毕业设计 三相鼠笼式异步电动机的起动PLC控制.docx
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毕业设计三相鼠笼式异步电动机的起动PLC控制
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专科生毕业论文（设计）
题目：
三相鼠笼式异步电动机的起动PLC控制
内容摘要
本文是根据三菱FX系列PLC的特点，分析了三相异步电动机的星一三角形”降压启动工作原理及硬件配置，介绍了采用PLC进行继电器控制系统改造的基本方法，结合实际应用总结PLC应用系统设计的一般步骤。
分析了PLC在三相异步电动机的星一三角形”降压启动控制中的应用，并从梯形图语言、指令表语言以及电气原理图三个方面加以说明。
关键词：
PLC；星一三角形”降压启动；继电器控制系统；三相异步电机；梯形图语言；指令表语言；电气原理图
第一章引言
可编程序控制器（PLC，ProgrammableIJo画cController）是一种专
为在工业环境下应用而设计的数字运算操作控制系统。
它采用一种可
编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算，它以顺序控制为主，回路调节为辅．能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。
PLC的生产厂家和型号、种类繁多．不同型号自成体系，有不同的程序语言和使用方法．本文采用三菱FX系列PLC为例，分析PLC在三相异步电机星一三角形”降压启动控制中的应用．
第二章可编程控制器的介绍
2.1可编程控制器的产生
早期工业控制中采用的继电器控制系统属于固定接线的逻辑控制系统，控制系统的结构随功能的不同而不一样。
如果控制要求有所改变，就必须相应地改变硬接线结构，对于复杂的控制系统就相当麻烦。
此外，机械电气式器件本身的不足影响了控制系统的各种性能，无法适应现代工业发展的需要。
20世纪60年代，电子技术的发展推动了控制电路的电子化，晶体管等无触点器件的应用促进了控制装置的小型化和可靠性的提高。
60年代中期，小型计算机被应用到过程控制领域，大大提高了控制系统的性能。
但当时计算机价格昂贵，编程很不方便，输入/输出信号与工业现场不兼容，因而没能在工业控制中得到推广和应用。
20世纪60年代末期，西方工业国家出现经济大萧条，作为工业龙头的汽车工业受到沉重的打击。
美国通用汽车公司（GeneralMotorsCorporation,GM）为了在激烈的市场竞争中战胜对手，摆脱困境，制定出多种、小批量、不断推出新车型来吸引顾客的战略。
但原有的控制系统由继电器和接触器等组成，灵活性差，不能满足生产工艺不断更新的需要。
当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。
这一设想提出后，1968年，GM为了改善汽车生产设备的传统控制方式，提出了以下10条招标的技术指标。
1、编程简单方便，可在现场修改程序。
2、硬件维护方便，采用插件式结构。
3、可靠性药要高于继电器控制系统。
4、体积小于继电器控制系统。
5、可将数据直接送入管理计算机。
6、成本可与继电器控制系统竞争。
7、输入可以是AC115V。
8、输出在AC115V、2A以上，能直接驱动电磁阀和接触器等。
9、扩展时，原有系统只需要很小的改动。
10、用户程序存储器的容量至少可扩展到4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）开发研制成第一台能满足上述要求的PLC样机，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、使用灵活、体积小、寿命长等一系列优点很快就推广到其他工业领域，从此开创了PLC的新纪元。
在可编程控制器的早期设计中虽然采用了计算机的设计思想，但只能进行逻辑（开关量）的控制，主要用于顺序控制，所以被称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。
这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。
尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准—梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，微处理器被广泛应用于PLC的设计中，使PLC的功能增强，速度加快，体积减少，成本下降，可靠性提高，更多地具有了计算机的功能。
除了常规的逻辑控制功能外，PLC还具有模拟量处理、数据运算、运动控制、PID（Proportional-Integral-Differential）控制和网络通信等功能，易于实现柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS），因而与机器人及计算机辅助设计/制造（ComputerAidedDesign/ComputerAidedManufacturing，CAD/CAM）一起并称为现代控制的三大支柱。
此外，可编程控制器在设计中还借鉴了计算机的高级语言，给实际应用带来了方便。
为了
使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会（NationalElectricalManufacturersAssociation，NEMA）经过调查，将其正式命名为ProgrammableController，简称PC，并给PC作了如下定义。
“PC是一个数字式的电子装置。
它使用了可编程的记忆体存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、定时、计数与运算等功能，并通过数字或模拟的输入/输出模块控制各种机械或工作过程。
一部数字电子计算机若是从事执行PC的功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”由于PC容易与个人计算机（PersonalComputer）的缩写相混淆，因而人们仍沿用PLC作为可编程控制器的简称。
总之，可编程控制器是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器并不针对某一具体工业应用。
在实际应用时，其硬件应根据具体需要进行选配，软件则根据实际的控制要求或生产工艺流程进行设计。
2.2可编程控制器的发展
1.PLC的发展与计算机技术、微电子技术、自动控制技术、数字通信技术、网络技术等密切相关。
这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC得发展又对这些高新技术提出了更高的要求，促进了它们的发展。
虽然PLC应用的时间不长，但随着微处理器的出现，大规模和超大规模的集成电路技术的迅速发展和数字通信技术的不断进步，PLC也取得了迅速的发展。
其发展过程大致可分3个阶段。
1）第一代PLC（20世纪60年代末～70年代中期）
早期的PLC作为继电器控制系统的替代物，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制和定时/计数控制等任务。
PLC在硬件上以准计算机的形式出现，在
I/O（Input/Output）接口电路上作了改进，以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
