项目二 三相异步电动机的电气控制.docx
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项目二三相异步电动机的电气控制
项目二三相异步电动机的电气控制
项目情境创设
在各行各业广泛使用的电气设备和生产机械中，其自动控制线路大多以各类电动机或者其他执行电器为被控对象。
根据一定的控制方式用导线把继电器、接触器、按钮、行程开关、保护元件等器件连接起来组成的自动控制线路，通常称作电器控制线路。
其作用是对被控对象实现自动控制，以满足生产工艺的要求和实现生产过程自动化。
三相笼型异步电动机由于结构简单、价格便宜、坚固耐用等优点获得了广泛应用。
在生产实际中，它的应用占到了使用电机的80％以上。
所以本章主要讲解三相笼型异步电动机的控制线路。
三相笼型异步电动机的控制线路大都由继电器、接触器和按钮等有触点的电器组成。
下面介绍基本的控制线路。
项目学习目标
项目教学目标
教学方式
学时
技能目标
熟悉和掌握常见的基本控制线路
掌握控制线路的操作技能
学生实际练习；教师指导安装和使用
知识目标
掌握继电器控制线路转换为PLC的编程方法
掌握PLC的基本编程规则
熟悉用PLC连接三相异步电动机的星/三角启动原理
教师讲授
重点：
熟悉PLC的编程指令
项目基本功
一、项目基本技能
根据生产机械的工作性质及加工工艺要求，利用各种控制电器的功能，实现对电动机的控制，其控制线路是多种多样的。
然而任何控制线路，包括最复杂的线路都是由一些比较简单的、基本的控制线路所组成的，所以熟悉和掌握基本控制线路是学习、阅读和分析电气控制线路的基础。
常见的基本控制线路的主要任务是承担电动机的供电和断电，另外还担负着电动机的保护任务。
当电动机或电源发生故障时，控制电路应能发出信号或自动切除电源，以避免事故进一步扩大。
任务一电动机的点动与连续运行控制
一、电动机的点动控制
机械设备中如机床在调整刀架、试车，吊车在定点放落重物时，常常需要电机短时的断续工作，即需要按下按钮，电动机就转动，松开按钮，电动机就停转。
实现这种动作特点的控制就叫点动控制。
如图2-1所示为采用带有灭弧装置的交流接触器的点动控制线路图。
此电路是由刀开关QS，熔断器FU，启动按钮SB，接触器KM及电动机M组成的。
接触器的主触头是串接在主线路中的。
工作原理：
合上开关QS，按下启动按钮SB，接触器线圈KM得电，，使衔铁吸合，带动接触器常开主触头闭合，电机运转；当松开启动按钮SB，接触器线圈断电，电机停止转动。
图2-1点动控制线路
二、电动机的自锁连续控制
图2-2自锁连续控制线路
在要求电动机启动后能连续运转时，采用点动正转控制就不行，为实现电动机的连续运转，可采用接触器自锁正转控制线路。
如图2-2所示，三相异步电动机的自锁控制线路的主电路和点动控制的主电路大致相同，但在控制电路中又串接了一个停止按钮SB1，在启动按钮SB2的两端并接了接触器KM的一对常开辅助触头。
接触器自锁正转控制线路不但能使电动机连续运转，而且还有一个重要的特点，就是具有欠压和失压（或零压）保护作用。
它主要由按钮开关SB（起停电动机使用）、交流接触器KM（用做接通和切断电动机的电源以及失压和欠压保护等）、热继电器（用做电动机的过载保护）等组成。
工作原理：
起动时，合上QS，引入三相电源。
按下SB2，交流接触器KM线圈得电，主触头闭合，电动机接通电源直接起动。
同时接触器自锁触头KM闭合，实现自锁。
停车时，按下停止按钮SB1将控制电路断开即可。
此时，KM线圈失电，KM的所有触头复位，KM常开主触头打开，三相电源断开，电动机停止运转。
松开SB1后，SB1虽能复位，但接触器线圈已不能再依靠自锁触头通电。
三、电动机的点动与连续运行控制
