PLC控制系统中电动机过载保护方法的探究

孟洋

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

0引言

本文主要阐述三相异步交流电动机的PLC控制系统中热继电器起过载保护作用的两种方式，重点说明热继电器辅助触点接在PLC的输入端时，程序梯形图中的相应触点要使用相反的逻辑。

在实际生产中，三相交流异步电动机的正、反转控制是一种基本的控制。如机床工作台的左右移动、数控机床的进退刀等，为保护电动机，在电动机的控制线路中，通常使用热继电器进行过载保护。热继电器是利用流过热继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的自动保护电器。

热继电器主要与接触器配合使用，用作电动机的过载保护，断相保护、电流不平衡运行的保护等。热继电器在使用时，需要将其热元件串联在主电路中，辅助触头串联在控制电路中，当电动机过载时，流过电阻丝的电流超过热继电器的整定电流，电阻丝发热，温度升高，使主双金属片弯曲，通过传动机构推动常闭触头断开，分断控制电路，再通过接触器主触头切断主电路，电动机停止运转，实现对电动机的过载保护。电源切断后，主双金属片逐渐冷却恢复原位。

现用PLC逻辑控制系统改造继电-接触器逻辑控制系统，下面为三菱PLC控制系统实现三相异步交流电动机单向连续运转的控制系统，其过载保护措施的实现有两种方法。

方法一：热继电器接在PLC输入端的过载保护方式。

根据控制任务，当PLC的输入端接热继电器的动断触点（常闭触点）时，PLC的输入端需接入3个输入信号，输出端接1个输出信号。

I/O地址分配表见表1。

表1

PLC的控制回路接线见图1。

图1

程序的梯形图见图2。

图2

当接线图1中PLC的输入端子X3接热继电器KH的常闭触点时，程序的梯形图2中用X3常开触点，而不用X3的常闭触点。当PLC接通电源，系统内的直流24V的电源与PLC外部的热继电器KH的常闭触头构成回路，使输入继电器X3线圈得电，此时梯形图中的X3常开触点处于接通状态，再按下启动按钮SB2，输入继电器X2常开触点闭合，输出继电器Y1线圈得电，驱动PLC外部输出端子Y1上的交流接触器KM动作，主电路的电动机启动并连续运转。当电动机过载时，主电路中热继电器热元件因为温度过高发生弯曲，分断其常闭触头，PLC的输入继电器X3线圈失电，梯形图中X3常开触点断开，输出继电器Y1线圈失电，Y1的常开触点断开，PLC外部输出端子Y1上的接触器线圈KM失去驱动信号，交流接触器KM线圈失电，主电路的接触器KM主触头分断，电动机停止运转，起到了过载保护的作用。

当热继电器接在PLC的输入端时，程序的梯形中与之对应的触点要使用相反的逻辑，保证程序的正确性，即PLC的输入端子X3接热继电器常闭触点时，梯形图中要用其与之对应的输入继电器X3的常开触点。同理，PLC的输入端子X3也可接热继电器的常开触点，则梯形中图3要用输入继电器X3的常闭触点；其次，热继电器在输入端是通过断开PLC的控制程序输出继电器Y1，使PLC对外没有输出信号，无法驱动负载交流接触器，从而断开PLC的控制电路，来分断主电路，停止电动机的运行，对电动机起到过载保护的作用。方法二：热继电器接在PLC输出端的过载保护方式。根据电动机连续运转控制任务要求，PLC控制电路接线中需要2个输入点，1个输出点，其I/O地址分配表见表2。

表2

PLC的控制电路接线见图3。

图3

程序的梯形图见图4。

图4

说明：过载保护的热继电器其常闭触点不作为一个输入信号占用宝贵的输入点，而将其接到输出回路上，当热继电器的热元件工作，断开PLC的输出端控制回路，接触器KM线圈失电，主电路的接触器主触头分离，断开主电路，电动机停止运转，实现对电动机的过载保护。这种过载保护方法是通过断开PLC的控制回路实现的，而PLC的程序仍在执行，输出继电器Y1对PLC的外部输出端仍然有输出信号。热继电器在串接在输出端控制电路中优点在于，即使图4 PLC故障（例如死机），当电动机过载导致热继电器的热元件温度过高，辅助触头仍然会动作，断开控制回路，分断主电路保护电动机。

