基于S7300的电动机动控制系统设计.docx

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基于S7300的电动机动控制系统设计

课题名称：

基于S7-300的电动机Y-△起动控制系统设计

1．本课题所涉及的问题及应用现状综述

为了提高我们在进入自动化专业工作岗位之前的实际动手能力，提前接触和适应自动化专业工作岗位中可能遇到的问题，本题目通过学习和使用自动化专业可能用到的编程软件S7-300和组态王，使我们能够提前学习并掌握自动化专业的相关软件。

在电动机的正反转接换时，由于电动机容量较大或操作不当的原因，使启动电流过大引起布线电压下降，从而引发故障。

为了减小启动电流从而采用星形·三角形启动方法。

应用基于S7-300的PLC和组态王对其进行控制。

2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析

重点研究的关键问题：

星形·三角形启动原理、基于S7-300软件的程序编写、熟悉组态王。

解决思路：

在电机启动时将电机接成星形接线,当电机启动成功后再将电机改接成三角形接线，然后直接加入电源电压，进入运转模式。

主要电路：

3．完成本课题的工作方案

第一周：

了解题目，寻找相关的资料。

第二周至第五周：

掌握电动机星形·三角形启动的原理。

第六周至第七周：

熟悉S7-300软件和组态王软件。

第八周至第九周：

编写控制程序，画组态画面。

第十周：

仿真该控制方案，并进行实际操作。

第十一周至第十三周：

撰写论文。

第十四周：

提交论文，并进行答辩。

4．指导教师审阅意见

指导教师（签字）：

　　　　年月日

说明：

本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在毕业论文（设计）正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。

西安邮电学院毕业设计（论文）成绩评定表

学生姓名

石超

性别

男

学号

06071086

专业班级

自动0703

课题名称

基于S7-300的电动机Y-△启动控制系统设计

课题

类型

生产

实践

难度

一般

毕业设计（论文）时间

2011年01月10日～　6月17日

指导教师

沈建冬

（职称讲师）

课题任务

完成情况

论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；

其它（含附件）：

指导教师意见

分项得分：

开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分

指导教师审阅成绩：

　　　　指导教师（签字）：

　　　　　　　　　年　月　日

评

阅

教

师

意见

分项得分：

选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；外文翻译分

评阅成绩：

　　　　评阅教师（签字）：

　　　　　　　　年　月　日

验收小组意见

分项得分：

准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分

验收成绩：

　　　验收教师（组长）（签字）：

　　　　　　　　　年　月　日

答

辩

小组

意

见

分项得分：

准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分

答辩成绩：

答辩小组组长（签字）：

　年月日

成绩计算方法

（填写本院系实用比例）

指导教师成绩（％）评阅成绩（％）验收成绩（％）答辩成绩（％）

学生实得成绩（百分制）

指导教师成绩评阅成绩验收成绩

答辩成绩总评

答辩委员会意见

毕业论文（设计）总评成绩（等级）：

院（系）答辩委员会主任（签字）：

院（系）（签章）

年月日

备

注

西安邮电学院毕业论文（设计）成绩评定表（续表）

摘要

在现代工业自动化控制中，一些大功率电机采用的Y-△控制电路大多数是传统的继电器电路，这种电路在消除继电器断线不能正常启动、启动时形成的弧光短路等故障时有一定的困难，将可编程控制器（PLC）应用到以上的系统中，将使继电器在继电器控制电路中存在的问题迎刃而解，并且用PLC控制多台电动机时更能显示其优越性。

