任务3 三相异步电动机的连续运行控制

3.1 任务目标

● 会描述三相异步电动机连续运行的继电器-接触器控制和PLC控制的工作过程。

● 能记住热继电器的图形符号和文字符号并描述其工作原理。

● 掌握三菱PLC的软元件之辅助继电器及触头串、并联指令和置位复位指令。

● 会利用实训设备完成三相异步电动机连续运行两种控制电路的安装、调试和运行等，会判断并排除电路故障。

● 能辨别三相异步电动机连续运行的关键环节。

● 会利用所学指令编写PLC程序。

● 具有分析和解决问题的能力以及举一反三的能力；具有遵守规章制度、操作规范和生产安全的意识；有团队协作精神。

3.2 任务描述

三相异步电动机连续运行的要求：当按下起动按钮时，电动机起动运转；松开按钮后，电动机仍然保持运转；直到按下停止按钮或电动机过热时，电动机才停止运转。

3.3 任务实施

3.3.1 三相异步电动机连续运行的继电器-接触器控制

利用实训设备完成三相异步电动机连续运行继电器-接触器控制电路的安装、调试、运行及故障排除。

1.三相异步电动机连续运行的继电器-接触器控制效果

2.绘制工程电路原理图

三相异步电动机连续运行的继电器-接触器控制电路原理图如图3-1所示。

3.选择元器件

1）编制器材明细表。该实训任务所需器材见表3-1。

2）器材质量检查与清点。

4.安装、敷设电路

1）绘制工程布局布线图。三相异步电动机连续运行继电器-接触器控制电路的工程布局布线图如图3-2所示。

2）安装、敷设电路。

3）通电检查及故障排除。

4）整理器材。

3.3.2 三相异步电动机连续运行的PLC控制

利用实训设备完成三相异步电动机连续运行PLC控制电路的安装、编程、调试、运行及故障排除。

1.三相异步电动机连续运行的PLC控制效果

2. I/O分配

1）I/O分配表。根据三相异步电动机连续运行的PLC控制要求，需要输入设备3个，即2个按钮和1个热继电器；需要输出设备1个，即用来控制电动机运行的交流接触器。其I/O分配见表3-2。

2）硬件接线图。三相异步电动机连续运行PLC控制的硬件接线图如图3-3所示。

特别说明：停止按钮SB2和热继电器FR的触头此时都接成动合触头，是为了配合实训操作台上的动合按钮，演示其动作过程，一般情况下实际电路中应接成动断触头。

3.软件编程

1）基于“起保停”设计思想编程。基于“起保停”设计思想的三相异步电动机连续运行的PLC程序如图3-4所示。

2）基于“辅助继电器”设计思想编程。基于“辅助继电器”设计思想的三相异步电动机连续运行的PLC程序如图3-5所示。

3）基于“置位复位”设计思想编程。基于“置位复位”设计思想的三相异步电动机连续运行的PLC程序如图3-6所示。

4.工程调试

在断电状态下连接好电缆，将PLC运行模式选择开关拨到“STOP”位置，使用编程软件编程并下载到PLC中。启动电源，并将PLC运行模式选择开关拨到“RUN”位置进行观察。如果出现故障，学生应独立检修，直到排除故障。调试完成后整理器材。

3.4 任务知识点

3.4.1 三相异步电动机连续运行的继电器-接触器控制电路的工作原理

三相异步电动机连续运行的继电器-接触器控制电路原理如图3-1所示，其工作过程是：当合上电源开关QF，按下起动按钮SB1时，交流接触器KM的线圈得电，主电路中KM的主触头和控制电路中KM的动合辅助触头同时动作并闭合，电动机M接通起动运转。当松开按钮SB1时，由于并联在SB1两端的KM动合辅助触头处于闭合状态，因此KM的线圈维持得电，从而保证KM的主触头仍处在闭合状态，所以电动机连续运转。当按下停止按钮SB2时，KM的线圈失电，其主触头和动合辅助触头均断开，电动机随即停转。