具体在PLC控制系中，热继电器过起载保护作用在输入端还是输入端，用户要根据PLC的型号，电动机的性能，控制任务要求是仅切断电路还是要发出相关信息等做具体分析，采用合适的方式。

1.安科瑞智能电动机保护器介绍

1.1产品介绍

智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。

1.2技术参数

1.2.1数字式电动机保护器

1.2.2模块式电动机保护器

1.3产品选型

说明：“√”表示具备，“■”表示可选。

参考文献

[1] 刘丽辉.PLC控制系统中电动机过载保护方法的探究

[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

PLC基本原理知识汇总，初学者必看

PLC概念（基本组成、工作原理）PLC的数据类型&&寻址方式 (这个地方要分清楚，PLC的存储空间大小（位字节字双字BIT BYTE WORD DWORD）、储存器类型（西门子DIDQAIAQMSMVLTCHTHC区；三菱XYMDTCRVZ区）、数据类型(INT16 DINT32 REAL STRING WORD16 DWORD32 BOOL TIME DATE CHAR8 BYTE8 ))PLC的储存器类型（S7-200）PLC系统开发流程PLC STEP7中常数的表达方式（K10,H16,O8,BCD）三菱中的D0是16位的，两个字节。M0是1位。西门子1200中的则全是M区，用MB/MW /MD来表示8位16位32位西门子200smart和200中全是V区

01、PLC概念

PLC（Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器。工业控制用的计算机。

PLC的基本构成

其基本构成有电源、CPU、储存器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口。

（1）电源：PLC供电，可以是220VAC或者24VDC，CPU处理单元所需要的电源为5VDC。

（2）CPU（中央处理单元），包含了控制器、运算器、寄存器。

（3）存储器是之具有记忆功能的半导体电路，可以存放系统程序、用户程序、逻辑变量。分为ROM（Read Only Memory 系统存储区）和RAM（Random Access Memory）。

i.ROM存储区分为系统管理程序、用户程序编辑以及指令解释程序、子程序调用及管理程序

ii.RAM存储区包括用户程序存储区和数据存储区，分别用来放置用户程序和程序执行过程中各点的ON/OFF状态量。用户存储区的数据可读可写执行。采用的材质为CMOS RAM或者EPRAM和EEPRAM。容量一般以“字”为单位（16个位为1字，8个位为1字节）。所以我认为建议编程的时候使用偶数编程。

（4）￥输入单元是指接收信号的单元，检测信号传来的信息并且将其转化为高低电平的数字量信号。（分为开关量和模拟量，模拟量通常采用A/D转换电路，把模拟量转换成数字量。数字量采用的接口电路比较多，分为内部直流输入（12V或者24V）、外部交流输入（100-120V、200-240V）、外部交直流输入、与信号输出相连的输入电路。）（交流输入、直流输入、源型漏型、共阴极共阳极、外界信号输出接PLC输入单元（PNP,NPN））

（5）输出单元指将CPU处理之后的弱电信号转化为电平信号。（电平信号是指设备输出信号和输入信号的功率比然后取对数值，通常用P表示，P=lgP2/P1。）（输出接口分为开关量和模拟量。模拟量接口通常通过D/A转换电路，数字量转换成模拟量，数字量输出电路形式比较多，有继电器输出、晶体管输出（PNP，NPN）、晶体闸输出。）

（6）通信接口，和监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通讯。

（7）扩展接口，给PLC增加一些专用功能模块，比如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块。

PLC的工作原理

PLC通电→内部处理→通信处理→自诊断→输入采样→用户程序执行→输出刷新

PLC采用周期循环扫描的方式，集中输入集中输出。

优点是：可靠性高、抗干扰能力强。缺点是：响应速度慢、响应滞后。PLC会采用WDT（看门狗）来监视扫描是否超过预定时间。

内部自处理：包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保护范围设定等等。在自诊断测试阶段，CPU检测PLC各模块的状态，若出现异常立即进行诊断和处理，同时给出故障信号，点亮CPU面板上的LED指示灯。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，停止执行程序。CPU的自诊断测试将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。

通信处理阶段：PLC和自身带有CPU的智能模块以及其他外部设备进行通信，完成数据的收发，响应编程器的命令，更新编程器显示的内容，更新时钟以及特殊寄存器的内容。在通信处理阶段，CPU检查有无通信任务，如果有则调用相应进程，完成与其他设备（例如，带微处理器的智能模块、远程I/O接口、编程器、HMI装置等）的通信处理，并对通信数据做相应处理。

