计的。如今，复杂的控制系统中常需要多种速率的确定性应用，它需要有多个循环，每个循环以不同的速率运行。这就要求能进行并行处理，而只有在PAC上运行的操作系统才具有这样的特性。

外形结构
7.适合于工厂环境 工程师选择PLC的一个常见原因是它能在工厂的环境下正常工作。然而，绝大部分PLC是安装在NEMA内。在这样的环境里，PXI平台附加的冷却装置，坚固的外表面和增强的抗冲击和振动指标都使系统具有和PLC相同的可靠性。

8.伸缩性和灵活性 由于厂商倾向于使用 柔性的自动化系统来满足客户不断更新的要求，所以他们需要控制系统具有模块化、灵活性和伸缩性。PLC系统由于受到了I/O的限制，只能在数字和运动方面具有伸缩性，而PAC不仅具有PLC的伸缩性，而且您还可以在系统上增加视觉，模块化仪器或高速模拟I/O。您也可以通过以太网来使用多个PC并根据需要增加或减少PC的数目。

9.易于替换 对于现场工程师而言，最大限度地减小的故障时间是非常重要的。在对控制系统进行更新或更换I/O模块时，您需要能最大程度地减少更换或增加模块的工作量。PAC的模块化特性满足这方面的要求。
控制器

10.计算机电源 对于如机器状态监控这样高速，需要大量内存的应用，具备高速的处理器和大容量的内存就非常重要。由于您采用了现有的硬件来构建基于PAC的系统，所以您的PAC控制器可使用Pentium 4处理器并具备上G的RAM。

11.存储功能 如果无法保存和查看历史信息，那么信息还有什么用呢？ PLC传统上就缺乏数据记录的功能。而PAC则可以根据您指定的时间、方式和数据格式来记录数据。

12.数字I/O 传统上，PLC平台的数字I/O只能为工业传感器和激励器提供标准的电压驱动电流。然而，新的如NI 651x系列模块的数字I/O 则可以提供24V的电压，高达500 mA的驱动电流和光学隔离，并且它还具有看门狗定时器，可编程电源启动状态，用于提高安全性和可靠性的输入滤波器等特性，而成本只有每通道5美元。

13.模拟I/O 主要由于PCI总线速度快的原因，传统上采用基于PC平台来提供模拟I/O。目前某些PLC也具有模拟I/O模块，但是它们的编程十分复杂而且不适合用于高分辨率和大数据量的应用。PAC所提供的模拟输入速率可高达每秒200M并具有24位的分辨率。

14.运动控制 在各种平台中，特别是当您需要高于两轴运动方式时，软件起着主要的作用。在PXI平台上的运动控制器可以提供高达8轴的运动方式，而且可以使用NI 运动助手对系统进行轻松地配置。

15.机器视觉 数据传输速率是在PLC平台上提供视觉功能的最大障碍。目前，无论您是要自动监测零件还是检验药品的包装，您都可以在PXI平台上使用用于视觉应用的模拟、数字和FireWire摄像机。您可以在控制程序中集成多种视觉算法，如模式匹配，光学字符识别，颜色匹配，规格和颜色检测。

16.仪器 近来，材料处理公司已经开始在他们的自动化系统中集成测试功能，从而可以为客户提供全面的测试和自动化方案。I/O所需要的模块化仪器包括数字化仪，信号源，任意波形发生器和其它仪器。这些类型的I/O 需要具备在PAC平台上才有的高速数据传输速率。

17.网络 和PLC类似，PAC可以通过各种工业化的现场总线提供互联，如FOUNDATION Fieldbus，DeviceNet，CAN，Modbus，Ethernet，Profibus，串口等。PAC不仅能作为分布式I/O模块的主控设备，而且也可以作为从属设备添加到已有系统中。

软件
18.实时操作系统 在PAC平台上您可以使用如RT Linux，Pharlap ETS，QNX和VxWorks这些实时的操作系统（RTOS）。一般来讲，实时系统的编程很困难，但是使用如LabVIEW RT这样的软件可以改变工程师开发实时系统的方式。现在工程师可以把Windows上开发的程序下载到实时运载平台上，如PXI控制器。

19.人机界面 特别是在混杂和过程控制工业中，大多数控制系统需要一个能连接控制系统的人机界面。一个HMI由一个触摸屏组成,它可以包含一个嵌入式控制器也可以没有。由于基于PAC的系统考虑到了用于I/O的相同控制器的使用，所以您也就不需要添加额外的嵌入式控制器来实现HMI的图像显示。

20.简单易用的开发环境 虽然传统的梯形逻辑编程非常适合于数字I/O的编程，然而对于处理模拟I/O，运动或视觉这种编程方式则十分麻烦。PAC可以用通用的语言编写控制程序，为您提供了很大的灵活性，这些通用语言包括C，C++，Visual Basic，LabVIEW甚至是传统的梯形逻辑。
很显然，现如今的工程师除了PLC控制还可以有另外的选择。PAC能为您增加所需的PC功能以用于高级控制，实时分析或连接企业数据库，而且同时保持了PLC的可靠性。如果您需要集成不只数字I/O和运动控制或者需要更快的计算机处理能力的话，PAC可能是非常好的选择。

        做快速调试时，一定要遵循手册给出的引导流程进行，特别是电机铭牌数据必须要准确输入。如果电机的铭牌数据输入有误，电机建模就不会精确，控制起来也不会有好的运行效果。电机的铭牌数据包括：额定电压、额定电流、额定功率、额定转速、额定功率因数。如果是矢量控制，还有一个额定励磁电流需要确定。其中额定转速，我国的电机标准中规定铭牌数据不包含此项，所以这个参数必须向电机制造商索取，要准确的滑差或者额定转速值，功率因数这个参数，一旦电机确定，根据铭牌数据可以计算，或者向电机制造商索取准确数值。额定励磁电流，可以通过快速调试自动计算，在r0331 中显示，但是一般这个内部计算的参数并不准确，实测的要更接近电机的真实数据。具体怎么确定，比较啰嗦，还是自己仔细的解读说明说的相关论述。

总之，准确地确定电机名牌数据，比较麻烦的就是矢量控制以及磁化电流的测取。如果是V/F 控制、抛物线控制，就很简单了。不论是简单的还是复杂的，准确设置电机铭牌数据至关重要。这是装置辨识电机的基础。在手册里，有一个电机的等效电路，其实，装置对电机的辨识，就是为了确定那个等效电路里的参数，这就是所谓的建模。

对于V/F、抛物线控制而言，快速调试中的P3900=1/2/3 必须要真正的PASS，然后紧接着P1910=1，ON 合闸命令以后，自动地完成识别，其间没有故障P0041 发生。就可以认为顺利地通过了识别。而对于矢量控制P1300=20/21/22/23，不仅要P1910=1 必须自动得PASS，P1910=3 也必须自动得PASS，还必须P1960=1 自动得PASS。才算顺利地通过了自识别工作。

　　检验自识别的效果，就是将电机在整个的转速范围内空载运行，用手、用耳朵判别电机运行过程中是不是没有明显的电磁噪声、振动。一般在正确地完成上述所说的两项辨识工作以后，电机运行是很平滑稳定的，除非机械上有问题，或者电机的动平衡不好，造成机械振动和机械噪声。区分机械噪声与电磁噪声的办法，自己去解析吧，这里不累述。　

若矢量控制时，对于大惯性滚筒同轴连接，MM4 还可以做惯性补偿，具体的设置与调试参见说明的有关功能图和参数表说明，这里省略。一句话，电机实际运行效果，是对调试工作优劣的最好检验。

    据有关统计数据表明，随着中国经济高速发展以及人民生活质量的提高，对微波食品、休闲食品及冷冻食品等方便食品的需求量将不断增加，这将直接带动相关食品包装的需求，中国食品与包装机械业在今后的一段时间内将维持正增长。预计“十一五”期间，中国包装工业的总产值可望达到4500亿元人民币，并保持年均7%的增长速度。从2011年到2015年，总产值可望突破6000亿元，每年平均增速约维持在16%的水平。以产品分类，中国纸包装制品产量到2015年可达3600万吨，塑料包装制品946万吨，金属包装制品491万吨，玻璃包装制品1550万吨，包装机械120万台套。预计未来循环经济将成为包装行业发展的主要模式、包装资源回收利用将实现产业化、绿色包装材料将获得大力开发和发展、包装基础工业也将加快发展。一个国家包装工业的发展水平及其包装设计研发理念，是该国经济生活中文明程度的重要标志。包装产业不仅涵盖了包装产品的设计、生产，包装印刷，包装原辅材料供应，包装机械以及包装设备制造等多个生产领域，其包装制品还参与到第一至第三产业，货物流通的每一个环节。对使用后的包装产品进行处置、回收和再生利用是包装工业永久性的社会责任。因此，包装产业的发展与全球经济一体化和人类社会可持续发展息息相关。包装产业作为“朝阳产业”，必将对全球制造业发展及其产品的国际间流通产生不可低估的作用。

    但是，目前我国的包装机械自动化程度不高，和其他包装强国相比技术水平还有待提高。因此，我们要大力的发展包装机械的自动化水平，提高生产效率，提高产品的档次，这样才能在激烈的国际包装市场竞争中立于不败之地。下面给大家介绍来自美国的小型一体化控制器（OCS）在包装行业的应用。

一、 一体化控制器OCS在颗粒包装机上的应用

    颗粒自动包装机适用于制药、食品、植物种子、化妆品、化工等产品中的松散状无粘性粗粉状、颗粒状物料的自动包装，如：冲剂、小丸、味精、白糖、汤料、麦片等，颗粒自动包装机可以在包装过程中自动完成计量、拉袋、充填、封口、切断、计数、热压批号等全部工作，是医药制药、食品、化工等行业广大客户实现生产自动化、提高生产效率的优选设备。北京某包装机械制造有限公司是生产颗粒自动包装机及灌装机的专业厂家，其生产的DXD系列自动包装机及灌装机行销海内外，得到用户的普遍好评。Horner公司技术工程师在认真研究了包装机工作原理之后，提出了基于XLE103小型一体化PLC的控制系统。产品外形如下：

    DXD全自动包装机要求加料、充填、拉袋、封口、剪切、撕口、热压批号等工序全自动完成，包装速度、制袋长度可以人为调整。采用XLE103控制的DXD全自动包装机是集PLC控制器、人机界面、温度PID控制、高速I/O、步进电机控制等多种功能于一体的多用途自动包装机，该包装机具有自动给料、高速计数、袋长可调、温度可自调节，并且具有性能稳定、操作维护方便、效率高等特点，保证了包装袋的长度稳定，图形美观。根据工艺要求，DXD全自动包装机采用XLE103进行自动控制，包含一个关键的步进电机的协调运行。XLE103是一款高度集成的一体化控制器，它本身集成12路数字量入，12路数字量出，4路高达10KHz的高速计数器输入，2路最大道100KHz的PWM（高速脉冲）输出，2路14位的模拟量输入，自身可支持8路的PID数字调节。此外还集成2个串口，可以支持MODBUS协议和其他的串口协议。并且编程软件免费，编程电缆用户可自己制作。

    经过实践的证明，此款OCS控制器完全可以控制颗粒包装机的各种动作，并且达到了降低成本，提高效率的目的。对颗粒包装机提高附加值是个很好的先例。

二、 一体化控制器OCS在缓冲机上的应用：

    随着工业的高速发展，对包装材料的需求量越来越大，尤其是具有缓冲性能的包装材料泡沫聚苯乙烯（EPS）的需求越来越大。缓冲包装材料属于一种寿命周期短、“用过即扔”的一次性包装物，瞬间即可变成垃圾，对环境的负面影响是显而易见的。家用电器、电子仪器、玻璃器皿等产品的包装一直采用EPS，然而由于塑料发泡材料的废弃物在自然界中长期不能生物降解，给环境造成严重的“白色污染”，已经被许多国家禁止使用，我国也将逐步禁止使用。因此，使用皱纹牛皮纸是一种经济而且容易得到的缓冲材料，其特点是表面性能稳定，不容易产生粉尘，加工容易，可塑性好，其缓冲作用主要靠挤压皱纹牛皮纸而实现，能为轻的待装产品提供良好的缓冲作用。下面就一体化控制器OCS为核心控制的褶皱牛皮纸生产设备—缓冲包装机作一下详细的介绍。缓冲机的外观如下：

    此设备的控制器是由美国Horner公司自主研发的一款小型的一体化控制器XLE，Horner 的工程师针对缓冲包装机的特点，经过细心的研究后，决定选用XLE103作为此设备的控制部分。这款控制器的外形尺寸仅为96mm×96mm×58mm，非常适用于小系统，另外它本身集成12点直流输入（其中4路可以配置为高速计数器）；12点直流输出（其中2路可以配置为脉宽调制）；2路模拟量输入；2个串行通讯口；支持TF-flash卡；更重要的是，它本身自带一块128×64的图形LCD。这些功能就完全满足了缓冲机的要求，其控制器产品外观如下：

    经过实践的证实，XLE103完全满足缓冲包装机的工艺要求，并能根据工作状况自动调整，以使设备达到最高能效。

三、 一体化控制器在封口机上的应用

    目前我国对于食品的安全卫生标准日加严格，因此在食品的生产运输过程中必须采用真空的包装，这就必须使用封口机械对食品进行真空包装。下面就给大家介绍一下一体化控制器XLE在真空封口机上的应用。

    封口机主要的两个关键控制点就是袋内真空度和封口温度的控制。XLE通过接受真空度传感器的信号来检测包装袋内的真空度，从而根据操作人员的设定值来控制真空泵的起停时间，当包装袋内的真空度达到设定要求时马上进行热封，从而能保持袋内食品的保鲜期。因此对控制器的要求非常高，不仅要时时采集模拟量信号，不断地进行比较。根据特别的算法，从而保持袋内真空度处于动态的平衡。另外，XLE本身具备32路相对独立的PID算法调节，根据热电偶采集的温度信号进行PID控制已经达到了很好的效果。其产品外观如下：

2. 选择步进电机还是伺服电机系统？
其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。请见下表，自然明白。

3. 如何配用步进电机驱动器？
根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。
根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。

4. 2 相和 5 相步进电机有何区别，如何选择？
2 相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。 5 相电机则振动较小，高速性能好，比 2 相电机的速度高 30~50% ，可在部分场合取代伺服电机。

5.何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。
无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。

6. 使用电机时要注意的问题？
上电运行前要作如下检查：
1） 电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的 +/- 极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）；
2） 控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；
3） 不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。
4） 一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。
5） 开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。

7.步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？
一般要考虑以下方面作检查：
1） 电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大 50%~100% 的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。
2） 上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要 >10mA ），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是 CMOS 电路，则也要选用 CMOS 输入型的驱动器。
3） 启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。
4） 电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。
5） 对于 5 相电机来说，相位接错，电机也不能工作。

一般要考虑以下方面作检查：
1） 电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大 50%~100% 的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。
2） 上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要 >10mA ），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是 CMOS 电路，则也要选用 CMOS 输入型的驱动器。
3） 启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。
4） 电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。
5） 对于 5 相电机来说，相位接错，电机也不能工作。

8.我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗?
可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有 DSP 和高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。如 S 加速、多轴插补等。
可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有 DSP 和高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。如 S 加速、多轴插补等。

9. 用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？
一般最好不要，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间的高压。而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。可以用常规的环形或 R 型变压器变压的直流电源。

10.我想用±10V或4~20mA的直流电压来控制步进电机，可以吗？
可以，但需要另外的转换模块。

11. 我有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机口的伺服驱动器控制？
可以，需要配一个编码器转测速机信号模块。

