任务二 三相异步电动机双重联锁正、反转的PLC控制电路安装与调试

【任务目的】

通过正、反转的继电—接触控制线路向PLC控制任务的转换与实训，在梯形图基本控制单元基础上理解和掌握PLC多任务控制和设备控制中联锁措施的实现。

通过PLC的输出驱动和设备控制方法的研究，熟悉和掌握置位指令SET、复位指令RST格式及用法；了解和熟悉辅助继电器、定时器的作用和基本运用。

通过PLC双重联锁控制任务设计与设备安装的训练，加强对PLC控制中联锁必要性认识，掌握PLC程序设计逻辑联锁及设备安装电气联锁的方法。

如图2-2-1所示为三相异步电动机复合按钮及接触器双重联锁正、反转继电—接触控制线路，当按下正向启动按钮SB1时线圈KM1得电，KM1主触点闭合接通三相正相序交流电，电动机正转；当按下反向启动按钮SB2时线圈KM2得电，KM2主触点闭合接通三相反相序交流电，电动机反转；若KM1、KM2出现异常同时接通时则导致短路故障。线路中KM1、KM2线圈电路除利用各自的常开触点与启动按钮并联实现自锁外，还在各自支路中串入对方接触器、控制按钮的常闭触点，利用“机械触点的先断后合”实现相互锁定，确保两条支路中线圈不能同时得电的现象称为联锁。联锁是电路安全保护措施之一，是电气系统设计安装、运行维护必须考虑因素。

知识链接三 FX2N系列PLC的辅助继电器和定时器

所有PLC的控制功能最终是通过输出继电器实现的，输出继电器在用OUT指令驱动时，需要保证“能流”的持续。典型实现方法：按钮开关的“启—保—停”梯形图结构，除此可采用具有切换开关性质的器件直接控制或利用其他软元件间接进行控制保持回路块的通路。除用OUT指令驱动外，PLC还提供了一对置位指令SET、复位指令RST实现对输出继电器的触发驱动和复位处理。输出继电器只是置/复位指令的操作对象之一，除输出继电器以外，还可以对辅助电器、状态继电器等进行控制。

一、辅助继电器

FX2N系列PLC内部辅助继电器有通用辅助继电器，具有掉电保持功能辅助继电器和特殊辅助继电器三大类。

1. 通用型辅助继电器

其用途和继电接触控制线路中的中间继电器相似，用于实现中间状态的存储及信号转换，不能像输出继电器一样直接驱动外部负载，其状态只能由用户程序设置。通用辅助继电器的编号范围为M0～M499（共计500点）。

2. 具有掉电保持功能辅助继电器

掉电保护指在PLC的外部工作电源异常断电（停电）情况下，机器内某些特殊的工作单元依靠机器内部电池的作用，将掉电时这些单元的状态信息保留下来。具有能够实现掉电保持的辅助继电器的编号范围为M500～M3071，其中在电源断电仍保持原态的通用掉电保持辅助继电器编号范围为M500～M1023（共计524点），而M1024～M3071共2048点为专用断电保持辅助继电器。

3. 特殊辅助继电器

特殊辅助继电器是指具有某些特定功能的辅助继电器，主要用于反映或设定PLC的运行状态，其编号范围M8000～M8255（其中部分未作定义），可以分为以下几种。

（1）触点型（只读型）特殊辅助继电器。该类继电器在梯形图中只能以触点形式出现，不能出现用户控制的线圈形式，该类继电器状态由PLC厂商设定或者是程序执行时的状态标志，是用户只能在PLC程序中加以利用，不能实施控制。常用的继电器如下：

● M8000：运行标志继电器，用于反映PLC的运行状态。当PLC处于“RUN”状态时，M8000为ON，处于“STOP”状态M8000为OFF。

● M8002：初始脉冲继电器，仅在PLC运行的第一个扫描周期内处于接通状态，用于产生一个扫描周期宽度的初始脉冲。

● M8011～M8014：分别对应产生周期为10ms、100ms、1s、1min的时钟脉冲，输出脉冲的占空比均为0.5。以M8013输出1s的时钟脉冲为例，其接通和断开时间均等于0.5s。

