异步电动机的智能软启动PLC控制装置的设计正文.doc

湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 I 湖南工程学院应用技术学院 毕业设计说明书 题 目 异步电动机的智能软启动 PLC 控制装置的设计 专业班级 电气工程 0784 学生姓名 孙 哲 学 号 200713010414 完成日期 2011 年 6 月 10 日 指导教师 金国彬 评阅教师 谢卫才 2011 年 6 月 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 II 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 诚 信 承 诺 书 本人慎重承诺和声明 所撰写的 异步电动机的智能软启动 PLC 控制装置的设计 是在指导老师的指导下自主完成 文中所有引 文或引用数据 图表均已注解说明来源 本人愿意为由此引起的后果 承担责任 设计 论文 的研究成果归属学校所有 学生 签名 年 月 日 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 III 湖南工程学院应用技术学院 毕毕业业 设设计计 论论文文 任任务务书书 题目 异步电动机的智能软启动 PLC 控制装置的设计 姓名 孙 哲 院 电气信息学院 专业 电气工程 班级 0784 学号 14 指导老师 金国彬 职称 讲 师 教研室主任 谢 卫 才 一 基本任务及要求 采用 PLC 改造异步电动机启动的控制系统 1 异步电动机启动的基本原理分析 2 完成异步电动机启动控制系统的硬件设计 3 完成异步电动机启动控制系统的软件设计 4 撰写设计报告 二 进度安排及完成时间 1 1 月 1 日 1 月 15 日 下达任务书 查阅资料 撰写文献综述 2 1 月 16 日 1 月 23 日 查阅资料 撰写文献综述和开题报告并交电子文档 3 3 月 1 日 3 月 15 日 毕业实习 撰写实习报告 4 3 月 16 日 5 月 10 日 毕业设计 5 5 月 11 日 5 月 24 日 撰写毕业设计论文 6 5 月 25 号 6 月 10 号 指导教师评阅 电子文档上传 FTP 7 6 月 11 号 6 月 14 号 毕业设计答辩 公开答辩 分组答辩 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 IV 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题的提出及研究的意义 1 1 2 课题发展现状和前景展望 1 1 3 课题主要内容 研究方法 步骤和措施 2 第 2 章 三相异步电动机 3 2 1 三相异步电动机的结构与工作原理 3 2 1 1 三相异步电动机的构造 3 2 1 2 三相异步电动机的转动原理 4 2 2 三相异步电机的转矩特性与机械特性 8 2 2 1 电磁转矩 简称转矩 8 2 2 2 机械特性曲线 8 2 2 3 电动机的负载能力自适应分析 9 2 3 异步电动机全压直接起动的危害 10 2 4 异步电动机常用的起动方式 11 2 5 软启动概述 12 2 5 1 软起动的概念 12 2 5 2 软起动的常用起动方式 13 2 5 3 软起动运行特点 14 第 3 章 可编程序控制器及其特殊功能模块概述 15 3 1 可编程序控制器 15 3 1 1 可编程序控制器的概念及其历史 15 3 1 2 可编程序控制器的主要特点 15 3 1 3 可编程序控制器的最新发展趋势 16 3 1 4 可编程序控制器的工作原理 17 3 1 5 可编程序控制器的基本结构 19 3 1 6 可编程序控制器的 I 0 滞后现象 20 3 1 7 可编程序控制器编程语言的国际标准 20 3 2 可编程序控制器特殊功能模块 22 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 V 第 4 章 PID 控制及其调节规律 23 4 1 PID 控制 23 4 1 1 PID 控制的概念 23 4 1 2 PID 控制的特点 23 4 2 PID 控制器 24 4 2 1 数字 PID 控制 24 4 2 2 数字 PID 控制器的设计 25 4 3 PLC 的 PID 模块分析研究 25 4 3 1 PID 控制器设计及实现 27 4 3 2 现场实验校验 27 第 5 章 系统原理及方案设计 29 5 1 基于 PLC 的大中型异步电动机软起动控制系统 29 5 1 1 系统的基本工作原理及结构特点 29 5 1 2 系统原理分析 29 5 2 磁控式 PLC 电机起动控制系统结构的研究与设计 30 5 2 1 系统原理及方案设计 30 5 2 2 硬件设计 32 5 2 3 软件编程 33 5 2 4 主回路图 34 5 2 5 软件的编制 35 结束语 37 参考文献 38 致 谢 39 附录 主程序 40 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 I 异步电动机的智能软启动 PLC 控制装置的设计 摘要摘要 本文阐述了PLC技术在大中型异步电动机软起动自动控制中的应用及其优越性 并给出了具体的实施办法 即采用PLC来对以串联在笼型电机的转子回路中的电压调 节式可漏电抗 A D D A转换模块 电力电子装置 PID调节等共同组成的一套起动 系统加以控制 大致原理即电机起动时由于串联了可调电抗 起动电流较小 起动过 程中通过PLC调节装置调节可调电抗的控制电压 使之电抗逐渐减小至零 电机由起 动状态平稳过渡到正常运行状态再将可调电抗旁路后退出运行 电机起动过程完成 关键词 关键词 可编程序控制器 电动机 软起动 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 