基于PLC的低压配电实训屏电机控制系统设计
时间：2020-05-27 07:54:47 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要： 针对PLC新技术广泛而深入应用于现代工业生产各行业的大趋势，结合学生电工、维修电工基本技能实训需求，对电工实训低压配电屏电机控制系统，完成基于PLC技术的二次设计和改造，分析和阐述PLC引入的步骤、具体设计实例及预期效果。
Abstract： According to the trend that the PLC new technology is widely and deeply applied into modern industrial production， combining students" electrician， maintenance electrician basic skill training needs， the paper makes the secondary design and transformation based on PLC technology of low-voltage distribution screen motor control system in the electrician practice， analyzes and discusses PLC introduction steps， specific design examples and expected effect.
关键词： PLC；实训屏；电机控制系统；设计
Key words： PLC；training screen；motor control system；design
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）36-0205-02
0 引言
PLC作为先进的、应用最广的工业控制器已风靡全球，而三相异步电动机广泛应用于现代的工业生产和民用生活中。PLC在三相异步电动机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点，PLC能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前工业对自动化控制的需求。因此在现代工控领域扮演着举足轻重的角色。
《低压配电屏电机控制安装实训》是我校电气、热动主干专业的专业基础实践课程《电工工艺实训》的核心模块。它体现了电工技术的综合性、现代性和现场性，对高职学生的专业电工知识学习和电工、维修电工基本技能的提升有极其重要的意义。基于PLC的电机控制在工控领域广泛应用，有必要对现有的低压配电电机控制实训屏进行二次设计和改进，在电工技能模块基础上，引入PLC模块，采用PLC少量开关量逻辑控制指令方便实现继电器电机控制功能。实现模块化设计，单元式组合，可视性强，为学生搭建一个实用的、开放式电工工艺实训平台，构筑一座从学校（基础理论）走向社会（工程实践）的桥梁。
1 可编程控制器PLC结构与工作原理
1.1 PLC的结构 PLC的种类有很多种，每一种PLC在功能和指令系统上都不一样，但是，每一种PLC的结构和工作的原理都是一样的。PLC通常都是由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口这几部分构成的。
1.2 PLC的工作原理 “顺序扫描，不断循环”是PLC的主要的工作方式，而每一项工作的周期，都会经历三个阶段，这三个阶段就是：输入采样、程序执行和输出刷新。
首先，在输入采样的阶段，PLC会通过扫描，并且按照顺序读入全部的暂时存在于输入锁存器内的输入端子的通断状态或者输入的数据，然后在对应的输入状态寄存器中写入。其次，是程序的执行，要扫描执行每一条指令，扫描的顺序要按照用户程序指令存放的先后顺序进行，程序执行的结果同样也要写入输出状态寄存器，它的内容随着程序的执行也会发生改变。最后，是输出的刷新，在全部的指令都执行完之后，输出状态寄存器的通断状态会送到输出锁存器中，然后经过继电器和晶闸管输出，并将相应的输出设备驱动起来，进入工作状态。
1.3 PLC控制系统的设计步骤 ①分析被控对象。分析被控对象的内容主要是针对工艺的过程和工作特点，要对被控对象的机、电之间的配合进行详细的了解，并要明确出PLC控制系统在工作中需要达到的要求。②确定输入/输出设备。系统的输入设备，比如按钮、位置开关、转换开关等，以及系统输出设备，比如接触器、电磁阀、信号指示灯等，在系统中具有重要的作用，要根据系统控制的需求，合理确定需要的输入和输出设备。据此确定PLC的I/O点数。③选择PLC。包括PLC的机型、容量、I/O模块、电源的选择。④分配I/O点。分配PLC的I/O点，画出PLC的I/O端子与输入/输出设备的连接图或对应表。⑤设计软件及硬件。进行PLC软件设计，完成控制柜（台）等硬件设计及现场施工。⑥联机调试及整理技术文件。
2 基于PLC的触点互锁电机正反转控制系统设计实例
