上世纪60年代末PLC产生于美国马萨诸塞州，MODICON084是世界上第一种投入生产的PLC。PLC崛起于70年代，首先在汽车流水线上大量应 用。80年代PLC走向成熟，全面采用微电子处理器技术，得到大量推广应用，年销售始终以高于20%的增长率上升，奠定了其在工业控制中不可动摇的地位。 90年代，随着工控编程语言IEC 61131-3的正式颁布，PLC开始了它的第三个发展时期，在技术上取得新的突破。PLC在系统结构上，从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统 发展；在编程语言上，图形化和文本化语言的多样性，创造了更具表达控制要求、通信能力和文字处理的编程环境；从应用角度看，除了继续发展机械加工自动生产 线的控制系统外，更发展了以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集系统（SCADA）、柔性制造系统（FMS）、安全连锁保护系统（ESD）等，全方 位地提高了PLC的应用范围和水平。21世纪PLC技术发展的几个特点

   1  适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力

    在信息时代的今天，几乎所有PLC制造商都注意到了加强PLC通信联网的信息处理能力这一点。小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有专门的通信模 块。随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网能使其与PC和其它智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。也就是说，用户需要 PLC与PC更好地融合，通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在PLC这一级就可以加强信息处理能力。例如，CONTEC与日本三菱电机公 司（以下简称为三菱电机）合作，推出专门插在小Q系列PLC的机架上的PC机模块，该模块实际上就是一台可在工厂现场环境下正常运行，而且可通过PLC的 内部总线与PLC的CPU模块交换数据的PC机。其处理芯片采用IntelCeleron400M主频、系统内存128MB、Cache 128K、支持外挂显示器，该模块内装WindowsNT 4.0或Windows 2000。支持的软件有：三菱综合F4软件，包括PLC编程软件GT、FA数据处理软件MX、人机界面画面设计软件GT、运动控制设计编程软件MT等。

    最近，国外一些中、大型PLC制造商推出了一个机架上可以插多个CPU模块的结构，将PC机模块与PLC的CPU模块、过程控制CPU模块或运动控制模块 同时插在一个机架上。实际上就是将原来PLC要通过工厂自动化（FA）用PC机与管理计算机通信的三层结构改为PLC系统可直接与生产管理用的计算机的两 层结构。这样生产管理更加快捷方便。

    小型PLC之间通信“傻瓜化”。为了尽量减少PLC用户在通信编程方面的工作量，PLC制造商做了大量工作，使设备之间的通信自动地周期性的进行，而不需 要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上初始化设置。如欧姆龙公司的两台CPM1A之间一对一连接通信只需用三根导线将它们的 RS-232C通信接口连在一起后将通信有关的参数写入5个指定的数据存储器中，即可方便地实现两台PLC之间的通信。

    2  PLC向开放性发展

    早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同， 编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此，几乎各个公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在开放性方面已有实质性突破。十 多年前PLC被攻破的一个重要方面就是它的专有性，现在情况有了极大改观，不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准，如IEC 61131-3、IEEE 802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEG Schneider集团已开发以PLC机为基础，在Windows平台下，符合IEC 61131-3国际标准的全新一代开放体系结构的PLC实现高度分散控制，开放度高。

    高度分散控制是一种全新的工业控制结构，不但控制功能分散化，而且网络也分散化，所谓高度分散化控制，就是控制算法常驻在该控制功能的节点上，而不是常驻 在PLC上或PC上，凡挂在网络节点上的设备，均处于同等的位置，将“智能”扩展到控制系统的各个环节，从传感器、变送器到I/O模块，乃至执行器，无处 不采用微处理芯片，因而产生了智能分散系统（SDS）。

    为了使PLC更具开放性和执行多任务，在一个PLC系统中同时装几个CPU模块，每个CPU模块都执行某一种任务。例如三菱电机公司的小Q系列PLC可以 在一个机架上插4个CPU模块，富士电机的MICREX-ST系列最多可在一个机架上插6个CPU模块，这些CPU模块可以进行专门的逻辑控制、顺序控 制、运动控制和过程控制。这些都是在Windows环境下执行PC机任务的模块，组成混合式的控制系统。

    近几年，众多PLC厂商都开发了自己的模块型I/O或端子型I/O，而通信总线都符合IEC 61131-3标准，这极大的增强了PLC的开放性。

    创建开放的网络环境后，推出了能挂100M的高速以太网的WEB服务器模块，三菱电机公司小Q系列的QJ71WS96，横河电机FA-M3系列的 F3WBM1-0T-S0；模块内的软件捆绑了目前常用的TCP/IP、UDP/IP等传输层和网络层规约，以及HTTP、FTP、SMTP、POP3等 应用层规约，使PLC可直接进入因特网，成为不折不扣的WEB的PLC。

