电气控制技术

PLC 在三相异步电动机控制中的应用 1 电气控制技术 课程论文 PLCPLC 在三相异步电动机控制中的应用在三相异步电动机控制中的应用 班级 工业工程四班 学号 姓名 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 2 摘要摘要 PLCPLC 在三相异步电动机控制的应用 与传统的继电器控制相比具有速度快 可靠性高 灵活性 强 功能完善等特点 长期以来 PLCPLC 始终处于自动化领域的主战场 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 它能为自动化控制应用提供安全可靠的和完善的解决方案 适合于 当前工业企业对自动化的需要 关键词关键词 PLCPLC 三相异步电动机 继电器 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 3 目录目录 前言 3 1 PLC 的定义 组成及工作原理 3 1 1 PLC 的定义 3 1 2 PLC 的组成 3 1 3 PLC 与继电器控制的区别 4 1 4 PLC 的工作原理 4 1 5 PLC 的广泛应用 6 2 三相异步电动机 7 2 1 三相异步电动的基本结构 7 2 1 1 定子 7 2 1 2 转子 7 2 2 三相异步电动机的工作原理 7 2 3 三相异步电动机的工作过程 8 2 3 1 三相异步电动机的启动 8 3 三相异步电动机由 PLC 控制的总体设计 8 3 1 系统结构 8 3 2 三相异步电动机的正反转控制 9 3 3 两台电动机顺序启动连锁控制 11 3 4 三相异步电动机使用 PLC 控制的优点 12 结论 13 参考文献 14 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 4 前言前言 三相异步电动机的应用几乎涵盖了农业生产和人类生活各领域 在这些应用领域 中 三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下 导致产生过流 短路 断相 绝缘老 化等事故 对于应用于大型工业设备重要场合高压电动机 大功率电动机来说 一旦 发生事故所造成的损失无法估量 再生产过程 科学研究和其他产业领域中 电气控制技术应用非常广泛 在机械 设备的控制中 电气控制也比其他的控制使用的更为普遍 可编程控制器 PLCPLC 是集计算机技术 自动控制技术 通信技术为一体的新型装 置 其性能优越 已被广泛应用于工业控制的各领域 并成为工业自动化的三大支柱 PLCPLC 工业机器人 CAD CAMCAD CAM 之一 本系统的控制语言是采用 PLCPLC 的编程语言 梯形语言 梯形语言是在可编程控 制器中的应用最广的语言 其在继电器基础上加进了许多功能 使用灵活的指令 使 逻辑关系清晰直观 编程容易 可读性强 所实现的功能大大超过传统的继电气控制 电路 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 它是专为恶劣工作环境下而设 计 它采用可编程的储存器 用来在内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数 和算术等操作的指令 并采用数字式 模拟式的输入和输出 控制各种的机械和生产 过程 长期以来 PLCPLC 始终处于自动化领域的主战场 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 它能为自动化控制应用提供安全可靠的和完善的解决方案 适合于当前工业企业对自动化的需要 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 PLCPLC 的功能 使它具有很强的网通通讯能力 从而更广泛的 运用于众多行业 1 1 PLCPLC 的定义 组成及工作原理的定义 组成及工作原理 1 1 PLC 的定义 可编程控制器 PLC 是一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境而设计 它采用了可编程的储存器 用来在其内部的存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计 数和算术等操作的指令 并通过数字式和模拟的输入和输出控制各种类型机械的生产 过程 1 2 PLC 的组成 可编程控制器专为工业环境下而设计的工业计算机 它的基本结构与一般计算 机相 了更便于 维护 扩充其功能 提高系统的抗干扰能力 其机构组成又与一般 计算机有所区别 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 5 PLCPLC 