五台三相异步电动机循环控制.docx
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五台三相异步电动机循环控制
第1章引言
1.1设计题目
五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计
1.2控制要求：
1.有五台电动机顺序循环控制，控制时序如表1-1所示：
表1-1控制要求
一号电机
on
on
on
on
`
二号电机
on
on
on
on
三号电机
on
on
on
on
on
on
四号电机
on
on
on
on
on
on
五号电机
on
on
on
on
01020304050607080
2.系统可以自动循环启动
3.每台电动机可单独启停控制
1.3设计思路
根据控制要求，要实现五台电动机的循环控制，每台电动机还可以独自启动和停止。
通过反复思考之后，决定用多个时间继电器和中间继电器来控制五个交流接触器来协调动作，然后有每个交流接触器直接控制电动作满足要求的的动作，问题的关键在于如何设计合理的控制电路以保障时间继电器在合适的时间动作。
从上图可以看出，每隔20秒都会有电动机的启动和停止动作，可以在每个动作之初让时间继电器开始工作，控制与之相应的中间继电器工作，中间继电器让该停下的电动机断电，让该启动的电动机得电。
同时时间继电器的延时触点作为下一个动作的中间继电器的启动按钮，等到下一个动作开始时，与之相应的中间继电器先将上一中间继电器断电，然后启动相应的该工作的电机。
第2章系统总体方案设计
2.1设计背景
本文对五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计，分别应用继电器接触器和可编程逻辑器件PLC做了软件与硬件的设计，能基本达到控制要求。
系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。
如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研
2.2设计方案：
方案1：
根据题目，控制要求不仅要实现每台电动机独自启动和停止，而且还要实现五台电动机的循环控制。
实现每台电动机互不影响的独自启动和停止，需要个每一个电动机配置一个电磁继电器，同时这个电磁继电器在独自启动的时候不受后面时间继电器的影响；要实现单独停止，就需要在每一个控制电路上串加一个常闭开关，这样在关闭的时候按此开关就可以实现单独停止。
实现循环控制，分析控制要求，发现如表2-1设计要求
（1）
表2-1设计要求
（1）
实现第一步
一、三、五必须同时并联同一个启动开关KT1
实现第二步
一、四必须同时串一个开关KT2断开第一步
二、五必须同时并同一个开关KT2
实现第三步
一、四必须同时并同一个开关KT3
二、三必须同时串同一个开关KT3
实现第四步
一、五必须同时串同一个开关KT4
二、三必须同时并同一个开关KT4
实现第一步
二号电机必须串一个开关KT1
这里面的各种开关都是时间继电器的瞬动开关，这是设计的主要思路是怎么实现继电器的时间控制：
按下开关后，时间继电器KT1通电计时开始，二十秒后要断开，就需要串一个常闭开关KT2，这样KT2通电KT1就自动断开，依次思路，在KT2中串KT3，在KT3中串KT4,在KT4中串KT1，同时要时间控制必须多用两个时间继电器，时间控制思路是：
KT1控制KT5，KT5控制KT3，KT2，KT3控制KT6，KT6控制KT1，KT4，这样可以实现继电器能够按照一定顺序执行，从而实现了电路的控制。
方案二：
能否用四个时间继电器实现控制线路，尤其是时间继电器的顺序动作呢？
时间控制电路中用KT1由KT2控制断路，KT2由KT3控制断路，KT3由KT2控制断路，KT4由KT1控制断断；相反KT1由KT4控制通路，KT2由KT1控制通路，KT3由KT2控制通路，KT4由KT3控制通断，这样每一个继电器的工作时间就是四十秒，由于每一个时间继电器的工作时间是四十秒，这样，控制电路中就可以用时间继电器的通断设计。
KT1得电后，各个延时继电器的状态如表2-2运行状态
表2-2运行状态
时间（s）
控件
0-20
20-40
40-60
60-80
80-100
100-120
KT1
常开
on
on
常闭
on
on
on
on
KT2
常开
on
常闭
on
on
on
on
on
KT3
常开
on
常闭
on
on
on
on
on
KT4
常开
on
常闭
on
on
on
on
on
通过以上个开关的状态，结合控制要求，可以发现如表2-3设计要求
（2）的规律
表2-3设计要求
（2）
电机一
并联
KT1瞬动开关KT2延时常开开关
串联
KT3延时常闭开关KT2延时常闭开关
电机二
并联
KT1延时常开开关KT3延时常开开关
串联
KT4延时常闭开关KT2延时常闭开关
电机三
并联
KT1瞬动开关KT3延时常开开关
串联
KT2延时常闭开关
电机四
并联
KT1瞬动开关KT2延时常开开关
串联
KT1延时常开开关
电机五
并联
KT1延时常开开关
串联
KT4瞬动开关
2.3方案比较
综合分析，两种方案的原理是一样的，但两个方案用到的元件有一定的区别，方案一中要多用几个时间继电器，容易导致控制不方便，且方案一中的逻辑比较复杂，而方案二不仅用到的电器元件最少，同时时间逻辑控制简单，所用方案二进行设计。
第3章继电接触器控制系统设计
3.1继电器基本知识
3.1.1继电器介绍
继电器是一种电控制器件。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
3.1.2时间继电器简介
在控制线路中用到的时间的时间继电器一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。
它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。
在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器，它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。
它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。