 12. 伺服电机的码盘部分可以拆开吗？
禁止拆开，因为码盘内的石英片很容易破裂，且进入灰尘后，寿命和精度都将无法保证，需要专业人员检修。

13.步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？
不要，最好让厂家去做，拆开后没有专业设备很难安装回原样，电机的转定子间的间隙无法保证。磁钢材料的性能被破坏，甚至造成失磁，电机力矩大大下降。

14. 伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？
如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推力跟进。
如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推力跟进。
 
15.可以将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？
原则上是可以的，但要搞清楚电机的技术参数后才能配用，否则会大大降低应有的效果，甚至影响长期运行和寿命。最好向供应商咨询后再决定。

16. 使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗 ?
正常来说这不是问题，只要电机在所设定的速度和电流极限值内运行。因为电机速度与电机线电压成正比，因此选择某种电源电压不会引起过速，但可能发生驱动器等故障。
此外 , 必须保证电机符合驱动器的最小电感系数要求，而且还要确保所设定的电流极限值小于或等于电机的额定电流。

正常来说这不是问题，只要电机在所设定的速度和电流极限值内运行。因为电机速度与电机线电压成正比，因此选择某种电源电压不会引起过速，但可能发生驱动器等故障。
此外 , 必须保证电机符合驱动器的最小电感系数要求，而且还要确保所设定的电流极限值小于或等于电机的额定电流。

事实上，如果你能在你设计的装置中让电机跑地比较慢的话 ( 低于额定电压 ) ，这是很好的。
以较低的电压 ( 因此比较低的速度 ) 运行会使得电刷运转反弹较少，而且电刷 / 换向器磨损较小，比较低的电流消耗和比较长的电机寿命。
另一方面，如果电机大小的限制和性能的要求需要额外的转矩及速度，过度驱动电机也是可以的，但会牺牲产品的使用寿命。

1 概述
工业生产过程自动化系统经过长期不断的发展，特别是在充分利用计算机技术的基础上取得了很大的进步，在生产过程中已发挥其重要作用，成为生产过程安全，稳定，自动化运行不可缺少的工具。
以微处理器为核心的自动化系统，从70年代简单PLC(可编程序逻辑控制器)发展到今天的PLC系统，和从开始仅代替模拟调节系统的DCS，发展到今天融合PLC和DCS及计算机功能为一体的所谓三电一体化的DCS系统。作为今后工业过程自动化的发展趋势，国家计委高技术产业发展司于2000年3月15日印发了《工业过程自动化高技术产业化重大专项实施方案》，该《实施方案》指出:专项拟支持以下几个方面:
(1) 工业过程自动化新一代主控系统及其综合自动化的开发和产业化，主要包括集散控制系统(DCS)，现场总线控制系统(FCS)和以工业计算机为基础的开放式控制系统等。重点支持若干具有工业过程综合自动化系统产业化能力和开放能力的企业，发展具有市场竟争力的产品，同时适当支持建设工业过程自动化的工程化验证环境与开发能力。
(2) 先进控制与优化软件开发与产业化，主要包括先进控制技术，过程优化技术，实时监控软件平台，信息集成软件平台，系统集成技术等，专项将重点支持上述具有特色和市场价值的系列软件的产业化。
(3) 智能仪表，执行器与变送器，成套专用控制装置和成套专用优化系统的开发与产业化。
就第(1)点而言，特别强调了“工业过程自动化新一代主控系统及其综合自动化的开发和产业化。其“综合自动化”就是要打破传统的计算机、PLC、DCS的分工界限，构成有机组成的三电一体化的综合自动化系统。自从我们1984年提出“三电一体化的综合自动化系统”的观点以来，十几年来的事实证明这种预计是正确的。促成这种转变的动力是科学技术的发展，是计算机技术、网络技术、数据库技术、显示技术及多媒体技术的发展，而这种发展并没有停止，并涵盖着更多更广泛的内容，如语音技术、有线和无线通信技术，Web信息服务技术等。所以，当今“综合自动化”的内涵有着更深刻、更广泛的含义，甚至可以包容我们工作，生活的各个方面。

2 生产过程自动化系统和生产管理系统的融合
在ISO的六层功能模型中，把从检测、执行、驱动到公司(总厂)一级的控制和管理共分成六层功能。构成这种多层功能结构的出发点，是按工厂经营、生产管理、控制功能的划分，而不是按控制和管理计算机系统硬件结构来划分的。只不过过去，特别是七十年代和八十年代初，由于当初计算机技术和网络技术的限制，以及计算机系统设计人员理解的不充分，长期以来，把工厂的计算机系统按六层功能模型相对应的分成六级计算机系统的多层次结构。
随着计算机技术和网络技术的发展，越来越暴露这种多层次计算机系统在数据采集，管理，数据和知识的共享，硬软件资源共享，数据通信，软件开发等等中的各种弊端，特别是在设备控制，过程控制，生产控制之间。以至很早就有人提出管控一体化，或者控制系统就是管理系统的观点。美国西屋过程控制的WDPF Ovation系统就是基于这种观点开发的，可以预计今后更多的工业过程自动化系统将会朝着这个方向发展。

3 软PLC和软DCS
由于计算机技术，特别是芯片技术的快速发展，按照摩尔定律微处器芯的速度性能每18个月将提高一倍。因此，当Intel Pentium处理器问世后不久，Pentium 2，3以及主频为1.4GHz的Pentium 4处理器就相继提供给市场。当广大用户还未来得及使用Pentium 4处理器时，5月29日Intel和HP两家公司就联合推出了64位的Itanium微处理器。自动化系统设备制造商和集成商难以跟上硬件技术的发展，往往出现自动化系统设备制造商和集成商的自动化系统设备的更新，发展。滞后于计算机技术的发展。
另一方面，当前的各种PLC和DCS的开发工具软件都是和制造商的硬件系统设备捆绑在一起的，即某一制造商的PLC或DCS的开发工具软件，只能在该制造商提供的硬件上使用。对于使用多种PLC和DCS的用户就要熟悉和掌握多种PLC和DCS的硬件和软件，使用户要投入大量人力和财力，当更换新的第三方的PLC和DCS时，就得重新进行人员培训，造成人力资源极大的浪费。同时也使具有高技术含量的开发工具软件的销售受硬件设备销售的制约。
在开放式工业计算机系统日渐成熟的今天，有的PLC和DCS制造商，为了充分发挥其在PLC和DCS开发工具软件上的优势和技术储备及潜力，最大限度的保护用户在软件人才和资源的投资，提高其在市场上的竟争力，提出了“软PLC”和“软DCS”的设想和开始实现。其目的是使其开发的PLC和DCS的软件工具与系统硬件设备分离，可以装载在各种开放式工业计算机系统的硬软件平台上，不仅方便了用户，而且也解除了硬件设备对制造商软件销售和发展的制约。这种变化不仅符合我国以开放式工业控制计算机系统为工业过程自动化新一代主控系统，开发实时监控软件平台和信息集成软件平台等重大专项实施方案所支持的工业过程自动化的开发和产业化的方向，也将会带来工业过程自动化用户从设计，使用，维护的变化，这不得不引起我们注意，特别是PLC和DCS开发和制造业的注意。

4 生产过程控制和管理软件的融合
在上述发展趋势的推动下，集过程自动化和信息管理的集成化软件也应运而生，软件集成的功能也日益丰富和增强。Wonderware公司的套装化软件Factory Suite 2000就是满足这种要求开发和集成的。它是从工厂底层，从操作员开始，以一个从下到上的层次结构为生产制造管理系统提供信息，与ERP、MES、EAM等相结合的，从下到上的生产制造和管理信息系统MMI(Manufacturing Management Information system)，从而根本上改变了制造业用户开发应用程序传统的观念和方法。
FactorySuite 2000包括如下的核心软件:
InTouch:过程图形化软件
InTrack:资源管理和WIP(Work in Process)跟踪软件
Industrial SQL Server:实时，关系型工厂数据库
InControl:基于PC机的过程控制软件
InBatch:柔性批处理管理系统
I/O Server和OPC程序库:具有750多个I/O驱动程序和OPC客户程序，连接各种PLC，DCS，RTS，现场总线，回路控制器，测量设备，条码阅读机等设备。
FactorySuite Web Server:集成的Internet/Intranet服务器软件，通过国际互联网和企业内部网收集工厂数据，监视，浏览画面和应用程序。
SCADAlram:一个基于Windows的通信软件，用来连接工业自动化软件，提供实时智能报警通知，数据采集，并可通过各种通信装置远程控制。SCADAlram智能地将报警变信息成语音，通过扬声器，内部通信系统，广播和电话等等有线和无线通信方式传送到指定的电话，还可以发送字母—数字文E-mail到指定的BP机或手机中，并由电话或手机进行各种参数的远程设定和控制。
其中，InControl就是基于Windows NT的实时控制软件，可在任何一个支持Windows NT操作系统的硬件平台上使用，包括:面板式工业工作站，SMP服务器和开放式工业计算机，用软件实现了生产过程自动化控制器的功能。这充分说明了，可以把开发生产过程自动化控制功能的工具软件和专用的控制器硬件分开，不需要把开发自动化控制功能的工具软件和硬件始终捆绑在一起，这就不仅给自动化系统软件开发商一个更大的发展空间，也给用户选择硬件的灵活性。
InControl软件和Wonderware公司工业自动化套装软件FactorySuite 2000的其他软件的有机结合，就可以实现在各种基于Windows NT操作系统的硬件平台上实现生产过程自动化和生产信息管理系统功能的有机融合。

5 结束语
可以设想以开放式工业控制计算机系统和现场总线构成的生产过程自动化系统的硬件结构，再配以如像Wonderware公司FactorySuite 2000这样集过程控制和生产信息管理功能一体的开发工具软件，将成为生产过程自动化和信息管理系统解决方案的重要方式之一。这不仅使生产过程自动化系统的结构大为简化，降低了系统设备投资，提高了系统的可靠性和可维护性。而随着生产过程自动化和信息管理软件功能的日益丰富和增强，可以在不影响硬件系统设备更改的情况下，方便的提高生产过程自动化和生产信息管理的应用水平，满足从各种小规模系统到大规模系统应用的需要。

　　可编程控制器（PLC）是机电类专业的一门实践性很强的专业课，日益受到人们的重视。为了加强实验室建设，进一步完善实验手段，突出实践性教学环节，特别是体现机与电结合的特色，培养高素质的工程人才，让学生熟悉PLC的应用，研制了四层电梯模型。

2 电梯模型的总体简介

　　电梯模型由PLC、铝合金立柱、透明有机玻璃板、印刷电路面板等组成，整个模型安置在面积为30×22cm2的底板上，电梯部分固定在底板的前部，PLC固定在底板的后部，电梯与PLC通过排线连接，模型的总高度约为45cm，总重量约为4.5Kg，如图1所示。

图1电梯模型实物

　　电梯模型采用常见的曳引式电梯结构，由一个定滑轮和两个动滑轮构成的滑轮组以减小所需的牵引力，拖动电机为5V、1W直流电机。为了更好地展现电梯内部结构和电梯的运行状况，除了正面是印刷电路板，其它几个面均采用透明的有机玻璃板制成，使得电梯的内部结构一目了然;电梯模型具备了实际电梯的基本功能，可以把此模型看作是小型化了的真实电梯。

　　电梯部分的尺寸为12×12×40cm3，轿厢尺寸为10×10×8 cm3。由于尺寸较小，各电子元器件之间采用传统的导线连接方式是比较困难的、而且容易出差错，所以采用印刷电路板取代传统导线连接方式，也就是，模型的正面使用了一整块印刷电路板，轿厢的正面也使用了一整块印刷电路板，两块印刷电路板之间的信号通过排线连接，所有的呼梯按键以及指示灯均焊接在电路板上，这样不但解决了模型的电气连接问题，而且提高了模型的可靠性，模型也显得较为整洁美观。

3 控制系统硬件设计

　　3.1 PLC选型及输入、输出点分配

　　PLC选用三菱FX2N系列的FX2N-32MR，它有16输入点和16个输出点。PLC的输入信号有轿厢内呼梯、上呼梯、下呼梯、楼层接近开关共14个输入点;PLC的输出信号有指示灯、电机正转、电机反转共16个输出点，输入/输出点的地址分配情况如图2所示。

图2 输入/输出点的地址分配图

　　3.2 智能判断控制

　　电梯到层、电梯门打开，但电梯外的乘客由于某种原因已经离开，此时没有乘客进入电梯箱，影响了电梯的运行效率。这样情况在真实电梯运行过程中经常出现。针对这种情况，本文的电梯模型增加了自动取消无效呼梯功能（由于电梯模型体积较小，这里仅仅针对二楼增加了此项功能），可有效地提高电梯运行效率。其实现方法是：在电梯模型上添加人体感应模块，并将人体感应模块的输出信号连接到输入点X13上，X13的常开触点串联在二楼呼梯信号的保持线圈上。当在二楼等电梯的乘客离开，X13复位，从而取消二楼呼梯信号，电梯就不再停留此层，从而提高电梯运行效率。

　　3.3 电梯的升降控制

　　电梯的轿箱由一个5V直流电机拖动，并由PLC的Y13和Y17分别控制电梯轿箱的升降。尽管在PLC编程时，Y13与Y17进行互锁，但是为了防止意外而造成电源短路，在外部硬件上进行了互锁设计，即使用弹簧继电器J1和J2进行互锁，如图3所示，从而避免发生电源短路事故。具体实现过程：输出点Y13闭合，继电器J1线圈得电，使5V直流电源正接到直流电机上，此时直流电机正向转动，即电梯轿箱上升;输出点Y17闭合，继电器J2的线圈得电，使5V直流电源反接到直流电机上，此时直流电机反向转动，即电梯轿箱下降。

图3 电梯升降互锁控制原理图

4 模型的功能及软件设计

　　4.1 电梯模型的功能简介
电梯模型可以实现以下主要功能：

　　①记忆呼梯信号;②确定电梯运行方向;③响应顺向呼梯信号，并到层后消除对应的呼梯信号;④当轿厢到达指定的楼层时，楼层指示灯闪烁，表示电梯门处于打开状态，闪烁时间为5s;⑤互锁、上下限位保护;⑥显示轿厢所处的楼层位置、显示呼梯信号。

　　4.2 软件设计
根据电梯模型的功能，编制相应的梯形图。

　　4.2.1 呼梯信号的处理

　　以“一楼上呼信号（输入点X10）”为例。当X10有信号输入，线圈Y10接通并自锁，从而记忆住此呼梯信号，并使“一楼上呼指示灯”亮，直到响应结束，如图4（a）所示。

　　图4（b）是 “一楼上呼信号X10”的响应处理。当轿厢到达一层时，一楼接近开关动作，使X4接通，进一步使得M110动作并自锁，导致图4（a）中Y10断开， “一楼上呼指示灯”灭，即“一楼上呼信号”被响应。通过三个定时器（T20、T21和T22）实现楼层指示灯闪烁5s，其中M310间接地使电机停转，M410用于实现“一楼指示灯”闪烁控制。

图4 呼梯信号的记忆与清除

　　4.2.2 电梯运行方向的控制

　　根据各呼梯信号的先后次序以及轿厢所在楼层位置，决定电梯的运行方向。当电梯运行方向确定后，电梯在上升运行中，只响应大于等于当前楼层的内呼和上升外呼信号;在下降运行中，只响应小于等于当前楼层的内呼和下降外呼信号。

　　图5是电梯上升运行控制的梯形图，用辅助继电器M204、M205、M206和M207记忆轿厢所在的楼层位置，用M130和M131记忆电梯正向和反向运行状态。用相应的输出继电器记忆、指示相应的输入信号，例如，按下“二楼上呼信号”按键，即，输入端X11有输入，用输出继电器Y11记忆此输入信号，输出点Y11使相应的二极管发光，用来指示有“二楼上呼信号”。

