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电焊机之IGBT系列焊机工作原理
逆变电焊机的基本工作原理：
逆变电焊机主要是逆变器产生的逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。是将工频(50Hz)交流电，先经整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件(晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管MOSFET或IGBT)，逆变成几kHz~几十kHz的中频交流电，经变压器降至适合于焊接的几十V电压，整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。
其变换顺序可简单地表示为：
工频交流(经整流滤波)→直流(经逆变)→中频交流(降压、整流、滤波)→直流。
即为：AC→DC→AC→DC
因为逆变降压后的交流电，由于其频率高，则感抗大，在焊接回路中有功功率就会大大降低。需进行整流。这就是目前所常用的逆变电焊机的机制。
逆变电源的特点：弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。因为变压器无论是原绕组还是副绕组，其电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系：E=4.44fBSW
而绕组的端电压U近似地等于E，即：
U≈E=4.44fBSW
当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，变压器的重量和体积就可以大大减小。就能使整机的重量和体积显著减小。还有频率的提高及其他因素而带来了许多优点，与传统弧焊电源比较，其主要特点如下：
1.体积小、重量轻，节省材料，携带、移动方便。
2.高效节能，效率可达到80%~90%，比传统焊机节电1/3以上。
3.动特性好，引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观，飞溅小。
4.适合于与机器人结合，组成自动焊接生产系统。
5.可一机多用，完成多种焊接和切割过程。
电焊机之IGBT系列焊机工作原理
一、功率开关管的比较
常用的功率开关有晶闸管、IGBT、场效应管等。其中，晶闸管(可控硅)的开关频率约1000次/秒左右，一般不适用于高频工作的开关电路。
1、效应管的特点：
场效应管的突出优点在于其的开关频率，其每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在500V以上，耐温150℃(管芯)，导通电阻，管子损耗低，是理想的开关器件，尤其适合在高频电路中作开关器件使用。
场效应管的工作电流较小，高的约20A低的一般在9A左右，限制了电路中的大电流，由于场效应管的封装形式，使得其引脚的爬电距离(导电体到另一导电体间的表面距离)较小，在环境高压下容易被击穿，使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全。
2、IGBT的特点：
IGBT即双极型绝缘效应管，符号及等效电路图见图11.1，其开关频率在20KHZ~30KHZ之间。但它可以通过大电流(100A以上)，由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。
一、场效应管逆变焊机的特点
由于场效应管的突出优点，用场效应管作逆变器的开关器件时，可以把开关频率设计得很高，以提高转换效率和节省成本(使用高频率变压器以减小焊机的体积，使焊机向小型化，微型化方便使用。(高频变压器与低频变压器的比较见第三章《逆变弧焊电源整机方框图》。
但无论弧焊机还是切割机，它们的工作电流都很大。使用一个场效应管满足不了焊机对电流的需求，一般采用多只并联的形式来提高焊机电源的输出电流。这样既增加了成本，又降低了电路的稳定性和可靠性。
二、IGBT焊机的特点
IGBT焊机指的是使用IGBT作为逆变器开关器件的弧焊机。由于IGBT的开关频率较低，电流大，焊机使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较场效应管焊机有很大不同，不但体积增大，各类技术参数也改变了。
三、IGBT焊机工作原理：
半桥逆变电路工作原理如图11.2
工作原理：
①tl时间：开关K1导通，K2截止，电流方向如图中①，电源给主变T供电，并给电容C2充电。
②t2时间：开关K1、K2都截止，负截无电流通过(死区)。
③t3时间：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放电。
