基于PLC的软启动器控制系统设计与调试教材

1、目录 1. 课题介绍 2 1.1 设计目的 2 1.2 设计报告要求 2 2. 硬件设计及其原理 4 2.1PLC 的应用领域及框图 4 2.2PLC 的应用特点 4 2.3 软启动器的工作原理及其使用 6 2.3.1 软启动器的控制功能 7 2.3.2 斜坡升压启动方式 7 2.3.3 转矩控制及启动电流限流启动方 7 2.3.4 电压提升脉冲启动 8 2.3.5 转矩控制软停车方式 8 2.3.6 制动停车方式 8 2.4 电路控制工作原理 9 2.4.1 控制线路工作原理 9 2.4.2 简要电气原理图 100 2.4.3 电器元件明细表 111 3控制系统的软件设计 122 3.1 控

2、制系统的部分程序设计 122 3.2. S7-200 I/O 分配表 122 3.3.I/O 点及其对应的 PLC地址 122 3.4.PLC 端子接线图 133 3.5. 系统简易工作流程图 133 4. 总结 155 参考文献 177 附录 178 1. 课题介绍 传统的三相异步电动机的启动线路比较简单， 不需要增加额外的启动设 备；但其启动电流冲击一般还很大，启动转矩较小而且固定不可调。而软 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 移相控制原理，通过控制晶闸管的导通角，改变其输出电压，达到通过调 压发稿时来控制启动电流和启动转矩的目的，由于软启动器为电子调压并

3、对电流实时监测，因此还具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转 矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能，并可实时检测 并显示如电流、电压、功率因数等参数。本课题要求单台软启动器控制两 台电机的软启动及自由停车，控制系统采用PLC来实现；提供短路、过载、 联锁等保护措施；具有紧急停车功能；在此，运用PLC知识达到设计要求。 1.1 设计目的 1. 熟悉工程实践中 S7-200 PLC 的使用方法和规范，达到综合应用 PLC 的目的。 2. 学习 PLC程序编程和软启动器的使用、查找数据手册的能力。 3. 学习 S7-200 软件、 CAD、 VISIO 软件的应用。 4. 学会整理

4、和总结设计文档报告。 1.2 设计报告要求 1要求电路能够通过软启动器，控制两台电机的软启动和自由停车。 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， 画出系统框图， 写出详细的设计过程 并列出所有的元件清 6利用 VISIO、CAD软件画出一套完整的设计电路图， 单。 2. 硬件设计及其原理 2.1PLC的应用领域及框图 可编程序控制器简称 PLC，它是近年来发展极为迅速、应用面极广的工 业控制装置，它已成功地应用于工业中几乎所有领域，能完成从重复开关 控制单一机器到复杂的制造加工控制的许多控制任务。

5、 现代电气控制及其 PLC应用技术是一门实用技术课程，既有一定的理论知识，又有实际技能 训练， 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，它的应用领域不断扩大。 控制按 钮、行 S7- 200 程开 关、接 可变 程序 近开关 控制 器 人机界面 执行器件 接触器） 变频器 电机 图 2-1 S7-200 PLC 系统框图 如今， PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采 集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、 跨地域的控制与治理。系统框图如图 2-1 所示， PLC 已日益成为产业控制装 置家族中一个重

6、要的角色。 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关键性能。 PLC 由于采用现代大规模集成电 路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术， 具有很高的可靠性。使用 PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系 统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大 大降低。此外， PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警 报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序， 使系统中除 PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系 统将极高的可靠性。 （2）配套齐全，功能完善，适用性强

7、 PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规 模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算 能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、 CNC等各种工业控制中。加上 PLC通信能力 的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易。 （3）易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技 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， 为不熟悉电子电路、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

8、门。 （4）系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控 制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重 要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多 品种、小批量的生产场合。 2.3 软启动器的工作原理及其使用 软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于 一体的新颖电机控制装置，国外称为 Soft Starter 。软启器采用三相反并 联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。 这种电路如三相全控桥式整流电路。如图 2-2 图所示，使用软启动器 启动电动机时，晶闸管的

9、输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸 管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启 动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软 启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提 供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其 工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能， 软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由 停车引起的转矩冲击。 图 2-2 软启动器原理示意图 2.3.1 软启动器的控制功能 运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导 通角，使电机