系统通常由基本单元 扩展单元 扩展模块及特殊模块组成 1 11 1 可调编程控制器的可调编程控制器的 CPUCPU 基本机构基本机构 1 21 2 可调编程控制器的基本机构可调编程控制器的基本机构 基本单元内设 CPUCPU 存储器 I I O O 和电源等 时 PLC 的主要部分 可独立工作 扩 展单元内设电源 用于扩展 I I O O 点数 扩展模块用于增加 I I O O 点数和 I I O O 点数比例 内无电源 由基本单元和扩展单元供电 扩展单元 扩展模块内无 CPUCPU 需要和基本单 元一起才能工作 特殊功能单元是一些特殊用途的装置 1 3 PLC 与继电器控制的区别 1 1 控制方式控制方式 继电器的控制是采用硬件接线实现的 是利用继电器机械触电的串联 或并联延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑 只能完成既定的逻辑控制 PLCPLC 采 用存储逻辑 其控制逻辑是以程序方式存储在内存中 只要改变控制逻辑 只需改变 程序即可 2 2 控制速度控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制 工作效率低 机械 触电有抖动现象 PLCPLC 是由程序指令控制半导体电路来实现控制 速度快 严格同步 无抖动 3 3 延时控制延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作来实现延时控制 而时间继 电器定时精度不高 环境影响大 调整时间因素 PLCPLC 用半导体集成电路定时器 时钟 脉冲由晶体振荡器产生 精度高 调整时间方便 不受环境影响 1 4 PLC 工作原理 PLCPLC 通过循环扫描输入端口的状态 执行用户程序 实现控制任务 CPUCPU 在每个扫 描周期的开始扫描输入模块的信号状态 并将其状态送入输入映像寄存域 然后 根 据用户程序中的程序指令来处理传感器信号 并将处理结果送到输出映像寄存区域 在每个在扫描周期结束时 送入输出模块 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 6 每一次扫描所用的时间称为一个扫描周期 在一个扫描周期内 可编程序控制器 的工作过程分为三个阶段 1 1 输入采样输入采样 可编程序控制器把所有外部输入电路的接通 断开状态读入输入映像存储器 外界 的输入触点电路接通时 对应的输入映像寄存器为 I I 梯形图中对应的输入继电器 的常开触点接通 常闭触点断开外接的输入触点电路断开时 对应的输入映像寄存器 为 O O 梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开 常闭触点接通 需要注意的是 只有采样时刻 输入映像寄存器中的内容才与输入信号一致 而其他时间范围内输入 信号的变化是不会影响输入映像寄存器中的内容 输入信号的变化状态只能在下一个 扫描周期的输入处理阶段被读入 2 2 程序执行程序执行 在没有跳转指令时 CPUCPU 从第一条指令开始 逐条顺序地执行用户程序 指导用户 程序结束之处 并根据指令的要求执行相应的逻辑任务运算 运算的结果写入对应的 元件映像寄存器中 因此 各程序元件的映像寄存器的内容随着程序的执行而变化 3 3 输出刷新输出刷新 CPUCPU 将输出映像寄存器的 O O I I 状态传送到输出锁存器 阶梯图中某一输出 继电器的线圈 通电 时 对应的输出映像寄存器为 I I 状态 某一编程元件对应的 映像寄存器为 I I 状态时 称该编程元件为 ONON 映像寄存器为 O O 动态时 称该编 程元件为 OFFOFF 1 31 3 可编程控制器运行框图可编程控制器运行框图 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 7 1 5 PLC 的广泛应用 PLCPLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置 使其应用受到限制 但近几年来由于 微处理器芯片及有关元件价格大大下降 使 PLCPLC 成本下降 同时又由于 PLCPLC 的功能大 大增强 使 PLCPLC 的应用越来越广泛 广泛应用于钢铁 水泥 石油 化工 采矿 电 力 机械制造 汽车 造纸 纺织 环保等行业 PLCPLC 的应用主要通常可分为五种类型 1 顺序控制 这是 PLCPLC 应用最广泛的领域 用以取代传统的继电器顺序控制 PLCPLC 可应用于单机控制 多机群控 生产自动线控制等 如注塑机 印刷机械 订书机 械 切纸机械 组合机床 磨床 装配生产线 电镀流水线及电梯控制等 2 运动控制 PLCPLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电动机的单轴或多轴 