三相电动机控制的三级教学设计与探讨[5]

冯升同1，吴波2，郭立群2

（1.北京石油化工学院数理系；2.北京石油化工学院机械工程学院）

摘要：为提升应用型人才的创新能力，在工程训练教学实践中对传统的继电器-接触器控制电动机的实训项目进行改革。顺应当今可编程控制器的发展趋势，利用PLC实施电动机控制，并比较两种控制系统的优点和特点。在此基础上，采用固态继电器以及触摸屏实施电动机控制，开发出了直观、简单、可靠的触摸屏控制系统。建立三个阶段的实训过程，既让学生掌握了基本的控制系统，也让学生了解到当前自动化控制的发展动向，提高了对实训项目的兴趣，开拓了学生的视野，培养了学生的工程实践能力。通过几年来的教学实践表明，此项教学改革受到学生欢迎，达到一定的教学目的。

关键词：电动机控制；PLC；固态继电器；触摸屏；本科教学改革

引言

三相异步电动机的控制是电工实训课程的重要内容之一，包括接触器、继电器、熔断器、主令电器的熟悉和使用，以及电动机的正反转控制、顺序控制。多年来，电工实验室在实施电动机控制实训项目时，一直采用传统的继电器-接触器控制系统。该系统简单、经济、成本低，适用于动作比较简单、控制规模较小的场合，至今还在一些中小企业广泛使用。但在动作复杂、制造精密、实时网络通信的现代化企业里，该系统暴露出了明显的缺点：体积庞大，耗电量高，接线复杂，可靠性差，维修困难。随着信息技术和仪器的飞速发展，在计算机技术基础上发展起来的PLC等控制器以及生产工艺愈益成熟、性能愈益完善的半导体继电器、传感器给传统的自动化控制领域带来深刻的变化。作为一个世界上举足轻重的“工业制造大国”，我国既有“高、精、尖”的如航空、航天、高铁等制造和控制技术，又有大量分布在各级城市乡镇的比较落后的、但还在使用的生产设备。因此，未来一段时间，在自动化控制领域，利用先进的控制设备和技术改造落后的生产设备和方式，是一项大有可为的有意义的生产活动。为了适应这一时代变化，电动机控制实训项目也与时俱进，要求学生利用传统的继电器-接触器控制系统完成电动机的正反转控制、顺序控制，以实现对基本控制理论的理解和掌握。完成教学要求后，要求学生利用PLC和固态继电器对继电器-接触器控制系统进行改造，实现以上功能。最后，要求学生利用PLC、固态继电器以及触摸屏对电动机实施控制。按照“循序渐进、由浅入深、由传统到革新”的原则，通过连续的三阶段实训过程，既让学生掌握基本的自动化控制系统，熟悉常用的各种低压电器，也让学生了解到PLC的产生背景和优点，并体会到我国传统的继电器-接触器控制系统与先进的可编程控制系统广泛并存的国情。除此之外，通过传统的人工操作到直观形象的人机交互界面，激发了学生参与电动机控制实训项目的兴趣，培养了学生善于发现、追踪市场上刚刚出现的新仪器、新技术的良好习惯和作风。

1　继电器-接触器控制系统

1.1　电动机正反转控制电路

在实验车间学生设计的继电器-接触器控制系统的电路一般如图1所示。整个电路由主回路和控制回路两大部分组成。主回路通过两个继电器KM1、KM2的接通和断开实现电动机的正反转控制。在控制回路中，按下SB1，KM1线圈得电，KM1吸合，电动机正传；按下SB2，KM2吸合，电动机反传。由于SB1、SB2的常闭触点和KM1、KM2的辅助触点串接在相对的支路上，因此控制回路实现了电气和机械双重互锁，确保避免电机不受控制或由于误操作导致电源短路等故障。

1.2　顺序控制电路

在实际生产中，不仅要求生产机械在按钮控制下实现往返运动，还要求在一定范围内能够完成自动循环或半自动循环。有时，还必须考虑到多台机械的启动顺序，因此在实训过程中，贯彻因材施教的原则，针对电气类专业的学生，可以在此基础上加行程开关，实现电动机的自动循环或半自动循环；加第二台电动机或第三台电动机以及时间继电器，实现电动机的顺序控制。

