任务四 三相异步电动机变极调速的PLC控制安装与调试

【任务目的】

结合继电—接触控制线路采用逻辑分析的方法实现三相异步电动机变极调速的PLC控制，初步熟悉逻辑分析的梯形图的实现方法。

能够结合控制功能的要求熟悉定时器 、辅助继电器等软元件在控制程序中的应用；熟练和掌握主控指令MC、主控复位指令MCR的功能与用法。

通过相对复杂控制任务的实现，对PLC控制功能及梯形图设计要求有进一步的认识，学会任务分析及逻辑分析的方法。

由三相异步电动机的转速公式可知，改变电源频率、电动机极对数或电动机转差率可以改变电动机的转速。改变电源频率调速可以通过专用设备变频器来实现，改变转差率调速只适用于三相绕线式电动机。工程上在供电电源、频率不变的情况下，常用具有特殊结构的笼型电动机（如双速、三速或多速电动机）采用改变磁极对数的方法获取高、低挡转速，称为变极调速。

如图2-4-1所示为三相异步双速电动机变极调速的继电—接触控制线路，该控制线路可实现以下工作方式：①以低速启动自动切换至高速运行方式；②以低速方式启动、低速运行方式；③低速启动、手动控制延时高速运行方式；④高速运行手动切换至低速运行方式。低速启动自动切换至高速运行方式的实施仅需要启动时按下SB2；低速方式启动、低速运行方式仅于启动时按下SB1；如果需要切换到高速模式时再按下SB2则延时进入高速运行方式，仅于高速运行时按下SB1可切换至低速状态运行。电动机极对数的改变是通过三相绕组的不同接法实现的，KM1接通时电动机极对数是KM2、KM3接通时的2倍，而转速约为后者的约1/2，KM1与KM2、KM3间存在互锁关系。

知识链接五 复杂控制电路中总控制的实现方法

任务三中的多重输出梯形图结构方式，可用于局部总控制或者控制任务不太复杂情况的总控制的实现，如设备停止、过载保护等具有总控性质的场合。但对于较为复杂控制任务的总控制，若采用前面所阐述的方法或多重输出方式来实现，则显得程序结构缺乏必要的合理性，而利用三菱PLC的主控指令可有效解决此类控制问题。

指令链接十：主控指令MC与主控复位指令MCR

MC（Master Control）为主控指令，程序中用于公共串联触点的连接编程。MCR（Master Control Reset）为主控复位指令，用于对主控指令MC的复位处理，即用于解除主控指令触点对后续程序的控制作用。

主控指令MC、主控复位指令MCR格式、操作对象及功能说明如下：

主控指令MC的操作对象为辅助继电器M、输出继电器Y，特殊辅助继电器不能用于主控指令操作对象。操作参数N为主控嵌套级数，最多8级，即N的编号只能为N0～N7。

在编程时常会遇到有多个线圈同时受一个触点或同时受到同一种连接形式触点组的控制，若在每个线圈的控制回路中都采取串入同样的触点，将会占据较多的PLC存储单元且会延长PLC的扫描周期。而采用主控指令MC可在梯形图中实现了一个与垂直左母线相连的常开触点，实现对主控复位指令MCR执行前的程序段的总控作用。SWOPC FXGP/WIN-C编程界面梯形图如图2-4-2所示，主控指令MC相当于在梯形图母线上安装了一个由控制条件决定的常开触点总开关，总开关的解除由主控复位指令MCR实现。

MC指令的功效相当于在原梯形图中新构建了一条“子母线”，“子母线”范围被界定于MC与MCR指令间，该“子母线”上所编辑的梯形图被执行条件是主控指令MC中定义的触点闭合。在主控指令MC定义的子母线上起始的触点同样需要以LD或LDI等指令开始。主控复位指令MCR表示“子母线”的结束并返回原母线。

如图2-4-3所示的梯形图及指令表STL 2-4-1，是主控指令MC与主控复位指令MCR在上述三相电动机正反转控制中的运用形式，将停车按钮X002、过载保护X003的作用定义为一个主控辅助继电器M100，当X002、X003没有动作时，则“垂直触点”M100闭合，中间的两个梯形图回路块能够被执行；只要X002或X003中任意一个触点有动作，则“垂直触点”M100将断开，执行主控复位指令MCR，中间两回路块停止工作且PLC执行程序时绕过该部分程序。

