基于PLC电机控制系统设计.docx

1、基于PLC电机控制系统设计毕 业 设 计（论文)课 题：基于PLC电机控制系统设计姓 名： 专 业： 电机与电器班 级： 11电 机03 指导老师: 时 间：2013年10月25日摘 要可编程序控制器(PLC）是综合了计算机技术，自动化控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。它具有功能强，可靠性高，操作灵活,编程简单一级适合于工业环境等一系列优点,在工业自动化，过程控制，机电一体化,传统产业技术改造等方面的应用越来越广泛，已成为现在工业控制的三大支柱之一。 PLC应用技术发展迅速，在工业控制的众多领域都得到广泛的应用；特别是在机车电气控制系统中大量运用。为此我通过课堂上所学，采用P

2、LC对三相异步电动机进行控制.此举措不仅方便操作而且在电气系统运行可靠性有了显著提高。关键词：PLC，电机控制,交流电机。第一章 绪 论1。1计研究背景及意义可编程序控制器（PLC）是综合了计算机技术，自动化控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。它具有功能强，可靠性高，操作灵活，编程简单一级适合于工业环境等一系列优点,在工业自动化，过程控制，机电一体化，传统产业技术改造等方面的应用越来越广泛，已成为现在工业控制的三大支柱之一。三相异步电动机的应用几乎涵盖了农业生产和人类生活各个领域,在这些应用领域中，三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。

3、对于应用于大型工业设备重要场合高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。 在生产过程，科学研究和其他产业领域中，电气控制技术应用十分广泛.在机械设备的控制中，电气控制也比其他的控制方法使用的更为普遍。本系列的控制是采用PLC的编程语言梯形语言，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，它是专为在恶劣工作环境下应用而设计。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

4、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. 本文设计了三相异步电动机的PLC控制电路，该电路主要以性能稳定、简单实用为目的.1。2 PLC的发展趋势长期以来，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控制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.进入20世纪80年代，由于计算机计数和微电子技术的迅速发展，极大的推动了PLC的发展，使的PLC的功能日益增强。PLC是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。PLC通过输入/输出（I/O)装置发

5、出控制信号和接受输入信号。由于PLC综合了计算机和自动化技术,所以它发展日新月异，大大超出其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系,从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩大了PLC的功能,使其具有很强的的联网通讯能力,从而更广泛地应用于众多行业。它的发展趋势主要向几个方面发展： 1向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0。1ms/k步左右。PLC

6、的扫描速度已成为很重要的一个性能指标 。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。2向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要,今后PLC要向多品种方向发展,特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC,其使用32位微处理器,多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展,使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC,最小配置的I/O点数为816点,以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC。 3PLC

7、大力开发智能模块，加强联网通信能力 为数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块,既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围.加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信,各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;另一类是PLC与计算机之间的联网通信,一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统(DCS)不可缺少的重要组成部分. 4增强外部故障的检测与处理能力 根据统

8、计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5，I/O接口占15%，输入设备占45,输出设备占30%，线路占5%。前二项共20故障属于PLC的内部故障,它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 5编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等)等。多种

9、编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。1.3 电机的发展趋势 现代化装备向电机工业踢出各种各样高性能要求，如军事准备要求提供给各种高性能信号电机，移动电站，自动化装备用伺服系统及电机，航空航天用高性能，高可靠性永磁电机，花钱设备用高调速精度变频调速同步电动机，数控机床,加工中心，机器人用高调速比稀土永磁伺服电机,计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。电机所驱动的负载千变万化，如果全部采用通用型电动机在某些情况下，技术经济很不合理，因此国外大力发展专用电动机，专用电机约占总产量的80,通用机占20%。而我国恰恰相反，专用电机只占20，通用型电机占80.专用电机是根据不同负载特性专门设

10、计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机,节电率高达20%。国外提高电动机效率的主要途径是通过对异步电动机的优化设计,增加铜铝电工钢板等有效材料用量，降低绕组损耗和铁耗，采用较好的磁性材料和工艺,以降低铁耗;合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；通过改进设计和工艺，降低杂散损耗，国外已开发出高效异步电动机。根据我国国情,高性能的稀土永磁材料以实现产业化，钕铁硼的产量现已居世界第一位,钕铁硼的价格也趋向合理.所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势之一.此外，国外微电机主要技术发展趋势是：产品向高性能，小体积方向发展;直流微电机向永磁化和无刷话方向发展；控制类微电机向高性能和组合

11、化方向发展；生产技术向集约化，柔软化，自动化方向发展；测试技术向高级自动化发展.当前步进电机中最有发展前景的当属混合式步进电机,而混合式步进电机又向一下四个发展趋势:发展趋势之一，是继续沿着小型化放方向发展.随着步进电机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，如ESCAP公司研制出外径仅10mm的步进电机。发展趋势之二，是改圆形电机为方形电机。由于电机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样座机号的电机，方形的力矩比圆形的将提高3040。发展趋势之三,对电机进行综合设计.即把转子位置传感器，减速齿轮等和电机本体综合设计