II Intelligent soft start induction motor Design of PLC control device Abstract This text introduced an electric motor of big and medium sized difference soft the concept and the movement principles that start elaborated the programmable preface controller PLC technique in an electric motor of big and medium sized difference softly start automatic control of application and its superiority and give concrete implement way Adopt the PLC namely to turn in an electrical engineering of cage by establish the electric voltage in the sub back track regulate type can the electric leakage A D the D A conversion mold piece the electric power electronics equip the PID regulates etc to constitute together a set of to start the system to carry out the control to carry on soft start thus attain the purpose of protect the electric motor Mostly principle namely the electrical engineering start because of establishing the adjustable electricity starting the electric current smaller Start to regulate to equip to regulate the control electric voltage of the adjustable electricity anti through a PLC in the process the electricity anti that make lets up to zeroth gradually electrical engineering from start the appearance steady transfer the normal movement appearance to retreat the adjustable electricity bypass again a movement the electrical engineering starts the process to complete Keyword the programmable preface controller PLC motor soft starting 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 3 第 1 章 绪 论 1 1 课题的提出及研究的意义 本课题就是针对大中型异步电动机起动时的冲击电流问题及各类降压起动的方 式进行分析研究 设计出一种以 PLC 为控制核心的软起动系统 该系统除了完成软 起动功能以外 还应具有多种保护功能 如断相 短路 过流 漏电闭锁等 智能控制技术的应用 给我们提出了很多要求 如电网的波动性 执行机构的 智能配套等 都要求越来越严格 作为重要驱动执行机构的电动机来说 它的控制 方式受到广大技术人员的高度重视 既要为智能控制打下良好基础 又要降低电动 机起动时对电网的冲击 所以 不得不在电动机的起动设备上做工作 软起动器现已广泛用于冶金 钢铁 油田等各行各业 随着我国的经济的快速 发展 高层建筑 商贸大厦 娱乐中心的现代化建筑越来越多 其空调和消防要求 越来越高 而传统的降压起动设备和调速设备由于固有的弱点 已无法满足现代化 建筑的需要 所以选择智能型电动机起动与调速设备 将是必然的发展方向 1 2 课题发展现状和前景展望 作为应用最广泛的鼠笼型异步电动机 它采用降压起动的条件 一是电动机起 动时 机械不能承受全压起动的冲击转矩 二是电动机起动时 其端电压不能满足 规范要求 三是电动机起动时 影响其他负荷的正常运行 对于降压起动目前有两种方式 一种是降压起动 一种是软起动 他经过了三个 发展阶段 一是 Y 起动器和自藕降压起动器 二是磁控式软启动器 三是目前 最先进最流行的电子软启动器 电子软启动器一般都是采用 16 位单片机进行智能化 控制 他既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动 又能降低对电网的冲 击 同时 还能实现直接计算机通讯控制 为自动化智能控制打下良好的基础 有人将目前普遍流行的电动机软起动分为如下的高中低三档 晶闸管软起动 开关变压器软起动属于高档次 磁控式 PLC 软起动属于中档 液态软起动属于低档 从实际生产成本来看 这样的分档次是有一定依据的 晶闸管软起动在成本上 3 5 倍 地高于磁控式软起动 开关变压器软起动成本在价格也 2 倍高于磁控式软起动 究 其原因主要是因为大功率晶闸管的高成本 但是 从性能上看 日前工业上流行的晶闸管软起动产品 开关变压器软起动 产品 磁控式软起动产品都属于中档产品 只有高压变频软起动产品属于高档产品 