三部电机运行电气控制及PLC程序设计.docx
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三部电机运行电气控制及PLC程序设计
摘要
自第二次工业革命以来，电动机作为一种新动力来源逐渐取代了其它的劳动力，成为主要的动力来源。
所以如何精准控制电动机成为了一项意义重大的课题。
而控制性能卓越，维护成本低廉，系统安全可靠的PLC（可编程控制器）得到的广泛的认可。
不断探索PLC的新控制方式成为一个热门的研究方向。
正式由于PLC技术应用于实际的工业控制，工业生产效率得到了提高。
在三台电机启动停止控制程序设计和仿真的设计过程中，包括着非常具体的设计思路和方法。
比如输入输出口的计算与分配，PLC芯片的选型，硬件系统的具体设计，采用GXDeveloper的仿真。
这些过程都很好的展示了PLC的使用和设计思路，具有很好的借鉴意义
关键词：
工业控制；可编程控制器；三菱GXDeveloper仿真软件
ABSTRACT
Sincethesecondindustrialrevolution.themotorasanewsourceofpowergraduallyreplacetheotherlabor.asthemainsourceofpower.Howtoaccuratelycontrolthemotorhasbecomeasignificantissue.Whilethecontrolofhighperformance.lowmaintenancecosts.thesystemsafeandreliablePLC（programmablecontroller）togetawiderangeofrecognition.ConstantlyexploringthenewcontrolofPLChasbecomeapopularresearchdirection.DuetotheapplicationofPLCtechnologyindustrialcontrol.industrialproductionefficiencyhasbeenimproved.
InthethreemotorstartandstopcontrolprogramdesignideasandmethodsSuchastheinputanoutputofthecalculation.PLCchipselection.Thespecificdesignofthehardwaresystem.UsingGXDevelopersimulation.TheseprocessesareverygoodshowtheuseofPLCanddesignideashasagoodreference.
Keywords：
industrycontrol;programmableControllers;MitsubishiGXDevelopersimulationsoftware
1绪论
1.1工业控制现状
在电子科学技术不断发展的现在，工业控制技术也得到了长足的发展。
伴随着微电子技术、通信技术、传感器技术以及物联网的飞速发展，工业控制也得到了良好的发展，呈现出多功能、高效率的新态势。
比如在工业控制自动化程度的提高，在控制系统对于各个设备的工作状态的实时监控与控制，工作设备的远程控制精确度，以及控制系统稳定性的提高。
以及在在网络技术迅猛发展的带动下，工业控制与网络的深度结合，使其达到控制设备智能维护，控制数据实时上传等诸多功能。
在这些新技术、新方法的支撑下，技术工作人员能够远程的对于控制设备以及系统进行调试、维护、升级。
方便了管理人员对工作设备的监控，从而大大提高了工作效率。
提升了设备的服务能力，使得工业控制更方便、更智能、更可靠。