在生产过程中,常会遇到对设备需要点动控制又能运行的控制电路，下图就是一种电动机点动、运行混合控制电路，SB2是运行按钮，SB3是点动控制按钮。
图2-3点动与连续运行控制
工作原理：
按下图2-3中的启动按钮SB2，接触器KM得电自保，其常开主触点接通主电路，实现电机连续运转；按下停止按钮SB1，接触器KM失电复位，断开主电路，电机停止。
当按下启动按钮SB3时，接触器线圈KM得电，主触头KM吸合电动机得电运行，但由于其常闭触点断开接触器KM自锁回路，接触器KM无法实现自锁，SB3的常开触点接通时KM得电吸合，松开SB3，KM就失电，电动机断开电源而停车。
当采用PLC控制时，按钮SB1,SB2,SB3和热继电器FR的触点是PLC的输入设备，接触器KM是输出设备。
表2-1输入/输出地址分配
输入
输出
符号
地址
功能
符号
地址
功能
SB2
I0.0
启动
KM
Q0.0
接触器
SB3
I0.1
点动
SB1
I0.2
停止
FR
I0.3
过载保护
程序设计如图2-4示：
图2-4电动机的点动与连续运行控制程序
接线图如图2-5所示
图2-5电动机的点动与连续运行接线图
图2-4梯形图原理说明：
1）连续：
按下起动按钮，其常开触点I0.0闭合使线圈得电，Q0.0接通，Q0.0的常开触点闭合自锁，使Q0.0处于连续接通状态；按下停止按钮，线圈失电，其常闭触点I0.2断开或热继电器动作常闭触点I0.3断开，使Q0.0断电。
2）点动：
按下点动按扭，其常开触点I0.1闭合，线圈得电，使Q0.0接通；松开后，触点断开，Q0.0断电。
任务二电动机的正、反转控制
前面介绍的控制线路中，电动机都只能朝某一个方向旋转，即所谓的单相运行或正转运行。
但在生产过程中，有许多生产机械往往要求运动部件可以正反两个方向运动，如机床工作台的前进与后退，主轴的正转和反转，起重机的上升和下降，等等，这就要通过电动机的正、反双向运转来实现。
一、接触器互锁（电气互锁）的正、反转控制
如图2-6，KM1为正转接触器，KM2为反转接触器。
显然KM1和KM2两组主触点不能同时闭合，否则会引起电源短路。
控制电路中，正反转接触器KM1和KM2线圈支路都分别串联了对方的常闭触点，任何一个接触器接通的条件是另一个接触器必须处于断电释放的状态。
两个接触器之间的这种相互关系称为“互锁”，图示电路中，互锁是依靠电气元件电气的方法来实现的，所以也称为电气互锁。
实现电气互锁的触点称为互锁触点。
图2-6接触器互锁（电气互锁）的正、反转控制
工作原理：
正转控制：
按下SB1→KM1线圈得电→KM1自锁触头闭合自锁→电动机M启动连续正转运转
┖→KM1主触头闭合───┚
┖→KM1联锁触头分断对KM2联锁
停止控制：
按下SB3→KM1线圈失电→KM1常开辅助触头断开┒
┖→KM1主触头断开──→ 电动机M停转。
┖→KM1联锁触头恢复闭合，解除KM2联锁
反转控制：
按下SB2→KM2线圈得电→KM2自锁触头闭合自锁→电动机M启动连续反转运转
┖→KM2主触头闭合────┚
┖→KM2联锁触头分断对KM1联锁
二、按钮互锁（机械互锁）的正、反转控制
如图2-7，控制电路中采用了复合按钮SB2、SB3。
这种互锁是利用按钮这种机械的方法来实现的，为了区别于接触器互锁（电气互锁），所以又称之为机械互锁。
按钮互锁正、反转控制电路可以从正转直接过渡到反转，但存在的主要问题是容易发生短路故障。
显然，这种控制电路的安全性较低。
图2-7按钮互锁（机械互锁）的正、反转控制
三、双重互锁的正、反转控制
图2-8双重互锁的正、反转控制
如图2-8为双重互锁的正反转控制电路，也称为防止相间短路的正反转控制电路。
