PLC在三相異步電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳繼鋒

（馬鞍山理工學校，安徽馬鞍山，243000）

0 引言

在對三相異步電機進行控制系統(tǒng)的設(shè)計中，PLC是一項關(guān)鍵的設(shè)備與技術(shù)形式。通過PLC技術(shù)及其設(shè)備的良好應(yīng)用，才可以讓整體系統(tǒng)達到良好的自動化控制效果，以此來滿足三相異步電機實際的自動化控制需求。因此，在具體的系統(tǒng)設(shè)計中，技術(shù)人員一定要對PLC做到足夠了解，并進一步明確三相異步電機控制系統(tǒng)及其主要工作原理，然后以此為依據(jù)，將PLC技術(shù)合理應(yīng)用到該系統(tǒng)的設(shè)計中。通過這樣的方式，才可以實現(xiàn)整體控制系統(tǒng)的科學合理設(shè)計，進而在三相異步電機的自動化控制中發(fā)揮出PLC的充分優(yōu)勢。

1 PLC概述

PLC是一種可編程形式的邏輯控制器，是專門應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境中的數(shù)字運算與操作系統(tǒng)。PLC中有一種可編程形式的儲存器，它可以對用戶輸入的內(nèi)容進行儲存和邏輯運算，以此來達到自動化控制效果。具體運行中，PLC的工作階段通常為三個，第一是輸入采樣，第二是程序執(zhí)行，第三是輸出采樣，這三個階段共同組成PLC邏輯控制器的一個掃描周期。而在PLC的整個運行過程中，其中的CPU將會按照一定的掃描速度對以上的三個階段任務(wù)進行重復執(zhí)行，以此來達到預(yù)設(shè)的自動化控制效果。相比較傳統(tǒng)形式的繼電器控制而言，將PLC應(yīng)用到三相異步電機控制系統(tǒng)中，不僅可實現(xiàn)其工作效率的進一步提升與應(yīng)用功能的進一步優(yōu)化，同時也可以達到良好的自動化控制效果，讓三相異步電機的適應(yīng)性得以顯著加強，滿足其在當今時代中的實際應(yīng)用需求。圖1是PLC工作原理示意圖。

圖1 PLC工作原理示意圖

2 三相異步電機控制系統(tǒng)原理概述

在三相異步電機中，磁場旋轉(zhuǎn)方向是決定電機轉(zhuǎn)動方向的關(guān)鍵，在三相電源中，相和相之間的電壓會在相位上相差120度，因此在三相異步電機中，其定子中的三個繞組也會在空間位置上相差120度。這就相當于在三相電源通入到定子繞組時，定子繞組中就會有一個旋轉(zhuǎn)形式的磁場產(chǎn)生。如果電流變化一個周期，這個旋轉(zhuǎn)磁場也會在空間中進行一周的旋轉(zhuǎn)，且這個磁場的具體旋轉(zhuǎn)速度和電流的變化保持同步。而在其定子繞組內(nèi)，三相電流相序值對磁場的旋轉(zhuǎn)方向起到?jīng)Q定性作用。基于此，在三相異步電機的運行過程中，任何兩相電源的切換都將改變其轉(zhuǎn)動方向。而在對三相異步電機進行轉(zhuǎn)速控制的過程中，其主要的方法有兩種，第一是對電機中的極對數(shù)加以改變，第二是變頻，而在當今的三相異步電機轉(zhuǎn)速控制中，通過變頻來實現(xiàn)的無極變速是最為常用的一種方法。在旋轉(zhuǎn)磁場的具體運行中，其旋轉(zhuǎn)方向和繞組電流的具體相序之間存在直接關(guān)聯(lián)。如果相序按照A、B和C的順序順時針排列，則磁場也將會按照順時針的方向與之同步旋轉(zhuǎn)；如果在三相電源中選擇任意的兩相進行對調(diào)，比如將原本從B相通入的電流改為從C相通入，將原本從C相通入的電流改為從B相通入，也就是讓相序從原來的A、B、C準變?yōu)榱薈、B、A，此時，旋轉(zhuǎn)磁場也會按照逆時針的方向與之同步旋轉(zhuǎn)。借助于這一特征，我們便可通過合理的控制方法來實現(xiàn)三相異步電機轉(zhuǎn)動方向的合理改變。圖2為某三相異步電機轉(zhuǎn)動方向及其電源切換周期曲線示意圖。

圖2 某三相異步電機轉(zhuǎn)動方向及其電源切換周期曲線示意圖

在三相異步電機的實際工作過程中，因其作業(yè)需要連續(xù)進行，所以在慣性作用下，整體電機就具有了較強的功能。如果突然發(fā)生斷電故障，電機依然會在慣性作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，并在緩沖一段之后才可以停止，這是實際工作中絕不可出現(xiàn)的情況。為避免此類情況的發(fā)生，就需要通過PLC來對其進行自動化的制動處理，以此來實現(xiàn)三相異步電機的即?？刂啤?/p>

