三相异步电动机的PLC控制——毕业论文

安安徽徽机机电电职职业业技技术术学学院院 毕毕 业业 论论 文文 三相异步电动机的三相异步电动机的 PLCPLC 控制控制 系 别 电气工程系 专 业 电机与电器 班 级 电机 姓 名 学 号 摘摘 要要 PLC 在三相异步电动机控制中的应用，与传统的继电器控制相比具有速度快， 可靠性高，灵活性强，功能完善等优点。长期以来，PLC 始终处于自动化领域的主 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 2 个三相异步电动机的 PLC 控制电路，分别是三相异步电动机的正 反转控制和两台电动机顺序起动联锁控制，与传统的继电器控制相比，具有控制速 度快、可靠性高、灵活性强等优点，可作为高校学生学习 PLC 的控制技术的参考， 也可作为工业电机的自动控制电路。 关键词：关键词：PLC; 三相异步电动机; 继电器 引引 言言 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。 目目 录录 目目 录录.错误！未定义书签。 第第一一章章 三三相相异异步步电电动动机机基基础础 . .1 1 1.1 三相异步电动机的基本结构 .1 1.2 三相异步电动机的工作原理 .3 1.3 三相异步电动机的几个工作过程的分 析.3 第第二二章章 P PL LC C 基基础础. .1 10 0 2.1 PLC的定义10 2.2 PLC与继电器控制的区别10 2.3 PLC的工作原理10 2.4 PLC的应用分类11 2.5可编程序控制器的编程语言概述 12 第第三三章章 三三相相异异步步电电动动机机的的P PL LC C 控控制制. .1 16 6 3.1 三相异步电机的正反转控制 16 3.2 两台电动机顺序起动联锁控制 17 3.3 三相异步电动机使用PLC控制优点.19 结结论论 . .2 20 0 参参考考文文献献 . .2 22 2 1 第一章第一章 三相异步电动机基础三相异步电动机基础 1.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由静止的定子和旋转的转子两个重要部分组成，定子和转子之 间由气隙分开。图 1-1 为三相异步电动机结构示意图。三相异步电动机的结构主要 由两个部分组成，一是固定不动的部分（简称定子），二是可以自由旋转的部分 （简称转子）。定子与转子之间有一个很小的气隙。此外，还有机座、端盖轴承、 接线盒、风扇等其他部分。 异步电动机根据转子的绕组的结构不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式异 步电动机的转子绕组本身自成闭合回路，整个转子形成一个坚实的整体，其结构简 单牢固、运行可靠、价格便宜，应用最为广泛，小型异步电动机绝大部分属于这类。 绕线式异步电动机的结构比鼠笼式复杂，但启动性能较好，需要时还可以调节电动 机的转速。三相鼠笼式异步电动机的结构。 (a) 外形图； (b) 内部结构图 图 1-1 三相异步电动机结构示意图 1.1.1 定子 定子由定子铁心、定子绕组、机座和端盖等组成。机座的主要作用是用来支撑 电机各部件，因此应有足够的机械强度和刚度，通常用铸铁制成。为了减少涡流和 磁滞损耗，定子铁心用 0.5 mm 厚涂有绝缘漆的硅钢片叠成，铁心内圆周上有许多均 匀分布的槽，槽内嵌放定子绕组，。 定子是用来产生旋转磁场的，主要由定子铁心、 定子绕组和机座等部分组成。鼠笼式和绕线式异步电动机的定子结构是完全一样的。 2 交流电机（包括异步机和同步机）其定子结构相同。*定子铁芯：是磁路的一部 分用 0.5mm 硅钢片迭成，且片间绝缘 *定子绕组：绝缘漆包线制成用于通三相交流电源定子铁芯槽内嵌放三相绕组 图 1-2 三相异步电动机的定子 1.1.2 转子 转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。转子铁心也用 0.5 mm 厚硅钢 片冲成转子冲片叠成圆柱形，压装在转轴上。其外围表面冲有凹槽，用以安放转子 绕组。按转子绕组形式不同，可分为绕线式和鼠笼式两种。转子是异步电动机的转 动部分，它在定子绕组旋转磁场的作用下获得一定的转矩而旋转，通过联轴器或皮 带轮带动其他机械设备做功。转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。 1.1.3 机座 机座是电动机的外壳和支架，它的作用是固定和保护定子铁心、定子绕组并支 撑端盖，所以要求机座具有足够的机械强度和刚度，能承受运输和运行过程中的各 种作用力。 中、小型异步电动机通常采用铸铁机座，定子铁心紧贴在机座的内壁，电动机 运行时铁心和绕组产生的热量主要通过机座表面散发到空气中去，因此，为了增加 散热面积，在机座表面装有散热片。 对大型异步电动机，一般采用钢板焊接机座，此时为了满足通风散热的要求， 机座内表面与铁心隔开适当距离，以形成空腔，作为冷却空气的通道。 3 1.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 图 1-3 为三相异步电动机工作原理示意图。为简单起见，图中用一对磁极来进 行分析。 三相定子绕组中通入交流电后，便在空间产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下， 转子将作切割磁力线的运动而在其两端产生感应电动势，感应电动势的方向可根据 右手螺旋法则来判断。由于转子本身为一闭合电路，所以在转子绕组中将产生感应 电流，称为转子电流，电流方向与电动势的方向一致，即上面流出，下面流进。 