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 4 而从性能上看 3 种软起动各有所长 从耐用 免维护 抗干扰等方面 磁控式软起 动产品较晶闸管软起动和开关变压器软起动产品来说还具有比较明显的优势 所以可以看出 从性价比上 从实际应用来说 基于 PLC 的磁控式软起动更加 我国国情 在很长的一段时间内还将主导我国工业市场 1 3 课题主要内容 研究方法 步骤和措施 本课题主要的内容与要求就是针对大中型异步电动机的智能软起动问题展开设 计 使其达到除了完成软起动功能以外 还应具有多种保护功能 如断相 短路 过流 漏电闭锁等 主要设计内容是 1 系统主电路原理图 元器件计算 2 系统的软硬件设计 研究方法 步骤和措施 1 首先查资料和调研 了解现在国内外研究状况 2 充分利用网络和计算机的功能 熟悉相关资料和设计要求 3 根据要求确定设计的总体方案 设计硬件系统 4 用 PLC 编程完成软件部份的设计 并利用学校实验室 完成对程序的调试 5 总体检验设计报告 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 5 第 2 章 三相异步电动机 实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机 电机是利用电磁感应原理 实现电能与机械能的相互转换 把机械能转换成电能的设备称为发电机 而把电能 转换成机械能的设备叫做电动机 在生产上主要用的是交流电动机 特别三相异步电动机 因为它具有结构简单 坚固耐用 运行可靠 价格低廉 维护方便等优点 它被广泛地用来驱动各种金属 切削机床 起重机 锻压机 传送带 铸造机械 功率不大的通风机及水泵等 对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题 1 基本构造 2 工 作原理 3 表示转速与转矩之间关系的机械特性 4 起动 调速及制动的基 本原理和基本方法 5 应用场合和如何正确使用 2 1 三相异步电动机的结构与工作原理 2 1 1 三相异步电动机的构造 三相异步电动机的两个基本组成部分为定子 固定部分 和转子 旋转部分 此外还有端盖 风扇等附属部分 如图 2 1 所示 图 2 1 三相电动机的结构示意图 1 定子 三相异步电动机的定子由三部分组成 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 6 定子铁心 由厚度为 0 5mm 的 相互绝缘的硅钢片叠成 硅钢片 内圆上有均匀分布的槽 其作用是嵌放定子三相绕组 AX BY CZ 定子绕组 三组用漆包线绕制好的 对称地嵌入定子铁心槽内的 相同的线圈 这三相绕组可接成星形或三角形 定子 机座机座用铸铁或铸钢制成 其作用是固定铁心和绕组 2 转子 三相异步电动机的转子由三部分组成 转子铁心 由厚度为 0 5mm 的 相互绝缘的硅钢片叠成 硅钢片 外圆上有均匀分布的槽 其作用是嵌放转子三相绕组 转子绕组 转子绕组有两种形式 鼠笼式 鼠笼式异步电动机 绕线式 绕线式异步电动机 转子 转轴转轴上加机械负载 鼠笼式电动机由于构造简单 价格低廉 工作可靠 使用方便 成为了生产上 应用得最广泛的一种电动机 为了保证转子能够自由旋转 在定子与转子之间必须留有一定的空气 隙 中小型电动机的空气隙约在 0 2 1 0mm 之间 2 1 2 三相异步电动机的转动原理 1 基本原理 为了说明三相异步电动机的工作原理 我们做如下演示实验 如图 2 2 所示 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 7 图 2 2 三相异步电动机工作原理图 1 演示实验 在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体 当转动手 柄带动蹄形磁铁旋转时 将发现导体也跟着旋 若改变磁铁的转向 则导体的转向 也跟着改变 2 现象解释 当磁铁旋转时 磁铁与闭合的导体发生相对运动 鼠笼式导体 切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流 感应电流又使导体受到一个电 磁力的作用 于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来 这就是异步电动机的基本原 理 转子转动的方向和磁极旋转的方向相同 3 结论 欲使异步电动机旋转 必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组 2 旋转磁场 旋转磁场 1 产生 图 2 3 表示最简单的三相定子绕组 AX BY CZ 它们在空间按互差 1200 的规律对称排列 并接成星形与三相电源 U V W 相联 则三相定子绕组便通过 三相对称电流 随着电流在定子绕组中通过 在三相定子绕组中就会产生旋转磁场 图 2 4 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 8 图 2 3 三相异步电动机定子接线图 当 t 00时 AX 绕组中无电流 为负 BY 绕组中的电流从 Y 流入0 A i B i B1流出 为正 CZ 绕组中的电流从 C 流入 Z 流出 由右手螺旋定则可得合成磁 C i 场的方向如图 2 4 a 所示 当 t 1200时 BY 绕组中无电流 为正 AX 绕组中的电流从 A 流入0 B i A i X 流出 为负 CZ 绕组中的电流从 Z 流入 C 流出 由右手螺旋定则可得合成磁场 C i 的方向如图 2 4 b 所示 当 t 2400时 CZ 绕组中无电流 为负 AX 绕组中的电流从 X 流入0 C i A i A 流出 为正 BY 绕组中的电流从 B 流入 Y 流出 由右手螺旋定则可得合成磁 B i 场的方向如图 2 4 c 所示 可见 当定子绕组中的电流变化一个周期时 合成磁场也按电流的相序方向在 