PLC 控制對傳統(tǒng)繼電控制的改造

胡光良

摘要：在工業(yè)自動化領域，使用PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的用繼電器的工業(yè)控制系統(tǒng)相比，在操作、控制、效率和精度等各個方面都具有無法比擬的優(yōu)點。雖然在工業(yè)控制系統(tǒng)中所使用的繼電器控制設備不會被完全淘汰，但是由于PLC的出現(xiàn)已經(jīng)改變了工業(yè)控制設計者的設計思想。本文重點介紹采用PLC實現(xiàn)鼠籠式異步電動器起、制動控制，并與傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)進行比較。得出在結論PLC 將得到推廣，并使生產企業(yè)的生產力和生產效率得到改善。

關鍵詞：PLC;繼電控制;異步電動機控制

如今繼電器已應用到家庭及工業(yè)控制的各個領域。他們比以往的產品具有更高的可靠性。但是，這也是隨之帶來的一些問題。如絕大多數(shù)控制繼電器都是長期磨損和疲勞工作條件下進行的，容易損壞。而且繼電器的觸點容易產生電弧，甚至會熔在一起產生誤操作，引起嚴重的后果。再者，對一個具體使用的裝有上百個繼電器的設備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負荷運載的情況下，大的繼電器將產生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統(tǒng)必須是手工接線、安裝，如果有簡單的改動，也需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調試。應用PLC對傳統(tǒng)繼電控制有著及其重要意義。

一、可編程序控制器的功能

可編程控制器以體積小功能強大所著稱，它不但可以很容易地完成順序邏輯、運動控制、定時控制、計數(shù)控制、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實現(xiàn)生產過程的自動控制。特別是現(xiàn)在，由于信息、網(wǎng)絡時代的到來，擴展了PLC的功能，使它具有很強的聯(lián)網(wǎng)通訊能力，從而更廣泛地應用于眾多行業(yè)。

二、PLC與繼電器接觸器控制系統(tǒng)的比較

（一）繼電接觸器控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的鼠籠式異步電動機起、制動控制方式一般有四種，即定子回路串電阻起動，Y/△起動，自耦變壓器起動和延邊三角形起動;制動方式有三種，反接制動，能耗制動和電容制動，其中任何一種起、制動控制方式的實現(xiàn)通常由繼電器-接觸器控制系統(tǒng)來完成。下面就以定子回路串電阻降壓起動和反接制動為例，分析由繼電器-接觸器實現(xiàn)的鼠籠式異步電動機的起、制動控制。

如圖1所示，此控制電路含三個接觸器和一個中間繼電器線圈，12個觸點。起動時，KM2、KM3線圈均處于斷開狀態(tài)，按下起動按鈕SB1，KM1線圈通電并自鎖，電動機串電阻減壓起動。當電動機轉速上升到某一定值時（此值為速度繼電器KS1的整定值，可調節(jié)，如調至100r/min時動作），速度繼電器KS1的常開觸點閉和，中間繼電器KA通電并自鎖，KA的常開觸點接通接觸器線圈KM3，KM3的主觸點在主電路中短接定子電阻R，電動機轉速上升至給定值時投入穩(wěn)定行。

制動時，按下停機按鈕SB2，KM1線圈斷電，其主觸點斷開三相電源;控制電路中常開觸點斷開，KM3失電，限流電阻串入;常閉觸點閉合，接通反接制動接觸器KM2，對調兩相電源相序，電動機處于反接制動狀態(tài)。當轉速下降至某一定值時（比如100r/min），KS1常開觸點斷開KA，繼而斷開KM2，電動機失電，迅速停機。

這種傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式控制邏輯清晰，采用機電合一的組合方式便于普通機類或電類技術人員維修，但由于使用的電氣元件體積大、觸點多、故障率大，因此，運行的可靠性較低。隨著PLC技術的發(fā)展，使用PLC進行電機的運行控制已成為必然趨勢。