这种按下起动按钮并松开后，仍能保持线圈得电的控制电路叫作具有自锁（或自保）功能的接触器控制电路，简称自锁控制电路。与起动按钮并联的一对动合辅助触头KM叫作自锁（或自保）触头。当电动机运转过热时，热继电器FR的动断触头断开，分断电路，保护电动机不会因过热而损坏。

3.4.2 热继电器（FR）

继电器是一种传递信号的电器，通过某种输入信号的变化接通或分断控制电路，以完成控制和保护任务。继电器的输入信号可以是电压、电流等电信号，也可以是温度、速度、时间和压力等非电信号，而输出通常是触头的闭合或断开。继电器一般不用来直接控制有较大电流的主电路，而是通过接触器或其他电器对主电路进行控制。因此，同接触器相比较，继电器的触头断流容量较小，一般不需要灭弧装置，但对继电器动作的准确性则要求较高。

1.继电器的分类

继电器的种类很多，按其用途可分为控制继电器、保护继电器、中间继电器；按动作时间可分为瞬时继电器、延时继电器；按输入信号的性质可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器和压力继电器等；按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等；按输出形式可分为有触头继电器、无触头继电器。部分常用继电器的实物图参见本书配套资源。

2.热继电器

热继电器利用电流的热效应来推动动作机构，使触头系统闭合或断开。主要用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，防止电动机过热而烧毁。

（1）结构

热继电器主要由热驱动元件（双金属片）、触头、传动机构、复位按钮及电流调整装置构成。其结构和符号如图3-7所示。

热继电器的热元件串联在主电路中，与电动机的定子绕组连接。其动断触头串联在控制电路中；动合触头要么不连接，要么串联在故障报警铃或者报警灯的装置中。当电动机过载时，热继电器就会动作，其动断触头断开，控制电路就被分断，交流接触器的线圈就失电释放，从而保护电动机。同时，其动合触头持续闭合，相应的故障报警铃响或者报警灯亮，给出过流指示，直到按下复位按钮后才会解除保护。

（2）工作原理

热继电器的工作原理示意图如图3-8所示，图中热元件是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中。双金属片是由两种受热后有不同热膨胀系数的金属碾压而成，其中下层金属的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量使双金属片中的下层金属的膨胀变长速度大于上层金属，从而使双金属片向上弯曲。经过一定时间后，弯曲位移增大，使双金属片与扣扳分离（脱扣）。扣扳在弹簧的拉力作用下，将动断触头断开。由于动断触头一般串接在电动机的控制电路中，它的断开使接触器的线圈失电，从而分断电动机的主电路。若要使热继电器复位，则按下复位按钮即可。

由于热惯性，当电路短路时，热继电器不能立即动作使电路分断。因此，在控制系统中，热继电器只能用作电动机的过载保护，而不能起到短路保护的作用。在电动机起动过载或短时过载时，热继电器也不会动作，这样可以避免电动机不必要的停止运转。

3.4.3 三相异步电动机连续运行的PLC控制过程

比较图3-1和图3-3的主电路可知，三相异步电动机连续运行的PLC控制方式与继电器-接触器控制方式的主电路相同，不同的是控制电路部分。PLC方式，控制电路部分只需要将输入、输出元器件分别接到可编程序控制器的输入、输出端口即可，中间的其他元器件不需要连接，而是通过编写程序来实现控制。三相异步电动机连续运行PLC控制的方法有多种，这里主要介绍3种，即基于“起保停”设计思想的PLC控制，基于“辅助继电器”设计思想的PLC控制和基于“置位复位”设计思想的PLC控制。3种方法的硬件接线图相同，如图3-3所示，只是PLC编写程序不同。