　　当轿厢在一楼位置，M204通电，M205、M206和M207断电，此时轿厢外呼梯信号X16、X15、X14、X12、X11、X10以及轿厢内呼梯信号X3、X2、X1都有可能产生上升运行状态;相似地，当轿厢在二楼位置，M205通电，M204、M206和M207断电，此时轿厢外呼梯信号X16、X15、X12、X11以及轿厢内呼梯信号X3、X2都有可能产生上升运行状态;当轿厢在三楼位置，M206通电，M204、M205和M207断电，此时轿厢外呼梯信号X16、X12以及轿厢内呼梯信号X3都有可能产生上升运行状态。如图5所示，输出点Y均被自锁，所以一旦产生上升运行状态（M130通电），那么只有当所有上楼呼梯信号被响应后，才能解除上升运行状态（M130断电）。

图5 电梯上升运行控制

　　电梯下降运行控制原理与上升运行控制类似，其它一些功能较为简单，这里不再累述。

5 结束语

　　本文中的电梯模型与其它现有的电梯模型相比，具有以下创新之处：①用印刷电路代替传统的导线连接，不但减小了电梯模型的体积，而且提高了可靠性;②电梯模型可以自动取消无效的呼梯信号，提高了电梯的运行效率;③由于电梯模型体积小、重量轻，成本低、便于携带，非常适合课堂教学、实验、现场编程和调试，对学生了解和掌握可编程控制器（PLC）及其应用以及工业过程自动化控制有着重要的帮助。

将PAC连接至现有PLC架构普遍支持三种基本方法：
1. 基本模拟与数字I/O——利用PAC进行现场数据检测、转换后，将模拟和数字数据从PAC输出至PLC。优缺点：价格低、接线麻烦

2. 工业网络——大量的PAC产品支持工业协议，如DeviceNet、Profibus和CANopen，以及基于以太网的协议（如TCP/IP、UDP和Modbus TCP/IP）。可以完成PAC、PLC与联网HMI间的数据交换。优缺点：需要CPU或通讯模块支持，价格高，速度快

3. OPC连接——PAC也可以充当过程控制（OPC）客户或服务器的OLE，与PLC或其它使用OPC标记的PAC收发网络数据。OPC标准提供了一组通用的例程。优缺点：需要支持opc标记的软硬件支持，价格高，速度一般。

PAC的定义：
PAC的概念定义为：控制引擎的集中，涵盖PLC用户的多种需要，以及制造业厂商对信息的需求。

◆多域功能（逻辑、运动、驱动和过程）——这个概念支持多种I/O类型。逻辑、运动和其他功能的集成是不断增长的复杂控制方法的要求
◆单一的多学科开发平台——单一的开发环境必须能支持各种I/O和控制方案
◆用于设计贯穿多个机器或处理单元的应用程序的软件工具——这个软件工具必须能适应分布式操作
◆一组de facto网络和语言标准——这个技术必须利用高投入技术
◆开放式、模块化体系结构——设计和技术标准与规范必须是在实现中开放的、模块化的和可结合的

本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考价值。
一、 引言　　
数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。
数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床），其特点是，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中刀具不切削工件。
实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。
由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考价值。

二、控制系统研制中需要认识与解决的若干问题

1. 防止步进电机运行时出现失步和误差
步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，可利用步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制。由PLC直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性。由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，则脉冲周期为0.25毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进电机。则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10毫秒，与PLC的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC驱动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。

2. 保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾
步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其转速必然很低。而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时刀具或工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起带来了一个突出问题：定位时间太长。例如若步进电机的工作频率为20HZ，即50ms走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1秒钟刀具或工作台移动的距离为20x0.01＝0.2mm，1分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如果定位距离为120mm，则定位时间需要10分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。
为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。

3. 可变控制参数的在线修改
PLC应用于点位控制时，用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用；虽然利用PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC没有提供数码显示单元，因此需要为此单独设计数码输入显示电路，这又将极大地占用PLC的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。

4. 其他问题
为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障输出代码的显示等要求，另外还得单独设计PLC的数码输出显示电路。由于目前PLC I/O点的价格仍较高，因此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。此外，为保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。

三、控制系统方案
1. 将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段
要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电机，但采用不同的脉冲当量。粗定位阶段：由于在点位过程中，刀具不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走完全程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。精定位阶段：当使用较大的脉冲当量使刀具或工作台快速移动至接近定位点时，（即完成粗定位阶段），为了保证定位精度，再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段，让刀具或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为0.01mm/步。尽管脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此并不会影响到定位速度。
为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动刀具或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。

2. 应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入
目前较为先进的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。如果说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9+个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。
笔者选用BCD码拨盘装置应用于PLC控制的系统，这样无需再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路，并利用先进的功能指令实现数据的存储和传输，因此能极方便地实现数据的在线输入或修改（如计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统造成的波动，最好设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数据才被PLC读入并处理。

3. “软件编码、硬件解码”
为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。

4. PLC外部元件故障的自动检测
由于PLC具有极高的可靠性，因此PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此迅速判断出故障原因。为节省篇幅，此项内容的程序设计思路见参考文献。

四、控制系统的软件结构

　　软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。
由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器（C660/C661），而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量精确定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的更换。

五、结束语
系统试验表明，本文提出的应用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。所研制的控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。

　　PLC虽然是在开关量控制的基础上发展起来的工业控制装置，但为了适应现代工业控制系统的需要，其功能在不断增强，第二代PLC就能实现模拟量控制。当今第四代PLC已增加了许多模拟量处理的功能，完全能胜任各种较为复杂的模拟控制，除具有较强的PID控制外，还具有各种各样专用的过程控制模块等。近年来PLC在模拟量控制系统中的应用也越来越广泛，已成功地应用于冶金、化工、机械等行业的模拟量控制系统中。

PLC模拟量闭环控制系统的基本原理

　    输入信号和输出信号均为模拟量的控制系统称为模拟量控制系统。过程控制系统是指被控制量为温度、压力、流量、液位、成份等这一类慢连续变化的模拟量控制系统。

　    如图6-28所示为典型的模拟量闭环控制系统结构框图。图中，虚线部分可由PLC的基本单元加上模拟量输入/输出扩展单元来承担。即由PLC自动采样来自检测元件或变送器的模拟输入信号，同时将采样的信号转换为数字量，存在指定的数据寄存器中，经过PLC运算处理后输出给执行机构去执行。

　    因此，要将PLC应用于模拟量闭环控制系统中，首先要求PLC必须具有A/D和D/A转换功能，能对现场的模拟量信号与PLC内部的数字量信号进行转换；其次PLC必须具有数据处理能力，特别是应具有较强的算术运算功能，能根据控制算法对数据进行处理，以实现控制目的；同时还要求PLC有较高的运行速度和较大的用户程序存储容量。现在的PLC一般都有A/D和D/A模块，许多PLC还设有PID功能指令，在大、中型PLC中还配有专门的PID过程控制模块。

    当今，很多做设备的生产商自身都拥有一定的机加工能力，可随时按照设计的要求加工各种型材，例如常见的切割和开孔等等。加工方式不外乎人工和车床。由人工进行操作的，不仅费时费力，而且由于人为因素很难保证加工的精度和一致性；而自动化程度较高的车床成本过高，很难在中小规模的设备生产商中普及，因此低成本、高性能、自主化的加工机床必然能够满足一定的市场需要。本文介绍的是和利时电机公司利用自有品牌‘森创’运动控制器SC-D228和伺服电机系统为客户提供的一套经济有效的砂轮切割机床控制方案。

2.挑战

    控制系统和传动系统是影响整台切割机床精度的关键，在为客户提供成套的方案时不但要考虑成本和性能，而且需要满足严格的工序、灵活的加工类型、方便快捷的操作、周密的安全防范等等。

3.方案

    根据加工工艺的要求，传动部分的主轴电机（以下称砂轮电机）采用伺服电机，只需要控制其转速即可。而控制砂轮进退的电机（以下称进给电机），由于其速度要求不高，但精度和刚性要求较高，因此采用伺服电机配减速器带动滚珠丝杠控制。控制部分采用“森创”运动控制器SC-D228。该运动控制器可以控制2个轴，最高脉冲输出频率在10KHz以上，自带LCD显示屏方便人机对话，RS485的通讯方式可直接与伺服系统连接，抗干扰、组网、远距离传输等优势要远远高于一般的运动控制器。与用面板操作进行简单编程的控制器不同的是，“森创”运动控制器SC-D228采用与PLC相同的编程语言，可事先根据客户具体的使用要求在PC机上进行编程后下载到控制器内，打破了一般运动控制器只能应用于单一行业的传统，自主性和通用性更强。上位机采用SC-D228运动控制器，上电后控制进给电机以手动或自动的方式回到原点，等待指令进给到加工工位，满足油压、吸尘、防护罩等加工条件后，启动砂轮电机，开始加工，完成后退回工位等待下一条指令。伺服系统的工作状态，工件夹紧的油缸，整个设备的防护罩等等一系列措施在整个加工过程中需要控制器实时监控，出现问题时及时停车，电机复位。

4.难点

    在设计砂轮切割机的时候，考虑到需要任意修改砂轮电机的转速，因此需要在运动控制器SC-D228的界面上予以显示，并可随时修改。原计划用脉冲的形式控制砂轮电机的转速，考虑到现场的一些需求，最后决定采用运动控制器自带的RS485与主轴伺服直接通讯的方式进行调速，这样不仅控制更加灵活方便，而且摆脱了因修改电子尺轮比相应降低速度控制精度的做法，各部件之间的物理连接也更加简单方便。此外，砂轮电机带动砂轮空转和切割型材时的负载是不同的，在砂轮与型材刚刚接触时，对于伺服电机而言此时负载突变，对电机的冲击最大，得益于“森创”交流伺服电机良好的性能，这个问题得到完美解决。进给轴在从原点到工位，再到切割型材结束，虽然运行速度不同，但整个过程中的位置控制都要求非常精确。上电找原点的过程，保证进给轴的工位始终如一。进给轴采用和利时电机PS系列精密行星齿轮减速器能够保证伺服电机在低速、变负载的情形下保持稳定的速度和位置精度。

5.效益

    事实证明，无论是“森创”运动控制器SC-D228还是其交流伺服和减速器，性能和精度都能够满足精确性要求较高的砂轮切割机床，同时此方案具有非常大的推广价值，可以广泛应用到其它的设备和行业上，比如二维的钻床和磨床，以及喷涂机、拉袋机等等。延伸开来，该控制器还可以再控制一个轴的位置控制，这样将实现最多三个轴的控制，两个轴位置和一个轴速度的控制，应用的领域将更加广泛。 SC-D228做为一款低成本的简易数控系统，高度的自主性、灵活性、稳定性，以及良好的技术支持使其自身具有很大的竞争优势，得到更广泛的应用。

一 引言

    检品机是一种具有高精度、高灵敏度的复卷、检品设备。适用于卷筒状的印刷薄膜、复合薄膜及卷筒纸制品的印刷、涂布、复合后的全自动品质检验，也可用于上述材料的复卷，是印刷、涂布、复合等工序必不可少的检验设备。

二 系统选型设计

2.1触摸屏选型设计

    本系统选用的是艾默生EZ600-TT06P型 5.7 寸触摸屏， 显示色彩为64K色，解析度为 320×240像素。 按键包括 1 个清单键和 5 个使用者定义的功能键。 此外还有三个 RS232、RS422 和 RS485 的通讯接口， 以及 2个 USB连接口。 內建的 CF 卡插槽可以让您扩充历史记录和配方，以及进行数据备份。 前盖为 IP65 等级，这样对于任何方向的低压水流沖洗，它都能提供保护效果。

2.2 PLC选型设计

    系统选用了艾默生EC20-1614BRA可编程控制器，作为主控单元，主要用于实现的逻辑控制功能；外加一个EC20-4DA模拟量输出模块作为扩展模块，主要用于实现系统的线速度设定和张力给定功能。

    EC20是艾默生推出的高性能小型PLC，具有极快的运算速度，和12K步的大程序容量，并且自带两个通信口，一个通信口用于与触摸屏通信，实现系统的参数设定与状态显示功能，另一个通信口用于与变频器通信，实现变频器运行状态的读取，以及参数设定功能，这样大大降低了用户成本。

2.3 变频器选型设计

    系统选用了艾默生EV6000变频器，用于系统的驱动及张力控制功能。

    EV6000是艾默生最新推出的一款创新型平台产品，集自主研发的无速度传感器矢量控制的核心算法技术、伺服定位控制技术、EMC技术和可靠性技术的优势与一身，使之在性能上有了质的飞跃。

    EV6000高性能矢量控制变频器拥有超大功率范围，可以从0.4到250kW之间进行选择，而它的最高输出频率也可高达1000Hz。EV6000可以实现无PG矢量控制和有PG矢量控制驱动永磁同步电机，而且在无PG矢量控制时，能在0.25Hz下可以满足200%额定负载突变时转矩能快速地响应和稳定运行，能满足众多低速大转矩应用要求，在变频低频脉动技术难题上迈出了一大步，处于国际领先水平。

三 系统介绍

3.1 系统原理介绍

图一 系统原理图

（1）触摸屏：通过触摸屏，用户可以对工作速度、运行张力、料卷直径等参数进行设置；并且，通过触摸屏，可以显示设备的当前运行状态，并对当前的故障信息进行显示，以便用户作进一步处理。

（2）EC20控制器：该控制器是艾默生公司的高性能控制器，它是整个系统的控制中心，协调外围设备的动作，并按用户设定的工艺控制设备的运作。通过EC20-4DA模块对变频器作张力给定和频率设定。

（3）变频器：本系统采用EV6000变频器做收放卷控制，通过该变频器可保证检品机械的张力恒定、速度稳定，是整套系统的控制核心部分。

3.2控制流程图

3.2.1系统正常启停流程：

图二 系统正常启停流程图

    正常启停流程主要是用于用户查找产品缺陷，当发现缺陷时，用户通过按钮记录当前位置，以备查找；难点主要是在于加减速，以及零频时张力的控制。

3.2.2检查点启停流程：

图三 检查点启停流程图

    检查点流程主要是用于缺陷的查找，这也是该设备的最重要的功能之一，本系统是通过硬件中断的方法记录缺陷的位置的，所以，可以比较准确的发现缺陷的位置。由于本过程涉及到多次启停，而且在任何速度下都要保持张力稳定，所以对变频的张力控制性能要求很高。

3.3电气原理图

图四 张力控制示意图

    图四是整个系统的张力控制示意图，EV6000作为主驱动，控制整个系统的运行，EV6000张力控制用变频，驱动收/放卷电机，通过张力传感器反馈回来的张力的大小，做闭环控制，以保证整个系统的张力恒定、速度稳定。利用编码器与变频器作闭环控制，使变频器可以在高速度精度和恒张力下运行，同时PG3把信号送给EC20，由PLC计算当前的运行速度、距离等数据。

    PLC实现传动点的协调控制，逻辑控制处理。PLC实现线速度，运行命令传递到变频器，并收集变频器的运行状态。同时传递变频器参数修改信息。

    选用EV6000张力控制专用变频器实现放卷和收卷控制，选用EV6000高性能矢量控制变频器实现主牵引控制。变频器以闭环矢量控制运行，安装脉冲编码器（PG），编码器信号类型：集电极开路输出型；