    3  PLC的体积小型化，运算速度高速化

    PLC小型化的好处是节省空间、降低成本、安装灵活。目前一些大型PLC，其外形尺寸比他们前一代的同类产品的安装空间要小50%左右。

    近几年，很多PLC厂商推出了超小型PLC，用于单机自动化或组成分布式控制系统。西门子公司的超小型PLC称通用逻辑模块LOGO！，它采用整体式结 构，集成了控制功能、实时时钟和操作显示单元，可用面板上的小型液晶显示屏和6个键来编程。LOGO！超小型PLC使用功能模块图FBD编程语言，有在 PC上运行的Windows 98/NT编程软件。三菱电机的超小型PLC叫简单应用控制器，简称α并有AL-PCS/win-C型VLS软件，是强有力且界面友好的编程工具。松下电 工的超小型PLC叫可选模式控制器。德国金钟—默勒公司（MOELLER）的超小型PLC称控制继电器，简称easy。

    运算速度高速化是PLC技术发展的重要特点，在硬件上，PLC的CPU模块采用32位的RISC芯片，使PLC的运算速度大为提高，一条基本指令的运算速 度达到数十个纳秒（ns）。三菱电机公司的ANA系列PLC最早使用32位的CPU模块，当今它的Q02H系列PLC的CPU模块也用了32位的RISC 芯片，基本指令的执行时间为34ns；富士电机MICREX-SX系列PLC的CPU模块由于采用了32位RISC芯片后，其一条基本指令的运算时间为 20ns。

    PLC主机运算速度大大提高，与外设的数据交换速度也呈高速化。大家知道，PLC的CPU模块通过系统总线与装插在基板上的各种I/O模块、特殊功能模 块、通信模块等交换数据，基板上装的模块越多，PLC的CPU模块与那些模块之间的数据交换的时间就会增加，在一定程度上会使PLC的扫描时间加长，为 此，不少PLC厂商采用新技术，增加PLC系统的带宽，使一次传输的数据量增多；在系统总线数据存取方式上，采用连续成组传送技术实现连续数据的高速批量 传送，大大缩短了存取每个字所需的时间；通过向系统总线相连接的模块实现全局传送，即针对多个模块同时传送同一数据的技术，有效地活用系统总线。

   当前，不少PLC厂商采用了多CPU芯片并行处理方式，用专门CPU处理编程及监控服务，大大减轻对执行控制程序的CPU芯片的影响，只让执行控制程序的 CPU进行顺控和逻辑运算。另外，为提高服务处理速度，缩短操作时间，采用高速的串行通信（最大波特率为115Kbps），并将UCB口（最大波特率为 12Mbps）引入PLC的CPU模块，从而实现与编程工具及监控设备之间通信的高速化，并允许许多人同时使用这两个通信端口同时进行编程和调试程序。
4  软PLC出现

    所谓软PLC，实际就是在PC机的平台上，在Windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能，也就是说，软PLC是一种基于PC机开发结构的控制系 统，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机 和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期，可靠的操作 和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。软PLC具有硬PLC的功能，同时又提供了PC机环境的各种优点。GE Fanuc公司推出了一种外形类似笔记本电脑的PC以Windows为操作系统，可实现PLC的CPU模块的功能，通过以太网和I/O模块、通信模块用于 工厂的现场控制。在美国底特律汽车城，大多数汽车装配自动生产线、热处理工艺生产线等都已由传统PLC控制改为软件PLC控制，可以说，高性能价格比的软 PLC将成为今后高档PLC的发展方向。

    5  PLC编程语言趋于标准化

    IEC61131是可编程控制器的国际标准，共有8个部分，从1992年开始陆续颁布实行。IEC61131-3是PLC编程语言的标准，于1993年颁布实施。IEC61131-8于2001年颁布实施，与IEC61131-3被称为PLC语言的实现导则。

    IEC61131-3 PLC编程语言国际标准是将现代软件概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功的结合，使它在工业控制领域的影响远远超出PLC的界限，已成为 DCS、PC控制、运动控制以及SCADA的编程系统事实上的标准。IEC61131-3规定了二大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。前者包 括指令语句表语言（IL）和结构化文本化语言（ST），后者包括梯形图语言（LD）和功能块图语言（FBD）。而顺序功能图（SFC）可以在梯形图语言中 使用，也可以在指令语句表语言中使用。

    IEC61131-3允许在同一个PLC中使用多种编程语言，也允许程序开发人员对一个特定的任务选择最合适的编程语言，还允许在同一个控制程序中其不同 的软件模块用不同的编程语言编制，这一规定既解决了PLC发展历史形成编程语言多样化的现状，又为PLC的软件技术进一步发展提供了足够的空间。