（自诊断→输入采样→用户程序执行→输出刷新→）为一个扫描周期

输入采样阶段：扫描所有的输入端子并且将其的状态（0/1）存放到输入寄存器（PII）中。然后关闭输入通道，进行下一步程序。这种方式可靠性高，但是会有一定的时间延迟，在大型的项目中，由于时间的关系，可能会采取定期输入取样、直接输入取样、中断输入取样、智能I/O接口模块取样，用来提高速度。

用户程序执行阶段：此阶段中，数据从输入寄存器（PIQ）和内部元件寄存器（内部继电器、计数器、计时器）中，将有关元件的状态和数据取出，按照程序中的逻辑运算和算术运算，将结果写到输出映像寄存器和相关存储器中。所以，在PLC内部，内部元件寄存器的状态是一直在改变的。

输出处理阶段：程序执行完成后，把内部元件寄存器中的所有输出继电器状态在输出阶段一次性转存到输出锁存器中，经过隔离、驱动功率放大电路输送到输出端，并且外部PLC接线驱动实际负载。

输入输出滞后时间：该时间又称为系统响应时间，包括输入电路滤波时间、输出电路滞后时间、因扫描工作方式产生的滞后时间。PLC的响应延迟一般是几毫秒-几十毫秒，对于一般的系统没有影响。如果需要时间短的系统，我们可以采用扫描速度快的PLC或者采取中断等措施。

（1）输入电路滤波时间。主要是由于外部传入的信号可能存在噪音干扰、尖峰电压、外部抖动会影响我们的输入信号。所以使用RC滤波电路（利用电压源和电流源驱动电容和电阻组成的电路）和光耦合器（在输入侧采用光耦来切断内部与外部线路电气上的联系）来消除这些影响。滤波电路的时间常数决定了滤波时间的长短。

（2）输出模块电路滞后时间：与类型有关，继电器输出模块的滞后时间一般为10ms，双向晶闸管的滞后时间为1ms-10ms，晶体管的滞后时间为1ms以下。

（3）由扫描工作方式引起的滞后时间：最长可以达到2-3个扫描周期。

02 PLC的数据类型

03 二进制（BIN: BINARY NUMBER）

硬件内部的数据处理是按照二进制进行的

负数的处理，也是以二进制的补码来实现的

用途：内部处理

04 八进制（OCT:OCTAL NUMBER）

在三菱FX系列中，输入继电器、输出继电器的软元件编号都是X0~X7 Y010~Y017

用途：输出入继电器软元件编号

05 BCD码（BCD: BINARY CODE DECIMAL）

BCD码就是将10进制的数字，用二进制的形式表示出来，比方说10的BCD码就是 0001 0000

用途：BCD数字开关，7段码显示器

06 实数（浮点数数据）

在三菱FX系列中，采用二进制进行实数运算，采用10进制进行实数监控

字符串常数最多32位

字符长度位8位，所以 D100（16位）可以代表两个字符

字符串的数据，从指定的位置开始（D100或者M100开始都可以），当碰到OOH代码（也就是NULL代码，需要16位）的时候，表示字符串结束，如果没有碰到OOH或者只碰到一般，是不会检测到字符串结束的。

三菱FX系列中位的位数的指定（KnX0 ………）

位软元件的处理

像X Y S M 这些处理ON/OFF信息的软元件是位软元件

像T C D R 这些处理数值信息的软元件是字软元件

但是，我们的位软元件经过组合也可以当做字来使用。以位数Kn和起始软元件的编号的位数为4位单元，K1K4表示16位；K1k8表示32位

连续字的指定

子软元件的位指定（D100.E）

（位（BOOL）→字节（BYTE）→字（WORD）/整数（INT）→双字（DWORD）/双整数（DINT）/浮点数（REAL））

ASCII/字符串(STRING)

1个ttl电平信号为1位；8个位为一个字节；2个字节为1个字；2个字为1个双字。

位也就是BOOL，布尔型，范围为 0 / 1

字节的范围为 0—255；0-FF；相邻的8个为（0-7）（IB1=I1.0~I1.7）

字的范围为 0—65535；0000-FFFF；相邻的两个字节（IW2=IB2+IB3）

双字的范围为 0—2的32次方；00000000-FFFFFFFF；相邻的两个字（ID4=IW4+IW6=IB4+IB5+IB6+IB7）

寻址方式有按位寻址、按字节寻址、按字寻址、按双字寻址

按位寻址：I0.0 I0.1 I0.2 I1.5 I2.7 I2.8(错误)

