任务三 用PLC实现三相异步电动机的正反转控制

任务目标

1．能运用置位/复位指令SET/RST进行本任务的四步法程序设计。

2．熟悉用PLC改造继电 －接触式控制线路的一般步骤及技巧。

3．能按照电气工程的控制和设计要求进行程序的设计、安装与调试。

4．提高自我学习、信息处理、数字应用等能力，以及与人交流、与人合作、解决问题等社会能力，并自查6S执行力。

任务描述

专业能力训练环节一

如图3-1所示的是三相异步电动机的正反转控制电路，该电路在“安装与维修常用生产机械控制线路”学习领域里已经进行了电路的安装、接线与排故训练，现在我们用PLC来实现该电路的功能设计。

设计要求如下：

（1）用直译法进行PLC梯形图指令的编写。

（2）在PLC学习机上用发光二极管模拟调试程序，即用发光管L ED1、LDE2的亮灭情况分别代表主电路的两只接触器KM1、KM2的分合动作情况。发光管模拟调试动作分合对照如表3-1所示。

（3）按照控制要求设计PLC的输入/输出（I/O）地址分配表。

（4）按照控制要求进行PLC的输入/输出（I/O）接线图的设计。

（5）按照控制要求进行PLC梯形图程序的设计。

（6）按照控制要求进行PLC指令程序的设计。

（7）程序调试正确后，笔试回答表3-2中所列的该程序设计时的核心问题。

（8）工时：90分钟，每超时5分钟扣5分。

（9）配分：本任务满分为100分，比重50%，评分标准如表3-8所示。

专业能力训练环节二

用PLC实现三相异步电动机的复合联锁正反转控制电路的程序设计、安装与调试，熟练进行线路故障的排除。

训练要求如下：

（1）按照控制要求设计PLC的输入/输出（I/O）地址分配、I/O接线图、梯形图、指令表并填入表3-4相应栏目中。

（2）要求采用PLC、低压电器、配线板、相关电工材料等实现三相异步电动机复合联锁正反转控制电路的真实控制（即进行现场调试）。

（3）按照控制线路的电动机功率的大小选择所需的电气元件，并填写表3-5。

（4）元件在配线板上布置要合理，元件布局如图3-2所示。安装要正确、紧固，配线要求紧固、美观，导线要入行线槽。

（5）正确使用电工工具和仪表。

（6）按钮盒不固定在配线板上，电源和电动机配线、按钮接线要接到端子排上，进出线槽的导线要有端子标号，引出端子要用别径压端子。

（7）用PLC实现三相异步电动机复合联锁正反转控制电路的程序设计、安装与调试，并一次成功。

（8）进入实训场地要穿戴好劳保用品并安全文明操作。

（9）工时：150分钟，每超时5分钟扣5分。

（10）配分：本任务满分100分，比重50%，其中排故占10%。评分标准分别如表3-9所示。

专业拓展能力训练

设计要求如下：

用复位、置位指令编写三相异步电动机的复合联锁正反转控制电路的PLC程序。

（1）按照控制要求设计PLC的输入/输出（I/O）地址分配表。

（2）按照控制要求进行PLC的输入/输出（I/O）接线图的设计。

（3）按照控制要求进行PLC梯形图程序的设计。

（4）按照控制要求进行PLC指令程序的设计。

（5）程序调试正确后，笔试回答表3-2中所列的该程序设计时的核心问题，评分标准如表3-10所示。

（6）工时：60分钟，每超时5分钟扣5分。

（7）配分：本任务满分为5分，为附加分。

任务实施

一、训练器材

验电笔、尖嘴钳、斜口钳、剥线钳、螺钉旋具、万用表、兆欧表、钳形电流表、配线板、一套低压电器、PLC、连接导线、三相异步电动机及电缆、三相四线电源插头与电缆。

二、预习内容

1．写出图3-1所示三相异步电动机复合联锁的正反转控制电路的工作原理。

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2．复习组合开关、熔断器、交流接触器、热继电器、按钮、接线端子排等低压电器、配电导线及PLC的选用方法，并填写好表3-5的元件选择明细表。

