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《可编程控制器》大作业

题 目： 三相异步电动机的Y--△起动PLC控制

学习中心：奥鹏远程教育长春学习中心（直属）
层 次： 高中起点专科
专 业： 电力系统自动化技术
年 级： 2012年 春季
学 号： 201110095206
学生姓名：

III

三相异步电动机的Y--△起动PLC控制
内容摘要

PLC在三相异步电机控制中的应用，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、功能完善等优点。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，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。本文设计了三相异步电动机的PLC控制电路，该电路主要以性能稳定、简单实用为目的。以三相异步电动机“Y-△”起动为例,介绍了继电交流接触控制电路图与梯形图的关系,基本指令的功能,进行PLC应用控制系统设计的一般方法。

关键词：控制电路图；梯形图；指令；功能

目 录

内容摘要 I
引 言 1
1 可编程序控制器（PLC） 2
1.1可编程序控制器PLC的产生 2
1.2可编程序控制器的发展 2
1.3可编程序控制器PLC的主要性能指标 3
1.4可编程序控制器PLC的分类 4
1.5可编程序控制器的特点 5
1.6可编程序控制器的应用 6
2可编程序控制器PLC控制实验 7
2.1 实验时控制电路图和梯形图一一对应的实验 7
2.1.1 I/O点的分配和定义 8
2.1.2 PLC控制接线图 9
2.1.3 梯段形 9
2.2 照明灯具的选择 10
2.2.1 使用安全 10
2.2.2 提高能效 10
2.2.3 功能性、装饰性、经济性 10
2.2.4 限制眩光提高能效 10
3 照度和照明方式选择 11
3.1 照度选择 11
3.2 照明方式选择 11
3.2.1 一般照明。 11
3.2.2 局部照明。 12
3.2.3 混合照明。 12
4 照度的计算 12
4.1 照度计算 12
4.2 逐点照度计算法 12
4.3 利用系数法 13
4.4 单位容量法 13
参考文献 13

引 言

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，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。 进入20世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大的推动了PLC的发展，使的PLC的功能日益增强。如PLC可进行模拟量控制、位置控制和PID控制等，易于实现柔性制造系统。远程通信功能的实现更使PLC 如虎添翼。目前，在先进国家中，PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业。PLC是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。PLC 通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。下面以鼠笼型三相异步电动机“Y-△”换接起动为例，结合实验操作探讨继电、交流接触器控制电路和梯形图关系,基本指令的功能，PLC应用控制系统设计的一般方法。

