起重机起落钩三相异步电动机双向启动反接制动电路改造毕业设计论文.pdf

目录目录摘要.11 前言.21.1 本论文研究背景.21.2.PLC 在传统继电器控制系统改造意义.52PLC 在数控机床控制系统中的应用.72.1 数控机床的组成.72.2PLC 与 CNC 机床的连接方式.72.3 三相异步电动机的概述及其基本结构.82.3.1 三相异步电动机概述.82.3.2 三相异步电动机的基本结构.82.4 三相异步电动机的工作原理.102.5 三相异步电动机的几个工作过程的分析.122.5.1 三相异步电动机的起动.122.5.2 三相异步电动机的制动.133 在传统继电器控制系统改造中的改造的方法与步骤.163.1 继电器控制与 PLC 的控制方式的异同.163.2 PLC 在传统继电器控制系统改造中的改造方法与步骤.164.起重机起落钩三相异步电动机双向启动反接制动电路改造.184.1 分析重机起设备控制要求.184.2.确定 PLC 规格.194.3分配 PLC 存储区地址.194.4 绘制 PLC 外部控制电路图.204.5 将继电器控制电路直接翻译“转化”为 PLC 控制程序.205.改造中应注意的问题.225.6.1 程序翻译时要遵循 PLC 程序的编写规则.225.6.2 尽量减少PLC 输入和输出点的个数.235.6.3设置互锁电路.235.6.4节约能源.。.235.6.5输出负载的容量.23参考文献.241摘要摘要目前,一些工业企业使用的机械设备的电气控制仍采用传统的继电器控制系统,这种系统固然有易于制造和成本较低等优点,但由于继电器控制系统是由以通断触点为主的中间继电器、时间继电器和计数器等元件触点通断的逻辑组合来实现自动控制,导致组成系统的通断触点多、线路复杂,长期使用后机械触点易损坏;且其中某一个继电器中的某一对触点接触不良,都会影响整个系统的正常运行.设备发生故障后,查找和排除往往非常困难,有时会花费大量时间,影响生产,也增加了维护成本.如以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行,应用 PLC 改造后触点数量减少了 80%,控制系统故障仅为继电器控制方式的 10%.为此,国家有关部门已明文规定从 1997 年起新产电梯不得使用继电器控制,改用 PLC 控制.尽管如此,仍然有相当一部分采用这种控制方式的老旧设备在企业中服,这固然有企业用惯了这些设备不愿淘汰等因素,但更多的是从经济方面考虑,更新困难.为此,进行了应用PLC 对传统继电器控制设备的电控系统实施改造的应用研究.实践表明,PLC能有效解决继电器控制的不足,控制效果优于继电器,有逐渐取代继电器控制的趋势.关键词：维修，效益，继电器，故障诊断，PLC2起重机起落钩三相异步电动机双向启动反接制动电路改造1、前言1.11.1 本论文研究背景本论文研究背景（1）PLC 的概述PLC（Programmable Logic Controller），是可编程逻辑控制器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）PLC 的基本概念早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable LogicController,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,plc 自 1969 年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。（3）PLC 的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：a、电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 b.中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄3存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。c、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。d、输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC 与现场控制的接口界面的输入通道。2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。e、功能模块如计数、定位等功能模块。f、通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP 通讯模块等。（4）PLC 的工作原理一.扫描技术当 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 映象区中的相应的单元内。