12、在一起，这样使起能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。发展趋势之四，向五相隔三相电机方向发展.目前广泛应用的二相和四相电机,其振动和噪声较大，而五相和三相电机具有优势性。而就这两种电机而言,五相电机和驱动电路比三相电动机精密而且复杂，因此三相电机系统的价格比五相电机更低一些.综上所述，型电机正在向高效化 。专业化 。 集成化的方向发展，市场前景非常广阔. 第二章 三相异步电动机实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换.把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。 在生产上主要用的是交流电动机，特

13、别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。 对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；(2)工作原理；(3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动 的基本原理和基本方法（5）应用场合和如何正确使用。 2.1 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由静止的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。下图为三相异步电动机结构示意图. （a）外形图； （b) 内部结构图1. 定子 定子由定子铁心、定子绕组、机

14、座和端盖等组成。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。5 mm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,如图下图所示;2。转子转子转子由转子铁心、转子绕组、转轴组成。转子铁心由厚度为0。5mm的,相互绝缘的硅钢片叠成,硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组有两种形式： 鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。 绕线式 - 绕线式异步电动机。转轴上加机械负载其中鼠笼式电动机由于构造简单,价格低廉,工作可靠,使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机. 为了保证转子

15、能够自由旋转,在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.21。0mm之间。2.2 三相异步电动机的工作原理2。2.1 转子的转动原理 当在异步鼠笼式电动机的定子绕组上加上三相交流电时,在电机中将产生旋转磁场，该磁场的转速由定子电压的频率及电动机极数所决定。磁场旋转时，位于该旋转磁场中的转子导条将切割磁力线,并在转子导条中产生相应的感应电流，而此感应电流又受到旋转磁场的作用而产生电磁力，使转子跟随旋转磁场旋转，输出动能。2.2。2 旋转磁场的产生 设将定子三相绕组联成星形接法,三相绕组的首端u1、v1、w1分别与三相交流电的相线a、b、c相连接.为了讨论方便，选定交流电在

16、正半周时，电流从绕组的首端流入，从末端流出；反之，在负半周时，电流流向相反。定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋转磁场.当t=0时,a相电流为零;b相电流为负值，电流由v2端流进，v1端流出；c相电流为正，电流从w1端流进，w2端流出，根据右手螺旋法则，可以判定出此时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向。当t=90时，此时a相电流为正，电流由u1端流入，u2端流出；b相为负，电流由v2端流进，v1端流出；c相为负，电流从w2端流入，w1端流出，这一时刻合成磁场方向已顺时针方向在空间转过了90.同理可分别得出t=180、 t=270和t=360时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向,t=360时与t

17、=0时的合成磁场方向相同. 由此可见，电流变化一个周期，合成磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。从上述分析可知，三相电流通过定子绕组所产生的合成磁场,是随电流的交变而在空间旋转的磁场.这种旋转磁场与蹄形磁铁在空间旋转所起的作用是相同的。 2。2。3 三相异步电动机的基本原理由旋转磁场理论分析可知，如果定子对称三相绕组被施以对称的三相电压，就有对称的三相电流流过，并且会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个磁场的转速n1称为同步转速,它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为： n1=60 f1/p 转向与三相绕组的排列以及三相电流的相序有关,图中U、V、W相以顺时针方向排

18、列，当定子绕组中通人U、V、W相序的三相电流时，定子旋转磁场为顺时针转向.由于转子是静止的,转子与旋转磁场之间有相对运动，转子导体因切割定子磁场而产生感应电动势，因转子绕组自身闭合，转子绕组内便有电流流通。转子有功电流与转子感应电动势同相位,其方向可由右手发电机定则”确定。载有有功分量电流的转子绕组在定子旋转磁场作用下，将产生电磁力F，其方向由”左手电动机定则确定。电磁力对转轴形成一个电磁转距,其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转,将输入的电能变成旋转的机械能。如果电动机轴上带有机械负载，则机械负载随着电动机的旋转而旋转，电动机对机械负载做了功. 综上分析可知，三相

19、异步电动机转动的基本工作原理是: （1） 三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场。 (2) 转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流;(3） 转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。 第三章 系统设计方案3.1 总体设计方案3.1.1 设计目的 1. 学会用PLC控制主电路实现电动机正反转，达到综合应用PLC的目的;2. 学会用CAD制图;3。 学会用PLC FX2N编程软件，通过编写的程序，完成对主电路的控制；4. 学会整理并制作课程设计报告，为毕业设计报告做准备。3。1.2 控制要求三相异步电动机具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制。3.1。3 设