    欧美PLC厂商的PLC大都支持IEC61131-3标准，特别是西门子公司的PLC。我国在1995年就采用IEC61131-3作为PLC的国家标 准。日本虽然工业发达，技术还是相对封闭，但IEC61131-3标准成为PLC的公认世界主流标准后，日本的PLC生产商开始在新一代PLC软件平台中 广泛采用。三菱电机的PLC编程软件包GX Ver.8开发系统就支持梯形图语言（LD）、指令语句表语言（IL）、顺序功能图编程语言（SFC）、结构化文本语言（ST）。三菱电机的PX开发系统 支持功能块图FBD，供PLC用于过程控制。欧姆龙公司的编程软件包GX除了支持LD、IL外，近期即将推出支持功能块FBD和结构化文本语言ST的编程 软件包。富士电机的及横河电机的PLC编程软件包也都支持IEC61131-3。

　　PLC的国产化

    国内开始研制PLC产品是上世纪70年代中期，当时上海、北京、西安、广州和长春等地的不少科研单位、大专院校和工厂，总计20多家单位都在研制和生产 PLC（绝大多数都是小型PLC）。特别值得一提的是国家科委和原机械工业部在仪器仪表重点课题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序 控制器子项攻关，由部属北京机械工业自动化研究所负责，先后研制开发了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。这几种型号的PLC I/O点数为256～512，并可扩展到1024点，开创了国内研制大型PLC的先河，先后在注塑机、恒温室、锅炉控制、汽车压力机生产线上获得了应用。 这些项目有自动开发的操作系统、工业控制编程语言并具有与上位机、HMI连网和通信等功能。当时国内研制开发的PLC产品由于缺乏资金、后续研制力量不足 及生产技术相对落后等原因，没有形成批量工业化生产，因而被国外产品淘汰而纷纷消失。可喜的是在90年代，由于PLC应用不断深入，国内又掀起研制PLC 的高潮，虽然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性比70年代的产品有明显的提高。其代表产品如：南京冠德科技有限公司（原江苏嘉华实业有 限公司PLC工厂）的JH200系列PLC，I/O为12～120点，具有高速计数器和模拟量功能；杭州新箭电子有限公司的D系列PLC，D20P的I /O点数为20点，D100的I/O点可从40～120点；兰州全志电子有限公司的RD系列小型PLC很有特点，RD100型PLC的I/O点9/4 点，2点模拟量输入，而RD200型PLC的I/O为20～40点，扩展的功能有编码盘测速、热电偶测温和模拟量I/O，RD200型PLC最多可32台 连网，并能与上位PC机进行实时通信。

    为了尽快提升我国PLC的技术水平，引进PLC的先进生产技术，中外合资或外商独资企业在国内开始批量生产PLC。西门子公司首先在大连开办PLC生产企 业；欧姆龙公司在上海生产的PLC远销海内外；中日合资后又成独资的江苏无锡光洋电子有限公司的PLC已有小、中、大系列产品。中外合资、引进技术，使国 产PLC上了一个新的台阶。

    特别是近几年，国产PLC有了更新的产品。北京和利时系统工程股份有限公司推出的FOPLC有小型、中型、大型。该公司推出的HOLIiAS-LEC G3新一代高性能的小型PLC有14点（8/6）、24点（14/10）、40点（24/16）三个规格，基本指令的执行时间为0.6微秒。程序存储器的 容量为52K。为方便用户选用，该公司开发了19种、35个不同规格的I/O扩展模块，G3型PLC可最多扩展7个模块，I/O最大可到264点。G3系 列PLC有符合IEC61131-3的5种编程语言，编程软件具有超强的计算功能，如其他小型PLC所不具备的64位浮点数运算、优化的PID可同时处理 有十几个模拟量的多个闭环回路。G3系列PLC具有极强的通信功能，有集于CPU模块的标准Modbus协议、专有协议和自由协议的通信接口。通过该接口 可方便的挂到Profibus等总线上去。该公司的FOPLC中型机，开关量I/O为256点；内置TCP/IP通信接口，很容易接入管理网；配有 Profibus-DP现场总线的主站、从站和远程I/O都通过ISO9001严格的质量保证体系认真。FO PLC编程语言符合IEC61131-3标准。

    深圳德维森公司开发的基于PC的软PLC TOMC系列，其特点是符合IEC61131-3国际标准的编程语言，允许梯形图、顺序功能图和功能块图混合编程；用户可开发基于内置PC资源的C语言和 定义功能块，通过以太网、TCP/IP与上位机联网。TOMC1软PLC可连接最多32个本地I/O模块，最多15个远程站，每个远程站可带32个I/O 点。

    在90%的国内PLC市场由国外PLC产品占领的今天，国产PLC能脱颖而出，并具有和国外同类产品进行竞争的能力，相信不久的将来，国产PLC将占市场更大份额。

    PLC的应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。PLC的技术发展除了小型化、超高速， 大容量存储器，多CPU，多任务并行运行外，PLC的开放性更大，通信联网能力更强，集成化软件更优。标准化的IEC61131-3 PLC编程语言已被众多PLC厂商所接受，其推广速度越来越快。软PLC的应用范围将更广。

