三部电机运行电气控制及PLC程序设计

摘要自第二次工业革命以来，电动机作为一种新动力来源逐渐取代了其它的劳动力，成为主要的动力来源。所以如何精准控制电动机成为了一项意义重大的课题。而控制性能卓越，维护成本低廉，系统安全可靠的PLC（可编程控制器）得到的广泛的认可。不断探索PLC的新控制方式成为一个热门的研究方向。正式由于PLC技术应用于实际的工业控制，工业生产效率得到了提高。在三台电机启动停止控制程序设计和仿真的设计过程中，包括着非常具体的设计思路和方法。比如输入输出口的计算与分配，PLC芯片的选型，硬件系统的具体设计，采用GXDeveloper的仿真。这些过程都很好的展示了PLC的使用和设计思路，具有很好的借鉴意义关键词：工业控制；可编程控制器；三菱GXDeveloper仿真软件ABSTRACTSincethesecondindustrialrevolution.themotorasanewsourceofpowergraduallyreplacetheotherlabor.asthemainsourceofpower.Howtoaccuratelycontrolthemotorhasbecomeasignificantissue.Whilethecontrolofhighperformance.lowmaintenancecosts.thesystemsafeandreliablePLC(programmablecontroller)togetawiderangeofrecognition.ConstantlyexploringthenewcontrolofPLChasbecomeapopularresearchdirection.DuetotheapplicationofPLCtechnologyindustrialcontrol.industrialproductionefficiencyhasbeenimproved.InthethreemotorstartandstopcontrolprogramdesignideasandmethodsSuchastheinputanoutputofthecalculation.PLCchipselection.Thespecificdesignofthehardwaresystem.UsingGXDevelopersimulation.TheseprocessesareverygoodshowtheuseofPLCanddesignideashasagoodreference.Keywords：industrycontrol;programmableControllers;MitsubishiGXDevelopersimulationsoftware目录TOC\o"1-3"\h\u313811绪论 1159221.1工业控制现状

153781.2电气控制的发展

1113381.3设计的主要内容

1207982三部电动机启停PLC控制系统硬件设计 3102852.1三部电动机启停控制的要求 374942.2I/O点的统计 3148002.3PLC选型及参数介绍 4254842.3.1PLC的选择 4325582.3.2PLC的参数简介 5170612.4I/O点分配与PLC外接线图 5146832.4.1I/O点分配 5125052.4.2PLC的接线原理图 668323三部电动机启停控制系统程序设计 76763.1常用的编程方法介绍 7313363.2三部电动机启停控制系统程序设计 8185203.2.1三部电动机启停控制系统编程方法 842523.2.2三部电动机启停PLC控制系统梯形图设计 91634程序仿真 14223824.1仿真软件介绍 1423244.2仿真过程及其仿真结果分析 1430847结束语 2317474参考文献 241874致谢 2531754附录 264437附录A三部电动机启停控制系统梯形图 261307附录B三部电动机启停PLC控制接线图 291绪论1.1工业控制现状