（二）、采用PLC實現(xiàn)鼠籠式異步電動器起、制動控制

可編程序控制器是在繼電器控制和計算機控制的基礎上開發(fā)的產品，自60年代末，美國首先研制和使用可編程控制器以后，世界各國特別是日本和聯(lián)邦德國也相繼開發(fā)了各自的PLC（programmable logic controller），因此，與傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)相比較，筆者認為采用PLC實現(xiàn)鼠籠式異步電動機起制動控制是最明智的選擇。下面就是筆者設計的采用PLC實現(xiàn)的鼠籠式異步電動機起制動控制電路的接線圖、梯形圖和指令程序，如圖2和圖3所示。

PLC控制邏輯與傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)基本一致，其工作過程如下：

起動時，按下起動按鈕SB1，X0常開觸點閉合，Y0線圈接通并自鎖，KM1線圈接通，主觸頭吸合，電動機串入限流電阻R開始起動，同時Y0的兩對常開觸點閉合，當電動機轉速上升到某一定值時，KS1的常開觸點閉合，X2常開觸點閉合，M100線圈接通并自鎖，M100的一對常開觸點接通Y2的線圈，KM3線圈有電主觸頭吸合，短接起動電阻，電機轉速上升至給定值時投入穩(wěn)定運行。

制動時，按下停機按鈕SB2，X1常開觸點斷開Y0線圈，使KM1失電釋放，而Y0的常閉觸點接通Y431線圈，制動用的接觸器KM2線圈通電，對調兩相電源的相序，電動機處于反接制動狀態(tài)。與此同時，Y0的常開觸點斷開Y2的線圈，KM3失電釋放，串入電阻R限制制動電流。當電動機轉速迅速下降至某一定值時，KS1常開觸點斷開，X2常開觸點斷開M100的線圈，M100的常開觸點斷開Y431線圈，KM2失電釋放，電動機很快停下來。過載時，熱繼電器FR常開觸點閉合，X3的兩對常閉觸點斷開Y0和M100的線圈，從而使KM1或KM2失電釋放，起到過載保護作用。

上述控制過程指令程序和梯形圖如下：

（三）、PLC與繼電接觸器控制系統(tǒng)比較

通過對鼠籠式異步電動機起制動的傳統(tǒng)控制方法和PLC控制方法的比較，從某種意義上看，PLC控制是從繼電器接觸器控制發(fā)展而來的。兩者既有相似性又有很多不同處。

3.1 二種方案的不同點

（1） PLC內部大部分采用“軟”邏輯

繼電器接觸器控制全部用硬器件、硬觸點和“硬”線連接，為全硬件控制;PLC內部大部分采用“軟”電器、“軟”接點和“軟”線連接，為軟件控制。

（2） PLC控制系統(tǒng)結構緊湊

繼電器接觸器控制系統(tǒng)使用電器多，體積大且故障率大;PLC控制系統(tǒng)結構緊湊，使用電器少，體積小。

（3） PLC內部全為“軟接點”動作快

電器接觸器控制全為機械式觸點，動作慢，弧光放電嚴重;PLC內部全為“軟接點”動作快。

（4） PLC控制功能改變極其方便

繼電器接觸器控制功能改變，需拆線接線乃至更換元器件，比較麻煩;PLC控制功能改變，一般只需修改程序便可，極其方便。

（5） PLC控制系統(tǒng)制造周期短

PLC控制系統(tǒng)由于結構簡單緊湊，基本為軟件控制，因此設計、施工與調試比繼電器接觸器控制系統(tǒng)周期短。

此外，由于PLC技術是計算機控制的基礎上發(fā)展而來，因此，它的軟硬件設置上有著傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制無法比擬的優(yōu)勢，工作可靠性極高。