3．阅读行线槽配线工艺。

4．复习PLC基本指令及其应用方法。

三、训练步骤

“专业能力训练环节一”训练步骤

1．实训指导教师简要说明“专业能力训练环节一”的要求后，学生各自在PLC学习机上进行三相异步电动机正反转程序的编写并进行模拟调试。操作步骤如下：

（1）按照控制要求设计PLC的输入/输出（I/O）地址分配表。

（2）按照控制要求进行PLC的输入/输出（I/O）接线图的设计。

（3）运行三菱PLC的GX Developer编程软件。

（4）梯形图程序或指令表程序的编辑与程序录入。

（5）根据已经设计好的PLC输入/输出（I/O）接线图进行PLC外围电路的连接。

（6）PC机与PLC的通信连接。

（7）烧写PLC用户程序。

（8）程序调试：

①按照表3-1所示模拟调试的动作要求依次按下按钮SB1、SB2、SB3及过载保护触点FR，结合三相异步电动机正反转的工作原理分析程序的正误。

②若不符合控制要求，则对程序进行修改；若符合要求，则对程序设计的四个基本要素进行整理与总结，并将合理的答案填入表3-2。

进行程序调试即试车环节的安全注意事项任务二中已有说明，此处不再赘述。

2．程序调试成功后按照正确的断电顺序与拆线顺序进行PLC外围线路的拆除，并整理好工位，待实训指导教师对自己的“专业能力训练环节一”进行评价后（可以互评），简要总结本环节的训练经验并填入表3-3，进入“专业能力训练环节二”的能力训练。

3．实训指导教师对本任务实施情况进行总结与评价。

“专业能力训练环节二”训练步骤

1．因本训练环节要求采用PLC、低压电器、网孔板、相关电工材料等实现三相异步电动机双重联锁正反转的真实控制，PLC的输出控制对象由“专业能力训练环节一”的发光管变为驱动电压为交流220V的交流接触器，PLC的输入控制电器由微型按钮改为防护式两档按钮。为此，表3-2的相关信息需要做适当的修改。请将修改后的结果填入表3-4。

【思考】表3-2与表3-4的哪些内容的答案是不相同的？为什么？

2．根据要求正确地选择改造电路所需的电器元件，并填写表3-5。

3．将数据线可靠地连接在PLC与电脑的串口之间，将PLC的“L”与“N”端口连接到220V交流电源，将“专业能力训练环节一”中保存在电脑中的程序修改后写入PLC。

4．程序进行模拟调试无误后，将PLC安装在配线板上，电器布局如图3-2所示。

5．元件在配线板上布置要合理，安装要正确、紧固，配线要求紧固、美观，导线要入行线槽。

6．由PLC组成的控制电路及由接触器控制电动机的主电路全部安装完毕后，用万用表的电阻检测法进行控制线路安装正确性的自检。

7．自检完毕后进行控制电路板的试车。进行试车及排故环节的学生要注意以下几点：

（1）独自进行通电所需的配线板外围电路的连接，如连接电源线、连接负载线及电动机，并注意正确的连接顺序，同时要做好熔断器保险丝的可靠安装。

（2）正确连接好试车所需的外围电路后，注意正确的通电试车步骤，并在实训指导教师的监护下进行试车。

（3）插上电源插头→合上组合开关QS1与QS2→依次按下启动按钮SB1、SB2与停止按钮SB3及过载保护FR（常开触点短接）后，注意观察各低压电器及电动机的动作情况，并仔细记录故障现象，以作为故障分析的依据，并及时回到各自工位独自进行故障排除训练，直到试车成功为止。

（4）试车成功后按照正确的断电顺序与拆线顺序进行配线板外围线路的拆除，待实训指导教师对自己的“专业能力训练环节二”进行评价后，简要小结本环节的训练经验并填入表3-6，进入专业拓展能力训练环节。

（5）训练注意事项：

①检修前应掌握电路的工作原理，熟悉电路结构和安装接线布局。

②检修应注意测量步骤，检修思路和方法要正确，不能随意测量和拆线。

③带电检修时，必须有教师在现场监护，排除故障应断电后进行。

④检修严禁扩大故障，损坏元器件。

⑤检修必须在定额时间内完成。注意本故障排除时间仍然属于150分钟内，超时按照评价表3-9扣分。

8．实训指导教师对本任务实施情况进行评价。

“专业拓展能力训练”训练步骤

1．实训指导教师简要说明“专业拓展能力训练”的要求后，学生各自在PLC学习机上进行三相异步电动机双重联锁控制线路的程序编写并进行模拟调试。操作步骤同“专业能力训练环节一”的训练步骤。

