三相異步電動機的PLC控制——畢業(yè)論文

安安徽徽機機電電職職業(yè)業(yè)技技術術學學院院 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 三相異步電動機的三相異步電動機的 PLCPLC 控制控制 系 別 電氣工程系 專 業(yè) 電機與電器 班 級 電機 姓 名 學 號 摘摘 要要 PLC 在三相異步電動機控制中的應用，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比具有速度快， 可靠性高，靈活性強，功能完善等優(yōu)點。長期以來，PLC 始終處于自動化領域的主 戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非?？煽康目刂茟?，它能夠為自動化 控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)企業(yè)對自動化的需 要。本文設計了 2 個三相異步電動機的 PLC 控制電路，分別是三相異步電動機的正 反轉控制和兩臺電動機順序起動聯(lián)鎖控制，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有控制速 度快、可靠性高、靈活性強等優(yōu)點，可作為高校學生學習 PLC 的控制技術的參考， 也可作為工業(yè)電機的自動控制電路。 關鍵詞：關鍵詞：PLC; 三相異步電動機; 繼電器 引引 言言 本系統(tǒng)的控制是采用 PLC 的編程語言-梯形語言,梯形語言是在可編程控制器 中的應用最廣的語言，因為它在繼電器的基礎上加進了許多功能，使用靈活的指令， 使邏輯關系清晰直觀，編程容易，可讀性強，所實現(xiàn)的功能也大大超過傳統(tǒng)的繼電 器控制電路，可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它是專為在惡劣工業(yè) 環(huán)境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在內部存儲執(zhí)行邏輯運算，順 序控制，定時，計數(shù)和算術等操作的指令，并采用數(shù)字式，模擬式的輸入和輸出， 控制各種的機械或生產過程。 目目 錄錄 目目 錄錄.錯誤！未定義書簽。 第第一一章章 三三相相異異步步電電動動機機基基礎礎 . .1 1 1.1 三相異步電動機的基本結構 .1 1.2 三相異步電動機的工作原理 .3 1.3 三相異步電動機的幾個工作過程的分 析.3 第第二二章章 P PL LC C 基基礎礎. .1 10 0 2.1 PLC的定義10 2.2 PLC與繼電器控制的區(qū)別10 2.3 PLC的工作原理10 2.4 PLC的應用分類11 2.5可編程序控制器的編程語言概述 12 第第三三章章 三三相相異異步步電電動動機機的的P PL LC C 控控制制. .1 16 6 3.1 三相異步電機的正反轉控制 16 3.2 兩臺電動機順序起動聯(lián)鎖控制 17 3.3 三相異步電動機使用PLC控制優(yōu)點.19 結結論論 . .2 20 0 參參考考文文獻獻 . .2 22 2 1 第一章第一章 三相異步電動機基礎三相異步電動機基礎 1.1 三相異步電動機的基本結構三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機由靜止的定子和旋轉的轉子兩個重要部分組成，定子和轉子之 間由氣隙分開。圖 1-1 為三相異步電動機結構示意圖。三相異步電動機的結構主要 由兩個部分組成，一是固定不動的部分（簡稱定子），二是可以自由旋轉的部分 （簡稱轉子）。定子與轉子之間有一個很小的氣隙。此外，還有機座、端蓋軸承、 接線盒、風扇等其他部分。 異步電動機根據(jù)轉子的繞組的結構不同，可分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式異 步電動機的轉子繞組本身自成閉合回路，整個轉子形成一個堅實的整體，其結構簡 單牢固、運行可靠、價格便宜，應用最為廣泛，小型異步電動機絕大部分屬于這類。 繞線式異步電動機的結構比鼠籠式復雜，但啟動性能較好，需要時還可以調節(jié)電動 機的轉速。三相鼠籠式異步電動機的結構。 (a) 外形圖； (b) 內部結構圖 圖 1-1 三相異步電動機結構示意圖 1.1.1 定子 定子由定子鐵心、定子繞組、機座和端蓋等組成。機座的主要作用是用來支撐 電機各部件，因此應有足夠的機械強度和剛度，通常用鑄鐵制成。為了減少渦流和 磁滯損耗，定子鐵心用 0.5 mm 厚涂有絕緣漆的硅鋼片疊成，鐵心內圓周上有許多均 勻分布的槽，槽內嵌放定子繞組，。 定子是用來產生旋轉磁場的，主要由定子鐵心、 定子繞組和機座等部分組成。鼠籠式和繞線式異步電動機的定子結構是完全一樣的。 2 交流電機（包括異步機和同步機）其定子結構相同。*定子鐵芯：是磁路的一部 分用 0.5mm 硅鋼片迭成，且片間絕緣 *定子繞組：絕緣漆包線制成用于通三相交流電源定子鐵芯槽內嵌放三相繞組 圖 1-2 三相異步電動機的定子 1.1.2 轉子 轉子由轉子鐵心、轉子繞組、轉軸和風扇等組成。轉子鐵心也用 0.5 mm 厚硅鋼 片沖成轉子沖片疊成圓柱形，壓裝在轉軸上。其外圍表面沖有凹槽，用以安放轉子 繞組。