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PLC和变频器控制电动机运行状态切换控制要求

  按下SB1，电动机20Hz运转，5s以后，电动机以10Hz反转，10s后，电动机停止。

  相关知识

  在自动生产控制中，许多设备需要用定时器进行生产步骤的自动控制。在PLC的控制系统中，定时器的使用非常普遍，电动机从启动到停止，从正转到反转都可以通过时间继电器来进行设置与控制。定时器的运用使得许多生产过程和设备的运行实现自动化，脱离了人为的操作，更加准确，也更加安全。在变频器的运动控制系统中，利用PLC控制变频器的运行状态，借助PLC中定时器可以方便地实现变频器速度的自动切换，只要在系统运行前对变频器做好相关的设置即可。

  控制方案

  (1)接线图

  变频器延时控制接线图如图3-19所示。

  图3-19 变频器延时控制接线图

  (2)变频器参数设置

  如图3-19所示，变频器与PLC的接线表明电动机正转Y1、反转Y2的启动信号将用到FR-FU

  A700的端子STF、STR和SD，即需要设置变频器的启动信号为外部信号输入方式。本例中电动机采用两种运行频率，PLC用Y3、Y4来控制FR-A700的端子RM、RL，即需要设置变频器的端子RH、RM、RL、STR-SD进行频率设定。

  接好变频器的主回路与控制回路后，设定变频器参数：设置参数Pr79=3，即选择变频器为外部/PU组合运行模式1。此时指示灯PU和EXT都亮。设置RM为10Hz，RL为20Hz，即Pr5=10Hz，Pr6=20Hz。

  (3)梯形图

  变频器延时控制梯形图如图3-20所示。

  图3-20 变频器延时控制梯形图

  (4)控制过程分析

  如图3-20所示，按下按钮SB1，输入信号X1接通，输出信号Y1(STF)和Y4(RL)接通，电动机以20Hz正转，同时接通时间继电器T0。延时5s后，T0的常闭触点断开，电动机停止正转运行；T0的常开触点闭合，输出信号Y2(STR)和Y3(RM)接通，电动机以10Hz反转，同时接通时间继电器T1，延时10s后，T1的常闭触点断开，电动机停止运行。

1.起动、保持与停止电路

  起动、保持与停止电路简称为起保停电路，在梯形图中得到了广泛的应用。图5-1中起动按钮和停止按钮提供的起动信号10.0和停止信号10.1为1状态的时间很短。按下起动按钮，I0.0的常开触点和10.1的常闭触点均接通，Q4.1的线圈“通电”，它的常开触点同时接通。放开起动按钮，00.0的常开触点断开，“能流”经Q4.1和10.1的触点流过Q4.1 的线圈，这就是所谓的“自锁”或“自保持”功能。按下停止按钮，10.1的常闭触点断开，使Q4.1的线圈“断电”，其常开触点断开，以后即使放开停止按钮，I0.1的常闭触点恢复接通状态，Q4.1的线圈仍然“断电”。这种功能也可以用图5-2中的S(置位)指令和R (复位)指令来实现。

  在实际电路中，起动信号和停止信号可能由多个触点组成的串、并联电路提供。

  可以用设计继电器电路图的方法来设计比较简单的数字量控制系统的梯形图，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。有时需要反复多次地调试和修改梯形图，增加一些中间编程元件和触点，后才能得到一个较为满意的结果。电工手册中常用的继电器电路图可以作为设计梯形图的参考电路。

  这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，后的结果不是的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法叫做经验设计法，它可以用于较简单的梯形图(例如手动程序)的设计。

  2. 小车控制程序的设计

  2.7节给出了三相异步电动机正反转控制的主电路、PLC外部接线图和梯形图程序。图5-3是在异步电动机正反转控制的基础上设计的小车控制系统的PLC外部接线图。开始时小车停在左边，左限位开关SQ1的常开触点闭合。要求按下列顺序控制小车

  1)按下右行起动按钮SB2，小车右行。

  2)走到右限位开关SQ2处停止运动，延时8s后开始左行。

  3)回到左限位开关SQ1处时停止运动。

  图5-4是小车控制系统的梯形图程序。下面详细介绍硬件、软件设计中需要注意的一些问题。

  (1)确定PLC的输入、输出信号

  将继电器电路图转换为梯形图时，应确定PLC的输入信号和输出信号。3个按钮提供操作人员的指令信号，热继电器和限位开关的常开触点是反馈信号，它们都是PLC的输入信号。两个交流接触器的线圈是PLC的输出负载。

  画出PLC的外部接线图后，同时也确定了外部输入/输出信号与PLC内的过程映像输入/输出位的地址之间的关系。可以将继电器电路图“翻译”为梯形图。因为各输入信号均用常开触点提供，各触点的常开、常闭的性质不变。根据PLC外部接线图给出的关系，来确定梯形图中各触点的地址。

  (2)按钮连锁

  为了方便操作和KM1和KM2不会同时动作，在图5-4中设置了“按钮联锁”，即将正转起动按钮I0.0的常闭触点与控制反转的Q4.1的线圈串联，将反转起动按钮I0.1的常闭触点与控制正转的Q4.0的线圈串联。设Q4.0的线圈通电，电动机正转。这时如果想改为反转，可以不按停止按钮I0.2，直接按反转起动按钮10.1，它的常闭触点断开，使Q4.0的线圈断电。同时10.1的常开触点接通，使Q4.1的线圈得电，电动机由正转变为反转。

  (3)硬件互锁电路

  由图3-5中的主回路可知，如果KM1和KM2的主触点同时闭合，将会造成三相电源相间短路的故障。梯形图用Q4.0和Q4.1的常闭触点组成软件互锁电路，它们只能输出模块与Q4.0和Q4.1对应的硬件继电器的常开触点不会同时接通。