空间旋转一周 随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化 产生的合成磁场 也不断地旋 因此称为旋转磁场 图 2 4 旋转磁场的形成图 2 旋转磁场的方向 旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的 若想改变旋转磁场的方向 只要改变通入定子绕组的电流相序 即将三根电源线中的任意两根对调即可 这时 转子的旋转方向也跟着改变 3 三相异步电动机的极数与转速 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 9 1 极数 磁极对数 p 三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数 旋转磁场的极数和三相绕组的安 排有关 当每相绕组只有一个线圈 绕组的始端之间相差 1200空间角时 产生的旋转磁 场具有一对极 即 p 1 当每相绕组为两个线圈串联 绕组的始端之间相差 600空间角时 产生的旋转磁 场具有两对极 即 p 2 同理 如果要产生三对极 即 p 3 的旋转磁场 则每相绕组必须有均匀安排在 空间的串联的三个线圈 绕组的始端之间相差 400 1200 p 空间角 极数 p 与绕 组的始端之间的空间角 的关系为 120 o p 2 转速 n 三相异步电动机旋转磁场的转速 n0与电动机磁极对数 p 有关 它们的关系是 2 1 1 0 60 f n p 由 2 1 可知 旋转磁场的转速 n0决定于电流频率 f1和磁场的极数 p 对某一 异步电动机而言 f1和 p 通常是一定的 所以磁场转速 n0是个常数 在我国 工频 f1 50Hz 因此对应于不同极对数 p 的旋转磁场转速 n0 见表 2 1 表 2 1 p123456 n0300015001000750600500 3 转差率 s 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同 但转子的转速 n 不可能达到与旋 转磁场的转速 n0相等 否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动 因而磁力线就不 切割转子导体 转子电动势 转子电流以及转矩也就都不存在 也就是说旋转磁场 与转子之间存在转速差 因此我们把这种电动机称为异步电动机 又因为这种电动 机的转动原理是建立在电磁感应基础上的 故又称为感应电动机 旋转磁场的转速 n0常称为同步转速 转差率 s 用来表示转子转速 n 与磁场转速 n0相差的程度的物理量 即 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 10 2 2 0 00 nnn s nn 转差率是异步电动机的一个重要的物理量 当旋转磁场以同步转速 n0开始旋转时 转子则因机械惯性尚未转动 转子的瞬 间转速 n 0 这时转差率 S 1 转子转动起来之后 n 0 n0 n 差值减小 电动机 的转差率 S 1 如果转轴上的阻转矩加大 则转子转速 n 降低 即异步程度加大 才 能产生足够大的感受电动势和电流 产生足够大的电磁转矩 这时的转差率 S 增大 反之 S 减小 异步电动机运行时 转速与同步转速一般很接近 转差率很小 在额 定工作状态下约为 0 015 0 06 之间 根据式 2 2 可以得到电动机的转速常用公式 2 3 0 1ns n 2 2 三相异步电机的转矩特性与机械特性 2 2 1 电磁转矩 简称转矩 异步电动机的转矩 T 是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流 I2相互作用而产 生的 电磁转矩的大小与转子绕组中的电流 I 及旋转磁场的强弱有关 经理论证明 它们的关系是 2 4 22 cos T TKI 其中T 为电磁转矩KT为与电机结构有关的常数 为旋转磁场每个极的磁通量 I2为转子绕组电流的有效值 2为转子电流滞后于转子电势的相位角 若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系 2 4 修正为 2 2 21 22 220 T sR U TK RsX 5 其中为常数 U1为定子绕组的相电压 T K S 为转差率 R2为转子每相绕组的电阻 X20为转子静止时每相绕组的感抗 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 11 由上式可知 转矩 T 还与定子每相电压 U1的平方成比例 所以当电源电压有所 变动时 对转矩的影响很大 此外 转矩 T 还受转子电阻 R2的影响 图 2 5 为异步 电动机的转矩特性曲线 2 2 2 机械特性曲线 图 2 5 三相异步电动机的转矩 机械 特性曲线 在一定的电源电压 U1和转子电阻 R2下 电动机的转矩 T 与转差率 n 之间的关 系曲线 T f s 或转速与转矩的关系曲线 n f T 称为电动机的机械特性曲线 它可根 据式 2 4 得出 如图 2 5 所示 在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩 1 额定转矩 额定转矩 TN 额定转矩 TN是异步电动机带额定负载时 转轴上的输出转矩 2 6 2 9550 N P T n 式中 P2是电动机轴上输出的机械功率 其单位是瓦特 n 的单位是转 分 TN的 单位是牛 米 当忽略电动机本身机械摩擦转矩 T0时 阻转矩近似为负载转矩 TL 电动机作等 速旋转时 电磁转矩 T 必与阻转矩 TL相等 即 T TL 额定负载时 则有 TN TL 2 最大转矩 Tm Tm又称为临界转矩 是电动机可能产生的最大电磁转矩 它反映了电动机的过 载能力 最大转矩的转差率为 Sm 此时的 Sm叫做临界转差率 见图 2 5 a 最大转矩 Tm 与额定转矩 