1.2电气控制的发展
自二极管被发明以来，人类便开始了对自动控制的想象和探索。
在1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台PLC，那时的芯片功能远没有现代的芯片功能强大，只能完成一些像定时、计数、以及逻辑控制等基本的功能。
不过确立的PLC的基本框架。
随着科学技术的进步和发展，在20世纪70年代人类发明了新型PLC芯片。
其中增加了CPU模块，是的其增加了运算、数据传输处理的功能。
使得PLC技术快速发展。
技术基本成熟。
随后在70年代末期将PLC芯片投入到实际的生产中。
有此PLC的发展更趋向于实用化，其技术也有了质的飞跃。
在20世纪末，可编程控制芯片与现代工业进一步融合，使其更符合现代工业发展的需要。
由于PLC是计算机科学和自动化技术交叉学科的产物，它具备计数、逻辑运算、计时等基本的自动化控制功能，还能在外接设备的数字\模拟信号，与外接设备有着良好的兼容性，能安全、稳定、可靠的实现自动控制。
而且其系统维护、升级也相对比较简单，能够很好的适应现代工业控制的需求。
所以在工业控制领域PLC一直吸引着大量的关注。
近些年来科学技术的更新换代的速度也越来越快，工业控制的自动化水平也越来越高，也有越来越多的公司和单位致力于研究更小型、更智能、能耗比更高、功能更复杂的PLC产品。
1.3设计的主要内容
首先对于设计的题目和要求进行了分析，并分析具体的工作原理。
然后设计硬件系统。
其中包括统计I\O口的个数，选择合适的PLC芯片。
设计具体的电路图，时序图。
并利用逻辑代数法图设计了三部电动机启停控制的程序梯形图。
通过具体的仿真软件测试是否达到预期的目的。
各章节的内容安排如下：
第1章绪论，主要介绍可编程控制器控制的发展现状、趋势及设计的主要内容。
第2章三部电动机启停控制系统的硬件设计，主要写了三部电动机启停控制I/O点的统计、PLC的选型和PLC的外部接线图设计。
第3章三部电动机启停控制系统的软件设计，主要写了编程语言的选择、逻辑方程的得到和程序的设计。
第4章三部电动机启停控制软件的仿真，主要写了对仿真软件的介绍和在不同情况下所获得的仿真波形。
通过使用三菱仿真软件GXDeveloper对其控制程序进行仿真与调试，检测设计是否达到了要求，是否符合设计思路。
2三部电动机启停PLC控制系统硬件设计
2.1三部电动机启停控制的要求
（1）电源ON时，按SB4、SB5无作用。
（2）按SB3，M3电动机运转[M3、HL3动作]，此时按SB5无作用。
（3）按SB4，M2运转[M2、HL2动作]。
（4）按SB5，M1运转[Ml、HLl动作]。
（5）按SBl时M1停止，5s后[HL2闪烁5次]M2停止，10s后[HL3闪烁10次]M3停止。
（6）按SB2时M3运转，5s后[HL3闪烁5次]M2加入运转，10s后[HL2闪烁10次]M1加入运转。
（7）运转中按SB6，全部电动机立即停止运转。
（8）电动机全部运转，热继电器（FR3）动作，M3、M2、M1全部停止。
Bz与HL4会交替响、亮（0．5s／ON，0．5s／OFF）。
此时将SA切于2，则BZ停响HL4亮。
当热继电器FR3复位时，HL4熄灭，SA切回1的位置。
（9）电动机全部运转中，热继电器FR2动作，则M2、M1停止，M3继续运转，BZ与HL4会交替响、亮（0．5s／ON，0．5s／OFF）。
此时将SA切于2位置，则BZ停响HL4亮。
此时按SB6，则M3停止。
当热继电器FR2复位时，HL4熄灭，SA切回l的位置。
（10）电动机全部运转中，热继电器FRl动作，M1停止，M3、M2继续运转，Bz与HL4会交替响、亮（0．5s／ON，0．5s／OFF）。
此时将SA切于2位置，PL4亮BZ停响。
