PLC课程设计三相异步电动机转子串电阻启动.docx
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PLC课程设计三相异步电动机转子串电阻启动
目录
摘要…………………………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………………………1
1关于PLC……………………………………………………………………………………2
1.1概述………………………………………………………………………………………2
1.2PLC的系统组成…………………………………………………………………………2
2S7-200简介………………………………………………………………………………3
2.1概述………………………………………………………………………………………3
2.2组成………………………………………………………………………………………3
3三相异步电动机的工作原理和结构组成…………………………………………………3
3.1工作原理…………………………………………………………………………………3
3.2结构组成…………………………………………………………………………………4
3.2.1定子……………………………………………………………………………………4
3.2.2转子……………………………………………………………………………………4
3.2.3气隙……………………………………………………………………………………4
3.3异步电动机的结构特点…………………………………………………………………5
3.4转子串电阻启动的原理…………………………………………………………………5
3.5启动电阻的使用原则……………………………………………………………………5
4课程设计的目的……………………………………………………………………………5
5主接线图……………………………………………………………………………………6
5.1三相异步电动机转子串电阻启动主接线图……………………………………………6
5.2绕线式的作用以及优缺点………………………………………………………………6
6硬件系统的设置……………………………………………………………………………6
6.1资源配置…………………………………………………………………………………6
6.2PLC接线图………………………………………………………………………………7
7主程序设置…………………………………………………………………………………7
7.1主程序梯形图……………………………………………………………………………7
7.2工作过程分析……………………………………………………………………………9
8模拟软件上仿真动作与实验面板上调试演示结果……………………………………10
9课程设计总结………………………………………………………………………………11
参考文献……………………………………………………………………………………12
三相异步电动机转子串电阻启动
指导教师
摘要：
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，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。
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。
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。
关键词：
PLC；编程语言；三相异步电机；继电器
Three-phaseAsynchronousMotorRotorStringResistanceStart
StudentmajoringinAutomationLiuTong
TutorZhouJingLei
Abstract：
PLCinthree-phaseasynchronousmotorcontrolapplication,comparedwiththetraditionalrelaycontrol,hascontrolofspeed,highreliabilityandflexibility,theperfectfunctionetc.Long-termsince,PLCisalwaysintheindustrialautomationcontrolfield,iggeforvariousautomaticcontrolequipmentprovidesaveryreliablecontrolapplications.Itcanprovidesecurityforautomationcontrolapplicationreliableandcomparativelyperfectsolutions,suitableforthecurrentindustrialenterpriseofautomationneeds.Thispaperintroducesthedesignofthree-phaseasynchronousmotor,thePLCcontrolcircuit,thiscircuitmainlystableperformance,simpleandpracticalforthepurpose.
Keywords:
PLC；programming languages,；three-phase asynchronous motor,；relays
1关于PLC
1.1概述
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。
它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。
普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的输入输出，只要人机界面好就可以了。
而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。
特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。
它采用了可编程序的储存器，用来在其内部储存逻辑运算、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
应该强调的是，PLC机械式的顺序控制器在“可编程”方面有着质的区别。
由于PLC引入了微处理机及半导体储存器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，所以能灵活的修改程序即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。
1.2PLC的系统组成
中央处理单元（CPU）：
中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与储存单元、输入/输出接口电路相连接。
储存器：
PLC使用的储存器类型有三种：
只读储存器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和可电擦除可编程的只读储存器（EEPROM）。
输入/输出单元：
输入/输出单元包含两部分：
一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
电源部分：
PLC一般使用220V的交流电源或24V的直流电源。
扩展接口：
扩展接口用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连。
通信接口：
有些PLC配有一定的通信接口以完成人机对话。
编程设备：
现在的PLC厂家不再提供编程器转而给用户提供配置在PC上运行的编程软件。
其他部件：
需要时PLC可配有储存器卡、电池卡等。
2S7-200简介
2.1概述
S7-200自成一体：
别紧凑但是具有惊人的能力－特别是有关它的实时性能－它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。
但是还有更多特点：
S7-200PLC具有统一的模块化设计－目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。
这一切都使得S7-200PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。
2.2组成
基本单元：
S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用
扩展单元：
S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数.