3 PLC在三相異步電機控制系統(tǒng)設(shè)計中的具體應(yīng)用分析

■3.1 PLC在其中的應(yīng)用要點

在對三相異步電機控制系統(tǒng)進行設(shè)計的過程中，PLC的應(yīng)用要點包括以下幾個方面：

（1）根據(jù)三相異步電機的具體負載類型，對PLC輸出端負載電流形式、大小等加以科學設(shè)計，以此來對輸出端口晶體管、晶閘管和繼電器應(yīng)用做出科學判斷。

（2）對于輸入回路，應(yīng)將PLC供電裝置設(shè)置在AC85-240之內(nèi)，以此來確保電源的適用性。同時應(yīng)充分考慮各項干擾因素，根據(jù)實際情況做好電源凈化元件的加設(shè)，以此來提升其抗干擾能力。

（3）對于輸出回路，需充分考慮裝置的抗干擾能力，為防止負載斷電產(chǎn)生的浪涌電流對PLC造成沖擊，需在輸出端進行二極管增設(shè)，這樣便可將浪涌電流和交流感性負載等吸收，讓PLC得到良好保護。

（4）具體設(shè)計中，還需要對該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進行合理設(shè)計。在此過程中，設(shè)計者需對PLC選型及其控制需求加以充分考慮。同時，考慮到后續(xù)維修，選型中，一定要選擇比較常見的PLC類型。另外，需做好其接口和通信協(xié)議等各項內(nèi)容的設(shè)計，以此來實現(xiàn)整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最佳優(yōu)化效果。

■3.2 基于PLC的整體系統(tǒng)方案設(shè)計

在以PLC為基礎(chǔ)進行三相異步電機控制系統(tǒng)的具體設(shè)計中，首先應(yīng)做好電動機選擇。因三相鼠籠形式的電機具有簡單的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的運行效果，實用性非常好，且成本也十分低廉，所以在本次設(shè)計中，便選擇了此種電動機，其型號是Y2-632-4。表1是該電動機的主要參數(shù)情況。

表1 本次設(shè)計所選電動機的主要參數(shù)情況

其次是對開環(huán)閉環(huán)方案進行科學分析與確定。就目前來看，在對變頻系統(tǒng)進行應(yīng)用程序的設(shè)計中，其主要的控制模式有兩種，第一是開環(huán)控制，第二是閉環(huán)控制。在閉環(huán)控制模式中，電動機會有速度反饋值、旋轉(zhuǎn)編碼以及PLC轉(zhuǎn)速設(shè)定值等出現(xiàn)，經(jīng)信號比對之后再借助于PID進行數(shù)據(jù)處理，然后將給定的頻率數(shù)值輸出到變頻器中。而在開環(huán)控制模式中，需借助于上位機或者是PLC輸出端將相應(yīng)的指令從變頻器中發(fā)出，在接收到指令之后，PLC內(nèi)部的相應(yīng)程序會對其進行計算，以此來判斷輸出端是否需要向變頻器進行調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸，進而對變頻器進行良好的運行狀態(tài)控制。

相比較閉環(huán)控制模式而言，開環(huán)控制模式中只有一條控制路徑，其信息為單相傳輸，具有更加簡潔明了的結(jié)構(gòu)，涉及到的元件數(shù)量很少，設(shè)計和應(yīng)用成本都更加低廉；同時，這種控制模式也具有較強的抗干擾能力。因此，在本次以PLC為基礎(chǔ)的三相異步電機控制系統(tǒng)設(shè)計中，為實現(xiàn)操作效果與實操性的良好保障，并實現(xiàn)經(jīng)濟成本的進一步節(jié)約，特將開環(huán)控制模式選作該系統(tǒng)的設(shè)計方案。

■3.3 基于PLC的系統(tǒng)硬件選擇

首先是變頻器選擇，在本次設(shè)計中，三相異步電機的啟動、停止及其速度控制都是通過變頻器來實現(xiàn)。根據(jù)實際情況與具體的控制需求，本次選擇的是西門子公司研發(fā)的MicroMaster420-MM4系列的變頻器。該變頻器具有成熟且穩(wěn)定的控制功能，且調(diào)速范圍也比較寬。具體設(shè)計中，其物理接口主要包括輸入和輸出兩種形式；電路主要包括主電路以及控制電路兩個部分。

其次是PLC型號選擇，本次所選的是西門子公司所研發(fā)的S7-200型PLC設(shè)備。將其用作三相異步電機中的控制系統(tǒng)，可將傳統(tǒng)形式的繼電器有效替代，以此來實現(xiàn)三相異步電機的自動化控制。在整體的控制系統(tǒng)中，PLC是實現(xiàn)自動化控制的一個關(guān)鍵部分。

■3.4 基于PLC的系統(tǒng)控制程序設(shè)計

在對以PLC為基礎(chǔ)的三相異步電機控制系統(tǒng)進行程序設(shè)計時，首先需對其外部電路進行與變頻器設(shè)計，具體設(shè)計中，MM420變頻器可借助于模擬量接收的形式來實現(xiàn)電壓信號的輸入，這樣便可達到良好的無極調(diào)速控制效果。而其中的數(shù)字量D1N1、D2N2以及D3N3則可以借助于變頻器參數(shù)的修改來實現(xiàn)數(shù)字量端口功能的改變，以此來完成三相異步電機的啟動、停止以及正反向轉(zhuǎn)動指令的執(zhí)行。將0-10V的單極性電壓選作模擬量信號，在進行參數(shù)設(shè)置前，需將變頻器外部的DIF開關(guān)調(diào)整到OFF位置。圖3是本次設(shè)計中以PLC為基礎(chǔ)的三相異步電機外部電路控制示意圖。