④t4时间：开关K1、K2均截止，又形成死区。如此反复在负载上就得到了如图11.3的电流，实现了逆变的目的。
2、IGBT焊机的工作原理
①电源供给：
和场效应管作逆变开关的焊机一样，焊机电源由市电供给，经整流、滤波后供给逆变器。
②逆变：
由于IGBT的工作电流大，可采用半桥逆变的形式，以IGBT作为开关，其开通与关闭由驱动信号控制。
③驱动信号的产生：
驱动信号仍然采用处理脉宽调制器输出信号的形式。使得两路驱动信号的相位错开(有死区)，以防止两个开关管导通而产生过大电流损坏开关管。驱动信号的中点同样下沉一定幅度，以防干扰使开关管误导通。
④保护电路：
IGBT焊机也设置了过流、过压、过热保护等，有些机型也有截流，以保证焊机及人身安全，其工作原理与场效应管焊机相似。
逆变与整流是两个的概念，整流是把交流电变换为直流电的过程，而逆变则使把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为逆变焊机。逆变过程需要大功率电子开关器件，采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关器件的逆变焊机成为IGBT逆变焊机。
逆变焊机的工作过程如下：将三相或单相工频交流电整流，经滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT组成的逆变电路将该直流电变为几十KHZ的交流电，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。
逆变电焊机优点：由于逆变工作频率很高，主变压器的铁心截面积和线圈匝数大大减少，逆变焊机可以在很大程度上节省金属材料，减少外形尺寸及重量，大大减少电能损耗，更重要的是，逆变焊机能够在微妙级的时间内对输出电流进行调整，就能实现焊接过程所要求的理想控制过程，获得满意的焊接效果
西门子6ES7315-2EH14-0AB0详细说明
要了解一个建筑物的建筑电气施工图，必须熟悉建筑物的土建图（包括建筑、结构、总平面）和工艺图，了解建筑物的概貌、结构特点以及与电气布置密切有关的部分，再详细的进行电气识图。常用的电气图有系统图，平剖面图，原理图和安装图等。
系统图：是用来表示供电系统的组成部分及其连接方式，通常用粗实线表示。系统图通常不表明电气设备的具体安装位置。但通过系统图可以了解整个工程的供电全貌和接线关系。
平剖面图：详细地、具体地标注了所有电气线路的具体走向及电气设备的位置、坐标、并通过图形符号将某些系统图无法表达的设计意图表达出来，具体指导施工。
原理图：用来表示各控制信号回路的动作原理，并将各电气设备及电气元件之间的连接方式，按动作原理用展开法绘制出来，便于看清动作顺序。原理图分为一次回路（主回路）和二次回路（控制回路），二次回路包括控制、保护、测量、信号等线路。一次回路通常用粗实线绘制，二次回路通常用细实线绘制。原理图是指导设备制作、施工和调试的主要图纸。
安装图：又称安装大样图，用来表示电气设备和电器元件的实际接线方式、安装位置、配线场所的形状特征等。对于某些电气设备或电气元件在安装过程中有特殊要求或无标准图的部分，设计者应绘制专门的构件大样图或安装大样图，并详细地标明施工方法、尺寸和贝体要求，指导设备制作和施一般施工图都有文字说明，它的作用是对图纸中不能用符号表明的与施工有关的或对工程有特殊技术要求的补充。比如与弱电线路并排敷设时的线间距离要求；与煤气管、热力管道交叉时的间距，电气线路与建筑、结构的具体配合，电气保护措施等。
识图步骤
先看图上的文字说明：文字说明的主要内容包括施工图图纸目录，设备、材料表和施工说明等三部分。比较简单的工程只有几张施工图纸，往往不另单独编制施工说明，一般将文字说明内容在平剖面图或系统图上表示出。
看图上所画的电源从何而来，采用哪些供配线方式，使用多大截面的导线，通过哪些配电电气设备，分配到哪些用电设备不同的工程有不同的要求，一定要搞清图纸上所表达的工程内容。
看比较复杂的电气图时，看系统图，了解有哪些设备组成，有多少个回路，每个回路的作用和原理再看安装图，各个元件和设备安装在什么位置，如何与外部连接，采用何种敷设方式等。
熟悉建筑物的具体外貌，结构特点，设计功能，工艺要求，与电气设计说明、设计意图一道研究，明确施工方法。
熟悉其他施工图：尽可能地熟悉其他（给水排水、动力、采暖通风、弱电等）的施工图或进行多交叉施工座谈，了解有争议的空间位置或互相重叠现象，尽量避免施工过程中的返工现象
S7-300有20种CPU，分别适用于不同等级的控制要求。本文介绍S7-300CPU的状态与故障显示LED、运行模式、模式选择开关、微存储器卡、通信接口、电池盒、电源接线端子、实时种与运行时间计数器和I/O方面的知识。
S7-300有20种不同型号的CPU，分别适用于不同等级的控制要求。有的CPU模块集成了数字量I/O，有的集成了数字量I/O和模拟量I/O。