（2）线圈型（可读/写）特殊辅助继电器。该类辅助继电器可由用户视需要进行设置，以实现某种特定功能。常用的继电器如下。

● M8030：用于设置锂电池欠压时指示灯（BATT LED）指示还是熄灭。当M8030为ON时，面板上用于反映电池电压不足的指示灯熄灭。

● M8033：用于实现PLC停止时的状态保持，当M8033为ON时，PLC状态开关处于“STOP”状态下，PLC内部的各状态元件（如M、C、T、D及Y的映像寄存器）状态仍然被保持住。

● M8034：禁止全部输出。当M8034为ON时，PLC的全部输出继电器被强迫停止输出。

● M8039：用于实现定时扫描方式。当M8039为ON时，PLC以指定的扫描时间工作。

二、定时器

PLC内部定时器相当于继电接触控制线路中的时间继电器，在程序中用于实现延时控制。FX2N系列PLC为用户提供编号为T0～T255，共计256个定时器，并分以下四种类型。

1. 100ms定时器

编号为T0～T199（共计200点），计时范围为0.1～3276.7s（其中T192～T199为子程序用）。

2. 10ms定时器

编号为T200～T245（共46点），计时范围为0.01～327.67s。

以上均属于通用定时器。通用定时器是指在失电时，其状态被清除恢复到初始零值。相对于通用定时器则是具有掉电保持功能的积算定时器，此类定时器对通电时间具有累积功能，体现在驱动条件成立（定时器线圈通电）时开始定时，断电时计时数值被保持下来，再次通电则在原计时基础上恢复计时。

3. 1ms积算定时器

编号为T246～T249（共计4点），计时范围为0.001～32.767s，此类定时器用于中断方式下。

4. 100ms积算定时器

编号为T250～T255（共计6点），计时的范围为0.1～3276.7s。用户程序中用于实现掉电保持功能。

积算型与非积算型（通用）定时器的区别在于：对于非积算型定时器，当定时条件满足时，定时器开始计时，若计数过程中计时条件失去或断电则计时操作停止且对当前寄存器复位；而积算型定时器，满足计时条件进行计时过程中发生上述情况，定时器计时当前值或触点状态均被保持下来，计时到达设定值也必须通过用户程序设置的复位指令对其复位才能恢复到初始零值。

PLC定时器的定时实现，实质上是对系统内时钟脉冲进行计数实现的，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms等规格。当指定定时器计时条件满足时相应电路开始对脉冲计数，仅当脉冲计数对应换算时间值与设定值相等时定时存储器动作（定时器常开触点接通，常闭触点断开），与通电延时时间继电器工作方式相同，在用户程序中利用定时器的触点实现时间量控制。

定时器时间设定值常用十进制形式进行设定（K表示十进制），若选用T0～T199范围内定时器，如K250对应设定时间为250×100ms=25s；若选用T200～245间定时器则仅为250×10ms=2.5s。定时器定时值取决于设定数值和相应定时器的计数时钟脉冲。

指令链接六：线圈置位指令SET与复位指令RST

置位指令SET及复位指令RST用于状态的自保持及状态复位，SET指令与RST指令在控制程序中一般需要配合使用才能达到功能控制的目的。置位指令SET的使用是对操作对象实施触发，使其接通（ON）并保持。复位指令RST对操作对象实施强制复位，使其停止工作呈OFF状态。

1.置位指令SET

指令格式、操作对象及功能说明如下：

2.复位指令RST

指令格式、操作对象及功能说明如下：

SET操作对象为输出继电器Y、辅助继电器M（含特殊功能辅助继电器）、状态继电器S三种；而RST指令的操作对象为Y、M、S、T、C、D、V、Z。RST指令除可对SET置位的软元件进行状态解除外，还可用于定时器T、计数器C、数

据寄存器D及变址寄存器V、Z的内容清零。RST复位操作并不局限于对置位指令RST执行后状态的复位，同样对OUT指令及其他功能指令的结果进行复位；若出现同时对同一元件的置位、复位操作，RST复位具有优先权。