1 可编程序控制器（PLC）

1.1可编程序控制器PLC的产生
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称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  
1.2可编程序控制器的发展
（1）高性能、高速度、大容量发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
（2）向小型化和大型化两个方向发展
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。
大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
（3）大力开发智能模块，加强联网与通信能力
为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
PLC的联网与通信有两类：① PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；② PLC与计算机之间的联网通信。
为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
（4）增强外部故障的检测与处理能力
据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
（5）编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。 除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
1.3可编程序控制器PLC的主要性能指标
PLC的主要性能指标有：
（1）输入/输出点数
　　如前所述，输入输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量，表示PLC组成系统时可能的最大规模。这时有个问题要注意，在总的点数中，输入点与输出点总是按一定的比例设置的，往往是输入点数大于输出点数，且输入与输出点数不能相互替代。
（2）应用程序的存储容量
应用程序的容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用K字（kw），K字节(kb)或K位来表示，1K=1024。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在一些文献中称PLC中存放程序的地址单位为“步”，每一步占用两个字，一条基本指令一般为一步。功能复杂的指令，特别是功能指令，往往有若干步。因而用“步”来表示程序容量，往往以最简单的基本指令为单位，称为多少K基本指令（步）。
（3）扫描速度
一般以执行1000条基本指令所需的时间来衡量。单位为毫秒/千步，也有以执行一步指令时间计的，如微秒/步。一般逻辑指令与运算指令的平均执行时间有较大的差别，因而大多场合，扫描速度往往需要标明是执行哪类程序。
以下是扫描速度的参考值：由目前PLC采用的CPU的主频考虑，扫描速度比较慢的为2.2ms/K逻辑运算程序，60ms/K数字运算程序；较快的为1ms/K逻辑运算程序，10ms/K数字运算程序；更快的能达到0.75/K逻辑运算程序。
（4）编程语言及指令功能
不同厂家的PLC编程语言不同，相互不兼容。梯形图语言指令表语言较为常见，近年来功能图语言的使用量有上升趋势。一台机器能同时使用的编程方法多，则容易为更多的人使用。编程能力中还有一个内容是指令的功能。衡量指令能强弱可看二个方面：一是指令条数多少，二是指令中有多少 综合怀指令。一条是综合性指令一般就能完成一项专门操作。比如查表、排序及PID功能等，相当于一个子程序。指令的功能越强，使用这些指令完成一定的控制目的就越容易。
另外，可编程序控制器的可扩展性、可靠笥、易操作规程性及经济性等到性能指标也较受用户的关注。
1.4可编程序控制器PLC的分类 
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 PLC 的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。  
按 I/O 点数分类 ：PLC按其 I/O 点数多少一般可分为以下 4 类：
  (1) 微型 PLC：I/O 点数小于 64点的 PLC 为超小型或微型 PLC。 
 (2) 小型 PLC：I/O 点数为 256 点以下，用户程序存储容量小于 8KB 的为小型 PLC。
(3)中型 PLC：I/O 点数在 512～2048 点之间的为中型 PLC。
(4)大型 PLC：I/O 点数为 2048 点以上的为大型 PLC。  
 按结构分类  ：
PLC按其结构可分为整体式、模块式及叠装式 3 种：
  (1)整体式 PLC  
将 CPU、I/O 单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的称为整体式 PLC。整体式PLC由不同 I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。
(2)模块式 PLC  
模块式 PLC 是将 PLC 的每个工作单元都制成独立的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块(有的含在 CPU 模块中)以及各种功能模块。模块式 PLC 由母板(或框架)以及各种模块组成。把这些模块按控制系统需要选取后，安插到母板上，就构成了一个完整的 PLC系统。
(3)叠装式 PLC  
将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装式 PLC 将 CPU 模块、电源模块、通信模块和一定数量的 I/O 单元集成到一个机壳内，如果集成的 I/O 模块不够使用，可以进行模块扩展。
按功能分类  
根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档 3类： 
(1)低档 PLC  
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
  (2)中档 PLC  
除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID (比例、积分、微分控制)控制等功能，以适用于复杂控制系统。   
 (3)高档 PLC  
除具有中档 PLC 的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。
1.5可编程序控制器的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。
（2）编程简单，容易掌握
PLC采用与继电器控制线路图非常接近的梯形图作为编程语言，它既有继电器电路清晰直观的特点，又充分考虑到电气工人和技术人员的读图习惯;对使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识，因此，易学易懂，程序改变时也容易修改。
（3）功能完善，适应性强
目前PLC产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有A／D、D／A转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。它能根据实际需要，方便灵活地组装成大小各异、功能不一的控制系统：既可控制一台单机、一条生产线，又可以控制一个机群、多条生产线；既可以现场控制又可以远程控制。
（4）使用简单，调试维修方便
l PLC的接线极其方便；
l PLC的用户程序可在实验室模拟调试；
l PLC的故障率很低；
l 排除故障迅速；
l 体积小、功耗低。
由于PLC采用半导体大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低，以三菱FXON一24M型PLC为例，其外形尺寸仅为130mm ×90mm×87mm，重量只有600g，功耗小于50W。所以，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备可编程序控制器的应用领域。
1.6可编程序控制器的应用
（1）开关量控制
开关量控制是PLC最基本的应用领域，可用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。
（2）模拟量控制
目前，很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I／O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。大、中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。
（3）运动控制
运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制，早期PLC通过开关量I／O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能，现在一般都使用专用的运动控制模块来完成。
（4）数据处理
现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算(函数运算、矩阵运算、逻辑运算)、数据的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操作，对数据进行采集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器人的控制系统等。
（5）通信联网
通信联网是指PLC与PLC之问、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信，利用PLC和计算机的RS一232或RS—422接口、PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成“集中管理、分散控制” 的多级分布式控制系统，建立工厂的自动化网络。
2可编程序控制器PLC控制实验

可编程序控制器通过编制程序来确定控制对象的动作,程序是由一系列的语句组成，梯形图是各种PLC通用的编程方式，它沿用了继电器原理,采用了触点,线圈和串、并联等图形符号和术语,很多梯形图和继电接触控制电路图，有一一对应的关系。因此，先学习和掌握继电接触控制系统的工作原理及应用，就能知道需要控制的是那些设备，这些设备的相互关系和时序，即知道了继电接触控制电路，根据控制电路，画出梯形图，再用指令写出程序。下面用MITXUBISH IF -30M可编程序控制器和FX-20P-E手持编程器编制三个控制功能完全相同程序,进行PLC控制实验。
2.1 实验时控制电路图和梯形图一一对应的实验
照明光源选择一般原则在作具体照明设计时，光源选择是重要的环节之一。设计时，应根据被照对象和场所对光源特性(即色调、显色性、效率和频闪效应等)的要求，选择照明光源。
继电、交流接触器控制鼠笼型三相异步电动机“Y-△”起动控制电路图1所示：