    收、放卷变频器工作于张力闭环速度模式，EV6000自带卷径计算功能和断带检测功能。为了保证系统的快速起停要求，尤其是急停的技术指标。变频器都需外接制动电阻。

3.4电气配线图

3.4.1主驱动变频器接线图

图五 主牵引变频器接线图

    变频器通过端子进行起停运行控制，运行方向设定，运行速度设定，故障停机和复位处理。

3.4.2收、放卷变频器接线图
 

图六 收、放卷变频接线图

    变频器通过端子进行起停运行控制，运行方向设定，张力给定设置，张力方向设定，运行线速度设定，收、放卷模式设定，初始卷径复位，故障停机和复位处理。

四 参数设置

1. 牵引变频器参数设置

    牵引电机选用的是艾默生高性能变频器EV6000-4T0220G，以下是该变频的主要功能码设置。

2.收、放卷变频器参数设置

    收放卷电机选用的是艾默生高性能张力专用型变频器EV6000-T-4T0370G，以下是该变频的主要功能码设置。 

五. 调试步骤及注意事项

检查电气接线；

脱开负载，进行电机参数调谐；

某一确定速度下，用测速器对电机和卷取辊进行速度测试，根据测试结果计算各传动点的传动比并设置；

设置基本参数，试运转，观察电机运行方向，调整到正确的方向；

穿料，带料调试，根据效果合理调整各参数设置，直到符合控制要求；

在机台规格所规定的线速度范围内，从最低线速度到最高线速度进行试车运行，观察控制效果，根据需要调整参数；

在空芯卷径和最大卷径之间试车运行，观察控制效果，根据需要调整参数；

参数备份，上传到操作面板，并记录

五 结束语

        检品机控制系统是一种对张力要求较为严格的电气控制系统，无论是在零频，还是在高速运行状态下，EV6000张力专用变频器均表现出极为优良的张力控制性能，最小张力可以控制到1.0kg，而保持张力的恒定，该方案对其它类似的张力控制系统具要重要的参考价值。
 

　　温度传感器电路采用新型温度传感器集成电路ICl。
电压比较器电路由电阻器Rl-R7、温度设定电位器RPl、R陀和电压比较器集成电路IC2(Nl、N2)组成。
控制执行电路由晶体管Vl、V2、继电器Kl、K2和二极管VDl、VD2等组成。
生化培养箱可用旧单门或双门电冰箱改制:利用电冰箱本身的功能制冷，在电冰箱内部的下方安装加热器件 (如电热丝或150W以上碘钨灯)和排风扇 (可使箱内温度均匀)。
电位器RPl用来设定温度的上限，RP2用来设定温度的下限。继电器Kl通过加热中间继电器 (电路中本画出)控制加热器件，继电器KZ通过制冷中间继电器 (电路中末画出)控制电冰箱的制冷系统。
IC2的5脚和2脚分别接RPl和RP2的中心插头上，IC2的6脚、3脚通过电阻器R3与ICI的输出端相连。在IC2的2脚电压值减去5脚电压值约等于0·OlV时，对应的温度为1℃。
当生化培养箱内的温度在设定的温度范围内时，IC2的2脚电压高于5脚电压，3脚、6脚电压与2脚电压相等 (或低于2脚电压而高于5脚电压)，1脚和7脚均输出低电平，VI和V2均截止，继电器Kl、K2均不吸合，制冷与制热电路均不工作。
当箱内温度超过设定温度的上限时，IC2的3脚、6脚电压将高于2脚电压和5脚电压，IC2的1脚由低电平变为高电平，使V2导通，继电器K2吸合，其常开触点接通，制冷系统工作。当箱内温度低于设定温度的下限时，IC2的3脚和6脚电压低于2脚电压和5脚电压，IC2的7脚由低电平变为高电平，便Vl导通，继电器Kl吸合，其常开触点接通，加热电路工作。
　元器件选择
　　Rl-R5均选用1/4W金属膜电阻器，其精度应为士1%;R6-R9可选用1/4W的碳膜电阻器。                                                  
RPl和RP2均选用精度较高的线绕式电位器。
C选用独石电容器。
VDl和VD2均选用1N4148型硅开关二极管。
Vl和V2选用S9013或C8050型硅NPN晶体管。
ICl选用LM35DZ或LM36、TMP36型温度传感器集成电路;IC2选用LM393运算放大集成电路。
Kl和K2均选用l2V的直流继电器。

        本文将基于SIEMENS变频器对其常见故障进行分析和处理。
 1 、 引言  
        20世纪50年代末开始，电气传动领域进行了一场重要的技术变革—将原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维护不便的直流电动机。近十多年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，变频器已经广泛应用于交流电动机的速度控制。其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。在风机、水泵、压缩机等流体机械上应用可以节约大量的电能;在纺织、化纤、塑料、化学等工业领域，利用变频器的自动控制性能可以提高产品质量和数量;在机械行业中，应用变频器是改造传统产业、实现机电一体化的重要手段;在工厂自动化技术中，交流伺服系统正在取代直流伺服系统。从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，都可以采用交流调速装置。几乎可以说，有电动机的地方就有变频器的使用。
 2、 西门子通用型变频器的特点 西门子变频器进入中国市场较晚，但是其增长速度最快。西门子变频器主要分为通用型、工程型和专用型三类。西门子通用型变频器快速增长的原因主要有以下几个方面：
 (1) 不断推出新产品，满足不同用户的特定要求。西门子产品一般的更新周期不超过5年。其产品能够满足不同用户的特殊要求。
 (2) 强大的通讯功能和全面的配套软件，是西门子自动化产品的一大特点。这在我国造纸、化工、钢铁、机械制造等诸多产业从技术改造向自动化控制全面推进的飞速发展过程中，尤显其竞争优势。
 (3) 近两年推出的MM4新一代变频器不仅具有西门子工程型变频器MasterDrive的良好架构，还具有较高的性能价格比，虽然价格不高却有着比同类产品更强大的功能。利用BiCo功能可以为更为复杂的功能进行编程，它可以在输入(数字的，模拟的，串行通讯的等等)和输出(变频器的电流，频率，模拟输出，继电器节点输出等等)之间建立布尔代数式和数学关系式。
 (4) MM4新一代变频器不同于其他变频器的另一个显著特点是：他给用户提供的是一个完全开放的编程平台，使用户可以根据自己的需要最大限度的合理利用有限的资源实现尽可能复杂的控制特性。它的几十个自由功能块可以代替PLC实现一些简单的编程操作。
 (5) 由于价格低廉，变频器在制造时不得已选用了一些底端的原器件，或者说在选用原器件时考虑的富裕量太小。比如：耐压，耐温，耐电压、电流冲击等。因此，在我国使用的实践中出现问题相对较多，这是令我们感到非常遗憾的地方。
3、 常见故障现象分析及处理方法 一般来说，当你拿到一台有故障的变频器，再上电之前首先要用万用表检查一下整流桥和IGBT模块有没有烧，线路板上有没有明显烧损的痕迹。 具体方法是：用万用表(最好是用模拟表)的电阻1K档，黑表棒接变频器的直流端(-)极，用红表棒分别测量变频器的三相输入端和三相输出端的电阻，其阻值应该在5K-10K之间，三相阻值要一样，输出端的阻值比输入端略小一些，并且没有充放电现象。然后，反过来将红表棒接变频器的直流端(+)极，黑表棒分别测量变频器三相输入端和三相输出端的电阻，其阻值应该在5K-10K之间，三相阻值要一样，输出端的阻值比输入端略小一些，并且没有充放电现象。否则，说明模块损坏。这时候不能盲目上电，特别是整流桥损坏或线路板上有明显的烧损痕迹的情况下尤其禁止上电，以免造成更大的损失。 如果以上测量结果表明模块基本没问题，可以上电观察。
(1) 上电后面板显示[F231]或[F002](MM3变频器)，这种故障一般有两种可能。常见的是由于电源驱动板有问题，也有少部分是因为主控板造成的，可以先换一块主控板试一试，否则问题肯定在电源驱动板部分了。
(2) 上电后面板无显示(MM4变频器)，面板下的指示灯[绿灯不亮，黄灯快闪]，这种现象说明整流和开关电源工作基本正常，问题出在开关电源的某一路不正常(整流二极管击穿或开路，可以用万用表测量开关电源的几路整流二极管，很容易发现问题。换一个相应的整流二极管问题就解决了。这种问题一般是二极管的耐压偏低，电源脉动冲击造成的。
(3) 有时显示[F0022F0001A0501]不定(MM4)，敲击机壳或动一动面板和主板时而能正常，一般属于接插件的问题，检查一下各部位接插件。也发现有个别机器是因为线路板上的阻容元件质量问题或焊接不良所致。
 (4) 上电后显示[-----](MM4)，一般是主控板问题。多数情况下换一块主控板问题就解决了，一般是因为外围控制线路有强电干扰造成主控板某些元件(如帖片电容、电阻等)损坏所至，我分析与主控板散热不好也有一定的关系。但也有个别问题出在电源板上。
例如：重庆某水泥厂回转窑驱动用的一台MM440-200kW变频器，由于负载惯量较大，启动转距大，设备启动时频率只能上升到5Hz左右就再也上不去，并且报警[F0001]。客户要求到现场服务，我当时考虑认为：作为变频器本身是没有问题的，问题是客户参数设置不当，用矢量控制方式，再正确设定电机的参数/模型就可以解决问题。又过了两天客户来电告诉我变频器已经坏了，故障现象是上电显示[-----]。经现场检查分析，这种故障是因为主控板出问题造成的，因为用户在安装的过程中没有严格遵循EMC规范，强弱电没有分开布线、接地不良并且没有使用屏蔽线，致使主控板的I/O口被烧毁。后来，我申请了维修服务，SFAE的工程师去现场维修，更换了一块主控板问题解决了。
 (5) 上电后显示正常，一运行即显示过流。[F0001](MM4)[F002](MM3)即使空载也一样，一般这种现象说明IGBT模块损坏或驱动板有问题，需更换IGBT模块并仔细检查驱动部分后才能再次上电，不然可能因为驱动板的问题造成IGBT模块再次损坏！这种问题的出现，一般是因为变频器多次过载或电源电压波动较大(特别是偏低)使得变频器脉动电流过大主控板CPU来不及反映并采取保护措施所造成的。 还有一些特殊故障(不常见但有一些普遍意义，可以举一反三，希望达到抛砖引玉的效果)，
例如：
A. 有一台变频器(MM3-30KW)，在使用的过程中经常“无故”停机。再次开机可能又是正常的，机器拿到我这儿来以后，开始我也没有发现问题所在。经过较长时间的观察，发现上电后主接触器吸合不正常--有时会掉电，乱跳。查故障原因，结果发现是因为开关电源出来到接触器线包的一路电源的滤波电容漏电造成电压偏低，这时如果供电电源电压偏高还问题不大，如果供电电压偏低就会致使接触器吸合不正常造成无故停机。
B.还有一台变频器(MM4-22KW)，上电显示正常，一给运行信号就出现[P----]或[-----]，经过仔细观察，发现风扇的转速有些不正常，把风扇拔掉又会显示[F0030]，在维修的过程中有时报警较乱，还出现过[F0021\F0001\A0501]等。在我先给了运行信号然后再把风扇接上去就不出现[P----]，但是，接上一个风扇时，风扇的转速是正常的，输出三相也正常，第二个风扇再接上时风扇的转速明显不正常。于是我分析问题在电源板上。结果是开关电源出来的一路供电滤波电容漏电造成的，换上一个同样的电容问题就解决了。
C.在某钢铁厂有一台75kW的MM440变频器，安装好以后开始时运行正常，半个多小时后电机停转，可是变频器的运转信号并没有丢失却仍在保持，面板显示[A0922]报警信息（变频器没有负载），测量变频器三相输出端无电压输出。将变频器手动停止，再次运行又回复正常。正常时面板显示的输出电流是40A-60A。过了二十多分钟同样的故障现象出现，这时面板显示的输出电流只有0.6A左右。经分析判断是驱动板上的电流检测单元出了问题，更换驱动板后问题解决。 总结以上，大的原器件如IGBT功率模块出问题的比例倒是不多，正如我前面在西门子通用变频器的特点里所说的，因为一些低端的简单原器件问题和装配问题引发的故障比例较多，如果有图纸和零件，这些问题便不难解决而且费用不高，否则解决这些问题还是不容易的。最简单的办法就是换整块的线路板！
4、 结束语
        西门子变频器的设计水平同各品牌变频器相比，功能强大，无可挑剔！如果再能从设计上就考虑到将来维修的方便性并在制造选材上提高一下零件的质量是最为理想的了。 西门子变频器整流单元的耐压是1200V。若能使用耐压1600V的整流单元，我认为会大大提高稳定性并降低故障率。 防干扰的措施有待加强，西门子的变频器有时会因为干扰问题而把主控板或I/O端口烧了。

        H.264／AVC是ITU-T VCEG和ISO／IEC MPEG联合制定的最新视频编码国际标准，是目前图像通信研究领域的热点技术之一。H.264的视频编码层(VCL)采用了许多新技术，因而使其编码性能有了大幅度提高。但这是以复杂度的成倍增加为代价的，这也使得H.264在实时视频编码及传输应用中面临着巨大的挑战。因此，要满足图像压缩的实时性要求，就需要对现有的H.264编解码器进行优化。本文主要讨论H.264系统的硬件平台和任务流程，并针对基于DSP硬件平台的特点，介绍了从代码级对算法进行优化，进一步提高编码算法的运算速度，实现H.264实时编码的具体方法。由于ADI Blackfin561是AD公司推出的一款高性能的数字信号处理器，它具有600MHz的主频。为此，本文选择其作为硬件平台，来探索在资源有限的DSP平台上实现H.264编码器的有效途径。 

1硬件平台 

1.1 ADSP-BF561处理器 

        Blackfin561是Blackfin系列中的一款高性能定点DSP视频处理芯片。其主频最高可达750 MHz，其内核包含2个16位乘法器MAC、2个40位累加器ALU、4个8位视频ALU，以及1个40位移位器。该芯片中的2套数据地址产生器(DAG)可为同时从存储器存取双操作数提供地址，每秒可处理1200M次乘加运算。芯片带有专用的视频信号处理指令以及100KB的片内L1存储器(16 KB的指令Cache，16 KB的指令SRAM，64 KB的数据Cache／SRAM，4 KB的临时数据SRAM)、128 KB的片内L2存储器SRAM，同时具有动态电源管理功能。此外，Blackfin处理器还包括丰富的外设接口，包括EBIU接口(4个128 MB SDRAM接口，4个1MB异步存储器接口)、3个定时／计数器、1个UART、1个SPI接口、2个同步串行接口和1路并行外设接口(支持ITU-656数据格式)等。Blackfin处理器在结构上充分体现了对媒体应用(特别是视频应用)算法的支持。 

1.2基于ADSP-BF561的视频编码器平台 

        Blackfin561视频编码器的硬件结构如图1所示。该硬件平台采用ADI公司的ADSP-BF561 EZ-kit Lite评估板。此评估板包括1块ADSP-BF561处理器、32 MB SDRAM和4 MB Flash，板中的AD-V1836音频编解码器可外接4输入／6输出音频接口，而ADV7183视频解码器和ADV7171视频编码器则可外接3输入／3输出视频接口此外，该评估板还包括1个UART接口、1个USB调试接口和1个JTAG调试接口。在图1中，摄像头输入的模拟视频信号经视频芯片ADV7183A转化为数字信号，此信号从Blackfin561的PPI1(并行外部接口)进入Blackfin561芯片进行压缩，压缩后的码流则经ADV7179转换后从ADSP-BF561的PPI2口输出。此系统可通过Flash加载程序，并支持串口及网络传输。编码过程中的原始图像、参考帧等数据可存储在SDRAM中。

