基于PLC的电动机控制系统设计毕业论文设计

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IAbstract I1 绪论 11.1本文研究的目的和意义 11.2PLC电路控制的发展现状 31.3本文主要研究内容 32 三相异步电动机的基本介绍 42.1三相异步电动机的基本结构 42.1.1定子 4.2转子 42.2三相异步电动机的工作原理 42.3三相异步电动机可逆运行控制电路 53 PLC基础 83.1PLC的产生 83.2PLC的定义 83.2PLC的基本结构 84 基于PLC的电动机控制系统 114.1PLC对三相异步电机的正反转控制 114.1.1正反转继电器控制图 114.1.2I/O接线图 114.1.3梯形图 124.1.4指令表 124.1.5PLC控制的工作过程的分析 124.2两台电动机顺序起动联锁控制 124.2.1顺序启动继电器控制图 134.2.2I/O接线图 134.2.3梯形图 144.2.4指令表 144.2.4PLC控制的工作过程的分析 144.3PLC控制三相异步电动机的优点 15结论 16参考文献 17附录 18致谢 20绪论1.1本文研究的目的和意义本文主要研究三相异步电动机采用PLC进行系统控制。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。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。PLC在三相异步电机控制中的应用与传统的继电器控制相比，具有编程简单、使用方便、控制速度快、可靠性高、灵活性强等优点，使得PLC成为现代工业自动化的支柱，随着PLC成本的降低和应用日益广泛，三相异步电动机的常规控制应用PLC技术越来越成现实。（1）编程简单，使用方便梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂，。（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。（3）功能强，扩充方便，性能价格比高可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。（4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。一般可用接线端子连接外部接线。可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。（5）可靠性高，抗干扰能力强可编程序控制器是为现场工作设计的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等，例如，西门子公司S7-200系列PLC内部EEPROM中，储存用户原程序和预设值在一个较长时间段（190小时），所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块，可以确保停电后中间数据能保存200天。软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟，加强对程序的检测和校验。从而提高了系统抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。（6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品。目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：（1）逻辑控制可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。（2）运动控制可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。（3）过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。（4）数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（5）构建网络控制可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。当然，并非所有的可编程序控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可编程序控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资金。PLC电路控制的发展现状在欧美等国家，软PLC已开始投入工业使用，而且市场份额每年都在增加，根据ARC的调查和估计，1997年全球的软PLC市场有3千6百万美元，到2000年软PLC的市场达到了1亿4千5百万美元，2001年差不多又增长了一倍。目前，欧美等西方国家都把软PLC作为一个重点投资对象进行研究开发。工业领域已经开始使用软PLC产品，而且软PLC的市场需求量也在不断的增长。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。PLC是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作系统。它采用可编程序的存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数

