交流电机的PLC控制.docx
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交流电机的PLC控制
第一章绪论
1.1设计背景
三相异步电动机的应用几乎涵盖了农业生产和人类生活各个领域，在这些应用领域中，三相异步电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。
对于应用于大型工业设备重要场合高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
在生产过程，科学研究和其他产业领域中，电气控制技术应用十分广泛。
在机械设备的控制中，电气控制也比其他的控制方法使用的更为普遍。
本系列的控制是采用PLC的编程语言——梯形语言，梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。
长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。
进入20世纪80年代，由于计算机计数和微电子技术的迅速发展，极大的推动了PLC的发展，使的PLC的功能日益增强。
1.2设计内容
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
通过PLC的设计程序来实现电机的正转点动,正转连续,正反转,延时控制任务,将电机与PLC想连接,通过PLC的程序来控制电机动作,与传统的继电器控制相比具有速度快，可靠性高，灵活性强，功能完善等优点。
我选则了西门子S7-200PLC,三相异步电机等器件来完成本次设计。
第二章硬件电路
2.1PLC的选择
可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
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。
PLC与继电器控制的区别
1.控制方式：
继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。
PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。
2.控制速度：
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。
PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。
3.延时控制：
继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。
PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。
PLC的工作原理
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映像区中的相应得单元内。
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映像区中对应位的状态；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映像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映像区或系统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。
2.2S7-200的介绍
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
图2-1S7-200硬件实物图
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
本次设的PLC采用了S7-200系列的CPU224型号的PLC。
本机集成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，具有PID控制器。
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。
2.3三相异步电机
三相异步电机（Triple-phaseasynchronousmotor）是靠同时接入380V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。
三相异步电动机由静止的定子和旋转的转子两个重要部分组成，定子和转子之间由气隙分开。
下图为三相异步电动机结构示意图。
（a）外形图；（b）内部结构图
图2-2三相异步电动机结构示意图
1定子：
定子由定子铁心、定子绕组、机座和端盖等组成。
机座的主要作用是用来支撑电机各部件，因此应有足够的机械强度和刚度，通常用铸铁制成。
为了减少涡流和磁滞损耗，定子铁心用0.5mm厚涂有绝缘漆的硅钢片叠成，铁心内圆周上有许多均匀分布的槽，槽内嵌放定子绕组，如图2-3所示。
图2-3三相异步电动机的定子
2转子：
转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。
转子铁心也用0.5mm厚硅钢片冲成转子冲片叠成圆柱形，压装在转轴上。
其外围表面冲有凹槽，用以安放转子绕组。
按转子绕组形式不同，可分为绕线式和鼠笼式两种。
图2-3-3为三相异步电动机工作原理示意图。
为简单起见，图中用一对磁极来进行分析。
电动机工作原理示意图。
为简单起见，图中用一对磁极来进行分析。
三相定子绕组中通入交流电后，便在空间产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子将作切割磁力线的运动而在其两端产生感应电动势，感应电动势的方向可根据右手螺旋法则来判断。
由于转子本身为一闭合电路，所以在转子绕组中将产生感应电流，称为转子电流，电流方向与电动势的方向一致，即上面流出，下面流进。
图2-4三相异步电动机工作原理图
转子电流在旋转磁场中受到电磁力的作用，其方向可由左手定则来判断，上面的转子导条受到向右的力的作用，下面的转子导条受到向左的力的作用。
电磁力对转子的作用称为电磁转矩。
在电磁转矩的作用下，转子就沿着顺时针方向转动起来，显然转子的转动方向与旋转磁场的转动方向一致。
