基于PLC的软启动器控制系统设计与调试

目录1 .课题介绍21.1设计目的21.2设计报告要求22 .硬件设计及其原理42.1PLC的应用领域和方框图42.2PLC的应用特点42.3软启动的工作原理及其使用62.3.1软启动的控制功能72.3.2灯升压启动方式72.3.3转矩控制及起动电流限制起动侧72.3.4电压上升脉冲启动82.3.5转矩控制软件停车方式82.3.6制动停车方式82.4电路控制动作原理92.4.1控制线路的工作原理92.4.2简单电路图102.4.3电气部件明细表113 .控制系统的软件设计123.1控制系统的部分程序设计123.2. S7-200 I/O分配表123.3.I/O点和与其对应的PLC地址123.4.PLC端子接线图133.5 .系统简易工作流程图13四.总结15参考文献17附录181 .课题介绍传统的三相异步电动机启动线路比较简单，虽然不需要追加额外的启动设备，但其启动电流冲击一般较大，启动转矩较小，不能调整固定。 软启动器主要由交流调压电路和控制电路构成，其基本原理是利用晶闸管的相移控制原理，通过控制晶闸管的导通角来改变其输出电压，达到调压原稿时控制启动电流和启动转矩的目的，软启动器进行电子调压实时监控电流具有电机和软启动器自身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相保护功能，可实时检测和显示电流、电压、功率因数等参数。 本课题要求一台软起动器控制两台电机的软起动和自由停止，控制系统具有提供PLC实现的短路、过载、联锁等保护措施的紧急停车功能，在此利用PLC知识实现设计要求。1.1设计目的1 .熟悉S7-200 PLC在工程实践中的使用方法和规范，达到PLC综合应用的目的。2 .学习PLC程序的编程和软启动的使用、数据手册的检索能力。学习S7-200软件、CAD、VISIO软件的应用。4 .学会整理和总结设计文件的报告。1.2设计报告要求1 .电路要求是软启动器，能够控制2台电机的软启动和自由停止。2 .要求电路控制系统采用PLC来实现3 .提供短路、过载、联锁等保护措施4 .具有紧急停车功能5 .根据上述要求选定设计方案，绘制系统框图，描绘详细的设计过程。利用VISIO、CAD软件创建完整的设计线路图，并显示所有组件的列表。2 .硬件设计及其原理2.1PLC的应用领域和框图可编程控制器简称PLC，是近年来发展极快、应用面极广的工业控制装置，应用于工业大部分领域，可完成从反复开关控制到复杂制造加工控制的多项控制任务。 现代电气控制及其PLC应用技术是一门实用的技术课程，具有一定的理论知识和实际技能训练，在PLC的应用领域，最初PLC主要用于开关量的逻辑控制。 随着PLC技术的进步，其应用领域不断扩大。图2-1 S7-200 PLC系统框图现在，PLC不仅用于开关量的控制，还用于模拟量和数字量的控制，可收集并存储数据，监视控制系统，还可进行网络、通信，实现广范围、地区间的控制和管理。 系统框图如图2-1所示，PLC越来越成为工业控制装置家族的重要作用。2.2PLC的应用特点(1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的重要性能。 PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产技术制造，内部电路采用先进的抗干扰技术，具有较高的可靠性。 使用PLC构成控制系统，与同规模的继电器接触器系统相比，电气布线和开关触点减少到几百至几千分之一，故障也大幅减少。 另外，PLC具有硬件故障的自我检测功能，发生故障时可发送警报信息。 在应用软件中，应用程序也可以嵌入外围设备的故障自诊断程序，系统中的PLC以外的电路和设备也受到故障自诊断保护。 这将极大地提高整个系统的可靠性。(2)配套齐全，功能完善，适用性强；PLC发展到今天，形成了各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制。 除了逻辑处理功能以外，PLC具有完美的数据运算能力，多用于各种数字控制领域。 大量出现了多种功能单元，使PLC渗透到位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。 