在于正反转启动按钮均采用复合按钮，在正转控制回路中再增加了反转启动控制按钮的常闭接点，在反转控制回路中再增加了正转启动控制按钮的常闭接点。
称之为双重互锁：
机械互锁和电气互锁。
该电路结合了接触器互锁和按钮互锁的优点，是一种比较完善的既能实现正反转直接启动的要求，又具有较高安全可靠性的控制电路。
用两个输出继电器控制同一个被控对象的两种相反的工作状态。
如异步电机的正反转控制，双线圈二位电磁阀的控制都属于这种基本控制电路。
表2-2输入/输出地址分配
输入
输出
符号
地址
功能
符号
地址
功能
SB2
I0.0
正转启动
KM1
Q0.0
M1接触器（正转）
SB3
I0.1
反转启动
KM2
Q0.1
M2接触器（反转）
SB1
I0.2
停止
FR
I0.3
过载保护
程序设计如图2-9示：
图2-9双重互锁的正、反转控制程序
接线图如图2-10所示
图2-10电动机的双重互锁的正、反转接线图
工作原理：
图2-8中KM1、KM2为正、反转接触器，SB2、SB3、SB1分别是正转、反转、停止按钮。
本电路采用了多重互锁：
接触器常闭触点互串是软件互锁，为确保在任何情况下（例如某一接触器的主触头熔焊）两个接触器都不会同时接通。
除以上的软件互锁外，还在PLC的外部设置由I0.0和I0.1常闭触头实现的硬件互锁。
图2-8梯形图原理说明：
按下正转起动按钮，线圈得电，其常开触点I0.0闭合使KM1接通，KM1的常开触点Q0.0闭合自锁，使KM1处于连续接通状态，同时KM1的常闭触点Q0.0断开，保证KM2不被接通，按下停止按扭（常闭触点I0.2断开）或热保护继电器动作（触点I0.3断开），KM1失电断开，电机停止；
同理，电机反转。
任务三电动机的自动循环控制
在生产实践中，有些生产机械的工作台需要自动往复运动，如龙门刨床、导轨磨床等，如图为基本的自动往复循环控制线路，它是利用行程开关实现往复运动控制的，这通常称作行程控制。
工作台
撞块1
撞块2
KM1
KM2
KM2
KM1
床身
L1L2L3
FU2
FU1
FU2
SB3
SB2
KM1
KM2
SQ1
SQ2
SQ2
SQ1
KM1
KM2
图2-9自动往复循环控制线路
限位开关SQ1放在左端需要反向的位置，而SQ2放在右端需要反向的位置。
关键部位在于限位开关采用复合开关，分别有一副常开和一副常闭接点接入控制回路。
正程运行时：
按下控制按钮SB1→电机启动正向运行→到达极限位置后→撞击限位开关SQ1→限位开关SQ1常闭接点断开，停止正向运行；同时限位开关SQ1常开接点闭合，电机启动逆程运行，逆程运行和正程运行类似，如此往复，直到按下停止按钮SB1为止。
表2-3输入/输出地址分配
输入
输出
符号
地址
功能
符号
地址
功能
SB1
I0.0
停止
KM1
Q0.0
M1接触器
SB2
I0.1
手动正向
KM2
Q0.1
M2接触器
SB3
I0.2
手动反向
SQ1
I0.3
自动反向
SQ2
I0.4
自动正向
FR
I0.5
过载保护
程序设计如图2-10示：
图2-10自动往复循环控制程序
自动往返控制接线图如图2-11所示
图2-11自动往返控制接线图
任务四电动机的顺序控制
生产实践中常要求各种运动部件之间能够按顺序工作。
例如车床主轴转动时要求油泵先给齿轮箱提供润滑油，即要求保证润滑泵电动机启动后主拖动电机才允许启动，也就是控制对象对控制线路提出了按顺序工作的连锁要求。
图2-12电动机的顺序控制
在图2-12中，接触器KM1控制电动机M1的启动、停止；接触器KM2控制电动机M2的启动、停止。
现在要求电动机M1启动后，电动机M2才能启动。
当要求甲接触器工作后方允许乙接触器工作，则在乙接触器线圈电路中串入甲接触器的动合触点。
