1、 摘要 现代科学是一个以自动化设备控制系统为核心的工业科学。工业自动化技术对工业生产过程实现测量、控制、优化和决策，使企业实现“好、省、多、快”，提升企业的市场竞争力。因此“国家中长期科技发展规划”已明确规定，工业自动化技术是 21 世纪现代装备制造业中最重要的科学工业技术之一， 而 PLC 占据主导地位。 PLC 是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 本次基于 CompactLogix 风动模型控制器的设
2、计， 主要内容是对 PLC 进行了研究，通过搭建 DeviceNet 网络，通过对 CompactLogix可编程逻辑控制器编程，控制 PowerFlex 变频器来驱动风机模型，风机转动改变模型箱的压强，从而使小球运动并悬浮于某一设定位置。通过模型中小 球的运动趋势来展现了抽象的运动控制，使得能够更直观的看到运动控制的功效。 关键词： CompactLogix、变频控制、自动化、风机 summary Modern science is a scientific industry as the core of automation equipment control system. Indust
3、rial automation technology achieves measurement, control, optimization and decision for industrial producing process. And makes enterprises realize “good, province, much and fast“, and improve enterprises market competitiveness. So the nation medium and long-term science technology development plan
4、has definitely stipulated that industrial automation is one of the most important scientific technologyin Modern equipment manufacturing dustry in the 21st century, and PLC dominates at that. 1 绪论 1.1 研究背景 随着世界的快速发展和科技的不断进步，越来越多的工业控制都采用自动控制技术，以实现快速、高效的生产。而以可编程逻辑控制器为核心的自动控制系统的应用工更为广泛，其中包括 钢铁、石油、化工、电力
5、、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个职业 ，运用情况大致可概括为如下几类： 开关量的逻辑操控 ： 这是 PLC 最基本、最广泛的使用领域，它替代传统的继电器电路，完结逻辑操控、按次操控，既可用于单台设备的操控，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装出产线、电镀流水线等。 模拟量操控 ： 在工业出产进程傍边，有许多接连改变的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程操控器处置模拟量，必须完结模拟量（ Analog）和数字量（ Digital）之间的 A/D 变换及 D/A 变换。 PLC厂家都出产配套的 A/D
6、和 D/A 变换模块，使可编程操控器用于模拟量操控。 运动操控： PLC 可以用于圆周运动或直线运动的操控。从操控组织装备来说，早期直接用于开关量 I/O 模块衔接方位传感器和执行组织，如今普通运用专用的运动操控模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴方位操控模块。世界上各首要 PLC 厂家的产物简直都有运动操控功用，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 进程操控 ： 进程操控是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环操控。作为工业操控计算机， PLC 能编制各式各样的操控算法顺序，完结闭环操控。 PID调理是普通闭环操控系统中用得较 多的调理办法。大中型 PLC 都有 PID 模块，当
7、前许多小型 PLC也具有此功用模块。 PID处置普通是运转专用的 PID子顺序。进程操控在冶金、化工、热处置、锅炉操控等场合有十分广泛的使用。 数据处置 ： 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据变换、排序、查表、位操作等功用，可以完结数据的收集、剖析及处置。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比拟，完结必定的操控操作，也可以使用通讯功用传送到另外智能设备，或将它们打印制表。数据处置普通用于大型操控系统，如无 人操控的柔性制造系统；也可用于进程操控系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型操控系统。 通讯及联网 ： PLC通讯含 PLC间的通讯及 PLC与其
8、它智能设备间的通讯。跟着计算机操控的开展，工厂自动化网络开展得很快，各 PLC 厂商都十分重视PLC 的通讯功用，纷繁推出各自的网络系统。新近出产的 PLC 都具有通讯接口，通讯十分便利。 由此可知，可编程逻辑控制系统已渗透到工业各个领域，不管是大型工业，还是中小型工业，都离不开此系统。 1.2 风动控制系统 风机是把机械能变为气体的势能和动能的一种流体机械动力设备 。 风机产品的技术水平，从 20世纪 50年代开始仿制阶段，生产制造一般离心通风机和轴流通风机，60年代到 70年代开始独立设计和组织行业联合设计，先后自行设计制造了大型通风机，离心鼓风机，罗茨鼓风机及离心压缩机。行业联合设计了