加上PLC通信能力的增强和人机接口技术的发展，使用PLC构建各种控制系统变得非常容易。(3)易学，深受工程技术人员欢迎PLC是面向工矿企业的工程控制设备。 其接口简单，编程语言容易被工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不懂电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。(4)系统的设计工作量少，维护方便，改造方便PLC用存储器逻辑代替布线逻辑，大大减少了控制设备外部的布线，大大缩短了控制系统的设计和建设周期，同时使日常维护变得容易，更重要的是同一设备改变了程序，改变了生产过程。 这尤其适用于多品种、小批量的生产场合。2.3软启动的工作原理及其使用软起动器是将电机的软起动、软停止、轻负荷节能和多个保护功能一体化的新型电机控制装置，在海外被称为Soft Starter。 软启动器采用三反并联晶闸管作为调节器，连接在电源和电动机定子之间。这种电路类似于三相全控制桥整流电路。 如图2-2所示，当使用软启动器启动电机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电机逐渐加速，电机在晶闸管全导通之前以额定电压的机械特性动作，实现顺畅的启动，降低启动电流，避免启动过电流跳闸。 电机达到额定转速后，启动过程结束，软启动器使用旁路接触器代替自动完成任务的晶闸管，为电机正常运行提供额定电压，降低晶闸管的热损失，延长软启动器的寿命，提高工作效率，降低功率软启动还提供软停止功能，软停止与软启动过程相反，电压逐渐降低，转速逐渐降低到零，以避免由于自由停止造成的扭矩冲击。图2-2软启动原理图2.3.1软启动的控制功能使用在电源与被控制的电动机之间串联连接的软起动器，控制内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以规定的函数关系逐渐上升，在起动完成之前，通过向电动机提供全电压的所谓软起动，在软起动中，电动机起动转矩软起动一般有以下几种起动方式。2.3.2灯升压启动方式如图3-3-1所示，该起动方式一般能够设定起动初始电压Uq0和起动时间t1，该起动方式切断电流反馈，属于环路控制方式。 电机启动过程中，电压线性增加，在设定的时间内达到额定电压。 该启动方式主要是使用1台软启动器连接多台马达，或者马达的电力远远低于软启动器额定值的应用程序。2.3.3转矩控制及起动电流限制起动侧如图2-3-2所示，该起动方式通常能够设定起动初始转矩txo、起动阶段转矩限制Tli、转矩钳位上升时间t1和起动电流限制Ili。 该启动方式导入电流反馈，通过间接计算负载转矩为闭环控制方式。 为了控制目标位转矩，软启动输出电压非线性上升。图2-3-1 :灯升压起动方式图2-3-2 :转矩控制及起动电流限制起动2.3.4电压上升脉冲启动如图2-3-3所示，该启动方式一般能够设定电压上升脉冲片Uli。 升压脉冲宽度一般为5电源频率，即100ms。 在起动开始阶段，晶闸管以设定的升压幅度在非常短的时间内起动，得到大的起动转矩，该阶段结束后，转移到转矩控制以及起动电流限制起动。 该启动方法适用于在重负荷下必须克服大的静摩擦的启动的情况。2.3.5转矩控制软件停车方式如图2-3-4所示，在电动机需要停车的情况下，马上切断电动机的电源的大多是自由停止，在以往的控制方式中，采用逐渐降低软启动的输出电压来切断电源的软停止方式，该处理时间长，一般来说是自由停止时间转矩控制软停车方式在停车中等速调整电机转矩的下降速度，实现平滑的减速。图2-3-4 :转矩控制软件停止方式图2-3-3 :电压上升脉冲起动方式2.3.6制动停车方式如图2-3-5所示，需要迅速停止电动机时，软起动器具有能量制动功能。 在实施能量制动的情况下，软起动器向电动机的定子线圈通入直流电力，软起动器通过晶闸管向电动机供给电力，因此容易改变晶闸管的控制方式来获得直流电力。图2-3-5制动器停车方式2.4电路控制动作原理软起动由一台软起动队的多台马达进行，可以降低控制系统的成本。 