其动作过程如下，按下SB2交流电流流过SB2，SB2，KM1线圈，KM1主触头和辅助触头闭合，同时KM3线圈通电，KM3主触头闭合，电动机按”Y”接法起动，KM3联锁头分断，KT0线圈通电，经过整定时间，(10秒钟)，KT0常闭延时10秒钟断开，KM3线圈断电，KM3联锁触头闭合，KT0常开触头延时10秒钟闭合。KT1线圈通电，经过整定时间(1秒)，KT1常开触头闭合，KM2线圈通电，KM2联锁触头分断，主触头闭合，电动机按“△”接法运行。按SB1电动机停转。
综上所述，控制设备是电动机，KM1、M3主触头闭合，KM2主触头断开，电机按“Y”接法起动·KM1和KM2主触头闭合，KM3主触头分断，电机按“△”接法运行·再一点就是KM2，KM3主触头不能同时闭合，否则会造成相间短路·还有一点就是时序(顺序)问题。KM1、KM2主触头先闭合，经10秒钟，KM3触头分断，再经1秒钟，KM2主触头闭合。
前面分析了继电，接触控制电路的动作原理，实际上已经确定了控制对象及控制内容。今用PLC控制，一般可分下面几步进行：
2.1.1 I/O点的分配和定义

2.1.2 PLC控制接线图

确定输入设备及被控对象的连接方式，设计外围辅助电路及操作控制盘。全部电路由图1 a主电路和图2 PLC外部接线图组成。
2.1.3 梯段形
由图1，b控制电路可以直接画出梯形图 (图3)

图3梯形图和图1，b控制电路图有一一对应的关系，(梯形图中多了一个END结束符)梯形图是由继电接触控制系统演变而来，控制电路中的按钮开关、线圈、触头都是看得见，摸得着的真实体，且在控制过程中有真实的物理电流通过。

2.2 照明灯具的选择
灯具的主要功能是合理分配光源辐射的光通量，满足环境和作业的配光要求，并且不产生眩光和严重的光幕反射。选择灯具时，除考虑环境光分布和限制眩目的要求外，还应考虑灯具的效率，选择高光效灯具。在各类灯具中，荧光灯主要用于室内照明，汞灯和钠灯用于室外照明，也可将二者装在一起作混光照明，这样做光效高、耗电少、光色逼真、协调、视觉舒适。
灯具选择一般原则：
2.2.1 使用安全
防触电和防火、防爆以及其他环境条件引起的危险。
2.2.2 提高能效
选用灯具效率高、灯具配光和场所条件适应，以及光通维持率高的灯具。
2.2.3 功能性、装饰性、经济性
合理考虑功能性—良好的照明效果
装饰性—美观、协调
经济性—性价比高和能源效益的结合。
2.2.4 限制眩光提高能效
灯具由光源和灯罩(控照器)组成，灯具也称为照明器。
其作用是：
a.使光源发出的光通量按需要向某方向照射，以提高光源所发出的光通量的利用率；
b.保护视觉，避免或减轻光源高亮度的刺激，减少眩光；
c.保护灯泡或灯管免受机械损伤；
d.对房间具有一定的装饰效果。
3 照度和照明方式选择
3.1 照度选择
照度是照明设计的重要问题，照度太低会损害工作人员的视力，不合理的高照度则会浪费电力。选择照度必须与所进行的视觉工作相适应。在满足标准照度的条件下，为节约电力，应恰当地选用一般照明、局部照明和混合照明三种方式，当一种光源不能满足显色性要求时，可采用两种以上光源混合照明的方式，这样既提高了光效，又改善了显色性。另外，充分利用自然光，正确选择自然采光，也能改善工作环境，使人感到舒适，有利于健康。充分利用室内受光面的反射性，也能有效地提高光的利用率，如白色墙面的反射系数可达70~80％，同样能起到节电的作用。被照物体表面单位面积接收到的光通量称为照度，符号为E，单位：勒克司（lx）。由于照度不考虑被照面的性质(反射、透射和吸收)，也不考虑观察者在哪个方向，因此它只能表明被照物体上光的强弱，并不表示被照物体的明暗程度。
3.2 照明方式选择
照明方式可分为：一般照明(包括分区一般照明)，局部照明和混合照明。在同一房间内，其工作区的某部分或某几部分较大面积需要较高照度时，应采用分区一般照明，以免为了达到这部分工作区的照度而使其他工作区的照度提高，造成不必要的电能消耗。局部照明是在某个局部需要有较高的照度或由于遮挡而使一般照明照射不到的某些范围内装设。当需要减小工作区内的反射眩光成为加强某方向光照以增强质感时，亦采取局部照明解决。通常我们采用一般照明与局部照明组成的混合照明。对正常照明来讲，由于建筑物的功能和生产工艺流程的要求不同，对照度的要求也不同，于是对照明方式的要求亦不同。
3.2.1 一般照明。
为在整个场地或场地的特殊局部的需要所设置的照度基本上均匀的照明，称为一般照明，而后者又常称为分区一般照明。一般照明由若干灯具对称均匀排列而成，它可获得较均匀的水平照度。对于工作位置密度很大而对光照方向无特殊要求或受条件限制不适宜装设局部照明的场所，可只单独装设一般照明，如公司、体育馆和教室等。它的优点是在工作表面和整个视界范围内，具有较佳的亮度对比；可采用高效大功率的灯泡，因而照明装置数量少，投资费用较小。
3.2.2 局部照明。
局部照明是为了满足某些部位(如工作面)的特殊需要而设置的固定或移动的照明。它只照亮一个有限的工作区。其优点是开闭灵活方便，并能有效地突出对象，一般在下列情况时应采用局部照明：a.局部区域需要有较高照度；b.由于遮挡而使一般照明照射不到的某些部位；c.视功能降低的人需要有较高的照度；d.需要减少工作区内的反射眩光；e.为加强某方向的灯光以增强实体感时。