10、输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋 予电机全电压，即为软起动， 在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加， 转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。 2.3.2 斜坡升压启动方式 如图 3-3-1 所示，这种起动方式一般可设定启动初始电压Uq0 和启动时 间 t1 ，这种启动方式断开电流反馈，属于环控制方式。在电动机启动过程 中，电压线性逐渐增加，在设定的时间内达到额定电压。这种启动方式主 要应用一台软启动器并接多台电动机，或电动机功率远低于软启动器额定 值的应用场合。 2.3.3 转矩控制及启动电流限流启动方 如图 2-3-2 所示，此种启动方式一般可设定启动初始力矩Tq

11、o、启动阶 图 2-3-1 ： 斜坡升压启动方式 全压启动 t 限幅启动 段力矩限幅 Tli 、力矩斜坡上升时间 t1 和启动电流限幅 Ili. 这种启动方式 引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属于闭环控制方式。由于控 制目标位转矩，故软启动器输出电压为非线性上升。 图 2-3-2 ：转矩控制及启动电流限制启动 2.3.4 电压提升脉冲启动 如图 2-3-3 所示，此种启动方式一般可设定电压提升脉冲限幅 Uli 。 压脉冲宽度一般为 5 个电源周波，即 100ms。在启动开始阶段，晶闸管在极 短时间内按设定升压幅值启动，可得到较大的启动转矩，此阶段结束后， 转入转矩控制及启动电流限制启动

12、。该启动方法适用于重载并需克服较大 静摩擦的启动场合。 2.3.5 转矩控制软停车方式 如图 2-3-4 所示，当电机需要停车时，立即切断电动机电源，属于自 由停车，传统的控制方式大多采用这种方式，软停车方式通过调节软启动 器的输出电压逐渐降低而切断电源，这一过程时间较长且一般大于自由停 车时间，故成为软停车方式。转矩控制软停车方式，是在停车过程中，匀 速调整电动机转矩的下降速率，实现平滑减速。 2.3.6 制动停车方式 如图 2-3-5 所示，当电动机需要快速停机时，软启动器具有能耗制动 功能。在实施能耗制动时，软启动器向电动机定子绕组通入直流电，由于 软启动器是通过晶闸管对电动机供电，因此

13、很容易通过改变晶闸管的控制 方式而得到直流电。 图 2-3-5 制动停车方式 2.4 电路控制工作原理 用一台软启动器队多台电动机进行软启动，可以降低控制系统的成本。 通过设计适当的电路可以实现对多台电动机软启动、软停车控制；但不能 同时启动或停机，只能一台台分别启动或停机。考虑到实现一台软启动器 队多台电动机既能软启动又能软停车，控控制线路比较复杂，而且还要使 用软启动器内部的一些特殊功能。所以，本文介绍用一台软启动器对两台 电动机进行软启动、自由停车控制的电路。如图a 所示。软启动器的启动、 停止均采用二线制控制方式，即将RUN和 STOP端子连接到一起，通过一个 控制触点 KF5 与 P

14、L 端子相连。 KF5 触点接通表示启动信号，断开表示停车 信号。由于电动机启动结束后，有旁路接触器为电动机供电，图 a 中主电 路的接线方式将整个软启动器短接，因此软启动器的各种保护队电动机无 效，故每台电动机要各自增加过载保护的热继电器。 2.4.1 控制线路工作原理 工作原理如下：将 KF1 设置为隔离继电器。在图 2-4-1 控制电路中， 按 SF2 按钮，接触器 QA1 线圈通电并自锁，软启动器的进线电源上电。若 启动第一台电动机 MA1，按启动按钮 SF12，接触器 QA11线圈通电，中间继 电器 KF5 线圈通电，启动信号加入软启动器，隔离继电器 KF1 触点接通， 中间继电器

15、KF3线圈通电， KF3 敞开触点使 QA11自锁，电动机软启动开始。 当启动结束时，软启动器的结束继电器开放触点闭合，中间继电器 KF4 线 圈通电，KF4 常开触点使旁路接触器 QA12线圈通电自锁， 此时，QA11和 QA12 均接通。挼启动器旁路后，使隔离继电器 KF1 触点断开，启动结束后继电 器 KF2 触点也断开， KF3 线圈断电， KF3 常开触点使 QA11 线圈自锁回路断 开， QA11线圈十点，第一台电动机从软启动器上切除，此时软启动器处于 空闲状态。同理，若对第二台电动机软启动，则按启动按钮SF22。若使第 一台电动机停机，按停止按钮SF11，则 QA12线圈失电，主