CPU内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED、模式选择开关和通信接口。大多数CPU还有后备电池盒，存储器插槽可以插入多达数兆字节的FlashEPROM微存储器卡（检查MMC），用于掉电后程序和数据的保存。CPU 318-2的面板如图所示。
 1、状态与故障显示LED
CPU模块面板上的LED的意义如下：
①SF（系统出错/故障显示，红色）：CPU硬件故障或软件错误时亮。
②BATF（电池故障，红色）：电池电压低或没有电池时亮。
③DC5V（+5V电源指示，绿色）：CPU和S7-300总线的5V电源正常时亮。
④FRCE（强制，黄色）：至少有一个I/O被强制时亮。
⑤RUN（运行方式，绿色）：CPU处于RUN状态时亮；重新启动时以2Hz的频率闪亮；HOLD状态时以0.5Hz的频率闪亮。
⑥STOP（停止方式，黄色）:CPU在STOP、HOLD状态或重新启动时常亮；请求存储器复位时以0.5Hz的频率闪亮，正在执行存储器复位时以2Hz的频率闪亮
⑦BUSF（总线错误，红色）：PROFIBUS-DP接口硬件或软件故障时亮，集成有DP接口的CPU才有此LED。集成有两个DP接口的CPU有两个对应的LED（BUS1F和BUS2F）。
2、CPU的运行模式
①CPU有4中操作模式：STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。
②STOP模式：CPU模块通电后自动进入STOP模式，在该模式不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。
③RUN模式：执行用户程序，刷新输入和输出，处理中断和故障信息服务。
④HOLD模式：在启动和RUN模式执行程序时遇到调试用的断点，用户程序的执行被挂起（暂停），定时器被冻结。
⑤STARTUP模式：启动模式，可以用钥匙开关或编程软件启动CPU。如果钥匙开关在RUN或RUN-P位置，通电时自动进入启动模式。
3、模式选择开关
有的CPU的模式选择开关（模式选择器）是一种钥匙开关，操作时需要插入钥匙，用来设定CPU当前的运行方式。钥匙拔出后，就不能改变操作方式。这样可以防止未经授权的人员非法删除或改变用户程序。还可以使用多级口令来保护整个数据库，使用户有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。钥匙开关各位置的意义如下：
①RUN-P（运行-编程）位置：CPU不仅执行用户程序，在运行时还可以通过编程软件读出或修改用户程序，以及改变运行方式。在这个位置不能拔出钥匙开关。
②RUN（运行位置）位置：CPU执行用户程序，可以通过编程软件读出用户程序，不能修改用户程序，在这个位置可以取出钥匙开关。
③STOP（停止）位置：不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序，在这个位置可以取出钥匙开关。
④MRES（清除存储器）：MRES位置不能保持，在这个位置松手时开关将自动返回STOP位置。将钥匙开关从STOP状态扳到MRES位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。工作存储器、RAM装载存储器中的用户程序和地址区被清除，全部存储器位、定时器、计数器和数据块均被删除，即复位为零，包括有保持功能的数据。CPU检测硬件，初始化硬件和系统程序的参数，系统参数、CPU和模块的参数被恢复为默认设置，MPI（多点接口）的参数被保留。如果快闪存储器卡，CPU在复位后将它里面的用户程序和系统参数复制到工作存储区。
复位存储器按下述顺序操作：plc通电后将钥匙开关从STOP位置扳到MRES位置，STOPLED熄灭1s，再熄灭1s后保持亮。放开开关，使它回到STOP位置，又回到MRES，STOPLED以2Hz的频率至少闪动3s，表示正在执行复位，后STOP LED一直亮，可松开模式开关。
存储器卡被取掉或插入时，CPU发出系统复位请求，STOPLED以0.5Hz的频率闪动。此时应将模式选择开关扳到MRES位置，执行复位操作。
4、微存储器卡
FlashEPROM为存储卡（MMC）用于在断电时保存用户程序和某些数据，它可以扩展CPU的存储器容量，也可以将有些CPU的操作系统保存在MMC中，这对于操作系统的升级是非常方便的。MMC用作装载存储器或便携式保存媒体。MMC的读写直接在CPU内进行，不需要专用的编程器。由于CPU31xC没有安装集成的装载存储器，在使用CPU时必须插入MMC，CPU与MMC是分开订货的。
如果在写访问过程中拆下SIMATIC微存储卡，卡中的数据会被破坏。在这种情况下，必须将MMC插入CPU中并删除它，或在CPU中格式化存储卡。只有在断电状态或CPU处于STOP状态时，才能取下存储卡。
5、通信接口