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。(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4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。（5）PLC 内部运作方式虽然 PLC 所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但 PLC 内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”：PLC 首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或 0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置 Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入 CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU 直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端 Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至 PLC 输出部接点，并且重回步骤一。此三步骤称为 PLC 之扫描周期，而完成所需的时间称为 PLC 之反应时间，PLC输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。（6）PLC 的特点plc 具有以下鲜明的特点。(1)系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 PID 回 路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。(2)使用方5便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。(3)能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。（7）PLC 目前的主要品牌美国 AB，比利时 ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷 创研等。1.2.1.2.PLCPLC 在传统继电器控制系统改造意义在传统继电器控制系统改造意义目前,一些工业企业使用的机械设备的电气控制仍采用传统的继电器控制系统,这种系统固然有易于制造和成本较低等优点,但由于继电器控制系统是由以通断触点为主的中间继电器、时间继电器和计数器等元件触点通断的逻辑组合来实现自动控制,导致组成系统的通断触点多、线路复杂,长期使用后机械触点易损坏;且其中某一个继电器中的某一对触点接触不良,都会影响整个系统的正常运行.设备发生故障后,查找和排除往往非常困难,有时会花费大量时间,影响生产,也增加了维护成本.如以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行,应用 PLC 改造后触点数量减少了 80%,控制系统故障仅为继电器控制方式的 10%.为此,国家有关部门已明文规定从 1997 年起新产电梯不得使用继电器控制,改用 PLC 控制.尽管如此,仍然有相当一部分采用这种控制方式的老旧设备在企业中服,这固然有企业用惯了这些设备不愿淘汰等因素,但更多的是从经济方面考虑,更新困难.为此,进行了应用PLC 对传统继电器控制设备的电控系统实施改造的应用研究.实践表明,PLC能有效解决继电器控制的不足,控制效果优于继电器,有逐渐取代继电器控制的趋势.改造后的设备不改变原有的工作性能,也不需要改动控制面板,输入信号元件和输出控制对象没有变化,元件仍可继续使用.对于改造过的设备,除控制系统稳定性提高外,改造前后没有区别.改造的费用视设备的输入、输出元件的数量和性质而定,与设备规模大小和电气控制系统的复杂程度没有关系,一般直接改造费用为 800 2 000元.本文列举的“三相异步电动机双向启动反接制动”实例采用的是 OMRON6公司的 CPM 1A-10CDR-V 1 型 PLC,改造的材料费用约为 800 元,改造后的机械触点数量由原来的 20 个降至 5 个.72 PLC 在数控机床控制系统中的应用2.12.1 数控机床的组成数控机床的组成图图 1 1数控机床组成框图数控机床组成框图数控机床组成见图 1,其中计算机数控装置(CNC)根据输入的零件加工程序进行相应的处理(如运动轨迹处理、机床输入输出处理等),然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和 PLC 等),所有这些工作是由 CNC装置内硬件和软件协调配合,合理组织,使整个系统有条不紊地进行工作的。