三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统设计.docx

1、三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统设计一设计题目：三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统设计二设计目的1理解三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统基本原理；2掌握主电路和控制电路的个电气器件功能及应用；3运用Autocad绘制原理图和接线图；4应用S7200编程方法实现。三设计任务及要求 1. 设计三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统硬件电路；2. Autocad绘制原理图和接线图；3. 用PLC编程实现；4实现三相异步电动机正反转控制、星角启动控制及点动控制；5. 撰写设计说明书。四设计时间及进度安排 设计时间共三周,具体安排如下表：周安排设 计 内 容设计时间第一周依据三相鼠笼式异步电动机正反转、启

2、动控制原理和S7200使用方法，查找相关资料。设计控制系统的电路图和接线图。2012.8.272012.8.31第二周完成硬件焊接及软件编程。2012.9.32012.9.7第三周完成系统调试，编写设计说明书。提交作品及设计说明书，评定专业综合设计成绩。2012.9.102012.9.15五指导教师评语及学生成绩指导教师评语:2012年 9 月 15 日成绩指导教师(签字):第1章 绪论可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，尤其在控制电动机方

3、面应用更为广泛，PLC已跃居工业自动化三大支柱的首位。三相异步电动机具有机构简单，效率高，控制方便，运行可靠，易于维修成本低的优点，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。生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的启动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。生产中有的机械需要人工点动控制电机，实现点动控制功能。由于电机正反转换接时，有可能因为电动机容量较大或者操作不当等原因，使接触器主触头产生较为严重的起弧现象，如果电弧还未完全熄灭时候，反转的接触器就闭合，则会造成电源相间短路，用PLC来

4、控制电机则可避免这一问题。本文研究的这个系统的控制是采用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。第2章 总体方案确定2.1 启动方式选择将异步电动机机定子绕组接入交流电网，如果点动机的电磁转矩能够克服齐

5、轴上的阻力转矩，电动机就将从静止加速到某一转速稳态运行，这个过程称为启动。三相鼠笼式异步电动机的起动方法有全压启动和降压启动两种。1.全压启动把异步电动机定子绕组通过开关或接触器直接接到额定电压的交流电源上进行起动，称为全压起动。全压启动的优点是所需设备少，启动方式简单，成本低。电动机全压启动的电流是正常运行的5倍左右，理论上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的，都可以全压启动。这一要求对于小容量的电动机容易实现，所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的，不需要降压启动。对于大容量的电动机来说，一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机全压启动的条件，另

6、一方面强大的启动电流冲击电网和电动机，影响电动机的使用寿命，对电网不利，所以大容量的电动机和不能全压启动的电动机都要采用降压启动。 全压启动可以用胶木开关、铁壳开关、空气开关（断路器）等实现电动机的近距离操作、点动控制，速度控制、正反转控制等，也可以用限位开关、交流接触器、时间继电器等实现电动机的远距离操作、点动控制、速度控制、正反转控制、自动控制等。2.降压启动在三相异步电动机启动时，为了减少启动电流，需降低定子电压，这就是降压启动。降压启动时，电磁转矩会随定子电压的降低而减少，因此降压启动适用于对起动转矩要求不高的场合，如空载和轻载启动。下面介绍三种常用的降压启动方法。(1)用自偶变压器降

7、压启动采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转。如启动电压降至额定电压的65，其启动电流为全压启动电流的42，启动转矩为全压启动转矩的42%。 自耦变压器降压启动的优点是可以直接人工操作控制，也可以用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低，适合所有的空载、轻载启动异步电动机使用，在生产实践中得到广泛应用。缺点是人工操作要配置比较贵的自偶变压器箱（自偶补偿器箱），自动控制要配置自偶变压器、交流接触器等启动设备和元件。(2)转子串电阻启动绕线式三相异步电动机，转子绕组通过滑环与电阻连接。外部串接电阻相当于转子绕组的内阻

8、增加了，减小了转子绕组的感应电流。从某个角度讲，电动机又像是一个变压器，二次电流小，相当于变压器一次绕组的电动机励磁绕组电流就相应减小。根据电动机的特性，转子串接电阻会降低电动机的转速，提高转动力矩，有更好的启动性能。在这种启动方式中，由于电阻是常数，将启动电阻分为几级，在启动过程中逐级切除，可以获取较平滑的启动过程。(3)星角降压启动定子绕组为三角形连接的电动机，启动时接成星型，速度接近额定转速时转为三角形运行，采用这种方式启动时，每相定子绕组降低到电源电压的58，启动电流为直接启动时的33，启动转矩为直接启动时的33。启动电流小，启动转矩小。星角降压启动的优点是不需要添置启动设备，有启动开

