西门子CPU模块6ES7315-2AH14-0AB0
本文介绍三相绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制电路。以三菱FX2N系列PLC为控制器件，根据绕线式异步电动机转子串电阻启动控制的要求，改造继电接触器控制电路，设计了PLC输入输出接线图和梯形图程序，编写了控制程序语句指令表，分析了启动控制工作过程。
三相鼠笼式异步电动机存在启动电流大、启动转矩不大的缺点，只能用于空载或轻载启动。三相绕线式异步电动机可以通过滑环在转子绕组回路串入适当的电阻来限制启动电流，增大启动转矩。因此，重载启动要求启动转矩大的设备如桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等生产机械常使用三相绕线式异步电动机。对启动控制频繁，启动转矩要求大的场所，一般采用三相绕线式异步电动机转子绕组串电阻启动控制系统。
传统的三相绕线式异步电动机转子绕组串电阻启动继电接触器控制系统存在以下缺点：继电接触器属硬器件，控制电路接线繁杂，元器件和接点多，触点易磨损，故障率高，控制功能改变不方便，通用性差，可靠性低。PLC控制系统能在一般高温、振动、冲击和粉尘恶劣环境中稳定有效地工作。采用PLC控制技术，系统体积小，故障率低，硬接线少维修方便，控制精准，可靠性高，抗干扰性强，可以有效提高设备生产效率，延长设备使用周期。
1 继电接触器控制电路分析
图1为三相绕线式异步电动机转子串电阻启动控制电路图。为了限制启动电流，该电路用3个时间继电器KT1、KT2、KT3分别控制3个接触器KM1、KM2、KM3按顺序依次吸合，自动切除转子绕组中的三级电阻。启动时，合上电源开关QS，按下按钮SB1，接触器KM吸合，串入全部电阻（R1+R2+R3）启动；在启动3s后，接触器KM1主触头闭合，切除第一组电阻R1，剩下电阻（R2+R3）；经过1s后，接触器KM2主触头闭合，切除第二组电阻R2，剩下电阻R3；再过1s后，接触器KM3主触头闭合，切除第三组电阻R3，转子串接电阻全部切除，电动机M启动完毕，正常工作。
KM1、KM2和KM3 3个常闭辅助触头与启动按钮SB1串接的作用是保证电动机在转子绕组中接入全部启动电阻的条件下才能启动，如果接触器KM1、KM2、KM3中任何一个触头因熔焊或机械故障没有释放恢复闭合时，电动机M就不能接通电源直接启动。
2 PLC的选型、I/O地址分配和输入输出接线图
2．1 PLC的I/O地址分配
采用PLC改造三相绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制系统，PLC的输入信号主要有2个：启动按钮SB1和停止按钮SB2。输出信号主要有4个：主接触器KM控制三相绕线式电动机M接通三相电源运行，接触器KM1用于控制第一组电阻R1的切除，接触器KM2用于控制第二组电阻R2的切除，接触器KM3用于控制第三组电阻R3的切除。3个时间继电器功能可以用PLC内部定时器实现。根据控制要求，对PLC的输入量、输出量进行分配，PLC的I/O地址分配情况如表1所示。
表1 I/O地址分配表
2．2 PLC的选型
对三相绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制进行PLC控制改造，输入元件为2个，输出元件4个，可选择采用日本三菱公司FX系列FX2N-16MR型号的PLC，I/O总数为16，每条指令的执行时间为12μs。输入点数为8个，对应的输入继电器地址编号为X000~X007；输出点数为8个，对应的地址编号为Y000~Y007；定时器200点100ms，T0-T199。
2．3 PLC的输入输出接线图
图2所示为三相绕线式异步电动机转子串电阻启动PLC控制输入输出接线图。
