河南工业职业技术学院毕业设计

基于 PLC 的三相异步电动机正反转控制 摘 要 本论文设计了三相异步电动机的 PLC 控制电路 就是三相异步电动的正反转 控制 与传统的继电器相比 具有控制速度快 可靠性高 灵活性强等优点 非 常实用 三相异步电动机的应用广泛 具有结构简单 效率高 控制方便 运行 可靠 易于维修成本低的优点 几乎涵盖了工农业生产和人类生活的个个领域 在这些领域中 三相异步电动机运行的环境不同 所以造成其故障的发生也很频 繁 所以要正确合理的利用它 本文研究的这个系统是采用 PLC 的编程语言 梯形图 梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言 因为他在继电器的 基础上加进了许多功能 使用灵活的指令 是逻辑关系清晰直观 编程容易 可 读性强 所示的功能也大大超过传统的继电器控制电路 可编程控制器是一种数 字运算操作的电子系统 他是专为在恶劣工业环境下应用而设计 它采用可编程 序的存储器 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 控制各种的机械或生产过程 关键词 PLC 三相异步电动机 可编程控制 梯形图 PLC CONTROL WITH A THREE WIRE ASYNCHRONOUS MOTOR IS INVERTING DESIGN ABSTRACT The programmable controller PLC is a microprocessor as the core will automatic control technology computer technology and communication technology be in harmony is an organic whole and of the development of new industrial automatic control device Current PLC has basically has replaced traditional relay control and are widely used in industrial control each domain and the traditional relay control compared with PLC control circuit has control of speed reliability high flexibility etc and very practical Production machinery to often ask moving parts can realize both the positive and negative direction starting this will request the drag electric function as positive and reverse rotation By motor principle it is known that change motor three phase power phase sequence can change motor steering This paper studies the system control is the use of PLC programming language ladder ladder language is in the programmable controller in the most widely used language because it is in the relay is added on the basis of the many functions the use of flexible instruction so that the logic relationship of a clear and intuitive easy programming readability is strong the realization of the functions it considerably exceeds the traditional relay control circuit KEY WORDS PLC three phase asynchronous motor ladder language 目 录 前 言 1 第 1 章三相异步电动机基础 2 1 1 异步电动机的基本结构 2 1 2 三相异步电动机的工作原理 3 1 3 相异步电动机的正反转工作过程 4 第 2 章PLC 的基础知识 5 2 1 关 PLC 的定义 5 2 2 PLC 与继电器控制的区别 5 2 3 PLC 的工作原理 5 第 3 章三相异步电动机的 PLC 控制 7 3 1 三异步电动机的正反转 PLC 控制 7 3 2 PLC 定时器控制电动机正反转互锁的设计 9 3 3 三相异步电动机使用 PLC 控制优点 13 结 论 14 参考文献 15 致 谢 16 附 录 17 前 言 三相异步电动机的应用非常广泛 具有机构简单 效率高 控制方便 运行 可靠 易于维修成本低的有点 几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域 在这些应用领域中 三相异步电动机运行的环境不同 所以造成其故障的发生也 很频繁 所以要正确合理的利用它 要合理的控制它 我研究的这个系统的控制是采用 PLC 的编程语言 梯形图 梯形语言是在 可编程控制器中的应用最广的语言 因为它在继电器的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 所实现的功能也 大大超过传统的继电器控制电路 