图 1-3 三相异步电动机工作原理图 转子电流在旋转磁场中受到电磁力的作用，其方向可由左手定则来判断，上面的 转子导条受到向右的力的作用，下面的转子导条受到向左的力的作用。电磁力对转 子的作用称为电磁转矩。在电磁转矩的作用下，转子就沿着顺时针方向转动起来， 显然转子的转动方向与旋转磁场的转动方向一致。 1.3 三相异步电动机的几个工作过程的分析三相异步电动机的几个工作过程的分析 1.3.1 三相异步电动机的起动 三相异步电动机接通电源，使电机的转子从静止状态到转子以一定速度稳定运行 的过程称为电动机的起动过程。起动方法有直接起动和降压起动两种。 1.直接起动 直接起动又称为全压起动，起动时，将电机的额定电压通过刀开关或 接触器直接接到电动机的定子绕组上进行起动。直接起动最简单，不需附加的起动 设备，起动时间短。只要电网容量允许，应尽量采用直接起动。但这种起动方法起 动电流大，一般只允许小功率的三相异步电动机进行直接起动；对大功率的三相异 步电动机，应采取降压起动，以限制起动电流。 2.降压起动 通过起动设备将电机的额定电压降低后加到电动机的定子绕组上，以 限制电机的起动电流，待电机的转速上升到稳定值时，再使定子绕组承受全压，从 而使电机在额定电压下稳定运行，这种起动方法称为降压起动。 前面讲过，起动转矩与电源电压的平方成正比，所以当定子端电压下降时，起动 4 转矩大大减小。这说明降压起动适用于起动转矩要求不高的场合，如果电机必须采 用降压起动，则应轻载或空载起动。常用的降压起动方法有下面三种。 (1) Y-降压起动 这种起动方法适用于电动机正常运行时接法为三角形的 三相异步电动机。电机起动时，定子绕组接成星形，起动完毕后，电动机切换为三 角形。 图 1-4 Y-降压起动控制线路 图 1-4 是一个 Y-降压起动控制线路，起动时，电源开关 QS 闭合，控制电路先 使得 KM2 闭合，电机星形起动，定子绕组由于采用了星形结构，其每相绕阻上承受 的电压比正常接法时下降了。当电机转速上升到稳定值时，控制电路再控制 KM1 闭 合，于是定子绕组换成三角形接法，电机开始稳定运行。定子绕组每相阻抗为|Z|， 电源电压为 U1，则采用连接直接起动时的线电流为 采用 Y 连接降压起动时， 每相绕组的线电流为 则 （1-5） 由式（1-5）可以看出，采用 Y-降压起动时，起动电流比直接起动时下降了 5 1/3。电磁转矩与电源电压的平方成正比，由于电源电压下降了，所以起动转矩也减 小了 1/3。 以上分析表明，这种起动方法确实使电动机的起动电流减小了，但起动转矩也 下降了，因此，这种起动方法是以牺牲起动转矩来减小起动电流的，只适用于允许 轻载或空载起动的场合。 (2)自耦变压器降压起动 这种起动方法是指起动时，定子绕组接三相自耦变压 器的低压输出端，起动完毕后，切掉自耦变压器并将定子绕组直接接上三相交流电 源，使电动机在额定电压下稳定运行。 1.3.2 三相异步电动机的制动 三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会慢 慢停下来, 但有些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进行制 动控制。电动机的制动方法可以分为两大类：机械制动和电气制动。机械制动一般 利用电磁抱闸的方法来实现；电气制动一般有能耗制动、反接制动和回馈发电制动 三种方法。 1.能耗制动 正常运行时，将 QS 闭合，电动机接三相交流电源起动运行。制动时， 将 QS 断开，切断交流电源的连接，并将直流电源引入电机的 V、W 两相，在电机内 部形成固定的磁场。电动机由于惯性仍然顺时针旋转，则转子绕阻作切割磁力线的 运动，依据右手螺旋法则，转子绕组中将产生感应电流。又根据左手定则可以判断， 电动机的转子将受到一个与其运动方向相反的电磁力的作用，由于该力矩与运动方 向相反，称为制动力矩，该力矩使得电动机很快停转。制动过程中，电动机的动能 全部转化成电能消耗在转子回路中，会引起电机发热，所以一般需要在制动回路串 联一个大电阻，以减小制动电流。这种制动方法的特点是制动平稳，冲击小，耗能 小，但需要直流电源，且制动时间较长，一般多用于起重提升设备及机床等生产机 械中。 2.反接制动 反接制动是指制动时，改变定子绕组任意两相的相序，使得电动机的 旋转磁场换向，反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用，产生一个与转子转 向相反的电磁转矩，迫使电动机的转速迅速下降，当转速接近零时，切断电机的电 源，如图 1-6 所示。显然反接制动比能耗制动所用的时间要短。 6 (a) 接线图； (b) 原理图 图 1-6 反接制动示意图 正常运行时，接通 KM1，电动机加顺序电源 UVW 起动运行。需要制动时， 接通 KM2， 从图可以看出，电动机的定子绕组接逆序电源 VUW，该电源产生一 个反向的旋转磁场，由于惯性，电动机仍然顺时针旋转，这时转子感应电流的方向 按右手螺旋法则可以判断，再根据左手定则判断转子的受力 F。显然，转子会受到 一个与其运动方向相反，而与新旋转磁场方向相同的制动力矩，使得电机的转速迅 速降低。当转速接近零时，应切断反接电源，否则，电动机会反方向起动。反接制 动的优点是制动时间短，操作简单，但反接制动时，由于形成了反向磁场，所以使 得转子的相对转速远大于同步转速，转差率大大增大，转子绕组中的感应电流很大， 能耗也较大。为限制电流，一般在制动回路中串入大电阻。另外，反接制动时，制 动转矩较大，会对生产机械造成一定的机械冲击，影响加工精度，通常用于一些频 繁正反转且功率小于 10 kW 的小型生产机械中。 