通过设计合适的电路，可以实现多台电机的软启动、软停止控制，无法同时启动或停止，只能一台一台地启动或停止。 为了实现软起动的软起动，多台马达可以软起动和软停止，控制电路复杂，也使用了软起动内部的特殊功能。 因此，介绍了一台软启动器对两台电机进行软启动、自由停止控制的电路。 如图a所示。 软启动的起动停止采用双线式的控制方式，连接RUN和STOP端子，通过一个控制触点KF5与PL端子连接。 KF5触点on表示启动信号，off表示停车信号。 电机启动完成后，旁路接触器向电机供电，图a中主电路的接线方式使软起动整体短路，软起动的各种保护小组电机无效，因此为每台电机追加过载保护的热继电器。2.4.1控制线路的动作原理动作原理是将KF1设定为绝缘继电器。 在图2-4-1的控制电路中，按下SF2按钮时，接触器QA1线圈通电，自锁，接通软启动的输入电源。 启动第1台马达MA1时，按下启动按钮SF12，接触器QA11线圈通电，中间继电器KF5线圈通电，启动信号施加到软启动器，隔离继电器KF1触点接通，中间继电器KF3线圈通电，KF3开路触点QA11自锁，马达软件起动完成后，软起动的结束继电器开路接点闭合，中间继电器KF4线圈通电，KF4常开接点对旁路接触器QA12线圈通电自锁时，QA11和QA12都导通。 插头绕过起动器后，断开隔离继电器KF1触点，起动完成后继电器KF2触点也断开，KF3线圈断开，KF3常开触点断开QA11线圈的自锁电路，QA11线圈10点时，最初的电机与软起动断开，软起动同样，使第二台电机软开始后，按下开始按钮SF22。 停止第一台电动机，按下停止按钮SF11时，QA12线圈停电，主触点断开，电动机自由停止。 第二台电机启动、听制过程分析与上述类似。 在QA11和QA21的线圈电路中追加了联锁触点，以防止2台电机同时启动。图2-4-1主回路图2.4.2简单的电路图在该设计中，首先需要控制2台电机的软起动和自由停止。 我们在学习PLC的时候，软件的开始是关键。 图2-4-1是软启动控制2台电机的主电路图，图2-4-2是控制电路。 Qa0是总开关，BB是热继电器(带过载保护功能)，利用PLC代替现有的电气控制也是当前控制的主流。图2-4-2控制电路图2.4.3电气部件表隔离继电器KF1的双曲馀弦值SF1、SF2、SF3、SF11、SF12、SF13接触器QA1、QA11、QA12、QA21、QA22QA1、QA12、QA22西门子接触器3TF4022-0XM0 9A AC220V QA11、QA21接触器3TF4011-0XB0 9A AC24V电动机MA1、MA2型号： ZD22-4、功率：1.5KW、电压： 380V电流： 4.3A、转速： 1380r/min、50Hz、制动转矩： 19.6N.m. B级绝缘、y型接合法中间继电器KF3、KF4、KF5启动结束继电器KF2热继电器BB1、BB2TK-E02T-C热敏继电器过载58A保险丝FA1、FA2熔断电流40A断路器QA0断路器QA0:DZ30-32通过从小型断路器的额定电流到32A的保护线路进行过载短路保护3 .控制系统的软件设计3.1控制系统的部分程序设计程序的编制是本设计的另一个重要部分，在编制程序之前不仅要明确理解设计分离和各部分实现的功能，还要熟练运用编程软件，充分把握程序的结构。 如何编写准确合理的程序是软件设计的难题。 下面是为此设计创建的程序块。 该程序实现的功能是1台软启动器控制2台电机的软启动和自由停止。3.2. S7-200 I/O分配表S7-200战斗机I0.0-I0.7Q0.0-Q0.7I1.0-I1.7Q1.0-Q1.13.3.I/O点及其对应的PLC地址输入点输出点QA1启动按钮SF2I0.0MA1起动电路接触器QA11Q0.0QA1停止按钮SF1I0.1MA1旁路接触器QA12Q0.1MA1启动按钮SF12I0.2MA2起动电路接触器QA21Q0.2MA1停止按钮SF11I0.3MA2旁路接触器QA22Q0.3MA2启动按钮SF22I0.4电源线接触器QA1Q0.4MA2停止按钮SF21I0.5说明：隔离继电器KF1:M0.0。 启动结束继电器KF2:M0.1。 中间继电器KF3:M0.2。中间继电器KF4:M0.3。 中间继电器KF5:M0.4。