在电子科学技术不断发展的现在，工业控制技术也得到了长足的发展。伴随着微电子技术、通信技术、传感器技术以及物联网的飞速发展，工业控制也得到了良好的发展，呈现出多功能、高效率的新态势。比如在工业控制自动化程度的提高，在控制系统对于各个设备的工作状态的实时监控与控制，工作设备的远程控制精确度，以及控制系统稳定性的提高。以及在在网络技术迅猛发展的带动下，工业控制与网络的深度结合，使其达到控制设备智能维护，控制数据实时上传等诸多功能。在这些新技术、新方法的支撑下，技术工作人员能够远程的对于控制设备以及系统进行调试、维护、升级。方便了管理人员对工作设备的监控，从而大大提高了工作效率。提升了设备的服务能力，使得工业控制更方便、更智能、更可靠。1.2电气控制的发展

自二极管被发明以来，人类便开始了对自动控制的想象和探索。在1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台PLC，那时的芯片功能远没有现代的芯片功能强大，只能完成一些像定时、计数、以及逻辑控制等基本的功能。不过确立的PLC的基本框架。随着科学技术的进步和发展，在20世纪70年代人类发明了新型PLC芯片。其中增加了CPU模块，是的其增加了运算、数据传输处理的功能。使得PLC技术快速发展。技术基本成熟。随后在70年代末期将PLC芯片投入到实际的生产中。有此PLC的发展更趋向于实用化，其技术也有了质的飞跃。在20世纪末，可编程控制芯片与现代工业进一步融合，使其更符合现代工业发展的需要。由于PLC是计算机科学和自动化技术交叉学科的产物，它具备计数、逻辑运算、计时等基本的自动化控制功能，还能在外接设备的数字\模拟信号，与外接设备有着良好的兼容性，能安全、稳定、可靠的实现自动控制。而且其系统维护、升级也相对比较简单，能够很好的适应现代工业控制的需求。所以在工业控制领域PLC一直吸引着大量的关注。近些年来科学技术的更新换代的速度也越来越快，工业控制的自动化水平也越来越高，也有越来越多的公司和单位致力于研究更小型、更智能、能耗比更高、功能更复杂的PLC产品。1.3设计的主要内容

首先对于设计的题目和要求进行了分析，并分析具体的工作原理。然后设计硬件系统。其中包括统计I\O口的个数，选择合适的PLC芯片。设计具体的电路图，时序图。并利用逻辑代数法图设计了三部电动机启停控制的程序梯形图。通过具体的仿真软件测试是否达到预期的目的。各章节的内容安排如下：绪论，主要介绍可编程控制器控制的发展现状、趋势及设计的主要内容。三部电动机启停控制系统的硬件设计，主要写了三部电动机启停控制I/O点的统计、PLC的选型和PLC的外部接线图设计。三部电动机启停控制系统的软件设计，主要写了编程语言的选择、逻辑方程的得到和程序的设计。三部电动机启停控制软件的仿真，主要写了对仿真软件的介绍和在不同情况下所获得的仿真波形。通过使用三菱仿真软件GXDeveloper对其控制程序进行仿真与调试，检测设计是否达到了要求，是否符合设计思路。2三部电动机启停PLC控制系统硬件设计2.1三部电动机启停控制的要求（1）电源ON时，按SB4、SB5无作用。（2）按SB3，M3电动机运转[M3、HL3动作]，此时按SB5无作用。（3）按SB4，M2运转[M2、HL2动作]。（4）按SB5，M1运转[Ml、HLl动作]。（5）按SBl时M1停止，5s后[HL2闪烁5次]M2停止，10s后[HL3闪烁10次]M3停止。（6）按SB2时M3运转，5s后[HL3闪烁5次]M2加入运转，10s后[HL2闪烁10次]M1加入运转。（7）运转中按SB6，全部电动机立即停止运转。（8）电动机全部运转，热继电器(FR3)动作，M3、M2、M1全部停止。Bz与HL4会交替响、亮(0．5s／ON，0．5s／OFF)。此时将SA切于2，则BZ停响HL4亮。当热继电器FR3复位时，HL4熄灭，SA切回1的位置。（9）电动机全部运转中，热继电器FR2动作，则M2、M1停止，M3继续运转，BZ与HL4会交替响、亮(0．