基于PLC和觸摸屏控制的三相異步電動機星
—— 三角降壓啟動控制系統(tǒng)的設(shè)計

商杰

（淄博市技師學院，山東 淄博 255000）

三相異步電動機應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、性能穩(wěn)定。三相異步電動機常見的啟動方式有全壓啟動和降壓啟動兩種。由于全壓啟動的電路系統(tǒng)接線簡單、經(jīng)濟快捷、維護方便，但全壓啟動對電動機的功率有一定的限制，適用于小功率電動機。大功率電動機采用全壓啟動會產(chǎn)生過大的電流，引起電網(wǎng)電壓顯著下降，影響電網(wǎng)內(nèi)其它負載電氣設(shè)備的正常使用。另外，電動機頻繁啟動產(chǎn)生的過大的電流會造成電機線圈溫度聚生，影響線圈的絕緣效果，縮短電動機的使用壽命。設(shè)備啟動時，需要高于工作載荷的扭矩，為了減小設(shè)備的起動電流，應(yīng)采用適當?shù)拇胧┛刂齐妱訖C在啟動時的電流。降壓啟動是通過專門的啟動設(shè)備或線路，降低啟動電動機時電動機繞組兩端的電壓來降低啟動電流。當電動機轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，電動機電壓恢復(fù)正常。由電動機轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的關(guān)系可知，降壓啟動會影響電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，比較適合設(shè)備空載啟動或輕載啟動。“星——三角形”降壓啟動是應(yīng)用最廣泛的降壓啟動方法，傳統(tǒng)的電動機“星——三角形”控制系統(tǒng)是基于繼電器——接觸器控制，這種控制系統(tǒng)采用大量的低壓電器，線路復(fù)雜、連線繁瑣、可靠性差。本文提出采用編程控制器PLC和觸摸屏控制方案，不僅能解決線路復(fù)雜和頻繁啟動的問題，而且抗干擾能力強、編程簡單易學、操作直觀、自動化程度高。

1 電動機星——三角啟動

1.1 星——三角啟動的原理

在三向異步電機啟動時將電機定子繞組接成星形接線，當電機啟動成功后將電機定子繞組改接成三角形接線，根據(jù)電機啟動電流與電源電壓的關(guān)系，電機啟動時電網(wǎng)提供的電流只有全電壓啟動電流的1/3，因此，采用星——三角啟動可降低啟動電流，減輕電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊。傳統(tǒng)的星——三角啟動的電氣控制線路中，定子繞組的界限形式通過主電路的3個接觸器KM1、KMY、KM△及繼電器來實現(xiàn)：當KM1和KMY吸合時，定子繞組成星形接線；當KMY斷開，KM1和KM△吸合時，電動機定子繞組接成三角形接線，從而實現(xiàn)了星——三角啟動控制。星——三角啟動屬降壓啟動方式，它是以犧牲一部分功率來降低啟動電流，一般在啟動時電機負載輕、運行時電機負載重的情況下可采用星——三角啟動。

1.2 基于繼電器——接觸器控制的星——三角啟動存在的問題

繼電器——接觸器控制系統(tǒng)，是通過時間繼電器來控制KM1、KMY及KM△這3個接觸器的吸合和斷開，從而實現(xiàn)電機定子繞組的不同接線形式。接觸器和時間繼電器屬于低壓電器，雖然成本較低，但由于低壓電器固有的缺點，控制系統(tǒng)的可靠性很差，故障發(fā)生頻率較高，查找和排除困難，當后期產(chǎn)品需要更新及生產(chǎn)工藝變化時，控制系統(tǒng)的變動工量會較大，費用比較高。

2 利用PLC和觸摸屏控制三相異步電動機星—三角啟動系統(tǒng)的設(shè)計過程

利用PLC控制的星——三角啟動控制系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，比傳統(tǒng)的基于繼電器——接觸器控制的星——三角啟動有更大的優(yōu)勢。

（1）控制系統(tǒng)可靠性高，發(fā)生的故障率低。

（2）控制系統(tǒng)可采用梯形圖編程，編程方便，簡單易學。

（3）適應(yīng)性強：采用PLC的控制系統(tǒng)適合大溫差及濕度變化范圍較大的工作環(huán)境；抗振動、抗沖擊，抗干擾。

2.1 系統(tǒng)功能

（1）定子繞組星形——三角形接線切換功能：電源接通后，控制電動機定子繞組接成星形接線，實現(xiàn)降壓功能。經(jīng)過設(shè)定延時，控制電動機定子繞組接成三角形接線，電動機全壓工作。

（2）聯(lián)鎖和延時保護功能。在星——三角降壓起動的過程中，最重要的一環(huán)是要保證電機定子繞組從星形接線聯(lián)結(jié)到三角形聯(lián)結(jié)的順利切換。如果由于接觸器或其他電器元件發(fā)生故障，導(dǎo)致星形接線聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)同時通電，電源會發(fā)生短路，損壞電動機或電網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備。在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，一定要對此進行充分考慮。通?？刹捎锰菪螆D中設(shè)計的互鎖功能；在硬件接線中增加“硬件互鎖”或通過程序命令對星形聯(lián)結(jié)斷電進行延時控制，達到設(shè)定時間后，再接通三角形聯(lián)結(jié)?？梢杂行У乇苊怆妱訖C轉(zhuǎn)子接線切換的過程中主電路發(fā)生短路故障。

