用PLC改進鼠籠式異步電動機的起、制動控制方式

1 引言
傳統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通常由繼電器-接觸器控制系統來完成。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，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，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定運行。
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。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。

圖1 繼電器接觸器控制系統

這種傳統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技術的發展，使用PLC進行電機的運行控制已成為必然趨勢。

2 采用PLC實現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邦德國也相繼開發了各自的PLC(programmable logic controller)，因此，與傳統的繼電器接觸器控制系統相比較，筆者認為采用PLC實現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。

圖2 PLC控制的輸入輸出接線圖

圖3 PLC控制的梯形圖

PLC控制邏輯與傳統的繼電器接觸器控制系統基本一致，其工作過程如下:
起動時，按下起動按鈕SB1,X400常開觸點閉合，Y430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Y430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，X402常開觸點閉合，M100線圈接通并自鎖，M100的一對常開觸點接通Y432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定運行。
制動時，按下停機按鈕SB2，X401常開觸點斷開Y430線圈，使KM1失電釋放，而Y430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。與此同時，Y430的常開觸點斷開Y432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，X402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，X403的兩對常閉觸點斷開Y430和M110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如下:

3 PLC與繼電器接觸器控制系統的比較
通過對鼠籠式異步電動機起制動的傳統控制方法和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控制系統結構緊湊
繼電器接觸器控制系統使用電器多，體積大且故障率大;PLC控制系統結構緊湊，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控制系統制造周期短
PLC控制系統由于結構簡單緊湊，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周期短。
此外，由于PLC技術是計算機控制的基礎上發展而來，因此，它的軟硬件設置上有著傳統的繼電器接觸器控制無法比擬的優勢，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系統中CPU和各I/O回路(主要指數字口)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，使用戶能迅速確定故障的位置;
(5) 設有聯鎖功能
PLC中個各輸出通道之間設有聯鎖功能。以防止各被控對象之間誤動作可能造成的事故;
(6) 設置環境檢測和診斷電路
這部分電路負責對PLC的運行環境(例如電網電壓、工作溫度、環境的濕度等)進行檢測，同時也完成對PLC中各模塊工作狀態的監測。這部分電路往往是與軟件相配合工作的，以實現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視PLC運行進程是否按預定的順序進行，如果PLC中發生故障或用戶程序區受損，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、數據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所處理的數據比較穩定，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。
4 結束語
由于PLC在設計制造時充分考慮到工業控制的現場環境問題，并采取了多層次、多種有效措施來提高工作可靠性，因此，采用PLC實現電機控制，特別是對工作環境條件較惡劣的工礦企業應該是一項明智之舉。