若在MC与MCR指令间通过更改级数N、“软继电器”Y、M地址，再次或多次使用主控指令MC，从而形成了主控指令MC的嵌套级数N编号要求从小到大，主控复位指令MCR返回则对应由大到小逐级解除嵌套（主控指令MC后的软元件号也应避免出现相同的双线圈输出现象）。主控指令MC的嵌套，嵌套级数最多为8级，N的编号只能为N0～N7，且由小到大编号，不能重复。若主控指令MC使用中不形成嵌套而呈并列结构关系时，则N0可重复使用，但Y、M注意不能重复使用。

图2-4-4所示为简单的主控指令MC嵌套用法示例。

图2-4-4（a）中主控①、主控②之间属于主控指令MC嵌套，主控①中嵌套了主控②，当主控①中MC N0 M100有效，才能执行到MC N1 M101，返回母线操作反过来先执行MCR N1由M101后二级子母线回到上一级子母线再通过MCR N0回到主母线。图2-4-4（b）中的主控①与主控②、③间形成主控指令MC的嵌套，而主控②、③间并没有嵌套关系仅形成主控并列关系。

专业技能培养与训练 双速电动机变极调速PLC控制电路的设备安装与调试

任务阐述：本控制任务是针对继电接触控制线路典型任务之一——三相异步电动机变极调速控制，通过对控制线路的控制条件与输出驱动的逻辑分析，结合PLC基本控制单元及联锁要求实现PLC控制梯形图，并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2-4-1。

一、变极调速控制线路的控制条件与输出驱动的逻辑分析

对于继电—接触控制线路采用逻辑变换的方法，通过作图实现梯形图，有助于初学者对梯形图含义的理解。但实际应用中此方法很少采用，较多是结合控制线路的功能、要求，采用对原线路的控制逻辑进行分析，判别各控制对象的动作方式、驱动的条件等，结合PLC梯形图的基本控制单元及联锁要求进行PLC的程序设计。

控制线路逻辑分析的方法是建立在对控制任务功能的分析基础上，搞清楚完成此功能所要产生动作（输出）、动作的顺序，依据分解动作找出输出的驱动条件。本控制任务实现变极调速是通过KM1实现低速接法、KM2、KM3实现高速接法，低速到高速的切换通过时间继电器控制实现。

1.低速接法线圈KM1的驱动条件分析

（1）KM1驱动控制。按钮SB1常开闭合、SB2常开触点在KM1线圈未通电时均可驱动KM1的线圈。采用带复位功能的启动按钮控制，非点动控制均需利用KM1常开触点实现对启动控制的自锁。

（2）KM1停止（或称复位）条件。按钮SB3常闭断开、时间继电器KT延时动断触点开路、过载FR1或FR2常闭断开；设备控制中的联锁：KM1与KM2、KM3间存在联锁关系。

2.高速接法线圈KM2、KM3的驱动条件分析

高速时KM2、KM3呈并联连接方式，故两者的驱动与复位条件相同。

（1）KM2、KM3驱动控制。KT延时动合触点闭合实现驱动。

（2）KM2、KM3复位条件。SB3常闭断开、过载FR1或FR2常闭断开。设备控制中的联锁：KM2、KM3与KM1间存在联锁关系。

3.时间继电器KT线圈的驱动条件

（1）KT的驱动：按钮SB2常开闭合，KT瞬时常开触点实现自锁。

（2）KT的复位条件。按钮SB3、SB1的常闭断开、过载FR1或FR2常闭断开。

二、PLC的I/O定义

结合上述控制任务的分析，I/O端口地址分配参见表2-4-2。

PLC的时间控制均利用内部定时器实现，本例中定义PLC通用定时器T0对应KT的作用，通过其延时常开、常闭触点实现低速到高速的切换。但时间继电器KT瞬时常开触点的自锁，由于PLC的定时器只有延时触点而无瞬时触点功能，解决的方法是定义辅助继电器M0，其M0线圈与定时器线圈并联，其驱动、复位条件和定时器一致，利用M0的常开触点解决定时器的自锁问题。

