【PLC在電動機基本控制線路中的應(yīng)用研究6900字（論文）】

PLC在電動機基本控制線路中的應(yīng)用研究目錄TOC\o"1-3"\h\u24092摘要 I摘要近年來，在科技創(chuàng)新的作用下，PLC憑借自身優(yōu)勢作用的發(fā)揮，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)自動化控制中。文章圍繞基于PLC的三相異步電機控制系統(tǒng)展開研究，以三相鼠籠式異步電動機為例，通過分析接觸器控制三相異步電機正反轉(zhuǎn)原理與PLC控制三相異步電機正反原理進行分析，明晰基于PLC三相異步電機控制方式的優(yōu)勢，并對基于PLC的三相異步電機控制系統(tǒng)進行了簡要的設(shè)計，通過實際案例分析對PLC在三相異步電動機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供更多借鑒。關(guān)鍵詞：異步電機；PLC；接觸器；控制系統(tǒng)引言隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動控制裝置具有越來越深入各種應(yīng)用領(lǐng)域。由于環(huán)保和清潔的優(yōu)勢，電力在社會的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，也導致人們對電機的需求也不斷加大。因此，一旦電機裝置出現(xiàn)問題、損壞所影響人們的生活問題甚至導致工廠停工所造成的經(jīng)濟損失非常巨大。需要在電機出現(xiàn)問題時采取相應(yīng)的措施，減少經(jīng)濟損失，提高經(jīng)濟效益。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)的進步和電子技術(shù)的發(fā)展，異步電機的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，但對于異步電機的精度和控制方面的也有了更進一步的需求。在實際生產(chǎn)中，往往要求生產(chǎn)機械的運動部件實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)兩個方向的運動，如電梯的升降和電梯門的開關(guān)、起重機的升降和抓緊放松重物等，這都要求電動機正反轉(zhuǎn)。由電動機原理可知，只要改變電動機外接三相電源的相序即可改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向。因此，可借助接觸器來改變電動機外接三相電源的相序來實現(xiàn)電動機正反向的切換工作。[1]在傳統(tǒng)的電氣控制技術(shù)領(lǐng)域，采用交流接觸器和復合開關(guān)按鈕雙重互鎖實現(xiàn)對三相異步電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的控制是最原始的控制方法。由于接觸器和按鈕控制在接線中非常繁瑣復雜，雖然直觀，但相對比較落后。傳統(tǒng)的三相異步電動機一般用繼電一樓觸器控制系統(tǒng)。但繼電接觸器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復雜。系統(tǒng)的可靠性低，并且一旦控制功能改變，整個硬件控制線路都需要改變,給應(yīng)用帶來了不變。PLC控制三相異步電動機。與傳統(tǒng)的繼電器控制相比,具有控制速度快、可靠性高、靈活性強。[2]以PLC為控制核心的異步電機控制系統(tǒng)通?？捎糜讷@得更好的性能控制結(jié)果。然而，現(xiàn)有一些控制系統(tǒng)仍然相對復雜，并且現(xiàn)實中實現(xiàn)控制效果操作相對復雜。此外，存在操作不方便的問題，導致人與設(shè)備之間的交互性不強，還需要不斷加以改進。所以當下對基于PLC的異步電機控制系統(tǒng)進行研究和改進非常必要。本文以三相異步電動機為控制對象，引入PLC控制技術(shù)，分析并設(shè)計出了憑借PLC為核心的電機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。文章從不同的角度詳細闡述了此系統(tǒng)的開發(fā)歷程以及所用的技術(shù)、設(shè)備等，并且借助相關(guān)理論知識評估了系統(tǒng)的各方面性能。