本文主要探讨PLC在电机Y-△启动控制的应用。

本课题通过详述电动机Y-△降压启动控制的工作原理、设计要求，设计了PLC代替硬件接线的逻辑控制电路和程序设计，并进行了控制方法和程序的分析。

PLC控制电动机Y-△降压启动效果明显，达到设计要求，对同类型电动机改造有参考价值。

本设计采用PLC实现电动机的驱动和控制，结构简单，可靠性高，成本低，实用性强，具有较高的通用性和应用推广价值。

关键词：

PLC；Y-△启动；电动机；控制

Abstract

NowsomehighefficiencyelectricalmachineryuseY-△controlcircuitmajorityisthetraditionalrelayelectriccircuit.Thiskindofelectriccircuitcannotnormallystart,thestartwhentheeliminationrelaybrokenlineformsthearclightshort-circuitsandsoonwhenthebreakdownhasthecertaindifficulty,willapplyPLCaboveinthecontrolcircuittocausetherelaythequestionwhichwillexistintheblack-whitecontrolelectriccircuittobeeasilysolve，WhencontrolswithPLCverymanyelectricmotorsstartscandemonstrateitssuperiority.ThispaperdiscussesPLCintheelectricalmachineryY-△startcontrolapplication.

ByelaboratingtheprinciplesanddemandsfordesignofmotorY-△reduced—voltagestarting，PLClogicalcircuitsandcomputerprogramsaredeignedtobesubstitutedforhardwiringandthecontrollingmethodandtheprogramsareexplained．Thismethodissignificantlyeffective，meetthedemandsofdesignandhasreferencevaluetothereformofsamesortofmotors．ThepaperexpoundshowtodesignthedriveandcontrolcircuitsbymeansofPLC.Thedesignedmotorfeaturesmoresimple,higherreliability,lowercostandmoreversatile,anditisworthtobepromoted.

Keywords:

PLC;Y-△start;stepmotor;control

引言

上世纪后期，可编程控制器的发展特点是：

更加适应于现代工业的需要。

目前，PLC以其可靠性高、价格便宜、易学易用等优点在国内外广泛的应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，可编程控制器（PLC）也在电动机的控制系统的设计中得到广泛的应用。

本文主要探讨PLC在电动机Y-△启动控制的应用。

在对大功率电机的启动方法中，采用Y-△启动装置对△运转的鼠笼型电动机比较普遍，也是理想的一种降压启动方法，当然这也是电动机Y-△启动的局限性。

使用传统的继电器线路是难以消除继电器断线不能正常启动、启动时形成的弧光短路等故障的。

将PLC应用到以上的系统中，可以很容易解决使用传统继电器电路所带来的的问题。

在异步电动机的Y-△降压启动控制系统中，用PLC控制异步电动机，减少了系统的设计工作量，大大缩短了开发周期，降低了硬件成本，而且提高了控制系统的可靠性。

根据应用场合不同，可以使用不同的PLC编程软件实现。

本文就分别使用了S7-300和S7-200设计了控制程序，并且对于控制程序做了详细的解释。

用PLC实现Y-△启动，效果很好，这个控制系统完全可以应用到实际生产实践中。

它动作稳定，安全可靠，实现起来也很容易，具有广泛的应用前景。

1绪论

本章主要介绍可编程控制器（PLC）的国内外应用现状，以及该本课题的研究意义和研究内容和该课题的研究背景及相关内容有基本的了解。

1.1可编程控制器（PLC）的国内外现状

1.1.1PLC简介

1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

PLC以其独特的优越性已深得科研人员的信赖，其特点主要有以下几点：

第一，可靠性高，抗干扰能力强

　　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，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

　　第二，硬件配套齐全，功能完善，适用性强

　　PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、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，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。

　　第三，易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

　　第四，系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造

　　PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

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。

　　第五，体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。

它的重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.1.2PLC的发展历程　

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了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）。

上世纪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。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

1.1.3PLC应用现状

　目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制

　　在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

（3）运动控制

　　PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

（4）过程控制

　　过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

1.1.4电动机降压启动的应用现状

三项异步电动机通过工作频率直接启动时，大容量的电动机会出现很多问题，例如：

（1）控制电机的启动电流过高，当电机通过工频直接启动时，会产生7~8倍的电机额定电流，这个电流值将增加电机绕组的电应力并产生热量从而降低电机的寿命。

（2）电力线路电压波动过大，在电机工作频率启动时，电流剧增的同时电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量，电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。