5s／ON，0．5s／OFF)。此时将SA切于2位置，则BZ停响HL4亮。此时按SB6，则M3停止。当热继电器FR2复位时，HL4熄灭，SA切回l的位置。（10）电动机全部运转中，热继电器FRl动作，M1停止，M3、M2继续运转，Bz与HL4会交替响、亮(0．5s／ON，0．5s／OFF)。此时将SA切于2位置，PL4亮BZ停响。此时按SB6，则M3、M2停止。当热继电器FRl复位时HL4熄灭，SA切回1的位置。2.2I/O点的统计根据设计要求可得三部电动机启停控制设计所需的输入点分别为：M1电动机启动开关、M2电动机启动开关和M3电动机启动开关，占用三个输入点；三部电动机依次停止开关，占用一个输入点；依次启动三部电机，占用一个输入点；立即停止所有电动机开关，占用一个输入点；热继电器TH—RYl动作开关、热继电器TH—RY2动作开关和热继电器TH—RY3动作开关，占用三个输入点；COS切换开关，占用一个输入点；总计共有10个输入点。具体输入点统计如表1所示。表1输入点统计表序号输入点数量1三部电机依次停止按钮12三部电机依次启动按钮13电动机M3启动按钮14电动机M2启动按钮15电动机M1启动按钮16全部电机立即停止按钮17热继电器TH—RYl动作开关18热继电器TH—RY2动作开关19热继电器TH—RY3动作开关110COS切换开关1合计10根据设计要求可得三部电动机启停控制设计所需的输入点分别为：M1电动机线圈、M2电动机线圈和M3电动机线圈，占用三个输出点；M1电动机指示灯PLl、M2电动机指示灯PL2和M3电动机指示灯PL3，占用三个输出点；热继电器动作指示灯PL4，占用一个输出点；热继电器动作警报器，占用一个输出点；总计共有8个输出点。具体输入点统计如表2所示。表2输出点统计表序号输出点数量1电动机M1接触器12电动机M2接触器13电动机M3接触器14电动机M1指示灯15电动机M2指示灯16电动机M3指示灯17热继电器动作警报器18热继电器动作指示灯1合计82.3PLC选型及参数介绍2.3.1PLC的选择选择PLC芯片一般主要考虑这几个方面的问题：首先应该考虑I\O口的的数量是否够用，其次应该考虑用户的内存容量是否够用，再者应该考虑该PLC普及，配套的开发、仿真软件是否开发到位。（1）I/O点数估计：在上文2.2节中对本设计的I\O口数量已经进行了统计，确保输入输出口的数量是够用的。另外考虑到设计是否足够合理，会不会出现需要改动的地方，以及统计是否足够准确，之后的系统要不要进行升级，功能需要扩展等诸多因素。选择输入输出口数量的时候，一般会留下15%左右的余量。（2）用户存储容量估算：这一项通常需要一定的经验，在设计之前一般无法准确的计算出需要多大的用户内存容量。但是可以通过I\O口的数量，设计的复杂程度来大致估算出需要的用户存储容量的大小，从而选择具备合适用户存储容量大小的PLC芯片。通过以上几点选择标准，可以得知要完成该设计，共需要输入口10个，输出口8个。该设计要求并不复杂，最终三部电机启动停止控制的PLC芯片选择普及程度高，配套软件开发到位的三菱公司的FX2N-32MR继电型。2.3.2PLC的参数简介FX2N-32MR继电器型PLC的输入和输出点数满足设计需求都是16个，该设计中需要了解的技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输入和输出技术指标，及功能技术指标，具体的参数如下所示。（1）一般技术指标：环境温度，使用时为℃到50℃之间；环境湿度，一般以不结露时为准，在没有腐蚀的环境下工作。（2）电源技术指标：电源电压一般为AC100到240V和50/60Hz。（3）输入技术指标：输入电压为DC24V，输入电流为7mA。2.4I/O点分配与PLC外接线图2.4.1I/O点分配在PLC的选型之后，设计将FX2N-32MR继电器型PLC作为硬件系统的核心部件，接下来对其I/O口进行分配。