PLC课程设计基于PLC的三相异步电动机双速电气设计.docx

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PLC课程设计基于PLC的三相异步电动机双速电气设计

PLC课程设计--基于PLC的三相异步电动机双速电气设计

1．设计（论文）内容及其要求：

1.设计内容：

基于PLC的三相异步电动机双速电气设计；能够实现对电动机的双速调节，要求设计以S7-200变频器为基础并进行仿真,能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。

2.电器工作流程图法的设计步骤：

2.1绘制电器工作流程图；

2.2控制对象的导通逻辑表达式；

2.3绘制电器主接线图和PLC端子接线图；

2.4编制PLC控制程序；

3.设计要求：

3.1选择电气传动方案和控制方式；

3.2设计电器控制原理图，确定各部分之间的关系，拟定技术指标和要求；

3.3设计并绘制电器控制原理图（设计图符合国家规程规范），计算主要计算参数；

3.4选择电器元件，制定元器件目录清单，绘制电器主接线图和PLC端子接线图；

3.5编制PLC控制程序；

3.6编写设计说明书（含中英文摘要、正文、图纸（CADA3号图））；

3.7dwg（CAD）图形文件及doc文档交给指导老师；

4.时间安排：

2013.12.18-2013.12.20：

查阅文献，制定设计方案，设计电器控制原理框图；

2013.12.21-2013.12.27：

设计电气主接线和PLC控制电路，选择电器元件；

2013.12.28-2013.12.31：

编写设计说明书及答辩；

指导老师：

徐祖华

2013年12月16日

摘要

现今建筑越来越高也越来越深，拥有地下商场、地下车库建筑物逐渐增多，通风和火灾消防问题显得越来越突出。

在较多的建筑物中，由于受地下空间的限制，在满足风量及风压等参数的条件下，通风和排烟系统的风道和风机大多可以合用，这就使双速风机的应用创造了条件：

平时，作为通风机使用，风机以低速运行；一旦发生火灾，立刻切换到高速，作为消防排烟风机使用。

这样一机两用，首先可以简化设备，节省投资，更重要的是大大提高了设备的使用效率和可靠性。

如在通风机和消防排烟风机完全独立的系统中，消防排烟机平时不用，仅在失火的情况下才投入使用，如果平时由于某种原因存在了故障，很难及时发现并得到检修，失火时可能无法投入使用，这必将造成严重的后果；而如果是采用双速风机的合并系统则不然，它不仅可以在满足使用要求的前提下减少一套设备，而且由于平时作为通风机运行着，出现故障容易被发现并及时得到修理，从而使它始终处于被监控的良好状态，能够在关键时刻发挥作用。

双速电机主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业。

此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用。

双速电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械。

双速电动机属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。

根据公式；n=60f/p可知异步电动机的同步转速与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，同步转速n下降至原转速的一半，电动机额定转速n也将下降近似一半，所以改变磁极对数可以达到改变电动机转速的目的。

这种调速方法是有级的，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式电动机。

此图介绍的是最常见的单绕组双速电动机，转速比等于磁极倍数反比，如2极/4极、4级/8极，从定子绕组△接法变为YY接法，磁极对数从2p=2变为2p=1。

所以转速比=1/2

1.双速电机

1.1双速电动机简介

   双速电动机属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。

   根据公式；n1=60f/p可知异步电动机的同步转速与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，同步转速n1下降至原转速的一半，电动机额定转速n也将下降近似一半，所以改变磁极对数可以达到改变电动机转速的目的。

这种调速方法是有级的，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式电动机。

   此图介绍的是最常见的单绕组双速电动机，转速比等于磁极倍数比，如2极／4极、4级／8极，从定子绕组△接法变为YY接法，磁极对数从p＝2变为p=1。

转速比＝2／1＝2

1.2控制电路分析

   1、合上空气开关QF引入三相电源

   2、按下起动按钮SB2，交流接触器KM1线圈回路通电并自锁，KM1主触头闭合，为电动机引进三相电源，L1接U1、L2接V1、L3接W1;U2、V2、W2悬空。

电动机在△接法下运行，此时电动机p=2、n1＝1500转／分。

   3、若想转为高速运转，则按SB3按钮，SB3的常闭触点断开使接触器KM1线圈断电，KM1主触头断开使U1、V1、W1与三相电源L1、L2、L3脱离。

其辅助常闭触头恢复为闭合，为KM2线圈回路通电准备。

同时接触器KM2线圈回路通电并自锁，其常开触点闭合，将定子绕组三个首端U1、V1、W1连在一起，并把三相电源L1、L2、L3引入接U2、V2、W2，此时电动机在YY接法下运行，这时电动机p=1，n1＝3000转／分。