回馈发电制动 回馈发电制动是指电动机转向不变的情况下，由于某种原因，使得 电动机的转速大于同步转速，比如在起重机械下放重物、电动机车下坡时，都会出 现这种情况，这时重物拖动转子，转速大于同步转速，转子相对于旋转磁场改变运 动方向，转子感应电动势及转子电流也反向，于是转子受到制动力矩，使得重物匀 速下降。此中电动机将势能转换为电能回馈给电过程网。 1.3.3 相异步电动机常见故障分析与处理 三相异步电动机应用广泛，但通过长期运行后，会发生各种故障，及时判断故障原 因，进行相应处理，是防止故障扩大，保证设备正常运行的一项重要的工作。 一、通电后电动机不能转动，但无异响，也无异味和冒烟。一、通电后电动机不能转动，但无异响，也无异味和冒烟。 7 1故障原因电源未通（至少两相未通）；熔丝熔断（至少两相熔断）；过 流继电器调得过小；控制设备接线错误。 2故障排除检查电源回路开关，熔丝、接线盒处是否有断点，修复；检查 熔丝型号、熔断原因，换新熔丝；调节继电器整定值与电动机配合；改正接线。 二、通电后电动机不转，然后熔丝烧断二、通电后电动机不转，然后熔丝烧断 1故障原因缺一相电源，或定干线圈一相反接；定子绕组相间短路；定子 绕组接地；定子绕组接线错误；熔丝截面过小；电源线短路或接地。 2. 故障排除检查刀闸是否有一相未合好，可电源回路有一相断线；消除反接故 障；查出短路点，予以修复；消除接地；查出误接，予以更正；更换熔丝； 消除接地点。 三、通电后电动机不转有嗡嗡声三、通电后电动机不转有嗡嗡声 l故障原因定、转子绕组有断路（一相断线）或电源一相失电；绕组引出线始 末端接错或绕组内部接反；电源回路接点松动，接触电阻大；电动机负载过大 或转子卡住；电源电压过低；小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬；轴承 卡住。 2. 故障排除查明断点予以修复；检查绕组极性；判断绕组末端是否正确； 紧固松动的接线螺丝，用万用表判断各接头是否假接，予以修复；减载或查出 并 消除机械故障，检查是还把规定的面接法误接为 Y；是否由于电源导线过细使压 降过大，予以纠正，重新装配使之灵活；更换合格油脂；修复轴承。 四、电动机起动困难，额定负载时，电动机转速低于额定转速较多 1故障原因电源电压过低；面接法电机误接为 Y；笼型转子开焊或断裂； 定转子局部线圈错接、接反；修复电机绕组时增加匝数过多；电机过载。 2故障排除测量电源电压，设法改善；纠正接法；检查开焊和断点并修复； 查出误接处，予以改正；恢复正确匝数；减载。 五、电动机运行时响声不正常，有异响五、电动机运行时响声不正常，有异响 8 1故障原因转子与定子绝缘纸或槽楔相擦；轴承磨损或油内有砂粒等异物； 定转子铁芯松动；轴承缺油；风道填塞或风扇擦风罩，定转子铁芯相擦； 电源电压过高或不平衡；定子绕组错接或短路。 2故障排除修剪绝缘，削低槽楔；更换轴承或清洗轴承；检修定、转子铁芯； 加油；清理风道；重新安装置；消除擦痕，必要时车内小转子；检查并调 整电源电压；消除定子绕组故障。 六、运行中电动机振动较大六、运行中电动机振动较大 1故障原因由于磨损轴承间隙过大；气隙不均匀；转子不平衡；转轴弯曲； 铁芯变形或松动；联轴器（皮带轮）中心未校正；风扇不平衡；机壳或基 础强度不够；电动机地脚螺丝松动；笼型转子开焊断路；绕线转子断路；加定 子绕组故障。 2故障排除检修轴承，必要时更换；调整气隙，使之均匀；校正转子动平衡； 校直转轴；校正重叠铁芯，重新校正，使之符合规定；检修风扇，校正平 衡，纠正其几何形状；进行加固；紧固地脚螺丝；修复转子绕组；修复定子 绕组。 七、轴承过热七、轴承过热 1故障原因滑脂过多或过少；油质不好含有杂质；轴承与轴颈或端盖配合不 当（过松或过紧）；轴承内孔偏心，与轴相擦；电动机端盖或轴承盖未装平； 电动机与负载间联轴器未校正，或皮带过紧；轴承间隙过大或过小；电动机 轴弯曲。 2故障排除按规定加润滑脂（容积的 1/3-2/3）；更换清洁的润滑滑脂；过 松可用粘结剂修复，过紧应车，磨轴颈或端盖内孔，使之适合；修理轴承盖，消 除擦点；重新装配；重新校正，调整皮带张力；更换新轴承；校正电机轴 或更换转子。 八、电动机过热甚至冒烟八、电动机过热甚至冒烟 1故障原因电源电压过高，使铁芯发热大大增加；电源电压过低，电动机又带 额定负载运行，电流过大使绕组发热；修理拆除绕组时，采用热拆 法不当，烧伤 铁芯；定转子铁芯相擦；电动机过载或频繁起动；笼型转子断条；电动机 缺相，两相运行；重绕后定于绕组浸漆不充分；环境温度高电动 机表面污垢多， 9 或通风道堵塞；电动机风扇故障，通风不良；定子绕组故障（相间、匝间短路； 定子绕组内部连接错误）。 2故障排除降低电源电压（如调整供电变压器分接 头），若是电机 Y、 接法错误引起，则应改正接法；提高电源电压或换粗供电 导线；检修铁 芯，排除故障；消除擦点（调整气隙或挫、车转子）；减载； 按规定次数控制起动；检查并消除转子绕组故障；恢复三相运行；采用二次 浸漆及真空浸漆 工艺；清洗电动机，改善环境温度，采用降温措施；检查并修 复风扇，必要时更换；检修定子绕组，消除故障。 10 第二章第二章 PLCPLC 基础基础 2.1 PLC 的定义的定义 可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计 的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制， 定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种 类型的机械或生产过程。 2.2 PLC 与继电器控制的区别与继电器控制的区别 1. 控制方式 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串 联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。 PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只 需改变程序即可，称软接线。 2. 控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫 秒级，机械触点有抖动现象。PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度 快，微秒级，严格同步，无抖动。 3. 延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间 继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC 用半导体集成电路作定 时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。 2.3 PLC 的工作原理的工作原理 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执 行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间， PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状 态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用 户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该 脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读 入。 11 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地 扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各 触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进 行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应 位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执 行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或 系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程 序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在 下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排 在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存 取 I/O 点。即使用 I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接 从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期 间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出 电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。 2.4 PLC 的应用分类的应用分类 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下 几类。 1. 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电 器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控 及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、 电镀流水线等。 2. 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、 液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量 （Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套 的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3. 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早 期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动 控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主 要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电 梯等场合。 12 4.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控 制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭 环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化 工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5. 数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据 传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用 通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系 统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工 业中的一些大型控制系统。 6.通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计 算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信 功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 2.5 可编程序控制器的编程语言概述可编程序控制器的编程语言概述 1.步、转换和动作是 SFC 中的三种主要元件。步是一种逻辑块，即对应于特定的控 制任务的编程逻辑；动作是控制任务的独立部分；转换是从一个任务到另一个任务 的原因。FX 系列 PLC 的输入继电器和输出继电器的元件号用八进制表示，八进制只 有 0-7 这 8 个数字符号，遵循“逢八进一”的运算规则。输入继电器是 PLC 接收外 部输入的开关量信号的窗口。PLC 通过光电耦合器，将外部信号的状态读入并存贮 在输入映象寄存器内，外部触点接通时对应的映象寄存器为“1”状态。输入端外接 的触点可以是常开的，也可以是常闭的，也可以是多个触点组成的串并联电路。在 梯形图中可以多次使用输入继电器的常开触点和常闭触点。输入继电器的状态唯一 地取决于外部输入信号的状态，不可能受用户程序的控制，因此在梯形图中绝对不 能出现输入继电器的线圈。本书用椭圆表示梯形图中的线圈 2.对于目前大多数 PLC 来说，SFC 还仅仅作为组织编程的工具使用，尚需要其它编 程语言将它转换为 PLC 的可执行的程序。因此，通常只是将 SFC 作为 PLC 的辅助编 程工具，而不是一种独立的编程语言。1.PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电 器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等。但是它们不是真实 的物理继电器，而是在软件中使用的编程元件。每一编程元件与 PLC 存贮器中元件 映象寄存器的一个存贮器的一个存贮单元相对应。该存贮单元如果为“1”状态，则 13 表示梯形图中对应编程元件的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开。我 们称这种状态是该编程元件的“1”状态，或该编程元件 ON（接通）。如果该贮存 单元为“0”状态，对应的编程元件的线圈和触点的状态与上述相反，称该编程元件 为“0”状态，或该编程元件 OFF（断开）。 3.为了增强 PLC 的数学运算、数据处理、图形显示、报表打印等功能，方便用户的 使用，许多在中型 PLC 都配备了 PASCAL、BASIC、C 等高级编程语言。 4.PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电 器、内部辅助继电器等。但是它们不是真实的物理继电器，而是在软件中使用的编 程元件。每一编程元件与 PLC 存贮器中元件映象寄存器的一个存贮器的一个存贮单 元相对应。该存贮单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应编程元件的线圈“通 电”，其常开触点接通，常闭触点断开。我们称这种状态是该编程元件的“1”状态， 或该编程元件 ON（接通）。如果该贮存单元为“0”状态，对应的编程元件的线圈 和触点的状态与上述相反，称该编程元件为“0”状态，或该编程元件 OFF（断开）。 5.组合机床的电气控制,理论上讲,可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控 制系统和 PLC 控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能 优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC 较适合组合机床的电气控制。PLC 与单片机、 继电器-接触器控制系统相比具有以下优点： 1PLC 与继电器-接触器相比较： 继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。 由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作速度慢， 可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统 更加逊色。PLC 等取代继电接触式控制逻辑。具体如下： (1) 控制逻辑 继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串联、并联、串 并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也 大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。 