电工项目基础 12

项目18用PLC实现三相异步电动机正反转控制主讲：《维修电工考级项目训练教程》（第三版）电机安装维修变压器测试低压电器电力拖动项目十八PLC控制三相异步电动机正反转控制01.PLC的基本结构和原理02.三相异步电动机PLC电气控制03.GXWork2编程软件编制SFC图项目描述在工农业生产和日常生活中经常需要根据工艺要求改变三相异步电动机的运行状态。模块八介绍了传统的接触器与继电器构成的控制系统，但这种控制方法维护工作量大且难以实现自动控制。本项目以正反转控制为实例介绍用PLC技术来实现对电动机运行状态的控制，应掌握PLC的基本原理、常用基本指令和梯形图编程方法。学习目标1.掌握PLC的工作原理与基本构造。2.熟悉PLC的常用基本指令。3.会根据控制要求，利用PLC的基本指令编写程序。4.掌握PLC的梯形图编程方法，能操作GXWorks2编程软件。5.具有根据控制要求设计简单PLC控制系统的能力。实训操作序号名称规格单位数量1三菱PLCFX3U-32MR台12万用表500型或MF-30型块13三相异步电动机Y90S-4/1kW台14计算机带编程软件台15交流接触器CJ20-10A/220V个16热继电器JR16-20/3个1器材、工具、材料实训操作用PLC实现三相异步电动机的正反转控制1.PLC程序编写利用GXWorks2编程软件，编写正反转控制PIC梯形图程序，如图9-1所示。实训操作用PLC实现三相异步电动机的正反转控制1.PLC程序编写正反转控制PIC的I/O端口分配见表9-1输入输入点输出输出点停止按钮SB1X0220V正转接触器KM1Y1正转按钮SB2X1220V反转接触器KM2Y2反转按钮SB3X2