KM2的辅助常开触点断开，防KM1误动。

   4、FR1、FR2分别为电动机△运行和YY运行的过载保护元件。

   5、此控制回路中SB2的常开触点与KM1线圈串联，SB2的常闭触点与KM2线圈串联，同样SB3按钮的常闭触点与KM1线圈串联，SB3的常开于KM2线圈串联，这种控制就是按钮的互锁控制，保证△与YY两种接法不可能同时出现，同时KM2辅助常闭触点接入KM1线圈回路，KM1辅助常闭触点接入KM2线圈回路，也形成互锁控制。

1.3定子接线图如下:

图1.1

低速时绕组的接法            高速时绕组的接法

1.4双速电机接线图

图1.2

2.电气元件的选择

1、按钮：

按钮是用于人工操作瞬间接通和断开小电流（5A以下）控制电路的开关。

它有不同的结构型式和颜色。

一般情况下，起动按钮选用绿色，停止按钮选用红色，紧急停止按钮选用红色蘑菇头型式；需要显示按钮操作状态时选用带指示灯的按钮；大多数按钮的触头为一常开和一常闭，如果需要一个按钮控制两个或两个以上的回路，则选用多对触头的按钮。

机械设备上常用的按钮有LA18、LA19、LA20等几种型号。

它们的额定电压为：

交流500V、直流440V、额定电流为5A。

2、行程开关：

行程开关用于控制运动机构的行程。

它有触点式和无触点式两种类型。

有触点行程开关又分为直动式、杠杆式、微动式、组合式，常用的型号有：

LX2、LX19、JLXK1、JXW、LXK3、X2等。

无触点行程开关有接近开关、干簧管开关、霍尔开关等。

3、接触器：

选用主要考虑主触头的额定电流、额定电压、电磁线圈的额定电压，还应考虑常开和常闭辅助触头的数量和接触器的操作频率。

主触头的额定电压应等于或大于主电路的额定电压；电磁线圈的额定电压必须与控制电路的额定电压相同；主触头的额定电流可按以下公式计算确定：

式中Iec——所选接触器的额定电流（A）；

Ic——接触器主触头电流（A）；

Pe——被控电动机功率（kW）；

K——经验系数，一般取1~1.2；

Ue——电动机额定线电压（V）

4、热继电器：

用于对异步电动机进行过载保护的热继电器有双金属片时和电子式两种。

电子式热继电器保护性能好，适用于重要电动机的保护。

如果电气控制系统已经采用自动开关，不必再采用热继电器；对负载恒定、过载可能性很小的电动机，如冷却泵电机，可不设热继电器。

选择热继电器时，要根据电动机的额定电流来确定其额定电流及热元件的电流等级。

对星形连接电动机，可使用两相或三相结构的热继电器，对三角形连接的电动机可采用断相保护的热继电器。

热元件的额定整定电流值通常按电动机的额定电流的0.95~1.05倍选用。

5、熔断器主要类型有：

普通熔断器，半导体保护熔断器等。

常用的KS,KG系列。

选择熔断器时，应根据电流的特点及参数求出熔体电流，再根据熔体电流大小选择熔断器的额定电流并确定其型号。

1）对负载电流稳定的电气设备，如照明灯、电阻炉等，可按额定电流选用。

2）对具有冲击电流的电气设备如异步电动机，可按以下方法确定：

单台电动机长期工作时：

Ir=（1.5~2.5）Ied

A

电动机频繁起动时，上式的系数为3~3.5，计算结果

=（19.17-22.365）A。

如果多台电动机共用一组熔断器保护，则

式中Ir——熔体额定电流；

Ied——电动机额定电流；

Iemax——容量最大的电动机的额定电流；

——除容量最大的电动机之外，其余电动机的额定电流之和。

计算结果

=（22.365-28.755）A

熔断器（KS8半导体保护熔断器）的选择如图所示：

图2.0

3.电气控制方案的确定

电气控制方案的合理性直接影响机械设备工作的可靠性、易维修性以及经济性。

设计电气控制系统时必须综合考虑，在保证机械设备要求的工作可靠性和易维修性的前提下，应采用简单、经济的电气控制方案。

机械设备电气控制系统通常包括电气调速系统、逻辑控制系统和数字控制系统。

3.1电气逻辑控制装置的选择

电气逻辑控制装置有继电器-接触器控制屏、顺序控制器和PLC。

继电器-接触器控制屏的电路结构简单，直观易懂，输出功率大，价格便宜。

其缺点是触头容易产生电磨损，工作时有机械振动，容易造成触头松动。

这几种情况的发生都会降低控制系统的工作可靠性，一旦出现故障，检查和维修很不方便。

顺序控制器是一种介于继电器-接触器控制屏和PLC之间的一种控制装置。

它具有改变容易的特点，尤其是采用插销板编程时，改变插销的位置就可以改变程序，使用

很方便。

这种控制装置适用于动作顺序不太复杂的控制系统，特别适用于需要经常改变工作顺序的生产机械的自动控制。

但是这种控制系统由于插销比较多，接触不良的故障时有发生，可靠性不太高，而且这种产品由于没有专业厂生产，所以目前已很少应用。

PLC具有通用性强、应用控制系统设计组装周期短、编程简单、修改容易、调试直观、维护方便、可靠性高、体积小、重量轻等优点，目前以广泛应用于各行各业机械设备的自动控制。