1.基于“起保停”设计思想的PLC控制

基于“起保停”设计思想的三相异步电动机连续运行的PLC控制程序如图3-4所示。PLC控制过程是：图3-3中，当合上电源开关QF，按下起动按钮SB1时，PLC的输入端子X000得电，执行图3-4中的PLC内部程序，即程序中的软元件输入继电器X000的动合触头闭合，此时由于图3-3中按钮SB2和热继电器FR的动合触头未得电，与之相连的PLC输入端子未接通，故程序中软元件X001和X002保持初始状态，即闭合状态，使其后的软元件输出继电器Y000的线圈吸合。Y000线圈的吸合，一方面使程序中的Y000动合触头闭合形成自锁；另一方面使图3-3中PLC的输出端子Y000得电，从而驱动中间继电器KA的线圈得电吸合，其动合触头闭合，使交流接触器KM的线圈得电吸合，主电路中KM的主触头闭合，电动机起动运转。当松开按钮SB1时，图3-3中PLC的输入端子X000虽然失电，但程序中与输入继电器X000并联的触头Y000处于闭合状态，继续保持输出继电器Y000的线圈吸合，所以电动机持续运转。

图3-3中，当按下停止按钮SB2或模拟过热状态按下FR时，PLC的输入端子X001或X002得电，执行图3-4中PLC内部程序，即程序中的软元件输入继电器X001或X002的动断触头断开，使其后的输出继电器Y000的线圈释放。Y000线圈的释放，一方面使程序中的Y000动合触头恢复断开状态；另一方面使PLC的输出端子Y000失电，与之相连的中间继电器KA的线圈失电释放，其动合触头恢复断开状态，其后的KM线圈失电释放，使主电路中KM的主触头断开，分断电动机的电源，电动机随即停转。该控制中，X000用于起动电路运行，动合触头Y000用于自锁保持电路运行，X001和X002用于停止电路运行，所以又称该电路为“起保停”电路。

2.基于“辅助继电器”设计思想的PLC控制

基于“辅助继电器”设计思想的三相异步电动机连续运行的P LC控制程序如图3-5所示。P LC控制过程是：图3-3中，当合上电源开关QF，按下起动按钮SB1时，PLC的输入端子X000得电，图3-5PLC程序中输入继电器X000的动合触头闭合，而软元件X001和X002保持闭合状态，使其后的软元件辅助继电器M0的线圈吸合，其两个动合触头M0闭合。其中与输入继电器X000并联的触头M0闭合起自锁保持作用，从而使M0的线圈持续吸合；与输出继电器Y000的线圈串联的触头M0闭合，使Y000的线圈吸合，从而使图3-3中PLC的输出端子Y000得电，驱动中间继电器KA的线圈得电吸合，其动合触头闭合，使交流接触器KM的线圈通电吸合，主电路中KM的主触头闭合，电动机起动运转。当松开按钮SB1时，图3-3中PLC的输入端子X000虽然失电，但由于图3-5程序中辅助继电器M0的自锁保持作用，使得电动机持续运转。

当按下停止按钮SB2或模拟过热状态按下FR时，图3-3中PLC的输入端子X001或X002得电，图3-5程序中的输入继电器X001或X002的动断触头断开，使其后的辅助继电器M0的线圈释放，其两个动合触头恢复断开状态，输出继电器Y000的线圈释放，从而使图3-3中PLC的输出端子Y000失电，使KA和KM的线圈失电释放，主电路中KM的主触头断开，电动机随即停转。该控制中，X000用于起动电路运行，动合触头M0用于自锁保持电路运行，X001和X002用于停止电路运行。编写PLC程序时，同一个输出继电器在一个程序段中只能出现一次，而辅助继电器则可以出现无数多次。因此，当如果有多种不同状态需要驱动同一个输出时，必须通过多个辅助继电器从中间进行转换。