位置控制模块 在多数情况下 PLCPLC 把描述目标位置的数据送给模块 其输出移动一轴 或数轴到目标位置 每个轴移动时 位置控制模块保持适当的速度和加速度 确保运 动平滑 相对来说 位置控制模块比计算机数值控制 CNCCNC 装置体积更小 价格更低 速 度更快 操作更方便 3 闭环过程控制 PLCPLC 能控制大量的物理参数 如温度 压力 速度和流量等 PIDPID Proportional Integral Derivative 模块的提供使 PLCPLC 具有闭环控制功能 即 一个具有 PIDPID 控制能力的 PLCPLC 可用于过程控制 当过程控制中某一个变量出现偏差时 PIDPID 控制算法会计算出正确的输出 把变量保持在设定值上 4 数据处理 在机械加工中 出现了把支持顺序控制的 PLCPLC 和计算机数值控制 CNCCNC 设备紧密结合的趋向 著名的日本 FANUC 公司推出的 System10System10 1111 1212 系列 已将 CNCCNC 控制功能作为 PLCPLC 的一部分 为了实现 PLCPLC 和 CNCCNC 设备之间内部数据自由传 递 该公司采用了窗口软件 通过窗口软件 用户可以独自编程 由 PLCPLC 送至 CNCCNC 设 备使用 美国 CE 公司的 CNCCNC 设备新机种也同样使用了具有数据处理的 PLCPLC 东芝的 TOSNUC600 也将 CNCCNC 和 PLCPLC 组合在一起 预计今后几年 CNCCNC 系统将变成以 PLCPLC 为主体的 控制和管理系统 5 通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化 FAFA 系统 柔性制 造系统 FMSFMS 及集散控制系统 DCSDCS 等发展的需要 必须发展 PLCPLC 之间 PLCPLC 和上级 计算机之间的通信功能 作为实时控制系统 不仅 PLCPLC 数据通信速率要求高 而且要 考虑出现停电 故障时的对策等 2 2 三相异步电动机 三相异步电动机 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 8 2 1 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由静止的定子和旋转的转子两个重要部分组成 定子和转子之间由 气隙分开 图 2 1 为三相异步电动机结构示意图 2 12 1 三相异步电动机结构示意图三相异步电动机结构示意图 2 1 12 1 1 定子定子 定子由定子铁心 定子绕组 机座和端盖等组成 机座的主要作用是用来支撑电 机各部件 因此应有足够的机械强度和刚度 通常用铸铁制成 为了减少涡流和磁滞 损耗 定子铁心用 0 5mm 厚涂有绝缘漆的硅钢片叠成 铁心内圆周上有许多均匀分布 的槽 槽内嵌放定子绕阻 如图 2 2 所示 2 22 2 三相异步电动机定子三相异步电动机定子 2 1 2 转子 转子由转子铁心 转子绕组 转轴和风扇等组成 转子铁心也用 0 5mm 厚硅钢片 冲成转子冲片叠成圆柱形 压装在转轴上 其外围表面冲有凹槽 用以安放转子绕组 按钻子绕组形式不同 可分为绕线和笼式两种 2 2 三相异步电动机的工作原理 图 2 3 为三相异步电动机工作原理示意图 为简单起见 图中用一对进行分析 三相定子绕组中通入交流电后 便在空间产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 转子将作切割磁力线的运动而在其两端产生感应电动势 感应电动势的方向根据右手 螺旋法则来判断 由于转子本身为一闭合电路 所以在转子绕组中将产生感应电流 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 9 称为转子电流 电流方向与电动时的方向一致 即上面流出 下面流进 2 32 3 三相异步电动机工作原理图三相异步电动机工作原理图 2 3 三相异步电动机的工作过程 2 3 1 三相异步电动机的启动 三相异步电动机接通电源 是电机的转子从静止状态到转子一定的速度稳定运行 的过程称为电动机的启动过程 起动方法有直接起动和降压起动两种 1 直接起动 直接起动又称全压起动 启动时 将电机的额定电压通过刀开关或接触器直接接 到电动机的定子绕组上进行起动 直接起动最简单 你不需要附加的起动设备 起动 时间短 只要电网容量允许 应尽量采用直接起动 但这种起动方法起动电流大 一 般只允许小功率的三相异步电动机进行直接起动 对大功率的三相异步电动机 应采 用降压起动 以限制起动电流 2 降压起动 通过起动设备将电机的额定电压降低后加到电动机的定子绕组上 以限制电机的 起动电流 待电机的转速上升带稳定值时 再使定子绕组承受全压 从而使电机在额 定电压下稳定运行 