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 它是专为在恶劣工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存储器 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 控制各种的机械或生产过程 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 进入 20 世纪 80 年 代 由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展 极大地推动了 PLC 的发展 使得 PLC 的功能日益增强 目前 在先进国家中 PLC 已成为工业控制的标准设备 应用面几乎覆盖了所有工业 企业 由于 PLC 综合了计算机和自动化技术 所以 它发展日新月异 大大超过其出现时的技术水平 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联系 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讯能力 从而更广泛的运用于众多行业 第一章 三相异步电动机基础 1 1 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由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 1 1 为三相异步电动机结构示意图 图 1 1 为三相异步电动机结构示意图 1 1 1 三相异步电动机定子 定子主要由定子铁心 定子绕组 机座三部分组成 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 5 mm 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 槽内嵌放定子绕组 如图 1 2 所示 图 1 2 电动机定子 1 1 2 三相异步电动机转子 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 5 mm 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 按转子绕组形式不同 可分为绕线式和鼠笼式两种 1 2 三相异步电动机的工作原理 图 1 2 为三相异步电动机工作原理示意图 图中用一对磁极来进行分析 当 向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时 就产生了一个以同步转速 n1 沿 定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场 由于旋转磁场以 n1 转速旋 转 转子导体开始时是静止的 故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动 势 由于转子导体两端被短路环短接 在感应电动势的作用下 转子导体中将产 生与感应电动势方向基本一致的感生电流 转子的载流导体在定子磁场中受到电 磁力的作用 电磁力对转子轴产生电磁转矩 驱动转子沿着旋转磁场方向旋转 图 1 3 三相异步电动机工作原理 1 3 三相异步电动机的正反转工作过程 1 3 1 三相异步电动机的原理 图 1 4 三相异步电动机正反转电路 在选择断路器时 我们不仅要关注断路器的延迟曲线等主要指标 还应重视 它的很多次要功能 这些常容易被忽略的性能不仅能为一个良好的设计锦上添花 而且还能帮助工程师们为其应用设计精密的保护电路 辅助接点 辅助开关 它们是与主接点电隔离的接点 适用于报警和程序 开关 辅助接点可用于向操作人员或控制系统告警 发出警报 或在重要应用中 接通备用电源 1 3 2 三相异步电动机的制动 三相异步电动机脱离电源之后 由于惯性 电动机要经过一定的时间后才会 慢慢停下来 但有些生产机械要求能迅速而准确地停车 那么就要求对电动机进 行制动控制 电动机的制动方法可以分为两大类 机械制动和电气制动 机械制 动一般利用电磁抱闸的方法来实现 电气制动一般有能耗制动 反接制动和回馈 发电制动三种方法 第 2 章 PLC 基础的知识 2 1 关于 PLC 的定义 PLC 中文全称就是可编程控制器 可编程控制器 PLC 定义 专为在工业环 境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置 是带有存储器 可以编制程序 的控制器 它能够存储和执行命令 进行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算 术等操作 并通过数字式和模拟式的输入输出 控制各种类型的机械或生产过程 2 2 PLC 与继电器控制的区别 2 2 1 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 触点的串联或并联极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 PLC 采用存储逻辑 其控制逻辑是以程序方式存储在内存中 要改 变控制逻辑 只需改变程序即可 称软接线 2 2 2 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 工作频 率低 毫秒级 机械触点有抖动现象 PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现 控制 速度快 微秒级 严格同步 无抖动 2 2 3 延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制 而时间继电器定时精度不高 受环境影响大 调整时间困难 PLC 用半导体集成 