【PLC在电动机基本控制线路中的应用研究6900字（论文）】

PLC在电动机基本控制线路中的应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u24092摘要 I摘要近年来，在科技创新的作用下，PLC凭借自身优势作用的发挥，被广泛应用到工业自动化控制中。文章围绕基于PLC的三相异步电机控制系统展开研究，以三相鼠笼式异步电动机为例，通过分析接触器控制三相异步电机正反转原理与PLC控制三相异步电机正反原理进行分析，明晰基于PLC三相异步电机控制方式的优势，并对基于PLC的三相异步电机控制系统进行了简要的设计，通过实际案例分析对PLC在三相异步电动机控制系统中的应用提供更多借鉴。关键词：异步电机；PLC；接触器；控制系统引言随着工业技术的发展，自动控制装置具有越来越深入各种应用领域。由于环保和清洁的优势，电力在社会的应用领域非常广泛，也导致人们对电机的需求也不断加大。因此，一旦电机装置出现问题、损坏所影响人们的生活问题甚至导致工厂停工所造成的经济损失非常巨大。需要在电机出现问题时采取相应的措施，减少经济损失，提高经济效益。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，异步电机的应用领域更加广阔，但对于异步电机的精度和控制方面的也有了更进一步的需求。在实际生产中，往往要求生产机械的运动部件实现正反转两个方向的运动，如电梯的升降和电梯门的开关、起重机的升降和抓紧放松重物等，这都要求电动机正反转。由电动机原理可知，只要改变电动机外接三相电源的相序即可改变电动机的旋转方向。因此，可借助接触器来改变电动机外接三相电源的相序来实现电动机正反向的切换工作。[1]在传统的电气控制技术领域，采用交流接触器和复合开关按钮双重互锁实现对三相异步电动机的正转与反转的控制是最原始的控制方法。由于接触器和按钮控制在接线中非常繁琐复杂，虽然直观，但相对比较落后。传统的三相异步电动机一般用继电一楼触器控制系统。但继电接触器控制系统硬件结构复杂。系统的可靠性低，并且一旦控制功能改变，整个硬件控制线路都需要改变,给应用带来了不变。PLC控制三相异步电动机。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。[2]以PLC为控制核心的异步电机控制系统通常可用于获得更好的性能控制结果。然而，现有一些控制系统仍然相对复杂，并且现实中实现控制效果操作相对复杂。此外，存在操作不方便的问题，导致人与设备之间的交互性不强，还需要不断加以改进。所以当下对基于PLC的异步电机控制系统进行研究和改进非常必要。本文以三相异步电动机为控制对象，引入PLC控制技术，分析并设计出了凭借PLC为核心的电机正反转控制系统。文章从不同的角度详细阐述了此系统的开发历程以及所用的技术、设备等，并且借助相关理论知识评估了系统的各方面性能。一、电动机概述——以三相异步电动机为例（一）三相异步电动机的结构基础它的结构类似于单相电动机。不同的是，三相电机的定子由三组完全对称的绕组组成，绕组嵌入在定子铁芯槽中，在空间分布上错开120度。三个绕组可以以Y形或△形形式连接。如果三相对称电流（即三相电流为120°），在不同的定子绕组中，定子与转子之间的气隙中产生旋转磁场，通过电磁感应导致转子产生电磁转矩。[3]图1三相鼠笼式异步电动机的结构组成1.三相异步电机定子定子顾名思义它是固定不动的，它是由三个主要部件构成的，分别是定子铁心、经线圈绕制成的定子绕组、用于固定的基底。1）定子铁心：定子铁心也属于电机磁路的一种，通过铁心片的内槽来内嵌定子绕组。为降低铁心中的损耗，通常所采用的铁心是由足够数量的硅钢片经过叠装工艺处理得到的，并在其表面涂加一层绝缘材料，在经过铁心片里面的空槽来嵌入定子进行绕组。