电动机正反转Y－△起动程序设计与仿真

张行松

(鄂东职业技术学院，湖北黄州438000)

2012－2013年第一学期，笔者带了三个班的《电气控制与PLC》课程，每个班有6节课，其中有两节是在视频教室上的视频课，有四节是在PLC实验室上的“教学做一体化”的实验课。本文所介绍的“电动机正反转Y－△起动程序设计与仿真”课题，是这学期第七周的教学内容。

在前几周的教学过程中，在理论上学生已经学完了全部27条基本逻辑指令［1］。那么作为应用的实例，在这个课题中就着重介绍一下用基本逻辑指令来设计一个正反转Y－△起动、绕组断电换接的实验程序，让学生也体验一下程序设计、仿真和实际接线、操作调试的全过程，为今后的课程设计和毕业设计打好基础。

1 控制要求

(1)正、反转回路须互锁，Y、△回路也须互锁，除内部程序的“软互锁”，还要进行外部接线的“硬互锁”，以此防止主电路中两个接触器主触点同时接通而造成三相电源的相间短路。

(2)正转和反转可以直接切换，中间可以不进行停止按钮的操作，以便缩短操作的辅助时间来提高设备的运行效率。

(3)先“Y接”起动，延时8秒断电换接成“△接”，再延时1秒(预留1秒熄弧时间)通电运行。

因为直接起动时的起动电流为额定电流的4～7倍，这样大的起动电流有可能对供电线路的供电质量造成较大影响，而“Y接”起动时的起动电流(线电流)仅为“△接”起动时的起动电流的1/3［2］，所以，为了减小电动机的起动电流，要求电动机在起动时，先“Y接”起动，然后再过渡到△接运行，不允许出现“△接”直接起动现象。而“断电换接”，则是为了防止Y接主触点尚未完全断开(因分断电流时会产生电弧，而电弧没有熄灭时，电路就没有真正断开)，而△接主触点就已经闭合而造成的三相电源瞬间短路现象，所以要留熄弧时间。

(4)当电动机过载时，过载保护动作，让电动机断电停止，以保护电动机。

2 I/O分配接线图

如图1所示，输入用了四个输入继电器X0～X3，它们分别和输入的现场信号相连接。SB0为正转起动按钮，和X0相连接，SB1为反转起动按钮，和X1相连接，它们接入电路的都是常开触点。SB2为停止按钮，和X2相连接，接入电路的是常闭触点。FR为热继电器，它是用来对电动机进行过载保护的，接入的是FR的常闭触点，和X3相连接。

输出用了四个输出继电器Y0～Y3，它们分别和四个交流接触器的线圈相连接。但是，为了防止三相交流异步电动机主电路中三相电源的相间短路，图1中采用了正转和反转“硬互锁”，Y接和△接“硬互锁”的接线。因为这样接线既保证了被互锁的两个交流接触器的线圈不能同时通电，也保证了在其中有一个交流接触器出现触点熔焊粘住等故障时，另一个交流接触器的线圈也不能通电。这样就从源头上防止了三相电源的相间短路。

图1 I/O分配接线图

必须指出的是:输出回路的电源是外接电源，实际中通常用220V交流电源，四个交流接触器也常选额定电压为220V的。但是在学生做实验时，为了安全起见，实验台所配备的是24V直流电源，这样，“四个交流接触器”用的也只能是“模拟负载”。这一点也希望大家能区分清楚。

3 电动机主电路图

如图2所示，L1、L2、L3接线电压为380V的三相交流电源。QF为三相电源开关，起接通和断开三相电源作用。KM1为正转交流接触器的主触点，当KM1接通时，电动机通入顺相序(U－V－W)三相电流，电动机正转;KM2为反转交流接触器的主触点，当KM2接通时，电动机通入逆相序(W－V－U)三相电流，电动机反转。

KMY为Y接交流接触器的主触点，当KMY接通时，电动机绕组作Y形连接;KM△为△接交流接触器的主触点，当KM△接通时，电动机绕组作△形连接。

图2 三相交流异步电动机正反转Y－△起动主电路

FR为热继电器的热元件，因为电动机正常运行时是作△形接法，所以应采用有断相保护装置的三个热元件的热继电器［2］作过载保护和断相保护，并且应将热元件串接在每相绕组的回路中。