按轉子繞組形式不同，可分為繞線式和鼠籠式兩種。轉子是異步電動機的轉 動部分，它在定子繞組旋轉磁場的作用下獲得一定的轉矩而旋轉，通過聯(lián)軸器或皮 帶輪帶動其他機械設備做功。轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸等部分組成。 1.1.3 機座 機座是電動機的外殼和支架，它的作用是固定和保護定子鐵心、定子繞組并支 撐端蓋，所以要求機座具有足夠的機械強度和剛度，能承受運輸和運行過程中的各 種作用力。 中、小型異步電動機通常采用鑄鐵機座，定子鐵心緊貼在機座的內壁，電動機 運行時鐵心和繞組產生的熱量主要通過機座表面散發(fā)到空氣中去，因此，為了增加 散熱面積，在機座表面裝有散熱片。 對大型異步電動機，一般采用鋼板焊接機座，此時為了滿足通風散熱的要求， 機座內表面與鐵心隔開適當距離，以形成空腔，作為冷卻空氣的通道。 3 1.2 三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理 圖 1-3 為三相異步電動機工作原理示意圖。為簡單起見，圖中用一對磁極來進 行分析。 三相定子繞組中通入交流電后，便在空間產生旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下， 轉子將作切割磁力線的運動而在其兩端產生感應電動勢，感應電動勢的方向可根據(jù) 右手螺旋法則來判斷。由于轉子本身為一閉合電路，所以在轉子繞組中將產生感應 電流，稱為轉子電流，電流方向與電動勢的方向一致，即上面流出，下面流進。 圖 1-3 三相異步電動機工作原理圖 轉子電流在旋轉磁場中受到電磁力的作用，其方向可由左手定則來判斷，上面的 轉子導條受到向右的力的作用，下面的轉子導條受到向左的力的作用。電磁力對轉 子的作用稱為電磁轉矩。在電磁轉矩的作用下，轉子就沿著順時針方向轉動起來， 顯然轉子的轉動方向與旋轉磁場的轉動方向一致。 1.3 三相異步電動機的幾個工作過程的分析三相異步電動機的幾個工作過程的分析 1.3.1 三相異步電動機的起動 三相異步電動機接通電源，使電機的轉子從靜止狀態(tài)到轉子以一定速度穩(wěn)定運行 的過程稱為電動機的起動過程。起動方法有直接起動和降壓起動兩種。 1.直接起動 直接起動又稱為全壓起動，起動時，將電機的額定電壓通過刀開關或 接觸器直接接到電動機的定子繞組上進行起動。直接起動最簡單，不需附加的起動 設備，起動時間短。只要電網(wǎng)容量允許，應盡量采用直接起動。但這種起動方法起 動電流大，一般只允許小功率的三相異步電動機進行直接起動；對大功率的三相異 步電動機，應采取降壓起動，以限制起動電流。 2.降壓起動 通過起動設備將電機的額定電壓降低后加到電動機的定子繞組上，以 限制電機的起動電流，待電機的轉速上升到穩(wěn)定值時，再使定子繞組承受全壓，從 而使電機在額定電壓下穩(wěn)定運行，這種起動方法稱為降壓起動。 前面講過，起動轉矩與電源電壓的平方成正比，所以當定子端電壓下降時，起動 4 轉矩大大減小。這說明降壓起動適用于起動轉矩要求不高的場合，如果電機必須采 用降壓起動，則應輕載或空載起動。常用的降壓起動方法有下面三種。 (1) Y-降壓起動 這種起動方法適用于電動機正常運行時接法為三角形的 三相異步電動機。電機起動時，定子繞組接成星形，起動完畢后，電動機切換為三 角形。 圖 1-4 Y-降壓起動控制線路 圖 1-4 是一個 Y-降壓起動控制線路，起動時，電源開關 QS 閉合，控制電路先 使得 KM2 閉合，電機星形起動，定子繞組由于采用了星形結構，其每相繞阻上承受 的電壓比正常接法時下降了。當電機轉速上升到穩(wěn)定值時，控制電路再控制 KM1 閉 合，于是定子繞組換成三角形接法，電機開始穩(wěn)定運行。定子繞組每相阻抗為|Z|， 電源電壓為 U1，則采用連接直接起動時的線電流為 采用 Y 連接降壓起動時， 每相繞組的線電流為 則 （1-5） 由式（1-5）可以看出，采用 Y-降壓起動時，起動電流比直接起動時下降了 5 1/3。電磁轉矩與電源電壓的平方成正比，由于電源電壓下降了，所以起動轉矩也減 小了 1/3。 以上分析表明，這種起動方法確實使電動機的起動電流減小了，但起動轉矩也 下降了，因此，這種起動方法是以犧牲起動轉矩來減小起動電流的，只適用于允許 輕載或空載起動的場合。 (2)自耦變壓器降壓起動 這種起動方法是指起動時，定子繞組接三相自耦變壓 器的低壓輸出端，起動完畢后，切掉自耦變壓器并將定子繞組直接接上三相交流電 源，使電動機在額定電壓下穩(wěn)定運行。 1.3.2 三相異步電動機的制動 三相異步電動機脫離電源之后，由于慣性，電動機要經(jīng)過一定的時間后才會慢 慢停下來, 但有些生產機械要求能迅速而準確地停車，那么就要求對電動機進行制 動控制。電動機的制動方法可以分為兩大類：機械制動和電氣制動。機械制動一般 利用電磁抱閘的方法來實現(xiàn)；電氣制動一般有能耗制動、反接制動和回饋發(fā)電制動 三種方法。 1.能耗制動 正常運行時，將 QS 閉合，電動機接三相交流電源起動運行。制動時， 將 QS 斷開，切斷交流電源的連接，并將直流電源引入電機的 V、W 兩相，在電機內 部形成固定的磁場。電動機由于慣性仍然順時針旋轉，則轉子繞阻作切割磁力線的 運動，依據(jù)右手螺旋法則，轉子繞組中將產生感應電流。