这种起动方法称为降压启动 启动距离与电源电压的平方成正比所以当定子端电压下降时 3 3 三相异步电动机由三相异步电动机由 PLCPLC 控制的总体设计控制的总体设计 3 1 系统结构 三相异步电动机根据工作要求不同 主要进行降压启动 正反转 自动循环 制 动 变速等不同控制 该设计要求把对电动机的上述控制采用 PLC 控制来实现 使系 统的性能更完善 我们国家的标准电压是 380V 和 220V 两种制式 生产厂家也是按这 个标准化技术生产公司定做的 一定有其原因和内行的专业技术人员指导的 理论上 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 10 讲是没什么问题可以正常使用 设计功率大 实际使用功率小点 电动机起热电流大 是正常的 就像设计是十匹马拉的车现在用八匹马拉车 那每匹马拉车的力就用的多 一点 想要解决这个问题的办法是提高电压 结构原理框图如下图 3 1 所示 3 13 1 结构原理图结构原理图 3 2 三相异步电动机的正反转控制 在生产过程中 往往要求电动机能够实现正反两个方向的转动 如起重机的吊钩的 上升与下降 机床的前进与后退等等 由电动机的三项电源进线中的任意两相对调 就可以改变电动机的转向 因此正反转控制电路实质上是两个方向相反的单相运行电 路 为了避免动作引起电源相间短路 必须在这两相反的单向运行电路中加设必要的 互锁 按照电动机可逆运行操作的不同 就有了 正 停 反 和 正 反 停 两种控 制电路 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 11 3 23 2 正反继电器控制电路图正反继电器控制电路图 3 33 3 I I O O 接线图接线图 3 43 4 梯形图梯形图 指令程序指令程序 地址地址 指令指令 数据数据 00000000 LDLD 00010001 00010001 OROR 05000500 00020002 AND NOTAND NOT 00000000 00030003 AND NOTAND NOT 05010501 00040004 AND NOTAND NOT 05000500 00050005 OUTOUT 00020002 00060006 OROR 05010501 00070007 AND NOTAND NOT 00000000 00080008 AND NOTAND NOT 05000500 00090009 OUTOUT 05010501 00100010 END 01 END 01 PLCPLC 控制的工作过程分析 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 12 按下 SB2 输入继电器 0001 动合触点闭合 输出继电器 0500 线圈接通并自锁 接 触器 KM1 主触点 动合触电闭合 电动机 M 通电正转 按下 SB1 输入继电器 0000 动断触点断开 输入继电器 0500 线圈失电 KM1 主触 点 动合辅助触电断开 电动机 M 断电停止正转 按下 SB3 0002 动合触电闭合 0501 线圈接通并自锁 KM2 主触点 动合辅助触 电闭合 电动机 M 通电反转 3 33 3 两台电动机顺序启动连锁控制两台电动机顺序启动连锁控制 在线有多少台电动机生产机械上 有时必须一定的顺序起动电动机 才能满足工作需 要 例如某个设备要求必需首先起甲电动机停止后 乙电动机自动停止 必须采用下 边的线路实现 如图 3 53 5 顺序启动电气控制图顺序启动电气控制图 3 6I O3 6I O 接线图接线图 PLC 在三相异步电动机控制中的应用 13 3 73 7 梯形图梯形图 指令程序指令程序 地址地址 指令指令 数据数据 00000000 LDLD 00000000 00010001 OROR 05000500 00020002 AND NOTAND NOT 00010001 00030003 OUTOUT 05000500 00040004 LDLD 00020002 00050005 OROR 05010501 00060006 ANDAND 05000500 00070007 AND OUTAND OUT 00030003 00080008 OUTOUT 05010501 00090009 END 01 END 01 PLCPLC 控制的工作过程的分析 按下 M1 的启动按钮 SB1 输入继电器 0000 动合触电闭合 输入继电器 0500 线圈通关并自锁 接触器 KM1 得电吸合 电动机 M1 启动运转 同时连接在 0501 线圈 驱动电路的 0500 动合触电闭合 为起动电动机 M2 做准备 可见 只有电动机 M1 先启 动 电动机 M2 才能启动 电动机 M2 启动运转 按下 M1 的停止