PLC在三相异步电机控制系统中的应用

吴继锋

（马鞍山理工学校，安徽马鞍山，243000）

0 引言

在对三相异步电机进行控制系统的设计中，PLC是一项关键的设备与技术形式。通过PLC技术及其设备的良好应用，才可以让整体系统达到良好的自动化控制效果，以此来满足三相异步电机实际的自动化控制需求。因此，在具体的系统设计中，技术人员一定要对PLC做到足够了解，并进一步明确三相异步电机控制系统及其主要工作原理，然后以此为依据，将PLC技术合理应用到该系统的设计中。通过这样的方式，才可以实现整体控制系统的科学合理设计，进而在三相异步电机的自动化控制中发挥出PLC的充分优势。

1 PLC概述

PLC是一种可编程形式的逻辑控制器，是专门应用在工业环境中的数字运算与操作系统。PLC中有一种可编程形式的储存器，它可以对用户输入的内容进行储存和逻辑运算，以此来达到自动化控制效果。具体运行中，PLC的工作阶段通常为三个，第一是输入采样，第二是程序执行，第三是输出采样，这三个阶段共同组成PLC逻辑控制器的一个扫描周期。而在PLC的整个运行过程中，其中的CPU将会按照一定的扫描速度对以上的三个阶段任务进行重复执行，以此来达到预设的自动化控制效果。相比较传统形式的继电器控制而言，将PLC应用到三相异步电机控制系统中，不仅可实现其工作效率的进一步提升与应用功能的进一步优化，同时也可以达到良好的自动化控制效果，让三相异步电机的适应性得以显著加强，满足其在当今时代中的实际应用需求。图1是PLC工作原理示意图。

图1 PLC工作原理示意图

2 三相异步电机控制系统原理概述

在三相异步电机中，磁场旋转方向是决定电机转动方向的关键，在三相电源中，相和相之间的电压会在相位上相差120度，因此在三相异步电机中，其定子中的三个绕组也会在空间位置上相差120度。这就相当于在三相电源通入到定子绕组时，定子绕组中就会有一个旋转形式的磁场产生。如果电流变化一个周期，这个旋转磁场也会在空间中进行一周的旋转，且这个磁场的具体旋转速度和电流的变化保持同步。而在其定子绕组内，三相电流相序值对磁场的旋转方向起到决定性作用。基于此，在三相异步电机的运行过程中，任何两相电源的切换都将改变其转动方向。而在对三相异步电机进行转速控制的过程中，其主要的方法有两种，第一是对电机中的极对数加以改变，第二是变频，而在当今的三相异步电机转速控制中，通过变频来实现的无极变速是最为常用的一种方法。在旋转磁场的具体运行中，其旋转方向和绕组电流的具体相序之间存在直接关联。如果相序按照A、B和C的顺序顺时针排列，则磁场也将会按照顺时针的方向与之同步旋转；如果在三相电源中选择任意的两相进行对调，比如将原本从B相通入的电流改为从C相通入，将原本从C相通入的电流改为从B相通入，也就是让相序从原来的A、B、C准变为了C、B、A，此时，旋转磁场也会按照逆时针的方向与之同步旋转。借助于这一特征，我们便可通过合理的控制方法来实现三相异步电机转动方向的合理改变。图2为某三相异步电机转动方向及其电源切换周期曲线示意图。

图2 某三相异步电机转动方向及其电源切换周期曲线示意图

在三相异步电机的实际工作过程中，因其作业需要连续进行，所以在惯性作用下，整体电机就具有了较强的功能。如果突然发生断电故障，电机依然会在惯性作用下继续转动，并在缓冲一段之后才可以停止，这是实际工作中绝不可出现的情况。为避免此类情况的发生，就需要通过PLC来对其进行自动化的制动处理，以此来实现三相异步电机的即停控制。

