PLC在现代工业自动化生产中的应用.doc

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1、PLC在现代工业自动化生产中的应用 摘要进入20世纪以后，伴随着现代化工业革命的加速进行，传统的工业继电器控制逐渐暴露出他在现代化生产中的局限性，为了适应更加精密和可靠的自动化控制流程，1968年，美国最大汽车制造商通用公司率先提出研发可以取代传统继电器的PLC控制器.通过招标，最后在1969年美国数字设备公司研发成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的生产线上使用，获得成功；随后，欧洲和日本也先后研发出多款功能强大的PLC控制器。并在现代工业生产中得到了推广和应用， 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，同时

2、还可以与变频器，电脑、触摸屏等设备实现联网控制。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，在现代工控领域扮演着举足轻重的角色。为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它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，适合于当前工业企业对自动化控制的需求。本文通过几个具体和典型的PLC控制系统，说明PLC在现代工业生产控制中的作用和发挥的巨大效用。关键词：PLC；自动化；三相异步电动机；继电器；变频器 目录摘要.I关键词.II前言.11. 第一章 PLC可编程控制器简介.2 1.1 PLC的基础.2 1.2 PLC与继电器控制的区别.2 1.3 PLC的工作原理.2

3、1.4 PLC应用分类.42.第二章 PLC在现代工业领域应用实例.42.1 三相异步电动机-减压起动的继电器控制.52.2 三相异步电动机-减压起动PLC控制.73.三相异步电动机正反转的PLC控制 .9 3.1 三相异步电动机正反转继电器控制.93.2 三相异步电动机正反转PLC控制.104. 三相异步电动机的反接制动控制 .134.1 三相异步电动机反接制动的继电器控制.134.2三相异步电动机反接制动控制接线图.145.基于PLC与变频器的风机节能控制系统. .165.1 整改方案.165.2 方案实施.175.3 整改后的风机节能效果分析.21结论.22致谢.23参考文献.23III

4、 PLC在三相异步电动机控制中的应用前言三相异步电动机的应用几乎涵盖了工业生产和人类生活各个领域，在这些应用领域中，三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。在生产过程，科学研究和其他产业领域中，电气控制技术应用十分广泛。在机械设备的控制中，电气控制也比其他的控制方法使用的更为普遍。本系列的控制是采用PLC的编程语言梯形图语言，梯形图语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强

5、，适合绝大多数设备操作者的编程习惯和思路，其所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它是专为在恶劣工作环境下的自动化控制应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制，定时、计数和算术等操作的指令，并采用数字式、模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。进入20世纪80年代，由于计算机计数和微电子技术的迅速发展，极大的推动了PLC的发展，使的PLC的功能日益增强。PLC是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。PLC通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。由于PLC综合了计算机

6、和自动化技术，所以它的发展日新月异，大大超出其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩大了PLC的功能，使其具有很强的的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。第一章 PLC可编程控制器简介1.1 PLC的定义 PLC也叫可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数、比较与算术操作等面

7、向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.2 PLC与继电器控制的区别1.控制方式的区别 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。把整个控制过程简单化，智能化。2.控制速度的区别 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动、无噪音。更安全，更可靠，更环保。

8、 3.延时控制区别 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。1.3 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行

9、和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所

10、规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段

11、当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。1.4 PLC的应用分类 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为几类。1.开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量控制在工业

12、生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.过程控制过程控制是指对

13、温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5.数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般

14、用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6.通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。第二章 PLC在现代工业生产领域应用实例2.1三相异步电动机的-减压起动控制三相笼型异步电动机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、维修方便等优点，因而获得了广泛的应用。它的起动控制有直接（全压）起动和减压起动两种方式。对于较大容量的笼型异步电动机（大于10KW）

15、，其起动电流较大，一般采用减压起动的方式起动。 减压起动是利用某些设备或者采用电动机定子绕组换接的方法，降低起动时加在电动机定子绕组上的电压，而起动后再将电压恢复到额定值，使之在正常电压下运行。 三相异步电动机-减压起动的继电器控制星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。图2.1 -减压起动的继电器控制电路图图2.1中主电路通过三组接触器主触点将电动机的定子绕组接成三角形或星形，即KM1、KM3主触点闭合时，绕组接成星形；KM1、KM2主触点闭合时，接为三角形。电路的工作过程：先接通三相电源开