如图2-2-2所示的梯形图，当按钮X000按下时，Y000被置位产生输出；Y000常开触点闭合，定时器T0开始计时60s，60s到或中途按钮X001被按下时，执行Y000的RST复位动作，Y000停止输出。

练一练：

（1）试编辑如图2-2-2所示的梯形图，编译转换并观察指令表STL 2-2-1中SET、RST的用法，运行验证程序功能。

（2）编辑如图2-2-3所示的梯形图，调试运行：先按下按钮X000，然后按下X001或X002，观察比较任务一中的“启—保—停”控制任务的作用效果。

显然两梯形图动作效果相同，该梯形图是“启—保—停”控制任务采用置位、复位指令的形式，该程序中尽管X000按钮为实现Y000“长动”采用SET指令无须自锁，停止、过载必须采用RST复位。

用户程序中对积算定时器T246～T255、对计数器C的复位清零均需通过RST指令实现。试编辑如图2-2-4所示的梯形图，监控状态下程序调试、观察比较：①按钮X001连续动作，观察T246计时值的变化，20s到Y001的输出及按下X000时的变化；②采用间断性按下X001，观察T246、Y001的变化。

专业技能培养与训练 双重联锁正反转PLC控制电路的设备安装与调试

任务阐述：结合继电—接触控制线路典型电路之一—三相异步电动机正、反转控制的PLC控制方式的实现，采用等效逻辑转换方法实现继电—接触控制线路向PLC控制的梯形图过渡，并结合PLC控制特点、要求完成该控制任务的电气设备的安装与调试。

设备清单参见表2-2-1。

一、实训任务准备工作

根据双重联锁正、反转继电接触控制线路原理图，明确该控制任务中控制器件功能：SB1正转启动按钮、SB2反转启动按钮及SB3停车按钮；执行器件交流接触器KM1，驱动电动机正转，KM2驱动电动机反转；热继电器FR实现过载保护，熔断器FU1、FU2分别实现主、控制电路的短路保护。

二、继电—接触控制线路实现PLC控制梯形图的转化

正、反转控制线路转换梯形图的方法与“启—保—停”控制线路的梯形图变换基本相同。所不同的是对于正、反转控制任务，正、反转继电—接触控制线路有两条控制支路，采用PLC实现该控制任务对应于两个回路块，这个基本特点在后续任务中同样会得以体现。为获得与正、反转任务控制的梯形图，将控制部分电路作如下转换：控制部分略去熔断器及相线、零线标记，可得如图2-2-5（a）所示形式。为使梯形图更加合理、编程更简洁，结合PLC的软元件触点的无限使用特征，将热继电器FR、停车按钮SB3的常闭触点进行拆解视为分别串联于正、反转支路的两组同步触点，可将图2-2-5（a）转换成图2-2-5（b）形式。可见此种转换前后的线路控制功能并未发生变化。需要注意的是，此处突破控制器件触点，以PLC存储单元读取来理解是关键。

根据电路的控制、执行器件，定义PLC的I/O端口。地址分配参见表2-2-2。

结合I/O端口，对图2-2-5（b）作逆时针旋转处理呈水平向画法后，将各控制器件的常闭、常开触点及接触器线圈分别以梯形图常闭、常开触点符号及输出继电器线圈形式替换，并标注对应的PLC软元件编号，可得出如图2-2-6所示的PLC控制梯形图。

结合PLC梯形图的基本控制单元“启—保—停”的结构形式，输出继电器Y000、Y001分别用于实现正、反转控制；X000、X001分别为实现正、反转控制回路块1、2的启动触点；回路块1中Y000常开触点、回路块2中Y001常开触点分别为各自输出继电器的自锁触点；X002、X003的常闭触点实现对正、反转的停车控制、过载保护；X001串于回路块1中的常闭触点、X000串于回路块2中常闭触点用于实现互锁，实现两控制回路块不同时通电，同样功能还有Y001、Y000常闭触点接法。除启动、自锁外，串联于回路块中的常闭触点均有停止所在回路输出功能，不论数量多少，其结构形式仍然与“启—保—停”梯形图结构一致，“启—保—停”形式为PLC程序的基本单元，其中的启动、停止、自锁是PLC程序控制单元的“三要素”。