所有的CPU模块都有一个多点接口MPI，有的CPU模块有一个MPI和一个PROFIBUS-DP接口、有的CPU模块有一个MPI/DP接口和一个DP接口。
MPI用于PLC与其他西门子plc、PG/PC(编程器或个人计算机).OP(操作员接口)通过MPI网络的通信。CPU通过MPI接口或PROFIBUS-DP接口在网络上自动地广播它设置的总线参数(即波特率)，PLC可以自动地“挂到”MPI网络上。
PROFIBUS-DP的传输速率高12Mbit/s，用它与其他西门子带DP接口的PLC、PG/PC、OP和其他DP主站和从站的通信。
6、电池盒
电池盒是安装锂电池的盒子，在PLC断电时，锂电池用来保证实时钟的正常运行，并可以在RAM中保存用户程序和更多的数据，保存的时间为1年，有的低端CPU(例如312IFM与313)因为没有实时钟，没有配备锂电池。
7、电源接线端子
电源模块的L1、N端子接AC220V电源，电源模块的接地端子和M端子一般用短路片短接后接地，机架的导轨也应接地。
电源模块上的L+和M端子分别是DC4V输出电压的正极和负极。用专用的电源连接器或导线连接电源模块和CPU模块的L+和M端子。
8、实时钟与运行时间计数器
CPU 312IFM与CPU313因为没有锂电池，只有软件实时钟，PLC断电时停止计时，恢复供电后从断电瞬时的时刻开始计时，有后备锂电池的CPU有硬件实时钟、可以在PLC电源断电时继续运行，运行小时计数器的计数范围为O-32767h。
9、CPU模块上的集成I/O
西门子S7-300的CPU右侧是模拟量输入端子和模拟量输出端子。 |
1、S7-200的基本结构
西门子S7-200系列属于整体式小型plc，用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型机壳内，S7-200称为CPU模块。图1中的前盖下面有RUN/STOP开关、模拟量电位器和扩展I/O连接器。S7-200系列PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I.O扩展模块供用户选用，CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。
整体PLC还配备有许多专用的特殊功能模块，例如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，使PLC得功能得到扩展。
S7-200可以选用梯形图、语句表（即指令表）和功能模块语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便。内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能。多可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O。多有26kB程序和数据存储空间。
2、S7-200的CPU模块
S7-200有5种CPU模块，CPU221无扩展功能，适于做小点数的微型控制器；CPU222有扩展功能；CPU224是具有较强控制功能的控制器；CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。
S7-200系列PLC不同型号CPU的技术参数如表1所示
S7-200有传送、比较、移位、循环、求补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数据转换、算数运算、字逻辑运算、浮点运算、开平方、三角函数和PID控制指令等，采用主程序、多8级子程序和中断程序的程序结构，用户可以使用1-255ms的定时中断。用户程序可设3级口令保护，有监控定时器（看门狗）功能。
数字量输入中有4个用作硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加/减计数器的高计数频率为30kHz，可以对增量式编码器的两个互差90的脉冲列计数，计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可以及时地对输出进行操作。两点高速输出可以输出频率高为20kHz频率和宽度可调的脉冲列。
可选的存储器卡可以保存程序、数据和组态信息，可选的电池卡保存数据的典型事件值为200天。DC输出型电路用场效应晶体管（MOSFET）作为功率放大器元件，仅DV输出型有高速脉冲输出，高输出频率为20kHz。
3、S7-200的扩展模块
不同信号的S7-200CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，若实际需要的I/O点数超过该CPU的I/O点数时，则通过增加输入/输出扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力。扩展模块有输入/输出扩展、热电偶/热电阻输入扩展和通讯扩展三种类型，通过总线连接器（插件）和CPU模块连接。