及算术运算等操作指令，通过数字量、模拟量输入与输出，控制机械运动和生产过程。1.3本文主要研究内容本文主要研究三相异步电动机的控制是采用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。三相异步电动机的基本介绍2.1三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2-1为三相异步电动机结构示意图。(a)外形图；(b)内部结构图图2-1三相异步电动机结构示意图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0.5mm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，槽内嵌放定子绕组，如图2-2所示。图2-2三相异步电动机的定子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。按转子绕组形式不同，可分为绕线式和鼠笼式两种。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。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2-3三相异步电动机工作原理图2.3三相异步电动机可逆运行控制电路图2-4电动机可逆运行控制电路线路分析如下：1）正向启动：（1）合上空气开关QS接通三相电源（2）按下正向启动按钮SB3，KM1通电吸合并自锁，主触头闭合接通电动机，电动机这时的相序是L1、L2、L3，即正向运行。2）反向启动：（1）合上空气开关QS接通三相电源（2）按下反向启动按钮SB2，KM2通电吸合并通过辅助触点自锁，常开主触头闭合换接了电动机三相的电源相序，这时电动机的相序是L3、L2、L1，即反向运行。（3）互锁环节：具有禁止功能在线路中起安全保护作用。3）接触器互锁：KM1线圈回路串入KM2的常闭辅助触点，KM2线圈回路串入KM1的常闭触点。当正转接触器KM1线圈通电动作后，KM1的辅助常闭触点断开了KM2线圈回路，若使KM1得电吸合，必须先使KM2断电释放，其辅助常闭触头复位，这就防止了KM1、KM2同时吸合造成相间短路，这一线路环节称为互锁环节。4）按钮互锁：在电路中采用了控制按钮操作的正反传控制电路，按钮SB2、SB3都具有一对常开触点，一对常闭触点，这两个触点分别与KM1、KM2线圈回路连接。例如按钮SB2的常开触点与接触器KM2线圈串联，而常闭触点与接触器KM1线圈回路串联。按钮SB3的常开触点与接触器KM1线圈串联，而常闭触点压KM2线圈回路串联。这样当按下SB2时只能有接触器KM2的线圈可以通电而KM1断电，按下SB3时只能有接触器KM1的线圈可以通电而KM2断电，如果同时按下SB2和SB3则两只接触器线圈都不能通电。这样就起到了互锁的作用。5）电动机的过载保护由热继电器FR完成。图2-5电动机可逆运行控制电路的调试（1）检查主回路路的接线是否正确，为了保证两个接触器动作时能够可靠调换电动机的相序，接线时应使接触器的上口接线保持一致，在接触器的下口调相。（2）检查接线无误后，通电试验，通电试验时为防止意外，应先将电动机的接线断开。6）故障现象预处理：（1）不启动；原因之一，检查控制保险FU是否断路，热继电器FR接点是否用错或接触不良，SB1按钮的常闭接点是否不良。原因之二按纽互锁的接线有误。（2）起动时接触器“叭哒”就不吸了；这是因为接触器的常闭接点互锁接线有错，将互锁接点接成了自己锁自己了，起动时常闭接点是通的接触器线圈的电吸合，接触器吸合后常闭接点又断开，接触器线圈又断电释放，释放常闭接点又接通接触器又吸合，接点又断开，所以会出现“叭哒”接触器不吸合的现象。（3）不能够自锁一抬手接触器就断开，这是因为自锁接点接线有误。PLC基础PLC的产生1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（ProgrammableController）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（ProgrammableLogicController）。3.2PLC的定义“可编程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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。PLC的基本结构可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。（如下图3-1所示）图3-1PLC控制系统示意图可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）存储器（RAM和EPROM）输入/输出模块（简称I/O模块）编程器和电源五大部分组成。1）CPU模块CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：（1）输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。（2）程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。（3）输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。2）I/O模块I/O模块是系统的眼、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、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、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、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。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。从外部引入的尖蜂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，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。3）编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。4）开关量I/O模块开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V，12V，24V，48V和交流110V，220V等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V输入模块的允许低电压为0~70V，高电压为70~256V，频率为47~63HZ。各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。开关量I/O模块可能4，8，16，32，64点。图3-2直流输入电路基于PLC的电动机控制系统4.1PLC对三相异步电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4.1.1正反转继电器控制图图4-1正反转继电器控制图4.1.2I/O接线图图4-2I/O接线图4.1.3梯形图图3-3梯形图4.1.4指令表表4-1指令程序地址指令数据00LDX101ORY102AND-NOTX103AND-NOTY204OUTY105LD06OR Y207AND-NOTX108AND-NOTY109OUTY210END4.1.5P按下SB2，输入继电器X2动合触点闭合，输出继电器Y1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X1动断触点断开，输出继电器Y1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，输入继电器X3动合触点闭合,Y2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4.2两台电动机顺序起动联锁控制在装有多台电动机的生产机械上，有时必须按一定的顺序起动电动机，才能满足工作的需要。例如某个设备要求:“必需首先起动甲电动机，然后才能起动乙电动机，当甲电动机停止后，乙电动机自动停止”。这种要求可采用下面的控制线路来实现。4.2.1图3-4顺序启动继电器控制图4.2.2图3-5I/O接线图4.2.图3-6梯形图4.2.表4-2指令程序地址指令数据00LDX101ORY102AND-NOTX203OUTY104LDX305ORY206ANDY107AND-NOTX408OUTY109END4.2.4按下M1的起动按钮SB1,输入继电器X1动合触点闭合,输出继电器Y1线圈接通并自锁,接触器KM1得电吸合,电动机M1起动运转;同时连接在Y2线圈驱动电路的Y1动合触点闭合,为起动电动机M2作准备。可见,只有电动机M1先起动,电动机M2才能起动。这时如果按下M2的起动按钮SB3,输入继电器X3动合触点闭合,Y2线圈接通并自锁,接触器KM2得电吸合,电动机M2起动运转。按下M1的停止按钮SB2，X2动断触点断开，使Y1线圈失电，并且由于连接在Y2线圈驱动电路的Y1动合触点的断开，使得Y2线圈同时失电，两台电动机都停止运行。若只按下M2停止，按钮SB4时，X4动断触点断开；使得Y2线圈失电，M2停止运行，而M1仍运行。4.3PLC控制三相异步电动机的优点本文设计就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，就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，第一章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；第二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、工作原理等；第三章PLC基础、工作原理、应用分类等。第四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斧正。

参考文献[1]黄中玉.PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2009[2]胡伟轩电工技术[M].湖北：华中科技大学出版社，2004[3]常