又根據(jù)左手定則可以判斷， 電動機的轉子將受到一個與其運動方向相反的電磁力的作用，由于該力矩與運動方 向相反，稱為制動力矩，該力矩使得電動機很快停轉。制動過程中，電動機的動能 全部轉化成電能消耗在轉子回路中，會引起電機發(fā)熱，所以一般需要在制動回路串 聯(lián)一個大電阻，以減小制動電流。這種制動方法的特點是制動平穩(wěn)，沖擊小，耗能 小，但需要直流電源，且制動時間較長，一般多用于起重提升設備及機床等生產機 械中。 2.反接制動 反接制動是指制動時，改變定子繞組任意兩相的相序，使得電動機的 旋轉磁場換向，反向磁場與原來慣性旋轉的轉子之間相互作用，產生一個與轉子轉 向相反的電磁轉矩，迫使電動機的轉速迅速下降，當轉速接近零時，切斷電機的電 源，如圖 1-6 所示。顯然反接制動比能耗制動所用的時間要短。 6 (a) 接線圖； (b) 原理圖 圖 1-6 反接制動示意圖 正常運行時，接通 KM1，電動機加順序電源 UVW 起動運行。需要制動時， 接通 KM2， 從圖可以看出，電動機的定子繞組接逆序電源 VUW，該電源產生一 個反向的旋轉磁場，由于慣性，電動機仍然順時針旋轉，這時轉子感應電流的方向 按右手螺旋法則可以判斷，再根據(jù)左手定則判斷轉子的受力 F。顯然，轉子會受到 一個與其運動方向相反，而與新旋轉磁場方向相同的制動力矩，使得電機的轉速迅 速降低。當轉速接近零時，應切斷反接電源，否則，電動機會反方向起動。反接制 動的優(yōu)點是制動時間短，操作簡單，但反接制動時，由于形成了反向磁場，所以使 得轉子的相對轉速遠大于同步轉速，轉差率大大增大，轉子繞組中的感應電流很大， 能耗也較大。為限制電流，一般在制動回路中串入大電阻。另外，反接制動時，制 動轉矩較大，會對生產機械造成一定的機械沖擊，影響加工精度，通常用于一些頻 繁正反轉且功率小于 10 kW 的小型生產機械中。 回饋發(fā)電制動 回饋發(fā)電制動是指電動機轉向不變的情況下，由于某種原因，使得 電動機的轉速大于同步轉速，比如在起重機械下放重物、電動機車下坡時，都會出 現(xiàn)這種情況，這時重物拖動轉子，轉速大于同步轉速，轉子相對于旋轉磁場改變運 動方向，轉子感應電動勢及轉子電流也反向，于是轉子受到制動力矩，使得重物勻 速下降。此中電動機將勢能轉換為電能回饋給電過程網(wǎng)。 1.3.3 相異步電動機常見故障分析與處理 三相異步電動機應用廣泛，但通過長期運行后，會發(fā)生各種故障，及時判斷故障原 因，進行相應處理，是防止故障擴大，保證設備正常運行的一項重要的工作。 一、通電后電動機不能轉動，但無異響，也無異味和冒煙。一、通電后電動機不能轉動，但無異響，也無異味和冒煙。 7 1故障原因電源未通（至少兩相未通）；熔絲熔斷（至少兩相熔斷）；過 流繼電器調得過??；控制設備接線錯誤。 2故障排除檢查電源回路開關，熔絲、接線盒處是否有斷點，修復；檢查 熔絲型號、熔斷原因，換新熔絲；調節(jié)繼電器整定值與電動機配合；改正接線。 二、通電后電動機不轉，然后熔絲燒斷二、通電后電動機不轉，然后熔絲燒斷 1故障原因缺一相電源，或定干線圈一相反接；定子繞組相間短路；定子 繞組接地；定子繞組接線錯誤；熔絲截面過??；電源線短路或接地。 2. 故障排除檢查刀閘是否有一相未合好，可電源回路有一相斷線；消除反接故 障；查出短路點，予以修復；消除接地；查出誤接，予以更正；更換熔絲； 消除接地點。 三、通電后電動機不轉有嗡嗡聲三、通電后電動機不轉有嗡嗡聲 l故障原因定、轉子繞組有斷路（一相斷線）或電源一相失電；繞組引出線始 末端接錯或繞組內部接反；電源回路接點松動，接觸電阻大；電動機負載過大 或轉子卡??；電源電壓過低；小型電動機裝配太緊或軸承內油脂過硬；軸承 卡住。 2. 故障排除查明斷點予以修復；檢查繞組極性；判斷繞組末端是否正確； 緊固松動的接線螺絲，用萬用表判斷各接頭是否假接，予以修復；減載或查出 并 消除機械故障，檢查是還把規(guī)定的面接法誤接為 Y；是否由于電源導線過細使壓 降過大，予以糾正，重新裝配使之靈活；更換合格油脂；修復軸承。 四、電動機起動困難，額定負載時，電動機轉速低于額定轉速較多 1故障原因電源電壓過低；面接法電機誤接為 Y；籠型轉子開焊或斷裂； 定轉子局部線圈錯接、接反；修復電機繞組時增加匝數(shù)過多；電機過載。 2故障排除測量電源電壓，設法改善；糾正接法；檢查開焊和斷點并修復； 查出誤接處，予以改正；恢復正確匝數(shù)；減載。 五、電動機運行時響聲不正常，有異響五、電動機運行時響聲不正常，有異響 8 1故障原因轉子與定子絕緣紙或槽楔相擦；軸承磨損或油內有砂粒等異物； 定轉子鐵芯松動；軸承缺油；風道填塞或風扇擦風罩，定轉子鐵芯相擦； 電源電壓過高或不平衡；定子繞組錯接或短路。 2故障排除修剪絕緣，削低槽楔；更換軸承或清洗軸承；檢修定、轉子鐵芯； 加油；清理風道；重新安裝置；消除擦痕，必要時車內小轉子；檢查并調 整電源電壓；消除定子繞組故障。 六、運行中電動機振動較大六、運行中電動機振動較大 1故障原因由于磨損軸承間隙過大；氣隙不均勻；轉子不平衡；轉軸彎曲； 鐵芯變形或松動；聯(lián)軸器（皮帶輪）中心未校正；風扇不平衡；機殼或基 礎強度不夠；電動機地腳螺絲松動；籠型轉子開焊斷路；繞線轉子斷路；加定 子繞組故障。 