其中 PLC 的作用是接受 CNC 的 M、S、T 指令,对其进行译码并转换成对应的控制信号,控制辅助装置完成机床相应的开关动作;同时接受操作面板和机床侧的 I/O 信号,送给 CNC 装置,经其处理后,输出指令控制 CNC 系统的工作状态和机床的动作2.22.2PLCPLC 与与 CNCCNC 机床的连接方式机床的连接方式通用型可编程控制器与 CNC 机床的连接方式本质上是外电路连接方法,通过 CNC 数控系统 I/O 口发出控制指令,使可编程控制器输入端无触点开关通断,完成可编程控制器对机床强电的控制逻辑。可编程控制器与数控机床的强电、CNC 数控装置 I/O 的连接线大致可以分为 3 类:(1)PLC 输入输出端与机床面板信号连接。数控机床操作面板上有各类按钮,各按钮开关直接与PLC 的输入端相连,PLC实时扫描按钮的状态,作为输入信号。(2)PLC 输出端与机床强电信号连接。PLC 在数控机床中的主要作用是控制强电部分,每个电气执行元件的运行控制逻辑都保存在计算机中,按照数控系8统发出的指令运行。(3)PLC 输入端与数控机床数控装置 I/O 口的连接。PLC 输出端的通断是由控制面板的信号输入和系统内部控制逻辑决定的。梯形图程序的最大特点是触点都是“软触点”,触点数目可以无限制使用。2.32.3 三相异步电动机的概述及其基本结构三相异步电动机的概述及其基本结构2.3.12.3.1 三相异步电动机概述三相异步电动机概述三相异步电动机:实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。2.3.22.3.2 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的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图 1-1 所示。图图 1-11-1 三相电动机的基本组成示意图三相电动机的基本组成示意图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 1-2 为三相异步电动机结构示意图。9(a)(a)外形图；外形图；(b)(b)内部结构图内部结构图图图 1-21-2 三相异步电动机结构示意图三相异步电动机结构示意图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，如图 1-3 所示。图图 1-31-3 三相异步电动机的定子三相异步电动机的定子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，10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。2.42.4 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图 1-4 所示。图图 1-41-4 三相异步电动机基本原理三相异步电动机基本原理(1)演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋转；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。(2)现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，闭合的导体切割磁感线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。用三组定子绕组替换蹄形磁铁然后向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，下面流入。如图 1-5 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。11图图 1-51-5三相异步电动机工作原理图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。(3)结论：由于转子转动的方向和磁极旋转的方向相同所以欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2）旋转磁场（1）旋转磁场的产生图 1-5 表示最简单的三相定子绕组 AX、BY、CZ，它们在空间按互差 120度的规律对称排列。并接成星形与三相电源 U、V、W 相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图 1-7）00sinsin(120)sin(120)UmVmWmiItiItiIt图图 1-61-6 三相异步电动机定子接线三相异步电动机定子接线AiAiBiCXBYCZ12图图 1-71-7旋转磁场的形成旋转磁场的形成（2）旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。