TN之比称为电动机的过载系数 即 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 12 Tm TN 一般三相异步的过载系数在 1 8 2 2 之间 在选用电动机时 必须考虑可能出现的最大负载转矩 而后根据所选电动机的 过载系数算出电动机的最大转矩 它必须大于最大负载转矩 否则 就是重选电动 机 3 起动转矩 Tst Tst为电动机起动初始瞬间的转矩 即 n 0 s 时的转矩 为确保电动机能够带额定负载起动 必须满足 Tst TN 一般的三相异步电动机 有 Tst TN 1 2 2 2 2 3 电动机的负载能力自适应分析 电动机在工作时 它所产生的电磁转矩 T 的大小能够在一定的范围内自动调整 以适应负载的变化 这种特性称为自适应负载能力 直至新的平衡 此过程中 时 2 L TnSIT 55555555555555555555 5 2 I 1 I 电源提供的功率自动增加 2 3 异步电动机全压直接起动的危害 从三相异步电动机固有机械特性的分析中知道 如果在额定电压直接起动三相 异步电动机 由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半 功率因数又很低 造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果 以普通鼠笼式三相异步电动机为 例 起动电流 IS KIIN 4 7 IN 起动转矩 TS KTTN 0 9 1 3 TN 再看对供电变压器的影响 整个交流电网的容量相对于单个的三相异步电动机 来讲是非常大的 但是具体到直接供电的变压器来讲 容量却是有限的 配电变压 器的容量是按其供电的负载总容量设置的 正常运行条件下 变压器由于电流不超 过额定电流 其输出电压比较稳定 电压变化率在允许的范围之内 三相异步电动 机起动时 变压器提供较大的起动电流 会使变压器输出电压下降 若变压器额定 容量相对很大 电动机额定功率相对很小时 短时起动电流不会使变压器输出电压 下降多少 因此也没有什么关系 若变压器额定容量相对不够大 电动机额定功率 相对不算小时 电动机短时较大的起动电流 会使变压器输出电压短时下降幅度较 大 超过了正常值 这样一来 影响了几个方面 一一 起动电动机本身 由于电压太低起动转矩下降很多 当负载较重时 可能起 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 13 动不了 电动机较大的起动电流引起电压下降 对电动机本身有着不良影响 因电 压太低会使电动机起动转矩下降很多 当负载较重时 电动机可能不能起动 通常 电动机起动过程时间很短 短时间过大的电流 从发热角度来看 电动机本身是可 以承受的 但是 对于起动频繁的电动机 过大的起动电流会使电动机内部过热 导致电机温升过高 使电机绕组绝缘过热而老化 因此要采取措施 减少最初起动 电流的影响 电动机起动时 起动电流的大小为 IST 由上式可见 降低起动电流有三种方法 1 降低电源电压 2 定子边串接电阻或电抗 3 转子边串接电阻或电抗 从上面分析看出 不同的电源和不同的负载情况 对电动机起动的要求不一样 的 有时要求有大的起动转矩 有时要求起动电流要小 有时上述两个要求要同时 满足 总之电动机起动过程需要考虑以下几个问题 1 应有足够大的最初起动转矩 TS 1 1TL 2 尽可能小的最初起动电流 3 起动操作简便 起动设备简单和经济 二 大中异步电动机直接起动的再一个危害就是影响由同一台配电变压器供电 的其他负载 显然 即使是偶尔出现一次 也是不允许的 从上边分析看出 变压 器额定容量相对电动机讲不足够大时 三相异步电动机不允许直接起动 直接全压起动的危害性主要有如下几点 1 电动机在空载全压直接起动时 起动电流会达到额定电流的 5 7 倍 当电 动机容量相对较大时 该起动电流将引起电网电压急剧下降 电压频率也发生变化 这会破坏同电网其它设备的正常运行 甚至会引起电网失去稳定 造成更大的事故 2 电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子上产生很大的冲击 力 会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂 引起电机故障 大电流还会产生大量的焦 耳热 损伤绕组绝缘 减少电机寿命 3 电动机直接全压起动时的起动转矩约为额定转矩的 2 倍 对于齿轮传动设 备来说 很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎 对于皮带传动设备来说 加大 了皮带磨损甚至拉断皮带 对于水泵类负荷来说 电动机全压起动时 水流会在很 短的时间内达到全速 在遇到管路拐弯时 高速的水流冲击到管壁上 产生很大的 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 14 冲击力 形成水锤效应 会破坏管道 如果水泵前面的管路比较长 当水泵电机突 然停止时 高速的水流会冲击到水泵的叶轮上 产生很大的冲击力 会使叶轮变形 或损坏 直接起动时电机速度上升很快 润滑油往往不能及时到位 会引起轴承干 磨 降低其使用寿命 4 电动机在起动时 会产生短时间的谐波电流 使电网的谐波大量增加 电 网谐波含量的增加 将导致电气设备寿命缩短 网损加大 系统发生谐波谐振的可 能性增加 同时 还可能引起继电保护和自动装置误动 仪表指示和电度计量不准 以及通信受干扰等一系列问题 5 直接全压起动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压 使定子 绕组上电压分布不均匀 对其绝缘造成极大的伤害 许多电机的自身故障都是由于 绝缘受到伤害而引起的 以上各点都会使设备增加停工台时 影响生产的正常进行 增加维修费用 综合考虑 