三、控制梯形图的绘制

梯形图的设计可从两个方面考虑：遵循动作顺序与控制功能相对应的梯形图回路；每一回路结构与“启—保—停”基本结构形式相对应的“三要素”。本任务中依顺序有Y000、T0及Y002与Y003组合的三个回路，结合上述驱动条件分析实现梯形图如图2-4-5所示。

（1）梯形图功能分析，低速启动自动切换到高速运行的控制。停止状态下直接按下X001。试结合梯形图分析实现方法。

（2）低速启动低速运行、手动实现高速的控制。先按下X000，电动机以低速方式启动后低速运行；当需要切换到高速时按下X001经延时后实现高速运行。

（3）高速运行到低速运行的控制。只要电动机处在高速状态，按下X000即切换到低速状态。

梯形图中回路块3中启动X001常开触点，对应所接的具有自动复位功能的按钮开关，因定时器常开触点T0闭合前，辅助继电器M0已闭合，所以X001在此处没有任何意义，可去掉。对于梯形图各回路块中均含有编号及形式相同的触点，可尝试借助辅助继电器及多输出方式进行梯形图转换。

四、主控指令下的变极调速的控制

假设在该控制任务中要求提供急停控制：定义输入端口X005为急停开关控制端口，接常闭触点形式的急停开关SB4，结合主控指令MC及主控复位指令MCR实现急停控制功能。在原控制程序中对于停止控制、过载保护措施也均可结合主控方式实现。如图2-4-6所示为变极调速控制任务的采用主控指令MC及主控复位指令MCR的梯形图，试理解其工作原理及嵌套级别安排的合理性。

该梯形图能否将急停、过载保护及停车控制组合起来采用一级主控指令实现集中控制。试结合控制原理、功能上及工程实际控制要求、控制方式等方面分析。

五、双速电动机的PLC控制电路

结合上述分析及双速电动机控制的任务，可画出PLC连接电路，如图2-4-7所示。

六、设备安装与调试训练

（1）根据双速电动机控制的设备清单表，正确选取元器件并进行常规检测。

（2）根据PLC的安装要求、变极调速控制主电路及安装基板，设计元器件布局并画出元件布局图、主电路安装接线图、PLC控制电路连接图。

（3）按工艺规范要求进行PLC及配套元件安装，并按先PLC控制电路、后主电路的安装顺序进行线路连接。线路检查后注意观察双速电动机与普通电动机的端盒出线端，正确识别各出线端，确保主电路与电动机连接的正确性。

（4）用RS-422/232C电缆连接PC与PLC，检查无误后，将PLC功能选择开关置于“STOP”位置，接通PLC电源。利用编程软件采用梯形图编辑输入方式完成图2-4-5控制任务梯形图的编辑、编译，利用RS-422/232C数据线传输至PLC。

（5）根据本控制任务中的低速启动、手动高速运行；低速启动自动切换到高速运行；高速运行到低速运行控制的要求设计调试方案，在监控状态下进行程序调试，以验证PLC控制程序。

（6）在上述程序调试正确的情况下，按上述的先空载、后负载进行设备调试，调试过程中注意用电规范；在教师监控下进行负载调试。注意观察启动过程中接触器KM1、KM2及KM3动作情况。

（7）试分别结合多重输出、主控指令的转换梯形图，完成程序调试及设备调试，比较程序结构、功能上的区别。

思考与训练

（1）试结合星形/三角形换接降压启动继电—接触控制线路，采用逻辑分析的方法找出各线圈驱动条件，画出PLC控制梯形图，与等效转换方法的梯形图比较，并设计空载调试方案进行验证。

（2）根据急停控制的功能与要求，试结合星形/三角形换接启动PLC控制任务，讨论实现急停控制的方法，并编辑、模拟调试。

阅读与拓展四 梯形图画法中的注意事项及应对策略

通过前面相关指令格式、用法及典型任务的控制梯形图的认知训练，结合对简单任务分析的PLC梯形图绘制方法的认识，进一步讨论在梯形图绘制时一些须加以注意的细节性、逻辑性转换的问题。