3.基于“置位复位”设计思想的PLC控制

基于“置位复位”设计思想的三相异步电动机连续运行的PLC控制程序如图3-6所示。PLC控制过程是：图3-3中，当合上电源开关QF，按下起动按钮SB1时，PLC的输入端子X000得电，图3-6程序中输入继电器X000的动合触头闭合，执行其后的置位指令SET，使输出继电器Y000的线圈吸合，从而使图3-3中PLC的输出端子Y000得电，驱动中间继电器KA和交流接触器KM的线圈得电吸合，主电路中KM的主触头闭合，电动机起动运转。当松开按钮SB1时，图3-3中PLC的输入端子X000虽然失电，但由于置位指令SET的功能就是让元件自保持为ON，直到执行复位指令RST才会让元件自保持为OFF，故电动机持续运转。

图3-3中，当按下停止按钮SB2或模拟过热状态按下FR时，P LC的输入端子X001或X002得电，图3-6程序中的输入继电器X001或X002的动合触头闭合，执行其后的复位指令，输出继电器Y000的线圈释放，从而使图3-3中P LC的输出端子Y000失电，使KA和KM的线圈失电释放，主电路中KM的主触头断开，电动机随即停转。该控制中，如果要让电路运行，就使用置位指令让对应元件的线圈吸合并自保持ON；如果要让电路停止运行，就使用复位指令让对应元件的线圈释放并自保持OFF。

3.4.4 PLC触头串联和并联指令（AND/ANI，OR/ORI）

1.指令符号

PLC触头串联和并联指令分别是AND/ANI、OR/ORI，见表3-3。

2.指令用法

触头串联和并联指令用法示例如图3-9所示。

1）串联和并联指令是指单个触头与其他的触头或触头组成电路的连接关系。

2）串联电路中，每个软元件的触头都必须处于闭合状态，与之连接的线圈才能吸合，即为“ON”状态。

3）并联电路中，只要有1个软元件的触头处于闭合状态，与之连接的线圈就吸合，即为“ON”状态。

4）串联触头的个数一般是没有限制的，但是因为图形编程器和打印机的功能有限制，所以建议一行不超过10个触头。

5）并联触头的个数一般是没有限制的，但是因为图形编程器和打印机的功能有限制，所以建议并联连接的次数不超过24次。

3.4.5 PLC软元件之辅助继电器（M）

PLC内部有许多辅助继电器，每个辅助继电器有无数对动合、动断触头供编程使用。辅助继电器只能由程序驱动，其触头在PLC内部编程时可以任意使用，但它不能直接驱动负载，外部负载必须由输出继电器的输出触头来驱动。FX_3U系列PLC辅助继电器的分类及功能见表3-4。

辅助继电器的用法示例如图3-10所示，其中M0是通用辅助继电器，M8013是特殊辅助继电器，其功能是1s的时钟脉冲。

3.4.6 PLC置位与复位指令（SET，RST）

1.指令符号

PLC置位与复位指令分别是SET、RST，见表3-5。

2.指令用法

（1）置位与复位指令用法示例一如图3-11所示。

1）图3-11中，当X000动合触头闭合时，Y000和M0的线圈立即吸合；即使当X000触头断开时，Y000和M0仍然保持吸合状态。

2）当X001触头闭合时，Y000的线圈立即释放；即使当X001触头断开后，Y000的线圈仍然处于释放状态。

3）当X002触头闭合时，M0的线圈立即释放；即使当X002触头断开后，M0的线圈仍然处于释放状态。

4）用SET命令置位的操作元件，只能用RST命令复位，否则将在程序的运行中一直保持ON。

（2）置位与复位指令用法示例二如图3-12所示，该梯形图程序是利用SET和RST指令实现电动机的自锁控制。

3.5 知识点拓展

3.5.1 三相异步电动机单向点动与连续运行控制

前面分别介绍了三相异步电动机的点动运行控制和连续运行控制，如果在一个电路中要求分别实现点动控制和连续控制，应如何设计呢？

1.继电器-接触器控制

三相异步电动机单向点动与连续运行的继电器-接触器控制电路原理图如图3-13所示。图中SB1是停止按钮；SB2是复合按钮，用于控制点动运行；SB3是控制连续运行的按钮。其工作原理请自行分析。