但与继电器-接触器控制屏相比，PLC的价格比较贵。

如果机械设备执行机构比较少，工作程序和控制要求比较简单，无论采用电气传动还是液压传动或气压传动，其控制系统宜采用继电器-接触器控制屏。

对于执行机构比较多、工作程序和控制要求比较复杂的机械设备，其控制装置应采用PLC。

有些机械设备虽然执行机构少，工作程序也不复杂，但工作程序要求经常变动，这种设备应采用PLC控制。

3.2控制方式的选择

控制方式通常有行程控制、时间控制和其他物理量（压力、流量、电流、速度等）控制。

行程控制方式是利用机械设备运动部件上的碰块或感应头，触发在固定位置安装的行程开关或无触头行程开关，以此发出行程信号来实现位置控制。

凡是要求进行位置控制的执行机构都应采用行程控制方式。

时间控制方式是利用时间继电器或PLC的定时器，使控制系统按工艺要求的不同时段进行程序步切换，实现生产过程的自动控制。

因此，机械设备的工作程序如果要求要求延续一般时间后才切换的则应采用时间控制方式。

对于要求实现位置控制的执行机构，如果其行程很短，无法安装行程开关。

在运动速度比较稳定的情况下，根据运动速度与时间的乘积等于行程的原理，也可以采用时间控制方式来实现位置控制。

3.3确定I/O点数及PLC的选型

伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，PLC的成本不断下降，因为促进了PLC的应用。

但并不是所有的控制都必须使用PLC，可以使用计算机控制或继电接触器控制。

在确定控制系统方案时，首先应明确是否有必要采用PLC控制。

如果控制系统非常简单，所需I/O点很少，或者虽然I/O点需要较多，但控制关系非常简单，各部分之间联系很少，可以考虑不用PLC，而采用传统的继电接触器控制。

除此之外，只要满足下列情况之一，应该首选PLC。

1）系统所需I/O点数较多（比如在十几个点以上），控制要求比较复杂。

2）现场处于工业环境，而又要求控制系统具有较高可靠性。

3）系统的工艺流程可能经常发生变化，输入、输出控制量需经常调整。

4）要求完成多种定时、计数、甚至复杂的逻辑、算术运算，以及对模拟量的控制。

5）需要完成与其他设备实现通信或联网。

6）系统体积很小，要求控制设备嵌入系统设备之中等。

3.4输入、输出设备的数量

根据示意图和控制要求可知，该系统需要6个输入点和4个输出点。

3.5PLC的选择

此控制系统只有简单的开关量控制，没有模拟量的输入或输出，对系统的响应时间也没有特殊的要求，时间继电器的定时也是固定的，小型PLC即可满足要求。

因系统需要6个输入点和4个输出点，可选用西门子公司的整体式小型SP-200，完全满足要求。

3.5.1常用PLC的编程指令系统

1）LD指令LD（Load）：

取指令，适用于梯形图中与左母线相连的第一个常开触点，表示一个逻辑行的开始。

2）LDN指令LDI（LoadInverse）：

取反指令，适用于梯形图中与左母线相连的第一个常闭触点。

3）OUT指令OUT（Out）：

线圈驱动指令（又叫输出指令），适用于将运算结果驱动输出继电器、辅助继电器、定时器和计数器的线圈，但不能用于输入继电器。

OUT指令用于计数器和定时器时，必须有常数K值紧跟，K分别表示定时器时间或计数次数，它也作为一个步序。

4）AND指令AND（And）：

“与”指令，适用于和触点串联的常开触点。

5）ANI指令ANI（AndInverse）：

“与反”指令，适用于和触点串联的常闭触点。

6）OR指令OR（Or）：

“或”指令，适用于单触点并联的常开触点。

7）ORI指令ORI（OrInverse）：

“或反”指令，适用于单触点并联的常闭触点。

8）RST指令RST（Reset）：

计数器和移位寄存器的复位指令，适用于将计数器的当前值回复到设定值或清除移位寄存器中所有位的信息，即清零。

计数器有计数输入和复位输入两个输入端。