16、关Q。 KM1线圈得电 起动：按下起动按钮SB2 KM3线圈得电 KT线圈得电 电动机接成星形，减压起动触点KT断开KM3线圈失电 延时一定时间 t 电动机接成三角形触点KT闭合KM2线圈得电与此同时，触点KM2断开KT线圈失电释放。停止：按下SB1KM1、KM2线圈失电电动机停止运转。2.2 三相异步电动机-减压起动的PLC控制星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。有电工基础知识可知，星形连接时起动电流仅为三角形连接时的1/3，相应的起动转矩也是三角形连接时的1/3。 星三角降压启动I/O

17、分配表输入输出备注SB1-X0KM1-Y0SB2-X1KM2-Y1FR-X2KM3-Y2根据系统的I/O分配表画出该降压启动的I/O接线图，图示如下：图2.2 三相异步电动机减压起动的I/O接线图完成前面工序后，就需要进行对系统的PLC进行程序编写，一下是该程序的梯形图；图2.3减压起动梯形图对应的指令如下表：表1.1 三相异步电动机的-减压起动的指令语句表步 序指令 数据步 序指令 数据0LD X00110MPP1OR Y00011OUT T0 K502ANI X00012LD T03ANI X00213OR Y0014OUT Y00014ANI Y0005LD Y00015ANI Y002

18、6ANI Y00116ANI X0027MPS17OUT Y0018ANI T018END9OUT Y002编程方法多种多样，这里就不逐一列举。3.三相异步电动机正反转的PLC控制因为三相异步电动机的转动方向是由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。因此，要改变三相异步电动机的转动方向非常容易，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被改变，电动机就实现了反转。3.1 三相异步电动机正反转的继电器控制在没有按下停止按钮SB3且热继电器FR没有动作的情况下，X000和X003触点均为闭合状态。此时按下正

19、向起动按钮SB1，输入继电器X001动合触点闭合，输出继电器Y000线圈得电并自锁，接触器KM1得电吸合，电动机正转；与此同时，Y000的动断触点断开Y001线圈的驱动回路,KM2不能吸合，实现了电气互锁。按下反向起动按钮SB2时，X002动合触点闭合，Y001线圈得电并自锁，接触器KM2得电吸合，电动机反转；与此同时，Y001的动断触点断开Y000线圈的驱动回路，KM1不能吸合，实现电气互锁。停机时按下按钮SB3，X000动断触点断开；过载时热继电器FR动作，X003触点断开，这两种情况都使得Y000、Y001线圈失电，进而使KM1、KM2失电释放，电动机停转。图3.1 电动机正反转继电器控

20、制图3.2 三相异步电动机正反转PLC控制输入 输出SB1：X1 KM1：Y0SB2：X2 KM2：Y1SB3：X0FR：X3 SB1为正 SB2为反KM1为正转接触线圈KM2为反转接触线圈图3.2 输入输出接线图图3.3梯形图 将PLC连上编程器并接通电源后，PLC电源指示灯亮，将编程器开关打到“PROGRAM”位置，这时PLC处于编程状态。编程器显示PASSWORD!这时依次按Cltr键和Montr键，直至屏幕显示地址号0000，这时即可输入程序。 在输入程序前，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，当程序输入到PLC指令如下表对应的指令如下表：表3.1

21、三相异步电动机正反转的指令语句表步 序指 令 数据步 序指 令 数据0LD X0017OR Y0021OR Y0018ANI X0002ANI X0009ANI X0033ANI X00310ANI Y0014ANI Y00211OUT Y0025OUT Y00112END6LD X002 4.三相异步电动机的反接制动控制4.1 三相异步电动机的反接制动的继电器控制在生产过程中，有些设备电动机断电后由于惯性作用，停机时间拖得过长，导致生产率降低，还会造成停机位置不准确，工作不安全。为了缩短辅助工作时间、提高生产率和获得准确的停机位置，必须对电动机采取有效的制动措施。停机制动有两种类型：一是电磁

