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基于PLC的电机控制系统设计
摘要
随着科学技术的不断发展，调节阀在工业生产的控制过程中得到了广泛的应用，同时对其性能和安全性等方面的要求也越来越高。
众所周知，PLC自从问世以来就在自动控制各个行业发挥着难以取代的核心控制作用。
PLC具有运行稳定可靠，控制功能强，网络化等优点，成为工业控制应用的主流。
由于PLC的高稳定性和对环境较强的适应能力，使得PLC在调节阀电机的控制系统中的应用也日益广泛。
本文是利用西门子S7-200PLC为调节阀电机设计的一套自动控制系统。
首先对该系统基本情况、设备工作原理和控制任务等进行了详细的介绍和分析，并在此基础上拟定了控制系统的设计方案。
然后对该控制系统的控制电路进行了设计，对PLC的硬件部分和软件部分分别进行了设计，实现了调节阀由检测到开启、等待、关闭的过程，达到了调节阀稳定地控制下游区域介质压力的目的。
在软硬件设计的基础上，按设计任务的要求，通过一系列的模拟试验，得出符合设计任务要求的实验结果。
同时设计过程中给出的方法，对今后进行同样相关设计也有很大的指导意义和应用价值。
关键词：
PLC调节阀电机S7-200
···
摘要················································································Ⅰ
目录················································································Ⅱ
1绪论·················································································1
1.1系统概述··········································································1
1.1.1概述·············································································1
1.1.2系统工作原理···································································1
1.2工程概况·········································································1
1.2.1设备基本情况介绍·····························································1
1.2.2设备控制要求·································································1
1.2.3设计要求······································································2
1.3控制系统设计方案的拟定·························································2
1.4PLC介绍········································································2
1.4.1什么是PLC······································································2
1.4.1PLC的特点······································································3
1.5控制系统工作方式·······························································3
2控制电路设计·······································································4
2.1主电路设计·······································································4
2.2控制电路设计·····································································4
2.3保护电路设计······································································5
2.3.1短路保护设计···································································5
2.3.2过载保护设计···································································5
3PLC控制系统设计···································································6
3.1PLC控制系统设计基本原则························································6
3.2PLC控制系统的硬件配置························································6
3.2.1控制要求分析···································································6
3.2.2PLC选型·······································································6
3.2.3PLC的I/O地址分配···························································7
3.2.4I/O接线图设计································································7
3.2.5元器件选择···································································8
3.2.6元器件布置···································································9
3.2.7控制柜板面布置·······························································10
3.2.8电器互连图···································································10
3.3PLC控制系统软件设计···························································11
3.3.1系统结构图···································································12
