PLC在三相異步電機控制系統中的應用

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的設計中，PLC是一項關鍵的設備與技術形式。通過PLC技術及其設備的良好應用，才可以讓整體系統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，在具體的系統設計中，技術人員一定要對PLC做到足夠了解，并進一步明確三相異步電機控制系統及其主要工作原理，然后以此為依據，將PLC技術合理應用到該系統的設計中。通過這樣的方式，才可以實現整體控制系統的科學合理設計，進而在三相異步電機的自動化控制中發揮出PLC的充分優勢。

1 PLC概述

PLC是一種可編程形式的邏輯控制器，是專門應用在工業環境中的數字運算與操作系統。PLC中有一種可編程形式的儲存器，它可以對用戶輸入的內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進行重復執行，以此來達到預設的自動化控制效果。相比較傳統形式的繼電器控制而言，將PLC應用到三相異步電機控制系統中，不僅可實現其工作效率的進一步提升與應用功能的進一步優化，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性得以顯著加強，滿足其在當今時代中的實際應用需求。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原理概述

在三相異步電機中，磁場旋轉方向是決定電機轉動方向的關鍵，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形式的磁場產生。如果電流變化一個周期，這個旋轉磁場也會在空間中進行一周的旋轉，且這個磁場的具體旋轉速度和電流的變化保持同步。而在其定子繞組內，三相電流相序值對磁場的旋轉方向起到決定性作用。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動方向。而在對三相異步電機進行轉速控制的過程中，其主要的方法有兩種，第一是對電機中的極對數加以改變，第二是變頻，而在當今的三相異步電機轉速控制中，通過變頻來實現的無極變速是最為常用的一種方法。在旋轉磁場的具體運行中，其旋轉方向和繞組電流的具體相序之間存在直接關聯。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；如果在三相電源中選擇任意的兩相進行對調，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準變為了C、B、A，此時，旋轉磁場也會按照逆時針的方向與之同步旋轉。借助于這一特征，我們便可通過合理的控制方法來實現三相異步電機轉動方向的合理改變。圖2為某三相異步電機轉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，因其作業需要連續進行，所以在慣性作用下，整體電機就具有了較強的功能。如果突然發生斷電故障，電機依然會在慣性作用下繼續轉動，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的情況。為避免此類情況的發生，就需要通過PLC來對其進行自動化的制動處理，以此來實現三相異步電機的即停控制。

3 PLC在三相異步電機控制系統設計中的具體應用分析

■3.1 PLC在其中的應用要點

在對三相異步電機控制系統進行設計的過程中，PLC的應用要點包括以下幾個方面：

（1）根據三相異步電機的具體負載類型，對PLC輸出端負載電流形式、大小等加以科學設計，以此來對輸出端口晶體管、晶閘管和繼電器應用做出科學判斷。

（2）對于輸入回路，應將PLC供電裝置設置在AC85-240之內，以此來確保電源的適用性。同時應充分考慮各項干擾因素，根據實際情況做好電源凈化元件的加設，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，為防止負載斷電產生的浪涌電流對PLC造成沖擊，需在輸出端進行二極管增設，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）具體設計中，還需要對該控制系統的網絡進行合理設計。在此過程中，設計者需對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議等各項內容的設計，以此來實現整體系統網絡的最佳優化效果。

■3.2 基于PLC的整體系統方案設計

在以PLC為基礎進行三相異步電機控制系統的具體設計中，首先應做好電動機選擇。因三相鼠籠形式的電機具有簡單的結構和穩定的運行效果，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情況。

表1 本次設計所選電動機的主要參數情況

其次是對開環閉環方案進行科學分析與確定。就目前來看，在對變頻系統進行應用程序的設計中，其主要的控制模式有兩種，第一是開環控制，第二是閉環控制。在閉環控制模式中，電動機會有速度反饋值、旋轉編碼以及PLC轉速設定值等出現，經信號比對之后再借助于PID進行數據處理，然后將給定的頻率數值輸出到變頻器中。而在開環控制模式中，需借助于上位機或者是PLC輸出端將相應的指令從變頻器中發出，在接收到指令之后，PLC內部的相應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整數據傳輸，進而對變頻器進行良好的運行狀態控制。