热继电器触点FRX3

表9-1三相异步电动机正反转PLC控制I/O端口分配表实训操作2．主电路与PLC控制电路接线（图9-2和图9-3）3.电动机的正反车转运行操作按图9-2与图9-3接线。按下SB2，电动机正转，按下SB1，电动机停止。按下SB3，电动机反转，按下SB1，电动机停止。当电动机过载时，热继电器FR动断触点断开，电动机停止。相关知识01.PLC的基本结构与原理一、PLC的基本结构1.PLC的硬件结构PLC型号品种繁多，但实质上都是一种工业控制计算机。与通用计算机相比，PLC不仅具有与工业过程直接相连的接口，而且有更适用于工业控制的编程语言。PLC的编程主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I/O）电源和编程器等组成，其结构框图如图9-4所示。相关知识01.PLC的基本结构与原理一、PLC的基本结构1.PLC的硬件结构（1）中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心部件，起着控制和运算的作用，执行程序规定的各种操作，处理输入信号，发送输出信号等。PLC的整个工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。（2）存储器存储器存放系统监控运行程序、用户程序、逻辑及数学运算的过程变量及其他所有信息。（3）电源电源包括系统电源、备用电源及记忆电源。PLC大多使用220V交流电源，PLC内部的直流稳压单元用于为PLC的内部电路提供稳定直流电压某些PLC还能够对外提供DC24V的稳定电压.为外部传感器供电。PLC般还带有后备电池，为防止因外部电源发生故障而造成PLC内部主要信息意外丢失。（4）输入/输出单元输入/输出单元又称I/O接口电路，是PIC与外部被控对象联系的纽带与桥梁。根据输入/输出信号的不同，I/O接口电路有开关量和模拟量两种I/O接口电路。输入单元用来进行输入信号的隔离滤波及电平转换：输出单元用来对PLC的输出进行放大及电平转换，驱动控制对象。输入单元接口是用于接收和采集现场设备及生产过程的各类输入数据输出信息（如从各类开关操作按钮等送来的开关量，或由电位器、传感器提供的模拟量），并将其转换成CPU所能接受和处理的数据：输出接口则用于将CPU的控制信息转换成外设所需要的控制信号，并送至有关设备或现场（如接触器、指示灯等）。输入接口电路由输入数据寄存器、选通脉冲电路及中断请求逻辑电路组成。当PLC扫描在允许输入阶段时，发出允许中断请求信号，选通电路选中对应输入数据寄存器，在允许输入后通过数据总线把输入数据寄存器的数据成批输入至输入映像存储区，供CPU进行逻辑运算用。通常，输入接口电路有直流（12~24V）输入、交流输入、交直流输入三种，如图9-5所示。I/O接口电路大多采用光电耦合器来传递I/O信号，并实现电平转换。这可以使生产现场的电路与PLC的内部电路隔离，既能有效地避免因外电路的故障而损坏PLC，同时又能抑制外部干扰信号侵入PLC，从而提高PLC的工作可靠性。PLC通过输出接口电路向现场控制对象输出控制信号。输出接口电路由输出锁存器、电平转换电路及输出功率放大电路组成。PLC功率输出电路有三种形式：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出，如图9-6所示。继电器输出负载电流大于2A.响应时间为8~10ms，机械寿命大于10（6次方）次。根据负载需要可接交流或直流电源。晶体管输出负载电流约为0.5A，响应时间小于1ms，电流小于100uA，最大浪涌电流约为3A。负载只能选择36V以下的直流电源。晶闸管输出一般采用三端双向晶闸管输出，其耐压较高，带负载能力强，响应时间小于1ms。晶闸管输出应用较少。（5）编程器主要供用户进行输入、检查、调试和编辑用户程序。用户还可以通过其键盘和显示器去调用和显示PLC内部的一些状态和参数，实现监控功能。①专用编程器PLC的专用编程器实际上是一台专用的计算机，可在屏幕上用梯形图编程，而且可以脱机编程。它的功能比较完善，能够监控整个程序的运行，还可以对挂在PLC网络上的各个分站进行监控和管理。但其价格较昂贵，且要有专门的机房，一般适用于大、中型机。②计算机辅助编程：许多PLC生产厂家都开发了专用的编程软件，将PLC与计算机通过RS232通信接口相连接（若PLC用的是RS422通信接口，则须另加适配器），就可以在计算机上采用各种编程语言编程并实现各种功能。相关知识一、PLC的基本结构2.PLC的软件结构PLC的软件包括系统软件和应用软件。系统软件主要是系统的管理程序和用户指令的解释程序，已固化在系统程序存储器中，用户不能更改。应用软件即用户程序，是由用户根据控制要求，按照PLC编程语言自行编制的程序。1994年，国际电工委员会（IEC）在PIC的标准中推荐了5种编程语言：梯形图、指令表、顺序功能图、功能图块和结构文本。（1）梯形图语言PLC的梯形图是从继电器控制电路图演变过来的，作为一种图形语言，它不仅形象直观，还简化了符号，通过丰富的指令系统可实现许多继电器电路难以实现的功能，充分体现了微机控制的特点，而且逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，容易掌握，所以很受用户欢迎，是目前使用最多的PLC编程语言。继电器控制电路图和PLC梯形图对照如图9-7所示，由图可见，两种图的表达思想是相同的，但具体的表达方式及其内涵则有所区别：①在继电器控制电路图中，每个电气符号代表一个实际的电气元件或电气部件，电气符号之间的连线表示电气部件间的连接线，因此继电器控制电路图表示一个实际的电路；而梯形图表示的不是一个实际的电路而是一个程序，图中的继电器并不是物理实体，可称为“软继电器”，它实质上是PIC的内部寄存器，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系。②继电器控制电路图中的每一个电器的触点都是有限的，其使用寿命也是有限的；而PLC梯形图中的每个符号对应的是一个内部存储单元，其状态可在整个程序中多次反复地读取，因此可认为PLC内部的“软继电器”有无数个动合和动断触点供用户编程使用（且无使用寿命的限制），这就给设计控制程序提供了极大方便。③在继电器控制电路中，若要改变控制功能或增减电器及其触点，就必须改变电路，即重新安装电气元件和接线；而对于PLC梯形图而言，改变控制功能只需要改变控制程序。梯形图构成的基本规则①梯形图中表示PLC“软继电器”触点的基本符号有两种：一种是动合触点，另一种是动断触点，每个触点都有一个标号如X001、X002，以示区别。