此时按SB6，则M3、M2停止。
当热继电器FRl复位时HL4熄灭，SA切回1的位置。
2.2I/O点的统计
根据设计要求可得三部电动机启停控制设计所需的输入点分别为：
M1电动机启动开关、M2电动机启动开关和M3电动机启动开关，占用三个输入点；三部电动机依次停止开关，占用一个输入点；依次启动三部电机，占用一个输入点；立即停止所有电动机开关，占用一个输入点；热继电器TH—RYl动作开关、热继电器TH—RY2动作开关和热继电器TH—RY3动作开关，占用三个输入点；COS切换开关，占用一个输入点；总计共有10个输入点。
具体输入点统计如表1所示。
表1输入点统计表
序号
输入点
数量
1
三部电机依次停止按钮
1
2
三部电机依次启动按钮
1
3
电动机M3启动按钮
1
4
电动机M2启动按钮
1
5
电动机M1启动按钮
1
6
全部电机立即停止按钮
1
7
热继电器TH—RYl动作开关
1
8
热继电器TH—RY2动作开关
1
9
热继电器TH—RY3动作开关
1
10
COS切换开关
1
合计
------
10
根据设计要求可得三部电动机启停控制设计所需的输入点分别为：
M1电动机线圈、M2电动机线圈和M3电动机线圈，占用三个输出点；M1电动机指示灯PLl、M2电动机指示灯PL2和M3电动机指示灯PL3，占用三个输出点；热继电器动作指示灯PL4，占用一个输出点；热继电器动作警报器，占用一个输出点；总计共有8个输出点。
具体输入点统计如表2所示。
表2输出点统计表
序号
输出点
数量
1
电动机M1接触器
1
2
电动机M2接触器
1
3
电动机M3接触器
1
4
电动机M1指示灯
1
5
电动机M2指示灯
1
6
电动机M3指示灯
1
7
热继电器动作警报器
1
8
热继电器动作指示灯
1
合计
------
8
2.3PLC选型及参数介绍
2.3.1PLC的选择
选择PLC芯片一般主要考虑这几个方面的问题：
首先应该考虑I\O口的的数量是否够用，其次应该考虑用户的内存容量是否够用，再者应该考虑该PLC普及，配套的开发、仿真软件是否开发到位。
（1）I/O点数估计：
在上文2.2节中对本设计的I\O口数量已经进行了统计，确保输入输出口的数量是够用的。
另外考虑到设计是否足够合理，会不会出现需要改动的地方，以及统计是否足够准确，之后的系统要不要进行升级，功能需要扩展等诸多因素。
选择输入输出口数量的时候，一般会留下15%左右的余量。
（2）用户存储容量估算：
这一项通常需要一定的经验，在设计之前一般无法准确的计算出需要多大的用户内存容量。
但是可以通过I\O口的数量，设计的复杂程度来大致估算出需要的用户存储容量的大小，从而选择具备合适用户存储容量大小的PLC芯片。
通过以上几点选择标准，可以得知要完成该设计，共需要输入口10个，输出口8个。
该设计要求并不复杂，最终三部电机启动停止控制的PLC芯片选择普及程度高，配套软件开发到位的三菱公司的FX2N-32MR继电型。
2.3.2PLC的参数简介
FX2N-32MR继电器型PLC的输入和输出点数满足设计需求都是16个，该设计中需要了解的技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输入和输出技术指标，及功能技术指标，具体的参数如下所示。
（1）一般技术指标：
环境温度，使用时为
℃到50℃之间；环境湿度，一般以不结露时为准，在没有腐蚀的环境下工作。
（2）电源技术指标：
电源电压一般为AC100到240V和50/60Hz。
（3）输入技术指标：
输入电压为DC24V，输入电流为7mA。
2.4I/O点分配与PLC外接线图
2.4.1I/O点分配
在PLC的选型之后，设计将FX2N-32MR继电器型PLC作为硬件系统的核心部件，接下来对其I/O口进行分配。
