毕业设计（论文）-基于PLC的三相异步电动机设计.doc

唐山工业职业技术学院唐山工业职业技术学院毕业论文基于PLC的三相异步电动机设计作者姓名： 专业班级 学 号 指导教师 成 绩 2011年 月摘 要 PLC是“Programmable Logic Controller(可编程序逻辑控制器)”的英文缩写,是采用微电脑技术制造的自动控制设备。它以顺序控制为主,回路调节为辅,能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。PLC在三相异步电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。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，适合于当前工业企业对自动化的需要。本文设计了三相异步电动机的PLC控制电路，该电路主要以性能稳定、简单实用为目的。关键词：PLC，编程语言，三相异步电机，继电器AbstractPLC Programmable Controller is questions (Programmable Logic Controller), is the abbreviation of microcomputer technology manufacturing automatic control equipment. It with sequence control is given priority to, loop adjustment is complementary, can finish logic, timing, memory and arithmetic operations, and other functions. PLC in three-phase asynchronous motor control application, compared with the traditional relay control, has control of speed, high reliability and flexibility, the perfect function etc. Long-term since, PLC is always in the industrial automation control field, igge for various automatic control equipment provides a very reliable control applications. It can provide security for automation control application reliable and comparatively perfect solutions, suitable for the current industrial enterprise of automation needs. This paper introduces the design of three-phase asynchronous motor, the PLC control circuit, this circuit mainly stable performance, simple and practical for the purpose. Keywords: PLC, programming languages, three-phase asynchronous motor, relays 第1章 绪论.11.1 可编程控制器的概述. 11.2 PLC的分类11.3 PLC的选型3第2章 可编程控制器的硬件和工作原理.42.1 PLC的基本结构. 42.2 可编程控制器的物理结构. 62.3 开关量I/O模块的外部接线方式. 62.4 输入模块. 72.5 输出模块.92.6 本地I/O和远程I/O.10第3章 控制系统设计.123.1 操作线路图 .123.2 控制电路电器元件表 .123.3 操作步骤 .123.4 梯形图及程序 .133.5 控制面板的设计 .143.6 PLC输入/输出接线图 .14结束语.15 致谢.16参考文献. . 17第1章 绪论1.1 可编程控制器的概述可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪70-80年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC;加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势。在80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度，总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。1.2 PLC的分类国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿元人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品: (1) 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；(2) 罗克韦尔公司(包括AB公司)PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；(3) 西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；(4) GE公司的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。 从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS(计算机集成制造系统)，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。 PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为：* 微型PLC: 32 I/O* 小型PLC: 256 I/O * 中型PLC: 1024 I/O * 大型PLC: 4096 I/O * 巨型PLC: 8195 I/O 近年来有单机支持300回路和65000点I/O的大型系统对应中型PLC以上，均采用16位32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位32位CPU。