9、关或交流接触器等控制设备就可以实现，缺点是只能用于三角形连接的电动机，大型异步电机不能重载启动。综合多种因素，本设计应选择星三角降压启动来实现异步电动机的正反转和点动控制。2.2 控制方式选择对于鼠笼异步电动机的控制方式有多种，现分析两种比较常见的控制方式（PLC控制与传统继电器控制）。1.PLC控制PLC又名可编程序控制器是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器-接触器控制系统的控制简单、使用方便、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好等特点，因而在工矿企业的各种机械设备和生产过程的自动

10、控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。PLC种类繁多，但其结构和工作原理基本相同。PLC其实就是专为工业现场应用而设计的计算机，采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元，电源及编程器几大部分组成。PLC的结构框图如图2-1所示。图2-1 PLC的结构框图有了以上这些部件，PLC便可进行正常工作。CPU通过输入接口读取数据，然后按照编制的控制程序对数据进行处理，并将处理结果发送到输出接口，驱动设备或部件的执行元件，这就是PLC的工作过程。PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要

11、求的用户程序来实现的。PLC采用的是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令，开始新一轮的扫描，PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描。这就是PLC的工作原理。PLC控制系统原理框图如图2-2所示。图2-2 PLC控制系统框图2.传统继电器控制继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器和保护电器按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的起动

12、、停止，反向、调速及多台设备的顺序控制和自动保护功能。继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器、保护电器及控制线路等组成。由于该系统操作简单直观、维护、调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，它被广泛用于工矿企业的生产控制系统。但随着PLC技术的发展和应用，继电器-接触器控制系统已逐渐被PLC控制系统所取代。继电器控制系统框图如图2-3所示。图2-3 继电器控制系统框图PLC控制与传统继电器控制比较起来，PLC控制的继电器采用软接线，触点个数无限，用户可以在不改变继电器接线的情况下，只需改变用户程序就可实现多个控制功能，软硬件相结合，可靠性高。而传统继电器控制必须是手工接线、安装，如果

13、有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。理论上可达到设计题目的所有性能指标，该设计确定使用PLC来实现异步电动机的正反转和点动。第3章 硬件电路设计3.1 主电路设计生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。由电机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。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。电动机运行的主电路如图3-1所示。图3-1电动机运行的主电路线路分析如下：1. 正向启动：(1)合上三相单刀开关KS与空

14、气开关QF接通三相电源。(2)由控制电路按钮使KM1与KM4通电，电机由星型启动进行正向运行。5s后KM1与KM3得电，电机切换到角型启动，持续正向运行。2. 反向启动：(1)合上三相单刀开关KS与空气开关QF接通三相电源。(2)由控制电路按钮使KM2与KM4通电，电机由星型启动进行反向运行。5s后KM2与KM3得电，电机切换到角型启动，持续反向运行。3. 电动机的过载保护由热继电器FR完成，在选择热继电器时应充分考虑电动机的额定功率，选择合适的热继电器。4. 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

15、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。5. 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

16、自锁接点接线有误。6. 线路中采用了四个接触器，即正转用的接触器KM1、反转用的接触器KM2、星型起动用的接触器KM4、角型起动用的继电器KM3。这四个接触器的主触头所接通的相序不同，KM1按L1L2L3相序接线、KM2则对调了两相的相序、KM3与电动机角型接线、KM4与电动机星型接线。7. 在选择断路器时，我们不仅要关注断路器的延迟曲线等主要指标，还应重视它的很多次要功能，这些常容易被忽略的性能不仅能为一个良好的设计锦上添花，而且还能帮助工程师们为其应用设计精密的保护电路。8. 辅助接点（辅助开关）：它们是与主接点电隔离的接点，适用于报警和程序开关。辅助接点可用于向操作人员或控制系统告警，发

17、出警报，或在重要应用中接通备用电源。3.2 控制电路设计 本设计采用PLC设计异步电动机的控制线路（如图3-2），PLC选择西门子公司的S7-200系列的CPU224。在PLC与主电路之间连接处需加中间继电器，这样可以保护PLC的输出端，防止负载短路烧损PLC输出点，提高承载能力。PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。SB1按钮为正转按钮、SB2按钮为停止按钮、SB3按钮为反转按钮、SB4按钮为点动按钮。图3-2 三相异步电动机的PLC控制接线3.3 器件选择3.3.1 断路器图3-3 断路器断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。当短路时，大电流（一般10至1

18、2倍）产生的磁场克服反力弹簧， 脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短）。 现在有电子型的，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。 断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时