    开幕式后，何瑞华和专委会主任委员、西安交通大学教授陈德桂、西安交通大学教授耿英三分别作了“低压电器系统集成总体解决方案关键技术探讨”、“讨论和分析近期低压电器的若干新技术”、“智能交流接触器专用芯片的开发”的专题报告，接下来代表们分成两个小组，热烈讨论了由部分作者宣读的论文。 
 

    何瑞华在会议的最后总结指出，虽然当前的全球金融危机给我国低压电器行业造成了一定的影响，但影响不是很大，预计今年的总产值比去年仍略有增长，时下低压电器企业要抓住国家4万亿元投资拉动内需的历史机遇，加大创新力度，开发节能降耗的新产品，升级生产装备，重视人才培养，就一定能度过严冬，迎来发展的春天。 

一、高炉卷扬上料及布料过程简介
　　
　　　　高炉上料的形式主要有两种:一是卷扬料车上料，二是皮带上料，由于料车上料占地面积小，在中小高炉中得到广泛的应用，如中型高炉卷扬系统采用双电机控制，小高炉采用单电机控制。卷扬上料系统的主要过程是：各种原料经过槽下配料后放入中间料斗，料车到料坑后，中间斗把料放入料车，中间斗闸门关到位并且炉顶准备好后，料车启动，经过加速－匀速（高速）－减速1－减速2，到达炉顶。
　　
　　二、控制系统方案
　　
　　2.1 上料及炉顶系统主要电气设备
　　　　1、 卷扬机构交流电机功率160kW，三相交流380伏一台。
　　　　2、 冷却风机电机3.7kW，三相交流380伏一台。
　　　　3、 料车制动器1kW，两相交流380伏两台。
　　　　4、 料车行程编码器，OMRON一台
　　　　5、 智能主令控制器一台。
　　　　6、 料车切换柜一面、交流变频传动柜2面，一用一备，制动电阻柜一面。
　　　　7、 料车变频器选西门子6SE70 200kW两台，配套制动单元。
　　
　　2.2 基本工艺要求
　　　　1、 料车卷扬机：料车卷扬机按料车行程曲线运行；
　　　　2、 在PLC及操作台手动方式下，满足高、中、低速调速要求；
　　　　3、 料车启动、停车及加、减速应平稳，速度控制受负载(空载或满载)影响较小；
　　　　4、 主卷扬有钢绳松弛保护和极限张力保护装置(过流保护)；
　　　　5、 料车有行程极限,超极限保护装置，低速检查保护；
　　　　6、 料车尚未到达行程终点的卷筒反转保护；在卡车的状态下,可允许停车或有控下行。
　　
　　2.3 设计方案
　　　
　　(1) 主卷扬变频调速装置
　　我们采用西门子公司的6SE70全数字交流变频调速供电装置。系统配置了配套制动单元和独立的制动电阻柜，采用能耗制动方式实现卷扬系统的制动。供电装置的工作方式选用一备一用方式，通过切换柜中的三刀双掷刀开关完成备用切换。每个变频器的控制信号通过切换柜的电气设备来完成基本联锁及控制，在主PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使料车的控制可以由PLC或操作台分别控制系统，提高整个系统的可靠性。抱闸由6SE70装置中的抱闸专用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制。
　　　　调速装置的交流进线是通过交流进线电抗器解耦，并且进线电抗器设置在电源切换柜中，相当于两套变频器共用一台进线电抗器。在切换开关后面分别接两台出线电抗器，消除出线高次谐波，保护电机。
　　　　料车定位采用绝对值编码器来完成，信号是格雷码，以开关量的形式送给PLC；主令控制器采用增量式编码器，脉冲信号送给主令控制器的内部小PLC。料车定位编码器器通过Profibus-DP与PLC联网。
　　
　　(2) 料车定位
　　高炉卷扬料车的传统定位方式是机械式的主令控制器，目前来看，使用起来有很多问题，定位精度差，现场环境恶劣，机械触点容易氧化，位置发生变化后，必须休风，跑几次空车，调整料车位置。我们现在采用的方案是智能主令控制器与编码器（PLC）结合对料车进行定位，通过数字面板来调整料车位置，如料车位置发生变化，只需在数字面板上改变料车位置的数值即可完成对料车的定位。同时，主令控制器所检测到的数据与主PLC中的数据相比较，误差小于允许值时认为定位准确。
　　
　　(3) 料车运行简介
　　料车在料坑底部(另一料车在顶部)，备料装好后，地坑闸门关闭，炉顶受料斗料空，申请上料，由主PLC发出命令给变频器，6SE70在接到开车命令后系统解封。通过6SE70系统中的抱闸控制功能，建立在抱闸状态下的转矩限幅给出的启车力矩电流后，6SE70系统发出打开抱闸命令，使抱闸打开，实现料车的平稳启动。
　　当料车启动运行后，所需的运行力矩电流大于启车力矩电流后，原来建立的转矩限幅将恢复到正常的限幅值。启车后，料车将以启车加速度a1=0.25m/s2进行加速至V＝2.36m/s。待炉顶另一料车退出分歧轨后，当上行料车运行至接近炉顶时，由主令控制器发出减速1信号给切换柜，由切换柜发给6SE70使料车按a3=0.25m/s2减速至V=1.0m/s的中速运行。当上行料车进入分歧轨前，主令控制器发出减速2的命令，使料车以a3=0.2m/s2减速，在此过程中主令控制器器还会发出低速检查命令，6SE70系统此时会根据料车在此点的实际运行速度作出比较判断，料车运行至炉顶时，主令控制器发出停车命令，由PLC控制6SE70完成停车，抱闸闭合，此时料车的停车位置应是工艺要求的角度，即能将车内的炉料倒净而又不撞极限弹簧。
　　
　　(4) 料车运行保护
　　所有使用卷扬上料的厂家，最担心的就是料车失控，产生飞车事故，一旦出现此类事故，那么所造成的停产时间和损失都无法估算，为避免这样的事故发生，我们重要采取的措施是松绳检测和低速检查保护。有松绳现象出现时，松绳开关会立刻给PLC发出信号，PLC收到松绳信号以后，立刻给供电装置发出停车命令，并同时给抱闸发出停车的命令。作为卷扬上料无论是直流装置还是交流装置，都是用速度闭环的方式，在工艺要求低速的地方增加主令控制信号，该信号触发变频器的速度比较功能，一旦出现飞车失控的现象，比较值大于设定值测速装置就会向供电装置发出真实的速度信号，装置通过对速度信号鉴别，发现本给定所需要的反馈信号不符，那么装置就会自动关闭，并同时向控制它的PLC发出故障信号，接到信号以后，PLC马上发出停车抱闸的指令，并按程序设定进行断电等其它保护措施。
　　
　　3、系统特点
　　
　　　　系统将PLC技术与变频器技术相结合，极大地提高系统性能，成为生产控制的坚实基础。在此基础上开发出以下几个有特色的功能。
　　
　　　　（1）设备故障检测报警：这一功能由两部分构成:PLC中的实时检测程序和计算机上的报警及记录程序。
　　　　（2）料车定位：采用主令控制器与编码器（PLC）结合对料车进行定位，定位准确，调整方便，在约60m长的轨道上定位精度可达0.6cm。
　　　　（3） 料车启动控制：料车启动前，必须提前判断炉顶状态，防止在轨道中间停车。目前为追求产量，都是大料批上料，料车如在轨道中间停车，再启动时较危险。
　　　　（4） 安全独立操作方式：由主PLC和操作台分别独立控制主卷扬系统，并且与切换柜相互隔离，提高降低系统的故障率。
　　　　（5）开抱闸控制：开抱闸采用力矩电流的百分值由变频器BICO参数输出给抱闸接触器，来控制打开，通过现场调试测定合适的力矩值，在变频器建立起该力矩后，再打开抱闸，可有效的防止误动作及溜车故障。
　　
　　4、应用效果
　　
　　　　卷扬控制系统是实现了高炉生产全过程自动控制的基础，通过采用先进的传感器技术以及稳定的PLC控制技术大大提高了这个高炉生产最重要环节的准确性和稳定性。系统自投入运行以来一直稳定运行，对高炉稳产、高产，降低成本，减轻工人劳动强度起着重要作用，取得了较好的经济效益和社会效益。