同一标号的触点可以反复多次使用。②梯形图中的输出“线圈”也用符号表示，其标号如Y001、Y002表示输出继电器，同一标号的输出继电器作为输出变量只能够使用一次。③梯形图按由左至右、由上至下的顺序画出，因为CPU是按此顺序执行程序的。最左边的是起始母线，每一逻辑行必须从起始母线开始画起，左侧先画开关并注意要把并联触点多的画在最左端，串联触点多的画在最上端；最右侧是输出变量，输出变量可以并联但不能串联，在输出变量的右侧也不能有输入开关，最右边为结束母线。（2）指令表语言语言这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，是用一系列操作指令组成的语句表控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。不同厂家的PLC指令语句表使用的助记符并不相同，因此，一个相同功能的梯形图，书写的语句表并不相同。图9-7中所示电路如用三菱公司FX型PLC语句表如下：步序操作码（助记符）操作数（参数）。可见，指令表语句是由若干条语句组成的程序。语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条或几条语句来执行。PLC的语句表达形式与微机的语句表达式相类似，也是由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符LD表示取，OR表示或符，用来执行要执行的功能，告诉CPU该进行什么操作，例如，逻辑运算的与、或、非；算术运算的加、减、乘、除，时间或条件控制中的计数、计时、移位等功能。操作数一般由标识符号和参数组成，标识符表示操作数的类别，例如，表明是输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等；参数表明操作数的地址或一个预先设定值。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图是相互对应的，可以互相转换。(3）顺序功能图顺序功能图（SFC）又称为状态转移图，是以“状态转移”为核心的图形化编程语言，通过拆解控制流程为“状态-转移-动作”三要素，直观、清晰地描述具有先后顺序、条件分支或循环特征的工业控制任务，是解决流程类控制问题（如生产线、机械设备自动化）的核心工具之一。（4）功能图编程语言这是一种较新的编程方法，采用了半导体逻辑电路的逻辑框图来表达。控制逻辑常用“与”、“或”、“非”三种逻辑功能来表示。（5）高级语言在大型PLC中为了完成比较复杂的控制有的也采用计算机高级语言，这样PLC的功能就更强。相关知识二、PLC的工作原理及PLC的特点1.PLC的工作原理传统的继电器控制系统由输入、逻辑控制和输出三个基本部分组成，其逻辑控制部分是由各种继电器（包括接触器、时间继电器等）及其触点，按一定的逻辑关系用导线连接而成的电路。若需要改变系统的逻辑控制功能，必须改变继电器控制电路。PIC控制系统也是由输入，逻辑控制和输出三个基本部分组成，但其逻辑控制部分采用PLC代替继电器电路。因此，可以将PLC等效为一个由许多个各种可编程继电器（如输入继电器、输出继电器、定时器等）组成的整体。PIC内的这些可编程元件，由于在使用上与真实元件有很大的差异，因此亦称“软”继电器。二、PLC的工作原理及PLC的特点1.PLC的工作原理PLC控制系统利用CPU和存储器及其存储的用户程序所实现的各种“软”继电器及其“软”触点和“软”接线，来实现逻辑控制。它可以通过改变用户程序，灵活地改变其逻辑控制功能。因此，PLC控制的适应性很强。PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环，这种方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个过程可分为五个阶段：自诊断、与编程器计算机等通信、输入采用（读入现场信号）、用户程序执行，输出刷新（输出结果）。2.PLC的特点（1）PLC编程容易PLC是面向用户的设备，采用梯形图来编程，这种编程方法形象直观，无需专业的计算机知识和语言，其电路图形符号和表达方式与继电器电路原理图相似，所以熟悉继电器电路图的电气技术人员可以在很短的时间里熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。（2）功能强，性价比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程组件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比，PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。（3）控制系统简单，适应性强，施工周期短PLC产品已经实现标准化、系列化、模块化，并配备品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC及外围模块品种多，可灵活组合完成各种要求的控制系统。（4）系统维护容易PLC具有完善的监控及自诊断功能，内部各种软元件的工作状态可用编程软件进行监控，配合程序针对性编程及内部特有的诊断功能，可以快速、准确地找到故障点并及时排除故障。还可配合触摸屏显示故障部位或故障属性，因而大大缩短了维修时间。（5）可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用大量的接触器、继电器。其触点容易出现故障。PLC用软件代替大量的接触器、继电器，仅剩下与1O有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制的1/100～1/10，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接应用于有强烈干扰的工业生产现场；PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。（6）体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PIC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/10~1/12。PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。相关知识输入输入点输出输出点停止按钮SB1X0接触器KMY0连续运行按钮SB2X1点动运行按钮SB3X2

