四台三相笼型异步电动机控制系统设计河南工业大学.docx

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四台三相笼型异步电动机控制系统设计河南工业大学

机电工程学院

课程设计说明书

设计题目:

四台三相笼型异步电动机控制系统设计

学生姓名：

学号：

20094805xxxx

专业班级：

机制F09xx

指导教师：

xxx

2012年12月10日

内容摘要

这次以“四台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计”为题目的课程设计分别应用继电器接触器和利用西门子公司的S7-200可编程控制器PLC做了软件与硬件的设计，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。

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，最后利用STEP7-Micro/WIN32软件完成梯形图、指令表的程序设计与调试。

设计结果基本能达到控制要求，可以实现四台电动机的循环控制，每台电动机还可以独自启动和停止。

此次课程实际结果满足要求，但在实际的设计过程中，由于缺乏实际工作的经验，可能没有完全预测到在实际生产过程中可能出现的突发情况，所以该系统的梯形图的编制还要根据实际的工况进行调整和完善。

关键词：

继电器；可编程控制器；循环控制

目录

第1章前言-------------------------------------------------------------------------------1

1.1设计内容1

1.2控制要求1

1.3设计思路1

第2章总体方案设计2

2.1设计背景2

2.2设计方案2

2.3工作流程图2

第3章继电接触器控制系统设计3

3.1继电器基本知识3

3.2元件选择3

3.3主电路图设计3

3.4控制电路设计4

第4章PLC控制系统设计5

4.1PLC基本知识5

4.2确定I/O信号数量及PLC类型5

4.3确定I/O信号地址分配及编号6

4.4PLC端子接线图7

4.5控制程序编制8

4.6控制程序调试8

结论10

设计总结11

谢辞12

附录---------------------------------------------------------------------------------------------13

参考文献13

第一章引言

1.1设计内容

四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.有四台电动机顺序循环控制，控制时序如表1-1所示：

表1-1控制时序表

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

秒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

4.采用机电接触器控制，完成控制电路的设计

5.采用PLC控制

（1）列出输入输出点分配表

（2）画出PLC的输入输出设备接线图

（3）利用STEP7-Micro/WIN32软件完成梯形图、指令表的程序设计与调试

1.3设计思路

根据控制要求，要实现四台电动机的循环控制，每台电动机还可以独自启动和停止，并采用接触器，可用多个时间继电器和中间继电器来控制四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。

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，然后启动相应的电动机。

第2章系统总体方案设计

2.1设计背景

本文对四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。

本系统是一个多台电动机的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对电动机进行控制。

本系统具有一定的智能性，即它可以让四台电动机按要求自动循环运行。

2.2设计方案

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，而且还要实现四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联一个常闭开关，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，可用多个时间继电器和中间继电器来控制四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。

2.3工作流程图设计

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2-1工作流程图所示：

（见附录1）

第3章继电接触器控制系统设计

3.1继电器基本知识

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。

依靠电磁效应，带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

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。

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。

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元件选择

元件名称

元件符号

数量

三相笼型异步电动机

KM

4台

热继电器

FR

4个

时间继电器

KT

4个

中间继电器

KA

5个

熔断器

FU

2组

开关

SB

若干

3.3主电路图设计

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，主电路图如图3-1所示：

图3.1主电路图

3.4控制电路设计

根据设计方案及工作流程图设计，设计出的控制电路图如图3-2所示

图3-2控制电路图

第4章PLC控制系统设计

4.1PLC基本知识

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。

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。

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。

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。

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。

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。

4.2确定I/O信号数量及PLC类型

（1）通过对四台三相笼型异步电动机顺序循环控制工作流程图的分析可知，系统总共需要I/O点14个，其中输入点10个，输出点4个；

（2）对于开关量控制系统的应用系统，对控制要求不高，可选用小型PLC；

（3）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。

结合以上，选用最熟悉最常使用的西门子S7-200系列（CPU224）的可编程控制器。

4.3确定I/O信号地址分配及编号

I/O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。

只有分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜及PLC的外围来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图，所以只有准确、合理的进行I/O地址的分配与编号，才方便进行后续的设计图，如表4-1所示为该控制系统的I/O地址分配表。