2 H.264视频压缩编码算法的主要特点

        视频编解码标准主要包括两个系列：一个是MPEG系列，一个是H.26X系列。其中MPEG系列标准由ISO／IEC组织(国际标准化组织)制定，H.26X系列标准由ITU-T(国际电信联盟)制定。I-TU-T标准包括H.261、H.262、H.263、H.264等，主要用于实时视频通信，如电视会议等。
        H.264视频压缩算法采用与H.263和MPEG-4类似的、基于块的混和编码方法，它采用帧内编码(Intra)和帧间编码(Inter)两种编码模式。与以往的编码标准相比，为了提高编码效率、压缩比和图像质量，H.264采用了以下全新的编码技术：

(1) H.264按功能将视频编码系统分为视频编码层(VCL，Video Coding Layer)和网络抽象层(NAL，Network Abstraction Layer)两个层次。其中VCL用于完成对视频序列的高效压缩，NAL则用于规范视频数据的格式，主要提供头部信息以适合各种媒体的传输和存储。
(2)先进的帧内预测，它对含有较多空域细节信息的宏块采用4×4预测，而对于较平坦的区域则采用16×16的预测模式，前者有9种预测方法，后者有4种预测方法。
(3)帧间预测采用更多的块划分种类，标准中定义了7种不同尺寸和形状的宏块分割(16×16、16×8、8×16)和子宏块分割(8×8、8×4、4×8、4×4)。由于采用更小的块和自适应编码方式，故可使得预测残差的数据量减少，从而进一步降低了码率。
(4)可进行高精度的、基于1／4像素精度的运动预测。
(5)可进行多参考帧预测。在帧间编码时，最多可选5个不同的参考帧。
(6)整数变换(DCT／IDCT)。对残差图像的4×4整数变换技术，采用定点运算来代替以往DCT变换中的浮点运算。以降低编码时间，同时也更适合到硬件平台的移植。
(7)H.264／AVC支持两种熵编码方法，即CAVLC(基于上下文的自适应可变长编码)和CABAC(基于上下文的自适应算术编码)。其中CAVLC的抗差错能力比较高，但编码效率比CABAC低；而CABAC的编码效率高，但需要的计算量和存储容量更大。
(8)采用新的环路滤波技术及熵编码技术等。
        H.264的这些新技术使运动图像压缩技术向前迈进了一大步，它具有优于MPEG-4和H.263的压缩性能，可应用于因特网、数字视频、DVD及电视广播等高性能视频压缩领域。

3 H.264视频编码算法的实现

        将H.264在DSP进行改进要经过以下3个步骤：PC机上的C算法优化、从PC机到DSP的程序移植、在DSP平台上的代码优化。

3.1 PC机上的C算法优化

        根据系统要求，本设计选择了ITU的Jm8.5版本baseline profile作为标准算法软件。ITU的参考软件JM是基于PC机设计的，故可取得较高的编码效果。将视频编解码软件移植到DSP时，应考虑到DSP系统资源，主要应考虑的因素是系统空间(包括程序空间和数据空间)，所以，需要对原始的C代码进行评估，这就需要对所移植的代码有所了解。图2所示是H.264的算法结构。
        了解了算法结构以后，还需要确定在编码算法的实现过程中，运算量较大且耗时较长的部分。VC6自带的profile分析工具显示：帧内与帧间编码部分占用了整体运行时间的60％以上。其中ME(Move Estimation，运动估计)又占用了其中较多的时间。所以，移植与优化的重点应在运动估计部分，因此，应当对代码结构进行调整。

(1)大幅删减不必要的文件和函数
       由于选用了baseline和单一参考帧，因此，很多文件和函数都可以删减，包括有关B帧、SI片、SP片和数据分割、分层编码、权值预测模式、CABAC编码模式等不支持特性的冗余程序代码，同时包括rtp.c、sei.c、leaky_bucket.c、In-trafresh.c文件、相关的头文件以及在global.h头文件中相应定义的全局变量和函数，此外，还可以删除top_pic、bottom_pic等与场有关的全局变量与局部变量、分层编码、多slice分割以及FMO、与场编码／帧场自适应编码／宏块自适应编码有关的预测、参考帧排序、输入输出以及解码器缓存操作等；也可以删除随机帧内宏块刷新模式和权值预测模式等相关的冗余代码(如使编码器采用NAL码流而非RTP格式)，同时删除rtp.c；sei.c中包含一些辅助编码信息(并不编入码流中)，如果不用，也可以删除leaky_bucket.c用于计算泄漏缓存器的参数。
(2)配置函数的改写
        由于JM的系统参数配置是通过读取encoder.cfg文件来实现的，故可将参数配置由读取文件改为通过初始化集中赋值函数来实现，这样既减少了代码量，又减少了对有限内存空间的占用和读取时间，提高了编码器整体的编码速度。例如：定义为int型的变量input->img_height就可直接改写为input->img_height=288(CIF格式)。
(3)去除冗余的打印信息
        为了调试与算法改进的方便，JM保留了大量的打印信息。为了提高编码速度，减少存储空间消耗，这些信息完全可以删掉，如大量的trace信息和编码数据统计文件。如果lor.dat和stat.dat仅需在PC机上调试时使用，也没必要移植到DSP平台上，跟这部分相关的代码完全可以去除。但是，调试时所需的基本信息(如码率、信噪比、编码序列等)则应保留参考。
        通过调整可使得代码的结构、容量更加精简，从而为接下来在DSP上的移植做好准备。

3.2从PC机到DSP的程序移植

        要将PC端精简的程序移植到ADSP-BF561的开发环境Visual DSP下，以使其能够初步运行，所需考虑的主要是语法规则和内存分配等问题。 (1)除去所有编译环境不支持的函数 .
        主要是除去某些与时间相关的函数、将文件操作修改为读取文件数据缓存的操作、删除SNR信息收集等DSP平台实现不需要的代码。还要注意：函数的声明、数据结构的类型要符合DSP的C语言格式。
(2)添加与硬件相关的代码
        该代码包括系统初始化、输出模块代码、中断服务程序和码速率控制程序等。
(3)配置LDF文件
        因为刚移植的代码往往数据和程序都非常大，SRAM里面肯定是放不下的，这时链接就会有问题。刚开始的时候，最好把所有的程序和数据都放在SDRAM里，这样链接就不会有问题了。Stack和heap情况类似，都先放到SDRAM。一般在开始时，往往需要的是一个可以正确运行的程序，而速度倒在其次。
(4) Malloc问题的解决
        DSP下的开发，malloc是一个需要解决的问题。如果动态申请内存，就算可以运行，其结果往往也是不对的。所以，最好进行静态分配，可用数组的形式分配。
        移植完毕后，即可实现基于ADSP-BF561处理器的H_264编码，此时如果速度达不到实时编码的要求，还可以进一步进行优化。
4 DSP平台上的代码优化
       在Visual DSP开发环境下对代码进行优化的主要方法有C语言级优化和汇编级优化。

4.1 C语言级优化

       通过VC6的profile分析工具发现：移植与优化的重点应在运动估计部分。笔者通过比较各种算法后选择了菱形(DS)搜索法。DS算法可采用两种搜索模板，分别是有9个检索点的大模板LD-SP(Large Diamond Search Pattern)和有5个检索点的小模板SDSP(Small Diamond Search Pattern)。其菱形搜索示意图如图3所示。搜索时，先用大模板计算，当最小块误差SAD点出现在中心点处时，再将大模板LDSP换为SDSP进行匹配运算，这时，5个点中具有最小SAD者若为中心点，则该点即为最优匹配点，然后结束搜索，否则将继续以此点为搜索中心进行SPSS搜索。
        经JM实验证实，采用此种方法，可以节约大约10％的运行时间，且代码量无太大增长。
        针对DSP的特点和相关的硬件指令，设计时可对代码进行如下优化：
◇对程序结构进行调整。对不适合DSP执行的语句进行改写，以提高代码的并行性。
◇宏的使用。也就是将有些较短，执行单一、调用次数多的函数改为宏。
◇循环优化是将C语言中的for循环打开，排流水线，提高并行性。
◇计算表格化是将运行时计算的参数做成便于查找的表格常数数值，从而将运行计算转化为编译运算。如在量化和反量化程序中进行移位位数的处理时，可先计算出所有可能的值，而后来的运算就可以通过查表得到数值。
◇浮点数定点化。因为Blackfin561并不支持浮点运算，但原始程序代码却是浮点运算的格式，所以必须改成定点运算，而其修改后的执行速度也会加快很多。
◇尽量用逻辑运算代替乘除运算。由于乘除运算指令的执行时间要远远大于逻辑移位指令，尤其是除法指令，故应尽量用逻辑移位运算来代替乘除运算，以加快指令的运行速度。
◇尽量少进行函数调用。对一些小的函数，最好是用适当的内联函数将其直接写入主函数中进行替代，而对于一些调用不多的函数，也可以直接写入主函数内，这样可减少不必要的操作以提高速度。
◇减少判断转换。
◇尽量静态分配内存。
◇调用系统提供的丰富的内联函数。
       此外，为了充分发挥DSP的运算能力，还必须从它的硬件结构出发，最大限度地利用它的8个功能单元，使用软件流水线尽量让程序无冲突地并行执行。也可将最耗时的函数抽取出来，用线性汇编改写，从而最大限度的利用DSP的并行性。

4.2汇编级优化

汇编级优化主要指如下几点操作：

(1)使用寄存器资源
        Blackfin561提供了8个32位数据寄存器以及一系列的地址寄存器。使用寄存器代替局部变量时，若局部变量用来保存中间结果，那么用寄存器代替局部变量可省掉很多访问内存的时间。
(2)使用专用指令
        Blackfin561提供有求最大值、最小值、绝对值、CUP及大量视频专用指令，应可能用多位的指令来访问少位的数据。通过使用这些指令能大大提高代码的执行速度。如用int型(32位)访问2个short(16位)型数据时，可将其分别放在32位寄存器的高16位和低16位字段。这样，数据读取效率可以提高1倍，从而减少内存访问次数。
(3)使用并行指令和向量指令
       ADSP-BF561中每条通用指令都可以和一条或两条存储器访问指令并列执行，这样有利于ADSP-BF561的流水线满负荷运行，更充分发挥ADSP-BF561的数据处理能力。
(4)合理存放反复调用的程序段
       把被反复调用的程序段(如DCT变换和IDCT变换)放在片内程序存储区中，把频繁用到的数据段(如编码表)放在片内数据存储器中，而把不常用到的程序和数据段放在片外存储器中，以避免对程序或数据进行不必要的反复搬移。
(5)合理使用内外存储器
        BF561片内只有256KB的存储空间，因此当前帧、参考帧和当前帧的重建帧都必须放至片外存储器，压缩码流若被主机读取，也可放至片外。其它数据如程序代码、全局变量、VLC码表、各编码模块产生的中间数据等均可放至片内。
(6)DMA的使用
        由于CPU访问片外存储器的速度通常要比访问片内慢几十倍，片外数据的传输通常成为程序运行时的瓶颈，这样，即使代码效率很高，流水线也会因为等待数据而被严重阻塞。解决这一问题的有效方法是用DMA传送数据。程序是逐个宏块进行编码的，在编码当前宏块的同时，先由DMA将下一个宏块的数据、用到的参考帧数据由片外传送至片内，当前宏块做完运动补偿后，DMA又将重建后的宏块由片内传送至片外。这样CPU只对片内数据进行操作，从而使流水线可以顺利进行，而压缩码流按逐个码字有时间间隔地写入，可由CPU直接写至片外。

5 结束语
        经过用ADSP-BF561汇编语言改写的对应函数的优化程序经调试运行后，DCT，IDCT部分效率提高了大约15倍，去块滤波部分效率提高了大约6～7倍。对于模块中的其它部分函数，也同样取得了良好的优化结果。说明其优化工作确实达到了良好的效果。
 

 

        在设计这类具有多种工作方式的系统的程序时，经常采用以下的程序设计思路与步骤：

   1.确定程序的总体结构

        将系统的程序按工作方式和功能分成若干部份，如：公共程序、手动程序、自动程序等部份。手动程序和自动程序是不同时执行的，所以用跳转指令将它们分开，用工作方式的选择信号作为跳转的条件。如图5-54所示为一个典型的具有多种工作方式的系统的程序的总体结构。选择手动工作方式时X10为“1”状态，将跳过自动程序，执行公用程序和手动程序；选择自动工作方式时X10为“0”状态，将跳过手动程序，执行公用程序和自动程序。确定了系统程序的结构形式，然后分别对每一部份程序进行设计。

复杂程序结构的一般形式

 2.分别设计局部程序

        公共程序和手动程序相对较为简单，一般采用经验设计法进行设计；自动程序相对比较复杂，对于顺序控制系统一般采用顺序控制设计法，先画出其自动工作过程的功能表图，再选择某种编程方式来设计梯形图程序。

3.程序的综合与调试

        进一步理顺各部分程序之间的相互关系，并进行程序的调试。
 

       从国际市场的需求上来看，在人民币不断升值、贸易壁垒越来越多的大环境下，想要通过廉价劳动力来进行低附加值加工，从而获取利润已经是举步唯艰，只有从产品质量上提高竞争力，才是获得利润的真正渠道。电脑横机可以做到比手摇横机很难才能达到的工艺水平。所以，通过电脑横机可以生产更高附加值的毛衫，使厂家获得更大利润。
    全自动电脑横机控制系统解决方案流程图

一、软件数据流图：

    从图1电脑横机控制数据流程图中我们可以清楚地看到数据在电脑横机加工过程中的流向。下面对数据流程图做些说明：

1、花型准备系统根据衣片样品所需的组织或者图案，按照衣片参数，比如编织密度，衣片宽度，衣片长度，编织速度，编织系统等等，生成衣片编织控制代码。
2、花型文件编译器对操作人员输入的花型文件进行编译，如果输入有误或者不符合花型文件定义语法，显示编译结果，并且返回。
3、花型文件解释器是对经过编译的文件进行解释，把它转化成直接可以用于控制的数据，并把这些数据按照一定的数据结构进行存储、管理。
4、控制器取出经过第三步骤处理获得的数据控制运动控制卡和数字I/O卡。
5、中断检测是对中断源做一定周期的检测，如果监测到有信号，马上产生一个中断信号，通知主程序处理中断。
6、数字I/O卡用获得的弱电信号控制强电信号，直接控制电脑横机本体。
7、运动控制卡通过运动通道用获得的弱电信号控制强电信号，直接控制电脑横机本体。
8、数据反馈与显示把衣片信息，加工信息通过操作界面反馈给操作人员。
9、横机本体在受控状态下编织衣片。

二、硬件结构图：

    图二给出了电脑横机控制系统的硬件结构图。以工控机为中心，外围设备如键盘、鼠标以及外设存储器等，键盘的作用是手工输入花型编织文件代码。由于控制软件提供用户一个友好的操作界面，所以鼠标的作用是操作界面按钮或菜单。外设存储器包括软驱或优盘。
    运动控制卡是一张基于ISA插槽的控制卡，插在工控机的扩展板上。该运动控制卡具有十六位数字I/O口，所有输入输出信号都有光电隔离保护开关。该卡具有三个运动通道，可以实现三轴联动，脉冲频率范围为1-16KPPS（脉冲每秒）。运动控制卡外接光耦隔离电路板，大部分外接信号通过该电路板、运动控制卡和工控PC机进行通讯。
    电脑横机还有大量的数字信号需要处理。硬件系统用了一张基于PCI插槽的数字I/O卡，该数字I/O卡具有192位的输入输出通道，分为子卡和母卡两张。该卡用于控制如下的电脑横机运动部件：选针器、集圈压板、移圈压板、三角、中断信号的输入等。

