三相异步电动机的PLC控制方案设计

河南科技学院2009 届本科毕业论文（设计）论文题目：三相异步电动机的 PLC 控制方案设计学生姓名： 魏二赏所在院系： 机电学院所学专业： 应用电子技术教育导师姓名： 王占合完成时间： 2009 年 5 月 20 日摘 要PLC 在三相异步 电机控制中的应用，与 传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等 优点。 长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应 用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。本文设计了三相异步电动机的 PLC 控制电路， 该电路主要以性能稳定、简单实 用为目的。关键词：PLC ，编程语言，三相异步电机，继电器Three-phase asynchronous motors PLC control project designAbstractPLC in the three-phase asynchronous machine controls application, compares with the traditional black-white control, has the control speed to be quick, the reliability is high, the flexibility is strong, merits and so on function consummation. Since long, PLC is in the industrial automation control domain throughout the main battlefield, has provided the very reliable control application for various automation control device. It can provide safe reliable and the quite perfect solution for the automated control application, suits in the current Industrial enterprise to the automated need. This article has designed the three-phase asynchronous motors PLC control circuit, this electric circuit mainly take the stable property, simple practical as a goal.Keywords：PLC, Programming Language, Three-phase asynchronous machine, Relay目 录1 绪论12 设计要求13 总体设计.23.1 系统结构.2 3.2 系统配置.33.3 三相异步电动机正反转的 PLC 控制.43.3.1 三相异步电动机正反转 PLC 控制接线图43.3.2 三相异步电动机正反转 PLC 控制的梯形图、指令表63.4 三相异步电动机的起、制动 PLC 控制.6 3.5 三相异步电动机的调速系统 PLC 控制.93.6 三相异步电动机使用 PLC 控制优点.134 系统调试.145 结束语.14参考文献.151 绪论三相异步电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，三项异步 电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘 老化等事故。 对于应用于大型工业设备 重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发 生故障所造成的损失无法估量。在生产过程，科学研究和其他产业领域中， 电气控制技术应用十分广泛。在机械设备的控制中，电气控制也比其他的控制方法使用的更为普遍。本系统的控制是采用 PLC 的编程语言梯形语言，梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直 观， 编程容易，可 读性 强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。可 编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它是专为在恶劣工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制，定时、计数和算术等操作的指令，并采用数字式、模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。长期以来，PLC 始终处于工 业自动化控制领域的主战场， 为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。 进入 20 世纪80 年代，由于计算机技术 和微电子技术的迅速发展，极大的推动了 PLC 的发展，使的 PLC 的功能日益增 强 。如 PLC 可进行模拟量控制、位置控制和 PID 控制等，易于实现柔性制造系统。远 程通信功能的实现更使 PLC 如虎添翼。目前，在先进国家中，PLC 已成为工业 控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工 业企业。PLC 是一种固 态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。PLC 通过输 入/ 输出（ I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。