3.2 PLC方案的設計要點

（1） 設置濾波

在PLC中一般都在輸入輸出接口處設置π形濾波器，它不僅可濾除來自外界的高頻干擾，而且還可減少內部模塊之間信號的相互干擾。

（2） 設有隔離

在PLC系統(tǒng)中CPU和各I/O回路（主要指數(shù)字口）幾乎都設有光耦合器作隔離，以防止干擾或可能損壞CPU等。

（3） 設置屏蔽

屏蔽有兩類：一類是對變壓器采取磁場和電場的雙重屏蔽，這時要用既導磁又導電的材料作為屏蔽層;另一類是對CPU和編程器等模塊僅作電磁場的屏蔽，此時可用導電的金屬材料作屏蔽層。

（4） 采用模塊式結構

PLC通常采用積木式結構，這便于用戶檢修和更換模板，同時在各模板上都設有故障檢測電路，并用相應的指示器標志它的狀態(tài)，使用戶能迅速確定故障的位置。

（5） 設有聯(lián)鎖功能

PLC中個各輸出通道之間設有聯(lián)鎖功能。以防止各被控對象之間誤動作可能造成的事故。

（6） 設置環(huán)境檢測和診斷電路

這部分電路負責對PLC的運行環(huán)境（例如電網(wǎng)電壓、工作溫度、環(huán)境的濕度等）進行檢測，同時也完成對PLC中各模塊工作狀態(tài)的監(jiān)測。這部分電路往往是與軟件相配合工作的，以實現(xiàn)故障自動診斷和預報。

（7） 設置Watchdog電路

PLC中的這種電路是專門監(jiān)視PLC運行進程是否按預定的順序進行，如果PLC中發(fā)生故障或用戶程序區(qū)受損，則因CPU不能按預定順序（預定時間間隔）工作而報警。

（8） PLC的輸入、輸出控制簡單

PLC是以掃描方式進行工作的，即PLC對信號的輸入、數(shù)據(jù)的處理和控制信號的輸出，分別在一個掃描周期內的不同時間間隔里，以批處理方式進行，這不僅使用戶編程簡單、不易出錯，而且也使PLC的工作不易受到外界干擾的影響;同時PLC所處理的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，從而減少了處理中的錯誤;另外，PLC的輸入、輸出的控制較簡單，不容易產生由于時序不合適而造成的問題。

三、PLC相對于繼電器線路的優(yōu)勢

（一）功能強，性能價格比高

一臺小型PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價格比?？善绦蚩刂破骺梢酝ㄟ^通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。

（二）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強

可編程序控制器產品已經(jīng)標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。用戶能靈活方便的進行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不規(guī)模的系統(tǒng)。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有很強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器。

（三）可靠性高，抗干擾能力強

1.傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障，PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少繼電器控制系統(tǒng)的1/10--1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。

2.PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產現(xiàn)場，PLC已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設備之一。

（四） 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少

1.PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。

2.PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計方法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。

3.PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，輸入信號用小開關來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。

（五）編程方法簡單

1.梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。

2.梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言，可編程序控制器在執(zhí)行梯形圖的程序時，用解釋程序將它“翻譯”成匯編語言后再去執(zhí)行。

（六）維修工作量少，維修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的住處迅速的查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。

（七）體積小，能耗低

對于復雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積相當于幾個繼電器大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的確1/2-1/10。

四、結束語

由于PLC在設計制造時充分考慮到工業(yè)控制的現(xiàn)場環(huán)境問題，并采取了多層次、多種有效措施來提高工作可靠性，因此，可編程控制器作為一種通用的工業(yè)控制器，它可用于所有的工業(yè)領域。當前國內外已經(jīng)廣泛的將可編程控制器成功地應用到機械、冶金、石油、化工、紡織、交通、電力、軍事等各個領域，特別是對工作環(huán)境條件較惡劣的工礦企業(yè)應該是一項明智之舉。

參考文獻

[1]郁漢琪，郭健主編.可編程序控制器原理及應用.

[2]張洪濤.PLC應用技術.

[3]李浚源，秦憶，周永鵬編.電力拖動基礎.

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