2．程序调试成功后按照正确的断电顺序与拆线顺序进行PLC外围线路的拆除，并整理好工位，填写好表3-2，待实训指导教师对自己的“专业拓展能力训练”进行评价后，简要小结本环节的训练经验并填入表3-7。

3．实训指导教师对本任务实施情况进行评价。

任务评价

1.“专业能力训练环节一”评价标准如表3-8所示。

2.“专业能力训练环节二”评价标准如表3-9所示。

3.“专业拓展能力训练”评价标准如表3-10所示。

知识链接

一、继电接触控制系统的PLC设计的相关知识

（一）PLC应用系统设计的基本原则

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与相关部门的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。

（3）保证控制系统的安全可靠。

（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。

（二）PLC控制系统设计的基本内容

（1）PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。系统设计时要确定系统的构成形式。

（2）系统运行方式与控制方式的择定。

（3）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

（4）PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。

（5）分配I/O点数，绘制I/O连接图。

（6）设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全、可靠工作的关键。因此，控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

（7）必要时还须设计控制柜。

（8）编制控制系统的技术文件，包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I/O连接图、I/O地址分配表、控制软件。

（三）PLC改造继电—接触式控制线路的一般步骤

（1）根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序、必要的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动、连续、单周期、单步等）。

（2）根据控制要求确定系统控制方案。

（3）根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式。

（4）根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备，据此确定PLC的I/O点数。

（5）选择PLC。

（6）分配PLC的I/O点数，设计I/O连接图（这一步也可结合上一步进行）。

（7）进行PLC的程序设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。

（8）联机调试，若不满足要求，再返回修改程序或检查接线，直至满足要求为止。

（9）编制技术文件。

（10）交付使用。

（四）操作要点提示

（1）对那些已成熟的继电—接触式控制电路的生产机械，在改用PLC控制时，只要把原有的控制电路做适当的改动，使之符合PLC要求的梯形图。

（2）原来继电—接触式电路中分开画的交流控制电路和直流执行电路，在PLC梯形图中要合二为一。

（3）PLC梯形图中，只有输出继电器才可以控制外部电路及负载。

（4）每一逻辑行的条件指令（常闭、常开触点，其数目不限，但是每一个触点都要占用一个指令字，而指令字越多，需要的PLC的内存空间越大）。

（5）每一个相同的条件指令可以使用无数次，而不像继电器控制只有有限的触点可供使用。

（6）接通外部元器件的输出指令的地址号（输出继电器），主要也可以作为条件指令使用。

（7）一些简单、独立的控制电路（如机床中冷却泵电动机的控制电路），可以不进入PLC程序控制。

（8）程序的输入和调试：

①在操作现场进行程序输入时，如果没有PC机，可以采用便携式手持编程器。将编程器设置在编程状态，依据设计的语句表指令逐条输入，完毕后逐条校对。

②把控制电路各个电气元器件的线圈负载去掉，将编程器设置在运行状态，按照设计流程图的要求进行模拟调试。模拟调试时，观察输出指示灯的点亮顺序是否与流程图要求的动作一致。如果不一致，可以修改程序，直到输出指示灯的点亮顺序与流程图要求的动作一致。

③把全部控制电路各个电气元器件的线圈负载接上，将编程器设置在运行状态，按照考核试题的要求进行调试，使各种电气元器件的动作符合考核试题要求的功能。

总之，一个PLC应用系统设计包括硬件设计和应用控制软件设计两大部分。其中硬件设计上要求选型设计和外围电路的常规设计；应用控制软件设计则是依据控制要求和PLC指令系统来进行的。

二、PLC的安装接线要求

（一）工作环境

1．温度

PLC要求环境温度在0～55°C。安装时不能放在发热量大的元件附近，四周通风散热的空间应足够大；基本单元与扩展单元双列安装时上下要有30mm以上的距离；开关柜上、下部应有百叶窗，避免太阳直接照射。如果环境温度超过55°C，就要设法强制降温。