3.3.2系统设计流程图······························································12
3.3.3PLC程序设计·································································12
4总结··············································································14致谢·············································································15
参考文献·········································································16
附录·············································································16
1绪论
1.1系统概述
1.1.1概述
本次设计的调节阀控制系统采用可编程控制器（PLC）及文本显示器用于实现调节阀的自动控制。
PLC将采集到的实际压力值与用户所给定的压力基值不断进行比较和判断，并根据比较结果判断是否启动电动机，是否启动电动机正转或启动电动机反转，也即是开启调节阀还是关闭调节阀，从而达到控制调节阀下游区域介质压力的目的。
在该系统中文本显示器用于用户设定压力基值，同时也用于直观了解系统运行过程中的实际压力值和调节阀的开度值。
1.1.2系统工作原理
调节阀控制系统的主要作用就是根据调节阀下游区域介质所需要维持的某一压力值的要求，来自动调整调节阀的开度。
用户通过文本显示器设定下游区域介质所需要维持的压力值，当实际压力值超出设定压力值的上限值时，控制系统启动电机关阀；当实际压力值低于设定的压力值的下限值时，控制系统启动电机开阀；当实际压力值在所给定的压力值范围内时，电机不运转。
控制系统不停地采集实际压力数据，与基值进行比较，并根据比较结果适时调节阀门开度，最终使调节阀下游区域的介质压力维持稳定。
1.2工程概况
1.2.1设备基本情况介绍
调节阀一台，调节阀的阀体在一台三相异步电机驱动下可前后移动，以此实现阀门的开启或关闭，调节流过阀体的介质流量，从而维持调节阀下游区域介质为某一稳定压力。
文本显示器一台，用于设置调节阀下游区域介质的压力，也用于显示实际压力值和阀门的开度值。
电机功率2.1kW，供电电源为380V，频率为50Hz。
短时工作制。
调节阀自配开、关限位及阀门开度传感器。
1.2.2设备控制要求
1、电机全压启动，正、反方向运转。
2、有自动和手动两种控制方式。
3、当介质压力超出或低于基值的上、下限范围时，系统启动电机运转，自动调节阀门开度，使介质压力维持在基值上、下限范围内。
4、当开限位、关限位、过力矩限位动作时，均能使电机立即停止。
5、电源、压力、开度信号和限位信号均有指示。
6、用户能设置介质所需要维持的压力参数。
7、有报警功能。
8、有必要的短路、过载保护。
1.2.3设计要求
在了解和熟悉设备基本情况及设备控制要求的情况下，对本次设计提出了如下要求：
（1）对空开、接触器、过热继电器、指示灯等电器元件进行配置和选型；
（2）对PLC硬件设备进行配置和选型；
（3）绘制电气原理图，包括主回路图和控制回路图；
（4）分配出I/O表和内存地址，绘制梯形图程序；
（5）绘制安装接线图、电器互连图等。
1.3控制系统设计方案的拟定
最早期的调节阀控制系统多采用继电器控制方式。
但是，由于继电器控制系统本身的局限性，如控制功能只限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须重新设计、布线、装配和调试，而且继电器控制系统布线繁琐混乱，接点众多，在出现故障时查找故障点非常困难；同时，强电和弱电导线绞接在一起，使信号相互干扰严重等，继电器控制系统已逐渐被替代。
目前，调节阀的控制系统主要有单片机控制和PLC控制等两种控制系统。
现时国内，大部分调节阀的控制系统引进国外控制系统，采用基于单片机的控制器控制，取得了较好的控制效果。
但采用单片机控制软件编程复杂，对操作人员要求较高，硬件可靠性较低，而且价格较贵。
本设计采用PLC控制系统，不仅简单方便而且可靠性大大提高。
1.4PLC介绍
1.4.1什么是PLC
PLC是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置，目前已被广泛地应用于工业生产的各个领域。
早期的PLC只能进行开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicCongtroller），简称PLC。
现代PLC采用微处理器作为中央处理单元。
其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，PLC这一名称已不能准确地反映它的特性，于是，人们将其称为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。
但为了避免与后来出现的也简称PC的个人计算机（PersonalComputer）相混淆，人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写[1]。
国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器定义如下：
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程[1][3]。
1.4.2PLC的特点
与继电器、单片机控制相比，PLC具有可靠性高、搞干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装和接线简单，维护工作量少；功能完善、通用性强、体积小、重量轻、能耗低、性价比高等特点，PLC已成为实现工业自动化的一种强有力的工具，在自动控制系统的各个领域得到广泛的应用[2]。
1.5控制系统工作方式
本控制系统工作方式有手动和自动两种方式。
1）手动方式：
当操作人员选择“手动”方式时，用户可根据实际需要进行介质压力的调节。
2）自动方式：
当操作人员选择“自动”方式时，控制系统根据用户设定的压力基值范围自动进行压力的调节。
2控制电路设计
2.1主电路设计
根据设计任务书，由于电机功率小，只有2.1kW，因此可以采用直接启动方式；另外，由于要实现调节阀的开和关，因此需要电机能正、反运转[4]。
综上所述，主回路的控制方式可确定采用直接启动的正、反转控制方式，主电路图如图2.1所示。
图2.1电机主回路图
2.2控制电路设计
根据控制要求，控制电路设计如图2.2所示，本部分有一台变压器，将380V电压降为110V供CPU224使用；有一个开关电源，输出24V直流电压，供数字量输入信号、模拟量输入信号等使用；有防潮电路和指示灯电路等[5]。
图2.2电机控制电路图
2.3保护电路设计
2.3.1短路保护
熔断器是一种简单而有效的保护电器，在电路中主要起短路保护作用。
使用时熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，从而起到保护作用[5]。
2.3.2过载保护