3 PLC在三相异步电机控制系统设计中的具体应用分析

■3.1 PLC在其中的应用要点

在对三相异步电机控制系统进行设计的过程中，PLC的应用要点包括以下几个方面：

（1）根据三相异步电机的具体负载类型，对PLC输出端负载电流形式、大小等加以科学设计，以此来对输出端口晶体管、晶闸管和继电器应用做出科学判断。

（2）对于输入回路，应将PLC供电装置设置在AC85-240之内，以此来确保电源的适用性。同时应充分考虑各项干扰因素，根据实际情况做好电源净化元件的加设，以此来提升其抗干扰能力。

（3）对于输出回路，需充分考虑装置的抗干扰能力，为防止负载断电产生的浪涌电流对PLC造成冲击，需在输出端进行二极管增设，这样便可将浪涌电流和交流感性负载等吸收，让PLC得到良好保护。

（4）具体设计中，还需要对该控制系统的网络进行合理设计。在此过程中，设计者需对PLC选型及其控制需求加以充分考虑。同时，考虑到后续维修，选型中，一定要选择比较常见的PLC类型。另外，需做好其接口和通信协议等各项内容的设计，以此来实现整体系统网络的最佳优化效果。

■3.2 基于PLC的整体系统方案设计

在以PLC为基础进行三相异步电机控制系统的具体设计中，首先应做好电动机选择。因三相鼠笼形式的电机具有简单的结构和稳定的运行效果，实用性非常好，且成本也十分低廉，所以在本次设计中，便选择了此种电动机，其型号是Y2-632-4。表1是该电动机的主要参数情况。

表1 本次设计所选电动机的主要参数情况

其次是对开环闭环方案进行科学分析与确定。就目前来看，在对变频系统进行应用程序的设计中，其主要的控制模式有两种，第一是开环控制，第二是闭环控制。在闭环控制模式中，电动机会有速度反馈值、旋转编码以及PLC转速设定值等出现，经信号比对之后再借助于PID进行数据处理，然后将给定的频率数值输出到变频器中。而在开环控制模式中，需借助于上位机或者是PLC输出端将相应的指令从变频器中发出，在接收到指令之后，PLC内部的相应程序会对其进行计算，以此来判断输出端是否需要向变频器进行调整数据传输，进而对变频器进行良好的运行状态控制。

相比较闭环控制模式而言，开环控制模式中只有一条控制路径，其信息为单相传输，具有更加简洁明了的结构，涉及到的元件数量很少，设计和应用成本都更加低廉；同时，这种控制模式也具有较强的抗干扰能力。因此，在本次以PLC为基础的三相异步电机控制系统设计中，为实现操作效果与实操性的良好保障，并实现经济成本的进一步节约，特将开环控制模式选作该系统的设计方案。

■3.3 基于PLC的系统硬件选择

首先是变频器选择，在本次设计中，三相异步电机的启动、停止及其速度控制都是通过变频器来实现。根据实际情况与具体的控制需求，本次选择的是西门子公司研发的MicroMaster420-MM4系列的变频器。该变频器具有成熟且稳定的控制功能，且调速范围也比较宽。具体设计中，其物理接口主要包括输入和输出两种形式；电路主要包括主电路以及控制电路两个部分。

其次是PLC型号选择，本次所选的是西门子公司所研发的S7-200型PLC设备。将其用作三相异步电机中的控制系统，可将传统形式的继电器有效替代，以此来实现三相异步电机的自动化控制。在整体的控制系统中，PLC是实现自动化控制的一个关键部分。

■3.4 基于PLC的系统控制程序设计

在对以PLC为基础的三相异步电机控制系统进行程序设计时，首先需对其外部电路进行与变频器设计，具体设计中，MM420变频器可借助于模拟量接收的形式来实现电压信号的输入，这样便可达到良好的无极调速控制效果。而其中的数字量D1N1、D2N2以及D3N3则可以借助于变频器参数的修改来实现数字量端口功能的改变，以此来完成三相异步电机的启动、停止以及正反向转动指令的执行。将0-10V的单极性电压选作模拟量信号，在进行参数设置前，需将变频器外部的DIF开关调整到OFF位置。图3是本次设计中以PLC为基础的三相异步电机外部电路控制示意图。

