基于三菱FX2N单片机的三相异步电机星三角启动课程设计.doc

专业课课程设计题 目: 基于三菱FX2N单片机的三相电机星三角启动 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 电气F1102 学生姓名： 任 飞 学 号： 201123910515 指导教师： 教师职称： 评语及成绩：指导教师：日 期：2目 录1 课题简介11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状11.3 本课题研究内容12 系统总体设计方案22.1 设计方案论证22.1.1 单片机控制22.1.2工控机控制32.1.3 PLC控制32.2 系统结构及主要参数确定42.2.1 电机参数确定52.2.2 其他电气元件参数确定52.2.3 PLC选型53 软硬件电路设计与调试63.1 硬件电路设计63.1.1 三相异步电机Y-启动主接线63.2 软件电路设计73.2.1 I/O分配表73.2.2 PLC控制梯形图设计83.3 软硬件电路调试83.4 调试结果分析10结论11参 考 文 献12131 课题简介1.1 课题研究背景三相异步电动机直接启动控制线路简单、经济，但是容易受到电源容量的限制。当电动机容量较大，启动时候会产生较大的启动电流，引起电网电压的下降，因此必须采用降压启动的方法，限制启动电流。Y-降压启动则是常用的限制启动电流的控制线路。在传统的Y-启动控制线路中，采用继电器-接触器控制系统，该系统采用大量的低压电器，如接触器，时间继电器等，虽然成本较低，但是可靠性较差，查找和排除故障困难，如果产品需要更新、生产工艺需要变化时，控制单元的元件和接线也须做相应的变动。这种变动工作量大，工期长，费用高，因此，传统的继电器-接触器控制已不能适应现代工业自动化的高标准，严要求。1.2 国内外研究现状在当今科学技术飞速发展的时代，人工控制的低效率高出错率显然不能满足生产的需要，因此各种自动化控制技术逐步走上舞台。在三相电机的启动控制中单片机控制，工控机控制，PLC控制等被广泛应用。由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展的日新月异，它不但可以很容易的完成逻辑，顺序，定时，计数，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关系，从而实现生产过程的自动化控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息，网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通信能力，从而更广泛的运用于众多行业。1.3 本课题研究内容三相异步电机的Y-启动主电路和控制电路如下，选用合适的自动控制技术控制电机运行。2 系统总体设计方案2.1 设计方案论证 电机的控制方式主要有以下三种：单片机控制，工控机控制，PLC控制等。它们均能较高自动化水平实现控制任务，但各有优缺点。2.1.1 单片机控制单片机系统，是嵌入式控制系统的主要组成部分，单片机系统由不同的硬件和软件系统组成。其主要特点有： （1 ）控制功能更加强大，通过芯片级进行扩展，可以完成几乎所有现场控制功能。由于单片机已属于计算机系列，通过硬件设计和软件编程使得工业现场检测与控制更加灵活，更加实用，能够完成更加复杂的功能。随着单片机在自身硬件设计和指令上的进步，单片机会应用到更加广泛的智能化设备中。 （2）体积小，占用空间小，易于嵌入。由于单片机硬件是由集成电路板（PCB）和芯片等构成，体积小，在仪器、仪表、便携式装置中应用广泛；由于在设计或改造设备时嵌入便利，又在大中型设备的自动化控制中拥有很强的竞争力。 （3）实时性好，运行速度快。单片机系统一般采用汇编语言或C语言进行编程， 代码执行速度快，效率高。