电机在实际运行中，常会遇到过载情况，但只要过载不严重、时间短，绕组不超过允许的温升，这种过载是允许的。
但如果过载情况严重、时间长，则会加速电机绝缘的老化，甚至烧毁电机，因此，必须对电机进行过载保护。
本次设计确定采用传统的热继电器作为过载保护元件，将热继电器串接于主回路中，其常闭触点接入控制回路中。
当电机的过载致使热继电器动作时，热继电器的常闭触点断开，切断控制回路，使电机停车工作，从而达到保护电机的目的[5][6]。
3PLC控制系统设计
3.1PLC控制系统设计的基本原则
PLC控制系统设计时应遵循以下原则[3]
1、最大限度地满足被控对象的要求；
2、在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、适用及维护方便；
3、保证系统的安全可靠；
4、考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应留有适当的余量。
3.2PLC控制系统的硬件配置
3.2.1控制要求分析
本控制系统不停地采集实际压力数据，与基值进行比较，并根据比较结果判断是否启动电动机，是否启动电动机正转或启动电动机反转，也即是开启调节阀还是关闭调节阀，从而达到控制调节阀下游区域介质压力的目的。
通过对设计任务及被控对象的生产工艺过程的仔细的分析了解，为达到控制要求，本控制系统需有12个数字输入量、6个数字输出量和2个模拟输入量，具体统计见表3.1：
表3.1输入/输出量统计表
需采集输入的数字量信号
自动档开关、调整档开关、开到位开关、关到位开关、开阀过力矩开关、关阀过力矩开关、电机过热信号、开阀监视信号、关阀监视信号、开阀按钮、关阀按钮、启动按钮
需输出的
数字量信号
开阀接触器、关阀接触器、开到位接触器、关到位接触器、过力矩接触器、故障接触器、稳态接触器、自动指示灯
需采集输入的模拟量信号
压力变送器、开度变送器
3.2.2PLC选型
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求的情况下，主要考虑结构、功能、统一性和在线编程要求等几个方面。
在结构方面对于工艺过程比较固定，环境条件较好的场合，一般维修量较小，可选用整体式结构的PLC。
其他情况可选用模块式的PLC。
功能方面对于数字量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的低档机型就可以满足。
对于控制比较复杂，控制功能要求较高的工程项目，可视控制规模及其复杂程度，选用中、高档机。
对于以数字量为主，带少量模拟量控制的工程项目，可选用低档机型[3]。
本系统有一台电机、一个压力传感器、一个开度传感器、五个继电器，共有2个模拟量输入、12个数字量输入、6个数字量输出，它们构成被控对象。
根据PLC机型的选择原则，综合分析各类PLC的特点，确定选用西门子公司的S7-200系列、主机为CPU224的PLC[7]。
CPU224集成有14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器，完全能满足本系统的控制要求，同时又具有扩展的能力[7][8]。
根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU224 PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235，一台TD200文本显示器。
3.2.3PLC的I/O地址分配
输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC外围接线来说，只有I/O地址确定后，才可以绘制接线图。
根据控制要求，将I/O地址分配如表3.2所示：
表3.2I/O地址分配表
S7-200输入量
S7-200输出量
序号
代号
名称
地址
序号
代号
名称
地址
1
SA2
自动档开关
I0.0
1
KM1
开阀接触器
Q0.0
2
SA2
调整档开关
I0.1
2
KM2
关阀接触器
Q0.1
3
OAS1
开到位开关
I0.2
3
SA1
开到位接触器
Q0.2
4
CAS1
关到位开关
I0.3
4
KA2
关到位接触器
Q0.3
5
OT
开阀过力矩开关
I0.4
5
KA3
过力矩接触器
Q0.4
6
CT
关阀过力矩开关
I0.5
6
KA4
故障接触器
Q0.5
7
FR1
电机过热信号
I0.6
7
KA5
稳态接触器
Q0.6
8
KM1
开阀监视信号
I0.7
8
HL7
自动指示灯
Q0.7
9
KM2
关阀监视信号
I1.0
9
备用
Q1.0
10
SB1
开阀按钮
I1.1
10
备用
Q1.1
11
SB2
关阀按钮
I1.2
12
SB3
启动按钮
I1.3
13
备用
I1.4
14
备用
I1.5
模拟量输入：
AIW0---压力变送器
AIW2---开度变送器
AIW4---备用
AIW6---备用
3.2.4I/O接线图设计
根据已确定的PLC设备及I/O地址分配，设计PLC的I/O接线图如图3.1所示。
在本设计中要注意将电机正反转接触器进行互锁，以防电机正反转切换时短路。
同时，将阀门的开到位、开过力矩和关到位、关过力矩保护触点也串入到相应的控制线路中，以实现对设备的保护。
图3.1PLC的I/O接线图
3.2.5元器件选择
根据以上的分析和设计，拟定了控制系统中元器件的配置清单，如表3.3所示。
表3.3元器件清单表
序号
代号
名称及规格
数量
材料
备注
1
6ES7214-1BD21-0XB0
可编程控制器
1
CPU224
西门子
2
EM235
模拟量输入模块
1
西门子
3
TD-200
文本显示器
1
西门子
4
开关电源（5A）
AC220V/DC24V
1
5
RT18-32
熔断器
7
2A
熔芯
5
4A
熔芯
1
10A
熔芯
1
6
LC1-D0910
交流接触器
2
线圈220V，50Hz
施耐德
7
LR2-D1312（5.5~8A）
热继电器
1
施耐德
8
ZJX-18FF
中间继电器
5
AC220V
9
LAY3-11XB（黑色）三位
旋转开关（一开一闭）
1
Ø22.5
10
LAY3-11X（黑色）
旋转开关
1
Ø22.5
11
LAY3（绿色）
按钮
2
Ø22.5
12
LAY3（黑色0
按钮
1
Ø22.5
13
XDY6-2/6（带氖灯）
指示灯（AC220V）
4
Ø22.5
14
XDY6-1/6
指示灯（AC220V）
2
Ø22.5
15
XDY6-5/6
指示灯（AC220V）
1
Ø22.5
16
DZ108-20（6.3~10A）
三极断路器
1
17
DK3-250（AC380V/110V）
变压器
1
18
压力变送器
1
19
阀位变送器（自带）
3.2.6元器件布置图
元器件布置图用来表示元器件清单中所有电器元件的安装位置。
元器件布置原则，功能相似的元件组合在一起，外形尺寸或重量相近的元件组合在一起，经常调节的元件组合在一起，经常更换的易损元件组合在一起。
强电与弱电要分开。
有必要时，将弱电部分屏蔽起来。
体积大、重量重的元件安装在下面。
发热量较大的元件安装在上面。
尽可能减少连线和长度，将接线关系密切的元件按顺序组合在一起。
电器板、控制板的进出线一般采用接线端子。
接线端子按电路电流大小选用不同规格。
按规格大小排列在一起，非必要时不要分开布置。
当电器箱小、进出线少时，可以采用标准接线插件
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