2.4继电器
当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。
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
继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。
同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。
继电器的触点有两种表示方法：
一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。
另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。
继电器的触点有三种基本形式：
1．动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。
以合字的拼音字头“H”表示。
2．动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。
用断字的拼音字头“D”表示。
2.5接触器
能频繁关合、承载和开断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装置。
接触器（Contactor）是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。
接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。
其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：
常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：
常闭触头闭合；常开触头断开。
在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。
接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。
是自动控制系统中的重要元件之一。
交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。
主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。
交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。
交流接触器动作的动力源于交流通过带铁芯线圈产生的磁场，电磁铁芯由两个「山」字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定铁芯，套有线圈，工作电压可多种选择。
为了使磁力稳定，铁芯的吸合面加上短路环。
交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。
另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的闭合断开。
20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用电路断开时产生的电磁力，快速拉断电弧，保护接点。
接触器具可高频率操作，作为电源开启与切断控制时﹐最高操作频率可达每小时1200次。
接触器的使用寿命很高﹐机械寿命通常为数百万次至一千万次，电寿命一般则为数十万次至数百万次。
2.6导线，按钮等器件
一般由铜或铁制成，也有用银线所制（导电、热性好），用来疏导电流或者是导热，次设计中的导线都是铜导线。
利用按钮推动传动机构，使动触点与静触点按通或断开并实现电路换接的开关。
熔断器，平口螺丝刀，梅花螺丝刀，计算机等
第三章三相异步电机的PLC控制
3.1三相异步电机的点动控制
点动就是按下按钮电机转动，手松开电机停止转动。
图3-1PLC点动控制接线图
图3-2继电器点动控制接线图
（1）传统继电器控制过程
作为本系统的第一个程序，最简单的一个控制步骤，传统的继电器控制法的工作过程按下按钮SB1，KM1线圈得电，KM1主触点闭合电机得电，松开SB1，KM1失电主触点断开，电机停止转动。
PLC控制电机的工作过程，是通过设计好的PLC程序来完成对电机的控制。
1I/O分配
输入
输出
启动SB1I0.0
线圈KM1Q0.0
停止SB2I0.2
表3-1点动控制I/O分配
（2）点动控制梯形图
图3-3点动控制梯形图
（3）指令语句表
IDI0.0
ANI0.2
=Q0.0
（4）工作过程
当按下SB1时，I0.0常开触电闭合，因为I0.2常闭触电闭合，线圈Q0.0得电。
KM1主触点闭合，电机转动。
当松开SB1时，I0.0常开触电断开，因为I0.2常闭触电闭合，线圈Q0.0失电。
KM1主触点断开，电机停止转动。
当发生意外情况时按下SB2可以停止电机。
3.2三相异步电机的连续正传控制
按下启动按钮，电机开始工作，在不按下停止按钮之前，电机正常工作，只有在按下停止按钮是电机才停止工作。
图3-4继电器控制电机连续正转
图3-5PLC控制电机连续正转
（1）传统继电器控制过程
作为本系统的第二个控制任务，是建立在第一个任务的基础上完成的，前面已经能控制电机的启动了，这次我要做的是按下启动按钮后，电机在松开启动按钮的情况下还能继续运行。
传统的继电器控制任务工作过程：
按下启动按钮SB1，线圈KM1得电，KM1主触点闭合，同时KM1的常开触电闭合，自锁SB1，电机转动工作。
松开SB1时，KM1常开触电自锁，是的KM1继续处在闭合状态，电机正常工作。
当按下停止按钮SB2是，线圈KM1失电，KM1常开触电断开，电机停止工作。
（1）I/O分配
输入
输出
启动SB1
I0.0
线圈KM1
Q0.0
停止SB2
I0.2
表3-2连续正转控制I/O分配
（2）连续正转控制梯形图
图3-6连续正转控制梯形图
（3）指令语句表
LDI0.0
OQ0.0
ANI0.2
=Q0.0
（4）工作过程
按下启动按钮SB1，I0.0常开触电闭合，以为I0.2常闭触电处于闭合状态，线圈Q0.0得电，Q0.0的常开触电闭合，自锁Q0.0处于得电状态，KM1主触点闭合，电机开始工作。