所以当电动机容量较大时，可以通过降压启动来弥补直接启动的缺陷。

降压启动分为定子串接电阻或电抗降压启动、Y-△降压启动和自耦变压器降压启动。

该课题主要研究Y-△降压启动，现在一些大功率电机采用的Y-△控制电路大多数是传统的继电器电路，这种电路在消除继电器断线不能正常启动、启动时形成的弧光短路等故障时有一定的困难，将PLC应用到以上的系统中，将使继电器在继电器控制电路中存在的问题迎刃而解，并且用PLC控制多台电动机时更能显示其优越性。

1.2本课题研究的意义

可编程控制器（PLC）是近年来发展迅速的工业控制装置，以广泛的应用与工业企业的各个领域。

PLC也以其可靠性高、价格便宜、易学易用等优点广泛的应用在电动机的控制系统的设计中。

本文主要探讨PLC在电机Y-△启动控制的应用。

在对大功率电机的启动方法中，采用Y-△启动装置对△运转的鼠笼型电动机比较普遍，也是理想的一种降压启动方法。

在异步电动机的PLC控制系统中，用PLC直接控制异步电动机，用软件代替硬件控制，不仅减少了系统的设计工作量，大大缩短了开发周期，降低了硬件成本，而且提高了控制系统的可靠性。

本设计采用PLC实现电动机的驱动和控制，结构简单，可靠性高，成本低，实用性强，具有较高的通用性和应用推广价值。

1.3本课题研究的主要内容

（1）该课题主要研究的是三项异步电动机的星-三角的启动，根据星-三角启动的原理设计控制系统，改善以往使用继电器启动的缺陷。

（2）研究PLC在电动机控制系统中的应用，设计好的控制系统用PLC编程实现控制。

（4）熟悉组态软件，画出仿真画面。

（3）将控制方案仿真并实践以确定其可行性。

2电动机的启动原理

这一章主要是介绍异步电动机的相关知识，包括其工作原理、机械特性、启动与制动，重点介绍了电动机Y-△降压启动的原理。

2.1异步电动机简介

异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，因此，异步电动机被广泛应用在电力拖动系统中。

尤其是随着电力电子技术的发展和交流调速技术的日益成熟，使得异步电动机在调速性能方面大大提高。

目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。

三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。

与单相异步电机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。

按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。

笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。

绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。

调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

2.1.1电动机工作原理

三相异步电机（Triple-phaseasynchronousmotor）是靠同时接入三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。

其工作原理：

三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。

短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。

通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。

电机结构：

主要就是由定子和转子组成。

定子：

由定子铁芯，定子绕组，机座，端盖等组成。

转子：

由转轴，转子铁芯，和转子绕组组成。

（按照转子绕组的结构形式，转子可分为绕线式转子和鼠笼式转子）。

2.1.2三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。

由于转速n与转差率S有一定的对应关系，所以机械特性也常用Tem＝f（s）的形式表示。

三相异步电动机的电磁转矩表达式有三种形式，即物理表达式、参数表达式和实用表达式。

物理表达式反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质，说明了电磁转矩是由主磁通和转子有功电流相互作用而产生的。

参数表达式反映了电磁转矩与电源参数及电动机参数之间的关系，利用该式可以方便地分析参数变化对电磁转矩的影响和对各种人为特性的影响。

实用表达式简单、便于记忆，是工程计算中常采用的形式。

电动机的最大转矩和启动转矩是反映电动机的过载能力和启动性能的两个重要指标，最大转矩和启动转矩越大，则电动机的过载能力越强，启动性能越好。

  三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩（或临界转差率）为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区。

固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。

人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出，分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率及启动转矩这三个量随参数的变化规律。