热继电器触点FRX3

表9-2三相异步电动机点动、连续运行控制电路PLC的输入、输出端口分配表一、三相异步电动机点动、连续运行控制1.I/O分配02.三相异步电动机PLC电气控制一、三相异步电动机点动、连续运行控制2.PLC控制电路图9-8三相异步电动机点动、连续运行控制电路PLC的控制电路图一、三相异步电动机点动、连续运行控制3.PLC程序设计图9-9三相异步电动机点动、连续运行控制电路PLC梯形图一、三相异步电动机点动、连续运行控制4.电路调试（1）根据图9-8进行电气线路的安装与接线，检查电路无误。（2）参考图9-9编写PLC程序，调试程序正确。（3）送电调试电路合上QF，按下点动按钮SB3，电动机运行，松开点动按钮SB3，电动机停止运行。按下连续运行按钮SB2，电动机连续运行；按下停止按钮SB1，电动机停止运行。当电动机过载时，热继电器FR动作，电动机停止运行。二、三相异步电动机正反转控制1.1/0分配三相异步电动机正反转控制电路PLC的输入、输出端口分配见表9-1。2.三相异步电动机正反转PLC控制电路三相异步电动机的正反转PLC控制电路图如图9-10所示。二、三相异步电动机正反转控制1.I/O分配输入输入点输出输出点停止按钮SB1X0220V正转接触器KM1Y1正转按钮SB2X1220V反转接触器KM2Y2反转按钮SB3X2

热继电器触点FR1X3

表9-2三相异步电动机正反转PLC控制I/O端口分配表二、三相异步电动机正反转控制2.PLC控制电路图9-10三相异步电动机正反转控制电路PLC的控制电路图二、三相异步电动机正反转控制3.PLC程序设计图9-11三相异步电动机正反转控制电路PLC梯形图实训操作18进行了电动机正反转PLC控制电路的安装操作，电动机由正转转为反转时要先停机，才能起动电动机的反转。为了提高工作效率，在一些小功率的电动机正反控制中，常采用直接转换不需要停机。不用改变原电路的接线，只要更新PLC的程序即可实现。三相异步电动机直接正反转控制PLC梯形图如图9-11所示。二、三相异步电动机正反转控制4.电路调试（1）根据图9-10进行电气线路的安装与接线，检查电路无误。（2）参考图9-11编写PLC程序，调试程序正确。（3）送电调试电路合上QF，按下正转按钮SB2，电动机正转运行。按下反转按钮SB3，电动机反转运行，再按下正转运行按钮SB2，电动机正转运行。按下停止按钮SB1，电动机停止运行。当电动机过载时，热继电器FR动作，电动机停止运行。三、三相异步电动机星三角降压起动控制1.I/O分配输入输入点输出输出点热继电器触点FRX0接触器KM1Y0停止按钮SB1X1接触器KM2Y1起动按钮SB2X2接触器KM3