2）定子绕组：它的工作原理是将定子铁心空槽里的嵌入的线圈按一定的规律和方式连接在一起的，在通入三相对称交流电的过程中生成一个理想的旋转磁场。3）机座：它的主要作用是将定子绕组和定子铁心固定住，同时为体内的转子提供支撑作用，并对整个电机起到保护的作用。2.三相异步电机转子转子作为电动机的核心部件，是电动机内的唯一转动零件，它的基本结构和定子很相似，核心部件也是有三个部分组成：转子铁心、转子绕组以及起散热作用的风扇。1）转子铁心：作为电机磁路的另一种铁心，同时由铁心片的内部空槽经过嵌入金属导线来连接转子绕组的。与上面介绍的定子铁心一样，它也由足够数量的涂有绝缘材料的硅钢片为材料经过叠装的工艺制得到的。2）转子绕组：在转子中形成的旋转磁场中，转子在不断的转动过程中会不断地切割旋转磁场，故而能够产生所需的感应电流，也就是电动势，由此也就产生了电磁力矩，这就是电机转起来的原因。（3）风扇：用于冷却电动机。（二）三相异步电动机的工作原理当动力电也就是三相电源通过三相定子绕组后，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也就孕育而生了，旋转磁场一直旋转，其转速为n1，转子最初是静止的，因此转子就会切割定子绕组的旋转磁场而产生感应电动势。短路环起到连接转子两端的作用，在切割旋转磁场的过程中产生感应电动势的作用下，转子作为导体将会在电动势的作用下产生感应电流，感应电流的方向和旋转磁场中产生的感应电动势一致。转子在定子磁场中作用下，载流导体会受到电磁力的作用，这样就会使转子轴产生的电磁矩作用于转子，以此来带动转子旋转，旋转的方向和最先产生的旋转磁场的旋转方向是相同的。[4]图2三相异步电动机的机械特性曲线将电动机接入三相动力电源后，会使电动机里的定子产生一个方向固定的旋转磁场，转子绕组在转子轴带动下做切割旋转磁场运动，这一过程的结果就是在转子绕组中产生了感应电流，定子旋转磁场作用于转子的载流导体从而再产生一个电磁力，这将会在电动机转轴上产生电磁转矩，电动机由此获得动力老是旋转。而且电动机在之后的转动过程中其转动的方向固定不变和旋转磁场的方向保持一致。（三）三相异步电动机如何实现正反转三相异步电动机正反转控制，利用倒顺开关可以改变电源相序来实现电动机的手动正反转控制。如下图1。操作倒顺开关QS，当手柄处于“停”位置时，QS动、静触头不接触，电路不通，电动机不转。当手柄扳至“顺”位置时，QS动触头和左边的静触头接触，电路按L1—U、L2—V、L3—W接通。输入电动机定子绕组的电源电压相序为：L1—L2—L3，电动机正转；当手柄扳至“倒”位置时，QS动触头和右边的静触头接触，电路按L1—W、L2—V、L3—U接通。输入电动机定子绕组的电源相序为：L3—L2—L1，电动机反转。（1—静触头；2—动触头）图3三相异步电动机开关正反转控制线路二、PLC基础的知识（一）PLC简介一般来说，PLC的整体结构主要分为三个部分，输入、输出以及控制部分，其中控制部分主要包括CPU、存储器以及电源。具体的内部结构如图2.1所示。图4PLC内部结构（1）中央处理器CPU中央处理器相当于人的大脑，CPU能够接收输入单元的信号，并对其进行计算和处理，以实现输入和输出的协调协调。在PLC系统的运行过程中，适当的计算和逻辑运算可以在很大程度上增加运算效率。（2）存储器控制器和CPU一样，也是整个系统的必要组成部分之一。一般来说存储器的存储空间主要分为RAM和ROM，两者分别对应程序随机运行所占用的空间以及数据存储的空间。（3）输入输出单元输入输出单元根基不同的使用场景存在一定的区别，具体的沟通的方式和三极管很相似，源极和漏极输入如图2.2所示。图5PLC漏形输入和源形输入接线（4）电源部分电源是PLC系统的启动部分，一般来说电源通过直流电源的高低电平对整个系统的开关进行开闭的控制，此外需要注意的是PLC的稳定运行需要保证稳定的直流电流。