3 设计PLC控制程序
3．1 PLC梯形图
用PLC改造三相绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制系统，根据原有的继电接触器电路图来设计梯形图是一条简便实用的办法。原有的绕线式异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制电路经过长期使用和考验，已经证明能完成系统要求的各种功能。继电接触器控制电路图和PLC程序控制梯形图有许多相似的地方，按照梯形图语言设计规定和对应关系可以将继电接触器电路图方便地“翻译”成梯形图控制程序，用PLC的外部硬接线和梯形图软件来实现继电接触器电路图的控制功能。
图3所示三相绕线式异步电动机转子串电阻启动控制PLC梯形图使用的是内部继电器、定时器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原继电接触器控制线路硬接线无法比拟的。
3.3 工作过程分析
（1）启动：按启动按钮SB1，输入继电器X001接通动合触点闭合，输出继电器Y000接通，接触器KM线圈得电，主触头闭合接通三相电源，绕线式异步电动机转子串电阻（R1+R2+R3）启动，同时定时器T1线圈得电,开始延时,时间设定为3s。
（2）3s后，定时器T1常开触点闭合,输出继电器Y001接通，接触器KM1吸合，主触头闭合，切除第一组电阻R1，电动机串接（R2+R3）电阻继承启动，同时定时器线圈T2得电,时间设定为1s。
（3）1s后，定时器T2常开触点闭合,输出继电器Y002接通，接触器KM2吸合，主触头闭合，切除第二组电阻R2，电动机串接R3电阻继承启动，同时定时器线圈T3得电,时间设定为1s。
（4）1s后，定时器T3常开触点闭合,输出继电器Y003接通，接触器KM3吸合，主触头闭合，切除第三组电阻R3，同时Y003常闭触头断开，定时器线圈T1、T2、T3和输出继电器Y1、Y2失电。累计启动5s，三相绕线式异步电动机转子所串3组电阻全部切除，电动机M结束启动状态，进入正常运行状态。
（5）停车：按停止按钮SB2，输出继电器Y000失电，接触器KM失电，主触头断开，电动机作自由停车运行。输出继电器线圈Y000失电，常开触点Y000复位，输出继电器Y003失电，常开触点Y003复位，3组电阻（R1+R2+R3）恢复与三相绕线式异步电动机转子串接，为下次启动做好准备。
（6）过载保护：当电动机过载时，热过载保护继电器FR的动断触点断开，接触器KM、KM1、KM2、KM3均断电，电动机M也停车。
（7）把输出继电器Y001、Y002和Y003 3个常闭触点与输入继电器X001常开触点串联，如果输出继电器Y001、Y002和Y003线圈得电，接触器KM1、KM2、KM3中任何一个触头没有释放恢复闭合时，按下启动按钮SB1，输出继电器Y000和接触器KM线圈不能得电，KM主触头不能闭合，电动机M就不能接通电源直接启动，保证了三相绕线式电动机只有在转子绕组中接入全部启动电阻（R1+R2+R3）的条件下才能启动。
随着社会的不断发展，自动旋转门越来越多，对旋转门控制系统的控制要求也就越来邀高。例如：当无人接近旋转门时，旋转门能自动停止；当进出旋转门的人比较多时，旋转门能自动加速旋转；当按下残疾人专用按键时，旋转门能启用残疾人专用旋转速度；当行人通过旋转门不慎被夹时，旋转门能迅速制动，待行人解脱后旋转门能自动恢复正常旋转速度；旋转门的全部运行状态都送入楼宇自动监控系统；等等。因此，要求旋转门控制系统在控制上具有更高的自动化和智能化。下面通过一实例详细介绍利用通用变频器和三菱FX系列可编程逻辑控制器(PLC)实现上述要求的控制方法。
1、系统硬件设计
图1是旋转门控制系统原理结构。该系统主要由旋转门、接近传感器、可编程序控制器和变频器组成。