一、電動機概述——以三相異步電動機為例（一）三相異步電動機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)它的結(jié)構(gòu)類似于單相電動機。不同的是，三相電機的定子由三組完全對稱的繞組組成，繞組嵌入在定子鐵芯槽中，在空間分布上錯開120度。三個繞組可以以Y形或△形形式連接。如果三相對稱電流（即三相電流為120°），在不同的定子繞組中，定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通過電磁感應(yīng)導致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。[3]圖1三相鼠籠式異步電動機的結(jié)構(gòu)組成1.三相異步電機定子定子顧名思義它是固定不動的，它是由三個主要部件構(gòu)成的，分別是定子鐵心、經(jīng)線圈繞制成的定子繞組、用于固定的基底。1）定子鐵心：定子鐵心也屬于電機磁路的一種，通過鐵心片的內(nèi)槽來內(nèi)嵌定子繞組。為降低鐵心中的損耗，通常所采用的鐵心是由足夠數(shù)量的硅鋼片經(jīng)過疊裝工藝處理得到的，并在其表面涂加一層絕緣材料，在經(jīng)過鐵心片里面的空槽來嵌入定子進行繞組。2）定子繞組：它的工作原理是將定子鐵心空槽里的嵌入的線圈按一定的規(guī)律和方式連接在一起的，在通入三相對稱交流電的過程中生成一個理想的旋轉(zhuǎn)磁場。3）機座：它的主要作用是將定子繞組和定子鐵心固定住，同時為體內(nèi)的轉(zhuǎn)子提供支撐作用，并對整個電機起到保護的作用。2.三相異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子作為電動機的核心部件，是電動機內(nèi)的唯一轉(zhuǎn)動零件，它的基本結(jié)構(gòu)和定子很相似，核心部件也是有三個部分組成：轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組以及起散熱作用的風扇。1）轉(zhuǎn)子鐵心：作為電機磁路的另一種鐵心，同時由鐵心片的內(nèi)部空槽經(jīng)過嵌入金屬導線來連接轉(zhuǎn)子繞組的。與上面介紹的定子鐵心一樣，它也由足夠數(shù)量的涂有絕緣材料的硅鋼片為材料經(jīng)過疊裝的工藝制得到的。2）轉(zhuǎn)子繞組：在轉(zhuǎn)子中形成的旋轉(zhuǎn)磁場中，轉(zhuǎn)子在不斷的轉(zhuǎn)動過程中會不斷地切割旋轉(zhuǎn)磁場，故而能夠產(chǎn)生所需的感應(yīng)電流，也就是電動勢，由此也就產(chǎn)生了電磁力矩，這就是電機轉(zhuǎn)起來的原因。（3）風扇：用于冷卻電動機。（二）三相異步電動機的工作原理當動力電也就是三相電源通過三相定子繞組后，一個以同步轉(zhuǎn)速n1沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場也就孕育而生了，旋轉(zhuǎn)磁場一直旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為n1，轉(zhuǎn)子最初是靜止的，因此轉(zhuǎn)子就會切割定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。短路環(huán)起到連接轉(zhuǎn)子兩端的作用，在切割旋轉(zhuǎn)磁場的過程中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子作為導體將會在電動勢的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的方向和旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一致。轉(zhuǎn)子在定子磁場中作用下，載流導體會受到電磁力的作用，這樣就會使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生的電磁矩作用于轉(zhuǎn)子，以此來帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的方向和最先產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是相同的。