Y2表9-3三相异步电动机星三角降压起动PLC控制I/O端口分配表三、三相异步电动机星三角降压起动控制2.PLC控制电路图9-12三相异步电动机星三角降压起动控制电路PLC的控制电路图三、三相异步电动机星三角降压起动控制3.PLC程序设计图9-13三相异步电动机星三角降压起动控制电路PLC梯形图三相异步电动机星三角降压起动控制的时间设定为3s。三、三相异步电动机星三角降压起动控制4.电路调试（1）根据图9-12进行电气线路的安装与接线，检查电路无误。（2）参考图9-13编写PLC程序，调试程序正确。（3）送电调试电路合上QF，按下起动按钮SB2，接触器KM1、KM2线圈得电，电动机定子绕组接成星形起动；3s后接触器KM2线圈失电，接触器KM3线圈得电，电动机定子绕组接成三角形运行。按下停止按钮SB1，电动机停止运行。当电动机过载时，热继电器FR动作，电动机停止运行。相关知识03.GXWorks2编程软件编制SFC图顺序功能图SFC是PLC的编程语言之一，三菱GXWorks2编程软件可实现SFC图的编制及调试。以图9-14为例，介绍SFC图的编制过程。图9-14单序列顺序功能图相关知识一、顺序功能图SFC的编制选择“工程”→“新建”命令，打开“新建工程”对话框，如图9-15所示。1.新建SFC工程图9-15新建SFC工程选择“工程”→“新建”命令，打开“新建工程”对话框，如图9-15所示。在“新建工程”对话框中依次选择“工程类型”、“PLC系列”、“PLC类型”，与新建梯形图工程相同；在选择“程序语言”时，单击下拉列表选择“SFC”，单击“确定”，进入块设置。03.GXWorks2编程软件编制SFC图一、顺序功能图SFC的编制如图9-16所示，在“块信息设置”对话框中，“标题”栏输入“初始化”，也可以不写，在“块类型”选择列表中选择“梯形图块”，这一步的目的是使SFC进入初始步。点“执行”后进入图9-17界面，对初始步进行编程。在标签①的LD方框单击，对其右侧梯形图编辑区进行编程。2.初始化编程图9-16新建初始化块一、顺序功能图SFC的编制在标签①的LD方框单击，对其右侧梯形图编辑区进行编程。选择图标

动合触点，输入M8002；再选择图标，输入SETS0。如图9-17右侧区域标签②所示，结束初始块的编程。2.初始化编程图9-17梯形图块编辑一、顺序功能图SFC的编制在图9-17的标签③处，用右键单击“MAIN”，在快捷菜单中选择“新建数据…”，打开“新建数据”对话框，如图9-18所示。单击“确定”按钮，进入“块信息设置”对话框，如图9-19所示。在“块类型”下拉列表中选择“SFC块”，单击“执行”按钮，进入SFC块编程。3.创建SFC块图9-18“新建数据”对话框图9-19“块信息设置”对话框一、顺序功能图SFC的编制（1）SFC图的编制4.SFC块编程图9-20SFC的编制界面在图9-20中，使用SFC工具栏中的“步”按钮和“转移”按钮，依次编制步和转移。一、顺序功能图SFC的编制（1）SFC图的编制4.SFC块编程图9-21步的设置在图9-20所示方框选择处单击“步”，进入“SFC符号输入”对话框，图形符号“STEP”表示步，在右侧文本框中输入步号“10”，如图9-21所示。一、顺序功能图SFC的编制（1）SFC图的编制4.SFC块编程图9-22转移设置完成步的输入后，再单击“TR”转移，进入转移设置，如图9-22所示。图9-23跳转设置依次输入步和转移，直到最后一个转移，要让最后一步转移回到初始步，需要选择“JUMP”跳转命令，在跳转设置中，输入跳转结束的步号，这里输入“0”，表示回到初始步“S0”，如图9-23所示。SFC图编制结束后的结果，如图9-24所示。图9-24SFC图编制结束（2）动作及转换条件编程4.SFC块编程图9-25步的动作编程SFC图中的步和转移需要编程，“步”中编辑需要完成的动作，“转移”中编辑步与步之间转移的条件。编程时，先要选择编程的“步”，然