3.2.3 混合照明。
由一般照明和局部照明组成的照明方式，称为混合照明。对于工作位置需要有较高照度并对照射方向有特殊要求的场所，应采用混合照明。混合照明的优点是，可以在工作面(平面、垂直面或倾斜表面)上，甚至在工作的内腔里获得较高的照度，并易于改善光色，减少装置功率和节约运行费用。混合照明中的一般照明照度，应按该等级混合照明照度的5％~10％选取，但不宜低于30lx。
4 照度的计算
4.1 照度计算
照度计算是民用建筑电气没计过程中必不可少的重要环节。照度计算的任务是，根据需要的照度值及其他已知条件(如照明装置类型及布置、房间各个面的反射条件及照明灯具污染等情况)确定光源的容量或数量；或是在照明装置的类型、布置及光源的容量都巳确定的情况下计算某点的照度值。室内照度计算常用光通法及逐点法。光通法又称利用系数法，它适用于反射条件较好的房间。逐点法又称平方反比法，适用于采用直射光照明的场所。一般常以光通法计算工作面的平均照度，而以逐点法校验其某点的照度。
4.2 逐点照度计算法
逐点照度计算法逐点照度计算法是照度计算的最基本方法，常用它验算工作点的照度。它的特点是准确度高，可以计算出任何点上的照度。这种计算方法适用于局部照明、采用反射光灯具的照明、特殊倾斜面上的照明和其他需要准确计算照度的场合。某点的照度应是有多个光源对该点产生的照度总和，写成实用计算公式为
Es=Φ∑es/1000K(1)
式中Φ———每个灯具中光源的总光通量（lm）；K———补偿系数；Es———某点的水平照度（lx）;∑es———各灯具所产生的假设水平照度总和（lx）。
根据计算高度及计算点到灯具间的水平距离，查各种灯具的“等照度曲线”，就可得到该点的水平照度值。因为等照度曲线是以假设光源光通量为1000lm时所画的，所以公式中要除以1000，es称“假设”水平照度。
4.3 利用系数法
利用系数法利用系数法适用于均匀布置灯具的一般照明，是根据多次相互放射的理论求的灯具利用系数，再按照利用系数计算出要求达到平均照度所需的灯数。利用系数定义为室内的工作面上，由灯具的照射和墙、顶棚的反射而得到的光通量Fg与光源发出的光通量之比值，即Eav＝ΦNu/SK(2)
式中Φ———各灯具的光通量（lm）；N———灯具数；S———房间面积（m）2;K———照度补偿系数；Eav———工作面上的平均照度（lx）。
概算曲线是按被照面上平均照度为100lx时，房间面积与所用灯具数量的关系曲线。通过查不同灯具、条件下的概算曲线，可直接查得所需灯具数。
4.4 单位容量法
单位容量法这是根据不同灯具、不同计算高度、不同照度时的近似单位容量值表，计算出照明总容量及灯具数的一种简便方法。常用来估算照明负载或进行简单的照度计算。

参考文献
[1]韦课常.电气照明技术基础与设计[M].北京：电力工业出版社.
[2]胡乃定.现代民用建筑电气工程设计与施工[M].北京：中国电力出版社.
[3]朱银根.21世纪建筑电气设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社.

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