    在国产高压变频器的设计中，为了提高高压变频器内部控 制的灵活性以及在现场应用的可扩展性，通常在高压变频器中内置PLC。自从20世纪70年代第一台PLC诞生以来，PLC的应用越来越广泛、功能越来越完 善，除了具有强大的逻辑控制功能外还具其他扩展功能:A/D和D/A转换、PID闭环回路控制、高速记数、通信联网、中断控制及特殊功能函数运算等功能， 并可以通过上位机进行显示、报警、记录、人机对话，使其控制水平大大提高。

2、广州智光电机高压变频器简介

    广州智光电机有限公司推出的新一代高性能 ZINVERT系列智能高压变频调速系统为直接高－高型变频调速系统，通过直接调节接入高压电机定子绕组的电源频率和电压来实现电动机转速的调节从而达到 节能的目的。它是集大功率电力电子控制技术、微电子技术、高速光纤通信技术、自动化控制技术和高电压技术等多学科为一体的高新技术产品。该产品采用主流高 性能专用双DSP控制系统和大规模集成电路设计，通过精确的数字移相技术和波形控制技术实现了高压电机的灵活调节和能耗控制。

    3、PLC在国产高压变频器中的设计使用

    3.1PLC主要逻辑控制

    （1）用户要求高压变频器在出现故障停机时能快速自动 切换到工频旁路运行，笔者给高压变频器专门配置了可以实现自动旁路功能的旁路柜，如图1所示，K1～K4为手动操作刀闸，J1～J3为高压真空接触器。在 变频器发生故障时，旁路柜可以在几秒内完成从变频到工频的转换;而变频器在工频运行时，通过1个按钮就可以实现变频器从工频到变频的转换。这样的控制要求 增加了变频器整机控制逻辑的复杂性。

    图1自动旁路柜

    自动旁路柜控制逻辑简要介绍如下：

    变频调速系统退出变频转工频运行有两种方式，一种是自动方式，一种是手动方式，选择自动方式时，当变频器发生停机故障时变频器自动从变频转工频;选择手动方式时则需人工操作。

    变频调速系统退出工频转变频运行也有两种方式，一种是自动方式，一种是手动方式，选择自动方式时，只需在控制柜上按一个按钮，变频器就自动完成从工频转变频;选择手动方式时则需人工操作.