圖3 三相異步電機外部電路控制示意圖

其次是PLC程序設(shè)計，本次設(shè)計中，選擇的是CPU224XP單極性電壓模擬量輸出中的十個平均點，分別是1-10V，這樣就達到了有級調(diào)速效果。因為該系統(tǒng)應(yīng)用的是開環(huán)調(diào)速控制模式，所以可將這十個點看成是十段速，以便PLC對其進行精準控制。在三相異步電機第一次啟動時，需將其速度設(shè)置為中間保護速度（25Hz）。在控制按鈕設(shè)計中，除了反轉(zhuǎn)按鈕之外，其余的所有按鈕都設(shè)計為自動復位形式，且每一個按鈕的意義都非常明確，主要包括啟動按鈕、停止按鈕、加速按鈕、減速按鈕、正轉(zhuǎn)按鈕以及反轉(zhuǎn)按鈕，通過這些按鈕，便可實現(xiàn)三相異步電機中的所有基本功能控制。為實現(xiàn)三相異步電機的運行保護，本次也進行了報警信號和加減速取消功能的設(shè)置，在三相異步電機轉(zhuǎn)速達到最低或最高值時，便會發(fā)出相應(yīng)的報警信號，減速或加速取消功能也會自動啟動，進而對電機起到良好的保護作用。本次所研究的PLC三相異步電機控制系統(tǒng)界面控制按鈕圖見圖4。

圖4 界面控制按鈕圖

■3.5 基于PLC的遠程控制設(shè)計

在通過PLC進行三相異步電機的遠程控制時，首先需要進行相應(yīng)的項目工程新建，其名稱統(tǒng)一定為“PLC三相異步電機調(diào)速調(diào)向”。然后進行一個控制設(shè)備的新建，雙擊鼠標進入到“項目工程新建設(shè)備”中，找到S7-200PLC系列中的“PP1”，將控制設(shè)備建立在此處，其名稱可設(shè)置成“S7-200-PLC-224XP”，將“COM4”選作其串口協(xié)議。將PLC地址接口定義為“2”。之后需要進行變量數(shù)據(jù)的添加，將新的數(shù)據(jù)詞典項目建立在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里，并根據(jù)實際需求來進行各種變量的添加。同時需要做好相應(yīng)的圖形畫面添加與動畫連接，其名稱可設(shè)置為“My-work-1”，在對相應(yīng)的按鈕以及指示燈進行選擇之后，便可進行變量調(diào)用以及顏色設(shè)置等的各項操作，在完成了動畫連接之后做好保存。接下來需要對系統(tǒng)中已經(jīng)完成制作的動畫進行調(diào)用，并將其設(shè)置為運行系統(tǒng)中的主畫面配置。最后返回界面開發(fā)系統(tǒng)，切換至“View”這一界面，這樣便可實現(xiàn)三相異步電機的自動化遠程控制。

■3.6 PLC程序的寫入和運行

要想實現(xiàn)PLC對三相異步電機的良好控制，相應(yīng)的程序?qū)懭牒瓦\行至關(guān)重要。在PLC通電之后，其電源指示燈將會亮起，此時便可將編程器開關(guān)調(diào)到“PROGRM”這一位置，此時的PLC便進入到了編程狀態(tài)，且編程器中會顯示出“PASSWORD”字樣，按下CLR以及MOMTR這兩個按鍵，一直到屏幕上的地址號顯示為0000，此時便可進行相應(yīng)的程序?qū)懭搿Ｔ趯懭氤绦蛑?，操作者需要將儲存器中的所有?nèi)容都清除，也就是對所有程序做清零處理，然后再按照具體設(shè)計與要求將相應(yīng)的控制程序?qū)懭氲絇LC中。在完成程序?qū)懭胫螅赏ㄟ^上下方向鍵對所有程序進行讀取檢查，對于存在錯誤的程序，可通過指令插入或者刪除的方式來進行修改。在完成了上述操作之后，便可將PLC按照具體設(shè)計連接到相應(yīng)的電路中，以此來對三相異步電機進行正反轉(zhuǎn)、開啟、停止、加速和減速控制程序的執(zhí)行。

4 結(jié)束語

綜上所述，在三相異步電機的控制系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用中，PLC能夠發(fā)揮出關(guān)鍵性的自動化控制作用。因此，相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員一定要加強PLC設(shè)備及其自動化控制技術(shù)研究，并將其合理應(yīng)用到三相異步電機的自動化控制系統(tǒng)中，以此來實現(xiàn)其良好的自動化控制。這對于PLC應(yīng)用優(yōu)勢的發(fā)揮以及三相異步電機的安全穩(wěn)定運行都將起到非常積極的促進作用。