（3）附加功能：診斷功能、報警功能、開機復(fù)位功能。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及I/O 分配表

根據(jù)星——三角啟動控制原理，確定系統(tǒng)的輸入輸出裝置，設(shè)定對應(yīng)的輸入及輸出觸點，并制定I/O分配表，見表1所示。本系統(tǒng)“停止按鈕”、“啟動按鈕”及“星型啟動確認按鈕”均采用觸摸按鈕，故輸入端不再列出。

表1 電動機星—三角啟動的I/O 分配表

根據(jù)I/O 分配表1畫出控制系統(tǒng)的接線圖，在安裝板上完成主電路和控制電路的接線工作。

2.3 軟件設(shè)計

可編程控制器PLC的編程語言包括：順序功能圖語言、梯形圖語言、功能模塊語言、指令表語言及結(jié)構(gòu)化文本語言。梯形圖編程語言是目前最常用的編程語言，參考電氣操作原理圖編制，與繼電器線路類似，語言具有直觀性和對應(yīng)性，容易掌握，梯形圖編程語言與原有的繼電器控制最大的不同主要體現(xiàn)在，梯形圖假想的“能流”和內(nèi)部“軟繼電器”兩個方面。梯形圖左、右垂直公共線（母線）相當于系統(tǒng)電源的正負極，輸入觸點充當按鈕。輸出線圈可以認為是負載，能流從左母線經(jīng)過觸點與線圈向右母線流動，完成梯形圖的一個階級動作，多個階級組成整個梯形圖。本次的設(shè)計基于PLC的三相異步電動機星——三角降壓啟動控制系統(tǒng)，增加了三個重要的功能，保障系統(tǒng)的安全可靠運行。明確系統(tǒng)的各項控制要求，畫出梯形圖。

（1）KMY異常診斷功能。星型控制接觸器KMY因異常未動作，電動機在啟動后，延時10s后將全壓啟動。星——三角降壓啟動控制系統(tǒng)失去啟動電流控制功能。為了防止這一故障發(fā)生，在控制系統(tǒng)增加1個星型控制接觸器 KMY確認信號。此信號取自星型控制接觸器 KMY的常開點觸點X2。

（2）報警功能。電機定子繞組星型接線后，電動機可實現(xiàn)低壓啟動，在啟動后20s內(nèi)無法將定子繞組切換到三角形接法時，電機將不能進行全壓運行，此時系統(tǒng)會產(chǎn)生報警信號。

（3）開機復(fù)位功能。如果系統(tǒng)沒有開機復(fù)位功能，電網(wǎng)斷電后重新上電，控制系統(tǒng)會產(chǎn)生誤動作，因此，本控制系統(tǒng)利用特殊繼電器可實現(xiàn)上電復(fù)位功能。

2.4 觸摸屏畫面設(shè)計與下載

本系統(tǒng)將觸摸屏結(jié)合PLC進行系統(tǒng)控制，使控制更加形象、直觀，操作更方便，節(jié)省操縱臺上的開關(guān)數(shù)量及安裝板上的外部接線，提高控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性，實現(xiàn)對設(shè)備的控制和信息顯示。根據(jù)三項異步電動機星——三角啟動控制要求及I/O分配表，將電機的停止按鈕和啟動按鈕均采用觸摸鍵。利用三菱觸摸屏編程軟件GT-Designet3進行畫面的編輯。分別設(shè)計“停止”及“啟動”兩個觸摸按鈕。完成畫面編輯工作后，點擊GT-Designet3軟件的打開菜單欄中的“通信”，選擇“跟GOT 的通信”對話框來實現(xiàn)編輯畫面的下載。在標簽卡中，點擊“工程下載→GOT”。點擊“基本畫面”，找到需要下載的畫面，并在名稱前打勾，然后點擊“下載”，就可以進行編輯畫面的下載，在畫面的下載過程中，不能移動GOT 通信并禁止關(guān)閉觸屏電源。

2.5 系統(tǒng)運行調(diào)試

完成T形圖編寫及觸摸屏畫面編制的各項工作后，將進行程序調(diào)試，按觸摸屏上的啟動按鈕，星形控制接觸器KMY接通，內(nèi)部定時器T1、T2 計時開始，程序設(shè)定T2計時到后，輸出點Y1動作，主接觸器KM1接通主電路，確保在通電前電動機定子繞組接成星形；程序設(shè)定T1計時到后，為防止主電路短路，Y3不能立即動作，系統(tǒng)設(shè)定使T3開始計時，1s后輸出點Y3動作，三角形控制接觸器 KMΔ接通，電動機定子繞組接線接成三角形，系統(tǒng)采用互鎖的方法使星形斷開，可靠的避免主電路短路。

3 結(jié)語

本文分析了電動機星——三角起動的必要性，并指出傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制的星——三角啟動存在的問題，針對這些問題設(shè)計了基于PLC和觸摸屏控制的三相異步電動機星——三角降壓啟動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)安全可靠，操作直觀，接線簡單，具有廣闊的市場前景。