    （2）PLC控制系统原理图

    PLC主机选用输入输出点数48点，型号为FX2N-48MR，PLC作为系统逻辑量控制的控制核心，在自动旁路柜的逻辑关系控制中起着至关重要的作用。PLC控制系统原理图如图2所示。

    图2PLC控制系统原理图

    旁路柜的逻辑控制要求比较复杂，采用PLC控制，接线简单，提高了可靠性;旁路柜的逻辑更改也变得很简单，只需修改PLC梯形图程序就可以了，很方便满足用户现场的控制要求。

    （3）PLC功能指令实现高压变频器PID闭环控制

    用户现场对变频器闭环控制提出的要求是:变频器能够根据用户系统用水量的变化，自动调整变频泵的转速，实现管网恒压供水;同时还可以在液晶屏上设定压力目标值。

    针对用户的要求，PLC另外配置了模拟特殊模块 FX2N-4AD和FX2N-2DA。FX2N-4AD为模拟输入模块，有四个输入通道，最大分辨力12位，模拟值输入范围为-10V～10V或者 4～20mA;FX2N-2DA为模拟输出模块，有2个输出通道，最大分辨力12位，模拟值输出值范围为-10V到10V或者4到20mA。这样通过读取 指令（FROM）和写入指令（TO），以及PLC带有的PID闭环控制功能指令（如图3所示），就可以实现对用户现场的管网水压进行PID闭环控制。

    图3带有的PID闭环控制功能指令的PLC程序

    其具体编程过程是这样:PLC读取指令（FROM）读 取用户水压反馈值，把反馈值用移动指令（MOV）存入PID指令中的D12数据地址里;把用户的水压设定值用移动指令（MOV）存入PID指令中的D10 数据地址里;D200～D222保存PID的运行参数;D14为PID指令的运算值输出，通过PLC的写入指令（TO）把PID闭环运算结果D14写入模 拟输出模块，再通过模拟输出模块转换成-10V～10V或者4～20mA的模拟信号送入高压变频器控制器进行频率设定。

    在进行PID运行参数设置时，P、I、D的参数设 定尤其重要，其设定的好坏直接关系到管网水压控制的好坏。P表示比例增益，设定范围为0～99(%)，比例调节设定大，系统出现偏差时，可以加快调节，减 少误差，但是过大的比例增益，会造成系统不稳定;I表示积分时间，设定范围为0～32767(*100ms)，积分时间越小，积分作用就越强，反之I越大 则积分作用弱;D表示微分时间，设定范围为0～32767(*10ms)，微分调节有超前的控制作用，合适的微分时间能改善系统的动态性能。

    攀钢污水处理厂供水管网比较庞大，管网水压对水泵 转速的变化响应比较缓慢，因此PID的计算速度不能过快，即比例调节不能过快，否则如果管网水压突然变化大时，变频器的调节容易形成较长时间的振荡。根据 这一情况，如图3所示，可以在PLC控制程序中加入PID间隔计算时间（T0）以及PID运算死区（M0），这样就可以把PID的计算速度调节至与管网水 压变化速度相一致，避免管网水压震荡。

    （4）PLC功能指令实现PLC与变频器上位机通信

    为了使变频器上位机能对PLC进行显示、报警及记录，PLC还配置了通信模块FX2N-232BD，实现与变频器上位机的串口通信，通信编程指令如图4所示。

    图4通信编程指令

    PLCRS232串口通信可使用无协议（RS指令）或 专用协议与上位机进行通信，本例中使用无协议与上位机进行通信，如图四所示:D8120用于设定PLC通信格式，D50表示发送起始地址，K60表示发送 字节数量，D150表示接收起始地址，K20表示接收字节数量。

    4、结束语

    高压变频器自动旁路柜采用PLC进行旁路逻辑控制，通 过在攀钢污水处理厂运行的智光高压变频器模拟故障说明，高压变频器自动旁路柜在从变频转工频，工频转变频的相互切换非常方便，能在10s以内完成，大大提 高了水泵运行的可靠性。现场PID闭环控制效果非常理想，水压波动非常小，波动在超过0.1kg时，变频器能迅速调节转速，把水压控制在设定范围内，调节 转速时不会产生任何振荡。同时通过PLC与高压变频器控制器的串口RS-232通信，在高压变频器液晶屏上能监视系统管网水压及PLC各种状态量。