22、铁操纵机械进行制动的电磁机械制动；二是电气制动，即电动机产生一个与转子原来的转动方向相反的转矩来进行制动。常用的电气制动有反接制动和能耗制动。反接制动就是通过改变异步电动机定子绕组中三相电源相序，产生一个与转子惯性转动方向相反的反向起动转矩而进行制动停转的。反接制动的关键在于将电动机三相电源相序进行切换，且当转速接近于零时，能自动将电源断开。图4.1反接制动继电器控制图主电路：接触器KM1用来控制电动机M正常运转，接触器KM2用来改变电动机M的电源相序。因为电动机反接制动电流很大，所以在制动电路中串接了降压电阻R，以限制反向制动电流。控制电路：由两条控制回路组成。一条是控制M正常运转的回路，另

23、一条是控制M反向制动的回路。电路的起动过程： 起动：按下SB2KM1线圈得电M开始转动，同时KM1辅助动合触点闭合自锁，KM1辅助动断触点断开，进行互锁。M处于正常运转，KS的触点闭合，为反接制动做准备。 制动：按下复合按钮SB1KM1线圈失电，KM2线圈由于KS的动合触点在转子惯性转动仍闭合自锁，电动机进入反接制动，当电动机转速接近于零时，KS的触点复位断开，KM2线圈失电制动结束，停机。4.2 三相异步电动机的反接制动的PLC控制 输入 输出 SB1:X0 KM1:Y1 SB2:X1 KM2:Y2 FR:X2 KS:X3图4.2输入输出接线图 图4.3反接制动梯形图对应的指令如下表：表4.

24、1 三相异步电动机的反接制动的指令语句表步 序指令 数据步 序指令 数据0LDI X0007LD X0001LD X0018OR Y0022OR Y0019ANI Y0013ANB10AND X0034ANI Y00211ANI X0025ANI X00212OUT Y0026OUT Y001135、PLC与变频器在风机节能控制系统中的应用 前面列举了几个常见的控制方式，这里我想通过本人亲身设计改造的一个PLC与变频器的风机节能系统来对PLC在现代工业自动化控制中的程序和应用进行进一步的说明；本案例是新疆某石材加工厂车间的吸尘风机改造，该厂一石材切割车间共有5台切割设备，共同使用一台11KW风

25、机进行吸尘作业。原先采用的是电位器控制变频器调速，根据设备使用情况工人启动风机，用电位器对变频器进行遥控来调节风机转速，但工人经常在开机停机过程中无法做到经常去调节电位器，导致车间环境非常糟糕，后来干脆把变频器输出平率设置为50赫兹，变频器作为了一个启动器来控制风机的启停，不当造成了设备资源的巨大浪费，由于风机长期全速运行，也造成了能源的巨大浪费。 经过现场察看，我利用其现有资源，对该车间风机进行了节能改造。5.1改造方案 用PLC接收投入工作的设备台数进行判断，根据判断相应的输出点动作来控制变频器的多段速调速端子，从而实现多段速控制。由于该车间共有五台切割设备，故采用五段调速控制。 表一、设

26、备投入台数和对应的变频器输出频率表投入运行设备台数变频器输出频率备注125频率可以根据车间情况更改和设定2333404455505.2 、方案实施 利用每个切割设备接触器的辅助常开触点控制一个中间继电器，中间继电器的一组常开触点接入PLC的输入点，为PLC提供设备投入的信号，另一个常开触点控制电磁阀，启动和关闭设备上的风口阀门；这样就完成了PLC对投入设备数量的接收和设备风口的开闭。 接下来需要对变频器进行参数设置和接线分配。该车间使用的是一台三菱FR-540的日产变频器，根据多段速控制的需要和风机运行的特点，注意设定参数如下表：表2 变频器参数设定表参数号参数名称设定值PR4第一段速25PR