2．湿度

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85% RH（无凝露）。

3．震动

应使PLC远离强烈的震动源。防止振动频率为10～55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

4．空气

避免有腐蚀和易燃气体，如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。

5．电源

PLC采用单相工频交流电源供电时，对电压的要求不严格，而且具有较强的抗电源干扰。对于可靠性要求很高或干扰较强的环境，可以使用带屏蔽层的隔离变压器减少电压干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。当输入端使用外接直流电源时，由于纹波的影响，PLC容易接收到错误信息。

（二）安装与布线

（1）动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。

（2）PLC应远离强干扰源，如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。

（3）PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量信号线也要分开敷设。模拟量信号的传送用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

（4）PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防外接信号干扰。

（5）交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线。

（三）I/O端的接线

1．输入接线

（1）输入接线一般不超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。

（2）输入线和输出线不能用同一根电缆，两者须分开。

（3）尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。

2．输出接线

（1）输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压；但在同一组中，输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。

（2）由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此应用熔丝保护输出元件。

（3）采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小会影响到继电器的工作寿命，因此使用电感性负载时应选择工作寿命较长的继电器。

（4）PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制。如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护等。

（四）PLC的外部安全电路

为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源事故、PLC出现的异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。

（1）急停电路。对于能够造成用户伤害的危险负载，除了在PLC控制程序中加以考虑外，还要设置外部紧急停车电路，这样在PLC发生故障时，能将引起伤害的负载和故障设备可靠切断。

（2）保护电路。在正转等可逆操作的控制系统中，要设置外部电器互锁保护；往复运动和升降移动的控制系统，要设置外部限位保护。

（3）自检功能。PLC有监视定时器等自检功能，检测出异常时，输出全部关闭。但当PLC的CPU故障时就不能控制输出。因此，对于可能给用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设置机外防护措施。

（4）电源过负荷的保护。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10ms, PLC工作不受影响；若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出端口均同时断开；当电源恢复时，若RU N输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负荷的输入设备应设置必要的限流保护电路。

（5）重大故障的报警和防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在事故发生时仍能可靠地报警和防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统能够在安全状态下运行。

（五）PLC的接地

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击波危害。PLC的接地线与设备的接地线端相连，接地线的截面积应不小于2mm2，接地电阻要小于100 Ω；如果使用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点连在一起。为了有效抑制加在电源盒输入、输出端的干扰，应给PLC接上专用的地线，接地点应与动力设备的接地点分开；如果达不到这种要求，就必须做到与其他设备公共接地，接地点要尽量靠近PLC。严禁PLC与其他设备串联接地。

思考练习

一、置位与复位指令的应用练习：

本习题块为置位与复位指令练习，置位与复位指令由SET/RST成对出现使用。置位与复位指令的使用要注意以下几点：

（1）SET：置位指令，其功能是驱动部分软元件线圈，使其具有自锁功能，维持接通状态。SET指令的操作元件为输出继电器Y、辅助继电器M和状态继电器S。

（2）RST：复位指令，其功能是使软元件线圈复位，即解除受控元件的状态。RST指令的操作元件为输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、积算定时器T和计数器C。

（3）SET/RST指令可指定同一输出编号，使用次数无限制，指令的先后顺序也没有关系。

①根据图3-3所示梯形图和X010的时序图，画出M020、M021和Y010的时序图，并分析所给梯形图的作用。

②写出如图3-4所示梯形图和X000的时序图，并补画M 000、M 001、M 002和Y000的时序图。如果PLC的输入点X000接一个按钮，输出点Y000所接的接触器控制一台电动机，则通过这段程序能否用该按钮控制电动机启动和停止。

二、某车间排风系统利用工作状态指示灯的不同状态进行监控，指示灯状态输出的控制要求如下：

（1）排风系统共由3台风机组成，利用指示灯进行报警显示。

（2）当系统中有2台以上风机工作时，指示灯保持连续发光。

（3）当系统中只有1台风机工作时，指示灯以0.5Hz频率闪烁报警。

（4）当系统中没有风机工作时，指示灯以2Hz频率闪烁报警。

三、试设计一电动机过载保护程序，要求电动机过载时，能自动停止运转，并发出报警信号。

四、设计一个报警器，要求当条件X1＝ON满足时蜂鸣器鸣叫，同时，报警灯连续闪烁16次，每次亮2s，熄灭3s。此后，停止声光报警。