在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接 起动方式 以保证电网的供电质量 在这种情况下 大中型异步电动机的软起动作 为一个重要的课题被提出来 2 4 异步电动机常用的起动方式 目前国内大型电动机的起动方法有定子回路串电抗器 自耦变压器 水电阻等 减压起动方式 但起动电流仍然很大 一般是额定 3 到 5 倍 对电机仍然有较大的冲 击 而且会引起电网电压急剧下降 所以称之为减压起动 起动性能的比较 软起动与传统的降压起动的性能指标见表 2 2 表 2 2 软起动与传统的降压起动的性能指标 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 15 现以 Allen Bradley 公司 SMC Dialog Plus 系列交流电动机软起动器为例来说明工 作原理和运行特点 a Ma 特性 b La 特性 图 2 6 降低电动机端子的电压时启动转矩 Ma 和启动电流 La 的特性图 可见三相交流异步电动机的起动转矩 Ma 直接与所加电压的二次方有关 也就是 说 只要降低电机接线端子上的电压就会影响这些值 2 5 软启动概述 2 5 1 软起动的概念 电动机的软起动是采用串接于电源与被控电动机间的软起动器 控制其内部晶 闸管的导通角 使电动机输入电压从零开始逐渐上升 直至起动结束 赋于电动机 全电压的起动方式 2 5 2 软起动的常用起动方式 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 16 目前的软启动器有以下五种起动方式 图 2 7 图 2 7 软起动器的五种起动方式图 限流起动顾名思义是限制电动机的起动电流 它主要是用在轻载起动的负载降 低起动压降 在起动时难以知道起动压降 不能充分利用压降空间 损失起动力矩 对电动机不利 斜坡电压起动顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升 它是将传统的降压起动 从有级变成了无级 主要用在重载起动 它的缺点是初始转矩小 转矩特性抛物线 型上升对拖动系统不利 且起动时间长有损于电机 转矩控制起动用在重载起动 它是将电动机的起动转矩由小到大线性上升 它的优点是起动平滑 柔性好 对拖 动系统有更好的保护 它的目的是保护拖动系统 延长拖动系统的使用寿命 同时 降低电机起动时对电网的冲击 是最优的重载起动方式 它的缺点是起动时间较长 转矩加突跳控制起动与转矩控制起动相仿也是用在重载起动 不同的是在起动的瞬 间用突跳转矩克服电机静转矩 然后转矩平滑上升 缩短起动时间 但是 突跳会 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 17 给电网发送尖脉冲 干扰其它负荷 应用时要特别注意 电压控制起动是用在轻载起动的场合 在保证起动压降下发挥电动机的最大起 动转矩 尽可能的缩短了起动时间 是最优的轻载软起动方式 2 5 3 软起动运行特点 1 能使电机起动电压以恒定的斜率平稳上升 起动电流小 对电网无冲击电 流 减小负载的机械冲击 2 起动电压上升斜率可调 保证了起动电压的平滑性 起动电压可依据不同 的负载在 30 70 Ue Ue 为额定电压 范围内连续可调 3 可以根据不同的负载设定起动时间 4 起动器还具有可控硅短路保护 缺相保护 过热保护 欠压保护 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 18 第 3 章 可编程序控制器及其特殊功能模块概述 3 1 可编程序控制器 3 1 1 可编程序控制器的概念及其历史 可编程序控制器 Programmable Logic Controller 是以微处理器为基础 综合了计 算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品 是在硬接线逻辑控制技术和计算 机技术的基础上发展起来的 1985 年 1 月 国际电工委员会 IEC 的可编程序控 制器标准草案第 2 稿对可编程序控制器作了如下定义 可编程序控制器是一种数 字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数 和算术运算等操作指令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序 控制器及其有关设备 都应按易于使工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能 的原则设计 通常把 PLC 认为是由等效的继电器 定时器 计数器等元件组成的装 置 在全世界上百个可编程序控制器制造厂中 有几家举足轻重的公司 它们是美 国 ROCKWELL 自动化公司所属的 A B 公司 GE FANUC 公司 德国的西门子公司 和总部设在法国的施耐得自动化公司 日本的三菱公司和欧姆龙公司 这几家公司 控制着全世界 80 以上的可编程序控制器市场 它们的系列产品有其技术广度和深 度 从微型可编程序控制器到有上万个 I O 点的大型可编程序控制器应有尽有 可编程序控制器的推广在我国得到了迅猛的发展 可编程序控制器已经大量应 用在引进设备和国产设备中 我国不少厂家引进或研制了一批可编程序控制器 各 行各业也涌现出大批应用可编程序控制器改造设备的成果 机械行业生产的设备越 来越多地采用可编程序控制器作控制装置 了解可编程序控制器的工作原理 具备 设计 调试和维护可编程序控制器控制系统的能力 已经成为现代工业对电气技术 人员和工科学生的基本要求 3 1 2 可编程序控制器的主要特点 1 可靠性高 PLC 的 MTBF Mean Time Between Failures 平均故障间隔时间一般在 40000 50000h 以上 三菱 西门子 ABB 松下等微小型 PLC 可达 10 万 h 以上 而且均 