三、正、反转控制电路的PLC控制电路

如图2-2-7所示PLC控制连接图，根据输入/输出（I/O）端口定义：正转控制按钮SB1接X000、反转控制按钮SB2接X001，停止按钮SB3、过载保护FR均以常开触点分别接到X002和X003端；用于控制正相序接法的KM1、反相序接法的KM2线圈分别接到Y000和Y001。结合FX2N继电器输出交流工作电压低于250V的限制，选用220V电压的交流接触器直接采用“AC220V”电源供电。在安全系数要求较高场合可考虑采用线圈电压24V的接触器，需结合电源性质装配控制变压器或直流开关电源。不论何种电源供电，均须在输出回路公共端或输出设备并接端安装熔断器。

上述控制连接图从理论上是符合设计要求的，按该连接电路进行设备空载调试时能实现控制要求，但在带负载调试时（主电路通电）时则会出现主电路短路跳闸现象。

结合PLC程序执行的三个阶段，设想电动机处于正转运行时按下反转控制按钮SB2，当前输入采样阶段检测到X001接通，在执行程序阶段时回路块1的Y000状态由1→0，当执行到回路块2时，Y001状态由0→1，结果被送至映像寄存器；当执行到第三阶段输出刷新时，由于输出映像寄存器状态并行方式送至输出端，输出端口的Y000由1→0、Y001由0→1同时动作。

在反转状态下按下正转按钮SB1，可发现Y000的输出变化滞后于Y001的变化一个扫描周期。由于PLC的扫描周期仅有几十毫秒时间，输出刷新更是瞬间完成，尽管程序联锁保证Y000、Y001：“一通一断”，但外部所接设备动作时间远大于此时间值，在切换瞬间会出现同时接通而导致短路故障。程序中的逻辑联锁是不够的，必须利用接触器的常闭触点实现外部电气联锁。该任务的PLC控制电路如图2-2-8所示。

四、程序识读训练

1.置位、复位指令在正、反转控制任务中的运用

结合上述正、反转的控制电路，编辑如图2-2-9所示的梯形图，调试运行并观察：①按下X000、X001时，输出状态的变化；②在Y000或Y001输出时，按下X002或X003输出时变化；③同时按下X000、X001时的输出现象。结合观察现象和所学指令分析该梯形图的控制原理。

2.利用辅助继电器、定时器切换延时的正、反转PLC控制梯形图

外部设备的电气联锁可靠性高，但控制线路复杂。而PLC控制程序中 “软联锁”由于输出继电器的并行刷新方式、输出动作速度快与外部设备切换速度慢的矛盾无法解决，软联锁只能是辅助性手段。基于内、外部动作速度差异是导致故障原因，可以利用PLC的定时器切换延时实现预防短路的功能，该方法可用于不方便实现外部电气联锁的场合。

定时器切换延时控制方式缺陷：①状态间切换的连续性不如原控制方式；②若出现接触器卡塞不能复位仍会出现短路现象。后者可以通过增加对接触器常开触点的检测等措施予以解决，所以对于某一控制任务PLC的实现方法多种多样，取决于对任务的分析理解和PLC指令功能、指令用法的掌握。试分析如图2-2-10所示的梯形图的工作原理。

五、设备安装与调试训练

（1）根据设备清单表，选取实训设备、元器件。做好必要的检查、检测及记录工作，确保设备性能、参数符合实训、安全要求。

（2）根据PLC的安装要求、双重联锁正、反转控制线路的主电路及安装基板的规格，设计元器件布局：画出元件布局图、主电路安装接线图、PLC控制连接图。

（3）按工艺规范要求进行PLC、控制器件安装，并按先控制电路、后主电路的顺序进行线路连接。

（4）检查上述电路无误后，连接PC与PLC。将PLC功能选择开关置于“STOP”的位置，接通PLC电源。完成如图2-2-6所示的梯形图的编辑，利用RS-422/232C数据线传输至PLC。