2.52.5 相异步电动机的几个工作过程的分析相异步电动机的几个工作过程的分析2.5.12.5.1 三相异步电动机的起动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。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。常用的降压起动方法有下面三种。13(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。图图 1-81-8 Y-Y-降压起动控制线路降压起动控制线路图 1-8 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。2.5.22.5.2 三相异步电动机的制动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14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 1-9 所示。显然反接制动比能耗制动所用的时间要短。(a)(a)接线图；接线图；(b)(b)原理图原理图图图 1-91-9 反接制动示意图反接制动示意图15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。3.回馈制动回馈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。此过程中电动机将势能转换为电能回馈给电网，所以称为回馈制动。163 PLC 在传统继电器控制系统改造中的改造的方法与步骤应用 PLC 对设备电气控制系统改造常用的方法是根据设备的控制要求重新设计控制系统.应用这种方法改造的流程清晰,但改造周期较长,改造后还需对设备进行调试.本文论述的在继电器控制电路基础上将其直接翻译“转化”为 PLC 控制系统的应用研究,对缩短改造时间效果显著.3.13.1 继电器控制与继电器控制与 PLCPLC 的控制方式的异同的控制方式的异同PLC 是继电器控制技术与计算机结合的产物,与继电器控制方式相似,最初的 PLC 就是为了取代继电器控制设计的.两种控制方式有着相同的输入元件(按钮开关、行程开关、转换开关、传感器等)和输出控制对象(电动机、电磁阀、接触器、指示灯、电磁铁等).PLC 延用了继电器控制的优点,用程序(软件)等效了继电器的控制电路(硬件),用程序的软逻辑替代了继电器控制系统中的中间继电器、时间继电器和计数器等组成的硬件逻辑电路,最大限度地减少了机械触点的数量,有效地提高了控制的可靠性.3.23.2 PLCPLC 在传统继电器控制系统改造中的改造方法与步骤在传统继电器控制系统改造中的改造方法与步骤改造的方法是将继电器控制系统的电路直接翻译“转化”为 PLC 控制系统的程序.具体步骤为:1)研究设备控制要求:研究设备使用说明书和系统控制电路图,分析设备的工作情况和控制要求;2)确定 PLC 规格:根据设备输入信号元件、输出控制对象的数量和作用确定所需 PLC 的输入和输出点数,据此选择 PLC 规格(一般 PLC 输入点数与输出点数的比值为三比二);3)分配 PLC 存储区地址:对继电器控制电路中的输入信号元件、输出控制对象和中间元件(中间继电器、时间继电器、计数器)等列出清单,完成 PLC 存储区地址分配表;4)绘制 PLC 外部控制电路图:根据输入信号元件、输出控制对象的作用绘制PLC 控制系统图(此图为通用图,可适用大多数改造后的设备),在图上填写I/O 地址.根据设备的具体情况,补充和完善控制系统图,将输入和输出元件连接到 PLC 上;175)将继电器控制电路直接翻译“转化”为 PLC 程序:依据继电器控制电路元器件表达符号与 PLC 梯形图表达方式的对应关系,将继电器控制电路图直接翻译为 PLC 的梯形图;在梯形图上标注 I/O 地址数据,即完成了 PLC 的梯形图程序设计.依据 PLC 程序的编写规则,对梯形图程序作相应调整;6)设备运行调试:将梯形图程序输入到 PLC.在输出元件不连接电源情况下,按照输入信号与输出控制对象的逻辑关系,在输入控制信号发出后,观察 PLC上输出指示灯的变化;确认无误后再接通输出元件电源,对设备进行运行实验.184 起重机起落钩三相异步电动机双向启动反接制动电路改造4.14.1 分析重机起设备控制要求分析重机起设备控制要求图 2 为三相异步电动机双向启动反接制动电路图.其中 KM1、KM2 分别为正、反转接触器,KM3 为短接电阻 R 的接触器,K1K3 为中间继电器,KS 为速度继电器,其中 KS1 为正转触点,KS2 为反转触点,FR 为过电流保护器.电路工作原理:关闭电源开关 QS,按下正转起动按钮 SB2,KM1 通电并自锁,电动机串入电阻 R 按正相序降压起动.当转速达到 100r/min 时,KS1 闭合(100r/min 时断开),KM3 通电,电阻 R 短接,电动机全压起动并正常运行.