2故障排除檢修軸承，必要時更換；調整氣隙，使之均勻；校正轉子動平衡； 校直轉軸；校正重疊鐵芯，重新校正，使之符合規(guī)定；檢修風扇，校正平 衡，糾正其幾何形狀；進行加固；緊固地腳螺絲；修復轉子繞組；修復定子 繞組。 七、軸承過熱七、軸承過熱 1故障原因滑脂過多或過少；油質不好含有雜質；軸承與軸頸或端蓋配合不 當（過松或過緊）；軸承內孔偏心，與軸相擦；電動機端蓋或軸承蓋未裝平； 電動機與負載間聯(lián)軸器未校正，或皮帶過緊；軸承間隙過大或過小；電動機 軸彎曲。 2故障排除按規(guī)定加潤滑脂（容積的 1/3-2/3）；更換清潔的潤滑滑脂；過 松可用粘結劑修復，過緊應車，磨軸頸或端蓋內孔，使之適合；修理軸承蓋，消 除擦點；重新裝配；重新校正，調整皮帶張力；更換新軸承；校正電機軸 或更換轉子。 八、電動機過熱甚至冒煙八、電動機過熱甚至冒煙 1故障原因電源電壓過高，使鐵芯發(fā)熱大大增加；電源電壓過低，電動機又帶 額定負載運行，電流過大使繞組發(fā)熱；修理拆除繞組時，采用熱拆 法不當，燒傷 鐵芯；定轉子鐵芯相擦；電動機過載或頻繁起動；籠型轉子斷條；電動機 缺相，兩相運行；重繞后定于繞組浸漆不充分；環(huán)境溫度高電動 機表面污垢多， 9 或通風道堵塞；電動機風扇故障，通風不良；定子繞組故障（相間、匝間短路； 定子繞組內部連接錯誤）。 2故障排除降低電源電壓（如調整供電變壓器分接 頭），若是電機 Y、 接法錯誤引起，則應改正接法；提高電源電壓或換粗供電 導線；檢修鐵 芯，排除故障；消除擦點（調整氣隙或挫、車轉子）；減載； 按規(guī)定次數(shù)控制起動；檢查并消除轉子繞組故障；恢復三相運行；采用二次 浸漆及真空浸漆 工藝；清洗電動機，改善環(huán)境溫度，采用降溫措施；檢查并修 復風扇，必要時更換；檢修定子繞組，消除故障。 10 第二章第二章 PLCPLC 基礎基礎 2.1 PLC 的定義的定義 可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計 的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制， 定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種 類型的機械或生產過程。 2.2 PLC 與繼電器控制的區(qū)別與繼電器控制的區(qū)別 1. 控制方式 繼電器的控制是采用硬件接線實現(xiàn)的，是利用繼電器機械觸點的串 聯(lián)或并聯(lián)極延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。 PLC 采用存儲邏輯，其控制邏輯是以程序方式存儲在內存中，要改變控制邏輯，只 需改變程序即可，稱軟接線。 2. 控制速度 繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，毫 秒級，機械觸點有抖動現(xiàn)象。PLC 是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，速度 快，微秒級，嚴格同步，無抖動。 3. 延時控制 繼電器控制系統(tǒng)是靠時間繼電器的滯后動作實現(xiàn)延時控制，而時間 繼電器定時精度不高，受環(huán)境影響大，調整時間困難。 PLC 用半導體集成電路作定 時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產生，精度高，調整時間方便，不受環(huán)境影響。 2.3 PLC 的工作原理的工作原理 當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí) 行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 (一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀 態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用 戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O 映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該 脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀 入。 11 (二) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地 掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各 觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進 行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應 位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí) 行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O 映象區(qū)或 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程 序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在 下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排 在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存 取 I/O 點。