4 PLC程序设计原理

电动机正反转Y－△起动PLC程序可按以下几步进行设计:

第一步 先设计电动机单向(正转)Y－△起动控制程序，并考虑满足控制要求(1)和(3)所提要求:Y接和△接的“软互锁”和 先“Y接”起动，延时8秒换接成“△接”运行等问题。

第二步 在第一步的基础上，再考虑满足控制要求(3)“断电换接和预留熄弧时间”等问题。

第三步 在第二步所设计的程序的基础上，再加上反转的控制并考虑满足控制要求(1)和(2)所提要求:正、反转的“软互锁”及“直接切换”等问题，即可得到电动机正反转Y－△起动断电换接控制程序。

第四步 在第三步所设计的程序的基础上，再考虑过载保护问题。即可得到具有过载保护功能、绕组断电换接的电动机正反转Y－△起动的PLC控制程序。其指令表程序如表1所示。

表1 具有过载保护、断电换接的正反转Y－△起动程序

5 梯形图逻辑测试(仿真)

(1)程序的录入

打开电脑编程软件GX Developer，创建新工程。选择“PLC系列”、“PLC类型”、“程序类型”，并设置工程名，进入指令表(写入)界面，依次录入表1中所列的指令表程序。录入完毕后，按一下工具栏“梯形图/指令表显示切换”图标，这时就能看到刚录入的指令表程序所对应的梯形图程序了。

(2)梯形图逻辑测试(仿真)

安装时，将GX Simulator和GX Developer安装在同一个路径中。这样，在打开电脑编程软件GX Developer时，在工具栏就能见到一个“梯形图逻辑测试启动/结束”图标。

下面就介绍一下电动机正反转Y－△起动程序的梯形图逻辑测试方法:

按下“梯形图逻辑测试启动/结束”图标，将显示GX Simulator的初始画面:“LADDER LOGIC TEST TOOL”，其中RUN指示灯为黄色，表明梯形图逻辑测试已正常运行。

点击菜单栏“在线”—“监视”—“软元件批量”，在软元件输入框中输入Y0并回车，于是显示出软元件(输出继电器)的列表，在该列表中，Y3Y2Y1Y0就是我们要监视的对象。由图1可知，Y0为正转，Y1为反转，Y2为“Y接”，Y3为“△接”。接下来点击“软元件测试”按钮，来仿真输入按钮的操作和过载保护触点动作的情况。比如:在图1的I/O分配接线图中，停止按钮(X2)接入的是常闭触点，过载保护FR(X3)接入的也是常闭触点，所以，在“软元件测试”时，要分别将X2和X3的初始状态都设置为ON。要仿真“操作人员手动按下起动按钮(X0)，然后松开”这个动作，可以在软元件的输入框中输入X0，再用鼠标先按下“强制ON”，紧接着按下“强制OFF”按钮来模拟。同时注意观察列表中Y3Y2Y1Y0状态的变化情况，如果是0101(正序电源接通，绕组Y接起动)，延时8秒变为1000(绕组△接，电源断开)，再延时1秒变为1001(正序电源接通，绕组△接运行)，则说明正转起动程序是正确的，能满足控制要求(3)。要仿真“手动按下停止按钮(X2)，然后松开”这一操作，可以在软元件的输入框中输入X2，再用鼠标先按下“强制OFF”，紧接着按下“强制ON”按钮来模拟。如果Y3Y2Y1Y0的状态变为0000，则说明停止程序是正确的。其它操作的仿真，依此类推，不再赘述。

梯形图逻辑测试是一个很有用的仿真工具，对于PLC程序的设计和调试也是一个很好的助手。熟练地掌握梯形图逻辑测试的方法和技巧，能够有效地减小设计和调试的成本和时间。可以说程序中有很多问题都是在梯形图逻辑测试中被发现从而得到圆满解决的。所以，我们在用真实的PLC进行实际的接线和调试之前，最好先用梯形图逻辑测试工具测试一下，看一看测试结果能否满足控制要求，这样就能尽早地发现问题，解决问题，从而减少不必要的损失。

［1］ 廖常初.PLC基础及应用［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［2］ 何焕山.工厂电气控制设备［M］.北京:高等教育出版社，1999.