当停止时,按下停止按钮 SB1,KM1 和 KM3 断电,K3 得电,电动机串入电阻 R,此时KS1 仍闭合,K1 通电,KM2 工作,电动机串接电阻 R 按反相序反接制动;当电动机转速小于100r/min时KS1 断开,K1断电使KM3断电,反接制动结束,电动机停止运转.图图 2 2三相异步电动机双向启动反接制动电路图三相异步电动机双向启动反接制动电路图194.24.2 确定确定 PLCPLC 规格规格由图 2 可知,输入元件共 6 个,分别为停止按钮 SB1、正向起动按钮 SB2、反向起动按钮 SB3、过电流保护器 FR、速度继电器 KS1 和 KS2;输出元件共 3 个,分别为正转接触器 KM1、反转接触器 KM2 和短接电阻接触器 KM3.输入输出均为开关式元件,对照 PLC 的性能参数,选择 OMRON 公司 CPM 1A-10CDR-A-V 1 型 PLC,它有6 个输入点,4 个输出点,能满足控制要求.4.34.3 分配分配 PLCPLC 存储区地址存储区地址输入元件分别对应 IR 区 00CH 的 0.00 0.05(见表 1),输出元件分别对应 IR 区 10CH 的 10.00 10.02(见表 2),中间继电器分配到 SR 区 200CH 的200.00 200.02(见表 3).204.44.4 绘制绘制 PLCPLC 外部控制电路图外部控制电路图图 2 是 PLC 控制系统的硬件部分,如把图中输入元件和输出元件的符号去掉,则为PLC外部控制电路通用图形.适当调整输入和输出点的个数和表示符号可适用于大多数改造后设备,设计时根据设备输入和输出元件的功能填上相应符号即可.图图 2 2PLCPLC 外部控制电路图外部控制电路图为防止因 KM1 和 KM2 故障造成的三相电源短路,在 PLC 外部控制电路图中设置了软件互锁和硬件互锁双重保护.如图 2 中将 KM1 和 KM2 的常闭触点串入系统相应位置的硬件互锁电路,软件互锁用 PLC 程序中实现.4.54.5 将继电器控制电路直接翻译将继电器控制电路直接翻译“转化转化”为为 PLCPLC 控制程序控制程序根据表 1、表 2 和表 3 中元件与 PLC 存储区地址的对应关系,将 PLC 地址标注到继电器控制电路图上,按照本文的方法,将继电器控制电路图翻译21为 PLC 的梯形图程序,见图 3.图图 3 3直接翻译得到的梯形图程序直接翻译得到的梯形图程序至此继电器控制电路“转化”为 PLC 控制程序的翻译工作已基本完成,将程序输入到 PLC,现场进行检测调试设备即可正常使用.在程序输入到 PLC 过程中或是有一定编程经验的工程师都会发现,图3的程序虽然也可以正常运行,但对照 PLC 程序编写规则,程序结构略显繁琐,“块”结构和特殊语句也较多,如有条件还需对程序进行局部调整,否则极易发生程序输入错误和减慢系统运行速度等问题.整理的原则是,每一个输出控制调整为一个梯级,对横向输入点的左右位置也进行相应调整.从图 4 可以看出,经过整理后的梯形图程序应用的都是基本指令,较图 3的程序要简化的多,这在复杂的程序中体现的尤为明显.225 改造中应注意的问题由实例可知,尽管继电器控制电路图与PLC的梯形图的结构十分相似,根据继电器电路可直接翻译为 PLC 梯形图程序,用 PLC 的程序(软件)代替继电器控制电路(硬件)是可行的,PLC 的等效电路也能达到继电器控制的效果,但它们毕竟是两种不同的控制方式.因此,在设备改造时还应注意以下几点.5 5.6.1.6.1程序翻译时要遵循程序翻译时要遵循 PLCPLC 程序的编写规则程序的编写规则在继电器电路图中,对于某个节点的电路,触点图图 4 4经整理后的梯形图程序经整理后的梯形图程序和输出元件的摆放位置是随意的,但是在PLC梯形图程序中,触点应放在梯形图梯级输出线圈的左边,线圈必须放在的右边;在继电器电路图中,触点可以出现在水平线路上,也可以在垂直线路上,在梯形图中,触点只能出现在水平线上.23梯形图结构表达应尽可能简练,减少或避免“块”结构等特殊语句.直接翻译时要仔细分析继电器电路图,在保证输入信号和输出元件所对应的逻辑关系基础上,对其进行局部调整.尽量把串联触点较多且有并联触点的部分放在程序上方的左边,只有串联的触点放在中间,这样可以简化程序和加快程序的运行速度.(例如从图 3 到图 4).5 5.6.2.6.2 尽量减少尽量减少 PLCPLC 输入和输出点的个数输入和输出点的个数PLC 的价格与输入和输出点的数量有关,减少点的个数可降低改造成本.一般每个输入信号和输出信号都要占用 PLC 的一个点,但如在继电器电路图中,几个输入元件的触点串、并联电路总是作为一个整体出现,可以将它们的串(并)联电路作为一个整体连接到 PLC 的一个输入点上;如某些元件的触点在继电器电路图中只出现一次,并且只与某个输出端的负载串联,就可不必将它单独作为 PLC 的输入信号,将其与该输出负载串联后连接到 PLC 的输出端上.