即使用 I/O 指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接 從 I/O 模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 (三) 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后，PLC 就進入輸出刷新階段。在此期 間，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出 電路驅動相應的外設。這時，才是 PLC 的真正輸出。 2.4 PLC 的應用分類的應用分類 目前，PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、 汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下 幾類。 1. 開關量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電 器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控 及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、 電鍍流水線等。 2. 模擬量控制 在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、 液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量 （Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的 A/D 轉換及 D/A 轉換。PLC 廠家都生產配套 的 A/D 和 D/A 轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3. 運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早 期直接用于開關量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動 控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主 要 PLC 廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電 梯等場合。 12 4.過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控 制計算機，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID 調節(jié)是一般閉 環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化 工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 5. 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù) 傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用 通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系 統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工 業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 6.通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設備間的通信。隨著計 算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信 功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 2.5 可編程序控制器的編程語言概述可編程序控制器的編程語言概述 1.步、轉換和動作是 SFC 中的三種主要元件。步是一種邏輯塊，即對應于特定的控 制任務的編程邏輯；動作是控制任務的獨立部分；轉換是從一個任務到另一個任務 的原因。FX 系列 PLC 的輸入繼電器和輸出繼電器的元件號用八進制表示，八進制只 有 0-7 這 8 個數(shù)字符號，遵循“逢八進一”的運算規(guī)則。輸入繼電器是 PLC 接收外 部輸入的開關量信號的窗口。PLC 通過光電耦合器，將外部信號的狀態(tài)讀入并存貯 在輸入映象寄存器內，外部觸點接通時對應的映象寄存器為“1”狀態(tài)。