根据I/O点数的统计可知，三部电动机启停控制的设计需要一个三部电机依次停止按钮、一个三部电机依次启动按钮、三个电动机启动按钮、一个所有电机立即停止按钮、三个热继电器动作开关和一个COS切换开关，共计10个输入点。根据统计需要三个电动机接触器、三个指示灯和一个报警指示端，共计8个输出点。综上所述，PLC的I/O分配表如表3所示。表3I/O分配表序号器件名称输入点输出点1三部电动机依次停止按钮X1—2三部电动机依次启动按钮X2—3电动机M3启动按钮X3—序号器件名称输入点输出点4电动机M2启动按钮X4—5电动机M1启动按钮X5—7COS切换开关X7—8热继电器TH—RYl动作开关X11—9热继电器TH—RY2动作开关X12—10热继电器TH—RY3动作开关X13—11热继电器动作警报器—Y012指示灯PL1—Y113指示灯PL2—Y214指示灯PL3—Y315热继电器动作指示灯PL4—Y416电动机M1接触器—Y517电动机M2接触器—Y618电动机M3接触器—Y72.4.2PLC的接线原理图PLC控制系统接线原理图中，SB1-SB6按钮控制电动机的启动与停止；SA为COS切换开关；FR1-FR3为热继电器；BZ为报警器；PL1-PL4为指示灯；KM1-KM3为各电动机的接触器。具体的PLC接线原理图如图1所示。图1PLC接线原理图3三部电动机启停控制系统程序设计3.1常用的编程方法介绍（1）经验法在刚刚开始发展PLC的时候，设计梯形图采用继电器电路图的设计方法，这种方法首先要学会基本的继电器电路的设计方法，然后再根据具体的情况不断的完善和修改设计图。在这个过程中要不断调试，增减其中的元器件和回路。最后才能达到理想的设计效果，当时这个过程的思路不好控制，往往在设计过程中需要耗费大量的时间和精力，降低了生产效率。而且设计经验是时间累计的产物，从业者往往不能快速的入门。（2）解析法利用数学电子技术中的逻辑电路思维来处理PLC的一系列问题，其中包括著名的布尔逻辑代数理论。以逻辑变量中的‘0’或‘1’来代替电路中出现的‘通’和‘断’将具体问题逻辑化，规律化。用科学的思路去解析电路问题，从而使得PLC的设计问题更具体，方向更加明确，思路更明确。（3）图解法图解法是一种将具体问题与图形相结合，从而更容易达到快速直观解决问题的方法。最常见的是梯形图法。这种方法是用梯形图代替PLC的程序，有点类似于C语言这种方法的元器件符号都像继电控制电路的元器件符号，通过这种形式，巧妙地吧PLC的梯形图语言和继电控制语言融合起来。降低了PLC设计的门槛。还有一种图解法是逻辑流程图解法，这种方式将输入输出关系用逻辑流程框图表示出来。这种方式有着明确的因果关系。以及其中的相互条件。最后还有一种是实习流程图。该图以时间作为唯一变量。描述出不同的元件随时间变化时的状态变化。最后描绘出相对应得流程任务图。最后得到相对应得PLC程序。3.2三部电动机启停控制系统程序设计3.2.1三部电动机启停控制系统编程方法根据三部电动机启停控制的要求，可以获得输出的逻辑方程；首先根据需要得到相应的辅助继电器输出：辅助继电器M1为按下按钮SB1时满足逻辑方程：(1)辅助继电器M2为按下按钮SB2时满足逻辑方程：(2)辅助继电器M3为COS切换开关动作时满足逻辑方程：(3)辅助继电器M4为热继电器动作时满足逻辑方程：(4)辅助继电器M5为三部电动机都运转时满足的逻辑方程：(5)辅助继电器M6、M7满足逻辑方程：(6)(7)根据辅助继电器的建立可以得到电动机、指示灯和警报器动作的逻辑方程为：（1）电动机M3运转满足：按下按钮SB3或者按下按钮SB2都可以使电动机M3启动；逻辑方程为：(8)（2）电动机M2运转满足：在电动机M3运转后按下按钮SB4，电动机M2启动，或者按下SB2过5S后启动；逻辑方程为：(9)（3）电动机M1运转满足：在电动机M3、M2运转后按下按钮SB5，电动机M1启动，或者按下SB2过10S后启动；当按下SB6、SB1或者热继电器动作时，电动机停止。