2. PLC控制

（1）I/O分配

1）I/O分配表。根据三相异步电动机单向点动与连续运行的PLC控制要求，需要输入设备4个，即3个按钮和1个热继电器；输出设备1个，即用来控制电动机运行的交流接触器。其I/O分配见表3-6。

2）硬件接线图。三相异步电动机单向点动与连续运行PLC控制的硬件接线图如图3-14所示。

（2）软件编程

本控制中，无论是点动运行还是连续运行，其控制对象都是同一个电动机，而电动机的运行又是由同一个交流接触器来输出控制的。前面讲过，同一个输出继电器在一个程序段中只能出现一次。那么如何使点动运行和连续运行控制不发生冲突呢？最好的办法就是利用辅助继电器分别进行控制，即将点动控制的对象设置为一个辅助继电器，将连续控制的对象设置为另一个不同的辅助继电器，最后将两个辅助继电器的触头并联来控制输出继电器，其PLC程序如图3-15所示。

3.5.2 “起保停”电路的停止优先和起动优先设计

“起保停”电路可以用输入、输出触头与线圈组合完成，也可以用SET、RST指令完成。如果起动按钮和停止按钮同时被按下，若电动机停止，则称为停止优先，如图3-16所示；若电动机起动，则称为起动优先，如图3-17所示。

3.5.3 动断触头的输入信号处理

PLC的输入端子可以外接动合触头或动断触头作为输入信号，但外接的信号不同，其程序的编写就不一样。如图3-18所示，假设SB1是起动按钮，SB2是停止按钮，FR是热继电器保护，其中输入端子X001分别连接的是SB2的动合触头和动断触头，显然梯形图程序中对应的触头编写是不相同的。

说明：

1）图3-18a、b中，要求按下起动按钮SB1后程序才开始运行，因此输入端子X000应接入动合触头，程序中对应的输入继电器X000也应编写为动合触头。当按下起动按钮后，程序中X000才闭合。

2）图3-18a、b中，热继电器FR接入的都是动断触头，因此PLC上电后，只要电动机不过载，FR就处于通电状态，也即与之相连的PLC输入端子X002得电，程序中的输入继电器X002的动合触头就动作，即闭合，为程序的导通做准备。直到过热时，FR的动断触头断开，PLC输入端子X002失电，程序中的X002就恢复断开状态，从而分断电路。

3）图3-18a中，停止按钮SB2接入的是动合触头，当程序起动运行而未停止时，停止按钮是不会被按下的，也即输入端子X001是不会得电的，而对应程序却是需要运行，故程序中对应的输入继电器X001应编写为动断触头。图3-18b中SB2接入的是动断触头，其工作过程与FR相同，即程序中对应的输入继电器X001应编写为动合触头。

4）教学中PLC的输入触头通常使用动合触头，便于进行工作过程分析。但在实际控制中，停止按钮、限位开关及热继电器等要使用动断触头，以提高安全保障。

5）为了节省成本，应尽量少占用PLC的I/O端子，因此，有时也将FR动断触头串接在其他动断输入或负载输出回路中。

3.6 任务延展

1.分别写出图3-16和图3-17所示梯形图的指令表程序。

2.根据以下指令表程序，画出相应的梯形图。

3.分析图3-13所示三相异步电动机单向点动与连续运行的继电器-接触器控制电路的工作原理。

4.热继电器的工作原理是什么？为什么热继电器只能作过载保护，而不能作短路保护？

5.设计一个能在两地起停控制某电动机运行的PLC控制系统。其控制要求如下：在甲地按下起动按钮SB1，电动机起动运行，按下停止按钮SB2，则电动机停止运行；在乙地按下起动按钮SB3，电动机也可以起动运行，按下停止按钮SB4，则电动机也可以停止运行；任何时候若热继电器动作，则电动机停止运行。