（二）继电器与PLC控制的区别继电器控制系统由继电器、接触器和热电偶等电气元件组成，其主要作用是实施起动，电动机停车、制动、反转和调速；实施同一电气设备的远程控制、集中控制和多点远程控制；实现电动机和电气设备的自动保护。继电器控制系统简单，易于维护，易于调整，人员也易于掌握，同时系统更加灵活，同时该系统灵活性较大，对不同类型、不同容量的电动机都有适合的继电器控制系统。而PLC控制器直接代替自然继电接触器控制系统，大大降低了系统控制的能力和成本。PLC控制器采集输入设备信号，通过控制器PLC程序进行逻辑处理，输出到输出设备，然后控制启动，电动机停止和其他动作。PLC控制系统大大提高了控制系统的灵活性，在需要改变电机控制模式时，只需修改PLC控制器程序。继电器控制系统的电动机启动方式较为传统，在PLC控制器尚未在更大范围内使用时，属于较为传统的系统，对比继电器控制，PLC控制取代了物理连接以实现逻辑控制的继电器接触器，并且PLC程序易于修改。[5]三、接触器控制三相异步电动机正反转（一）三相异步电机正反转的接触器控制1.接触器控制三相异步电动机正反转工作原理在将对称三相交流电接入到三相定子绕组中后，会形成旋转磁场。磁场会按照相应转速进行旋转，而转子导体在开始时处于静止状态，所以转子导体会对定子旋转磁场展开切割，并生成相应感应电动势。同时，导子导体两端和短路处于环短接状态，因为受到感应电动势影响，转子导体内部会产生和电动势方向相同的感生电流，而转子载流导体也会在定子磁场中受到电磁力的影响。在电磁力作用下，转子轴会产生一定电磁转矩，会对转子形成驱动，使其沿旋转磁场方向进行旋转。由此可见电动机正反转的工作基本原理为：在电动机三相定子绕组接入三相对称交流电之后，会形成旋转磁场并会对转子绕组展开切割，能够在转子绕组中形成一定量感应电流。载流转子导体会在定子旋转磁场影响下，产生电磁力，会使电机转轴中出现电磁转矩，对电动机形成驱动，电机会按照磁场方向进行正向或者反向旋转。2.接触器控制三相异步电动机正反转工作过程正转控制：按SB2正旋转按钮→接触器KM1线圈导通→KM1主触点闭合，KM1接触器闭合→电动机正转。同时，KM1锁定触点与KM2断开连接。反转控制：按SB3反转按钮→接触器KM2线圈导通→KM2主触点闭合、KM2接触器闭合→电动机反转。同时，KM2触头断开，对KM1联锁。停止控制：按SB1停止按钮，断开KM2线圈，断开KM2主触点，断开KM2触点，停止电机反转。KM1闭合，以准备正面转向。图6接触器控制正反转线路由以上工作原理分析知道，要改变电动机的转向时，必须先按下停止按钮，解除联锁后，再按下反转按钮，才能使电动机反转。（二）接触器控制三相异步电动机正反转的不足接触器控制系统简单，易于维护，易于调整，人员也易于掌握，同时，对于不同类型和容量的电机都具有相匹配的接触器控制系统。然而，目前使用的接触器控制系统启动方式，由接触器与实物接线控制，灵活性较差，占地空间较大。一旦出现事故，会出现维修费用高、维修时间长等问题，需要重新安装电机才能回复运行。四、三相异步电动机的PLC控制（一）三相异步电动机的正反转PLC控制常用的PLC控制器有西门子200系列、三菱FX系列、富士康400系列、等控制器。以三菱FX系列可编程控制器FX1N-60MR-001为例，电机的启动按钮和停止按钮分别与PLC控制器的数字输入端连接。在从可编程逻辑控制器接收“启动”按钮信号后，可编程逻辑控制器判断电动机是否启动。（1）启动按钮是否按下？（2）是否有急停信号？（3）电动机是否有故障？在满足起动条件时，电动机起动。当按下“停止”按钮时，信号输入可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器接收电机停止控制信号。