2.2三相异步电动机启动与制动

一、三相异步电动机的启动

小容量的三相异步电动机可以采用直接启动，容量较大的笼型电动机可以采用降压启动。

降压启动分为定子串接电阻或电抗降压启动、Y-△降压启动和自耦变压器降压启动。

1、定子串电阻或电抗降压启动时，启动电流随电压一次方关系减小，而启动转矩随电压的平方关系减小，它适用于轻载启动。

2、Y-△降压启动只适用于正常运行时为三角形联结的电动机，其启动电流和启动转矩均降为直接启动时的1/3，它也适用于轻载启动。

3、自耦变压器降压启动时，启动电流和启动转矩均降为直接启动时的l/k2（k为自耦变压器的变比），适合带较大的负载启动。

4、绕线转子异步电动机可采用转子串接电阻或频敏变阻器启动，其启动转矩大、启动电流小，适用于中、大型异步电动机的重载启动。

软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电动机控制装置，国外称为SoftStarter。

它的主要构成是串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。

运用串接于电源与被控电动机之间的软启动器，以不同的方法，控制其内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至启动结束，赋予电动机全电压，即为软启动。

在软启动过程中，电动机启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。

软启动器实际上是个调压器，用于电动机启动时，输出只改变电压并没有改变频率。

二、三相异步电动机的制动

三相异步电动机也有三种制动状态：

能耗制动、反接制动（电源两相反接和倒拉反转）和回馈制动。

这三种制动状态的机械特性曲线、能量转换关系及用途、特点等均与直流电动机制动状态类似。

2.3电动机Y-△降压启动原理

2.3.1原理论述

在启动时，直接给电动机施加额定电压，一般会产生数倍于满载电流的启动电流。

对于大容量的电动机来说，这种启动电流会引起布线电压下降，引发故障。

在电动机启动时外加低电压，减小启动电流的方法称为降压启动。

降压启动的实质就是在启动时减小加在电动机钉子绕组上的电压，以减小启动电流，在启动后再将电压恢复到额定值，电动机正常工作。

Y-△启动法就是一种降压启动法。

星形连接：

电动机（三相感应电动机）的三组定子线圈U1-U2、V1-V2、W1-W2的一端U2、V2、W2连接在一起，然后从其他的端子U1、U2、U3分别与三根电源线相连接的接线方法称为星形接法或Y形接法。

如图2.1，此时的相电压VY=线电压/√3，相电流IY=线电流I。

三角形接法：

将电动机定子线圈U1-U2、V1-V2、W1-W2首尾依次连接，并从连接处引出3根电源线的连接方法称为三角形接法或△连接。

如图2.2，此时相电压V△=线电压V，相电流Ｉ△＝线电流Ｉ/√3。

电动机Y-△降压启动原理就是在启动时，先将定子接成星形如图2.1，这时加在每相绕组上的电压VY=V△/√3。

启动电流为直接采用三角形接法的1/3，启动的转矩也只有三角形接法直接启动时的1/3。

待电动机转速升高以后，再改接成三角接法如图2.2，电动机端电压为额定值，进入运转模式。

这种降压启动的方法，只适用于轻载或空载下启动。

Y-△降压启动最大的优点是设备简单，价格低，因而获得较广泛的应用。

缺点是只用于正常运行时为△接法的电动机，降压比固定，有时不能满足启动要求。

图2.1图（a）为Y运行接线原理图图（b）为△运行接线原理图

在实际操作中，经常会遇到弧光短路的问题。

在Y接交流接触器主触头断开瞬间，因触头间距极小，电场强度很大，触头间产生大量的带电微粒，形成了灼热的电子流，产生电弧放电现象，很容易出现因多种原因造成弧光短路，这种强大的短路电流使交流接触器烧毁，断路器跳闸，甚至引起低压开关跳闸。

以下是防止Y-△转换时