  如果没有图5-3输出电路中的硬件互锁电路，从正转马上切换到反转时，由于切换过程中电感的延时作用，可能会出现原来接通的接触器的主触点还未断弧，另一个接触器的主触点已经合上的现象，从而造成交流电源瞬间短路的故障。

  此外，如果没有硬件互锁电路，且因为主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的。这时如果另一个接触器的线圈通电，也会造成交流电源短路。为了防止出现这种情况，应在PLC外部设置由KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路(见图5-3)。假设KM1的主触点被电弧熔焊，这时它与KM2线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此KM2的线圈不可能得电。这种互锁电路可以有效地防止电源短路故障。

  (4)小车控制系统的程序设计

  在异步电动机正反转控制电路的基础上设计的满足上述要求的梯形图如图5-4所示。在控制右行的Q4.0的线圈回路中串联了10.4的常闭触点，小车走到右限位开关SQ2处时，I0.4的常闭触点断开，使Q4.0的线圈断电，小车停止右行。同时I0.4的常开触点闭合，TO 的线圈通电，开始定时。8s后定时时间到，T0的常开触点闭合，使Q4.1的线圈通电并自保持，小车开始左行。离开限位开关SQ2后，10.4的常开触点断开，TO因为其线圈断电而被复位。小车运行到左边的起始点时，左限位开关SQ1的常开触点闭合，I0.3的常闭触点断开，使Q4.1的线圈断电，小车停止运动。

  在梯形图中(见图5-4)，保留了左行起动按钮I0.1和停止按钮I0.2的触点，使系统有手动操作的功能。串联在起保停电路中的限位开关I0.3和I0.4的常闭触点可以防止手动时小车的运动超限。

  3. 常闭触点输入信号的处理

  前面在介绍梯形图的设计方法时，输入的数字量信号均由外部常开触点提供，但是在实际的系统中有些输入信号只能由常闭触点提供。如果将图5-3热继电器FR的常开触点换成常闭触点，没有过载时FR的常闭触点闭合，I0.5为1状态，其常开触点闭合，常闭触点断开。为了没有过载时电动机的正常运行，显然应在Q4.0和Q4.1的线圈回路中串联I0.5的常开触点，而不是像继电器系统那样串联I0.5的常闭触点。过载时FR 的常闭触点断开，I0.5为0状态，其常开触点断开，使Q4.0或Q4.1的线圈“断电”，起到了保护作用。

  这种处理方法虽然能系统的正常运行，但是作过载保护的I0.5的触点类型与继电器电路中的刚好相反，熟悉继电器电路的人看起来很不习惯，在将继电器电路“转换”为梯形图时也很容易出错。为了使梯形图和继电器电路图中触点的常开/常闭的类型相同，建议尽可能地用常开触点作PLC的输入信号。如果某些信号只能用常闭触点输入，可以按输人全部为常开触点来设计，然后将梯形图中相应的输入位的触点改为相反的触点，即常开触点改为常闭触点，常闭触点改为常开触点。

PLC现场硬件模块的组态和软件调试

  对于各种PLC的现场硬件组态和软件调试，通常有经验的工程师应该先花一些时间对自己的现场工作进行一个简单的规划，通常应当采取如下的步骤：   

   （1） 系统的规划

      ，深入了解系统所需求的功能，并调查可能的控制方法，同时与用户或设计院共同探讨佳之操作程序，根据所归纳之结论来拟定系统规划，决定所采行的PLC系统架构、所需之I/O点数与I/O模块型式。  

    （2） I/O模块选择与地址设定  

    当I/O模块选妥后，依据所规划之I/O点使用情形，由PLC的CPU系统自动设定I/O地址，或由使用者自定I/O模块的地址。  

      （3） 梯形图程序的编写与系统配线  

      在确定好实际的I/O地址之后，依据系统需求的功能，开始着手梯形图程序的编写。同时，I/O之地址已设定妥当，故系统之配线亦可着手进行。  

      （4） 梯形图程序的仿真与修改  

      在梯形图程序撰写完成后，将程序写入PLC，便可在PC与OpenPLC系统做在线连接，以执行在线仿真作业。倘若程序执行功能有误，则进行除错，并修改梯形图程序。

      （5） 系统试车与实际运转  

     在线上程序仿真作业下，若梯形图程序执行功能正确无误，且系统配线亦完成后，便可使系统纳入实际运转，项目计划亦告完成。  

     （6）程序注释和归档  

      为确保日后维修的便利，要将试车无误可供实际运转的梯形图程序做批注，并加以整理归档，方能缩短日后维修与查阅程序之时间。这是职业工程师的良好习惯，无论对今后自己进行维护，或者移交用户，这都会带来的便利，而且是你的职业水准的一个体现。

以上工作中，复杂的系统规划可能需要几天甚至更长的时间，但一个简单的系统规划在一个具有良好的职业习惯的编程工程师手中，可能只需要几个小时。

      这里要强调一个问题，是十分简单但却几乎每个项目都会发生的，那就是对PLC的接线。这往往是经验不足的工程师常常忽略的一个问题。其实，现场调试大部分的问题和工作量都是在接线方面。有经验的工程师应当检查现场的接线。通常，如果现场接线是由用户或者其它的施工人员完成的，则通过看其接线图和接线的外观，就可以对接线的质量有个大致的判断。然后要对所有的接线进行一次完整而认真的检查。现场由于接线错误而导致PLC被烧坏的情况屡次发生，在进行真正的调试之前，一定要认真地检查。即便接线不是你的工作，检查接线也是你的义务和责任，而且，可以省去你后面大量的时间。