编程器：
PLC在正式运行时，不需要编程器。
编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。
S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。
简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。
智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。
3三相异步电机的工作原理和结构组成
3.1 工作原理
三相对称绕组，接通三相对称电源，流过三相对称电流，产生旋转磁场（电生磁），切割转子导体，感应电势和电流（磁变生电），载流导体在磁场中受到电磁力的作用，形成电磁转矩（电磁生力），使转子朝着旋转磁场旋转的方向旋转。
3.2 结构组成
三相异步电动机主要由定子、转子、气隙三部分组成。
3.2.1定子三相异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。
定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。
为了使异步电动机能产生较大的电磁转矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好的0.5mm厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成。
对于容量较大（10kW以上）的电动机，在硅钢片两面涂以绝缘漆，作为片间绝缘之用。
定子铁心上的槽形通常有三种半闭口槽，半开口槽及开口槽。
从提高电动机的效率和功率因数来看，半闭口槽最好。
定子绕组是异步电机定子部分的电路，它也是由许多线圈按一定规律联接面成。
能分散嵌入半闭口槽的线圈由高强度漆包圆铜线或圆铝线绕成，放入半开口槽的成型线圈用高强度漆包扁沿线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。
开口槽也放入成型线圈，其绝缘通常采用云母带，线圈放入槽内必须与槽壁之间隔有“槽绝缘”，以免电机在运行时绕组对铁心出现击穿或短路故障。
一般根据定子绕组在槽内布置的情况，有单层绕组及双层绕组两种基本型型。
容量较大的异步电动机都采用双层绕组。
双层绕组在每槽内的导线分上下两层放置，上下层线圈边之间需要用层间绝缘隔开。
小容量异步电动机常采用单层绕组。
槽内定子绕组的导线用槽楔紧固。
槽楔常用的材料是竹、胶布板或环氧玻璃布板等非磁性材料。
机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。
中小型异步电动机一般都采用铸铁机坐，并根据不同的冷却方式而采用不同的机座型式。
例如小型封闭式电动机、电机中损耗变成的热量全都要通过机座散出。
为了加强散热能力，在机座的外表面有很多均匀分布的散热筋，以增大散热面积。
对于大中型异步电动机，一般采用钢板焊接的机座。
3.2.2转子异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
转子铁心也是电动机主磁通磁路的一部分，一般也由0.5毫米厚冲槽的硅钢片叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。
整个转子铁心的外表面成圆柱形。
转子绕组分为笼型和绕线型两种结构，在以下文章中将分别说明这两种绕组结形式特点。
3.2.3气隙异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型电机—般为0.2～2mm。
气隙的大小与异步电动机的性能关系极大。
气隙愈大，磁阻也愈大。
磁阻大时，产生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。
励磁电流是无功电流（与变压器中的情况一样），该电流增大会使电机的功率因数变坏。
然而，磁阻大可以减少气隙磁场中的谐波含量，从而可减少附加损耗，且改善起动性能。
气隙过小，会使装配困难和运转不安全。
如何决定气隙大小，应权衡利弊，全面考虑。
一般异步电动机的气隙以较小为宜。
异步电动机主要分为笼型（又称为鼠笼型）和绕线型。
虽然我们主要介绍绕线型异步电动机转子串电阻启动，但我们还是先了解一下鼠笼型电机启动的优点和局限，以方便和绕线形电动机进行性能比较。