輸入端外接 的觸點可以是常開的，也可以是常閉的，也可以是多個觸點組成的串并聯(lián)電路。在 梯形圖中可以多次使用輸入繼電器的常開觸點和常閉觸點。輸入繼電器的狀態(tài)唯一 地取決于外部輸入信號的狀態(tài)，不可能受用戶程序的控制，因此在梯形圖中絕對不 能出現(xiàn)輸入繼電器的線圈。本書用橢圓表示梯形圖中的線圈 2.對于目前大多數(shù) PLC 來說，SFC 還僅僅作為組織編程的工具使用，尚需要其它編 程語言將它轉換為 PLC 的可執(zhí)行的程序。因此，通常只是將 SFC 作為 PLC 的輔助編 程工具，而不是一種獨立的編程語言。1.PLC 梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電 器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等。但是它們不是真實 的物理繼電器，而是在軟件中使用的編程元件。每一編程元件與 PLC 存貯器中元件 映象寄存器的一個存貯器的一個存貯單元相對應。該存貯單元如果為“1”狀態(tài)，則 13 表示梯形圖中對應編程元件的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開。我 們稱這種狀態(tài)是該編程元件的“1”狀態(tài)，或該編程元件 ON（接通）。如果該貯存 單元為“0”狀態(tài)，對應的編程元件的線圈和觸點的狀態(tài)與上述相反，稱該編程元件 為“0”狀態(tài)，或該編程元件 OFF（斷開）。 3.為了增強 PLC 的數(shù)學運算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、報表打印等功能，方便用戶的 使用，許多在中型 PLC 都配備了 PASCAL、BASIC、C 等高級編程語言。 4.PLC 梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電 器、內部輔助繼電器等。但是它們不是真實的物理繼電器，而是在軟件中使用的編 程元件。每一編程元件與 PLC 存貯器中元件映象寄存器的一個存貯器的一個存貯單 元相對應。該存貯單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應編程元件的線圈“通 電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開。我們稱這種狀態(tài)是該編程元件的“1”狀態(tài)， 或該編程元件 ON（接通）。如果該貯存單元為“0”狀態(tài)，對應的編程元件的線圈 和觸點的狀態(tài)與上述相反，稱該編程元件為“0”狀態(tài)，或該編程元件 OFF（斷開）。 5.組合機床的電氣控制,理論上講,可以采用繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)，單片機控 制系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。但是在實際工程中往往選擇一種經(jīng)濟、有效、性能 優(yōu)越的控制方案，考慮到上述幾點，PLC 較適合組合機床的電氣控制。PLC 與單片機、 繼電器-接觸器控制系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點： 1PLC 與繼電器-接觸器相比較： 繼電器-接觸器控制系統(tǒng)自上世紀二十年代問世以來，一直是機電控制的主流。 由于它的結構簡單、使用方便、價格低廉，所以使用廣泛。它的缺點是動作速度慢， 可靠性差，采用微電腦技術的可編程順序控制器的出現(xiàn)，使得繼電接觸式控制系統(tǒng) 更加遜色。PLC 等取代繼電接觸式控制邏輯。具體如下： (1) 控制邏輯 繼電接觸式控制系統(tǒng)采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸點串聯(lián)、并聯(lián)、串 并聯(lián)，利用時間繼電器的延時動作等組合或控制邏輯，連線復雜、體積大、功耗也 大。當一個電氣控制系統(tǒng)研制完后，要想再做修改都要隨著現(xiàn)場接線的改動而改動。 特別是想要能夠增加一些邏輯時就更加困難了，這都是硬接線的緣故。所以，繼電 接觸式控制系統(tǒng)的靈活性和擴展性較差。 可編程控制器采用存儲邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現(xiàn)場連線以外，而控 制邏輯是以程序的方式存儲在 PLC 的內存當中。若控制邏輯復雜時，則程序會長一 些，輸入輸出的連線并不多。若需要對控制邏輯進行修改時，只要修改程序就行了， 而輸入輸出的連接線改動不多，并且也容易改動，因此，PLC 的靈活性和擴展性強。 而且 PLC 是由中大規(guī)模集成電路組裝成的，因此，功耗小，體積小。 14 (2) 控制速度 繼電器接觸式控制系統(tǒng)的控制邏輯是依靠觸點的動作來實現(xiàn)的，工作頻率低。 觸點的開閉動作一般是幾十毫秒數(shù)量級。而且使用的繼電器越多，反映的速度越慢， 還是容易出現(xiàn)觸點抖動和觸點拉弧問題。 