相比較閉環控制模式而言，開環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構，涉及到的元件數量很少，設計和應用成本都更加低廉；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為基礎的三相異步電機控制系統設計中，為實現操作效果與實操性的良好保障，并實現經濟成本的進一步節約，特將開環控制模式選作該系統的設計方案。

■3.3 基于PLC的系統硬件選擇

首先是變頻器選擇，在本次設計中，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。根據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的MicroMaster420-MM4系列的變頻器。該變頻器具有成熟且穩定的控制功能，且調速范圍也比較寬。具體設計中，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的S7-200型PLC設備。將其用作三相異步電機中的控制系統，可將傳統形式的繼電器有效替代，以此來實現三相異步電機的自動化控制。在整體的控制系統中，PLC是實現自動化控制的一個關鍵部分。

■3.4 基于PLC的系統控制程序設計

在對以PLC為基礎的三相異步電機控制系統進行程序設計時，首先需對其外部電路進行與變頻器設計，具體設計中，MM420變頻器可借助于模擬量接收的形式來實現電壓信號的輸入，這樣便可達到良好的無極調速控制效果。而其中的數字量D1N1、D2N2以及D3N3則可以借助于變頻器參數的修改來實現數字量端口功能的改變，以此來完成三相異步電機的啟動、停止以及正反向轉動指令的執行。將0-10V的單極性電壓選作模擬量信號，在進行參數設置前，需將變頻器外部的DIF開關調整到OFF位置。圖3是本次設計中以PLC為基礎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程序設計，本次設計中，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速效果。因為該系統應用的是開環調速控制模式，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，需將其速度設置為中間保護速度（25Hz）。在控制按鈕設計中，除了反轉按鈕之外，其余的所有按鈕都設計為自動復位形式，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、正轉按鈕以及反轉按鈕，通過這些按鈕，便可實現三相異步電機中的所有基本功能控制。為實現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置，在三相異步電機轉速達到最低或最高值時，便會發出相應的報警信號，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，首先需要進行相應的項目工程新建，其名稱統一定為“PLC三相異步電機調速調向”。然后進行一個控制設備的新建，雙擊鼠標進入到“項目工程新建設備”中，找到S7-200PLC系列中的“PP1”，將控制設備建立在此處，其名稱可設置成“S7-200-PLC-224XP”，將“COM4”選作其串口協議。將PLC地址接口定義為“2”。之后需要進行變量數據的添加，將新的數據詞典項目建立在系統數據庫里，并根據實際需求來進行各種變量的添加。同時需要做好相應的圖形畫面添加與動畫連接，其名稱可設置為“My-work-1”，在對相應的按鈕以及指示燈進行選擇之后，便可進行變量調用以及顏色設置等的各項操作，在完成了動畫連接之后做好保存。接下來需要對系統中已經完成制作的動畫進行調用，并將其設置為運行系統中的主畫面配置。最后返回界面開發系統，切換至“View”這一界面，這樣便可實現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PLC對三相異步電機的良好控制，相應的程序寫入和運行至關重要。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調到“PROGRM”這一位置，此時的PLC便進入到了編程狀態，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，此時便可進行相應的程序寫入。在寫入程序之前，操作者需要將儲存器中的所有內容都清除，也就是對所有程序做清零處理，然后再按照具體設計與要求將相應的控制程序寫入到PLC中。在完成程序寫入之后，可通過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按照具體設計連接到相應的電路中，以此來對三相異步電機進行正反轉、開啟、停止、加速和減速控制程序的執行。

4 結束語

綜上所述，在三相異步電機的控制系統設計及其應用中，PLC能夠發揮出關鍵性的自動化控制作用。因此，相關企業和技術人員一定要加強PLC設備及其自動化控制技術研究，并將其合理應用到三相異步電機的自動化控制系統中，以此來實現其良好的自動化控制。這對于PLC應用優勢的發揮以及三相異步電機的安全穩定運行都將起到非常積極的促進作用。