19、把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。 低压断路器也称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。 低压断路器具有多种保护功能（过载、短路、欠电压保护等）、动作值可调、 分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。结构和工作原理低压断路器由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。 低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器

20、的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。本次设计采用的是DZ47-D5断路器。3.3.2 熔断器 图3-4 熔断器熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一

21、种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。熔断器是一种过电流保护器。熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。 以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范

22、围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3 部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件工作原理：利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。熔断器结构简单，使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。 特点：熔体额定电流不等于熔断器额定电流，熔体额定电流按被保护设备的负荷电流选择，熔断器额定电流应大于熔体额定电流，与主电器配合确定。 熔断器主要由熔体、外壳和支座 3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。熔体的材料、尺寸和形状决定了熔断特性。熔体材料分为低熔点和高熔点两

23、类。低熔点材料如铅和铅合金，其熔点低容易熔断，由于其电阻率较大，故制成熔体的截面尺寸较大，熔断时产生的金属蒸气较多，只适用于低分断能力的熔断器。高熔点材料如铜、银，其熔点高，不容易熔断，但由于其电阻率较低，可制成比低熔点熔体较小的截面尺寸，熔断时产生的金属蒸气少，适用于高分断能力的熔断器。熔体的形状分为丝状和带状两种。改变变截面的形状可显著改变熔断器的熔断特性。 熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。所以，在一定过载电流范围内，当电流恢复正常时，熔断器不会熔断，可继续使用。熔断器有各种不同的熔断特性曲线，可以适用于不同类型保护对象的需要。交流接触器是广泛用

24、作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。本次设计采用的是RT14-1A型熔断器。3.3.3 交流接触器图3-5 交流接触器交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性

25、和耐高温烧蚀性。基本组成交流接触器主要有四部分组成：(1) 电磁系统，包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2)触头系统，包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头，它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置，一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置，以便迅速切断电弧，免于烧坏主触头；(4)绝缘外壳及附件，各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。 工作原理：当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。当线圈断电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断电源。本次设计采用的是CXJ

26、2-1210型交流接触器。3.3.4 热继电器图3-6热继电器热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用

27、。 额定电压：热继电器能够正常工作的最高的电压值，一般为交流220V，380V，600V。 额定电流：热继电器的额定电流主要是指通过热继电器的电流 额定频率：一般而言，其额定频率按照4562HZ设计。 整定电流范围：整定电流的范围有本身的特性来决定。它描述的是在一定的电流条件下热继电器的动作时间和电流的平方成正比。 热继电器的作用是：主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保

28、护，而只能用作过载保护热继电器的符号为FR，电路符号如图3-7 。本次设计采用的是JR36-10型热继电器。 图3-7 热继电器 3.3.5 中间继电器图3-8 中间继电器中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。 它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。一般是直流电源供电。少数使用交流供电。结构

29、及原理线圈装在U形导磁体上，导磁体上面有一个活动的衔铁，导磁体两侧装有两排触点弹片。在非动作状态下触点弹片将衔铁向上托起，使衔铁与导磁体之间保持一定间隙。当气隙间的电磁力矩超过反作用力矩时，衔铁被吸向导磁体，同时衔铁压动触点弹片，使常闭触点断开常开触点闭合， 完成继电器工作。当电磁力矩减小到一定值时，由于触点弹片的反作用力矩，而使触点与衔铁返回到初始位置，准备下次工作。本次设计采用的是omron MY2NJ 型中间继电器。3.3.6 鼠笼式异步电动机 图3-9 鼠笼式三相异步电动机鼠笼式三相异步电动机（鼠笼式感应电动机）是指电动机的定子上为三相散嵌式分布绕组，转子为笼式的导条（因该导条形状与鼠

30、笼相似，所以又称鼠笼式异步电动机）。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（感应电动势的方向用右手定则判定）。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（力的方向用左手定则判定）。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。 通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电

31、角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。本次设计所选电机型号：所选电机：wdj26 电压：380V电流：0.2A频率：50HZ接法：三角形转速：1430 r/min绝缘等级：E第4章 软件编程4.1 S7-200简介本设计选用西门子公司的S7-200系列CPU224的小型PLC。S7-200具有极高的可靠性、丰富的指令集和内置的集成功能、强大的通信能力和品种丰富的扩展模块。S7-200可以单机运行，用于代替继电器控制系统，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7-200系列出色表现在以下几个方面： 1极高的可靠性。 2极丰富的指令集。 3易于掌握。 4便捷的操作。 5丰富的内置集成功能。 6实时特性。 7强劲的通讯能力。 8丰富的扩展模块。CPU224集成14个输入和10个输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟I/O点，13KB字节程序和数据存