PLC课程设计电动机正反转控制系统.docx

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PLC课程设计电动机正反转控制系统

燕山大学

课程设计说明书

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摘要

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，PLC已跃居工业自动化三大支柱的首位。

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。

目录

第一章PLC概述………………………………………………………1

1.1PLC的产生…………………………………………………1

1.2PLC的定义…………………………………………………1

1.3PLC的特点及应用…………………………………………2

1.4PLC的基本结构……………………………………………5

第二章控制系统设计………………………………………………7

2.1设计思路……………………………………………………7

2.2PLC的定义…………………………………………………8

2.3PLC的特点及应用…………………………………………9

结论…………………………………………………………………10

参考文献……………………………………………………………11

第一章PLC概述

1.1PLC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）。

1.2PLC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。

1.3PLC的特点及应用

1）PLC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。

2）PLC应用

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。

1.4PLC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。

（如下图一所示）

图一PLC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。

第二章控制系统设计

为了使电动机能够正转和反转，可采用两只接触器KM1、KM2换接电动机三相电源的相序，但两个接触器不能吸合，如果同时吸合将造成电源的短路事故，为了防止这种事故，在电路中应采取可靠的互锁，上图为采用按钮和接触器双重互锁的电动机正、反两方向运行的控制电路。

2.1设计思路

主电路与控制见附件2-1.

按下正转启动按钮SB2，电动机正转运行，SB4实现正转点动，SB6实现正传急停。

按下停止按钮SB1，电动机停止运行。

按下反转启动按钮SB3，电动机反转运行，SB5实现反转电动，SB7实现反转急停。

1、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。

2、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。

3、长动点动：

SB2实现正转长动，SB4有常开按钮和常闭按钮，常闭按钮与常开触点KM1串联，再同常开按钮并联，实现点动；SB3实现反转长动，SB5有常开按钮和常闭按钮，常闭按钮与常开触点KM2串联，再同常开按钮并联，实现点动。

4、反接制动（急停）：

当正转运行时，KS1是闭合的，按下按钮SB1，KM1闭合，反转导通，到速度达到接近零时SK1断开，电机停转；当反转运行时，KS2是闭合的，按下按钮SB1，KM2闭合，正转导通，到速度达到接近零时SK2断开，电机停转。

5、电动机的过载保护由热继电器FR完成。

2.2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。

2.3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。

2．4PLC的选择：

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。

选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素.此次选择西门子公司的S7-300系列PLC（CPU315-2DP）

三相异步电动机正反转PLC控制I/O端口分配表

输入电器

输入点

输出电器

输出点

停止按钮SB1

I0.2

24V正转接触器KA1

Q4.0

正转按钮SB2

I0.0

24V反转接触器KA2

Q4.0

反转按钮

I0.1

正转点动SB4

I0.3

反转点动SB5

I0.4

热继电器FR

I0.5

SK1

I0.6

SK2

I0.7

PLC连接图见附件2-2，梯形图见2-3.

结论

毕业设计是专科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的设计出可逆运行电动机的PLC控制，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。

通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。

通过这次毕业设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。

这是我们希望看到的，也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。

通过与刘老师的沟通和交流，我了解到此系统的适用条件，此设备的选用标准，以及各种器件适用性。

我的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

最终按质按量完成本次设计。

我的收获是很难用语言来描述的。

非常感谢各位老师的指导与帮助。

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

无论PLC控制电机正反转系统怎么复杂，我都采用了一些新的技术和设备。

它们有着很多的优越性，但也存在一定的不足，这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。

今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国的四化服务。

我们衷心希望，我国科技界，产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗。

参考文献

《工厂电气》《电气控制及PLC》《电路原理》《电子技术》《S7-300PLC》

参考文献

1.《PLC应用技术》　　.北京：

高等教育出版社，2003　

2《电工技术》.湖北：

华中科技大学出版社，2003　　

3《电器控制系统与可编程控制器》.北京：

机械工业出版社，2007

4《电力拖动》.2001年第30卷第一期