16、触点断开，电动 机自由停机。第二台电动机的启、听控制过程分析与上述类似。为防止软 启动器带两台电动机同时启动， QA11和 QA21线圈回路增加有互锁触点。 L1 L2 FA2 TA FA2 FA1 QA1 L1 A1 FA1 QA0 STOP RUN PL L+ T1 T2 T3 KF5 KF1 KF2 B3 QA11 C1 MA2 M 3 B2 L2 L3 BB1 QA12 MA1 M 3 BB2 图 2-4-1 主电路图 2.4.2 简要电气原理图 在该设计中首先是要控制两台电机的软启动和自由停车，我们在学习 PLC时，软启动器是做重点来讲的，图 2-4-1 为一台软启动器控制两台电机

17、10 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（具有 过载保护功能） ，利用 PLC来代替传统的电气控制， 这也是现在控制的主流。 图 2-4-2 控制电路图 2.4.3 电器元件明细表 隔离继电器 KF1 按钮 SF1、SF2、SF3、SF11、SF12、SF13 接触器 QA1、QA11、QA12、QA21 、QA22 QA1 、QA12 、QA22 西门子接触器 3TF4022-0XM0 9A AC220VQA11 、 QA21 接 触 器 3TF4011-0XB0 9A AC24V 电动机 MA1 、 MA2 型号： ZD22-4, 功率： 1.5K

18、W ，电压： 380V, 电流：4.3A，转 速： 1380r/min ， 50Hz, ， 制动转矩： 19.6N.m. B 级绝缘， Y 型接法 中间继电器 KF3 、 KF4 、 KF5 启动结束继电器 KF2 热继电器 BB1 、 BB2 TK-E02T-C 热继电器过载 58A 熔断器 FA1、FA2 熔断电流 40A 断路器 QA0 断路器 QA0：DZ30-32 小型断路器额定 电流至 32A 的保护线路中作过载、短 路保护 11 3控制系统的软件设计 3.1 控制系统的部分程序设计 程序的编写是本设计另一个重要的部分，编写程序前不仅需要清楚的 了解设计远离和每部分要实现的功能，而

19、且要熟练的运用编程软件并对程 序结构有很好的掌握。怎么样编写出准确又精简的程序是软件设计的一个 挑战。下面就是针对这个设计编写的程序块。该程序要实现的功能就是一 台软启动器控制两台电机的软启动和自由停车。 3.2. S7-200 I/O 分配表 S7-200 I0.0-I0.7 Q0.0-Q0.7 I1.0-I1.7 Q1.0-Q1.1 3.3.I/O 点及其对应的 PLC地址 输入点 输出点 QA1 启动按钮 SF2 I0.0 MA1 启动线路接触器 QA11 Q0.0 QA1 停止按钮 SF1 I0.1 MA1 旁路接触器 QA12 Q0.1 MA1 启动按钮 SF12 I0.2 MA2

20、启动线路接触器 QA21 Q0.2 MA1 停止按钮 SF11 I0.3 MA2 旁路接触器 QA22 Q0.3 MA2 启动按钮 SF22 I0.4 电源线路接触器 QA1 Q0.4 MA2 停止按钮 SF21 I0.5 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。启动指示灯： Q0.5。停止指示灯： Q0.6。 运行指示灯： Q0.7 MA1 热继电器 BB1 I0.6 MA2 热继电器 BB2 I0.7 12 3.4.PLC 端子接线图 如图 3-3 图所示，

21、该电路使用处理器为 CPU 224 型，则电路 CPU外围 端子接线图如下图所示，根据主电路及其控制电路，通过各指示灯提示， 达到电路控制目标及要求。 线线线线 圈 圈 圈 圈 QA0 启动指 线 示灯 圈 运行指 备用线 示灯 圈 120/240VDC N(+) QA11 QA2 L(-) QA12 1 QA22 N(+) L(-) N(+) L(-) 动 止 动 止 动 止 电器 1LQ0.OQ0.1Q0.2Q0.3 2L Q0.4 Q0.5 Q0.6 3LQ0.7 Q1.0 Q1.1 N L1AC 图 3-4CPU224 外围端子接线 3.5. 系统简易工作流程图 如图 3-4 图所示，