9、11个系列 109个规格的离心通风机，大部分已作为国家推广的高效节能铲平，至今仍在大量生产制造。 80年代为引进、吸收和创新阶段，使我国风机工业发生了深刻变化，引进的先进技术得到了消化，形成了一定的生产能力。进入 90年代实现了国产化零的突破。 风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流 式（混流式）和横流式等类型。 而按照用途划分可以分为：轴流风机、混 流风机、 屋顶风机 、空调 风机等。 而以风机为主体的风动模型，则是一种通过改变风机转动的机械能，从而改变气体的势能的系统，以达到对控制对象实现控制的目的。 以风机为主体的 风动设备广泛应用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和
10、建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑 的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 1.3 PLC 特点及其在工业中的应用 随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。可编程序控制器作为通用工业控制计算机，是存储逻辑在工业应用的代表性成果。近 30 年来，可编程序控制器不断发展更新，功能日益强大，已经成为工业自动化技术的三大支柱之一。 1.3.1 特点 PLC 是以继电 -接触器控制为基础，融入了计算机技术，以适应工业环境下使用为背景研制开发的新一代工业控制器，因而它具有如下的特点： (1) 编程方便、接线简单 ，容易实
11、现被控对象的控制要求 PLC 可用与继电器控制线路相似的梯形图语言表达控制过程，程序表达简单、直观，通过编程器把程序写入存储器中，方便用户维修程序； PLC 为用户提供了丰富的指令，容易实现被控对象的控制要求。由于有相应的 I/O 接口，只需要进行输入 /输出信号线的连接，不需要考虑控制过程，因而接线简单。 (2) 可靠性高、抗干扰能力强 工业控制可靠性最为重要， PLC 专为工业环境使用而设计，在硬件上，采用了电磁屏蔽、滤波、光电隔离等一系列抗干扰措施；在软件上，采取了故障检测、信息保护和恢复、设置警戒 时钟、加强对程序的检查和校验、对程序和动态数据进行电池后备等措施，进一步提高其可靠性和抗
12、干扰能力。使其可以直接安装于工业现场稳定可靠地运行。 (3) 通用性好、应用灵活 PLC 产品均已系列化，型号多，品种齐全，还有各种功能模块，用户可以根据控制要求方便地选用适合的模块，做硬件结构上的组合和扩展，以满足各种控制系统的要求。 (4) 功能强 PLC 除了能完成逻辑控制，计时、计数、算术运算等功能外，还可以实现模拟量控制、顺序控制、位置控制、高速计数和网络通信等功能，合理配置 PLC，还可实现多机“群控”系统和一台计算机对多台 PLC 进行集中管理分散控制的“分布式控制”系统。 (5) 控制系统工程周期短 设计、安装、调试方便。 PLC 采用软件编程序方式实现控制功能的表达，即使是非
13、常复杂的控制，也可用方便的指令实现。编写的程序可以初步模拟调试好后，才用于现场。制作工程的过程中，编程序和现场设备安装可同时进行，大大缩短了工程周期，提高了工作效率。 (6) 维护、维修方便 PLC 有完善的自诊断功能，能检测出自身的故障，能对其内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 状态进行显示，工作人员可通过这些显示查出故障，迅速处理。 PLC 接线少，更换元件方便。 1.3.2 PLC 在工业中的应用 PLC是 一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或
14、模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。 在当今的工业界，只要涉及控制的地方，都离不开 PLC这个核心大脑，它在工业中的应用大概可以分为两个领域：其一为单机控制为主的一切设备自动化领域，比如：包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、隧道盾构设备、水处理设备、切割、多轴磨床、冶金行业的辊压、连 铸机械 .太多了，这些设备的所有动作，加工都需要靠依据工艺设定在 PLC内的程序来指导执行和完成，就如人的大脑。其二为过程控制为主的流程自动化行业，比如污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、冶金行业、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通 .也太多了。这些行
15、业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠 PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有 DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。 目前生 产 PLC的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。在中国市场占有较大份额的公司有： 德国西门子：它有 SS系列的产品。有 SS 95U、 100U、 115U、 135U及 155U。135U、 155U为大型机，控制点数可达 6000多点，模拟量可达 300多路。最近还推出 S7系列机，有 S7-200（小型）、 S7-300（中型）及 S
16、7-400机（大型），性能比 S5大有提高。 日本 三菱公司： FX1S 系列： 三菱 PLC 是一种集成型小型单元式 PLC。且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。 FX1N系列： 是三菱电机推出的功能强大的普及型 PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱 PLC。而A 系列 使用三菱专用顺控芯片（ MSP），速度 /指令可媲美大型三菱 PLC，程序容量由 8K 步至 124K 步，有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等。 美国罗克韦尔公司：大型的 PLC 包括 1756 G