按下SB2，I0.2常闭触电断开，线圈Q0.0失电，无法自锁。
KM1主触点断开，电机停止工作。
3.3三相异步电机的延时正转控制
有时电机刚停止工作，突然有人立即重新启动电机，对电机的使用寿命是有影响的。
因此就有了电机的延时控制。
图3-7继电器控制三相异步电机延时启动
图3-8PLC控制三相异步电机延时启动
（1）传统继电器控制过程
按下启动按钮SB1，线圈KM1得电并自锁，线圈KT得电，并且开始计时，计时时间到，通电延时常开触电闭合，线圈KM1得电，KM1主触点闭合，电机得电，开始转动。
按下停止按钮SB2是KM1线圈，KM线圈，KT线圈都失电，KM1主触点断开，电机失电，停止转动。
下次启动时必须等到延时时间到，电机才能再次启动。
这样就保护了电机。
（1）I/O分配
输入
输出
启动SB1
I0.0
线圈KM1
Q0.0
停止SB2
I0.2
表3-3延时控制的I/O分配
（2）延时控制梯形图
图3-9延时控制梯形图
（3）指令语句表
LDI0.0//I0.0接通，T39开始定时
//I0.0断开，T39复位
OM0.1
ANI0.2
TONT39，+50//5S后T39定时时间到
=M0.1
LDT39//T39常开触点闭合
=Q0.0
（4）工作过程
按下启动开关SB1，I0.0的常开触点闭合，因为I0.2的常闭触点闭合，M0.1自锁，接通延时定时器T39开始计时，当计时时间到,T39的常开触点闭合线圈Q0.0得电，KM1主触点闭合，电机得电，开始转动。
按下SB2，T39复位，T39的常开触电断开，线圈KM1失电，电机停止转动。
（5）工作分析
传统的继电器控制模式在这个任务中使用了延时继电器，中间继电器，等，用的元器件比较繁多，而且控制线路较为复杂，而用PLC控制就简单的多了，不仅元器件少，而且控制过程简单。
3.4电机的正反转控制
当要求当按下正转按钮，电机开始连续正转，此时反转按钮起作用（互锁），按下反转按钮电机延时连续反转，正转起互锁作用。
图3-10继电器控制电机正反转
图3-11PLC控制电机正反转线路图
（1）传统继电器控制过程
按下启动按钮SB1，通过KM2的常闭触电，线圈KM1得电，KM1常开触电闭合自锁KM1，KM1常闭触电打开互锁KM2，KM1主触点闭合，电机得电，开始工作。
当按下停止按妞使得KM1的常闭触电闭合，然后才能按下反转按钮SB2，按下SB2时，通过KM1的常闭触电，线圈KM2得电，KM2的常开触电闭合并自锁，KM2的常闭触电互锁KM1线圈，KM2的主触点闭合，电机得电，开始工作。
这样的控制过程，正反直接切换必须按下停止按钮。
（1）I/O分配
输入
输出
正转按钮SB1
I0.0
正转线圈KM1
Q0.0
反转按钮SB2
I0.1
反转线圈KM2
Q0.1
停止按钮SB3
I0.2
表3-4电机正反转I/O分配
（2）工作过程
电机按照“启动—延时3s—正转—按下反转—同时电机停止转动—延时3s—正转”的过程运行。
按下SB1，电机正转启动:
网络1中,I0.0的常开触点闭合,M0.0得电并自锁,网络2中I0.0的常开触点闭合,IM0.0的常开触点也闭合,并且I0.2的常闭触电闭合,这样就有了M0.1的电并自锁,同时接通延时定时器T37开始计时,计时3s,等到3s后计时时间到,T37的常闭触点闭合,线圈Q0.0得电,KM1主触点闭合,电机开始正转。
按下反转按钮SB2，I0.1的常闭触点断开，电机停止正转，I0.1的常开触点闭合，I0.0的常闭触点闭合，I0.2的常闭触点闭合，所以M0.2得电并自锁，同时T38开始计时3s，等到计时3s后计时时间到，T38常闭触点闭合，线圈Q0.1D得电，KM1主触点闭合，点击开始反转。
按下停止按钮SB3时，不论点处于正转状态还是反转状态，电机都停止工作。
当按下SB3时，I0.2的常闭触点断开，M0.0的常开触电因此断开，所以电机不论在那种状态都将停止工作。
（3）控制分析
在这个控制任务中传统的继电器控制法就会出现接线复杂,遇到故障难修理等问题,但是用PLC控制就简单多了,不仅不用那么多元器件,而且控制简单,遇到故障也好处理,从这个任务中我们就不难看出用PLC控制电机比用继电器控制电机要简单实用的多。
课程设计心得
本文设计和制作了三相异步电动机的PLC控制系统，该电路主要以性能稳定、简单实用为目的，整体制作符合要求。
从绪论部分大致介绍了设计的背景与大概内容。
第二部分介绍了方案硬件器件，从而对整个认为中所使用的器件有了一个大致的认识；第三部分介绍三相异步电动机的控制的设计原理，有三相异步电机的点动控制，三相异步电机的连续控制柜，三相异步电机的延时控制，三相异步电机的正反转控制，从对三相异步电动机的PLC控制现象中可以看出用PLC控制电机要安全，可靠。
通过本系统可以说明PLC在控制点几方面有这很多的优点，控制简单，修改容易，易操作等。
在本次设计中我不仅受到邵克勇老师的学风、师德的熏陶，而且他的学识和风范、关怀和教诲，将成为我永远的精神动力，并相信这在我的人生中将会受益匪浅，同时也使自己的理论学习和实际联系得更加紧密。
也更加端正了自己的工作作风和学习态度，以及工作中的持之以恒的精神。
另外，在我设计期间，同班同学也给了我很多的帮助，在此我也向他们表达我真诚的谢意。
参考文献
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电子工业出版社，2008
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冶金工业出版社，2009
附录
1．梯形图：
根据设计任务及连线图和I/O点分配可以编入下面梯形图，该梯形图涉及到MOV、TIM、SET等指令。
（3）指令语句表
LDI0.0
OM0.0
ANI0.2
LDI0.0
OM0.0
AM1.0
ANI0.1
ANI0.2
TONT37,+30
=M0.0
LDT37
=Q0.0
LDI0.1
OM0.1
AM1.0
ANI0.0
ANI0.2
TONT38,+30
=M0.1
LDT38
=Q0.1
课程名称
PLC控制系统课程设计
题目名称
电子计算器
学生姓名
学号
指导教师姓名
职称
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
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