PLC在软件上吸取了广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的特点，形成了特有的编程语言－梯形图（LadderDiagram），并一直沿用至今。
其优点是简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。
2）第二代PLC（20世纪70年代中期～80年代后期）
20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
各个PLC厂商先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU），使PLC的功能大大增强。
在软件方面，除了原有功能外，还增加了算术运算、数据传送和处理、通信、自诊断等功能。
在硬件方面，除了原有的开关量I/O（Input/Output，输入/输出）以外，还增加了模拟量I/O、远程I/O和各种特殊功能模块，如高速计数模块、PID模块、定位控制模块和通信模块等。
同时扩大了存储器容量和各类继电器的数量，并提供一定数量的数据寄存器，进一步增强了PLC的功能。
3）第三代PLC（20世纪80年代后期至今）
20世纪80年代后期，随着超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的价格大幅度的下降，各种PLC采用的微处理器的性能普遍提高
。
为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂家还开发了专用芯片，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊断自身故障及机器故障。
这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。
尽管PLC功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点（PLC实物图2-1）
图2-1三种常见的PLC
2.3可编程控制器的用途
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。
但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。
PLC的应用通常可分为五种类型：
（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。
PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。
在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。
每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。
相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。
（3）闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。
PID（ProportionalIntergralDerivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。
（4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。
著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。
为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。
通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。
美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。
预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。
（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。
作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。
2.4可编程控制器（PLC）的性能特点
（1）硬件的可靠性
PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。
在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。
例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。
（2）编程简单，使用方便
用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。
这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这是微不足道的。
（3）接线简单，通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。
接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。
这种性能使PLC具有很高的经济效益。
用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。
（4）可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类：
一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为00m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为000m，网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。
（5）易于安装，便于维护
PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。
在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
2.5PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作方式。
在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。
反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要取决于这几个因数，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。
对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。
因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。
但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。
应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。