17、uardLogix 、 1756 ControlLogix 、softlogix 等， 可适应最严苛的应 用项目需求。它们提供模块化架构以及各种 I/O 和网络选项。而小型的控制系统包括 Compactlogix、 1768 紧凑型 Guardlogix、SLC500 等产品，充分展示了在小型控制系统中所应用的灵活性和方便性。 2 系统介绍 2.1 系统选型 2.1.1 可编程控制器 基于 PLC 具有功能强大、可靠性高以及抗干扰能力强等特点，故本次设计采用的是以 PLC 为核心的系统。按 PLC 的 I/O 点数的多少，可分为大型、中型和小型三类。小型 PLC 的 I/O 点数在 256 以
18、内，单核 CPU，处理器为 8 位或 16 位，用户存储器容量再 4K 字以下；中型 PLC 的 I/O点数在 256 至 2048 之间，双核 CPU，用户存储器容量大约在 28K；大型 PLC 的 I/O 点数则大于 2048 点，处理器为 16 或 32 位，用户存储器容量为 816K。 小型控制器针对于小型的设备，具有经济型强、费用低应用灵活等优势，根据对系统设计的需求以及程序容量、 I/O 点数、通信功能和定位功能等的考虑，此次 基于中小型风动模型控制系统的设计中， 所选择的是小型可编程控制器。 全世界 PLC 生产厂家约 200 家，生产 300 多种产品。国内 PLC 市场仍以国
19、外产品为主，如 Siemens、 Modicon、 A-B、 OMRON、三菱、 GE等的产品。 罗克韦尔 CompactLogix 提供了一个从单机到分布式应用系统的Logix 解决方案。其中 1769 控制器不仅具有增强的处理性能，还内置有可进行实时 I/O 控制的 100Mbps EtherNet/IP 网络接口，与包括 1769 I/O模块在内的多种 I/O 模块在内的多种 I/O 模块一起实现分布式 I/O 扩展。 CompactLogix 为中小型应用系统提供了一个高效的控制解决方案。它可以取代现在普遍应用的传统 PLC 和多回路控制器。同时，Compactlogix 采用与 Co
20、ntrollogix 一脉相承的 Logix 多功能控制引擎，用户开发阅读和修改控制程序非常方便。 Compactlogix 及其增强的、高密度的 IO，能够帮助广泛的工业应用中越来越多的最终用户和机器制造商，构筑稳定可靠，便于使用于高性能控制平台。每个 I/O 站最多可达 30 个模块，用户能有足够的接线盒操作空间。 因此，此次设计所选择的的是美国罗克韦尔公司生产的小 型CompactLogix。 2.1.2 PowerFlex 变频器 变频器（ Variable-frequency Drive， VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变 电机 工作电源 频率 方式来控制交流电动机的电力
21、控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、 逆变（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。变频器靠内部 IGBT 的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。 变频器常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号 给定、 脉冲 信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置，同时也可以根据 功能需要选择不同 频率 给定方式之 间的叠加 和切换。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分
22、为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、 PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等 PowerFlex 系列低压变频器由罗克韦尔公司生产，可提供各种各样的控制模式，几乎可以满足任何电机控制要求。通过组合运用用途广泛的各项功能、选项和封装，可帮助满足安全性要求并简化编程和配置，因此 PowerFlex 系列变频器是一种可满足各方面应用需求的完美解决方案。 根据此次设计所需要的设备
23、、控制方式和容量选择，我们选用的是PowerFlex 系列中的 PowerFlex 70 变频器，这种变频器具有安装简单、调试方便、设计方便以及通信灵活等优点，能最大程度地满足设计的需要。 2.1.3 风机选型 风机是把机械能变为气体的势能和动能的一种流体机械动力设备， 广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由 于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。
24、按气体流动的方向，风机可分为离心式、轴流式、斜流式（混流式）和横流式等类型。离心风机的气流轴向进入风机的叶轮后主要沿径向流动，这类风机根据离心作用的原理制成，产品包括离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机；而轴流风机则是气流轴向进入风机的叶轮，近似地在圆柱形表面上沿轴线方向流动。这类风机包括轴流通风机、轴流鼓风机和轴流压缩机。 本次设计中，所选择的的风机是离心式风机。离心式风机的抽风效果很好，非常适合用在管道抽风或者送风 ，实用性强，而且坚固耐用、维护方便，特别适用于这次设计。 2.2 各设备的结构及原理 2.2.1 CompactLogix 控制器 CompactLogix 实质上是一种工业控制