根据I/O点数的统计可知，三部电动机启停控制的设计需要一个三部电机依次停止按钮、一个三部电机依次启动按钮、三个电动机启动按钮、一个所有电机立即停止按钮、三个热继电器动作开关和一个COS切换开关，共计10个输入点。
根据统计需要三个电动机接触器、三个指示灯和一个报警指示端，共计8个输出点。
综上所述，PLC的I/O分配表如表3所示。
表3I/O分配表
序号
器件名称
输入点
输出点
1
三部电动机依次停止按钮
X1
—
2
三部电动机依次启动按钮
X2
—
3
电动机M3启动按钮
X3
—
序号
器件名称
输入点
输出点
4
电动机M2启动按钮
X4
—
5
电动机M1启动按钮
X5
—
7
COS切换开关
X7
—
8
热继电器TH—RYl动作开关
X11
—
9
热继电器TH—RY2动作开关
X12
—
10
热继电器TH—RY3动作开关
X13
—
11
热继电器动作警报器
—
Y0
12
指示灯PL1
—
Y1
13
指示灯PL2
—
Y2
14
指示灯PL3
—
Y3
15
热继电器动作指示灯PL4
—
Y4
16
电动机M1接触器
—
Y5
17
电动机M2接触器
—
Y6
18
电动机M3接触器
—
Y7
2.4.2PLC的接线原理图
PLC控制系统接线原理图中，SB1-SB6按钮控制电动机的启动与停止；SA为COS切换开关；FR1-FR3为热继电器；BZ为报警器；PL1-PL4为指示灯；KM1-KM3为各电动机的接触器。
具体的PLC接线原理图如图1所示。
图1PLC接线原理图
3三部电动机启停控制系统程序设计
3.1常用的编程方法介绍
（1）经验法
在刚刚开始发展PLC的时候，设计梯形图采用继电器电路图的设计方法，这种方法首先要学会基本的继电器电路的设计方法，然后再根据具体的情况不断的完善和修改设计图。
在这个过程中要不断调试，增减其中的元器件和回路。
最后才能达到理想的设计效果，当时这个过程的思路不好控制，往往在设计过程中需要耗费大量的时间和精力，降低了生产效率。
而且设计经验是时间累计的产物，从业者往往不能快速的入门。
（2）解析法
利用数学电子技术中的逻辑电路思维来处理PLC的一系列问题，其中包括著名的布尔逻辑代数理论。
以逻辑变量中的‘0’或‘1’来代替电路中出现的‘通’和‘断’将具体问题逻辑化，规律化。
用科学的思路去解析电路问题，从而使得PLC的设计问题更具体，方向更加明确，思路更明确。
（3）图解法
图解法是一种将具体问题与图形相结合，从而更容易达到快速直观解决问题的方法。
最常见的是梯形图法。
这种方法是用梯形图代替PLC的程序，有点类似于C语言这种方法的元器件符号都像继电控制电路的元器件符号，通过这种形式，巧妙地吧PLC的梯形图语言和继电控制语言融合起来。
降低了PLC设计的门槛。
还有一种图解法是逻辑流程图解法，这种方式将输入输出关系用逻辑流程框图表示出来。
这种方式有着明确的因果关系。
以及其中的相互条件。
最后还有一种是实习流程图。
该图以时间作为唯一变量。
描述出不同的元件随时间变化时的状态变化。
最后描绘出相对应得流程任务图。
最后得到相对应得PLC程序。
3.2三部电动机启停控制系统程序设计
3.2.1三部电动机启停控制系统编程方法
根据三部电动机启停控制的要求，可以获得输出的逻辑方程；首先根据需要得到相应的辅助继电器输出：
辅助继电器M1为按下按钮SB1时满足逻辑方程：
（1）
辅助继电器M2为按下按钮SB2时满足逻辑方程：
（2）
辅助继电器M3为COS切换开关动作时满足逻辑方程：
（3）
辅助继电器M4为热继电器动作时满足逻辑方程：
（4）
辅助继电器M5为三部电动机都运转时满足的逻辑方程：
（5）
辅助继电器M6、M7满足逻辑方程：