当要求乙接触器线圈断电后方允许甲接触器线圈断电，则将乙接触器的动合触点并联在甲接触器的停止按钮两端。
工作原理如下：
当按下SB2按扭时，KM1线圈得电，1号电机运转，同时，常开辅助触头闭合；按下SB4按扭时，KM2带电，常开触点闭合，2号电机运转；当按下SB1按扭或FR1热继电器保护时，KM1失点，触点断开，1、2号电机同时停止运转。
表2-4输入/输出地址分配
输入
输出
符号
地址
功能
符号
地址
功能
SB1
I0.0
停止
KM1
Q0.0
M1接触器
SB2
10.1
M1电机启动
KM2
Q0.1
M2接触器
SB3
10.2
M2电机停止
SB4
I0.3
M2电机启动
FR1
I0.4
过载保护
FR2
I0.5
过载保护
程序设计如图2-13示：
图2-13电动机的顺序控制程序
电动机顺序控制接线图如图2-14所示
图2-14电动机顺序控制接线图
图2-13梯形图原理说明：
图2-13梯形图中，当点下启动1号电机时，常开触点I0.1闭合，Q0.0接通，其常开触点Q0.0闭合，并形成自锁，1号电机启动；点下启动2号电机时，常开触点I0.3闭合，Q0.1接通，其常开触点Q0.1闭合，并形成自锁，2号电机启动；在1号电机没有启动的情况下，如果启动2号电机，由于常开触点Q0.0没有闭合，故2号电机无法启动。
任务五电动机的星－三角启动控制
对于正常运行时电动机额定电压等于电源线电压，定子绕组接成三角形的笼型异步电动机，可以在起动时将定子绕组接成星行，待起动完毕后再换成三角形，这就是星行—三角形降压启动控制。
起动时将电动机定子绕组接成星行，加到电动机的每相绕组上的电压为额定值1/
，从而减小了启动电流对电网的影响。
当转速接近额定转速时，定子绕组改接成三角形，使电动机在额定电压下正常运转。
图2-14电动机的星－三角启动控制
图2-14电动机的Y-△启动其实也是一种顺序控制电路，一般适用于重载启动的负载，因其启动时采用Y，从而可以达到减小启动电流的目的
主电路：
KM1触点和KM3触点闭合时，电动机为Y接线
KM1触点和KM2触点闭合时，电动机为△接线
工作原理：
按下启动按钮SB2，KM1得电，主触点KM1闭合，辅助触点KM1也闭合自保持；同时KM3继电器经KT常闭触点（延时打开，瞬时闭合）及KM2常闭接点得电，其触点闭合，电动机为Y接线启动。
此时继电器KT也经KM2常闭接点得电动作，KT常闭触点（延时打开，瞬时闭合）延时打开，KM3继电器失电，触点断开；KT常开触点（延时闭合，瞬时打开）延时闭合，KM2得电，常开触点闭合，电动机接成△接线运行，另一副常开触点闭合自保持。
完成Y-△的转换。
表2-5输入/输出地址分配
输入
输出
符号
地址
功能
符号
地址
功能
SB1
I0.0
停止
KM1
Q0.0
M1接触器
SB2
I0.1
启动
KM2
Q0.1
M2接触器
KM3
Q0.2
M3接触器
程序设计如图2-15示：
图2-15电动机的星－三角启动控制程序
电动机的星－三角降压启动接线图如图2-16
图2-16电动机的星－三角降压启动接线图
二、项目基本知识
知识点一基本指令
S7-200PLC的基本指令多用于开关量逻辑控制，本节着重介绍梯形图指令。
一、基本逻辑指令
基本逻辑指令在语句表语言中是指对位存储单元的简单逻辑运算，在梯形图中是指对触点简单连接和对标准线圈的输出。
基本逻辑指令主要包括标准触点指令、正负跳变指令、置位和复位指令等，主要是与位相关的输入/输出及触点的简单连接。
1.标准触点指令
①LD（Losd）：
常开指令，动合触点与起始母线连接指令。
每一个以动合触点开始的逻辑行（或电路块）均使用这一指令。
梯形图符号：
②LDN（LoadNot）：
常闭指令，动断触点与起始母线连接指令。