[4]圖2三相異步電動機的機械特性曲線將電動機接入三相動力電源后，會使電動機里的定子產(chǎn)生一個方向固定的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組在轉(zhuǎn)子軸帶動下做切割旋轉(zhuǎn)磁場運動，這一過程的結(jié)果就是在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，定子旋轉(zhuǎn)磁場作用于轉(zhuǎn)子的載流導體從而再產(chǎn)生一個電磁力，這將會在電動機轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電動機由此獲得動力老是旋轉(zhuǎn)。而且電動機在之后的轉(zhuǎn)動過程中其轉(zhuǎn)動的方向固定不變和旋轉(zhuǎn)磁場的方向保持一致。（三）三相異步電動機如何實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制，利用倒順開關(guān)可以改變電源相序來實現(xiàn)電動機的手動正反轉(zhuǎn)控制。如下圖1。操作倒順開關(guān)QS，當手柄處于“停”位置時，QS動、靜觸頭不接觸，電路不通，電動機不轉(zhuǎn)。當手柄扳至“順”位置時，QS動觸頭和左邊的靜觸頭接觸，電路按L1—U、L2—V、L3—W接通。輸入電動機定子繞組的電源電壓相序為：L1—L2—L3，電動機正轉(zhuǎn)；當手柄扳至“倒”位置時，QS動觸頭和右邊的靜觸頭接觸，電路按L1—W、L2—V、L3—U接通。輸入電動機定子繞組的電源相序為：L3—L2—L1，電動機反轉(zhuǎn)。（1—靜觸頭；2—動觸頭）圖3三相異步電動機開關(guān)正反轉(zhuǎn)控制線路二、PLC基礎(chǔ)的知識（一）PLC簡介一般來說，PLC的整體結(jié)構(gòu)主要分為三個部分，輸入、輸出以及控制部分，其中控制部分主要包括CPU、存儲器以及電源。具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖4PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）中央處理器CPU中央處理器相當于人的大腦，CPU能夠接收輸入單元的信號，并對其進行計算和處理，以實現(xiàn)輸入和輸出的協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)。在PLC系統(tǒng)的運行過程中，適當?shù)挠嬎愫瓦壿嬤\算可以在很大程度上增加運算效率。（2）存儲器控制器和CPU一樣，也是整個系統(tǒng)的必要組成部分之一。一般來說存儲器的存儲空間主要分為RAM和ROM，兩者分別對應(yīng)程序隨機運行所占用的空間以及數(shù)據(jù)存儲的空間。（3）輸入輸出單元輸入輸出單元根基不同的使用場景存在一定的區(qū)別，具體的溝通的方式和三極管很相似，源極和漏極輸入如圖2.2所示。圖5PLC漏形輸入和源形輸入接線（4）電源部分電源是PLC系統(tǒng)的啟動部分，一般來說電源通過直流電源的高低電平對整個系統(tǒng)的開關(guān)進行開閉的控制，此外需要注意的是PLC的穩(wěn)定運行需要保證穩(wěn)定的直流電流。（二）繼電器與PLC控制的區(qū)別繼電器控制系統(tǒng)由繼電器、接觸器和熱電偶等電氣元件組成，其主要作用是實施起動，電動機停車、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速；實施同一電氣設(shè)備的遠程控制、集中控制和多點遠程控制；實現(xiàn)電動機和電氣設(shè)備的自動保護。繼電器控制系統(tǒng)簡單，易于維護，易于調(diào)整，人員也易于掌握，同時系統(tǒng)更加靈活，同時該系統(tǒng)靈活性較大，對不同類型、不同容量的電動機都有適合的繼電器控制系統(tǒng)。而PLC控制器直接代替自然繼電接觸器控制系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)控制的能力和成本。PLC控制器采集輸入設(shè)備信號，通過控制器PLC程序進行邏輯處理，輸出到輸出設(shè)備，然后控制啟動，電動機停止和其他動作。PLC控制系統(tǒng)大大提高了控制系統(tǒng)的靈活性，在需要改變電機控制模式時，只需修改PLC控制器程序。繼電器控制系統(tǒng)的電動機啟動方式較為傳統(tǒng)，在PLC控制器尚未在更大范圍內(nèi)使用時，屬于較為傳統(tǒng)的系統(tǒng)，對比繼電器控制，PLC控制取代了物理連接以實現(xiàn)邏輯控制的繼電器接觸器，并且PLC程序易于修改。