由于 PLC 综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定 时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特 别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了 PLC 的功能，使它具有很 强的 联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。2 设计要求随着 PLC 成本的降低和 应用日益广泛，三相异步 电动机的常规控制应用PLC 技术越来越成 为现实 。三相异步 电动机根据工作要求不同，主要 进行降压启动、正反 转、自动循环、制 动、 变速等不同控制，该设计要求把对电动机的上述控制采用 PLC 控制来实现，使系统的性能更完善， PLC 是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC 在性能上比继电器控制逻辑优 异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。因此，本文研究了基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的方法。作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步 电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量 轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。 绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。1控制方面：1停 控制方案设计。根据电动机在实际工作时的常见控制要求，设计出 2-3 套控制方案。 2停 硬件设计。对控制系统所需标准件进行选型和非标件设计。3停 控制程序设计。2. 技术指标：1停 标准件的选型符合国标。2停 程序调试正确。3 总体设计3.1 系统结构三相异步电动机根据工作要求不同，主要进行降压启动、正反转、自 动循环、制动、变 速等不同控制，该设计要求把对电动机的上述控制采用 PLC 控制来实现，使系 统的性能更完善。我们国家的标准电压是 380V 和 220V 两种制式，生 产厂家也是按这个标准化技术生产的你们公司定做的，一定有其原因和内行的专业技术人员指导的，理论上 讲是没什么问题的，可以正常使用。 设计功率大，实际使用功率小点，电动机起 热电流大是正常的。就像设计是十匹马拉的车现在用八匹马拉车，那每匹马拉车 的力就用的多一点。要想解决这个问题的办法是提高电压！结构原理框图如下图 1 所示。计算机PLC 可编程控制器转换电路三相异步电动机三相异步电动机驱动器图 1 结构原理框图3.2 系统配置在 PLC 系统设计时 ，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型。工 艺流程的特点和应 用要求是设计选型的主要依据。PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统， PLC 的系统硬件、 软件配置及功能 应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程 语言有利于缩短编程时间，因此，工程 设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC 的功能、外部 设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系。选择 PLC 机型 应考虑两个问题:（1） PLC 的容量 应为多大？（2） 选择什么公司的 PLC 及外设。本系统共包括 12 路开关量，7 路模拟量选择PLC 时， 应考 虑性能价格比。考虑经济性时，应同时 考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选 出较满意的产品。目前，各个厂家生产的 PLC 其品种、 规格及功能都各不相同。由于本 设计的需要我选择了日本松下电工公司的 FP 系列 PLC，既 FP0。FP0 是超小型 PLC，之所以选择松下公司生产的 PLC，是因 为其产品特点有以下三个特点：（1）丰富的指令系统，有将近 200 条指令。（2）有强大通信功能。（3）CPU 处理速度快。3.3 三相异步电动机正反转的 PLC 控制3.3.1 三相异步电动机正反转 PLC 控制线路图要求当按下正转按钮，电机连续正转，此 时反转按钮不起作用（互锁），按下停止按钮电机断开电源，按下反转按钮电机连续反转，正转不起作用。 图 2 所示为三相异步电机的正反转控制原理图。主电路中， KM1 的三个常开触点控制电动机的正向运转，KM2 三个常开触电控制电动机的反向运转。为节省输入点数，接线图中把热继电器 FR 的长闭触电串联于输出电 路中而未作为输入信号处理。为避免接触器的线圈断电后触电由于熔焊仍然接通情况下另一个接触器得电吸合，在输 出电路中设置了接触起辅助常闭触电的互锁三相异步电动机的工作原理应该是：当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以 n1 转速旋转，转子导体开始时是静止的，故 转子 导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。输入 输出 SB3：X0 KM1：Y1SB1：X1 KM2：Y2SB2：X2 SB1 为 正 SB2 为反KM1 为正转接触线圈KM2 为反转接触线圈三相异步电机的正反转控制梯型图如图 3 采用了两个自保电路的组合，并像继电器控制一样采用了 Y0、Y1 常闭触电串于对方进行电器互锁。为了能达到正反转的直接转换，将各自启 动按钮对应的输入继电器的常闭触电串于对方，进行按钮互锁。通过启保电路以及正反转电路可以看出，梯型图电路和继电器控制中的控制电路有很大的相似性，应为原理是一样的，这也正是熟悉继电器控制电路工程技术人员学习可编程控制器的原因。