时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。
空气阻尼型时间继电器的延时范围大（有0.4～60s和0.4～180s两种），它结构简单，但准确度较低。
当线圈通电（电压规格有ac380v、ac220v或dc220v、dc24v等）时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。
但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹，上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。
经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。
从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。
延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。
吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。
空气经出气孔被迅速排出。
3.1.3与接触器的区别
继电器和接触器的工作原理一样。
主要区别在于接触器的主触头可通过大电流，而继电器的触头只能通过小电流。
所以，继电器一般不用来直接控制主电路（而是通过控制接触器和其他开关设备对主电路进行间接控制）。
3.2.选择元件
三相笼型异步电动机五台时间继电器4个（计时时间20s）热继电器若干电磁继电器5个按钮若干熔断器
3.3.主电路图
根据控制要求及方案二的设计思路，主电路图如图3-1主电路图所示：
图3-1主电路图
3.4控制电路图
根据方案二的设计思路，设计的控制电路图如图3-2控制电路图：
第4章PLC控制系统设计
4.1PLC基本知识
4.1.1PLC简介
PLC（ProgrammableLogicController），是可编程逻辑控制器。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
4.1.2PLC工作原理
当PLC投入运行后，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映象区中的相应的单元内。
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。
4.1.3与继电器接触器控制系统比较
⑴控制中采用的逻辑部件不同
继电器-接触器控制全部用硬触点和“硬”线连接；PLC内部大部分采用“软”触点和“软”线连接。
⑵PLC控制系统的结构和体积不同
继电器-接触器控制系统使用的电气元件多，体积大且故障率大；PLC控制系统结构紧凑，使用的电气元件少，体积小。
⑶控制中电器的触点不同
继电器-接触器控制中全部为机械式的硬触点，动作慢，弧光放电严重，寿命短，而且使用次数有限；PLC内部全部为“软”触点，动作快、寿命长，而且使用次数无限。
⑷灵活性不同
继电器-接触器控制方案的改变，需拆线，重新再接线，乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制方案的改变，一般不需要修改硬件，只需修改程序即可，及其方便。
此外，由于PLC技术是在计算机控制的基础上发展起来的，它是以微处理器为核心，结合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。
具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。
因此，PLC控制必将替代传统的继电器-接触器控制。
4.2系统控制要求分析及设计
4.2.1PLC控制方案的设计特点
⑴功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。
⑵硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。
楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
⑶可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，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，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
⑷系统的设计、安装、调试工作量少
PLC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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
⑸编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
⑹维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。
⑺体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。
⑻提升产品技术含量，增加产品形象！
对于复杂的机械设备，如果还使用传统的继电器控制，则不单加大的控制电箱的配制难度，还让产品的最终客户觉得产品不够先进，使用信心不足，因为现在主流机械设备都用上PLC，有PLC的机械品质或许更有保证，同时使用PLC加大了同行的仿制难度！
4.2.2工作流程图
根据题目要求，系统工作时要先判定是否要实现循环，实现循环则执行循环电路，如不循环，则执行单独启停电路，其工作过程如图4-1工作流程图所示：
是否
I0.1I0.2I0.3I0.4I1.5
图4-1工作流程图
4.2.3主电路设计
主电路中电机的转动主要是由电磁继电器控制，由于能实现单独控制，所以每一个电磁继电器的控制一个电机。
具体电路参考第3章继电接触器控制系统设计中的主电路图。
4.2.4PLC控制系统设计
通过对五台三相笼型异步电动机顺序循环控制控制线路的分析可知，系统总共需要I/O点17个，其中输入点12个，输出点5个。
4.2.5确定PLC类型
在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点：
