异步电动机星三角启动、能耗制动PLC控制.doc

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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题 目：异步电动机Y/△启动、能耗制动PLC控制

学习中心：
层 次： 高起专
专 业： 电力系统自动化技术
年 级： 2012年 秋 季
学 号： 101055228451
学 生：
指导教师：
完成日期： 2012年 月 01 日

内容摘要
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求。本文设计了三相异步电动机的PLC控制电路，PLC采用三菱公司PLC产品FN1N-14MR-001：8输入点,6点继电器输出(直流供电)。
本文主要研究了异步电动机的ㄚ-Δ减压启动和能耗制动控制的继电器控制，画出及其相应的输入输出接线图，根据继电器控制电路图画出PLC控制梯形图，最后给出控制指令。

关键词：PLC；ㄚ-Δ减压起动；异步电动机；能耗制动

目 录

内容摘要 I
1 前言 1
2 PLC基础 2
2.1 PLC的定义 2
2.2 PLC与继电器控制的区别 2
2.3 PLC的工作原理 2
24 PLC的应用分类 3
2.5 本文设计PLC的选择 3
3 三相异步电动机的ㄚ-△减启动、能耗制动控制 5
3.1直接启动和Y-△减压启动 5
3.2 三相异步电动机ㄚ-△减压启动、能耗制动的继电器控制 5
3.3三相异步电动机ㄚ-△减压启动、能耗制动PLC控制 6
3.3.1 PLC控制I/O地址分配和接线图 6
3.3.2 PLC控制I/O梯形图和指令表 7
3.4三相异步电动机使用PLC控制优缺点 6
4 结论 10
参考文献 11

1 前言

三相异步电动机的应用几乎涵盖了农业生产和人类生活各个领域，在这些应用领域中，三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
在生产过程，科学研究和其他产业领域中，电气控制技术应用十分广泛。在机械设备的控制中，电气控制也比其他的控制方法使用的更为普遍。
本系列的控制是采用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，它是专为在恶劣工作环境下应用而设计。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。
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，由于计算机计数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。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，大大超出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，扩大了PLC的功能，使其具有很强的的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。

2 PLC基础

2.1 PLC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
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
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。
1、 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。
2、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。
3、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
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。
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 本文设计PLC的选择
目前，各个厂家生产的PLC其品种、规格及功能都各不相同。本文设计系统共包括7路开关量，3输入4输出，考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。由于本设计的需要我选择了日本三菱公司的FN1N系列PLC，既FN1N-14MR-001。FN1N-14MR-001是超小型PLC，之所以选择三菱公司生产的PLC，是因为其产品特点有以下三个特点：
（1）丰富的指令系统，有将近200条指令。
（2）有强大通信功能。
（3）CPU处理速度快。

3 三相异步电动机的ㄚ-△减压启动、能耗制动控制

3.1直接启动和Y-△减压启动
异步电动机有两种直接起动方法：直接起动和降压起动。直接启动即启动时把电动机直接接入电网，加上额定电压，一般来说，电动机的容量不大于直接供电变压器容量的20％-30％时，都可以直接启动。直接起动简单、经济，一般容量小于10KV的电动机常用直接起动。
电机容量较大时应采用降压起动以限制起动电流，常用的降压起动方法有Y—△降压起动、自耦变压器降压起动和定子串电阻降压起动等。星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。本文研究了电机容量较大时的星形-三角形减压起停控制方法
3.2 三相异步电动机Y-△减压启动、能耗制动的继电器控制
星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。
电动机脱离三相电源的同时，给定子绕组接入一直流电源，使直流电流通入定子绕组。于是在电动机中便产生一方向恒定的磁场，使转子受一与转子转动方向相反的F力的作用，于是产生制动转矩，实现制动。直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.5—1倍。由于这种方法是用消耗转子的动能（转换为电能）来进行制动的，所以称为能耗制动。这种制动能量消耗小，制动准确而平稳，无冲击，但需要直流电流。在有些机床中采用这种制动方法。
下图3.1中主电路通过三组接触器主触点将电动机的定子绕组接成三角形或星形，即KM1、KMY主触点闭合时，绕组接成星形；KM1、KM△主触点闭合时，接为三角形；KM2主触点闭合时定子绕组通过变压器TC接入一直流电源，转子受到反方向力的作用，产生能耗制动使电机停止。