27、5第二段速33PR6第三段速40PR24第四段速45PR25第五段速50PR79操作模式2该变频器通过多段速端子RL、RM、RH三个端子的组合，可以实现最多7段速调速控制，这里要实现的是5段速调速控制，下面是端子组合调速控制变；表3、多段速端子与速度段组合表速度段1速2速3速4速5速控制端子RLRMRHRL、RMRL、RM、RH分配好多段速控制端子的组合，接下来绘制PLC输出端子与变频器控制端子的接线图，如下；图1、PLC输出端子与变频器控制端子接线图图5.1 PLC与变频器控制风机I/O接线图接线图说明：1.KM1KM5为5台设备的交流接触器辅助触点；2.SB1为启动按钮；3.SB2为停止按

28、钮；4.X0X6为对用的PLC输入点；5.Y0Y3为PLC输出端子；6.STF为变频器正转控制端子；7.RL、RM、RH为多段速控制端子;根据改造设备输入输出点数需求，选用FX2N-16MR的PLC。该PLC总共20点，输入12点，输出8个点。在进行程序编写前，需要制定一个PLC 的I/O分配变；如图； 表4 PLC的I/O分配表输入输出X0-设备一输入信号X1-设备二输入信号X2-设备三输入信号X3-设备四输入信号X4-设备五输入信号Y0-变频器正转信号Y1-变频器RH端子信号Y2-变频器RM端子信号Y3-变频器RL端子信号X5-启动按钮信号X6-停止按钮信号COM、COM1 、SD- 公共

29、端子完成PLC的I/O分配后，接下来就是对PLC程序的编写，在这个程序里，将会用电很多的指令系统，通过程序的编写，就能把我们的设计理念变成现实的控制过程；我编写的程序如下： 基于PLC与变频器吸尘风机的节能控制程序1. 启动停止程序2. 设备上升沿信号检测程序3. 设备下降沿信号检测程序4. 比较程序5. 比较结果输出程序以上是该控制系统的的梯形图。在程序编写完成以后，需要对程序进行调试，三菱编程软件可以利用他自带的模拟仿真功能，在电脑上进行仿真调试，待程序调试完成后，下载到设备PLC进行现场运行调试，本程序经过现场调试和使用，为该厂车间的吸尘风机节能和实现自动化除尘起到了良好的作用。5.3

30、改造后的节能效果分析.1、实测能耗当变频器在50Hz和40Hz运行时在变频器输出侧实测数据：40Hz时电流为12.2A,电压250V;50Hz时电流为15.8A,电压为370V。则P11.732*250*12.2=5.28kwP2=1.732*370*15.8A=10.13kw注：改造后每个小时能耗仍可节约4.85个千瓦。2、节能效果计算改造前每年消耗的电能（按每天工作22小时，每年工作250天计）W1=10.13*22*250=55715Kwh改造后每年消耗的电能：W2=5.28*22*250Kwh=29040Kwh则每年节约电能为W=W1W2=26675Kwh如果以每度电0.5元计，则每年

31、节约电费13337.5元。可见节能效果和经济效益当可观。结 论本文通过对PLC控制器的功能和现代工业生产中的几个典型应用，说明了伴随着现代工业自动化生产的进程，PLC在工业自动化控制领域依然发挥着巨大的主导作用，随着PLC与现代网络设备的不断联系和应用，其在未来工业自动化控制领域必将获得更广阔的发展空间。为现代化工业生产的自动化和节能控制提供强有力的技术支持。致 谢 感谢本次考试的指导老师，感谢中国工控网提供了我们可以学习的网络平台。感谢单位和部门为我们提供了这样一个可以发挥自己技术水平的考试平台。参考文献1 电气控制与可编程序控制器. 北京：机械工业出版社.2 电子技术. 北京：北京航空航天大学出版社.3 电工基础. 北京：中国农业出版社.4 PLC原理与应用. 清华大学出版社.5 电器控制及可编程控制器.北京：中国轻工业出版社.6 变频器调试控制原理及应用 机械工业出版社23