逻辑方程为：(10)（4）指示灯PL1动作满足：按下按钮SB5后动作，也就是电动机M1启动时点亮；逻辑方程为：(11)（5）指示灯HL2动作满足：按下按钮SB4后动作，或者按下按钮SB1时闪烁5次停止，以及按下按钮SB2时闪烁10次点亮；逻辑方程为：(12)（6）指示灯HL3动作满足：按下按钮SB3后动作，或者按下按钮SB1时闪烁10次停止，以及按下按钮SB2时闪烁5次点亮；逻辑方程为：(13)（7）指示灯HL4动作满足：当热继电器TH-RY1、TH-RY2或者TH-RY3动作时，指示灯PL4会一直闪烁直到热继电器复位时才会熄灭；逻辑方程为：(14)（8）警报器BZ动作满足：当热继电器FR1、FR2或者FR3动作时，警报器会一直响停直到SA切换开关切到2时才会停响；逻辑方程为：(15)3.2.2三部电动机启停PLC控制系统梯形图设计根据逻辑表达式可以获得梯形图。辅助继电器输出的梯形图。辅助继电器M1获得的梯形图如图2所示。图2辅助继电器M1输出梯形图辅助继电器M2获得的梯形图如图3所示。图3辅助继电器M2输出梯形图辅助继电器M3获得的梯形图如图4所示。图4辅助继电器M3输出梯形图辅助继电器M4获得的梯形图如图5所示。图5辅助继电器M4输出梯形图辅助继电器M5获得的梯形图如图6所示。图6辅助继电器M5输出梯形图辅助继电器M6、M7获得的梯形图如图7所示。图7辅助继电器M6、M7输出梯形图（2）电动机M3运转与停止的获得：按下按钮SB3或者按下SB2电动机M3运转并自锁，按下SB6或者按下SB1过10S后，电动机M3停止运转，热继电器FR3动作，电动机M3也停止运转。梯形图如图8所示。图8电动机M3输出梯形图（3）电动机M2运转与停止的获得：按下按钮SB4或者按下SB2过5S后电动机M2运转并自锁，按下SB6或者按下SB1过5S后，电动机M2停止运转，热继电器FR3和热继电器FR2动作，电动机M2也停止运转。梯形图如图9所示。1图9电动机M2输出梯形图（4）电动机M1运转与停止的获得：按下按钮SB5或者按下SB2过10S后电动机M1运转并自锁，按下SB6或者按下SB1后，电动机M1停止运转，热继电器FR3、热继电器FR2和热继电器FR1动作，电动机M1也停止运转。梯形图如图10所示。图10电动机M1输出梯形图（5）指示灯PL1：当按下按钮SB5，指示灯HL1动作。电动机M1停止运转时，指示灯PL1灭掉。梯形图如图11所示。图11指示灯HL1输出梯形图（6）指示灯HL2：当按下按钮SB4，即电动机M2运转时指示灯HL2动作；当按下SB1时，指示灯HL2以亮0.5S灭0.5S闪烁5次后灭掉；当按下按钮SB2时，指示灯HL2闪烁10次（亮0.5S灭0.5S）后保持亮。梯形图如图12所示。++图12指示灯HL1输出梯形图（7）指示灯HL3：当按下按钮SB3，即电动机M3运转时指示灯HL3动作；当按下SB1时，指示HPL3以亮0.5S灭0.5S闪烁10次后灭掉；当按下按钮SB2时，指示灯HL2闪烁5次（亮0.5S灭0.5S）后保持亮。梯形图如图13所示。图13指示灯HL1输出梯形图（8）指示灯HL4：当热继电器TH-RY3、热继电器FR2和热继电器FR1动作时，指示灯HL4一直闪烁（亮0.5S灭0.5S），直到热继电器复位后才会熄灭。梯形图如图14所示。警报器BZ：当热继电器FR3、热继电器FR2和热继电器FR1动作时，警报器BZ一直交替响停（响0.5S停0.5S），直到SA切换开关切与2时才会停响。梯形图如图14所示。图14指示灯HL4与警报器输出梯形图