而可編程控制器是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度相當快。通 常，一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級。由于 PLC 內部有嚴格的同步，不會出 現(xiàn)抖動問題，更不會出現(xiàn)觸點拉弧問題。 (3) 定時控制和計數(shù)控制： 繼電接觸式控制系統(tǒng)利用時間繼電器的延時動作來進行定時控制。用時間繼電 器實現(xiàn)定時控制會出現(xiàn)定時的精度不高，定時時間易受環(huán)境的濕度和溫度變化而影 響。有些特殊的時間繼電器結構復雜，維護不方便。而可編程程序控制器使用半導 體集成電路作為定時器，時基脈沖由晶體震蕩器產生，精度相當高并且定時時間長， 定時范圍廣。 (4) 可靠性和維護性。 繼電接觸式控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點在開閉時會受到 電弧的損壞，壽命短。因而可靠性和維護性差。 PLC 采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，可靠性 高。PLC 還配備了自檢和監(jiān)控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時顯示給操作人 員，還能動態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調試和維護提供了方便。 總之，PLC 在性能上均優(yōu)越于繼電接觸式控制系統(tǒng)，特別是控制速度快，可靠 性高，設計施工周期短，調試方便，控制邏輯修改方便，而且體積小，功耗低。 2PLC 與單片機比較 單片機具有結構簡單，使用方便，價格比較便宜等優(yōu)點，一般用于數(shù)據(jù)采集和 工業(yè)控制。但是，單片機不是專門針對工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制而設計的，所以它與 PLC 比較起來有以下缺點： (1) 單片機不如 PLC 容易掌握 使用單片機來實現(xiàn)自動控制，一般要使用微處理器的匯編語言編程。這就要求 設計人員要有一定的計算機硬件和軟件知識。對于那些只熟悉機電控制的技術人員 來說，需要進行相當長一段時間系統(tǒng)地學習單片機的知識才能掌握。 而 PLC 采用了面向操作者的語言編程，如梯形圖、狀態(tài)轉移圖等，對于使用者 來說，無需了解復雜的計算機知識，而只要用較短時間去熟悉 PLC 的簡單指令系統(tǒng) 及操作方法，就可以使用和編程。 (2) 單片機不如 PLC 使用簡單 使用單片機來實現(xiàn)自動控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作。例如， 15 要考慮工程現(xiàn)場與單片機的連接，輸出帶負載能力、接口的擴展，接口的工作方式 等。除了要進行控制程序的設計，還要在單片機的外圍進行很多硬件和軟件工作， 才能與控制現(xiàn)場連接起來，調試也較繁瑣。 而 PLC 的輸入/輸出接口已經(jīng)做好，輸入接口可以與無外接電源的開關直接連接， 非常方便。輸出接口具有一定的驅動負載能力，能適應一般的控制要求。而且，在 輸入接口、輸出接口，由光電耦合器件，使現(xiàn)場的干擾信號不容易進入 PLC。 (3) 單片機不如 PLC 可靠 使用單片機進行工業(yè)控制，突出的問題就是抗干擾性能較差。 而 PLC 是專門用于工程現(xiàn)場環(huán)境中的自動控制，在設計和制造過程中采取了抗 干擾性措施，穩(wěn)定性和可靠性較高。 通過上面的比較，針對組合機床的電氣控制系統(tǒng)，雖然 PLC 的價格高一些，但 良好的穩(wěn)定性和高度的可靠性可確保機床在加工零件時的精度，所以決定采用 PLC 控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。 16 第三章第三章 三相異步電動機的三相異步電動機的 PLCPLC 控制控制 3.1 三相異步電機的正反轉控制三相異步電機的正反轉控制 在生產過程中,往往要求電動機能夠實現(xiàn)正反兩個方向的轉動,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，就可改變電動機的轉向。因此正反轉控制電路實質 上是兩個方向相反的單相運行電路，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-停”兩種控制電路 圖 3-1 正反轉繼電器控制圖 圖 3-2 I/O 接線圖 17 圖 3-3 梯形圖 PLC 控制的工作過程的分析： 按下 SB2，輸入繼電器 0001 動合觸點閉合，輸出繼電器 0500 線圈接通并自鎖， 接觸器 KM1 主觸點，動合輔助觸點閉合，電動機 M 通電正轉。 按下 SB1，輸入繼電器 0000 動斷觸點斷開，輸出繼電器 0500 線圈失電，KM1 主 觸點，動合輔助觸點斷開，電動機 M 斷電停止正轉 按下 SB3,0002 動合觸點閉合,0501 線圈接通并自鎖,KM2 主觸點,動合輔助觸點 閉合,電動機 M 通電反轉 3.2 兩臺電動機順序起動聯(lián)鎖控制兩臺電動機順序起動聯(lián)鎖控制 在裝有多臺電動機的生產機械上，有時必須按一定的順序起動電動機，才能滿足 工作的需要。