特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电 接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。 可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控 制逻辑是以程序的方式存储在 PLC 的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一 些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了， 而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此，PLC 的灵活性和扩展性强。 而且 PLC 是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。 14 (2) 控制速度 继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率低。 触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢， 还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。 而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通 常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于 PLC 内部有严格的同步，不会出 现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。 (3) 定时控制和计数控制： 继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。用时间继电 器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影 响。有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。而可编程程序控制器使用半导 体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时时间长， 定时范围广。 (4) 可靠性和维护性。 继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到 电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性 高。PLC 还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人 员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 总之，PLC 在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠 性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。 2PLC 与单片机比较 单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和 工业控制。但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以它与 PLC 比较起来有以下缺点： (1) 单片机不如 PLC 容易掌握 使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。这就要求 设计人员要有一定的计算机硬件和软件知识。对于那些只熟悉机电控制的技术人员 来说，需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。 而 PLC 采用了面向操作者的语言编程，如梯形图、状态转移图等，对于使用者 来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉 PLC 的简单指令系统 及操作方法，就可以使用和编程。 (2) 单片机不如 PLC 使用简单 使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如， 15 要考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方式 等。除了要进行控制程序的设计，还要在单片机的外围进行很多硬件和软件工作， 才能与控制现场连接起来，调试也较繁琐。 而 PLC 的输入/输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接连接， 非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。而且，在 输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入 PLC。 (3) 单片机不如 PLC 可靠 使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。 而 PLC 是专门用于工程现场环境中的自动控制，在设计和制造过程中采取了抗 干扰性措施，稳定性和可靠性较高。 通过上面的比较，针对组合机床的电气控制系统，虽然 PLC 的价格高一些，但 良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度，所以决定采用 PLC 控制系统来实现。 