对于继电器控制电路中某个相对独立且较简单的部分,仍可延用继电器控制,这样也可以减少 LC 的点数.5 5.6.3.6.3 设置互锁电路设置互锁电路为了防止由于输出元件损坏导致系统故障,PLC 控制系统还需设置软件互锁和硬件互锁双重保护,如图 2 中将 KM1 和 KM2 的常闭触点串入电路相应位置的硬件互锁保护.5 5.6.4.6.4 节约能源节约能源为了防止设备在待机状态(或无指令操作时)时PLC的输入电路长期处于通电状态而引起增加能耗和降低元件使用寿命,通常将 PLC 输入信号元件作常开设计,这还便于输入元件的连接和程序调试.如果某个输入元件必须是常闭状态,可先将其按常开连接,常闭状态由 PLC 的程序解决.5 5.6.5.6.5 输出负载的容量输出负载的容量PLC 每个输出点一般最大只能驱动 AC 220V2A 或 DC 24V 2A 的负载.当继电器系统中交流接触器线圈是 AC 380V 或 DC 48V 时,PLC 无法直接驱动,需将线圈改为 AC 220V 或 DC 24V,也可设置中间继电器.如果负载是直流电感元件,还需在电磁线圈两端并接续流二极管以抑制电路断开时产生的感生电动势对 PLC 的损害.24参考文献参考文献 1夏燕兰.PLC 在数控机床上的应用J.南京工业职业技术学院学报,2002,(2).2陈兴武.应用软 PLC 开发数控机床的功能控制J.厦门大学学报(自然科学版),2005,(5).3侯美华.可编程控制器在工业控制中的应用J.电气开关,2000,(6).4许振伟,骆再飞,蒋静坪.PLC 在数控铣床电气控制中的应用J.机床与液压,2002,(6).5边晓红,郭兵.PLC 在数控系统中的应用J.山东冶金,2006,(2).6刘瑞已.可编程控制器(PLC)在数控机床(CNC)中的应用J.组合机床与自动化加工技术,2002,(12).、钱锐机电一体化技术高等教育出版社、韩鸿鸾张秀玲数控加工技师手册机械工业出版社、郑小年数控机床故障诊断与维修华中科技大学出版社.起重机起落钩三相异步电动机双向启动反接制动电路改造起重机起落钩三相异步电动机双向启动反接制动电路改造方案方案分析重机起设备控制要求分析重机起设备控制要求图 2 为三相异步电动机双向启动反接制动电路图.其中 KM1、KM2 分别为正、反转接触器,KM3 为短接电阻 R 的接触器,K1K3 为中间继电器,KS 为速度继电器,其中 KS1 为正转触点,KS2 为反转触点,FR 为过电流保护器.电路工作原理:关闭电源开关 QS,按下正转起动按钮 SB2,KM1 通电并自锁,电动机串入电阻 R 按正相序降压起动.当转速达到 100r/min 时,KS1 闭合(100r/min 时断开),KM3 通电,电阻 R 短接,电动机全压起动并正常运行.当停止时,按下停止按钮 SB1,KM1 和 KM3 断电,K3 得电,电动机串入电阻 R,此时KS1 仍闭合,K1 通电,KM2 工作,电动机串接电阻 R 按反相序反接制动;当电动机转速小于100r/min时KS1 断开,K1断电使KM3断电,反接制动结束,电动机停止运转.图图 2 2三相异步电动机双向启动反接制动电路图三相异步电动机双向启动反接制动电路图确定确定 PLCPLC 规格规格由图 2 可知,输入元件共 6 个,分别为停止按钮 SB1、正向起动按钮 SB2、反向起动按钮 SB3、过电流保护器 FR、速度继电器 KS1 和 KS2;输出元件共 3 个,分别为正转接触器 KM1、反转接触器 KM2 和短接电阻接触器 KM3.输入输出均为开关式元件,对照 PLC 的性能参数,选择 OMRON 公司 CPM 1A-10CDR-A-V 1 型 PLC,它有6 个输入点,4 个输出点,能满足控制要求.分配分配 PLCPLC 存储区地址存储区地址输入元件分别对应 IR 区 00CH 的 0.00 0.05(见表 1),输出元件分别对应 IR 区 10CH 的 10.00 10.02(见表 2),中间继电器分配到 SR 区 200CH 的200.00 200.02(见表 3).绘制绘制 PLCPLC 外部控制电路图外部控制电路图图 2 是 PLC 控制系统的硬件部分,如把图中输入元件和输出元件的符号去掉,则为PLC外部控制电路通用图形.适当调整输入和输出点的个数和表示符号可适用于大多数改造后设备,设计时根据设备输入和输出元件的功能填上相应符号即可.图图 2 2PLCPLC 外部控制电路图外部控制电路图为防止因 KM1 和 KM2 故障造成的三相电源短路,在 PLC 外部控制电路图中设置了软件互锁和硬件互锁双重保护.如图 2 中将 KM1 和 KM2 的常闭触点串入系统相应位置的硬件互锁电路,软件互锁用 PLC 程序中实现.将继电器控制电路直接翻译将继电器控制电路直接翻译“转化转化”为为 PLCPLC 控制程序控制程序根据表 1、表 2 和表 3 中元件与 PLC 存储区地址的对应关系,将 PLC 地址标注到继电器控制电路图上,按照本文的方法,将继电器控制电路图翻译为 PLC 的梯形图程序,见图 3.图图 3 3直接翻译得到的梯形图程序直接翻译得到的梯形图程