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 19 有完善的自诊断功能 判断故障迅速 便于维护 2 模块化组合灵活 可编程控制器是系列化产品 通常采用模块结构来完成不同的任务组合 I 0 点 数从 8 8192 点 有多种机型 多种功能模板可灵活组合 结构形式也是多样的 3 功能强 性能价格比高 PLC 应用微电子技术和微计算机 简单型式都具有逻辑 定时 计数等顺序控 制功能 基本型式再加上模拟 I 0 基本算术运算 通信能力等 复杂型式除了具有 基本型式的功能外 还具有扩展的计算能力 多级终端机制 智能 I O PID 调节 过程监视 网络通信能力 远程 I 0 多处理器和高速数据处理能力 一台可编程序 控制器可以同时控制几台设备 也可以通过联网通信 实现分散控制 集中管理 4 编程方便 PLC 适用针对工业控制的梯形图 功能块图 指令表和顺序功能表图 SFC 编程 不需要太多的计算机编程知识 新的编程工作站配有综合的软件工具包 并可在任 何兼容的个人计算机上编程 5 适应工业环境 可靠性高 抗干扰能力强 PLC 的技术条件能在一般高温 振动 冲击和粉尘等恶劣环境下工作 能在强 电磁干扰环境下可靠工作 6 安装 维修简单 与计算机系统相比 PLC 安装不需要特殊机房和严格的屏蔽 使用时只要各种 器件连接无误 系统便可正常工作 各个模件上带有运行和故障指示装置 便于查 找故障 大多数模件可以带电插拔 模件可更换 使用户可以在最短的时间内查出 故障并排除 最大限度地压缩故障停机时间 使生产迅速恢复 一些 PLC 外壳由可 在不良工作环境下工作的合金组成 结构简单 上面带有散热槽 在高温下 该外 壳不像塑料制品那样变形 还可抗无线电频率 RF 高频 电磁干扰 防火等 7 运行速度快 随着微处理器的应用 PLC 的运行速度增快 使它更符合处理高速度复杂的控 制任务 8 总价格低 PLC 的重量 体积 功耗和硬件价格一直在降低 虽然软件价格占的比重有所 增加 但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格 另外 采用 PLC 还可以大大缩短 设计 编程和投产周期 使总价格进一步降低 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 20 3 1 3 可编程序控制器的最新发展趋势 现代可编程序控制器的发展有两个主要趋势 其一是向体积更小 速度更快 功 能更强和价格更低的微小型方面发展 其二是向大型网络化 高可靠性 好的兼容性 和多功能方面发展 1 大型网络化 主要是朝 DCS 方向发展 使其具有 DCS 系统的一些功能 网络化和通信能力 强是 PLC 发展的一个重要方面 向下可将多个 PLC I 0 框架相连 向上可与工业计算 机 以太网 MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统 2 多功能 随着自调整 步进电机控制 位置控制 伺服控制等模块的出现 使 PLC 控制 领域更加宽广 3 高可靠性 由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视 一些公司已将自诊断技术 冗余 技术 容错技术广泛应用到现有产品中 推出了高可靠性的冗余系统 并采用热备 用或并行工作 多数表决的工作方式 例如西门子公司 57400 系列 PLC 即使在恶劣 不稳定的工作环境下 坚固 全密封的模板依然可正常工作 在操作运行过程中模 板还可热插拔 3 1 4 可编程序控制器的工作原理 在继电器控制电路中 当某些梯级同时满足导通条件时 这些梯级中的继电器 线圈会同时通电 这是一种并行的工作方式 PLC 是采用循环扫描的工作方式 在 PLC 执行用户程序时 CPU 对梯形图自上而下 自左向右地逐次进行扫描 程序的 执行是按语句排列的先后顺序进行的 是一种串行的工作方式 不会出现多个线圈 同时改变状态的情况 这样有利于避免触点竞争和时序失配的问题 PLC 上电后首先进行初始化 I 0 内部辅助 特殊辅助 辅助记忆继电器区域清 零 定时器预置 识别扩展单元 然后进入循环扫描工作过程 扫描过程如图 2 1 所示 这个工作过程分为内部处理 外设端口服务 程序输入处理 程序执行 程序输出 几个阶段 全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期 内部处理阶段 CPU 都要进行 复位监视定时器 硬件检查 用户内存检查等操作 通信操作服务阶段 PLC 与一些 智能模块通信 响应编程器键入的命令 更新编程器的显示内容等 当 PLC 处于停 止 STOP 状态时 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 21 只进行内部处理和外设端口服务操作等内容 在 PLC 处于运行 RUN 状态时从 内部处理 外 设端口服务 程序输入 程序执行 程序输出 一直循环扫描工作 图 3 1 PLC 工作扫描流程图 1 输入处理阶段 输入处理也叫输入采样 在此阶段 PLC 以扫描方式读入所有输入端子的通断 状态 并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器 在此输入映像寄存器被刷 新 接着进入程序执行阶段 自此输入映像寄存器就与外界隔离 即使输入信号发 生变化其映像寄存器的内容也不发生变化 只有在下一个扫描周期的输入处理阶段 才能被读入信息 也就是说 各输入映像寄存器的状态要保持一个扫描周期不变 2 程序执行阶段 在程序执行阶段 根据梯形图程序先左后右 先上后下的扫描原则 PLC 逐句 扫描执行用户程序 遇到跳转指令 则根据转移条件来决定程序的走向 从用户程 序涉及到输入输出状态时 PLC 从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入 