22、当系统开始工作，按照电路原理正常启动，启动开 13 始按钮，发出信号启动 SF2，接通电路，这时启动 SF12MA1软启动 .SF22MA2 软启动，这时看确定电机是否正常工作。当启动该软启动器时，必须先接 通电源线路先合上断路器 QA0，按 SF2 按钮，接触器 QA1线圈通电并自锁， 软启动器的进线电源上电。若启动第一台电动机MA1，按启动按钮 SF12， 接触器 QA11线圈通电， 中间继电器 KF5 线圈通电， 启动信号加入软启动器， 隔离继电器 KF1 触点接通， 中间继电器 KF3 线圈通电， KF3敞开触点使 QA11 自锁，电动机软启动开始。当启动结束时，软启动器的结束继电器开

23、放触 点闭合，中间继电器 KF4 线圈通电， KF4常开触点使旁路接触器 QA12线圈 通电自锁，此时， QA11 和 QA12 均接通。挼启动器旁路后，使隔离继电器 KF1触点断开，启动结束后继电器KF2 触点也断开， KF3 线圈断电， KF3 常 开触点使 QA11线圈自锁回路断开， QA11线圈十点，第一台电动机从软启动 器上切除，此时软启动器处于空闲状态。同理，若对第二台电动机软启动， 则按启动按钮 SF22。若使第一台电动机停机，按停止按钮SF11，则 QA12 线圈失电，主触点断开，电动机自由停机。第二台电动机的启、停控制过 程分析与上述类似。 开始 启动 SF12 MA1软启动

24、 启动 SF22 MA2 软启动 换 MAI 旁路 工作 换 MA2 旁路 工作 MAI 正 常工作 MA2 正常 工作 图 3-5 ：系统工作流程图 14 4. 总结 这篇论文针对软启动器控制两台电动机软启动及自由停车要求，设计 了一套由 PLC、电动机、软启动器、编码器、等主要设备构成的控制系统， 克服了传统继电器接触式控制系统普遍存在的效率低、可靠性差、自动化 程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的 可 编程控制器控制系统。设计中使用西门子公司开发的 S7-200 PLC 实现对两 台电动机的启动及自由停车的精确控制。 随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，可

25、编程控制器的飞速 发展及其强大的功能使它成为工业自动化的技术之柱之一，在工业自动控 制领域占有十分重要的地位。但是，虽然可编程控制器比传统的继电器具 有诸多的优势，取代了继电器，可它所取代的主要是逻辑控制部分，而电 气控制系统中的信号采集和驱动输出部分仍然完成不了。所以 PLC 控制技 术在逐步发展和走向成熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。 通过学习现代电气控制及 PLC 应用技术这门课程，我能综合运用 PLC 技术，在 PLC 课程中的所学到的理论知识来完成设计和分析电路，熟悉了 工程实践中电子电路的设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的。 这次课程设计，是一次理论与实践的结合

26、，也可以说让我们平时的积累得 到一次施展，加深了对 PLC 技术的理解和应用，明白了所学知识的重要性 和自己理论知识的欠缺，增加了自己对所学课程的兴趣。在做课程设计的 过程中，我真正的体会到了学校开设这门颗的目的和必要性的所在。因为 在平时的课堂学习和上机进行的实验操作中。同学们都是在编好的实验指 导书的指导下进行操作的，有时不是很明白也可以得到正确的结果。所以 一个学期下来，自己究竟掌握了多少知识自己也不知道。而课程设计就能 够让我们知道自己的不足从而进行查漏补缺，把以前掌握不熟的理论知识 或是软件的运用掌握熟练。对它们都有一个整体的系统把握，从而更好的 去理解这些知识达到一个新的认识高度。另外，就是课程设计的理论于实 践的结合，使我们把学到的知识应用到实际操作之中去。 当然，在实际操作中我也遇到了很多问题，难以解决：首先，就是单 15 台软启动器控制两台电机的原理以及电路原理图的绘画。虽然书上学到了 一些电路，但并不完整不全面，而软启动器控制两台电机