4程序仿真4.1仿真软件介绍GXDeveloper是三菱PLC的配套编程软件。其软件适用于大部分的PLC产品，程序设计比较有规律，能够兼容Windows系统。这个软件操作门槛较低，容易熟练掌握。而且与PLC芯片有良好的匹配，方便调试和维护。是PLC发展软件的不二之选。4.2仿真过程及其仿真结果分析当按下按钮SB3时，可以看到电动机M3开始运转，以及指示灯HL3亮；仿真结果如图15所示。图15按钮SB3按下仿真图在电动机M3运转后，按下按钮SB4时，电动机M2开始运转，以及指示灯HL2亮；仿真结果如图16所示。图16按钮SB4按下仿真图在电动机M3和电动机M2运转后，按下按钮SB5时，电动机M1开始运转，以及指示灯HL1亮；仿真结果如图17所示。图17按钮SB5按下仿真图当电动机M1、M2和M3都运转后，按下按钮SB6时，所有电动机立即停止。仿真结果如图18所示。图18按钮SB6按下仿真图当电动机M1、M2和M3都运转后，按下按钮SB1时，电动机M1停止，5S后电动机M2停止，10S后电动机M3停止。仿真结果如图19至图21所示。图19按钮SB1按下五秒后的仿真图图20按下按钮SB1十秒后的仿真效果图21按钮SB1按下十五秒仿真图当电动机M1、M2和M3都停止后，按下按钮SB2时，电动机M3启动，5S后电动机M2启动，10S后电动机M1启动。仿真结果如图21至图23所示。图22按下SB2五秒后电机M3开始运转图23按下SB2十秒后电机M2、M3开始运转图24按下按钮十五秒后三台电机都开始运转效果图当热继电器FR1动作时，电动机M1停止，警报器BZ和指示灯HL4会交替响亮。仿真波形如图24所示。图25热继电器动作后的效果图热继电器FR3复位后的仿真效果如图25所示。图26热继电器FR3复位后的仿真效果控制要求第九步，电动机全部运转中，热继电器FR2动作，则M2、M1停止，M3继续运转，BZ与HL4会交替响、亮(0．5s／ON，0．5s／OFF)。仿真如图23所示。将SA切于2位置，则BZ停响HL4亮。此时按SB6，则M3停止。当热继电器FR2复位时，HL4熄灭，SA切回l的位置。仿真效果如以下两图所示。图27热继电器FR1动作时仿真波形图图28开关SA置于2位置时仿真图图29SA开关切换到1时仿真波形图 电动机全部运转中，热继电器FRl动作，M1停止，M3、M2继续运转，Bz与HL4会交替响、亮(0．5s／ON，0．5s／OFF)。此时将SA切于2位置，PL4亮BZ停响。此时按SB6，则M3、M2停止。当热继电器FRl复位时HL4熄灭，SA切回1的位置，仿真图如下。图30热继电器FR1动作时的仿真波形图图31此时将SA切于2位置的仿真波形图至此三台电机的启动停止控制仿真已经完成，完全达到设计要求和目的。进一步验证了设计的正确性。设计也接近了尾声，设计工作得到实际的确认。结束语随着工业的高速发展和对电动机高精度控制的需求，可编程控制器PLC对电动机启停控制逐渐成为工厂电机控制的主导。于对三部电动机启停的PLC控制系统进行了设计，主要内容包括以下几个方面：介绍了三部电动机启停控制的工作原理和组成结构，分析了三部电动机启停系统所需要的控制要求。根据三部电动机启停的控制要求进行I/O点的统计，并选用三菱FX2N-32MR继电器型PLC作为控制器，设计出了PLC的外部接线图。进行了三部电动机启停控制系统的软件设计，设计了程序控制的梯形图程序，并采用GXDeveloper仿真软件对控制程序进行了仿真和调试。在对三部电动机启停控制的设计中，从最初的系统硬件设计到软件设计，以及最后的仿真与调试基本满足设计思路，符合系统的控制要求。但也有不足之处，例如三部电动机分别启动时是有顺序限制的，所以可以将三部电动机分别启动设置为一个键，也就是一键多功能，按第一次电动机M3启动，按第二次电动机M2启动，按第三次电动机M1启动，这样就可以节省器件降低成本。通过对三部电动机启停PLC控制系统的设计，虽然遇到很多困难，但经过自己反复的思考和在老师及同学的帮助下，终于将所有问题解决了，课程设计不仅是一个对专业的学习机会，而且是将理论知识与生活实际结合，会学到更多理解得更深。课程设计虽然艰难但是学到了很多，以后要更努力的学习，运用自己所学的知识来运用的实际中，解决实际问题。对于PLC编程和软件调试都比较熟练，对PLC的梯形图和硬件系统的设计都有着更深刻的理解。相信未来PLC技术肯定会发展的越来越好，发展出智能化、模块化的优秀产品。

参考文献[1]史国生.电气控制与可编