端子状态 从输出映像寄存器中读出对应映像寄存器的当前状态 根据用户程序进 行逻辑运算 运算结果再存入有关器件寄存器中 对每个器件而言 器件映像寄存 器中所寄存的内容会随着程序执行过程而变化 执行用户程序阶段的扫描时间是影响扫描周期时间长短的主要因素 而且不是 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 22 固定的 其原因主要取决于以下几方面因素 用户程序中所用语句条数的多少 每条指令的执行时间不同 程序中有改变程序流向的指令 3 输出刷新阶段 程序执行完以后 将所有输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到相应的输 出锁存电路中 通过隔离电路 驱动功率放大电路 使输出端子向外界输出控制信 号 形成 PLC 的实际输出 驱动相应外设 3 1 5 可编程序控制器的基本结构 可编程序控制器主要是由 CPU 模块 输入模块 输出模块和编程器组成 1 CPU 模块 CPU 模块主要是由微处理器 CPU 芯片 和存储器组成 在可编程序控制器控 制系统中 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 刷新系统的输出 存储器用来储存程序和数据 2 I O 模块 输入模块和输出模块简称为 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 输入模块用来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 数字拨码开关 限位开关 接近开关 光电开关 压力 继电器等来的开关量输入信号 另一类是由电位器 热电偶 测速发电机 各种变 送器提供的模拟量输入信号 可编程序控制器通过输出模块控制接触器 电磁阀 电磁铁 调节阀 调速装 置等执行器 可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯 数字显示装置和报 警装置等 CPU 模块的工作电压一般是 5V 而可编程序控制器的输入 输出信号电压一般 较高 如直流 24V 和交流 220V 从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏 CPU 模块中的元器件 或使可编程序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序控制器运行 时各种编程元件的工作状态 4 电源 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 23 可编程序控制器使用 220V 交流电源或 24V 直流电源 可编程序控制器内部的 直流稳压电源为各模块内的电路供电 某些可编程序控制器可以为输入电路和外部 电子检测装置 如接近开关 提供 24V 直流电源 驱动现场执行机构的直流电源一 般由用户提供 3 1 6 可编程序控制器的 I 0 滞后现象 由于 PLC 是扫描工作过程 在程序执行阶段即使输入发生了变化 输入状态映 像寄存器的内容也不会变化 要等到下一周期的输入处理阶段才能改变 暂存在输 出映像寄存器中的输出信号 等到一个循环周期结束 CPU 集中将这些输出信号全 部输送给输出锁存器 由此可以看出 全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期 换言之 输入输出的状态保持一个扫描周期 扫描周期越长 滞后现象越严重 一 般扫描周期只有十几毫秒到几十毫秒 因此对一般工业控制设备或者对输入信号变 化较慢的系统来说 这种滞后现象是完全允许的 若要输出对输入作出快速响应的 场合 则可采取相应的措施如选用高速 CPU 提高扫描速度 采用快速响应模块 高 速计数模块以及不同的中断处理等措施来尽量减少滞后时间 影响 I 0 滞后的主要原 因有 输入滤波器对信号的延迟 输出继电器的动作延迟 程序设计不当的附加影响等 2 3 1 7 可编程序控制器编程语言的国际标准 现代的可编程序控制器一般备有多种编程语言 供拥护选择 不同厂家的可编 程序控制器的编程语言有较大的区别 用户不得不学习多种编程语言 IEC 国际电工委员会 于 1994 年 5 月公布可编程序控制器标准 IEC1131 该标准由以下 5 部分组成 通用信息 设备与测试要求 可编程序控制器的编程语 言 用户指南与通信 其中的第三部分 IEC1131 3 是可编程序控制器的编程语言 标准 IEC1131 3 标准使用户在使用新的可编程序控制器时 可以减少重新培训的时间 对于厂家 使用标准将减少产品开发的时间 可以投入更多的精力去满足用户的特 殊要求 IEC1131 3 详细地说明了句法 语义和下述 5 种编程语言的表达方式 湖南工程学院应用技术学院毕业设计 论文 24 1 顺序功能图 Sequential function chart 2 梯形图 Ladder diagram 3 功能块图 Function block diagram 4 指令表 Instruction list 5 结构文本 Structured 标准语言中有两种图形语言 梯形图 LD 和功能块图 FBD 还有两种文 字语言 指令表 IL 和结构文本 ST 可以认为顺序功能图 SFC 是一种结 构块控制程序流程图 1 梯形图 LD 梯形图是使用得最多的可编程序控制器图形语言编程语言 梯形图与继电器控 制系统恶毒电路图很相似 具有直观易懂的优点 很容易被工厂熟悉继电器控制的 电气人员掌握 特别使用于开关逻辑控制 有时把梯形图称为电路或者程序 把梯 形图的设计叫做编程 a 错误的梯形图 b 正确的梯形图 图 3 2 梯形图的特点图 梯形图的特点 可编程序控制器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这