20、计要求 1. 控制系统采用PLC来实现； 2。 提供短路、过载、联锁等保护措施； 3。 具有紧急停车功能.3.2 硬件设计 如图下图所示,系统通过三菱FX2N可控制器及按钮来实现对电动机的控制，同时通过人机界面来进行监视与调节，从而达到电动机可靠、安全、稳定的运行。 图31为系统硬件方框图3.2.1 硬件选型 、 参数 表3-1系统原件表3.2。2 PLC的选择 此设计选择的PLC是三菱公司的产品FX2N的PLC 图3-2 FX2N系列PLC3。2。3 PLC的介绍及特点（一)PLC的特点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

21、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

22、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

23、，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,三菱公司的FX2N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.(二)该PLC的PLC的工作原理： 图33 PLC的基本工作,模式当PLC投入运行后,

24、其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段.完成上述三个阶段称作一个扫描周期.在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段.1。 输入采样阶段：在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2。 用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按

25、由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相

26、反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用.在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点.即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从I/O模块取值,输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3。输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。（三）PLC的基本结构可编程控制器（PLC）的主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成如图下图

27、所示。 图3-3 PLC的基本结构1. CPU模块 CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成，在可编程控制器系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输。存储器用来储存程序和数据.2。 I/O模块 输入（Input)模块和输出(Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、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、数字拔码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等开关量输入信号；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/

28、输出信号电压一般较高，如直流24V 和交流220V。从外部引入的尖锐电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件,或使用权可编程控制器不能正常工作。在I/O模块中，用光电耦合器，光电可控硅、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载,I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。3. 编程器 编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程控制器运行中各种编程元件的工作状态 。 编程器可以永久地连接在可编程控制器上，将编程取下来后系统也可以运行.一般只在程序逻辑输入、调试和检修时使用编程器，一台编程器可供多台编程序控制器公用。4. 电源 可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电

29、源。可编程控制器内部的直流稳压电源为各模块内的电路供电，某些可编程控制器可以输入电路和外部电子检测装置（如接近开关）提供24V真流电源，驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。3.3 软件设计3。3。1 控制系统的I/O点及地址分配 表32 3。3.2 系统工作流程框图 如图系统的工作流程所示,按下正转启动按钮SF2，使中间继电器线圈带电，通过中间继电器使接触器QA1线圈带电常开触点闭合,使定子绕组经3个电阻接通正序三相电源,电动机MA开始降压启动。当电动机转速上升到一定值时，速度继电器的正转常开触点闭合，通过中间继电器控制接触器QA3线圈带电，使其常开触点闭合,于是三个电阻被短接，定子绕组

30、直接加以额定电压，电动机转速上升到稳定工作转速.在电动机正常运转的过程中,若按下停止按钮SF1,则QA1、QA3线圈相继断电，由于此时电动机转子的惯性转速仍然很高,使速度继电器的正转常开触点尚未复原,中间继电器仍处于工作状态，所以在接触器QA1常闭触点复位后，接触器QA2线圈便通电，其常开触点闭合，使定子绕组经3个电阻获得反相序三相交流电源,对电动机进行反接制动,电动机转速迅速下降。当电动机转速低于速度继电器动作值时,速度继电器常开触点复位，中间继电器线圈掉电，接触器QA2释放，反接制动过程结束.电动机反向启动及制动与正向相同。图34系统工作流程框图第四章 三相异步电动机正反转PLC控制 4。

31、1 三相异步电动机正反转PLC控制线路图 要求当按下正转按钮,电机连续正转，此时反转按钮不起作用（互锁），按下停止按钮电机断开电源，按下反转按钮电机连续反转，正转不起作用。图41所示为三相异步电机的正反转控制原理图.主电路中,KM1的三个常开触点控制电动机的正向运转,KM2三个常开触电控制电动机的反向运转.为节省输入点数，接线图中把热继电器FR的长闭触电串联于输出电路中而未作为输入信号处理。为避免接触器的线圈断电后触电由于熔焊仍然接通情况下另一个接触器得电吸合，在输出电路中设臵了接触起辅助常闭触电的互锁三相异步电动机的工作原理应该是：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）。输 入输 出SB3X0KM1Y1SB1X1KM2Y2SB2X2SB1为正SB2为负KM1为正转接触线圈KM2为反转接触线圈 表4-1 三相异步电机的正反转控制梯型图4-1采用了两个自保电路的组合，并像 继电器控制一样采用了Y0、Y1常闭触电串于对方进行电器互锁。为了能达到正反转的直接转换，将各自启动按钮对应的输入继电器的常闭触电串于对方，进行按钮互锁。通过启保电路以及正反