（5）根据控制任务的要求合理设计调试方案，在监控状态下：按先空载、后负载的要求进行程序调试和设备调试，验证PLC程序的控制功能。

（6）结合实训线路，分别编辑图2-2-9所示和图2-2-10所示控制梯形图，按设备调试要求进行程序调试和设备调试。

（7）针对程序调试过程中存在的问题，在确保人身、设备安全前提下探讨存在问题的原因、解决方法，并经教师审核认可后采取相应措施尝试解决。

思考与训练：

（1）在继电—接触控制线路中，停车按钮、过载保护的热继电器采用常闭触点接法，若上述器件常开触点故障，在PLC控制任务中可采取何种措施，试画出梯形图及PLC控制接线图。

（2）若两只交流接触器中有一只损坏，手头仅备有一只24V交流接触器及控制用变压器（输入220/380V，输出有6.3V、12V、24V、36V及110V），尝试解决方案（提示：注意输出Y000、Y001的输出端分组）。

阅读与拓展二 定时器的用法与状态指示的实现

三菱FX2N系列PLC的积算定时器与非积算定时器都属于接通延时型定时器，但两者工作方式及要求上有区别，下面结合示例说明。

如图2-2-11所示的梯形图为通用定时器最基本的应用方法，当X000闭合时，定时器T0开始计数定时，当定时时间到5s时，回路块2中的T0常开触点闭合，输出继电器Y000动作。当X000断开时，T0复位Y000停止输出。该梯形图对应指令表参见STL 2-2-2。

如图2-2-12所示梯形图中，T250为积算定时器，时间设定为5s。当X000按下时，定时器T250开始计时，辅助继电器M0用于实现自锁，输出继电器Y000随计时5s时间到动作；若中途按下停止按钮X001，则T250保持当前已计时数据并停止计时，当X000再次按下时T250则在原计时值基础上继续计时。本例中X001仅实现停止当前计时（当计时到5s时X001动作对结果不产生任何影响），再按下停止按钮X001后，复位按钮X002动作才能对定时器复位，Y000停止输出。该梯形图对应的指令表参见STL 2-2-3。

电气设备上常设置不同的指示灯，观察指示灯可获取设备工作状态信息。在控制系统还可以利用指示灯效果设计引导设备操作，以提高设备操作的安全性。工程技术中对反映设备信息的指示灯的设置有一定的要求，一般设备的指示灯有运行指示灯、停止指示灯、故障指示灯、紧急指示灯及提示操作指示灯等。一般设备正常运行采用绿色、工作准备状态用黄色、紧急状态采用红色闪烁。不同设备、不同指示灯的含义不同，操作者在操作前应能理解各指示灯的工作含义。下面主要讨论利用PLC实现不同频率闪烁指示灯的方法。

1.利用定时器实现指示灯闪烁效果的控制

如图2-2-13（a）所示的梯形图，当X000闭合时，定时器T0定时2s时间到，Y000输出的同时T1开始定时。T1定时1s时间到，T1常闭触点断开，定时器T0复位，Y000停止输出。因T0的复位致使T1定时器工作条件失去，T0重新开始定时，如此循环往复，T0、T1、Y000输出波形如图2-2-13（b）所示。改变T0、T1的设定值可得到不同的输出信号，实现指示灯闪烁频率和亮、暗时间的控制。

试编辑上述梯形图，设计调试方案，结合T0、T1不同的参数设定观察输出变化。

2.利用特殊继电器M8013实现的方法

M8000～M8255是FX2N系列PLC中特殊功能辅助继电器，其中M8011、M8012、M8013、M8014分别用于实现的10ms、100ms、1s、1min的时钟脉冲，各时间脉冲的占空比均为50%，若用于控制输出分别可实现5ms、50ms、0.5s、30s的通、断效果。在直接用于指示灯控制时，由于人眼的视觉暂留特性，M8011、 M8012由于频率过高、指示灯呈持续发光效果，而M8014通、断时间过长也不适宜直接作状态指示用。只有利用M8013可以实现状态指示灯产生0.5s间隔的闪烁光效，控制梯形图如图2-2-14所示。

关于指示灯的光效控制方法多种多样，如利用M8013结合其他功能指令实现不同频率、不同效果的指示灯控制。有关指示灯的控制在后续章节中还会介绍。