每一个以动断触点开始的逻辑行（或电路块）均使用这一指令。
梯形图符号：
③=（Out）：
输出指令，即线圈驱动指令。
用于驱动各类继电器的线圈。
梯形图符号：
LD、LDN、=指令的使用方法如图2-17
图2-17LD、LDN、=指令的使用方法
④A（And）：
与常开指令，即串联一个常开触点。
梯形图中，一次最多可以有7个常开触点串联。
⑤AN（AndNot）：
与常闭指令，即串联一个常闭触点。
在一个逻辑行中，最多可以连用6次。
⑥O（Or）：
或常开指令，即并联一个常开触点。
在梯形图中，一次最多可以有7个触点相互并联。
⑦ON（OrNot）：
或常闭指令。
即并联一个常闭触点。
在一个梯形图中，一次最多可以连用6次。
使用方法如图2-18所示：
图2-18与或指令使用方法
2.正负跳变指令
正负跳变指令在梯形图中以触点的形式使用。
用于检测脉冲的正跳变（上升沿）或负跳变（下降沿），利用跳变让能流接通一个扫描周期，即可以产生一个扫描周期长度的微分脉冲，用此脉冲触发内部继电器线圈。
1正跳变指令：
EU
正跳变触点检测到脉冲的每一次正跳变后，产生一个微分脉冲。
梯形图符号：
2负跳变指令：
ED
负跳变触点检测到脉冲的每一次负跳变后，产生一个微分脉冲。
梯形图符号：
3.置位和复位指令
置位即置1，复位即置0。
1置位指令：
Ｓ
将位存储区的指定位（位ｂｉｔ）开始的Ｎ各同类存储器置位。
梯形图符号：
2复位指令：
Ｒ
将位存储区的指定位（位ｂｉｔ）开始的Ｎ各同类存储器复位。
梯形图符号：
Ｓ、Ｒ指令的使用说明如图示：
当使用S与R指令时，从指定的位地址开始的N各位地址均被置位或复位，如图2-19，I0.0一旦接通，即使再断开，Q0.0和Q0.1仍保持接通；I0.1一旦接通，即使再断开，Q0.0仍保持断开。
图2-19置位复位指令使用举例
二、立即操作指令
PLC集中输入、集中输出的扫描工作方式，使得系统的可靠性提高了，但同时造成了I/0的响应延迟，为解决这一矛盾，西门子S7–200提供了立即指令。
1．立即触点指令
在每个标准触点指令的后面加“I”。
梯形图符号：
2．立即输出指令
梯形图符号：
3．立即置位指令
梯形图符号：
4．立即复位指令
梯形图符号：
应用举例如图2-20所示：
图2-20立即复位指令使用方法
三、复杂逻辑指令
基本逻辑指令涉及可编程元件的触点和线圈的简单连接，不能表达在梯形图中触点的复杂连接结构。
复杂逻辑指令主要用来描述对触点进行的复杂连接，同时，它们对逻辑堆栈也可以实现非常复杂的操作。
1.栈装载与指令（ALD）
2.栈装载或指令（OLD）
3.逻辑推入栈指令（LPS）
4.逻辑读栈指令（LRD）
5.逻辑弹出栈指令（LPP）
6.装入堆栈指令（LDS）
栈操作指令应用如图2-21程序所示：
图2-21栈操作指令应用
四、定时器、计数器指令
1.定时器指令
梯形图符号：
Tⅹⅹⅹ：
定时器号
IN：
使能输入端
PT：
预设值输入端
定时器应用如图2-22程序所示：
图2-22定时器应用示例
2.计数器指令
按计数方式计数器可分为三类：
CTU增计数器：
CU输入端出现一个脉冲信号,计数值增1。
CTD减计数器：
CD输入端出现一个脉冲信号,计数值减1。
CTUD增/减计数器：
CU输入端出现一个脉冲信号，计数值增1；CD输入
端出现一个脉冲信号，计数值减1。
以上三种计数
器均可用复位指令进行复位。
梯形图符号：
计数器指令格式：
CTUCXXX，PV
CTDCXXX，PV
CTUDCXXX，PV
Cⅹⅹⅹ：
计数器号
R：
复位端
CU：
增计数信号输入端
LD：
装载预置值
CD：
减计数信号输入端
PV：
预设值输入端
计数器应用如图2-23程序所示：
图2-23计数器应用示例