3.3异步电动机的结构特点
绕线型绕组是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，并接到转轴上三个集电环，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。
这种转子的特点是，通过集电环和电刷可在转子回路中接入附加电阻或其它控制装置，以便改善电动机的起动性能或调速特性。
为了减小电刷的磨损与摩擦损耗，中等容量以上的异步电动机还装有一种提刷短路装置。
这种装置当电动机起动以后而又不需要调节速度时，移动其手柄，可使电刷提起，与集电环脱离接触，同时使三只集电环彼此短接起来。
3.4转子串电阻启动的原理
异步电动机转子串三相对称电阻启动时，一般采用分级切除启动电阻的方法。
这是因为随着转子转速的增高，转子电流、电机转矩将逐渐降低。
为了充分利用电动机的启动转矩，应当随着转速的增高，逐渐减少转子回路电阻，使电动机维持较高的启动电流和转矩。
由式
（1）可以看出，若使转子回路电阻2R与转差率s成正比例减少，则电动机在加速过程中可以获得恒定的启动电流和启动转矩。
3.5启动电阻的使用原则
目前国内广泛使用的启动电阻是金属电阻，它是由一箱电阻片构成的。
电阻值的改变是靠开关电器将金属电阻一段段的短接来实现的，所以电阻值的变化不连续，有级。
每短接一段，启动电流和启动转矩便突变一次。
启动电阻分级数越少，则在启动过程中没次短接电阻所引起的启动电流冲击幅度就大，轴上转矩的突变也大。
从启动电流对供电电网的冲击和机械的受力考虑，启动电阻的分级数目不能太少，一般为5—8级。
对容量较大的电动机，启动电阻分级要多些。
对于功率较小的电动机可采用一般三相变阻器或油浸启动变阻器，对于功率较大的电动机则采用小电阻。
4课程设计的目的
掌握可编程控制器程序的应用系统的调试、监控、运行方法。
进一步熟悉常用设备、元器件的类型和特征，并掌握合理运用原则和使用方法。
培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
借助课程设计中的对三相异步电动机转子串电阻启动PLC设计，提高和掌握可编程序控制器的各种实际应用的能力。
综合运用所学的理论知识独立完成一个课题，培养学生独立分析和解决实际问题的能力,学会撰写课程设计总结报告。
5主接线图
5.1三相异步电动机转子串电阻启动主接线图
图5-1三相异步电动机转子串电阻启动主接线图
5.2绕线式的作用以及优缺点
三相异步电动机转子回路串接电阻，一方面可以减小起动电流，另一方面可以增加最初起动转矩，当串入某一合适电阻时，还能使电动机以它的最大转矩T起动。
当然，所串联的电阻超过一定数值后，最初起动转矩反而会减小。
由于绕线异步电动机的转子串联合适的电阻，不但可以减少起动电流，而且可以增大起动转矩，因而，要求起动的转矩大或起动频繁的生产机械常用绕线型异步电动机。
转子回路串三相对称可变电阻起动，这种方法既可限制起动电流，又可增大起动转矩，串接电阻值取得适当，还可使起动转矩接近最大转矩起动，适当增大串接电阻的功率，使起动电阻兼作调速电阻，一物两用，适用于要求起动转矩大，并有调速要求的负载。
缺点：
多级调速控制电路较复杂，电阻耗能大。
6硬件系统的设置
6.1资源配置
采用PLC改造三相异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制系统，PLC的输入信号主要有2个：
启动按钮SB1和停止按钮SB2。
输出信号主要有4个：
主接触器控制三相绕线式电动机M接通三相电源运行，接触器KM1用于控制第一组电阻Rl的切除，接触器KM2用于控制第二组电阻R2的切除，接触器KM3用于控制第三组电阻R3的切除。
3个时间继电器功能可以用PLC内部定时器实现。
根据控制要求，对PLC的输入量、输出量进行分配情况如表6-1所示：
表6-1资源配置表
输入
输出
输入元件
名称
输入地址
输出元件
名称
输出地址
SB1
启动按钮
I0.0
KM4
接触器
Q0.0
SB2
停止按钮
I0.1
KM1
接触器
Q0.1
FR
热继电器
I0.2
KM2
接触器
Q0.2
KM3
接触器
Q0.3
6.2PLC接线图
图6-1PLC输入输出接线图
7主程序设计
7.1主程序梯形图
用PLC改造三相异步电动机转子串电阻启动继电接触器控制系统，根据原有的继电接触器电路图来设计梯形图是一条简便实用的办法。