（6）
（7）
根据辅助继电器的建立可以得到电动机、指示灯和警报器动作的逻辑方程为：
（1）电动机M3运转满足：
按下按钮SB3或者按下按钮SB2都可以使电动机M3启动；逻辑方程为：
（8）
（2）电动机M2运转满足：
在电动机M3运转后按下按钮SB4，电动机M2启动，或者按下SB2过5S后启动；逻辑方程为：
（9）
（3）电动机M1运转满足：
在电动机M3、M2运转后按下按钮SB5，电动机M1启动，或者按下SB2过10S后启动；当按下SB6、SB1或者热继电器动作时，电动机停止。
逻辑方程为：
（10）
（4）指示灯PL1动作满足：
按下按钮SB5后动作，也就是电动机M1启动时点亮；逻辑方程为：
（11）
（5）指示灯HL2动作满足：
按下按钮SB4后动作，或者按下按钮SB1时闪烁5次停止，以及按下按钮SB2时闪烁10次点亮；逻辑方程为：
（12）
（6）指示灯HL3动作满足：
按下按钮SB3后动作，或者按下按钮SB1时闪烁10次停止，以及按下按钮SB2时闪烁5次点亮；逻辑方程为：
（13）
（7）指示灯HL4动作满足：
当热继电器TH-RY1、TH-RY2或者TH-RY3动作时，指示灯PL4会一直闪烁直到热继电器复位时才会熄灭；逻辑方程为：
（14）
（8）警报器BZ动作满足：
当热继电器FR1、FR2或者FR3动作时，警报器会一直响停直到SA切换开关切到2时才会停响；逻辑方程为：
（15）
3.2.2三部电动机启停PLC控制系统梯形图设计
根据逻辑表达式可以获得梯形图。
（1）辅助继电器输出的梯形图。
辅助继电器M1获得的梯形图如图2所示。
图2辅助继电器M1输出梯形图
辅助继电器M2获得的梯形图如图3所示。
图3辅助继电器M2输出梯形图
辅助继电器M3获得的梯形图如图4所示。
图4辅助继电器M3输出梯形图
辅助继电器M4获得的梯形图如图5所示。
图5辅助继电器M4输出梯形图
辅助继电器M5获得的梯形图如图6所示。
图6辅助继电器M5输出梯形图
辅助继电器M6、M7获得的梯形图如图7所示。
图7辅助继电器M6、M7输出梯形图
（2）电动机M3运转与停止的获得：
按下按钮SB3或者按下SB2电动机M3运转并自锁，按下SB6或者按下SB1过10S后，电动机M3停止运转，热继电器FR3动作，电动机M3也停止运转。
梯形图如图8所示。
图8电动机M3输出梯形图
（3）电动机M2运转与停止的获得：
按下按钮SB4或者按下SB2过5S后电动机M2运转并自锁，按下SB6或者按下SB1过5S后，电动机M2停止运转，热继电器FR3和热继电器FR2动作，电动机M2也停止运转。
梯形图如图9所示。
1
图9电动机M2输出梯形图
（4）电动机M1运转与停止的获得：
按下按钮SB5或者按下SB2过10S后电动机M1运转并自锁，按下SB6或者按下SB1后，电动机M1停止运转，热继电器FR3、热继电器FR2和热继电器FR1动作，电动机M1也停止运转。
梯形图如图10所示。
图10电动机M1输出梯形图
（5）指示灯PL1：
当按下按钮SB5，指示灯HL1动作。
电动机M1停止运转时，指示灯PL1灭掉。
梯形图如图11所示。
图11指示灯HL1输出梯形图
（6）指示灯HL2：
当按下按钮SB4，即电动机M2运转时指示灯HL2动作；当按下SB1时，指示灯HL2以亮0.5S灭0.5S闪烁5次后灭掉；当按下按钮SB2时，指示灯HL2闪烁10次（亮0.5S灭0.5S）后保持亮。
梯形图如图12所示。
++
图12指示灯HL1输出梯形图
（7）指示灯HL3：
当按下按钮SB3，即电动机M3运转时指示灯HL3动作；当按下SB1时，指示HPL3以亮0.5S灭0.5S闪烁10次后灭掉；当按下按钮SB2时，指示灯HL2闪烁5次（亮0.5S灭0.5S）后保持亮。
梯形图如图13所示。