 ESTUN伺服选用型号和具体信号接线图和参数设置：

    机头驱动系统：

    1．电脑横机工作时是通过主伺服马达拖动横机机头做往复运动实行编织。在我们伺服配套使用的电脑横机厂家机头驱动采用伺服和同步齿形带驱动，机头可以自动调节行程。一般伺服到机头有两级减速传动（65：45：25），高低速运行时要求伺服马达机头平稳，无抖动和振动噪音，机头换向也就是伺服马达在正反转交替时要平滑无明显打顿强烈抖动现象。目前选用ESTUN10NM，1500RPM1.57KW交流伺服。
    2．一般机头在高速运行到1.2M/S伺服转速725RPM左右。负载保持45%左右，两头换向时负载变化到60-80%之间。正常机头运行速度在0.75M/S到1M/S之间。负载变化在28%-50%之间。伺服速度425RPM—550RPM之间。

    同步带传动设计：

    a.啮合齿数同步带与小带轮的啮合齿数应≥6,若机构允许,可通过增大中心距,或带轮直径不变的情况下,采用小节距,但应在受力允许的情况下。
    b.同步带宽度、节距和节线长由于同步带宽度的确定,其计算公式复杂,因此在实际设计中往往采用计算其圆周力,再参照许用圆周力在有关机械设计手册中查出相应的带宽和节距,一般取5.08。在确定节距和带宽后,根据初定的中心距计算带节线长度,再按标准选择,若不符合,可对中心距进行调整。
    c.电脑横机机头传动机构的同步带齿形一般选用圆弧形,也有的选用梯形,但无论何种齿形均要满足带轮上的一个圆与带的节线相切,并实行纯滚动,第二是带轮上相邻两齿对应点在此圆弧上的距离等于同步带的节距。为确保带与带轮啮合时的良好性能,设计时,应正确选定带轮轮齿齿形角,根据日本小山富夫等的试验以及我厂在实际试制过程中发现,当齿形角为20°～25°时,轮齿与带齿干涉量较小,且齿形角偏差为±1°左右。

    针床移位系统：

    针床横移机构针织横机是生产毛衫的主要设备,而毛衣的花色品种及织物结构的变化,除了取决于三角机构的变换和排针外,针床的横移起了重要作用。利用针床横移可编织斜纹、绞花、空花、移圈等复杂结构的织物。在传统的手摇横机上,针床横移的机构通常采用螺旋线凸轮,在转动一定角度后,用一插销定位来实现。但在电脑横机中,手动操作显然无法得到应用,并且,由于机器本身结构特点以及移圈功能的自动实现对针床横移的准确性、平稳性、可靠性和机电一体化方面提出了更高的要求,因此,在新型电脑横机中,针床横移一般采用伺服或步进电机———滚珠丝杆螺母副传动来实现。摇床马达与滚珠丝杆用同步齿形带联结，同步带轮减速比一般为24：15。编织中需要针床横移时要求伺服马达快速的响应，一般选用速度为3000RPM，750W的伺服马达。

    摇床马达的选定：

    在横移机构中,首先应选择电机,可通过空间力的受力分析计算出对丝杆的转矩,其计算公式如下:

    M=KFRWsinαcosβ×918η1η2×1000（N1m）

    式中:K———安全系数,一般取112～114;

    F——摩擦系数;

    R——丝杆法面半径;

    W——针板质量

    α——机座半角;

    β——螺旋角;

    η1——同步带传动效率;

    η2——丝杆螺母副传动效率;

    M——转矩。

    根据转矩的大小确定电机的功率,以此选定所需的马达规格,步进需初定步进角,目前国内大多厂家生产的步进电机步进角为019°P118°。

    滚珠丝杆螺母副传动

    由于滚珠丝杆螺母副传动具有较高的传动精度和传动效率,在现代新型电脑横机中,一般都采用这一传动方式。其工作原理是:由控制系统根据位移情况发出电脉冲信号,经电机后端的光电编码器进行信号反馈,通过同步带轮及丝杆螺母副传动,从而拉动针床进行左右移动。

    根据其工作原理,列出针床横移量的计算公式:

    A（横移量）=α360×i×T

    α———电机转角,α=脉冲数×步距角;

    i———传动比,即i=主动轮齿数/被动轮齿数;

    T———丝杆螺距。

    针床的横移量一般为床位移动一般设有1/4，1/2，3/4，一段及0—2英寸之间，任何位置都能一次性的移动控制，以及个别针位微小修正等功能。在以上参数选定的情况下,应校对其误差值,使其误差尽量小,否则将影响横移精度,应重新对上述参数进行修正。

    ESTUN伺服马达与控制系统信号接线图和参数设置：

　　1 主要性能特点
TMC428是小尺寸、高性价比的二相步进电机控制芯片。它带有二个独立的SPI口，可分别与微处理器和带有SPI接口的步进电机驱动器相连以构成完整的系统。其控制指令可由微处理器通过SPI接口给定。TMC428提供了所有与数字运动控制有关的功能，包括位置控制、速度控制及微步控制等步进电机常用的控制功能。这些功能如果让微处理器来完成，则需占用大量的系统资源，所以它的使用可将微处理器解放出来，以把资源用在接口的扩展和对步进电机的更高层次的控制上。此外，TMC236也是TRINAMIC公司开发的带有串行接口的步进电机驱动器。3个TMC236连结构成的菊花链（Daisychain）结构便是一种基于串行通讯的网络结构，可以使多个具有串行通信接口的设备以接力的方式传递数据。TMC428可以通过SPI接口与它们相连接，以同时控制3个二相步进电机。

　　TMC428的主要特点如下：
·根据不同的应用提供有SSOP16、SOP24、DIL20三种封装可选形式。
·可以同时对3个二相步进电机进行控制，所有电机可独立工作。
·根据微处理器给定的电机运动参数（位置，速度、加速度），依照梯形或三角形的速度由线产生驱动脉冲波形和顺序，来对电机进行位置和速度控制。它有4种工作模式。其中位置控制有RAMP模式和SOFT模式，速度控制有VELOCITY模式和HOLD模式。
·可微步控制。采用6位分辨率的微步细分。包括满步、半步直至64细分。每个电机可分别选择其需要的微步分辨率。满步频率最高达20kHz。
·通过可编程电流比例捉控制，可以使电机在不同的工作状态下采用大小不同的工作电流。控制电机工作可在8个档次上，分别是最大电流的12.5%、25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%。
·可以对多种参数进行设置，包括最大加速度、最大速度、加速运行和位置保持时电机线圈的电流大小、微步细分分辨率、波形发生器和脉冲发生器的参数等20个多个参数。

　　·可在线改变运动参数（位置、速度、加速度）。
·带有4线串行SPI接口，串行通信使用32bit数据长度的简单协议。使用简单。
·可通过另一个SPI口与电机驱动器连接，其数据传输率高达1Mbit/s。
·低功耗（1.25mA,4MHz），时钟输入范围宽且时钟频率最高可达16MHz。
·3.3V或5V的CMOS/TTL兼容电平供电。

　　2 引脚功能

　　图1所示为TMC428采用SSOP16封装时的引脚排列，各个引脚的功能如下：

　　1，2，3脚（REF1，2，3）：参考开关输入1，2，3，可以外接限位开关，以引发TMC428内部中断功能。本文没有使用该功能。
4脚（TEST）：测试脚。使用时接地，接地应尽可能在引脚附近。
5脚（CLK）：时钟输入。
6脚（nSCS_C）:SPI控制接口的片选信号输入，低电平有效。
7脚（SCK_C）:SPI控制接口的时钟输入。
8脚（SDI_C）:SPI控制接口的数据输入。
9脚（SDO_C）:SPI控制接口的数据输出，高阻。
10脚（SDO_S）:驱动SPI接口的数据输出。
11脚（SCK_S）：驱动SPI接口的时钟输出。
12脚（nSCS_S）：驱动SPI接口的片选信号输出。
13脚（V5）：+5V电源。
14脚（V33）：+3.3V电源，应外接470nF电容器。
15脚（GND）：地。
16脚（SDI_S）：驱动SPI接口数据输入，应接上拉或下拉电阻器。

　　3 内部结构和工作原理
TMC428的内部结构如图2所示。TMC428是由各个单元的寄存器和片内RAM构成的。其内部包括二个外部串行接口、波形发生器和脉冲发生器、微步单元、多口RAM控制器和中断控制器。
TMC428一般从微处理器获得控制指令，微处理器则通过发送和接收固定长度的数据包对TMC428寄存器和RAM进行读写操作。TMC428的寄存器和片内RAM的功能有所不同。寄存器用于存储电机总体配置参数和运动参数，而片内RAM用于存储 驱动串行接口的配置和微步表。电机总体参数是指对驱动器菊花链中TMC236的配置。运动参数包括各电机的当前位置、目标位置、最大速度、最大加速度、电流比例、波形发生器和脉冲发生器参数以及微步细分分辨率等。片内RAM包括64个地址的数据空间，每个地址可存储24位宽的数据，前32位地址数据是对驱动器菊花链串行通信数据包的配置，后32位地址的数据为微步细分表。

　　初始化以后，TMC428即可自动发送数据包到菊花链的每个TMC236，也就是说，驱动串行接口经过初始化后便可以自动工作，而不需要微处理器的参与。只要把位置、速度写进指定的寄存器就可以控制电机。TMC428的多口RAM控制器可管理数据的存取时序。这样，微处理器就可以在任何时间读写寄存器和片内RAM的数据。
通过波形发生器可以处理存储在寄存器里的运动参数并计算电机运动速度曲线。脉冲发生器则根据波形发生器计算得到的速度来产生步进脉冲。步进脉冲产生时TMC428的驱动串行接口将自动发送数据包给步进电机驱动器菊花链以驱动步进电机。当采用微步控制时，微步单元即开始处理根据脉冲发生器产生的步进脉冲，同时根据选择的微步分辨率来产生全步、半步和微步脉冲，并通过驱动串口送给驱动器菊花链。
驱动串行接口是TMC428与驱动器菊花链之间的通信接口。从TMC428到驱动器之间的串行数据包的长度是可配置的，以适应由不同类型和厂家的电路构成的SPI环形结构，最大数据长度为64bit。初始化后，TMC428与步进电机驱动器之间的通信是自动完成的。不同类型的带有SPI接口的驱动器都可以混合构成菊花链结构与TMC428进行连接。

　　4 应用

　　4．1 兼容性
TMC428与大多数厂商生产的步进电机驱动电路兼容。它可以直接连接带有SPI口的步进电机驱动器，也可以通过附加的器件连接常用的并口驱动器。甚至带有步进、方向输入的步进电机驱动器也可以由TMC428来控制。将步进电机驱动电路TMC236非常简单地连接成串行菊花链结构，用TMC428构成3轴步进电机控制系统进行控制可更好地发挥TMC428的特点。

　　4．2 状态检测
实时监测电机运行状态对整个系统的安全和控制是很重要的，TMC428就提供有状态检测功能。每次每处理器发送数据包给TMC428的同时，TMC428会返回数据给微处理器。大部分带有串行口的电机驱动电路都提供有不同的状态位（工作，不工作等）和错误标志（短路，开路，温度过高等）。这样，TMC428就可以在任何时候提供当前电机的运动参数和工作模式以及各状态位。从电机驱动菊花链返回给TMC428的数据包有48bit长。TMC428将其放在二个24bit的寄存器中。这样，微处理器就可以直接读取这些寄存器里的信息。

　　5 系统构成的应用
笔者采用DSP作为系统的微处理器，结合TMC428和TMC236构成步进电机驱动控制系统。TMC236内部集成了HVCMOSFET构成的双全桥驱动电路，它采用恒流斩波驱动方式来驱动双极性二相步进电机，并具有功耗低、效率高的特点。图3所示就是3个TMC236构成3轴电机驱动器并由TMC428进行控制的原理电路图。

　　由图3可见，采用专用步进电机运动控制器和驱动电路组成的系统具有外围电路简单、系统抗干扰能力强和可靠性高等优点，可减少控制电路的开发成本。整个系统除了电源之外只有5个IC，因此，体积小，控制简单，特别适用于3轴步时电机的驱动。实验证明该驱动器控制的步时电机定位精度高，加、减速性能良好，同时，启停、反转性能也很优良。
 

        该系统采用PLC作为控制中心，完成PID闭环运算、多泵上下行切换、显示、故障诊断等功能，由变频器调速方式自动调节水泵电机转速，达到恒压供水的目的。

一、前言
        随着控制技术的发展与完善，变频器及PLC在各个行业的应用愈来愈广，PLC与变频器的可靠性与灵活性得到了用户的认可。同时传统的水塔供水方式暴露了很多缺点：水的二次污染，用水高低峰的不平衡，管道阀门易损坏，维修保养费用过高等等。在此条件下各种恒压供水方式应运而生，其中由变频器、PLC控制的方式尤为普遍，这种方式的特点：系统稳定，功能强大，变频器用于供水更加节能，所以广泛应用在多层住宅小区生活消防供水系统中，现在好多场合也有应用，比如中央空调系统、供水加压站、集中供热等，这种方式经受了时间的考验，已有很多的应用实例。本文介绍的系统在宝鸡某电厂家属区已从98年运行至今，系统稳定，性能可靠，得到了用户的肯定和好评。
二、系统组成：
1、原理框图：参见图一所示。