原有的异步电动机转子串电阻启动控制电路经过长期使用和考验，已经证明能完成系统要求的各种功能。
控制电路图和PLC程序控制梯形图有许多相似的地方，按照梯形图语言设计规定和对应关系可以将继电接触器电路图方便地“翻译”成梯形图控制程序，用PLC的外部硬接线和梯形图软件来实现继电接触器电路图的控制功能。
三相异步电动机转子串电阻启动控制PLC梯形图使用的是内部继电器、定时器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原继电接触器控制线路硬接线无法比拟的。
根据流程图和顺序功能图编写梯形图，如下：
7.2工作过程分析
启动：
按启动按钮SB1，输入继电器：
I0.1接通动合触点闭合，输出继电器Q0.0通，接触器KM4线圈得电，主触头闭合接通三相电源，绕线式异步电动机转子串电阻（Rl+R2+R3）启动，同时定时器T1线圈得电，开始延时，时间设定为3S。
3s后，定时器T1常开触点闭合，输出继电器。
Q0.1接通，接触器KM1吸合，主触头闭合，切除第一组电阻Rl，电动机串接（R2+R3）电阻继承启动，同时定时器线圈T2得电，时间设定为1s。
ls后，定时器T2常开触点闭合，输出继电器Q0.2接通，接触器KM2吸合，主触头闭合，切除第二组电阻R2，电动机串接R3电阻继承启动，同时定时器线圈T3得电，时间设定为1s。
ls后，定时器T3常开触点闭合，输出继电器Q0.3接通，接触器KM3吸合，主触头闭合，切除第三组电阻R3，同Q0.3常闭触头断开，定时器线圈T1、T2、T3和输出继电器Y1、Y2失电。
累计启动5s，三相绕线式异步电动机转子所串3组电阻全部切除，电动机M结束启动状态，进入正常运行状态。
停车：
按停止按钮SB2，输出继电器Q0.0失电，接触器KM失电，主触头断开，电机作自由停车运行。
输出继电器线圈Q0.0失电，常开触点Q0.0复位，输出继电器Y003失电，常开触点Q0.3复位，3组电阻（R1+R2+R3）恢复与三相绕线式异步电动机转子串接，为下次启动做好准备。
过载保护：
当电动机过载时，热过载保护继电器FR的动断触点断开，接触器KM4、KM1、KM2、KM3均断电，电动机M也停车。
把输出继电器Q0.1、Q0.2和Q0.3闭触点与输入继电器I0.1常开触点串联，如果输出继电器Q0.1、Q0.2和Q0.3线圈得电，接触器KM4、KM2、KM3中任何一个触头没有释放恢复闭合时，按下启动按钮SB1，输出继电器Q0.0和接触器KM4线圈不能得电，KM4主触头不能闭合，电动机M就不能接通电源直接启动，保证了三相绕线式电动机只在转子绕组中接入全部启动电阻（RI+R2+R3）的条件下才能启动。
8模拟软件上仿真动作与实验面板上调试演示结果
先通过外部接线图接好导线，把编号的程序输进联机电脑中并与PLC机通讯，调试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况。
各功能单元调试完成后，再调试全部程序，调试各部分的接口情况，直到满意为止。
从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。
如不符合要求，则对硬件和程序作调整。
通常只需修改部份程序即可。
全部调试完毕后，交付试运行。
经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
图8-1仿真软件上的演示结果
9课程设计总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
随着科学技术发展的日新日异，PLC已经成为当今空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学来说掌握PLC的开发技术是十分重要的。
回顾起此次PLC课程设计，至今我仍感慨颇多。
的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
总的来说，通过本次课程设计自己对PLC指令的用法有了更深的学习和体会，还有就是对组态软件的应用也有了新的认识和了解。
组态软件的其实是非常灵活的，通过思考和总结会有新的发现和收获。
参考文献：
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中国电力出版社，2011
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