按字节寻址：VB0 VB1 VB2 VB3… (间隔为1)

按字寻址：VW0 VW2 VW4 VW6 VW32…（间隔为2）

按双字寻址：VD0 VD4 VD8 VD32….(间隔为4)

西门子的数据存储类型是高字低位，怎么理解？

MD100

MW100MW102

MB100MB101MB102MB103

M100.7/6/5/4/3/2/1/0M101.7/6/5/4/3/2/1/0M102.7/6/5/4/3/2/1/0 M103.7/6/5/4/3/2/1/0

其中，M103.0就是高字节的低位；M100.7就是低字节的高位

三菱的数据存储类型是高字高位，怎么理解？（存储从右往左依次增大）

D100

D101D100

D101. F/E/D/C/B/A/9/8/7/6/5/4/3/2/1/0D100.F/E/D/C/B/A/9/8/7/6/5/4/3/2/1/0

其中，D101.F就是高字节的高位；D100.0就是低字节的低位

①立即寻址

②直接寻址

a)绝对地址

b)符号地址

③间接寻址

a)存储器间接寻址

i.16位指针（DB、T、C）

ii.32位指针（存储器间接寻址）

b)寄存器间接寻址

i.32位指针存储区内部寻址

ii.32位指针存储器交叉寻址

07 PLC的储存器类型（S7-200）

V存储器（变量存储器），一般用来存放逻辑的中间结果，很常见。

M存储器（标志存储器），一般用来标志。不常用。MB0-MB13 这14个字节存储

在EEPROM中永久保存，断电永久保持。

SM存储器（系统存储器）：在F1帮助中可以查看，或WIN中符号表中有S7-200指令

SM0.0：该位总是打开

SM0.1：首次扫描的时候打开，用于初始化程序。

SM0.5：时钟脉冲，0.5s闭合，0.5s打开。

L存储区（局部存储区）：V存储区为全局有效，而L存储区只是在局部有效。局部存储区需要CPU进行动态分配，当中断程序或者调用一个子程序的时候，CPU会分配局部存储器给中断程序或者子程序。另外，局部存储区在分配的时候需要进行初始化，因为给的数据是随机的。

AC寄存器（累加寄存器）：可以向子程序传递参数，储存计算的中间结果。S7-200中提供了4个32位累加器（AC0 AC1 AC2 AC3）。

话外：S7-300中的寄存器有：ACCUx累加寄存器 、 AR1/AR2地址寄存器、 数据块寄存器、状态字

S7-300中的存储区有：I/Q 输入输出过程映象区、M（位存储区）、T定时器、C计时器、PQ/PI 立即访问输出输入模块、 DB共享数据块、 DI 背景数据块、 L局部数据

08、PLC系统开发流程（距离实现电动机正反转）

（1）明确系统的控制要求

系统要求3个按钮控制正反转和停转，并且要求对电动机进行过载保护，另外正反转 自锁和互锁

（2）确定输入输出设备，并且为其分配相应的I/O端子

（3）绘制系统控制线路图

主电路、控制电路

（4）编写PLC控制程序

正转控制、反转控制、停转控制、过载保护

（5）程序调试

（6）安装系统控制线路，并且进行现场调试

程序调试好之后，现场调试。（硬件问题&&软件问题）

（7）系统投入运行

试用一段时间

09 STEP7中常数的表达方式

STEP7中常数值可以是字节、字、双字，CPU是使用二进制方式储存常数的。在STEP7中，常数也可以使用十进制、十六进制、ASCII码、浮点数等格式进行表示。

B#W16、W#16#、DW#16# 表示 16进制字节常数、16进制字常数、 16进制双字常数

2#表示二进制常数

L#表示32位双整数常数

P#表示地址指针常数

S5T#表示16位S5时间常数

T#表示带符号的32位IEC时间常数

DATE是ITC的时间常数

C#表示16位计数器常数（BCD码）

ASCII字符使用单引号’’表示，每个ASCII码占用一个字节

输入常数的时候一定要使用英语的标点符号。

（内容来源网络，版权归原作者）

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