25、计算机，所以它与计算机的组成十分相似。跟其他所有类型的可编程控制器一样， CompactLogix 的硬件组成可分为六部分，分别为：中央处理单元 (CPU)、存储器单元、输入/输出单元、电源部分、接口单元、外部设备。 中央处理单元是可编程控制器的核心组成部分，由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片组 成，是系统的控制中枢。其主要功能是接收并存储从编程器输入的用户程序和数据、检查电源、存储器和 I/O 等以及在投入运行时对指令进行解释、传送、运算和更新等。 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放由生产厂家编写的系统程序，并存于 ROM 中，用户不能直接更改。而用户存储器则
26、包括用户程序存储器和用户数据存储器两个部分。用户程序存储器用来存放用户所编写的各种用户程序。而用户数据存储器则是用来存放用户程序中所使用器件的 ON/OFF 状态和数值、数据等。 输入 /输出单元是 PLC 与现场设备或其他外部设备之 间的连接部件。其输入模块把状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的处理和运算，把结果通过输出模块输出给执行单元。输入单元可接收开关量输入信号和模拟量输入信号。 电源部分一般使用 220V 的交流电源。其一方面为中央处理器、存储器等电路提供直流电源，使得 PLC 能正常工作；另一方面则为外部输入元件提供 24V 直流电源。 接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储
27、器接口和通信接口。扩展接口是用于扩展输入输出单元，使 PLC 的控制规模配置得更加灵活。编程器接口是连接编程器的， PLC 本体通常不带编程器。故可以利用此接口连接各种 形式的编程装置。 PLC 的外部设备主要有编程器、文本显示器、操作面板、打印机等。 CompactLogix 的工作原理也与普通的计算机类似，属于串行工作方式， CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应的各电器的动作。由于运算速度极高，各电器的动作几乎是同时完成的，但实际的响应是有滞后的。 PLC 的工作方式是按几种输入、集中输出、不断地周期循环扫描方式进行
28、工作的。 CPU 从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用 户程序终止，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 CompactLogix 系统工作的全过程可用图 1 所示的运 行框图来表示。 图 1 PLC 运行框图 其工作过程整体可以分为三部分。第一部分是上电处理，即对 PLC进行一次初始化；第二部分是扫描过程，对用户程序进行逐条地扫描处理和运算，然后存至输出单元；第三部分则为出错处理， PLC 每扫描一次就会执行一次自诊断检查，确定自身的动作是否正常。 当 CompactLogix 系统处于正常运行时，它将不断地重复扫描过程。若不考虑远程 I/O 特殊模块和其他通信服务，扫描过程
29、可简单地概括为 “输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段。如下图 2 所示： 图 2 PLC 扫描过程 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式按顺序把所有输入端子的输入信号状态（ ON/OFF）写入到输入映像寄存器中寄存。如在程序执行阶段，输入端子的信号状态发生变化，输入寄存器中的内容不变，要等到下一个工作周期的输入采样阶段到来时，新的信号才会被读入输入映像寄存器中。 在程序执行阶段， CPU 中的用户程序被从头至尾 顺序扫描，每扫描到一条指令时，按指令要求从输入映像寄存器中和元素映像寄存器中分别读出输入状态和其它元素的状态，做各种运算，并将运算结果存到元素映像寄存器中，当程序执行完成后
30、， PLC 要对执行结果进行输出处理，即为下一阶段的输出刷新阶段。 输出刷新阶段即是把元素映像寄存器中所有输出继电器的状态存到输出锁存电路中，由输出锁存电路通过输出端子去驱动 PLC 的外部设备。 2.2.2 PowerFlex 70 变频器 PowerFlex 70 变频器是具有优良性能的交 - 直 - 交电流源型变频器，融合了先进的技术，可将具有固定频率和幅值 的三相交流电源系统，进行功率变换后，产生可调频率且电流随负载而定的交流系统，在一定范围内实现连续调速。调速过程先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般
31、由整流、中间直流环节、逆变和控制 4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。而且它很容易实现四象限运行。电机可以正反方向以电动机或发电机方式运行，当电机以发电机工作方式时，能量可回 馈电网，再生制动 PowerFlex70 可以设定做电压 /频率模式或无速度传感矢量控制以满足各种不同的应用要求。 交流电动机的同步转速表达式为： n 60 f(1 s)/p (1) 式中 n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。由式 (1)可知，转速 n与频率 f成正比，
32、只要改变频率 f即可改变电动机的转速，当频率 f在 0 50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 PowerFlex 70 变频器，是通过控制电机的转矩，来控制电机速度的，通过计算和测量电机速度，并按要求调整转矩，使被测速度等于速度命令。罗克韦尔系列的控制方式，是直接矢量控制。两种控制算法中，定子电流被分解为可以独立控制的磁通分量和正交转矩分量，矢量控制的目的，就是获得与直流电动机相似的性能，可以快速改变转矩而不影响磁通。 PWM控制方式的无输入变压器的电流型变频器的电路拓扑结构图如图 3所示： 图 3 PowerFlex 70的电路拓扑结构图