    1）明显改善结构受力状态。

    由于变频器的软启动、软停比功能，起重机起制动运行平稳，对机械、钢结构冲击小，经过实际检测，结果也证实变频调速控制系统的应用可以大大改善钢结构性能。

    2）调速范围宽，性能好。

    系统采用日本YASKAWA公司生产的磁通矢量控制的 起重专用变频器CIMR-G5A型，具有很强的环境适应性，电源电压AC380V±15%，工作环境温度-10℃~+50℃。变频器内部进行模块化设计， 集成度高，可靠性强。系统实现闭环控制，具有很强的限速、防失速和力矩控制能力，并具有优秀的伺服响应特性，对急速的负载波动有很强的适应性。系统设有起 升大、小车各5挡工作速度，操作者可根据作业要求，随时修改各挡速度值，也可选择操作电位器实现无级调速。

    3）结构简单、可靠性高、易维护。

    变频调速控制系统采用独立的控制柜，系统设计合理，外 观结构十分简单，检修方便。尤其是起升系统用一套装置即可实现原两套起升控制装置的功能，既减轻了小车的自重，改善了钢结构的受力状况，又增加了小车的维 修空间，便于日常保养和维护。系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。同时，该系统 也可增加自诊断功能，采用人机界而系统，通过同PLC的通讯来实现故障实时显示及处理对策，便于查找故障和维修。

    4）提高工作效率和减小机械磨损。

    起重机起升系统可根据负荷大小自动切换实现空钩、付钩、主钩等4挡不同的工作速度，减少了速度切换交替的辅助时间，降低了司机劳动强度，可提高装置作业效率达30%左右，同时，变频器的软启动、软停比功能不仅减小了钢结构的冲击、还减小了制动轮与刹车片的磨损。

    5)提高了安全性。

    起升机构实现了闭环矢量控制，具备了零速转矩的功能，即在起升机构制动器出现机械故障而失灵的情况下，变频器可自动输出足够大的转矩（大于150%)不使负载下滑，从而提高了系统的安全性。

    6）超载报警。

    •90%额定载重量时，发出断续的报警声，显示重物重量但正常工作；

    •105%额定载重量时，发出连续的报警声，2s后自动切断变频器输出，显示重物重量并停比工作；

    •120%额定载重量时，发出连续的报警声，立即自动切断变频器输出，显示重物重量同时停比工作。

7）节能效果显著。

    系统所选的变频器具有自动节能操作模式，同时能较大地提高系统的功率因数和工作效率，因此节电率可达20%左右。

    2 系统构成框图    

    3 控制方式及起升电机的选取

    1）起升系统采用矢量控制，一台变频器控制一台起升变频电机，其速度的自动切换由变频专用重量测控仪和可编程控制器来完成，大、小车系统控制采用V/F控制，各由一台变频器控制多台电机。所有限位保护触点均作为PLC的输入点，经程序处理再进行保护。

    2）起升电机的选取应考虑具备较宽的调速范围采用变频电机代替普通的线绕式电机。变频电机在闭环控制条件下，350Hz为恒转矩调速，50100Hz为恒功率调速。电动机的绝缘等级为F级，绝缘结构具有对于变频器输出高载波频率电压的适应能力。电机采用了独特的

    冷却结构，使用单独的冷却风机强迫风冷，保证了电机在低速恒转矩民期运行时不发生过热现象，能够承受200%额定转矩的过载，满足125%额定起重量的静载试验。

    3）选用可靠性高、编程简单、使用方便、功能完善的PLC代替原先的继电器、接触器控制方式，与变频器相结合，实现“机电一体化”。

    由于变频器的干扰因素较多，对PLC的参数采集要考虑干扰，因此在配线和接线等要注意抗干扰的措施，输出线要采用钢管作屏蔽处理，所有的控制线都采用屏蔽线，而且要注意接地问题。同时在编制程序时，要采取软件抗干扰措施。

    业内专家对目前纺织企业运行设备调查后认为，我国纺织企业使用的70～80年代生产的设备占所有设备的30%左右，但总耗电量 约占30%～50%。其中，交流电动机占75%左右。现在我国纺织企业各类电机的运行效率加权平均值比国外低3～5个百分点，加热系统和泵的效率要比发达 国家低2～3个百分点，整体所用的电机驱动系统运行效率比国外低近20%。如果按电动机总容量的10%进行改造，按年平均运行4000小时计算，节电率可 达20%～25%。由此可见，电机系统节能是目前我国纺机设备节能市场上最具商业潜力的领域。例如，郑州纺机公司近年开发的日产200吨及200吨以上涤 纶短纤维成套设备采用了大量变频调速节能技术和信息传感技术，使这种大容量涤纶短纤维成套设备实现了减少投资成本和运行成本的目的，具有较好的经济效益。 在同等产能情况下，一条200吨/日生产线与两条100吨/日生产线相比，用户能减少32%的投资、53%的占地面积和40%的人工费用。另外，宏大研究 院开发的高速粘胶长丝连续纺丝机，由于采用了伺服电机、PLC、人机界面等技术，可将纺丝成形、水洗、烘干上油、卷绕成筒等多道加工工序集于一身，使整个 工艺过程时间大大缩短；采用管中成形的方式使纺速提高到140米/分钟。目前，高速粘胶长丝连续纺丝机要解决连续纺丝用原液的质量指标、高速纺丝工艺参 数、后处理辊筒材质的选择及加工、卷绕机构及筒子成形等技术问题。高新技术的采用为提高纱线品质与生产率、减少用工、提高劳动生产率提供了物质保障。