例如某個設備要求:“必需首先起動甲電動機，然后才能起動乙電動機， 當甲電動機停止后，乙電動機自動停止”。這種要求可采用下面的控制線路來實現(xiàn)。 18 圖 3-4 順序啟動繼電器控制圖 圖 3-5 I/O 接線圖 圖 3-6 梯形圖 PLC 控制的工作過程的分析： 19 按下 M1 的起動按鈕 SB1,輸入繼電器 0000 動合觸點閉合,輸出繼電器 0500 線 圈接通并自鎖,接觸器 KM1 得電吸合,電動機 M1 起動運轉;同時連接在 0501 線圈驅動 電路的 0500 動合觸點閉合,為起動電動機 M2 作準備。可見,只有電動機 M1 先起動, 電動機 M2 才能起動。這時如果按下 M2 的起動按鈕 SB3,0002 動合觸點閉合,0501 線 圈接通并自鎖,接觸器 KM2 得電吸合,電動機 M2 起動運轉。按下 M1 的停止按鈕 SB2，0001 動斷觸點斷開，使 0500 線圈失電，并且由于連接在 0501 線圈驅動電路 的 0500 動合觸點的斷開，使得 0501 線圈同時失電，兩臺電動機都停止運行。若只 按下 M2 停止，按鈕 SB4 時，0003 動斷觸點斷開；使得 0501 線圈失電，M2 停止運行， 而 M1 仍運行。 3.3 三相異步電動機使用三相異步電動機使用 PLC 控制優(yōu)點控制優(yōu)點 本文設計就對三相異步電動機的正反轉控制，順序起動等系統(tǒng)進行了設計，還 有其它的像制動和調速控制在這里我就不再設計，主電路都是一樣的，就控制電路 有一點小差異，使用 PLC 控制三相異步電動機有很多好處的：不易老化，設備簡單， 結構合理，便于控制價格便宜等，三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一 個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是要來產生旋轉磁場的。 我們知道，在相電源與相之間是相差 120 度的，三相異步電動機定子中的三個 繞組在空間方位上也相差 120 度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞 組就會產生一個旋轉磁場。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋 轉磁場的旋轉速度與電流的變化時同步的。旋轉磁場的轉速為 n=60t/p 式中 f 為電 源效率，P 是磁場的磁極對數(shù)，n 的單位是：每分鐘轉數(shù)，根據(jù)此式我們知道，電動 機的轉速與磁極數(shù)和使用的電源頻率有關，用 PLC 控制三相異步電動機也需要對電 動機的屬性和旋轉方式有所了解，這樣才能控制好三相異步電動機的方向和特性， 不至于使用不當使電動機損壞，電動機的頻率一定要符合要求。 20 結結 論論 本文設計和制作了三相異步電動機的 PLC 控制系統(tǒng)，該電路主要以性能穩(wěn)定，簡 單實用為目的，整體制作符合要求。 通過概述使大家充分了解了該控制系統(tǒng)的原理和功能。摘要部分概要介紹了其可 靠性和實用性，第一章 緒論部分介紹了電動機控制方面的背景、本文設計的目的、 意義及主要內容等；第二章 三相異步電動機基礎 介紹了三相異步電動機的基本結 構、工作原理、幾個工作過程的分析等；第三章 PLC 基礎 PLC 的定義、與繼電器控 制的區(qū)別、工作原理、應用分類等。第四章 三相異步電動機的 PLC 控制 從系統(tǒng)原 理的角度得出系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分；第五部分進行了總結。 通過本次電路的設計，我對三相異步電動機的 PLC 控制系統(tǒng)原理有了進一步的了 解，在三相異步電動機的 PLC 控制分析中對 PLC 產生了濃厚的興趣，提高了科學的 分析和運用能力，由于本人水平有限，因此對其中的原理和實際操作方法有待深入 的學習研究和提高。文中有不足之處懇請各位老師加以指導。 21 致致 謝謝 時光如梭，轉眼之間三年的學習生活在這次畢業(yè)論文后將畫上圓滿的句號。在這 三年中，安徽機電職業(yè)技術學院的各位領導，老師和同學對我的學習給予了很大的 支持和幫助，我在這里不僅體會到了學習的樂趣，而且也感受到了集體給我的關懷， 在此謹對各位表示衷心的感謝。 在本次設計中，我不僅受到指導老師的學風，師德的熏陶，而且她的學說和風范， 關懷和教誨，將成為我永遠的精神動力，并相信這在我的人生中將會受益匪淺，同 時也使自己的理論學習和實際聯(lián)系得更加緊密。也更加端正了自己的工作作風和學 習態(tài)度，以及工作中的持之以恒的精神。 另外，我在設計期間，同組同學也給了我很多的幫助，在此我也向他們表達我真 誠的謝意。 22 參考文獻參考文獻 1 許順隆，徐朝陽.輕松學電機.北京：中國電力出版社，2008 2 曹祥.機床電氣控制技術.北京：國防工業(yè)出版社，2009.1 3 孫余凱，吳鳴山.電器控制與 PLC 應用.北京：電子工業(yè)出版社，2006.6 4 郭曉波.可編程序控制器教程.北京：北京航空航天大學出版社，2007.9 5 黃凈.電氣控制與可編程序控制器.北京：機械工業(yè)出版社，2009.1