电路作定时器 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 2 3 PLC 的工作原理 当 PLC 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序 执行和输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整个运行期 间 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 2 3 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据 并将它们 存入 I O 映象区中的相应得单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和输出 刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发生变化 I O 映象区中的相 应单元的状态和数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲信号 则该脉冲信号的 宽度必须大于一个扫描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被读入 2 3 2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯形 图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制 线路 并按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈在 I O 映象区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形 图所规定的特殊功能指令 即 在用户程序执行过程中 只有输入点在 I O 映 象区内的状态和数据不会发生变化 而其他输出点和软设备在 I O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化 而且排在上面的梯形图 其程序 执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用 相反 排在 下面的梯形图 其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对 排在其上面的程序起作用 在程序执行的过程中如果使用立即 I O 指令则可以直 接存取 I O 点 即使用 I O 指令的话 输入过程影像寄存器的值不会被更新 程 序直接从 I O 模块取值 输出过程影像寄存器会被立即更新 这跟立即输入有些 区别 2 3 3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC 就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按照 I O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应的 外设 这时 才是 PLC 的真正输出 第三章 三相异步电动机的 PLC 控制 3 1 三相异步电机的正反转 PLC 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 吊钩的上升与下降 机床工作台的前进与后退等等 由电动机原理可知 只要把 电动机的三相电源进线中的任意两相对调 就可改变电动机的转向 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 为了避免误动作引起电源相间 短路 必须在这两个相反方向的单向运行电路中加设必要的互锁 按照电动机可 逆运行操作顺序的不同 就有了 正 停 反 和 正 反 停 两种控制电路 在 正反两个接触器中互串一个对方的动断触点 这对动断触点称为互锁触点或连锁 触点 这样当按下正转启动按钮 SB2 时 正转接触器 KM1 线圈通电 主触点闭合 电动机正转 与此同时由于 KM1 的动断辅助触点断开而切断了反转接触器 KM2 的 线圈电路 因此 即使按反转启动按钮 SB3 也不会使反转接触器的线圈通电工 作 同理 在反转接触器 KM2 动作后 也保证了正转接触器 KM1 的线圈电路不能 再工作 图 1 图 3 2 I O 三相异步电动机的 PLC 控制接线 图 3 3 三相异步电动机的 PLC 控制梯形 指令程序 地 址指令 数 据 0 000LD 0 001 0 001OR 0 500 0 002 AND NOT 0 000 0 003 AND NOT 0 501 00 表 3 1 指令程序 PLC 控制的工作过程的分析 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 动合辅助触点闭合 电动机M 通电正转 按下 SB1 输入继电器 0000 动断触点断开 输出继电器 0500 线圈失电 KM1 主触点 动合辅助触点断开 电动机M 断电停止正转 按下 SB3 0002 动合触点闭合 0501 线圈接通并自锁 KM2 主触点 动合辅 助触点闭合 电动机 M 通电反转 为了避免短路事故的发生所以我们利用接触器连锁保护的接触器电路 三相异步电动机的正反转控制线路作为一个基本控制环节 在电气控制线路中应 用的非常广泛 接触器互锁的三相异步电动机正反转的控制线路更是取代了传统 的继电器控制线路 使电动机的控制有了进一步的提高 接触器互锁的三相异步电动机正反转控制线路如图 3 1 所示 线路中采用了 两个接触器 即正转用的接触器 KM1 和反转用的接触器 KM2 它们分别由控制按 钮 SB2 SB3 控制 这两个接触器的主触头所接通的电源相序不同 