图 2 三相异步电机的正反转控制原理图X0Y1Y2X0X1X2Y1Y2Y1Y2EN D图 3 梯形图COMKM1+KM2FU1COM1X0 Y1X2COM2X1 Y2KHM3PE_PLCKM1SB1 KM2SB3SB2L2L1L3NFU2KM1KM2KH3.3.2 三相异步电动机正反转 PLC 控制的梯形图、指令表中 将 PLC 联上编程器并接通电源后，PLC 电源指示灯亮，将编程器开关打到“PROGRAM”位置，这时 PLC 处于编程状态。编程器显示 PASSWORD！这时依次按 Clr 键和 Montr 键，直至屏幕 显示地址号 0000，这时即可输入程序。在输入程序前，需清除存储器中内容，依次按 Clr、Play/Set， Not，Rec/Reset和 Montr 键，即将全部程序清除。按照以上控制的梯形图或程序指令将控制程序写入 PLC，当上述 3 部分程序 输入到 PLC 指令如下表 1。指令表 1步序 指令 步序 指令0 LD X1 6 OR Y21 OR Y1 7 ANI XO2 ANI Y2 8 ANI Y13 ANI Y2 9 OUT Y24 OUT Y1 10 END5 LD X23.4 三相异步电动机的起、制动 PLC 控制可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自 60年代末，美国首先研制和使用可编程控制器以后，世界各国特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的 PLC(programmable logic controller)，因此，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用 PLC 实现三项异步电动机起制动控制是最明智的选择。下面就是设计的采用 PLC 实现的三项异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序。在继电器控制的基本环节中，有这样一个制动、连续控制依靠接触器的自锁触点进行自锁；点动时依靠复合式点动按钮的常闭触电断开自锁回路，随后起常开触电接通接触器线圈，使接触器通电闭合，此 时尽管接触器的辅助常开触电也闭合，但并未起到自锁作用，从而实现了起、制 动控制。起制动的原理图如图 4 所示：X2KM1X1KM2FU1Y0X0Y2COMY1X3 COMKHM3PEL2SB1KM2L1L3KS1NSB2FU2KM3KM1FR图 4 PLC 控制的 输入输出接线图PLC 控制逻辑 与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下:起动时，按下起动按钮 SB1,X0 常开触点闭合，Y0 线圈接通并自锁，KM1 线圈接通主触头吸合，电动机串入限流电阻 R 开始起动，同 时 Y0 的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，KS1 的常开触点 闭合， X2 常开触点闭合，M1线圈接通并自锁，M1 的常开触点接通 Y2 的线圈，KM3 线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。制动时，按下停机按 钮SB2，X1 常开触点断开 Y0 线圈，使 KM1 失电释放，而 Y0 的常闭触点接通 Y1线圈，制 动用的接触器 KM2 线圈通电， 对调两相电 源的相序， 电动机处于反接制动状态。I/O 接口功能如下：输入 输出 SB3：X0 KM1：Y1SB1：X1 KM2：Y2SB2：X2 SB1 为 正 SB2 为反KM1 为正转接触线圈KM2 为起动接触线圈KM3 为制动接触线圈运行的梯形图如图 5 所示：X0Y1Y2X1X2Y0Y2Y1Y2ENDX3Y0X2M1M1 Y0M1Y3图 5 梯形图与此同时，Y0 的常开触点断开 Y2 的线圈， KM3 失 电释放，串入 电阻 R 限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1 常开触点断开，X2 常开触点断开 M1 的线圈，M1 的常开触点断开 Y1 线圈，KM2 失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器 FR 常开触点闭合， X3 的两对常闭触点断开 Y0 和M1 的线 圈，从而使 KM1 或 KM2 失电释放，起到过载保护作用。上述控制过程指令程序如下表 2:指令表 2步序 指令 步序 指令 0 LD X1 9 LD Y0 1 OR Y1 10 OR M12 ANI X0 11 AND X23 ANI X2 12 ANI X34 ANI X3 13 OUT M1 5 OUT Y1 14 LD M1 6 LD M1 15 AND Y07 ANI X2 16 OUT Y28 OUT Y1 17 END3.5 三相异步电动机的调速系统 PLC 控制已知某三相异步电动机启动和自动加速的继电器控制线路，现用可编程控制器来实现。因为无意继电器线路进行对应翻译，我 们知道启动及自动加速的对应顺序为 KM1，KM2,KM3 就足够了。共有启动及停止两个输入信号，对应三个接触器的三个输出信号，三个接触器在硬件上进行互锁，从而得到控制电路图 6 所示的 PLC 外部接线图。在梯形图中，用 Y0、Y1、Y2、中的任意两个常闭触点去互锁另一个的线圈，以保证它们不会同时为 ON。X1 常闭 触点串于 Y0、Y1、Y2 的线 圈回路中，以确保启动后随时可以停止。用定时器的常开触点接通一个辅助继电器，由此辅助继电器的常闭触点来断开定时器线圈，由此 辅助继电器的常开触点接通下一个线圈，以确保定时器能可靠启动下一个电路。I/O 口控制功能如下：输入 输出 SB3：X0 KM1：Y1SB1：X1 KM2：Y2SB2：X2 SB1 为 正 SB2 为反KM1 为正转接触线圈KM2 为反转接触线圈控制电路如下图 6 所示： P L CA C 2 2 0 VS B 1停 停停 停S B 2X 0X 1C O M Y 2Y 1Y 0K M 1 K M 2K M 3K M 2 K M 1K M 3K M 3 K M 2K M 1F RC O M图 6 PLC 控制电路图这就是三相异步电动机速度控制的 PLC 控制部分的电路图，很自然的可以看出 PLC 怎么控制三相异步电动机的速度的，就是由按钮 SB1 控制启动，SB2控制停止，KM1、KM2、KM3 线 圈控制三相异步电动 机的速度，FR 控制电源部分。