图3 三相异步电机外部电路控制示意图

其次是PLC程序设计，本次设计中，选择的是CPU224XP单极性电压模拟量输出中的十个平均点，分别是1-10V，这样就达到了有级调速效果。因为该系统应用的是开环调速控制模式，所以可将这十个点看成是十段速，以便PLC对其进行精准控制。在三相异步电机第一次启动时，需将其速度设置为中间保护速度（25Hz）。在控制按钮设计中，除了反转按钮之外，其余的所有按钮都设计为自动复位形式，且每一个按钮的意义都非常明确，主要包括启动按钮、停止按钮、加速按钮、减速按钮、正转按钮以及反转按钮，通过这些按钮，便可实现三相异步电机中的所有基本功能控制。为实现三相异步电机的运行保护，本次也进行了报警信号和加减速取消功能的设置，在三相异步电机转速达到最低或最高值时，便会发出相应的报警信号，减速或加速取消功能也会自动启动，进而对电机起到良好的保护作用。本次所研究的PLC三相异步电机控制系统界面控制按钮图见图4。

图4 界面控制按钮图

■3.5 基于PLC的远程控制设计

在通过PLC进行三相异步电机的远程控制时，首先需要进行相应的项目工程新建，其名称统一定为“PLC三相异步电机调速调向”。然后进行一个控制设备的新建，双击鼠标进入到“项目工程新建设备”中，找到S7-200PLC系列中的“PP1”，将控制设备建立在此处，其名称可设置成“S7-200-PLC-224XP”，将“COM4”选作其串口协议。将PLC地址接口定义为“2”。之后需要进行变量数据的添加，将新的数据词典项目建立在系统数据库里，并根据实际需求来进行各种变量的添加。同时需要做好相应的图形画面添加与动画连接，其名称可设置为“My-work-1”，在对相应的按钮以及指示灯进行选择之后，便可进行变量调用以及颜色设置等的各项操作，在完成了动画连接之后做好保存。接下来需要对系统中已经完成制作的动画进行调用，并将其设置为运行系统中的主画面配置。最后返回界面开发系统，切换至“View”这一界面，这样便可实现三相异步电机的自动化远程控制。

■3.6 PLC程序的写入和运行

要想实现PLC对三相异步电机的良好控制，相应的程序写入和运行至关重要。在PLC通电之后，其电源指示灯将会亮起，此时便可将编程器开关调到“PROGRM”这一位置，此时的PLC便进入到了编程状态，且编程器中会显示出“PASSWORD”字样，按下CLR以及MOMTR这两个按键，一直到屏幕上的地址号显示为0000，此时便可进行相应的程序写入。在写入程序之前，操作者需要将储存器中的所有内容都清除，也就是对所有程序做清零处理，然后再按照具体设计与要求将相应的控制程序写入到PLC中。在完成程序写入之后，可通过上下方向键对所有程序进行读取检查，对于存在错误的程序，可通过指令插入或者删除的方式来进行修改。在完成了上述操作之后，便可将PLC按照具体设计连接到相应的电路中，以此来对三相异步电机进行正反转、开启、停止、加速和减速控制程序的执行。

4 结束语

综上所述，在三相异步电机的控制系统设计及其应用中，PLC能够发挥出关键性的自动化控制作用。因此，相关企业和技术人员一定要加强PLC设备及其自动化控制技术研究，并将其合理应用到三相异步电机的自动化控制系统中，以此来实现其良好的自动化控制。这对于PLC应用优势的发挥以及三相异步电机的安全稳定运行都将起到非常积极的促进作用。