扩展单元正常工作需要+5VDC工作电源，此电源由CPU通过总线连接器提供，扩展单元的24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源供电，但要注意基本单元所提供的大电流能力。
CPU 221无I/O扩展能力；CPU222多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量）；CPU224和CPU226多可连接7个扩展模块。
（1）输入/输出扩展模块
S7-200系列PLC目前提供如下扩展模块：
①数字量输入扩展模块 EM221（8DI）；
②数字量输出扩展模块 EM222（8DO）；
③数字量输入和输出混合扩展模块 EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；
④模拟量输入扩展模块 EM231（3AI，A/D转换时间为25μs，12位）；
⑤模拟量输入和输出混合扩展模板 EM235（3AI/1AO，其中A/D转换时间为25μs，D/A转换时间100μs，位数均为12位）
（2）热电偶/热电阻扩展模块
热电偶、热电阻模块（EM231）与CPU222，CPU224，CPU226配套使用，多种分度号热电偶（mV信号）和热电阻（电阻信号）可通过EM231模块将信号送入S7-200。用户通过EM231上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的分度号、接线方式、测量单位和开路故障的方向。
（3）通讯扩展模块
除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块EM277和AS-i接口扩展模块CP243-2。
S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能如表2所示。 4、S7-200的通信功能
S7-200的CPU模块自带的RS485串行通信支持PPI、DP/T、自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议。每个网络多126个站，多32个主站。通信接口可以实现与下列设备的通信：运行编程软件的计算机、文本显示器TD200、OP（操作员面板）、以及S7-200CPU之间的通信；通过自由通信口协议，可以与其他厂家的设备进行串行通信。
EM277 PROFIBUS-DP从站模块用于将S7-200CPU连接到PROFIBUS-DP网络。通信速率为9600-12Mbit/s。
工业以太网通讯模块CP243-1的通信速率为10Mbit/s或100Mbit/s，半双工/全双工通信，RJ-45接口使用TCP/IP协议。可用STEP7-Micro/WIN软件实现通过工业以太网配置和远程编程服务（上载、下载程序，监视状态），通过工业以太网连接其他的CPU，通过S7-opc在计算机上处理数据。
EM241Modem(调制解调器)模块支持远程维护或远传诊断、PLC之间的通信、PLC与PC的通信、给手机发送短消息等，EM241参数化向导集成在Micro/WINV3.2中。
通过CP243-2 AS-i通信处理器，S7-200CPU可以作为AS-i的主站，多可以连接62个AS-i从站，接入496个远程数字量输入/输出点。
5、S7-200的编程软件
STEP7-Micro/WIN32是专门为S7-200设计的在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件。CPU通过PC/PPI电缆或插在计算机中CP55111或CP 5611通信卡与计算机通信。通过PC/PPI电缆，可以在Windows下实现多主站通信方式。
STEP 7-Micro/WIN32的用户程序机构简单清晰，通过一个主程序调用子程序或中断程序，还可以通过数据块进行变量的初始化设置。用户可以用语句表（STL）、梯形图（LAD）和功能块图（FBD）编程，不同的编程语言编制的程序可以相互转换，可以用符号表来定义程序中使用的变量地址对应的符号，是程序便于设计和理解。
STEP 7-Micro/WIN32为用户提供两套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200方式）和指令集（IEC1131-1）方式。通过调制解调器可以实现远程编程，可以用单次扫描和强制输出等方式来调试程序和进行故障诊断。
S7-200是在美国德州仪器公式的小型PLC的基础上发展起来的，S7-300/400的前身是西门子公司的S5系列PLC，其编程软件为STEP7。S7-200和S7-300/300有许多共同之处，在指令系统、程序结构和编程软件定方面均有相当大的差异。 |