[5]三、接觸器控制三相異步電動機正反轉(zhuǎn)（一）三相異步電機正反轉(zhuǎn)的接觸器控制1.接觸器控制三相異步電動機正反轉(zhuǎn)工作原理在將對稱三相交流電接入到三相定子繞組中后，會形成旋轉(zhuǎn)磁場。磁場會按照相應(yīng)轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子導體在開始時處于靜止狀態(tài)，所以轉(zhuǎn)子導體會對定子旋轉(zhuǎn)磁場展開切割，并生成相應(yīng)感應(yīng)電動勢。同時，導子導體兩端和短路處于環(huán)短接狀態(tài)，因為受到感應(yīng)電動勢影響，轉(zhuǎn)子導體內(nèi)部會產(chǎn)生和電動勢方向相同的感生電流，而轉(zhuǎn)子載流導體也會在定子磁場中受到電磁力的影響。在電磁力作用下，轉(zhuǎn)子軸會產(chǎn)生一定電磁轉(zhuǎn)矩，會對轉(zhuǎn)子形成驅(qū)動，使其沿旋轉(zhuǎn)磁場方向進行旋轉(zhuǎn)。由此可見電動機正反轉(zhuǎn)的工作基本原理為：在電動機三相定子繞組接入三相對稱交流電之后，會形成旋轉(zhuǎn)磁場并會對轉(zhuǎn)子繞組展開切割，能夠在轉(zhuǎn)子繞組中形成一定量感應(yīng)電流。載流轉(zhuǎn)子導體會在定子旋轉(zhuǎn)磁場影響下，產(chǎn)生電磁力，會使電機轉(zhuǎn)軸中出現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩，對電動機形成驅(qū)動，電機會按照磁場方向進行正向或者反向旋轉(zhuǎn)。2.接觸器控制三相異步電動機正反轉(zhuǎn)工作過程正轉(zhuǎn)控制：按SB2正旋轉(zhuǎn)按鈕→接觸器KM1線圈導通→KM1主觸點閉合，KM1接觸器閉合→電動機正轉(zhuǎn)。同時，KM1鎖定觸點與KM2斷開連接。反轉(zhuǎn)控制：按SB3反轉(zhuǎn)按鈕→接觸器KM2線圈導通→KM2主觸點閉合、KM2接觸器閉合→電動機反轉(zhuǎn)。同時，KM2觸頭斷開，對KM1聯(lián)鎖。停止控制：按SB1停止按鈕，斷開KM2線圈，斷開KM2主觸點，斷開KM2觸點，停止電機反轉(zhuǎn)。KM1閉合，以準備正面轉(zhuǎn)向。圖6接觸器控制正反轉(zhuǎn)線路由以上工作原理分析知道，要改變電動機的轉(zhuǎn)向時，必須先按下停止按鈕，解除聯(lián)鎖后，再按下反轉(zhuǎn)按鈕，才能使電動機反轉(zhuǎn)。（二）接觸器控制三相異步電動機正反轉(zhuǎn)的不足接觸器控制系統(tǒng)簡單，易于維護，易于調(diào)整，人員也易于掌握，同時，對于不同類型和容量的電機都具有相匹配的接觸器控制系統(tǒng)。然而，目前使用的接觸器控制系統(tǒng)啟動方式，由接觸器與實物接線控制，靈活性較差，占地空間較大。一旦出現(xiàn)事故，會出現(xiàn)維修費用高、維修時間長等問題，需要重新安裝電機才能回復運行。四、三相異步電動機的PLC控制（一）三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)PLC控制常用的PLC控制器有西門子200系列、三菱FX系列、富士康400系列、等控制器。以三菱FX系列可編程控制器FX1N-60MR-001為例，電機的啟動按鈕和停止按鈕分別與PLC控制器的數(shù)字輸入端連接。在從可編程邏輯控制器接收“啟動”按鈕信號后，可編程邏輯控制器判斷電動機是否啟動。（1）啟動按鈕是否按下？（2）是否有急停信號？（3）電動機是否有故障？在滿足起動條件時，電動機起動。當按下“停止”按鈕時，信號輸入可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器接收電機停止控制信號。當電機處于工作狀態(tài)時，會出現(xiàn)過流、過載、過熱、斷相、斷相、兩相粘連等故障，可編程邏輯控制器將停止電機控制。圖7PLC控制系統(tǒng)框圖（二）PLC控制電動機正反轉(zhuǎn)互鎖設(shè)計1.PLC控制電動機正反轉(zhuǎn)電路的主接線圖而采用PLC控制不僅安全可靠、維護方便，隨著生產(chǎn)要求、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)環(huán)境等發(fā)生改變，也能通過擴展接口和修改程序來滿足新的控制要求。系統(tǒng)的PLC控制線路圖如下圖8所示。