图3.1 ㄚ-△减压起动、能耗制动的继电器控制电路图
电路的工作过程如下：
按下起动按钮SB2，时间继电器KT和接触器KM1同时通电吸合，KM1的常开主触点闭合，将定子接入电源，同时接通KMY使电动机在星形连接下起动；经一定延时，KT的常闭触点断开，KMY断电复位，接触器KM△通电吸合；KM△的常开主触点将定子绕组接成三角形，使电动机在额定电压下正常运行；按下停止按钮SB1，KM1断开，KM2吸合，电机通过变压器TC向定子绕组接入一直流电源，实现能耗制动。
3.3三相异步电动机ㄚ-△减压启动、能耗制动PLC控制
星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。由电工基础知识可知，星形连接时起动电流仅为三角形连接时的1/√3，相应的起动转矩也是三角形连接时的1/3。
3.3.1 PLC控制I/O地址分配和接线图
本文设计PLC采用三菱公司PLC产品FN1N-14MR-001：8输入点,6点继电器输出(直流供电)。根据实际使用运行要求和安装调试的方便将输入和输出口分组，根据继电器启停控制的原理做如下分配表1：
表1 异步电动机ㄚ-△减压启动、能耗制动PLC控制I/O地址分配表

输入口
输出口
输入元件
输入名称
输入地址
输出元件
输出名称
输出地址
SB2
停止按钮
X001
KM1
接触器
Y000
SB1
启动按钮
X004
KM△
接触器△
Y002
FR
保护开关
X002
KMY
接触器Y
Y001

KM2
制动接触器
Y003

图3.2为三相异步电动机ㄚ-△减压起停PLC控制I/O接线图：

图3.2 三相异步电动机减压启动、能耗制动的I/O接线图
3.3.2 PLC控制I/O梯形图和指令表
用PLC改造三相异步电动机减压起动继电接触器控制系统，根据原有的继电接触器电路图来设计梯形图是一条简便实用的办法。原有的三相异步电动机减压起动继电接触器控制系统，已经证明能完成系统要求的各种功能。继电接触器控制电路图和PLC程序控制梯形图有许多相似的地方，按照梯形图语言设计规定和对应关系可以将继电接触器电路图方便地“翻译”成梯形图控制程序，用PLC的外部硬接线和梯形图软件来实现继电接触器电路图的控制功能。
图3.1所示三相绕线式异步电动机转子串电阻启动控制PLC梯形图使用的是内部继电器、定时器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原继电接触器控制线路硬接线无法比拟的。
三相异步电动机减压启动、能耗制动PLC梯形图和指令表如下图3.3和表3.2所示。

图3.3减压起动梯形图
对应的指令如下表：
表3.2 三相异步电动机的ㄚ-△减压启动、能耗制动的指令语句表
步 序
指令 数据
步 序
指令 数据
0
LD X001
14
ANI Y003
1
OR Y000
15
ANI Y001
2
ANI X004
16
OUT Y002
3
ANI X002
17
LD X004
4
ANI Y003
18
OR Y003
5
OUT Y000
19
ANI Y000
6
OUT T0
20
ANI T1
7
LD Y000
21
OUT Y003
8
ANI Y002
22
LD Y003
9
ANI T0
23
OUT T1 K300
10
OR Y003
24
END
11
OUT Y001

12
LD T0

13
OR Y002

3.4三相异步电动机使用PLC控制优缺点
本次设计就对三相异步电动机的ㄚ-Δ的起动方式、能耗制动系统进行了设计。ㄚ-Δ的起动方式弥补了直接启动不能再大功率电路中使用的缺点，同时能减小起动电流，能减小对机械设备的冲击，待转速上升到接近额定转速时，再恢复到全压运行。此方法只能用于正常工作时定子绕组为三角形联接的电动机。这种换接起动可采用星三角起动器来实现。星三角起动器体积小、成本低、寿命长、动作可靠。而能耗制动消耗小，制动准确而平稳，无冲击，但需要直流电流。在有些机床中采用这种制动方法。
使用PLC控制三相异步电动机有很多好处的：不宜老化、设备简单、结构合理、便于控制、价格便宜等。

4 结论

本文设计和制作了三相异步电动机的PLC控制系统，该控制系统主要以三相异步电机的减压起动、正反转、反接制动为主要研究对象，通过对他们的继电器控制电路的研究，从而分析使用PLC对他们进行自动控制。在减压起动中，只介绍了异步电动机的ㄚ-Δ的起动方式，一般容量小于10KV的电动机常用直接起动。在停止方式上，介绍了能耗制动方式，有时为了减小起动是对机械设备的冲击，对允许直接起动的电动机也采用减压起动，其方法还有定子绕组串电阻、延边三角形和自耦变压器起动等。但以上几种减压起动方式一般只用于空载或轻载起动。在大型设备中，多台电动机拖动的设备上，常需要电动机按先后顺序工作，通过对三相异步电动机的正反转PLC控制学习后，对研究两台电动机顺序起动控制有了一定的经验。
通过概述使大家充分了解了该控制系统的原理与功能。介绍三相异步电动机的PLC控制的设计原理，从对三相异步电动机的PLC控制现象中发现了存在许多问题，通过对系统的检测来判断程序的是否可用，并且从数学角度分析了PLC与三相异步电动机控制的关系。
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控制分析中产生了浓厚的兴趣，提高了本人对PLC的分析和运用能力，由于本人水平有限，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。

参考文献

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