图一、恒压供水原理框图

2、系统概述：
    该系统由四台大泵（22KW）与一台小泵（5.5KW）组成；PLC部分由西门子可编程控制器S7-200系列的CPU226，文本显示器TD200组成；变频器采用三菱FR-A540系列，功率22KW。
用户所需的生活用水压力、消防用水压力、运行方式等参数在TD200文本显示器上设定，压力传感器把用户管网压力转换为0-10V标准信号送进PLC模拟量模块EM235，PLC通过采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环，运算后转换为PLC模拟量输出信号送给变频器，调节水泵电机转速，达到恒压供水的目的。
    该系统有各个泵的运行时间累计功能，通过PLC的数据区保持可以断电记忆。每次起动时先起动1#小泵，当用水量超过一台泵的供水能力时，PLC通过程序实现泵的延时上行切换，切换原则为当前未运行的大泵累计运行时间最少的先投入；当压力超过时，PLC通过程序实现泵的延时下行切换，切换原则为当前正在运行的大泵运行时间最多的先撤出。直到满足设定压力为止。追求的最终目标为压力恒定。
当供水负载变化时，变频器的输出电压与频率变化自动调节泵的电机转速，实现恒压供水。
    系统还可通过PLC的实时时钟自动定时供水，用户在TD200上设定每天最多6段（段数也可设定）定时供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。
系统可动态显示各种参数，如设定压力，运行压力，水位高度，运行方式，实时时间，日历，各个泵的运行时间累计（精确到秒），运行状态，故障信息等等。为了不使系统中TD200画面显得死板，在PLC程序中控制TD200中的画面定时切换，动态显示；
系统还有故障自诊断功能，各泵发生过载、缺相、短路、传感器断线、传感器短路、水位下限、水压超高、水压超低、变频器故障等，都会有声光报警，TD200上同时显示故障类型，通知设备维修人员处理，并可记忆故障发生时间及班次，以便追查原因及相关责任。
3、工作原理：
  3．1  自动手动方式
（1）手动运行时，可按下按钮起动停止水泵在工频状态下运行，完全脱离开PLC及变频器的控制，该功能主要用在检修及自动系统出现故障时的应急供水方式中。
（2）自动运行时，全部泵的运行依程序自动工作。
    上行过程：当在自动运行方式时，按下TD200上的起动软健，系统先起动1#小泵，PLC程序控制模拟量模块EM235给定变频器一固定频率输出，此时若用PID运算输出直接控制变频器则（设定压力大，运行压力为零，所以运算输出最大）变频器依设定的上升时间运行，升速太快，系统冲击很大。等泵运行一会儿，管网压力积累后，再用PID运算输出控制变频器。具体时间和频率与管网系统有关，在现场调试时这两个参数在TD200上设定调整。管网越大，时间越长。
    当1#小泵到达50HZ后，系统压力仍偏低，则延时一段时间后，系统靠PLC程序把1#泵切换到工频运行，同时由PLC输出一个开关量给变频器的MRS端子，变频器瞬间禁止输出，此时PLC把运行时间最少的泵变频接触器接通后，撤掉禁止输出，相应的泵变频起动运行；延时切断1#小泵，系统中相应的一台大泵变频运行，压力自动调节，若系统压力平衡，则频率稳定在一个相对的范围，若频率到达50HZ后压力仍然偏低，则再投入一台大泵，比较剩下的泵的累计运行时间，时间少的先行投入，以此类推。注意，上行中，只要有一台大泵运行，则1#小泵要断开，大泵与小泵同时运行时，小泵的效率很低。
    下行过程：当系统压力偏高，变频器运行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，经验值）时，PLC程序判断运行在工频状态的泵累计运行时间（若只有一台泵不作判断），运行时间最多的泵延时先行撤出，在撤出的瞬间，PLC控制变频器运行频率在50HZ，要不系统冲击过大，容易有水垂现象，延时一会儿后，再把PID运算输出投入即可；以此类推。注意：下行过程中，到最后一台大泵运行时，频率在18HZ左右，系统压力仍然偏高时，则把1#小泵切换到变频运行。这种情况在夜间可能发生，当供水管网很大时，也许没有这个可能性。
三、注意事项：
1、该系统中有泵的工频变频上行切换，为了系统的快速响应，切换时间最好越短越好，切换时时间差很小，所以各个泵的变频接触器与工频接触器最好用可逆接触器，电气线路与PLC程序中也要有互锁功能。以免发生意外短路事故。对系统或变频器造成危害。
2、变频器上行下行切换时间设定，如果设定值过大，则系统不能迅速对管网的用水量做出反应；如果设定值过小，则可能引起系统频繁的投入泵，撤出泵的动作；为此，PLC程序中增加判断设定压力与运行压力在临界切换状态时，只要不超过允许的误差范围内，不做泵的切换。
3、变频器在上行切换时，必须要有瞬间禁止输出功能，变频器没有此功能可用自由停车功能；所以选择变频器时要注意这点。

美国PLC产品

        美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。

A-B公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列。该系列为模块式结构，CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25时，属于中型PLC，I/O点配置范围为256～1024点；当CPU模块为PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L时，属于大型PLC，I/O点最多可配置到3072点。该系列中PLC-5/250功能最强，最多可配置到4096个I/O点，具有强大的控制和信息管理功能。大型机PLC-3最多可配置到8096个I/O点。A-B公司的小型PLC产品有SLC500系列等。

GE公司的代表产品是：小型机GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，除GE-1/J外，均采用模块结构。GE－l用于开关量控制系统，最多可配置到112个I/O点。GE-1/J是更小型化的产品，其I/O点最多可配置到96点。GE-1/P是GE-1的增强型产品，增加了部分功能指令（数据操作指令）、功能模块（A/D、D/A等）、远程I/O功能等，其I/O点最多可配置到168点。中型机GE-Ⅲ，它比GE-1/P增加了中断、故障诊断等功能，最多可配置到400个I/O点。大型机GE-Ⅴ，它比GE-Ⅲ增加了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能，并具有较强的通信功能，最多可配置到2048个I/O点。GE-Ⅵ/P最多可配置到4000个I/O点。

德州仪器（TI）公司的小型PLC新产品有510、520和TI100等，中型PLC新产品有TI300、5TI等，大型PLC产品有PM550、530、560、565等系列。除TI100和TI300无联网功能外，其它PLC都可实现通信，构成分布式控制系统。

        莫迪康（MODICON）公司有M84系列PLC。其中M84是小型机，具有模拟量控制、与上位机通信功能，最多I/O点为112点。M484是中型机，其运算功能较强，可与上位机通信，也可与多台联网，最多可扩展I/O点为512点。M584是大型机，其容量大、数据处理和网络能力强，最多可扩展I/O点为8192。M884增强型中型机，它具有小型机的结构、大型机的控制功能，主机模块配置2个RS-232C接口，可方便地进行组网通信。

 欧州PLC产品

德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。

西门子PLC主要产品是S5、S7系列。在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，最多可配置到256个I/O点；S5-115U是中型PLC，最多可配置到1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台SS－115U组成的双机冗余系统； S5-155U为大型机，最多可配置到4096个I/O点，模拟量可达300多路；SS－155H是大型机，它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于于中小型PLC、S7-400系列属于于中高性能的大型PLC。

日本PLC产品

日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。

    三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。继F1/F2系列之后，20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。FX2系列是在90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。

三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，I/O点数可达8192点。其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。

欧姆龙（OMRON）公司的PLC产品，大、中、小、微型规格齐全。微型机以SP系列为代表，其体积极小，速度极快。小型机有 P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列、CPM2C、CQM1等。P型机现已被性价比更高的CPM1A系列所取代，CPM2A/2C、 CQM1系列内置RS-232C接口和实时时钟，并具有软PID功能，CQM1H是 CQM1的升级产品。中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。C200H是前些年畅销的高性能中型机，配置齐全的I/O模块和高功能模块，具有较强的通信和网络功能。C200HS是C200H的升级产品，指令系统更丰富、网络功能更强。C200HX/HG/HE是C200HS的升级产品，有1148个I/O点，其容量是 C200HS的2倍，速度是C200HS的3．75倍，有品种齐全的通信模块，是适应信息化的PLC产品。CS1系列具有中型机的规模、大型机的功能，是一种极具推广价值的新机型。大型机有  C1000H、C2000H、CV（CV500／CV1000／CV2000／CVM1）等。 C1000H、C2000H可单机或双机热备运行，安装带电插拔模块，C2000H可在线更换I/O模块；CV系列中除CVM1外，均可采用结构化编程，易读、易调试，并具有更强大的通信功能。

    松下公司的PLC产品中，FPO为微型机，FP1为整体式小型机，FP3为中型机，FP5/FP10、FP10S（FP10的改进型）、FP20为大型机，其中FP20是最新产品。松下公司近几年PLC产品的主要特点是：指令系统功能强；有的机型还提供可以用FP-BASIC语言编程的CPU及多种智能模块，为复杂系统的开发提供了软件手段；FP系列各种PLC都配置通信机制，由于它们使用的应用层通信协议具有一致性，这给构成多级PLC网络和开发PLC网络应用程序带来方便。

     世界知名的齿轮解决方案提供者意大利Samputensili公司最新推出的S 150 - 400 CDM齿轮组合机床使滚齿与倒棱去毛刺单元合为一体。该机床以单位模块系统为标准，专业设计将齿轮机床占地空间减少到最少并在快速高效的条件下滚削各种齿轮和齿轮轴柄。滚齿、倒棱及去毛刺加工，都可以通过干式或湿式加工来完成。这样加工齿轮有助于优化操作时间及操作流程。

         S 150 - 400 CDM 适合滚削不同直径的齿轮。在滚削齿轮最大直径为 150 - 400毫米、倒棱去毛刺最大直径为 250 毫米范围的工件时，有以下几种机床规格：S 150 CDM，S 200 CDM，S 300 CDM，S 400 CDM。由于具有占地最少的优势，作为滚齿机与倒棱去毛刺组合单元的 S 200 CDM型号机床，其集成的自动上下料装置由于使用铝合金材料，因而重量轻，继而，可以实现快速移动并保证迅速地换下工件。此外，为了避免残渣、铁屑等对完工后的齿轮品质及上下料机械臂会产生损害，上下料系统在滚齿时会自动退出工作区域。这样，机械臂也就不易用坏了，具有更高的可靠性，比起其他的自动上下料系统更加耐用。上下料的旋转料爪，可按照操作的顺序变动而调整。带这样自动上下料系统的滚齿机，可以轻易并入生产线中与其他生产线相结合起来使用。数控系统采用西门子840D系统。

1 引言
        现代商业生产流通领域中，产品都离不开包装。如牛奶包装箱、水果包装箱等。而包装纸箱的生产中贴箱机每天处理几十万件应是一件量非常大的生产任务，如果不能实现自动化的生产，将会消耗大量的劳动力，而且效率和质量方面都很难提高。本设计就是将PLC应用于贴箱机系统中，从而使纸箱的生产实现自动化，其主要的任务是如何将纸板加工成型，打包成捆，如何进行生产过程中的自动控制，它是机电一体的纸箱机械产品。总之在保证工艺控制要求的情况下，大大提高了生产效率，有很广阔的市场前景。

2 系统控制特点及工艺
2.1 控制要求及特点
（1）吸附进纸，确保了纸板吸进纸的位置准确。
（2）折叠部上下传输带夹紧纸板送纸、左右吸附腔吸附送纸和运转与众不同的两侧竖带夹
紧纸板送纸相互配合，确保折叠纸无歪斜。
（3）左右下纠偏带各配增减速器，折叠时摩擦强制前后扯动纸板纠偏效果明显。
（4）采用崭新的分垛逐出装置技术，比国外先进的相似装置的性能更为稳定可靠、运行更为
迅速。遇不良纸板时卡纸混乱几率大幅度降低。
（5）人机界面化，可显示生产速度，纸张数及相关的参数。
（6）实现了A/M的控制方式。

2.2 工艺简介
        本系统以PLC为核心，由于该系统所带负载不大，可用一台达变频器带动一台3.7kw的异步电动机，该电机拖动主传递装置。当物料准备好后，离合器合闸即将送料，左右电机定纸箱的大小，用转速检测装置测速度，用光电传感器检测纸箱的位置信号，从而使伺服机工作。触摸屏可以实现友好的人机界面，可以在线的监视系统的运行情况，并进行相应的参数修改。纸板料从平放台进入机器到完成加工全实现了自动化，其工艺简图参见图1。

        整个轨道是纸板成型的通道，轨道的形状决定纸板所加工纸箱的形状，以下对各个主要部件做简单的介绍。
（1）进料装置：由于纸板是流水线加工的，当工作台上放有足够多的加工纸板时，才能进入平稳连续，不重叠的工作状态，提高了生产率。
（2）辊矫直机：为了让纸板经过时垂直于传送带，并使其紧贴轨道以便纸板较为准确地成型。
（3）测速检测： 用抗干扰能力强的接近开关作为传感器，并将其所产生的脉冲信号给PLC的高速计数器。
（4）传送装置：由电动机带动，它控制主生产线的速度，并由变频器进行控制。
（5）纸板矫正：主要由位置信号传感器和伺服系统组成，它主要是矫正成型的纸箱在轨道上的位置偏移，并为后序的纸箱打包做好准备。
（6）记数传感器：检测轨道上的纸箱数，以便定量打捆。
（7）纸箱叠放台：把传送的纸箱给叠放，定数量给推出。
（8）打捆：将定数量的纸箱捆扎好。

3 控制系统设计
         纸板加工成型过程，有一套严格的工艺流程，为了满足系统的控制要求，采用PLC、变频器、伺服机、人机界面及高性能的传感器相结合，有效地解决了实际问题。同时也使系统的构成简单，功能强大，可靠性、可操作性和可视性都提高了。
3.1 系统的硬件构成
        该系统PLC采用OMRON公司的CPM1A-30CDT-A，30点I/O口，18点输入，12点输出，且还留有扩展的余地。该机型属于欧姆龙公司C系列的小型机，结构紧凑，功能性强，有很好的性能价格比。变频器（VFD-B-5.5KW）和伺服装置（AC servo HO系列）以及触摸屏（PWS717-STN）都采用了功能性比较强的台达系列产品。
3.2 变频器
         本系统采用了较为先进的台达变频器进行调速，它调速方便可靠，且调速的精度高。为了适应这种工艺负载，需要在调速时使电动机输出恒定的转矩，应用V/F控制特性的变频器在基频应用V/F控制特性的变频器在基频（台达A型机的参数是Pr04）以下调速。本系统应用两台台达变频器，它们是主从的关系，即从变频器的频率的给定必须得跟随主变频器的给定频率的变化，且保证从变频器的频率输出略高于主变频器的频率输出。
3.3 伺服纠偏装置
        由于纸板在轨道上传送时，难免会出现位置偏差，这就得需要有能够快速矫正其位置的器件，而伺服电动机正好具备这样的功能。它把输入的控制电压信号变为输出的角位移或角速度，加上控制电压，它便马上旋转，去掉控制电压又马上停转，转速高低与控制电压成正比。此装置具有转动惯量小，摩擦转矩小，运行平稳，噪声小等特点。这里主要利用伺服驱动器对伺服电机的运动特性进行设置，并采用了速度和位置相结合的PID调节，从而使纸箱的位置得到很好的纠正。

4 软件设计
4.1 人机界面的设置
        要很好的对系统进行控制和监视，就得利用触摸屏。在前先确定好相应设备和信号的端口地址，然后利用触摸屏的编程软件——ADP软件进行界面设置。下图触摸屏的主控画面，它具有友好的人机交流性。通过对触摸屏的操作，我们很容易的了解和监视系统的运行情况，并可以方便的改变系统的运行参数。其主菜单的设计如图2所示。

4.2 PLC的程序设计
        为了能使系统各部分协调有序、安全可靠地运行就得配以比较优化的软件程序。整个软件程序采用模块化编程的方法，便于调试、修改及扩充，它主要包含三部分：通行协议部分、参数设置部分和自动运行控制部分，程序总的控制框图如图3所示。

4.3 软件的可靠性设计
         软件的可靠性措施主要包括3个故障检测程序：
（1） 时间故障检测程序：将工序执行时间某一时间余量作为定时控制时间，超时则报警并停产。
（2） 信号比较检测程序：建立故障扫描时钟，使自动式在运行过程中能自动检测出各段单元，从而清除故障。
（3） 当纸板被卡主或重叠时，进行报警或减速停机。

5 结束语
        纸板成型过程的控制，由于PLC及相关的高性能设备引入，解决了繁冗工作生产，实现了全自动化的生产，其产品的质量和产量都得到了显著的提高。总之在保证工艺控制要求和产品质量的情况下，大大提高了生产效率，有很广阔的市场前景。

        本发动机性能虚拟仪器测试系统采用的是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）的LabVIEW和LabVIEW RT虚拟仪器软件平台，以及配套的NI PCI数据采集板卡、NI SCXI信号调理设备和NI compact FieldPoint（cFP）分布式I/O实时系统硬件。实现了多路性能的并行测试;并可根据用户设置，自动完成负载、扭矩、转速、功率、压力以及温度的实时监控;最后通过TCP/IP协议实现了测试数据的远程共享，和用户对测试系统的远程操控。该系统具有开发周期短、使用效率高及成本低廉的特点，同时具有很强的系统可扩展性和可重用性，具有很强的应用价值。