1.1 旋转门及接近传感器
该旋转门由4扇玻璃门相互垂直地镶嵌在同一个轴柱上构成，电机通过减速机构带动旋转门的轴柱，从而产生门的旋转运动(见图1)。
图1 旋转门控制系统结构图
为了实现系统的全部自动化和智能化，系统在旋转门圆形框架的上端，安装了4个接近传感器，其中3个面向进门的行人(见图1中的A1)，一个面向出门的行人(见图1中的A2)；在门框外侧的边沿上分别安装了2套防夹传感器(见图1中的E1和E2)；在圆弧门框外侧的表面上，分别安装了暂停按键和残疾人专用换速按键(见图1中的B1、B2和C1、C2)；D1和D2是旋转门的定位或加减速起点行程开关。
1.2 FX2-32 PLC
该系统利用日本三菱公司的FX2系列PLC，作为该系统的控制指挥中心。该PLC把来自旋转门现场的检测信号、变频器的状态信号以及楼宇自动监控系统的指令，经过收集、处理后，完成对变频器的频率控制和对楼宇自动监控系统的信息反馈。当X0闭合时，启动该旋转门控制系统。
当xl闭合时，旋转门的转速不受客流量多少的控制，以固定不变的转速旋转。反馈给楼宇自动监控系统的信息状态如表1所示。
注：表中“1”表示“ON”，“0”表示“OFF”。
1.3 变频器
由于旋转门处于公共场所，行人或物品阻碍旋转门正常旋转的现象时常发生，因此导致电动机的负载变化大、过电流现象发生频繁，所以选用通用FVR0l5E7s—7Ex型变频器。该变频器具有快速响应的电流限制功能，当负载波动相当大时，变频器不跳闸，能自动减速运行；当负载恢复正常时，变频器能自动升速到设定值。使用该变频器，电动机低速驱动能力强，起动转矩能达到额定值的150％。该变频器还具有电压自整定等一系列先进功能。变频器接线原理见图1，所有动作都由PLC控制。
2、系统软件设计
2.1 变频器的主要控制参数
经过现场调试后，变频器的主要控制参数确定如下：
当客流量比较小或Xl为“ON”时，变频器的工作频率为42 Hz(Y11为“ON”时)，电机起动时间6 s，制动时间15 s；当客流量比较大时(X3、X4和X5都为“ON”时)，变频器的工作频率为50Hz(Y11和Y10同时为“ON”时)；当第一次按动换速键时，变频器的工作频率变为21 Hz(Y11和Y13同时为“ON”时)，当第二次按动换速键时，变频器的工作频率由其他现场状态控制；当有行人不慎被夹时，旋转门迅速制动并待行人解脱后，经过10 s的延迟，启用变频器第二“加／减速”选择，自动恢复到正常旋转速度(电机起动时间和制动时间均为25 s，实现方法是Y11和Y3同时为“ON”)。变频器主要控制端子与输出频率之间的关系如图2所示。
图2 变频器输出频率与控制端子的关系
2.2 PLC控制变频器的程序
图3是根据系统要求编制的PLC程序。在编制PLC程序时，应注意如下几点：① 在旋转门机械抱闸开始前应先让变频器脱离电网，以避免变频器受损；② 当残疾人专用速度启用时，无论在门内还是门外，第二次按动此功能按键时应使变频器恢复正常运行速度。其中“M3”为防夹传感器动作时的互锁辅助触点。
图3 PLC控制变频器的程序
2.3 旋转门运行状态诊断程序
楼宇自动监控系统除了使用摄像机获取旋转门的外部工作状态信息外，还需要使用PLC获取旋转门控制系统内部的工作状态信息。所以在编辑控制系统内部状态诊断程序时，不但要照顾到现场维护人员能利用PLC诊断故障，还照顾到楼宇自动监控系统准确、方便地使用PLC提供的诊断信息。旋转门控制系统内部状态诊断PLC程序梯形图如图4所示。
图4 旋转门运行状态诊断程序
3、结语
该旋转门设计新颖、外观大方、功能齐全、使用控制方便，是集机电于一体化的高新技术产品。为了使系统更加可靠，安装时要考虑到下雨天避免雨水进人控制系统的措施，行人所接触到的按键也一定要保证安全。同时，接近传感器的可靠性也是实现旋转门控制系统自动化和智能化关键之一。