当电机处于工作状态时，会出现过流、过载、过热、断相、断相、两相粘连等故障，可编程逻辑控制器将停止电机控制。图7PLC控制系统框图（二）PLC控制电动机正反转互锁设计1.PLC控制电动机正反转电路的主接线图而采用PLC控制不仅安全可靠、维护方便，随着生产要求、生产工艺、生产环境等发生改变，也能通过扩展接口和修改程序来满足新的控制要求。系统的PLC控制线路图如下图8所示。图8系统的PLC控制线路图2.PLC控制三相异步电动机正反转的梯形图根据控制要求设计了PLC控制系统梯形图见图9。图9异步电动机的PLC控制系统梯形图图9中，左母线的第一梯级和第二梯级中的X000、X001均为PLC外部SB1、SB2按钮所控制的常开触点，只要外部按钮动作使相应的X000或X001闭合，通过相应线路，使输出继电器Y004或Y005线圈中的一个吸合，由于输出继电器线圈闭合，使并接于第一和第二梯级中的常开触点Y004或Y005中的一个闭合实现自锁，同时接于输出继电器外部通过热保护继电器带动的电动机正转（或反转）运行。电动机停止由外部的SB3按钮控制，使串于第一和第二梯级中的常闭接点X002软触点释放，输出继电器断电释放，使电动机停止运行。过热保护则由外部的FR驱动，硬件断开使电动机停转。而串接于第一和第二梯级中的常闭接点Y005和Y004的作用，是保证在电机正转时反转回路被切断，同理电机反转时正转回路被切断使它们只能处于一种状态下运行，其实质是软触点实现接触器互锁。但由于PLC运行速度极快，在正反转控制状态下，仅使用软触点互锁工作不可靠，需要外加硬件互锁，避免短路。3.PLC控制电动机正反转电路分析在生产过程中，往往要求电动机能够实现正反两个方向的转动，如起重机吊钩的上升与下降，机床工作台的前进与后退等等。由电动机原理可知，只要把电动机的三相电源进线中的任意两相对调，就可改变电动机的转向。因此正反转控制电路实质上是两个方向相反的单向运行电路，为了避免误动作引起电源相间短路，必须在这两个相反方向的单向运行电路中加设必要的互锁。按照电动机可逆运行操作顺序的不同，就有了“正—停—反”和“正—反—停”两种控制电路。图10PLC扫描过程三相异步电动机正反转电路主电路原理图如图10所示。其中KM1、KM2为交流接触器主触头，假设KM1吸合、KM2断开实现电机正转；断开KM1、吸合KM2即实现电机反转。FU1起短路保护作用。图11三相异步电动机正反转电路主电路通过有序的进行任意两相电路的调换，完成对电动机工作方向的改变，在进行电路正反方向的控制过程中，往往会由于错误的操作，造成电源的短路，通过增加互锁机制，能够很好的解决上述问题。通过调整电路中任意两相的方向，实现电动机“正-停-反”以及“正-反-停”的两种不同工作模式的切换。第一：接通SB2，输入继电器0001动合触点关闭，输出继电器0500线圈闭合并且完成自锁，接触器KM1主触点完成闭合，三相异步电动机M开始正向工作。第二：接通SB1，输入继电器0000关闭，输出继电器0500线圈断开电源，KM1主触点断电，三相异步电动机M断开电源停止正向工作。第三：接通SB3，0002动合接通，0501线圈闭合并且完成电路自锁，KM2主触接通闭合，三相异步电动机M开始接通电源并且方向工作。4.PLC的I/O分配为了编制、阅读程序方便，这里给出I/O地址分配表1和PLC外部接线图12。表1I/O地址分配表输入地址分配（I）输出地址分配（O）元件名称PLC输入继电器元件名称PLC输出继电器正转启动按钮SB1X0正转输出KM1Y4反转启动按钮SB2X1反转输出KM2Y5停止按钮SB3X2图12PLC外部接线图（三）三相异步电机使用PLC控制优点PLC主要由节点、I/O接口、网络、外部设备接口等组成，执行任务按顺序扫描，连续循环。与传统继电控制相比，PLC在系统控制方面具有更大的灵活性、可靠性和功能性。对