    纺织行业在我国能耗行业中，虽然能耗量不及电力、能源、造纸等行业，但在所使用的电动机总容量中，只有不到20%的电动机是带 变频控制的。我国纺机行业的频控制电机市场占有率不足15%，而我国的变频器市场在过去10年内却保持着26.8%的高速增长。今后10年，我国纺机设备 的变频器需求仍很旺盛。随着控制技术、节能技术的应用趋于成熟，纺机行业所占有变频器的市场潜力将达到50亿～100亿元。近几年，大量新技术的采用提高 了我国纺织行业的装备水平，在这一点上，机电一体化水平较高的剑杆织机和喷气织机成套设备效果最为明显。电子式剑杆织机和喷气织机，在各运动机构机电一体 化技术中主要有电子送经、电子卷取、引纬系统、选纬系统的机电一体化。电控系统优化控制各机构运动，提高工艺适应性，使设备具有自动变换织物设计、自动检 测分析织疵、自动调整纬密误差等功能，解决了纺机电子多臂、电子提花装置、电子储纬器、电子选纬器等关键配套件的高速适应性，提高了织机的运行速度和效 率。

    根据北京捷孚联合咨询有限公司（JFUnited）最新调查报告《2008年中国大陆低压接触器市场调查报告》显示：较低的进 入门槛、较低的品牌集中度、旺盛的市场需求、良好的市场前景是投资低压接触器市场的积极因素；而随着行业竞争的日益激烈，产品同质化、狭小的利润空间也是 投资者不得不考虑的重要因素。

    在该报告中，捷孚联合研究了电力、机械、石化、冶金、轨道交通等主要的按钮细分应用市场，并对各细分应用市场的产业链做了相应 的分析，并从市场集中度、价格竞争格局等方面指出了上述细分市场目前的竞争状况；同时，报告还对不同市场份额的企业从品牌、渠道、物流、重点细分市场方面 做了针对性的分析。

    JFUnited调查报告显示：2007年中国大陆低压接触器市场规模达到47.6亿元，并且在未来的几年里保持较为良好的增 长势头。低压接触器目前的主要应用集中在机械、电力两大领域，约占总销售额的72.5％；而这两个行业也保持了较快的增长势头，因此，在电力和机械领域占 有较好的资源是各主要企业比较重视的工作。

    低压接触器的市场集中度不高，尤其是在低端产品市场。。施耐德目前在大陆低压接触器市场占有较大的市场份额（约10%），而其他企业的市场份额均在7%以下。前5家企业只占市场总容量的35.1%，其余的64.9％则被众多的低压接触器生产厂商分享。

    目前大陆低压接触器很大一部分由低压成套设备厂 家所购买，而这些企业对价格比较敏感。因此大陆低压接触器市场的价格普遍偏低。目前大陆低压接触器的中高端市场基本被外国品牌占据，大陆大多数企业的产品 定位于低端市场，竞争激烈。不过，整体市场竞争的加剧并不能掩盖某些细分市场良好的增长给企业带来的收益的增加。低压接触器的细分应用行业主要是传统行 业，这些行业的发展是低压接触器市场发展的前提。低压接触器市场受需求行业发展的影响较大。

    报告中，JFUnited对低压接触器产品的总体市场和主要细分应用市场的供需情况做了深入分析。发电装机容量的快速增长、机 械产品产量的大幅度提高、石油化工及冶金投资的增长都对低压接触器的未来增速有所影响。从细分应用市场来说，电力、机械、石化、冶金、轨道交通等领域表现 出了不同的采购特点，这正是低压接触器生产企业要在竞争中站稳并提高市场占有率所要抓住的重点，也是新入企业所必须掌握的。

    现在，低压接触器产品已经非常成熟，目前低压接触器市场上的主要企业大部分在上世纪90年代成立或者进入中国大陆，并占据了大 部分的市场份额，这些企业均有较强的实力。但这不表示新进入企业就没有生存机会，在所调查企业中仍然有近几年进入该市场并获得较好业绩的企业存在；这些企 业正是发现并抓住了低压接触器市场潜在的需求而获得成功的。目前，低压接触器产品差异性不大，多数厂商的产品可以相互替换，因此抓住细分应用行业的需求是 企业扩大市场份额的重要途径。