（4）使用简单，一般可以通过按键来进行操作，显示方式则有数码管或液晶屏等。 （5）生产成本低，通用性差，设计难度大，开发周期长。从单片机硬件组成来说，是由各种芯片、分立元件和PCB板组成的，成本较低。但是在硬件和软件设计方面，又有极强的针对性，使得通用性差，且设计难度增加，开发试验周期长，不仅要保证所要达到的功能，而且要求性能稳定。 （6）故障查找较难，可维护性差。当单片机系统发生故障时，软硬件故障都较难查找，维护性差。2.1.2工控机控制工控机控制系统，是以微型计算机为主要载体，加上有关控制板卡或模块实现功能扩展，完成控制功能的控制系统。有以下特点： （1）界面丰富友好，可视化强，易于操作。由于工控机是由完整的内外部设备构成的，在功能上与个人PC无异，所以可以有各种各样的可视化界面，操作者也可以通过各种输入和输出设备进行控制、显示、打印、存储和传输。（2）设计平台多，程序语言多，可移植性好，便于设计人员进行设计。工控机已经是一个具有完整操作系统的微机，各种设计软件、应用程序都可以使用，大大方便了设计人员的选择和运用。（3）可以实现联网、组态及远程控制与访问。在网络化的时代，从局域网到互联网，网络功能不断强大，工控机或工控机作为上位机易于联网，便于组态，可以完成一个或若干个工厂、办公楼、公司中设备设施的全面控制与监测。 （4）相对成本较高，开发周期长，投资较大，使用者需要有一定的微机基础。2.1.3 PLC控制PLC又称可编程序控制器，是随着工业现场控制要求的提高不断发展起来的，是在继电器控制系统基础上发展起来的，有很强的工业化色彩，同时也是单片机控制系统的一个产品。PLC由最初的顺序控制而不断发展，通过组合不同的模块，完成各种各样的功能，如模拟量输入输出，伺服控制，上位机通讯等等。特点主要有： （1）可以完成基本的继电器逻辑电路控制系统，且具有体积小、控制量大、具有无触点开关等特点，完全可以代替现有继电器系统，实现直接对电气元件的控制。 （2）故障率低，坚固耐用。由于PLC是由集成电路及微型继电器等构成的，结构紧凑且相对封闭，产品定型后自身一般不易发生故障，坚固耐用。 （3）故障查找容易，电路更改简单。PLC的各输入输出口的状态均由发光二极管加以指示，在调试或查找故障时，可以通过状态指示灯查找外围电路的故障，而在与上位机联机后，加上相应的编程软件，使得故障查找（包括外围及内部电路）更加容易，对电路进行更改时，仅通过编程就可以实现，简单方便。 （4）功能强大丰富，可与上位机及触摸屏等进行联机通讯。PLC发展到现在，基本可以实现其他控制手段中的大部分功能，通过安装相应的模块例如通讯模块、模拟量模块、定位模块等完成许多功能，并且拥有各种与上位机通讯的功能，以保证互联互通，延伸出可视化功能。 （5）使用简单，对操作人员要求低。一般来说，PLC仅通过按钮或触摸键就可以进行控制，操作简便。 （6）编程简单，开发周期短，通用性好，生产成本较高。PLC程序设计一般使用语句表和梯形图，较为简单，通过改变程序可以适用于不同的应用场合，但PLC整机及模块价格较高鉴于电机一般都在较差环境中运行，且要求控制设备体积小、运行可靠、操作使用简单、易于扩展和检修，因此优先选用PLC控制。2.2 系统结构及主要参数确定系统结构图如下：定时器T0控制信号PLC继电器KM启动信号SB2停止信号SB1检测KM触点继电器KMY继电器KM三相异步电机检测KM触点 2.2.1 电机参数确定由西安电机厂经销处的网址查阅得知Y200L-4电机的具体参数如下： 型 号额定 功率额定 电流转速效率功率 因数堵转转矩/额定转矩堵转电流/额定电流最大 转矩/额定转矩噪声振动速度重量1级2级KwAr/min%COS倍倍倍db(A)mm/skgY200L-43056.8147092.20.87272.279841.8253 查阅资料可知：定子绕组Y形接法时线路电流只有接法时线路电流的 1/3 倍; 定子绕组接法时绕组内的电流为线路电流的 倍。