16 第三章第三章 三相异步电动机的三相异步电动机的 PLCPLC 控制控制 3.1 三相异步电机的正反转控制三相异步电机的正反转控制 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相运行电路，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 3-1 正反转继电器控制图 图 3-2 I/O 接线图 17 图 3-3 梯形图 PLC 控制的工作过程的分析： 按下 SB2，输入继电器 0001 动合触点闭合，输出继电器 0500 线圈接通并自锁， 接触器 KM1 主触点，动合辅助触点闭合，电动机 M 通电正转。 按下 SB1，输入继电器 0000 动断触点断开，输出继电器 0500 线圈失电，KM1 主 触点，动合辅助触点断开，电动机 M 断电停止正转 按下 SB3,0002 动合触点闭合,0501 线圈接通并自锁,KM2 主触点,动合辅助触点 闭合,电动机 M 通电反转 3.2 两台电动机顺序起动联锁控制两台电动机顺序起动联锁控制 在装有多台电动机的生产机械上，有时必须按一定的顺序起动电动机，才能满足 工作的需要。例如某个设备要求:“必需首先起动甲电动机，然后才能起动乙电动机， 当甲电动机停止后，乙电动机自动停止”。这种要求可采用下面的控制线路来实现。 18 图 3-4 顺序启动继电器控制图 图 3-5 I/O 接线图 图 3-6 梯形图 PLC 控制的工作过程的分析： 19 按下 M1 的起动按钮 SB1,输入继电器 0000 动合触点闭合,输出继电器 0500 线 圈接通并自锁,接触器 KM1 得电吸合,电动机 M1 起动运转;同时连接在 0501 线圈驱动 电路的 0500 动合触点闭合,为起动电动机 M2 作准备。可见,只有电动机 M1 先起动, 电动机 M2 才能起动。这时如果按下 M2 的起动按钮 SB3,0002 动合触点闭合,0501 线 圈接通并自锁,接触器 KM2 得电吸合,电动机 M2 起动运转。按下 M1 的停止按钮 SB2，0001 动断触点断开，使 0500 线圈失电，并且由于连接在 0501 线圈驱动电路 的 0500 动合触点的断开，使得 0501 线圈同时失电，两台电动机都停止运行。若只 按下 M2 停止，按钮 SB4 时，0003 动断触点断开；使得 0501 线圈失电，M2 停止运行， 而 M1 仍运行。 3.3 三相异步电动机使用三相异步电动机使用 PLC 控制优点控制优点 本文设计就对三相异步电动机的正反转控制，顺序起动等系统进行了设计，还 有其它的像制动和调速控制在这里我就不再设计，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：不易老化，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要来产生旋转磁场的。 我们知道，在相电源与相之间是相差 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相差 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时同步的。旋转磁场的转速为 n=60t/p 式中 f 为电 源效率，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的电源频率有关，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。 20 结结 论论 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和功能。摘要部分概要介绍了其可 靠性和实用性，第一章 绪论部分介绍了电动机控制方面的背景、本文设计的目的、 意义及主要内容等；第二章 三相异步电动机基础 介绍了三相异步电动机的基本结 构、工作原理、几个工作过程的分析等；第三章 PLC 基础 PLC 的定义、与继电器控 制的区别、工作原理、应用分类等。第四章 三相异步电动机的 PLC 控制 从系统原 理的角度得出系统分为模拟和数字两部分；第五部分进行了总结。 通过本次电路的设计，我对三相异步电动机的 PLC 控制系统原理有了进一步的了 解，在三相异步电动机的 PLC 控制分析中对 PLC 产生了浓厚的兴趣，提高了科学的 分析和运用能力，由于本人水平有限，因此对其中的原理和实际操作方法有待深入 的学习研究和提高。文中有不足之处恳请各位老师加以指导。 21 致致 谢谢 时光如梭，转眼之间三年的学习生活在这次毕业论文后将画上圆满的句号。在这 三年中，安徽机电职业技术学院的各位领导，老师和同学对我的学习给予了很大的 支持和帮助，我在这里不仅体会到了学习的乐趣，而且也感受到了集体给我的关怀， 在此谨对各位表示衷心的感谢。 在本次设计中，我不仅受到指导老师的学风，师德的熏陶，而且她的学说和风范， 关怀和教诲，将成为我永远的精神动力，并相信这在我的人生中将会受益匪浅，同 时也使自己的理论学习和实际联系得更加紧密。也更加端正了自己的工作作风和学 习态度，以及工作中的持之以恒的精神。 另外，我在设计期间，同组同学也给了我很多的帮助，在此我也向他们表达我真 诚的谢意。 22 参考文献参考文献 1 许顺隆，徐朝阳.轻松学电机.北京：中国电力出版社，2008 2 曹祥.机床电气控制技术.北京：国防工业出版社，2009.1 3 孙余凯，吴鸣山.电器控制与 PLC 应用.北京：电子工业出版社，2006.6 4 郭晓波.可编程序控制器教程.北京：北京航空航天大学出版社，2007.9 5 黄净.电气控制与可编程序控制器.北京：机械工业出版社，2009.1