图13指示灯HL1输出梯形图
（8）指示灯HL4：
当热继电器TH-RY3、热继电器FR2和热继电器FR1动作时，指示灯HL4一直闪烁（亮0.5S灭0.5S），直到热继电器复位后才会熄灭。
梯形图如图14所示。
警报器BZ：
当热继电器FR3、热继电器FR2和热继电器FR1动作时，警报器BZ一直交替响停（响0.5S停0.5S），直到SA切换开关切与2时才会停响。
梯形图如图14所示。
图14指示灯HL4与警报器输出梯形图
4程序仿真
4.1仿真软件介绍
GXDeveloper是三菱PLC的配套编程软件。
其软件适用于大部分的PLC产品，程序设计比较有规律，能够兼容Windows系统。
这个软件操作门槛较低，容易熟练掌握。
而且与PLC芯片有良好的匹配，方便调试和维护。
是PLC发展软件的不二之选。
4.2仿真过程及其仿真结果分析
当按下按钮SB3时，可以看到电动机M3开始运转，以及指示灯HL3亮；仿真结果如图15所示。
图15按钮SB3按下仿真图
在电动机M3运转后，按下按钮SB4时，电动机M2开始运转，以及指示灯HL2亮；仿真结果如图16所示。
图16按钮SB4按下仿真图
在电动机M3和电动机M2运转后，按下按钮SB5时，电动机M1开始运转，以及指示灯HL1亮；仿真结果如图17所示。
图17按钮SB5按下仿真图
当电动机M1、M2和M3都运转后，按下按钮SB6时，所有电动机立即停止。
仿真结果如图18所示。
图18按钮SB6按下仿真图
当电动机M1、M2和M3都运转后，按下按钮SB1时，电动机M1停止，5S后电动机M2停止，10S后电动机M3停止。
仿真结果如图19至图21所示。
图19按钮SB1按下五秒后的仿真图
图20按下按钮SB1十秒后的仿真效果
图21按钮SB1按下十五秒仿真图
当电动机M1、M2和M3都停止后，按下按钮SB2时，电动机M3启动，5S后电动机M2启动，10S后电动机M1启动。
仿真结果如图21至图23所示。
图22按下SB2五秒后电机M3开始运转
图23按下SB2十秒后电机M2、M3开始运转
图24按下按钮十五秒后三台电机都开始运转效果图
当热继电器FR1动作时，电动机M1停止，警报器BZ和指示灯HL4会交替响亮。
仿真波形如图24所示。
图25热继电器动作后的效果图
热继电器FR3复位后的仿真效果如图25所示。
图26热继电器FR3复位后的仿真效果
控制要求第九步，电动机全部运转中，热继电器FR2动作，则M2、M1停止，M3继续运转，BZ与HL4会交替响、亮（0．5s／ON，0．5s／OFF）。
仿真如图23所示。
将SA切于2位置，则BZ停响HL4亮。
此时按SB6，则M3停止。
当热继电器FR2复位时，HL4熄灭，SA切回l的位置。
仿真效果如以下两图所示。
图27热继电器FR1动作时仿真波形图
图28开关SA置于2位置时仿真图
图29SA开关切换到1时仿真波形图
电动机全部运转中，热继电器FRl动作，M1停止，M3、M2继续运转，Bz与HL4会交替响、亮（0．5s／ON，0．5s／OFF）。
此时将SA切于2位置，PL4亮BZ停响。
此时按SB6，则M3、M2停止。
当热继电器FRl复位时HL4熄灭，SA切回1的位置，仿真图如下。
图30热继电器FR1动作时的仿真波形图
图31此时将SA切于2位置的仿真波形图
至此三台电机的启动停止控制仿真已经完成，完全达到设计要求和目的。
进一步验证了设计的正确性。
设计也接近了尾声，设计工作得到实际的确认。
结束语
随着工业的高速发展和对电动机高精度控制的需求，可编程控制器PLC对电动机启停控制逐渐成为工厂电机控制的主导。
于对三部电动机启停的PLC控制系
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