由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC应多加研究。1.3 PLC的选型原来的试验装置是由继电器来控制三相异步电动机来实现点动、顺序启动、正反转、顺序延时启动等动作，为了克服继电器的缺点，提高装置的利用率，我们改用可编程控制器来控制三相异步电动机。根据这套装置的控制对象，来确定可编程控制器的输入/输出（I/O）点数这套装置的输入点为4个，输出为2个考虑还应留一定的余量，为了后面的方便，选用总输入输出（IO）点数为20个其次从输入输出电压考虑，由于这套装置输入端要接继电器线圈，让它来控制点击的动作，确保三相异步电动机能正常工作，所以输出电压作为可编程控制的一个重要依据。再次集合产品质量，价格性能等综合考虑，决定选用三菱的FX1S系统中的200MR.。第2章 可编程控制器的工作原理PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板;如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板;另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商(代理商)、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。 PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.10.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。它是一个数字采样控制系统。为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。2.1 PLC的基本结构可编程控制器的主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成如图2.1所示。图2.1 PLC控制系统示意图（1）CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成，在可编程控制器系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输。存储器用来储存程序和数据。（2）I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用接收和采集输入信号，输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拔码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化 的模拟量输入/输出信号电压一般较高，如直流24V 和交流220V。从外部引入的尖锐电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使用权可编程控制器不能正常工作。在I/O模块中，用光电耦合器，光电可控硅、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。（3）编程器编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程控制器运行中各种编程元件的工作状态 。编程器可以永久地连接在可编程控制器上，将编程取下来后系统也可以运行。一般只在程序逻辑输入、调试和检修时使用编程器，一台编程器可供多台编程序控制器公用。（4）电源可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电源。可编程控制器内部的直流稳压电源为各模块内的电路供电，某些可编程控制器可以输入电路和外部电子检测装置（如接近开关）提供24V真流电源，驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。2.2 可编程控制器的物理结构根据硬件结构的不同，可以将可编程控制器分整体式、模块式和叠装式。（1） 整体式可编程序控制器整体式又叫做单元式或箱体式CUP模块、I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，结构非常紧凑，它的体积小，价格低，小型可编程序控制器一般采用整体式结构。图2.2中示出三菱公司的F1系列整体式可编程序控制器，上面是编程器，后面的小开头是模拟调试用户程序用的。整体式可编程序控制器提供多种不同I/O点数的基本元和扩展单元供用户选用，基本单元内有CPU模块，I/O模块和电源，扩展单元内只有I/O模块和电源，基本单元之间用扁平电缆连接。各单元的输入点与输出点的比例一般是固定的，有的可编程序控制器有全输入型和全输出型的扩展单元。选择不同的基本单和扩展单元，可以满足用户的不同要求。整体式可编程控制器一般配备有许多专用的特殊功能单元 ，如模拟量I/O单元、位置控制单元、数据输入输出单元等，使可编程控制器的功能得到扩展。图2.2 可编程控制器2.3 开关量I/O模块的外部接线方式开关量I/O模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V，12V，24V，48V，110V和交流110V，220V等。各I/O点的通/断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上，某些模块使用可拆装的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数很多的高密度I/O模块的外部接线一般用插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。开关量I/O模块的点数一般是2的n次方，如4，8，16，32，64点。I/O模块的外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式三种如图2.3所示。图 2.3 I/O模块汇点式模块的各I/O电路有一个公共点，所有I/O点共用一个电源。分组式模块的I/O点分为若干个组，每一组的各I/O电路有一个公共点，它们共用一个电源。各组之间是分隔开的，可分别使用不同的电源。分隔式模块的各I/O点之间相互隔离，每一I/O点都可以使用单独的电源，将它们的COM端连接起来，几点可以使用同一个电源。2.4 输入模块输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为1020ms（信号上升沿）和2050ms(信号下降沿)，输入电流约510mA。