1. 系统组成及工作原理

（1）系统组成
发动机性能虚拟仪器测试系统主要由主控机模块、cFP实时监控模块、测功机模块以及待测发动机模块四部分组成，如图1所示。

图1 发动机性能虚拟仪器测试系统

        主控机模块为一台DELL工作站，用于提供图形化用户界面，完成对系统硬件的配置和对用户界面和控制参数的设置，并实时更新各指标参量对时间的波形显示，经过曲线拟合后得到发动机特性曲线，最后完成测试数据的记录工作。与此同时，主控机还通过嵌入式NI PCI数据采集卡完成对非控制参量，如压力、油耗等的测量工作。
cFP实时监控模块由两部NI cFP分布式I/O系统组成，通过TCP/IP协议与主控机通信，从主控机获得控制参数命令来控制测功机，并返回从测功机模块采集来的数据信号，交由主控机处理。其中模块A用于完成实时自动加载和控制指标参量的测量，并提供过载保护、紧急停车以及非法停机后的系统重建等应急措施;模块B用于完成对待测发动机各温度点的实时监测。
测功机模块被用于为待测发动机提供一定的负载，并由其内部的传感设备将待测发动机在该负载下的扭矩、转速以及输出功率等待测指标参量转换为cFP实时监控模块A可以接受的电压信号。

（2）工作原理
发动机性能虚拟仪器测试系统可在两种工作模式运行下：自动工作模式和手动工作模式，主要测试项目有：
1） 发动机压力曲线 （油、水、气的进出口）。2） 发动机温度曲线 （油、水、气的进出口及环境）。3） 发动机转速曲线 。4） 发动机扭矩曲线 。5） 发动机功率曲线 。6） 发动机油耗曲线 。
自动工作模式下，主控机首先等待用户完成软硬件的设置和配置。然后提请用户选择负载测试或定参数测试，负载测试下用户需要设置负载曲线、负载时间、循环时间以及测试时间等测试参数;定参数测试下，用户可以选择指定扭矩、转速或是功率，并设置相应的定标参数、控制参数以及测试时间。完成以上步骤以后，就可以启动测试程序，测试系统即按照用户制定的负载自动加载同时完成对待测发动机的性能测试;或是通过一定的控制算法保持定标参数的稳定并对该状态下的待测发动机进行自动测试。系统运行的同时，用户可以在实时监测图表中观察各指标参量对时间的波形显示，经过曲线拟合后得到发动机特性曲线，并可将感兴趣的图表导出存盘。当完成测试时间后，系统自动终止测试。
手动工作模式下，系统工作原理与自动工作模式下基本类似，只是系统不进行循环测试，而是提供一种交互式的测试环境，完成指定的测试项目后，等待用户的进一步操作。

2. 硬件结构
发动机性能虚拟仪器测试系统硬件组成框图，如图2所示。

图2 发动机性能虚拟仪器测试系统硬件组成框图

（1）主控机
主控机选用一台DELL工作站，内嵌了Intel Pentium 4 2.6G CPU，多功能数据采集卡和实时测温模块和实时监控模块。
（2）实时监控模块
实时监控模块选用NI cFP分布式I/O实时系统。作为工业级控制系统，cFP具备FIFO数据队列、断电数据缓存、看门狗状态监测以及高抗冲击性和抗干扰性，是用于完成系统最核心的实时采集与控制的部分。
（3）实时测温模块
实时测温模块选用NI cFP分布式I/O实时系统。采用了cFP-2020控制器，配以4块cFP TC-120 8通道热电偶模块，可直接用于测量标准J、K、T、N、R、S、E和B型热电偶，并提供相应的信号调理、双绝缘隔离、输入噪声过滤、冷端补偿以及各种热电偶的温度算法，用于发动机各待测温度点的数据采样，并利用分布式I/O的基于TCP/IP协议的网络共享功能实现数据的远程共享，有利于对工业现场实施远程的实时监控。
（4）测功机
测功机是根据作用力与反作用力平衡原理设计的。当发动机测功机的定子受到的转矩与被测发动机的转矩相等时，由单片机数据采集系统直接精准地读出被测发动机的转矩值。当被测发动机旋转带着测功机的转子旋转时，若给测功机加入直流励磁电压，测功机中有磁场存在，此时测功机转子旋转且切割磁力线产生电枢电流，电枢电流和磁通相互作用产生制动转矩，同时测功机定子受到一个相反方向的转矩作用，便在测功机传感器轴上产生压应力，在正常工作范围内，压应力与传感器轴所承受的转矩成正比。如果在传感器轴产生最大压应力方向上粘贴电阻应变片，则应变处的电阻值就随着压应力的大小而变化,再将应变片接入一定的桥式电路就能将压应力的变化转化为电压信号，从而即能测量出转矩的大小。
发动机转速的测量使用光电式转速传感器，测速分辨力高、惯性小、应用广泛，利用单片机和光电式传感器相配合，使待测量发动机转速简便、抗干扰能力强。光电式传感器在发动机轴上装一个边缘有N个均匀分布锯齿的圆盘，通过光线投射到光敏管上，当发动机转动一周，就得到N个脉冲信号，测量脉冲信号的频率或周期，就可得到发动机的转速。
（5）控制机柜
控制机柜主要由控制开关、开关电源、滤波器以及连接线路组成，是为各路传感模块提供相应的多路接口，使之与待测发动机连接，并提供安全的系统供电、信号隔离、幅度调节以及风冷控制等辅助功能，为整个发动机测试系统提供强电支持及系统应急措施。

3. 软件结构及算法
（1）软件结构
发动机性能虚拟仪器测试系统总体采用一种基于TCP/IP协议的客户机/服务器（CS）结构。服务器架构为NI cFP分布式I/O体系，利用其内嵌的独立式实时系统实现目标参量的信号采样，并完成对目标参量的实时监测和控制;客户机则采用通用的PC机结构，运行Windows 多线程操作系统，使用LabVIEW虚拟仪器平台，借助TCP/IP协议实现，与服务器之间控制参量及检测数据的通信，并提供GUI图形化用户界面，实现人机交互，完成控制参数的输入，以及检测数据的分析、运算和图表显示。
系统操作流程为，上电后服务器自动启动存储器中内建的LabVIEW RT实时程序，并实时侦听客户机“开始测试”的命令;客户机开机运行发动机性能虚拟仪器测试主程序，完成用户登录、硬件配置、选择测试项目、设置测试参数后，启动测试程序;服务器侦听到客户端“开始测试”命令后，按照客户制定的硬件配置、测试项目以及测试参数开始实时控制与数据采集，并通过TCP/IP协议将实验数据发送给客户机;客户机发出PID控制命令，并对服务器发送的实验数据进行分析处理，完成PID控制后，按照测试项目进行测试，分析处理测试数据，并以图表方式显示实验结果;完成测试后，客户机发出结束测试的命令，经服务器接收确认后，结束测试。
（2）PID控制算法
本系统试验了3种PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和积分分离PID控制算法.
1） 位置式PID控制算法
该算法的优点是原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现;缺点是每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e（k）进行累加，计算机运算工作量大;而且，因为计算机输出的u（k）对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u（k） 的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。
2） 增量式PID控制算法
该算法的优点是，由于计算机输出增量，误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉;手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换，此外当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值;算式中不需要累加。控制增量Δu（k）的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差;溢出的影响大。
    3） 积分分离PID控制算法

4. 结论

　　该发动机性能虚拟仪器测试系统，实现了对发动机的多路压力、扭矩、转速、功率以及温度实时监测，并利用TCP/IP协议实现主控机对多路信号的远程操控以及测试数据的网络共享;该系统具有测量精度高、运行稳定性强，适用于多种类型发动机综合性能测试。

2sd106ai-17驱动模块简介及具体应用设计  

2sd106ai-17是瑞士concept公司生产的scale系列驱动模块之一，其可靠性高、使用寿命长，主要应用于电机驱动技术、dc/dc变换器等需要驱动大功率igbt和mosfet的系统。它具有很强的驱动能力，最高驱动电流可达±6a，内部集成了短路和过流保护电路、欠压监测电路，仅需+15v电源供电，开关频率可高达100khz。与ipm集成驱动模块相比，需要更少的外部器件，还可以选择两种不同的工作模式，实现两个单管和半桥驱动。

一、 驱动模块简介
        图1为2sd106ai-17的内部结构框图，它由电子接口ldi，脉冲变压器，智能栅极驱动igd和+15v dc/dc电源组成。外部控制器输入的pwm信号首先进入ldi单元，由ldi模块进行编码处理进而通过脉冲变压器送到igd单元，脉冲变压器用于驱动信号的电气隔离，igd单元接收到编码后的脉冲信息，将其解码成原始的pwm信号，然后进行放大，用于触发外接的功率半导体器件。同时，igd模块内部集成了保护电路，当检测到igbt发生短路和过流故障时，其状态确认电路产生状态信号送到ldi单元，进而在控制电路中得以处理[2]。 

图1  驱动模块内部框图

二、应用电路设计
        2sd106ai-17有两种工作模式可供选择，一种为直接模式，另一种为半桥模式。在半桥模式中，由scale驱动模块内部产生所需的死区时间；而本文设计的系统中，选择直接模式，其驱动电路设计如图2所示，带死区的pwm信号由控制芯片内部产生，mod输入端接+15v，同时rc1和rc2接地，保证驱动处于直接模式。ina和inb为两路pwm输入端，
        vl/reset通过一个上拉电阻接+15v，并通过一个5.1v的稳压管in4733接地，实验证明，当ina/b引脚直接输入3.3v逻辑电平时，只有vl/reset引脚稳定在合适电压时，驱动模块才能正常工作。状态输出信号so1和so2独立工作，控制器可以检测到其错误状态，并进行相应处理[3]。    

图2   2sd106ai-17的驱动电路

         由上述驱动电路生成的两路互补带死区的pwm波形如图3所示，此时示波器探头衰减10倍，容易看出2sd106ai-17输出的两路驱动信号的幅值为±15v，死区时间由微控制器产生，软件设定为6μs。

图3 2sd106ai-17输出的两路pwm死区波形

        当微控制器采用svpwm调制技术时，2sd106ai-17其中一路输出经rc滤波后的波形如图4所示。svpwm波形是在正弦波的基础上叠加了三次谐波，可以大大提高直流母线电压的利用率，从而使电机的带载能力得到加强。

图4 2sd106ai-17输出一路svpwm滤波后波形

三、系统设计
        将以上设计的驱动电路应用于混合动力汽车电机驱动系统中，系统框图如图5所示，本系统采用西门康公司生产的型号为skm400gb128b的igbt作为开关器件，其集电极峰值电流可达400a。电流检测采用lem公司的霍尔电流传感器，电机转子位置检测选用日本多摩川公司的正余弦旋转变压器，及其配套的解码芯片ad2s1200。控制部分选用ti公司型号为tms320f2812的数字信号处理器作为核心控制芯片，采用基于svpwm的矢量控制技术作为ipmsm的控制策略。

图5 电机驱动系统框图

          实验电机参数如下：磁极对数为8，额定电压168v，额定电流200a，额定转速3000r/min，额定转矩120 n·m。
       在电机空载试验中，当ipmsm转速在120r/min时，示波器衰减10倍测得a、b两相之间的线电压波形如图6所示，从图6中可以看出，线电压波形畸变较小，波形较为理想。

图6 电机转速为120r/min时a、b两相之间的线电压波形

一、继电器检测设备控制要求
1、需要同时检测10个继电器
2、每个继电器需要测试8个触点，共80个触点
3、每次检测需要300个周期，控制输出12ms ON / 88ms OFF的脉冲为一个周期
4、需要将检测结果保存在PLC中，要求停电保持，共需要保存80个触点x300个周期合计24000个状态，如果将结果保存在寄存器中则最少需要1520个停电保持寄存器
5、每次检测结束，上位机将结果读出，根据继电器8个触点的吸合情况判断该继电器是否合格
二、该设备对控制系统的要求及海为相应的特点
1、运行速度快：要求程序扫描周期在1.5ms内，海为PLC由于运行速度快，指令集丰富，程序非常精简，实际运行扫描周期为1~1.1ms
2、要有大范围的数据停电保持区：海为PLC的停电保持区可以任意设定，允许将所有数据区都设为停电保持，数据程序无须后备电池保护，永不丢失。不需要用任何指令就可以实现该功能
3、具有ms级控制能力：海为PLC提供一个独有的16us精度系统时间，SV49-SV50为系统时间(单位16us), 系统自动循环计数, 当计数到最大值2147483647时归0不断循环计数。利用该系统时间可以方便实现ms级控制，误差仅一个扫描周期
三、初始化脉冲数据
由于要控制输出12ms ON / 88ms OFF的脉冲，转换为16us时间单位如下：
12ms = 12000us = 750（16us），存放放在V2000-V2001中
88ms = 88000us = 5500（16us），存放放在V2002-V2003中
建立一个名称为“时间间隔初始值”的初始寄存器值表，将ON时间设定为750和OFF时间设定为5500（当然也可以不建立该表而选择在程序中初始化V2000-V2001及 V2002-V2003的值）。
四、实现程序如下图：(本程序扫描周期1~1.1ms)

        混合动力汽车与传统的汽车不同，后者采用传统的动力传动系统，主要倚靠内燃机提供动力，但混合动力汽车则采用全新的动力传动系统，必须通过集成电路控制来改良发动机、交流发电机、电池管理系统以及电动马达系统。

此外，混合动力汽车的电源供应系统必须采用这些基本的模拟电路才可确保供电电压范围更为广阔。

        毫无疑问，混合动力汽车必须采用大量半导体元件，才可支持功率密度极高而又安全的电池系统，从而大幅缩短充电时间并提高动力传动系统的能源效率。这些重要功能以及其他更为复杂的功能都由模拟集成电路负责执行，但模拟电路必须能够在高电压及高功率密度的环境下操作。例如，变速箱的温度会高达175℃，而控制电动马达的电子控制系统可能要在125℃的温度环境下操作。美国国家半导体的PowerWise芯片产品都可在这样极端的环境下支持准确的感测及其他功能。
混合动力汽车对电子器件的体积、功耗都提出了更高的要求，美国国家半导体的LM310x同步整流稳压器非常适用于它，其特点是输入电压范围极为广阔，而且可以提高系统的功率密度。对于必须“长期开启”的子系统来说，其中的静态电流必须极低，才可延长电池寿命。美国国家半导体的LM2600x系列芯片可满足这类子系统的要求，因为在低负载情况下该系列芯片的静态电流都低于其他竞争产品，而且满载时效率也极高。

Danfoss变频器与同步卡在拉幅定形机上的应用

      拉幅定形机是印染厂必备的后整理设备，主要应用于纯棉、涤棉及其它混纺织物的拉幅与热定形，也可用于各种针织物的拉幅与热定形。该型号定形机采用的是积木式设计，并提供多种选用件供不同用户选用，来加工不同要求的织物。其公称门幅从1800毫米到3600毫米可供用户选用；适用于针铗、布铗或两用铗等多种铗体；应用于导热油、煤气、电及蒸汽等多种热源；公称速度为100米/分；烘房温控精度为设定温度的±1％。该机的进布区、导轨部分、烘房及落布区参考国际先进技术。

     整套定形机系统包括：进布、上针（上铗）系统；轨道系统；调幅系统；热风循环系统以及出布系统。其中的电气控制贯穿始终，必须始终考虑的问题。在本应用中，电气控制系统采用交流变频分电源调速系统。主链条采用变频电机传动并作为全机主令机，传动花键轴附带旋转编码器作为其它跟随单元的速度信号。整套系统要求在恒转矩负载条件下达到1:10的调速范围，故障率低，维修方便，操作简单，性能稳定，同步理想.

       控制系统采用可编程程序控制器、触摸屏、变频器及按钮开关等控制全机动作。而且因为工艺的要求，导致对整条送布出布系统的主从同步控制的精度要求非常高。

        M5469新型拉幅定形机的试制成功，使印染机械的研制迈入一个新的起点，它必将为各用户厂家带来良好的经济效益和社会效益，为进一步提高我国纺织品织物的档次和市场竞争能力展现了绚丽的发展前景。Danfoss为能加入其中，深感荣幸，并希望在今后的同类应用与合作中，贡献更大的力量。