1.程序结构与程序步数关系

在如图2-3-2（b）、图2-3-3（b）所示的并联块串联指令ANB、串联块并联指令ORB用法示例中，对于两梯形图若分别作先后、上下顺序的颠倒可对应得出如图2-4-8所示的梯形图，变换前、后梯形图功能没有任何变化，但对应的指令表在变换后串联块、并联块结构发生了变化，成为简单的与、或运算。

进行梯形图设计，一般能实现“与”运算则不必采用“块串联”运算，绘制梯形图在出现串联逻辑运算时将复杂连接部分调整先后顺序放于回路的左前方；能以“或”运算实现的则不必采用“并联块”结构，在出现并联结构时可将复杂连接支路放在上方；即使对于不能以“与”、“或”运算解决的，上述处理方法在梯形图设计时同样适用。对含有多输出线圈的驱动设计时一般按能并行输出不采用纵接输出、能采用纵接输出不采用多重输出方式，优选顺序中多重输出方式为优选级别最低的方案。

2.双重线圈输出问题

如图2-4-9所示，对于输出继电器Y000在顺控程序中出现了两次（或以上）的做法称为双重输出（或双线圈现象）。即便此种接法不违反逻辑运算及梯形图画法要求，由于PLC程序串行执行方式决定了双重输出的最终输出状态优先的原则。但通常双线圈输出的结果仍然会出乎设计者预料，结合如图2-4-9所示的梯形图，当X000接通、X001及X002断开状态下，PLC执行过程：执行梯形图回路块1，输出继电器Y000对应的映像寄存器在位置①处为“ON”状态；当执行回路块2时，Y001因Y000接通处于“ON”状态并存入Y001映像寄存器；当执行到回路块3时则因X002断开导致位置②处Y000被重新置“OFF”状态。在PLC输出刷新阶段有输出继电器Y000为OFF，Y001为“ON”状态（注意：Y001并未受位置②处Y000影响，原因是同一扫描周期PLC自上而下的串行工作方式决定的）。而第二个扫描周期若X000无输入，则在输出刷新阶段又出现Y000、Y001均为“OFF”状态，此时初学者容易被回路块1中Y000“自锁”所混淆。

如图2-4-10（a）所示为某控制任务的梯形图，其中Y001为呈现双线圈输出形式，如何避免双线圈输出带来输出状况难以预料的后果，一般顺控程序中可采用以下方式解决：①图2-4-10（a）中前面的Y000输出梯形图回路（虚线框内程序）由于对输出不能产生影响，其控制作用可忽略，采取删除处理。此处理方式弊端在于可能会出现部分欲实现的控制功能丢失。②按图2-4-10（b）形式将两部分逻辑合并，将两个回路控制条件合并相或对输出进行控制，此方式建立在扫描周期短可忽略程序执行先后顺序对过程产生的影响的前提下。③按图2-4-10（c）的处理方式，利用PLC的辅助继电器作为过程控制的中间量，最终合并进行输出控制，解决了双线圈输出问题同时兼顾PLC程序执行的过程。综合比较：方式①不太严谨；方式②体现了控制逻辑的简洁性；方式③体现了控制逻辑的科学性。

除上述方法外，还可利用顺控程序中实施程序流向控制方法如跳转指令，或者利用在模块四中介绍的步进状态程序控制中通过不同状态步实施对同一线圈的控制。

3.桥式逻辑结构的处理

在PLC梯形图中，除主控指令在母线上出现垂直串接的触点形式外，其他均不允许在梯形图中出现触点的垂直接法。但在继电器接触控制线路转换时或逻辑关系运算时会出现形同如图2-4-11所示结构形式（称为桥式逻辑结构），梯形图中不允许出现桥式结构。对于桥式逻辑结构在绘制梯形图时可结合“能流”概念进行相应的逻辑转换。按照“能流”只能从左到右方向进行，故只能产生如图2-4-12（a）所示的四条路径的“能流”，对四条“能流”进行综合分析其等效于如图2-4-12（b）所示的梯形图，解决了上述桥式逻辑结构问题。显然桥式结构中垂直触点的逻辑关系可参照此办法进行解决。