图2.4 直流输入模块图2.4是某直流输入模块的内部电路和外部接线图。在本节输入电路和输出电路中一般只画出了一路，COM是各路的公共点。图中的输入触点直接在公共点和输入端X001之间，不需要外接输入回路的电源，有的可编程序控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V电源（见图2.6）。当图2.6中的外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光电耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部电路传送给CPU模块。开关量输入模块外接电子传感器的输出信号时，应注意传感器的输出电路与可编程序控制器输入电路的配合，对于图2.6中输入模块的内部电路，传感器的输出电路应为NPN管集电极开路的共发射极电路。图2.5是另一种交流输入电路，光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的，所以这个电路可以接收外部的交流输入电压。图2.6所示的交流/直流输入电路的输入触点的接通后，输入信号被滤波和整流，交流电压或直流电压被转换为直流电流，送给显示用的发光二极管和光电耦合器。图2.5 交流输入电路 图2.6 交流/直流输入电路2.5 输出模块输出模块内可能设置有熔断器，并在模块面板上用发光二极管显示熔断的状态。某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。图2.7(a)是继电器输出电路，继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除断开时产生的电弧。图2.7（b）是晶体管集电极输出电路。输出信号送给内部电路中的输出储存器，再经光电耦合器送给输出晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管，晶体管输出电路的延迟时间1ms。c) 双向可控硅型图2.7 PLC的输出电路图2.7（c）是双向可控制硅输出电路，它用光电可控硅实现隔离。图中的 RC电路和压敏电阻，用来抑制可控硅的关断过电压和外部的浪涌电压。双向可控硅由关断变为导通的延迟时间小于1ms，由导通变为关断的延迟时间小于10ms。可控硅在负载电流过小不能导通，遇到这种情况时可以在负载两端并用电阻。除了输入模块和输出模块，还有一种既有输入电路又有输出电路的模块，输入、输出的点数一般相同，这种模块使用户确定可编程序控制器、的硬件配置更为方便。2.6 本地I/O和远程I/O1.本地I/O可编程序控制器的本地I/O框架一般距CPU框架很近，它们往往装在同一个控制柜内。对于单台机械设备，如中小型机床，一般只有本地I/O。本地I/O用多芯电缆（一般是扁平电缆）实现扩展I/O框架与CPU框架之间的通信。扁平电缆可能多达数十根导线，信息是并行传送的，这种通信方式实际上是总线通信的扩展，其主要优点是数据传输速度快，在某些情况下可以同步地刷新CPU模块中的I/O映象表。“本地“(Local)这一名词不是很确切的，因为有时本地I/O与CPU模块的距离可能长达数百m。本地I/O模块的主要特征是框架之间采用并行通信方式，通常用编程器可以直接对本地I/O存取数据，对系统调试和查错特别方便。但是多芯电缆价格很贵，对于改造旧设备，电缆的安装（如穿管）可能不是很方便。2.远程I/O远程I/O模块包括一系列的功能模块、系统接口模块和中文组态软件，即可独立构成完整的工控系统，又可作为DCS、PLC系统的远程I/O模块使用，构成功能更强大的测控系统。产品广泛应用于发电厂的热工自动化改造和热网供热计量监视系统。产品特点：低价格、免维护、一线网络、10公里通讯距离、分布式安装。 一线网络：一线通模块产品采用全新的CAN现场总线网络，以一根普通双绞线为通讯介质，最远通讯距离10公里，不需任何网络设置，只需将所有一线通模块挂接在双绞线上，即自动构成一线网络系统。模块类型包括AI类、AO类、DI类和DO类等，每种类型的模块最多可挂接63个。一线通模块可安装在工业现场附近，就近采集现场数据，通过一线网络传输数据，节省大量信号电缆，实现万点数据一线连通。独立应用：一线通网络通过PC-BUS模块可以连接多台上位主机，构成完整的测控系统。中文组态软件运行于WIN98/NT平台，轻松构成美观逼真的人机界面，实时趋势、历史曲线一应俱全，具有历史报警和各类报表输出，同时还可通过INTERNET、INTRANET在远程IE浏览器上浏览。第3章 控制系统设计 3.1 操作线路图 图3.1 异步电动机顺序启动操作线路图M1电动机先启动，M2才能启动，M2并能单独运行，两台电动机共同控制，顺序启动，这种电路常用语机床控制电路中，如：龙门刨床工作台移动时，导轨内须有足够的润油：铣床的主转轴旋转后，工作台方可移动等。3.2 控制电路电器元件表表3.2给出了控制电路电器元件表。表3.2 控制电路电器表代号名称型号规则代号名称型号规则M交流电动机Y801-2KM交流接触器CJ20-10QS组合开关HZ10-25FU熔断器RL1-15SB按钮LA10-3KFR热继电器JRS16-103.3 操作步骤（1）启动按下按钮SB2接触器KM1线圈获电接触器KM1主触头闭合KM1自锁触头闭合电动机M1转动；按下按钮SB4接触器KM2线圈获电接触器KM2主触有闭合KM2自锁触头闭合电动机M2转动电动机M1继续转动。（2）停止按下按钮SBI接触器KM1线圈是失电KM1主触头断开自锁触头断开电动机M1断开电动机M2继续转动；按下按钮SB3接触器KM2线圈失电KM1主触头断开KM1自锁触头断开电动机M1停止。注意观察电动机的启动时各个接触器的动作情况，两台电动机不要接反相。3.4 梯形图及程序图3.2 梯形图程序：LD XO；OR YO ；ANI X2；OUT Y1；OUT TO； K50；LD TO；OR Y1；ANI X2；ANI X1；3.5 控制面板的设计主要考虑可编程控制器（PLC）的尺寸，以及定位要求，还有我们所用的输入输出端子。由于可编程控制器的安装要求，书名数上已经作出要求，定位尺寸也给出。我们主要考虑的是输入/输出端子。由于我们的输入按钮为5个，输出为3个，按钮的直径为12.5，所以设计控制面板的长度为300，宽度为200。图3.3为控制面板的示意图。图3.3 控制面板示意图3.6 PLC输入/输出接线图图3.4 PLC输入/输出接线图结束语可变成控制器PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用等使我深入了解PLC在工业生产过程中的应用以及对包生产设备的改造，以提高生产效率的重大作用，我所设计