圖8系統(tǒng)的PLC控制線路圖2.PLC控制三相異步電動機正反轉(zhuǎn)的梯形圖根據(jù)控制要求設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)梯形圖見圖9。圖9異步電動機的PLC控制系統(tǒng)梯形圖圖9中，左母線的第一梯級和第二梯級中的X000、X001均為PLC外部SB1、SB2按鈕所控制的常開觸點，只要外部按鈕動作使相應(yīng)的X000或X001閉合，通過相應(yīng)線路，使輸出繼電器Y004或Y005線圈中的一個吸合，由于輸出繼電器線圈閉合，使并接于第一和第二梯級中的常開觸點Y004或Y005中的一個閉合實現(xiàn)自鎖，同時接于輸出繼電器外部通過熱保護繼電器帶動的電動機正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）運行。電動機停止由外部的SB3按鈕控制，使串于第一和第二梯級中的常閉接點X002軟觸點釋放，輸出繼電器斷電釋放，使電動機停止運行。過熱保護則由外部的FR驅(qū)動，硬件斷開使電動機停轉(zhuǎn)。而串接于第一和第二梯級中的常閉接點Y005和Y004的作用，是保證在電機正轉(zhuǎn)時反轉(zhuǎn)回路被切斷，同理電機反轉(zhuǎn)時正轉(zhuǎn)回路被切斷使它們只能處于一種狀態(tài)下運行，其實質(zhì)是軟觸點實現(xiàn)接觸器互鎖。但由于PLC運行速度極快，在正反轉(zhuǎn)控制狀態(tài)下，僅使用軟觸點互鎖工作不可靠，需要外加硬件互鎖，避免短路。3.PLC控制電動機正反轉(zhuǎn)電路分析在生產(chǎn)過程中，往往要求電動機能夠?qū)崿F(xiàn)正反兩個方向的轉(zhuǎn)動，如起重機吊鉤的上升與下降，機床工作臺的前進與后退等等。由電動機原理可知，只要把電動機的三相電源進線中的任意兩相對調(diào)，就可改變電動機的轉(zhuǎn)向。因此正反轉(zhuǎn)控制電路實質(zhì)上是兩個方向相反的單向運行電路，為了避免誤動作引起電源相間短路，必須在這兩個相反方向的單向運行電路中加設(shè)必要的互鎖。按照電動機可逆運行操作順序的不同，就有了“正—停—反”和“正—反—?！眱煞N控制電路。圖10PLC掃描過程三相異步電動機正反轉(zhuǎn)電路主電路原理圖如圖10所示。其中KM1、KM2為交流接觸器主觸頭，假設(shè)KM1吸合、KM2斷開實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)；斷開KM1、吸合KM2即實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。FU1起短路保護作用。圖11三相異步電動機正反轉(zhuǎn)電路主電路通過有序的進行任意兩相電路的調(diào)換，完成對電動機工作方向的改變，在進行電路正反方向的控制過程中，往往會由于錯誤的操作，造成電源的短路，通過增加互鎖機制，能夠很好的解決上述問題。通過調(diào)整電路中任意兩相的方向，實現(xiàn)電動機“正-停-反”以及“正-反-停”的兩種不同工作模式的切換。第一：接通SB2，輸入繼電器0001動合觸點關(guān)閉，輸出繼電器0500線圈閉合并且完成自鎖，接觸器KM1主觸點完成閉合，三相異步電動機M開始正向工作。第二：接通SB1，輸入繼電器0000關(guān)閉，輸出繼電器0500線圈斷開電源，KM1主觸點斷電，三相異步電動機M斷開電源停止正向工作。第三：接通SB3，0002動合接通，0501線圈閉合并且完成電路自鎖，KM2主觸接通閉合，三相異步電動機M開始接通電源并且方向工作。4.PLC的I/O分配為了編制、閱讀程序方便，這里給出I/O地址分配表1和PLC外部接線圖12。表1I/O地址分配表輸入地址分配（I）輸出地址分配（O）元件名稱PLC輸入繼電器元件名稱PLC輸出繼電器正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB1X0正轉(zhuǎn)輸出KM1Y4反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2X1反轉(zhuǎn)輸出KM2Y5停止按鈕SB3X2圖12PLC外部接線圖（三）三相異步電機使用PLC控制優(yōu)點PLC主要由節(jié)點、I/O接口、網(wǎng)絡(luò)、外部設(shè)備接口等組成，執(zhí)行任務(wù)按順序掃描，連續(xù)循環(huán)。與傳統(tǒng)繼電控制相比，PLC在系統(tǒng)控制方面具有更大的靈活性、可靠性和功能性。對