知识点二继电器控制线路图转换为PLC程序的编程方法
继电器控制线路图与PLC所使用的梯形图语言极为相似的,因为原有的继电器控制系统经过长时间的使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此我们可以利用继电器电路图转换成梯形图来利用PLC改造继电器控制系统。
可以将继电器电路图“直接翻译”成PLC梯形图程序。
这种设计方法一般不需要改动继电器控制系统的控制面板，保持了系统原有的外部特性，这也符合长期从事继电器控制系统操作人员习惯。
为学习和使用都提供了方便。
1、 基本方法
直接翻译法是用所选机型的PLC中功能相当的软器件，代替原继电器—接触器控制线路原理图中的器件，将继电器—接触器控制线路翻译成PLC梯形程序图的方法。
继电器电路图是一个纯粹的硬件电路图。
将它改为PLC控制时，需要用PLC的外部接线图和梯形图来等效继电器电路图。
可以将PLC想象成是一个控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部“线路图”，梯形图中的输入位和输出位是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”，这样就可以用分析继电器电路图的方法来分析PLC控制系统。
在分析梯形图时可以将输入位的触点想象成对应的外部输入器件的触点，将输出位的线圈想象成对应的外部负载的线圈。
外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还右能受外部触点的控制。
2、直接翻译法步骤：
1） 了解和熟悉被控设备的工作原理、工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。
2） 确定PLC的输入和输出信号。
PLC的输入信号多为按钮、操作开关和行程开关、接近开关等数字量信号，而继电器电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用PLC的输出位来控制，它们的线圈在PLC的输出端，继电器电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的存储器位和定时器来完成，它们与PLC的输入位、输出位无关。
确定好PLC的输入和输出信号，根据系统控制原理画出PLC的外部接线图。
各输入和输出在梯形图中的地址取决于它们的模块的起始地址和模块中的接线端子号。
3） 根据各个元件出现的位置，直接将电气控制图中的元件转换成梯形图中的元件。
4）翻译完成后根据梯形图结构设计原则进行结构变换，变换后符合“上大下小，左大右小”的结构即可。
.知识点三PLC的基本编程规则
一、PLC控制系统设计的原则和步骤
掌握了PLC的指令系统后，就可以根据实际控制系统的控制要求来进行PLC控制系统的应用设计了。
虽然PLC得内部结构与微机相似，但其工作方式、接口电路、编程语言完全不同，因此必须根据PLC自身的特点和性能进行系统设计。
下面就PLC控制系统设计的基本原则、步骤及注意事项做一介绍。
（一）PLC控制系统设计的基本原则
1最大限度地满足对被控对象的控制要求。
2要求控制系统简单可靠、经济实用、维护方便。
3适当留有余量，便于更新升级。
（二）PLC控制系统设计的基本步骤
1熟悉控制对象，确定控制要求。
2PLC选型及硬件设计。
3确定I/O分配表。
4设计电气接线原理图。
5编写应用程序。
6程序模拟调试。
7现场软、硬件安装调试。
8整理技术文件，编写使用说明书。
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