当计数输入端触点每次从断开至接通时，计数器的值减1，当通断次数达计数值后，计数器的当前值减为0，此时计数器的线圈接通，其常开触点闭合。

如果要计数器从当前值回到最初设定值，则要接通复位输入端的触点，RST起复位作用，使计数器线圈断开，其常开触点断开。

RST指令总是优先执行的，因此当RST的输入保持时，对计数器或移位寄存器的输入不再接受。

所有的计数器和部分寄存器具有掉电保护功能，所以当不必再保持计数器原有状态时，在工作开始之前，要使用特殊辅助继电器M71，在主机投入运行的瞬时，产生的初始化脉冲，使计数器或位移寄存器复位。

9）SFT指令SFT（Shift）：

移位指令，适用于将移位寄存器中的内容做移位操作。

可由8个或16个辅助继电器组成移位寄存器。

3.5.2移位寄存器三个输入端功能为：

数据输入端IN：

当连接IN端的触点接通时，表示把“1”送到移位寄存器的最低位，反之则把“0”送到此位。

移位信号输入端CP：

当连接CP端的触点每由断变通一次、来一个脉冲时，移位寄存器的内容从编号小的低位，向编号大的高位顺序移动一次，最高位原来的数据丢失。

复位信号输入端R：

当连接R的触点接通时，对应的辅助继电器全部断开，即移位积存器全部清零。

如果R端连接的触点一直处于接通状态，则数据输入和移位输入的信号全无效。

3.6软件系统设计

根据控制要求用基本逻辑指令编程编制的梯形图（详见附录一）。

图中，T40为PD-1、PD-2、PD-3、YV延时起动、延迟的计时器。

PLC端子接线图如图3.1所示:

图3.1

网络表：

电机Q0.0I0.0启动按钮I0.3急停按钮

KM1Q0.1I0.1速度1I0.4过载保护按钮

KM2Q0.2I0.2速度2I0.5过载保护按钮

FR过载信号Q0.3热继电器Q0.4热继电器Q0.5

3.7程序运行过程

当PLC运行时，按下启动按钮，I0.0接通，电机启动。

按下I0.1，电机以第一种速度运行，按下I0.2，电机以第二种速度运行。

按下I0.3，电机急停。

按下I0.3，电机启动。

按下I0.4，电机停止运行，按下Q0.5，电机停止运行。

4.总结

为期2周的课程设计就这样结束了，这两周让我收获不少。

我本次的实习做的的是三相异步电动机双速电气设计。

我在制作的过程中，让我学到了许多东西，其中最主要的是PLC设计方法与应用。

设计步骤是首先是我们要弄清楚设备的顺序运作，然后结合PLC知识在图纸上画出顺序功能图，将顺序功能图转变为梯形图，之后利用PLC软件编程。

在练习的时候，我们可以实现用编辑好的程序与自动分拣设备进行调试。

总的来说，我是较好的完成了既定任务。

还有都不时去帮助其他同学解决一些问题。

PLC课程设计让我了解了plc顺序功能图、梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我更加了解了关于PLC设计原理与方法。

按我的总结来看，有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。

这次课程设计脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流，同学之间解决不了的问题就去找老师讨论。

多和同学，老师讨论，你会得到意外的收获。

我们在做课程设计过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以互相交流设计方法以至达到更适合的设计方法，同时讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。

多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。

总之，这次PLC课程设计真的给我很多的收获，给我弥补了很多我欠缺的知识以及巩固了之前所学的知识点等等。

在今后的学习过程中，要更加努力的学习自己的专业知识，多多与同学和老师交流，我相信在以后的工作里面有所作为。

附录一

附录二