工作过程简述如下：点动 SB1 启动按钮， X0 为 ON，X1、M0、Y1、Y2 为OFF，所以 Y0 为 ON，电动机低速启 动运行；下个周期即使 X0 为 OFF，Y0 也能通过 Y0 常开触点的闭合进行自保。 Y0 为 ON 的同时，T0 进行计时，计够 6s 后，T0 常开触点接通，Y1 常闭触点处于闭合状态，所以这个周期 M0 为 ON，但这个周期 M0 常开触点闭合并不能使 Y1 为 ON，因为这个周期 Y0 常闭触点是断开的。下个周期，M0 常闭触点并联 M0 的常开触点的断开使 Y0、T0 为 OFF，这个周期 T0 常开触点断开，如果不 给 T0 的常开触点并联 M0 的常开触点，则这个周期 M0 为 OFF，从而 M0 常开触点不能启动 Y1、T1，所以 M0 的自保触点很重要，它确保这个周期里 M0 扔为 ON，而这个周期 Y0 的常闭触点已经闭合，结果能使 Y1、T1 为 ON，电动机 转入中速运行。 紧接着下个周期里，Y1 的常闭触点断开，使 M0 为 OFF，但 Y1 已能够利用自己的常开触点自保了。中速转入高速的情况与上述类同，在此不再分析。控制梯形图如下图 7 所示：X 0T0 M 0M 1中中Y 0T1M 1Y 1M 0M 0Y 2Y 1Y 0T1M 1Y 0M 0 Y 0Y 1 Y 2Y 2 Y 1Y 2 M 1Y 1T0Y 2中中X 1K 6 0X 1中中X 1K 9 0图 7 梯形图如果将 T0 线圈和 M0 常闭触点与 Y0 线圈的串联进 行并联， 则与 T0 常开触点并联的 M0 自保触点可以省略了。M1 自保触点也是一 样的情况。低速K60中速K90高速总电路图如下图 8：PLCAC 220VSB1停停停停 SB2X0X1COM Y2Y1Y0KM1 KM2KM3KM2 KM1 KM3KM3KM2 KM1FRCOML1L2L3KM2KM1FU2FU1PEKHM3KH图 8 总电路图三相异步电动机改变电压是不会改变转速的,常用的就是改变磁极对数.改变三相电源的频率.改变转差率,上面两种都常见的调速方法.改变磁极对数要看电机是否合适,如里是二极的电机就不能改了,再一个就是改变后它的输出功率也会相应改变的,不是无级变速的.改变电源的频率就要用变频器,但是可以在一定范围的无级调速.改变转差率使用范围会小点,只用在较大功率的绕线电机上,中小电机的转子是不绕线的,改变转子感生电动势的频率就改变了电动机的转速.另外最简单的办法就是把电动机换成滑差电机,就可以无级调速了,由于在调速过程中,电机转速不变,这样输出转速可以调的很低对电机也没有影响。三相异步电动机速度控制在这里是由 PLC 控制的，下面是控制部分的指令表L1L2L33：指令表 3步序 指令 步序 指令 0 LD X1 9 LD Y0 1 OR Y1 10 OR X12 ANI X0 11 AND X23 ANI X2 12 ANI X34 ANI X3 13 OUT X1 5 OUT Y1 14 LD X1 6 LD X1 15 AND Y07 ANI X2 16 OUT Y28 OUT Y1 17 END3.6 三相异步电动机使用 PLC 控制优点本次设计就对三相异步电动机的正反转、制动、 调速等系统进行了设计， 还有其它的像降压启动和自动循环控制在这里我就不在设计，主电路都是一样的，就控制电路有一点小差异。使用 PLC 控制三相异步 电动机有很多好处的：不宜老化、设备简单、结构合理、便于控制、价格便宜等。三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差 120 度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差 120 度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。 电流每变化一个周期，旋 转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中 f 为电源频率、P 是磁场的磁极对数、n 的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关。用 PLC 控制三相异步电动机也需要对电动机的属性和旋转方式有所了解，这样才能控制好三相异步电动机的方向和特性，不至于使用不当使电动机损坏，电动机的频率一定要符合要求。4 系统调试系统调试分几种情况：硬件调试：接通电源，检查可编程序控制器能否正常工作，接头是否接触良好。软件调试：按要求输入梯形图，检查后编译通过，在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区。运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，使 PLC 进入运行状态， 观察运行情况，看是否能够实现正反转、快速、中速、慢速、单步、定步控制。根据以上调试情况，此电机控制系统设计符合控制要求。通过调试找出问题的所在，相应的修改程序。在 编程过程中难免会有不足之处，因此通过调试，再修改程序可以更好实现相应的功能。例如原来我用PO1、PO2、PO3 来控制电 机运行的快速、中速、慢速， 发现按钮不能自锁，后来通过 20.00、20.01、20.02 三个中间继电器，并补充了一些程序 实现了自锁功能。5 结束语本文设计和制作了三相异步电动机的 PLC 控制系统，该电路主要以性能稳定、简单实 用为目的，整体制作符合要求。通过概述使大家充分了解了该控制系统的原理与功能。从摘要和引言部分概要介绍了其可靠性和实用性。第二部分介 绍了总体设计方案的要求；第三部分介绍三相异步电动机的 PLC 控制的设计原理，从 对三相异步 电动机的 PLC 控制现象中