⑴性能与任务相适应
对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。
对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLCC200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。
当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。
⑵PLC的处理速度应满足时实控制的要求
PLC工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在1～2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。
但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。
例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。
滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。
⑶PLC应用系统结构合理、机型系列应统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。
模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。
维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。
在使用时，应按实际具体情况进行选择。
结合以上几点，选用的PLC的选型为西门子S7-200系列的可编程控制器。
4.2.6确定I/O信号数量、分配及编号
该系统需要12个输入新号，5个输出信号，所以地址分配如表4-1I/0地址分配表：
表4-1I/0地址分配表
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编码
输入信号
电路停止按钮
常闭开关
SB12
I0.0
一号电机启动按钮
常开开关
SB1
I0.1
二号电机启动按钮
常开开关
SB2
I.2
三号电机启动按钮
常开开关
SB3
I0.3
四号电机启动按钮
常开开关
SB4
I0.4
五号电机启动按钮
常开开关
SB5
I0.5
循环控制按钮
常开开关
SB6
I0.6
一号电机停止按钮
常闭开关
SB7
I0.7
二号电机停止按钮
常闭开关
SB8
I1.0
三号电机停止按钮
常闭开关
SB9
I1.1
四号电机停止按钮
常闭开关
SB10
I1.2
五号电机停止按钮
常闭开关
SB11
I1.3
输出信号
一号电机驱动信号
接触器
KM1
Q0.1
二号电机驱动信号
接触器
KM2
Q0.2
三号电机驱动信号
接触器
KM3
Q0.3
四号电机驱动信号
接触器
KM4
Q0.4
五号电机驱动信号
接触器
KM5
Q0.5
4.2.7PLC端子接线图
根据I/O表及PLC的工作流程图，很容易就可以得到PLC端子接线图如图4-2I/O接线图。
本次选择的是CPU224型PLC,它的端口能够满足需求因此不需要专门配备模块扩展。
4-2I/O接线图
4.2.8控制程序编制
程序的编制主要是根据继电器接触器原理图进行设计的，主要是把各种触点进行转化，实现控制的自动话。
PLC可以识别的编程语言有梯形图、指令表等，本次编程用的语言是梯形图和指令表。
⑴梯形图
⑵指令表
控制系统的梯形图和指令表之间是相互对照，互为补充的。
因此五台三相笼型异步电动机的顺序循环控制系统的指令表可以有梯形图得出，见附录
（一）。
结论
本次设计的过程是先设计继电器接触器控制系统，然后根据继电器接触器控制系统设计PLC控制系统。
两种系统虽然控制原理一样，但是所需要的控制元件却有很大不同，尤其是PLC设计中有很多中间继电器在继电器接触器中都是没有的。
本次设计的思路是通过时间继电器的控制，使每一个时间继电器的工作时间达到定时的二倍。
通过仿真设计的程序能够正确的执行。
在仿真过程中，发现时间继电器的控制灵敏度是影响控制的主要因素，所以今后对继电器接触器的研究方向是怎么提高继电器的灵敏度。
设计总结
为期两周的课程设计就要告一段落，纵观整个设计过程，可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案。
通过此次设计，了解了五台三相笼型电动机的工作原理，控制方法。
本次设计中，电路及软件实现是此次设计的主要部分。
通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处，巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。
特别是老师严谨的态度给我启发不小。
在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。
任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。
对于那些要求能够扩展功能的课题更是如此。
致谢
在这短短几天的课程设计过程中，我首先要感谢老师的指导，在老师的详细认真的指导下，同学们才能顺利完成课程设计。
小小的一个课程设计更让我感到了合作的重要性，要是没有同组同学的相互探讨，相互帮组，就不可能有最后满意的成果。
附录
附录
（一）指令表
Network1//网络标题
//网络注释
LDI0.1
OM0.1
OM0.0
OT38
OT40
AI0.7
AI0.0
ANT37
ANT39
=M0.1
=Q0.1
Network2
LDI0.2
OM0.2
OT37
OT39
AI1.0
AI0.0
ANT40
ANT38
=M0.2
=Q0.2
Network3
LDI0.3
OM0.3
OM0.0
OT39
AI1.1
AI0.0
ANT38
=M0.3
=Q0.3
Network4
LDI0.4
OM0.4
OM0.0
OT38
AI1.2
AI0.0
ANT37
=M0.4
=Q0.4
Network5
LDI0.5
OM0.5
OT37
AI1.3
ANM1.2
=M
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