2.6PLC的编程语言
PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。
利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。
程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。
PLC提供的编程语言通常由三种：
梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。
梯形图（LadderProgramming）是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。
它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。
梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。
它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。
PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。
功能图编程（FunctionChartProgramming）是一种较新的编程方法。
它的作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。
布尔逻辑编程（BooleanLogicProgramming）包括“与”（AND）、或（OR）、非（NOT）以及定时器、计数器、触发器等。
每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。
2.7PLC的接入方式
电力线通信技术，英文简称PLC，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。
该技术是把载有信息的高频加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话上，以实现信息传递。
该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载，也就是实现四网合一。
终端用户只要插上电源插头，就可以实现因特网接入。
PLC利用1.6M到30M频带范围传输信号。
在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。
目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5M～45M之间。
PLC设备分为局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。
在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。
2.8PLC编程
2.8.1PLC执行用户程序的过程
根据PLC的工作流程,设PLC的输入数据为X,输出数据为Y。
在用户程序第n次扫描执行时,其输入数据是第n-1扫描的I/O刷新阶段读取的Xn-1；执行用户程序过程中,元件映像寄存器中的数据既有第n-1次扫描存入的数据Yn-1,也有第n次执行程序的中间结果。
第n次扫描I/O数据是Yn。
以OMRONPLC为例，如图3.2所示给出PLC执行用户程序的过程示意图。
执行第一个梯级时,PLC从输入映像寄存器中读取输入端00000的状态,设其为1则输入继电器00000的状态。
再读出输入端00001的状态,设其为0,则输入继电器的00001的状态为0。
再由常开触点和常闭触点00000和常闭触点00001的状态运算出继电器01000当当前的状态是1。
若此前的状态是0，要改写与其对应的元件映像寄存器的状态向下继续执行第二个梯级,从元件映像寄存器中读出继电器01000的状态1（前一步存入的）,所以常开触点为01000为1，继电器010001的状态是1。
若此前01001的状态是0，则要改写与其对应的元件映像寄存器的状态。
本次扫描刷新时元件映像寄存器中存的内容是继电器为,继电器为1。
PLC执行用户程序的过程示意图
由上述分析可得出,执行用户程序过程的特点是：
1）在执行用户程序的过程中,输入映像寄存器的状态保持不变,一直保存到下
一次I/O刷新之前。
2）元件映像寄存器的内容随程序的执行而改变,前一步的运算结果随即可作为
下一步的运算条件,与输入映像寄存器不同。
3）不同于继电器控制,PLC执行程序是按由上而下、自左向右的顺序进行的。
所以不同梯级中的继电器线圈及其触点的状态不可能同时发生改变。
2.8.2梯形图的表示
绘制梯形图时,我们首先要用符号表示出各种元素如常开触点、常闭触点、输出、并联常开、并联常闭等。
整个梯形图指令由若干个梯级组成,每个梯级又是一个或几个输入元件和一个输出元件组成，输出元件应出现在梯级的最右边,输入元件出现在输出元件的左边。
我们在编MFC程序中,经常要用到一些资源,如位图、对话框、光标、字符串表、菜单、工具栏等,每种资源都有其特定的ID样我们在用位图这种资源时就可以利用其具有特定ID这个特性区分识别各个位图。
如2-3图所示,很显然,计算机绘制图形都是位图格式的,它只能按要求画出图形中的直线、圆、矩形等元素,而不知道各个图形元素之间的逻辑关系,但是在绘制梯形图的时候,各个图形元素之间都是由一定的逻辑关系组成的,最简单的问题就是如果计算机不能识别各个元素的话,它如何知道在哪两个图形元素之间画连接线？
为了解决这个问题,我们将梯形图元素“放在”个个小单位区域中,每一个图形元素在单位区域中的相对位置都是统一固定的,这样每一个单位区域连接的时候,就能解决连线连接的问题。
这样我们将每一个图形元素事先绘制在每一个单位区域中,然后在绘制梯级的时候,将每一个单位区域连接起来就可以了。
可以这样说我们绘制的梯形图是绘制的每一个包含各种图形元素的单元区域,在图一中,我们可以清楚地看到,每一个图形元素被分别放在单元区域中,而每一单元区域又组成了整个梯级。
梯形图简图
其实,抛开梯形图的图像表象,我们可以发现梯形图中每个元件其实都有一个共同的属性,该属性可以用一个四元组表示元件类型,所在位置,名称。
其中,元件类型表示元件的种类,如常开触点!
常闭触点、输出触点、定时器、计数器等要表示所在位置我们可以将整个梯形图看成一个平面,再将这个平面划分成一个网格矩阵,使用元件在网格矩阵中的行列就可以表示名称也是元件的一个必要属性,因为它代表硬件中的具体地址。
2.8.3梯形图的编程规则
梯形图语言作为一种标准PLC编程语言，在编制时必须遵循一定的规则，具体如下:
（1）梯形图的每一行指令都在母线右边开始画起。
（2）输出指令不能直接跟母线连接。
（3）触点应在水平线上，不能在垂直分支上，且应遵循自左至右、自上而下的原则。
（4）不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。
（5）在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面;而在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。
（6）不能将触点画在输出线圈的右边，线圈仅能画在同一行中所有触点的最右边。
第三章可编程控制器的基本指令介绍
现以三菱FX2N为例介绍FX系列
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