KM1 按 L1 004500 0 005LD 0 002 0 006OR 0 501 0 007 AND NOT 0 000 0 008 AND NOT 0 500 0 009OUT 0 501 0 010 END 01 L2 L3 相序接线 KM2 则对调了两相的相序 控制电路有两条 一条由按钮 SB2 和 KM1 线圈等组成正转控制电路 另一条由按钮 SB3 和 KM2 线圈等组成的反转控 制电路 3 2 PLC 定时器控制电动机正反转互锁的设计 3 2 1 PLC 定时器控制电动机正反转电路的主接线图 为了在控制的过程中体现科技化和智能化 同时为了在控制过程中克服接触 器互锁的三相异步电动机正反转电路的缺点 本文也可采用定时器控制三相异步 电动机正反转 利用定时器控制三相异步电动机正反转在工业控制中得到广泛利 用 这种方法使得控制更加简单 方便 而且可以根据不同的需要设定正反转的 时间且易于实现 用 PLC 定时器控制的三相异步电动机正反转互锁的主接线图如 图 3 4 所示 其工作原理如下所示 定时器控制三相异步电动机正反转原理和接触器控制三相异步电动机正反转 的原理基本相同 不同的是当电动机开始正转时 定时器 T1 开始运行且计时开 始 20S 后电动机停止正转 此时定时器 T2 开始运行并且计时 6S 后电动机开 始反转 同时定时器 T3 开始运行并计时开始 20S 后电动机停止反转 定时器 T4 开始计时 6S 后电动机又开始正转 如此循环进行 本文也可根据控制的需 要设定不同的正转 反转和停止的时间 图 3 4 定时器控制电动机正反转互锁的主接线 3 2 2 PLC 定时器控制三相异步电动机正反转的梯形图 根据互锁的三相异步电动机正反转控制电路及 I O 分配表整理后可得到定时 器控制的三相异步电动机正反转的梯形图 如图 3 5 所示 图 3 5 定时器控制的三相异步电动机正反转 3 2 3 定时器控制电动机正反转的指令表程序 PLC 定时器控制三相异步电动机正反转互锁的指令表程序如表 3 2 所示 表 3 2 接触器互锁正反转电路指令表 程 序步编 号 指 令操作数说明 0LDIX0 0正转启动触点 IX0 0 1ORY0 2ANDNOTIX0 1反转启动触点 IX0 1 3OUTY0 LDY0 5ANDNOTT4 Q 6ORT1正转定时器 定时 20S 7LDT1 Q 8ORT2停止定时器 定时 6S 9LDT2 Q 10ORT3反转定时器 定时 20S 11LDT3 Q 12ORT4停止定时器 定时 6S 13LDY0 14ANDNOTT1 Q 15OUTQX0 0正转输出线圈 QX0 0 16LDY0 17ANDT2 Q 18ANDNOTT3 Q 19OUT QX0 1反转输出线圈 QX0 1 3 2 4 PLC 的 I O 分配 由图 3 1 可以看出 该电路的输入设备有正转启动按钮 SB2 反转启动按钮 SB3 停止按钮 SB1 热继电器辅助动断触点 FR 其输出设备有两个 一个是正 转接触器线圈 KM1 另一个是反转接触器线圈 KM2 现将 PLC 的输入 输出继电器 分配给上述输入 输出设备 即可列出其用 PLC 控制的 I O 分配表 如表 3 3 所 示 表 3 3 PLC 控制接触器互锁的正反转控制电路 I O 分配表 输入分配输出分配 元件名称 PLC 输入 点 元件名称 PLC 输入 正转启动 I0 0 正转接触器线圈 Q0 0 KM1 反转启动 I0 1反转接触器线圈 Q0 1 KM2 3 2 5 实体框形图 由于设计中的仪器不容易画出其具体模型 故用方框图来表示其实体的接线 图 如图 3 6 所示 图 3 6 PLC 控制线路实体框形 3 3 三相异步电动机使用 PLC 控制优点 本文设计只针对三相异步电动机的正反转控制 顺序起动等系统进行了设 计 还有其它的像制动和调速控制在这里我就没有设计 其实主电路都是一样 的 只是控制电路有一点小差异 使用PLC 控制三相异步电动机有很多好处 的 不易老化 设备简单 结构合理 便于控制价格便宜等 PLC 的通用性 可靠性 检修快速性 安全性是非常强大的 所以用其控 制是非常方便的 值得一提的是他的价格可能会高一些 但是绝对是物超所 值 结 论 本次论文我研究了用 PLC 简单地控制三相异步电动机 我感觉这样的 设计使系统很稳定 在工厂或者农业生产中都有很大的作用 达到了研究的目的 通过概述使大家充分了解了该控制系统的原理和功能 摘要部分概要介绍了其可 靠性和实用性 绪论部分介绍了电动机控制方面的背景 本文设计的目的 意 义及主要内容等 第一章 三相异步电动机基础 介绍了三相异步电动机的基本结 构 工作原理 几个工作过程的分析等 第二章 PLC 基础 PLC 的定义 与继电器 控制的区别 工作原理 应用分类等 第三章 三相异步电动机的 PLC 控制 从 系统原理的角度得出系统分为模拟和数字两部分 第五部分进行了总结 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 控制分析中对 PLC 产生了浓厚的兴趣 提 高了理论结合实际的能力 由于本人水平有限 时间紧促 对其中的原理和实际 操作方法不是很熟悉 以后还得更加努力的研究 论文中有不对或者欠缺的地方 请老师指正 参考文献 1 王兆晶 维修电工 中级 机械工业出版社 2009 2 翟彩萍 PLC 应用技术 三菱 中国劳动社会保障出版社 2009 1 3 凌云 PS7219 显示驱动器及其在 PLC 中的应用 湖南冶金职业技 术学院 2003 4 张桂香 电气控制与 PLC 应用 化学工业出版社 2003 5 王成福 PLC 在多路温度采集显示系统中的应用 电子技术 2003 6 宋伯生 可编程控制器 配置 联网 中国劳动出版社 1998 7 台方 可编程控制器应用教程 中国水利出版社 2001 8 何伟 电气控制实训 高等教育出版社 2002 9 任伟宁 李平 王