PLC 控制对传统继电控制的改造

胡光良

摘要：在工业自动化领域，使用PLC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PLC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。本文重点介绍采用PLC实现鼠笼式异步电动器起、制动控制，并与传统的继电器接触器控制系统进行比较。得出在结论PLC 将得到推广，并使生产企业的生产力和生产效率得到改善。

关键词：PLC;继电控制;异步电动机控制

如今继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。应用PLC对传统继电控制有着及其重要意义。

一、可编程序控制器的功能

可编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、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。特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。

二、PLC与继电器接触器控制系统的比较

（一）继电接触器控制系统

传统的鼠笼式异步电动机起、制动控制方式一般有四种，即定子回路串电阻起动，Y/△起动，自耦变压器起动和延边三角形起动;制动方式有三种，反接制动，能耗制动和电容制动，其中任何一种起、制动控制方式的实现通常由继电器-接触器控制系统来完成。下面就以定子回路串电阻降压起动和反接制动为例，分析由继电器-接触器实现的鼠笼式异步电动机的起、制动控制。

如图1所示，此控制电路含三个接触器和一个中间继电器线圈，12个触点。起动时，KM2、KM3线圈均处于断开状态，按下起动按钮SB1，KM1线圈通电并自锁，电动机串电阻减压起动。当电动机转速上升到某一定值时（此值为速度继电器KS1的整定值，可调节，如调至100r/min时动作），速度继电器KS1的常开触点闭和，中间继电器KA通电并自锁，KA的常开触点接通接触器线圈KM3，KM3的主触点在主电路中短接定子电阻R，电动机转速上升至给定值时投入稳定行。

制动时，按下停机按钮SB2，KM1线圈断电，其主触点断开三相电源;控制电路中常开触点断开，KM3失电，限流电阻串入;常闭触点闭合，接通反接制动接触器KM2，对调两相电源相序，电动机处于反接制动状态。当转速下降至某一定值时（比如100r/min），KS1常开触点断开KA，继而断开KM2，电动机失电，迅速停机。

这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，因此，运行的可靠性较低。随着PLC技术的发展，使用PLC进行电机的运行控制已成为必然趋势。

（二）、采用PLC实现鼠笼式异步电动器起、制动控制

可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国首先研制和使用可编程控制器以后，世界各国特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC（programmable logic controller），因此，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用PLC实现鼠笼式异步电动机起制动控制是最明智的选择。下面就是笔者设计的采用PLC实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。

PLC控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下：

起动时，按下起动按钮SB1，X0常开触点闭合，Y0线圈接通并自锁，KM1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻R开始起动，同时Y0的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，KS1的常开触点闭合，X2常开触点闭合，M100线圈接通并自锁，M100的一对常开触点接通Y2的线圈，KM3线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。

制动时，按下停机按钮SB2，X1常开触点断开Y0线圈，使KM1失电释放，而Y0的常闭触点接通Y431线圈，制动用的接触器KM2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。与此同时，Y0的常开触點断开Y2的线圈，KM3失电释放，串入电阻R限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1常开触点断开，X2常开触点断开M100的线圈，M100的常开触点断开Y431线圈，KM2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器FR常开触点闭合，X3的两对常闭触点断开Y0和M100的线圈，从而使KM1或KM2失电释放，起到过载保护作用。

上述控制过程指令程序和梯形图如下：

（三）、PLC与继电接触器控制系统比较

通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很多不同处。

3.1 二种方案的不同点

（1） PLC内部大部分采用“软”逻辑

继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制;PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制。

（2） PLC控制系统结构紧凑

继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大;PLC控制系统结构緊凑，使用电器少，体积小。

（3） PLC内部全为“软接点”动作快

电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重;PLC内部全为“软接点”动作快。

（4） PLC控制功能改变极其方便

继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦;PLC控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便。

（5） PLC控制系统制造周期短

PLC控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，因此设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。

此外，由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，因此，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。

3.2 PLC方案的设计要点

（1） 设置滤波

在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，而且还可减少内部模块之间信号的相互干扰。

（2） 设有隔离

在PLC系统中CPU和各I/O回路（主要指数字口）几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等。

（3） 设置屏蔽

屏蔽有两类：一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层;另一类是对CPU和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层。

（4） 采用模块式结构

PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，同时在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置。

（5） 设有联锁功能

PLC中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故。

（6） 设置环境检测和诊断电路

这部分电路负责对PLC的运行环境（例如电网电压、工作温度、环境的湿度等）进行检测，同时也完成对PLC中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报。

（7） 设置Watchdog电路

PLC中的这种电路是专门监视PLC运行进程是否按预定的顺序进行，如果PLC中发生故障或用户程序区受损，则因CPU不能按预定顺序（预定时间间隔）工作而报警。

（8） PLC的输入、输出控制简单

PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，而且也使PLC的工作不易受到外界干扰的影响;同时PLC所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误;另外，PLC的输入、输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题。

三、PLC相对于继电器线路的优势

（一）功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

（二）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

（三）可靠性高，抗干扰能力强

1.传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

2.PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

（四） 系统的设计、安装、调试工作量少

1.PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

2.PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

3.PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

（五）编程方法简单

1.梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

2.梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

（六）维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

（七）体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。

四、结束语

由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，因此，可编程控制器作为一种通用的工业控制器，它可用于所有的工业领域。当前国内外已经广泛的将可编程控制器成功地应用到机械、冶金、石油、化工、纺织、交通、电力、军事等各个领域，特别是对工作环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举。

参考文献

[1]郁汉琪，郭健主编.可编程序控制器原理及应用.

[2]张洪涛.PLC应用技术.

[3]李浚源，秦忆，周永鹏编.电力拖动基础.

邮寄地址;北京市通州区马驹桥镇一号桥南香雪兰溪小区15号楼2单元1903室，白秀丽，18410119989