2　PLC控制系统

2.1　PLC控制电路的正反转

完成了继电器-接触器控制电动机的实训后，要求学生自行查阅有关PLC的发展历史以及对三相异步电动机进行控制的基本电路等资料，然后在老师辅导下在电工车间完成PLC控制系统的设计、组装和操作。如图2所示，是一般同学能查阅和设计的PLC控制的电动机正反转系统。本系统使用西门子S7-300 PLC。在传统的继电器-接触器控制系统中，使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于器件的固有缺点，如器件老化、接触不良、触点抖动等现象，大大降低了系统的可靠性。而在PLC控制系统中大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，因此故障大大减少。而且PLC本身有大量的中间继电器和定时器、计数器，使整个系统安装简单紧凑，维修方便，抗干扰能力强，可靠性高。另外，基于PLC的梯形图与继电器原理很相似，直观易懂，非常适合一般工程技术人员和施工工人设计、阅读。要求学生借鉴继电器-接触器系统中的设计方法，设计出“正转-停-反转”梯形图语言，体会PLC控制的优越之处。

2.2　三相固态继电器和PLC相结合的控制电路

（1）三相交流固态继电器控制电路

可以看到，采用 PLC 控制系统后，外部电路还保留了部分接触器、继电器，且这些接触器、继电器的控制电源是220V交流或380V交流，而 PLC 为晶体管输出型，输出单元允许所带负载工作电源为12～ 24VDC， 无法直接驱动交流接触器，只能先驱动12～24VDC 的中间继电器，再用中间继电器来驱动380VAC的负载。这样就会使得外部接线变得烦琐，而且由于传统的交流接触器为电磁式开关，其机械触点的寿命及可靠性与PLC 控制系统相差甚远，较大地阻碍了控制系统性能的发挥。因此像这类的负载，我们需要选择一种更为合适的继电器来充当其受控的开关器件。随着光电子元器件的发展，目前越来越多的固态继电器代替了电磁继电器或接触器。固态继电器SSR（Solid State Relay），代替传统的电磁式继电器，实现对单相或三相电动机正反转控制，具有无触点、无动作噪声、开关速度快、无火花干扰和可靠性高等优点，是一种很有发展前途的无触点开关器件。由三相交流固态继电器组成的三相交流电动机正反转控制电路如图3所示，需要2个3AC-SSR，工作原理与继电器-接触器控制系统中的KM1和KM2非常相似。在PLC控制下，给出正反转控制信号，同时要注意设置正反转信号延时。采用固态继电器后，省去了电磁接触器，电路变得更简单，控制起来也可靠，发挥了PLC的输出性能。

（2）智能型固态继电器控制电路

智能型三相交流正反转固态继电器控制电路如图 4 所示。智能型三相交流正反转固态继电器把整个三相电动机正反转控制电路封在一个模块内，只要在 Q4.0 或 Q4.1 输出开关信号，就可以实现正转或反转控制，控制电路得到进一步简化。

3　PLC和触摸屏

完成了电动机控制实训的前两个阶段后，通过比较继电器-接触器控制系统与PLC控制系统的相似点与不同点，学生已经比较深刻地体会到 PLC 作为现代化控制领域的核心部件，能够为传统的自动化控制带来影响深远的变革。实训的最后一个阶段，采用工程认知的授课方式，在 PLC 系统加入触摸屏控制。触摸屏作为一种新型的人机界面，是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。本系统采用台达触摸屏，通过RS-232数据线与PLC通信。有了触摸屏后，外部电路不再需要正反转按钮SB1、SB2和停止按钮SB3，触摸屏幕上的按钮SB1、SB2、SB3可以用PLC的中间继电器表示，节省下来的I0.0、I0.1等宝贵的输入接口资源可作他用。触摸屏的画面如图5所示。该系统可以实现电动机的正反转控制、顺序控制，实现行程控制以及自动循环、半自动循环。该系统和继电器-接触器系统相比，省去了机械按钮、电磁接触器、时间继电器，而人机交互界面更加直观形象，操作简单、快捷、可靠。

4　结论

在实现电动机控制的实训项目中，要求学生从继电器-接触器系统开始，掌握基本的继电器-接触器控制系统和各种低压电器，学会设计原理图和布线安装图。在此基础上，引入PLC和固态继电器控制，最后采用触摸屏控制。通过三个阶段的实训教学，引导学生去发现，在采用了新仪器、新技术、新方法后，原来需要耗时耗力的传统的电动机控制系统可升级为人机交互、操作简单、快捷、可靠的现代控制系统，实训项目变得简单易行，从而开拓了学生的视野，培养了他们学习、跟踪新仪器、新技术、新方法的兴趣，也培养了理论紧密联系实际的优良作风，提升了创新能力。

参考文献

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