2.1 触点互锁电机正反转控制系统控制要求 按启动按钮SB1，电动机作星形连接启动，电机正转；按启动按钮SB2，电动机作星形连接启动，电机反转；在电机正转时，反转按钮SB2被屏蔽，在电机反转时，反转按钮SB1被屏蔽；如需正反转切换，应首先按下停止按钮SB3，使电机处于停止工作状态，方可对其做旋转方向切换。
2.2 PLC及电源的选择
2.2.1 PLC选用三菱FX系列 PLC 其中包括CPU 模块、数字量I/O 模块、模拟量I/O 模块、通信模块）和继电器组成PLC 控制单元；包括按钮控制部分（开关量输入）和外部传感器等（模拟量输入）接口单元。可见，系统的各控制信号或输入信号均是“开关量”或“模拟量”。
2.2.2 配置电源控制单元（输入AC ２２０ V；输出AC ０ V～２５０ V ；交流可调电源及DC ５ V/DC １２ V/DC ２４ V 各１ 路（由模块电源组建）；另配置１ 台直流稳压电源（０ V～５０ V 可调），电源控制单元要有漏电及过流、过载等保护装置。
2.3 控制系统I/O分配表及I/O接线图（表1及图1）。
2.4 控制系统软件设计 将PLC连上编程器并接通电源后，PLC电源指示灯亮，将编程器开关打至“PROGRAM”位置，这时PLC处于编程状态。编程器显示PASSWORD！这时依次按Ctrl键和Montr键，直至屏幕显示地址号0000，这时即可输入程序。
但在输入程序前，还需清除存储器中内容，按照以上控制的梯形图或程序指令将控制程序写入PLC。程序输入到PLC指令如表2。
2.5 控制系统硬件设计 依据PLC控制系统的设计步骤，完成PLC系统程序设计后，便进入以控制柜（低压配电屏）等硬件设计阶段。基于PLC的特点，控制系统程序设计与硬件设计也可并行实施。
2.5.1 电机正反转控制低压配电实训屏PLC硬件组成 PLC（FX系列）将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC。CPU负责执行程序和存储数据，以便对控制系统或过程进行控制。输入和输出时系统的控制点：输入部分从现场设备中（传感器或开关）采集信号，输出部分则控制电机、指示灯以及控制过程中的其他设备。电源向CPU及所连接的任何模块提供电力支持。通信端口用于连接CPU与上位机或其他设备。状态信号灯显示了CPU工作模式，本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。
2.5.2 控制系统故障预设 实训屏控制系统故障预设，若采用计算机模拟程序控制，改造成本高，而利用开关控制，能达到同样效果，且成本较低。因此，在实训屏上另加置一故障预设模板，模板上由多个开关组成，各开关串联在电路中即可完成对电机各种控制线路的故障设置，且具有多种故障组合。技能考核前，考评员只需操作开关即可设置故障，考核中考生先通电观察故障现象，随后断电，用表计判断故障并排除故障，然后通电验收，最后断电，拆线完成考核。结束后，考评员只需很短时间操作开关就可复位设置故障。于是又能进行下一轮考核。控制系统故障预设模板灵活、方便、快捷，又避免了故障现象过于直观，保证电工、维修电工考核的公平、公正和高效。
2.5.3 控制系统实训屏模块间辅助配置 设计与控制系统实训屏配套的机架和模板，要求统一规格和尺寸，合理布局，便于统一标准和方便实用。实训元器件采用导轨和机架固定（开放式安装于屏柜），既便于组装和拆卸，又便于学生识别和测试元件及其参数；一个机架与不同的模板搭配可以完成不同的实训项目。每一单元都有各自的输入和输出接口单元，均采用接线端子排，便于接线方便互连；输入与输出、信号与电源都要分开，避免相互干扰。惟有如此，才能保证控制系统实训屏具有良好的扩展性，紧跟工控领域的发展进行各实训单元的更改或扩展；实训内容丰富，选择灵活，这样对于学生实训就有很大的选择性和针对性；开放式设计，使学生对元器件看得见、摸得着，既方便认识实物又便于参数测试和功能观测。
3 设计改进后的预期效果
充实和丰富了电工工艺实训内容，将电工最基本器件（继电器、接触器、断路器、变压器、开关、按钮等）与工控控制单元（PLC控制模块、数据传输与通信模块等）以及电工测量工具仪表（电压表、电流表等）很好地结合，实施模块化设计，单元式组合，可视性好；学生通过动手，真正把书本中的图形符号和器件实物结合起来，根据自己的设计去控制或操纵任意器件，激发学生的实训和创新热情；在电工实训中把知识、技能融入到工程实践中，使学生真正能够学有所用，用为所学。
4 结论
基于PLC的电工实训屏的改进设计，为学生构筑了一个有实际意义的开放式电工实训操作平台，建起一座从基础理论走向工程实践的桥梁。为初次接触工程实践项目的学子使用计算机从事工业自动控制打开了方便之门。
参考文献：
[1]王正锋.电工技能训练[M].南京：江苏科学技术出版社，2006.
[2]周四六.可编程控制器应用基础[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[3]三菱公司.FX2系列可编程序控制器使用手册，2001.