2.2.2 其他电气元件参数确定空气开关(QK)正泰断路器158-125 2P 100A 正泰空气开关 DZ158 100A 2P主接触器KM交流接触器32A（LC1） CJX2-3210 380V 银点接触器KM交流接触器32A（LC1） CJX2-3210 380V 银点接触器KMY交流CJX2接触器25A（LC1）CJX2-2510 380V 银点热继电器FR正泰热继电器JR36-20/3.2A熔断器FU1MRO茗熔RGS11 CR2L GSB 380V 100A螺栓连接式熔断体快速熔断器 熔断器FU2RL1-15螺旋式熔断器 熔断体380V2A陶瓷保险丝2.2.3 PLC选型本文设计系统共包括7路开关量，3输入4输出，考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。由于本设计的需要我选择了日本三菱公司的FN2N系列PLC，既FN2N-14MR-001。FN2N-14MR-001是超小型PLC，之所以选择三菱公司生产的PLC，是因为其产品特点有以下三个特点： （1）丰富的指令系统，有将近200条指令。 （2）有强大通信功能。 （3）CPU处理速度快。3 软硬件电路设计与调试 3.1 硬件电路设计3.1.1 三相异步电机Y-启动主接线图 3.1.1三相异步电机Y-启动主接线3.1.2 三相异步电机Y-启动plc 接线图3.1.2 三相异步电机Y-启动plc 接线3.2 软件电路设计3.2.1 I/O分配表输入点分配输出点分配停止开关SB1X0继电器KM线圈Y0启动开关SB2X1继电器KMY线圈Y1接触器KM动合触点X2继电器KM线圈Y2接触器KM动合触点X3表3.2.1 I/O分配表3.2.2 PLC控制梯形图设计图3.2.2 三相电机Y-启动PLC控制梯形图3.3 软硬件电路调试在已经安装好的GX-developer软件中建立工程文件，并编辑输入梯形图如上图3.2.2，为了便于调试，这里使用GX-simulator进行PLC模拟调试。在“工具”选项下启动“梯形图逻辑测试启动”，在PLC写入完毕后，启动如下“继电器内存监视”，这里我们监视X与Y的逻辑变化情况。单击右键选择“软元件测试”，强制打开X2模拟主回路接通，将X1强制开启接着强制关闭，模拟电机控制回路启动按钮按下状态可以看到此时继电器Y0 、Y1得电，电机此时按Y型接线方式启动，时间计数器T0开始计数， 5秒后Y2启动，此时电机从Y型接线变为接线正常运行。当将X0强制开启/强制关闭，模拟按下电机停止按钮时，电机控制回路恢复原始状态，等待下一次启动。3.4 调试结果分析由于启动和停止按钮的均为点触，在接线图中不用设置互锁，只需将Y0自锁。将接触器KM和KM触点与开始按钮关闭按钮串联作为电机开始启动的条件，其目的是为防止电机出现三角形直接全压启动。因为，若当接触器KM发生故障时，如主触点烧死或衔铁卡死打不开时，PLC的输入端的KM三角形动合触点闭合，也就使输入继电器X3处于导通状态，其动断触点断开状态，这时即使按下启动按钮SB2（X1闭合），输出Y0也不会导通，作为负载的KM1就无法通电动作。通过调试可知本设计可以完成PLC控制异步电机Y-降压启动的全过程，在按下启动按钮之后如果继电器正常，则电机按照Y型接线启动，5秒后电机达到一定转速，自动改为型接线进行正常运行。结论PLC在工业自动化控制领域中占据重要地位，为形式多样的自动化控制设备提供了可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前工业企业对自动化的需要。PLC在三相异步电机控制中的应用与传统继电器相比，具有速度快，可靠性高，灵活性强，功能完善等优点，同时又比其他工控设备扩展性好，操作和编程简单。本次设计的三相异步电机Y-启动的PLC控制，成功的完成了生产需要的三相电机降压启动和自动变更接线的正常启动的任务。通过本次电路的设计，我对三相异步电动机的PLC控制系统原理有了进一步的了解，在三相异步电动机的PLC