表4-1I/O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

系统循环启动

常开按钮

SB1

I0.0

电路停止

常开按钮

SB2

I0.1

M1启动信号

常开按钮

SB3

I0.2

M2启动信号

常开按钮

SB4

I0.3

M3启动信号

常开按钮

SB5

I0.4

M4启动信号

常开按钮

SB6

I0.5

M1停止信号

常开按钮

SB7

I0.6

M2停止信号

常开按钮

SB8

I0.7

M3停止信号

常开按钮

SB9

I1.0

M4停止信号

常开按钮

SB10

I1.1

输出信号

M1驱动信号

接触器

KM1

Q0.0

M1驱动信号

接触器

KM2

Q0.1

M1驱动信号

接触器

KM3

Q0.2

M1驱动信号

接触器

KM4

Q0.3

4.4I/O接线图

接线图是进行施工接线的主要技术文件，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4-2所示:

图4-2I/O接线图

4.5控制程序编制

在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。

梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。

梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。

它来源于继电器逻辑控制系统的描述。

在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。

梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。

触点代表逻辑输入条件。

CPU运行扫描到触点符号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存储器的读操作）。

在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。

线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。

（1）梯形图

STEP7-Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC的开发工具，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态。

用STEP7-Micro/WIN32软件编制的该控制系统的程序梯形图如图4-3所示：

（见附录2）

（2）语句表

指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。

所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。

语句表通常和梯形图配合使用，互为补充，将该控制系统的梯形图转化为语句表如表4-2所示：

（见附录3）

4.6控制程序调试

程序调试有模拟器调试和现场调试等方法，根据课程设计要求并结合实际情况使用了STEP7-Micro/WIN模拟器进行了本程序的调试：

（1）将在Step7MicroWin中编译正确的程序在文件菜单中导出为AWL文件；

（2）打开仿真软件，点“配置”-“CPU型号”，然后选择CPU224

（3）点“程序”-“载入程序”；

（4）选择Step7MicroWin的版本；

（5）将先前导出的AWL文件打开；

（6）点“PLC”-“运行”，开始调试程序；

具体调试过程如图4-4~图4-7所示：

（见附录4）

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，尤其是继电器接触器控制系统设计中有很多中间继电器及接触器，而PLC控制系统只有很少。

本次设计的思路是通过时间继电器及中间继电器的控制，使每一个时间继电器的工作时间达到要求值的，然后通过仿真设计的程序看是否能够正确的执行。

通过编程及调试，按下循环按钮，可以实现四台电动机的顺序循环控制，分别按下控制每台电动机的启动按钮，对应的电动机则可以独自启动和停止，满足课题要求。

此次课程实际结果满足要求，但在实际的设计过程中，由于缺乏实际工作的经验，可能没有完全预测到在实际生产过程中可能出现的突发情况，所以该系统的梯形图的编制还要根据实际的工况进行调整和完善。

设计总结

历时两个星期的课程设计终于在今天完成了。

这次课程设计让我学到了很多东西，在开始做的阶段，首先运用所学的知识，结合老师讲的再加上在网上找的资料，认真分析和学习，这些都为我后来的设计提供了很大的帮助。

在做梯形图的时候我遇到了很多问题，经过老师的指点和我一遍遍的调试，再改动，最后终于能运行出了结果，那一刻的喜悦是无法用语言表达的。

两周的时间，我终于做出了这个设计，在主体框架完成后，我依据老师的要求，将上述东西做成文档形式。

这次课程设计，通过对PLC的学习，西门子S-7200软件的摸索、认识，以及编写程序的过程，对制图软件的使用学到了很多知识，也更加熟练了CAD软件的使用，学到很多独立解决问题的方法，也培养了自己这方面的能力。

谢辞

本次的课程设计结束了，我最该感谢的就是王老师。

感谢王老师对我们的的指导与督促。

这两周里，老师除了给别的年级同学上课的时间，几乎天天来设计教室对我们进行指导和督促，为我们解答各种疑惑，认真仔细的指出我们犯的各种错误，指导我们改正。

同学们也都很积极，改正错误后再与老师一起讨论研究，气氛十分热烈。

王老师是一个要求高、认真谨慎的老师，一遍又一遍不厌其烦的指正我们设计中存在的问题。

俗话说，严师出高徒嘛，王老师的这种严厉也促使我以认真的态度对待这次课程设计，在设计过程中王老师多次指出了我的细微不足之处，同时又给我提出了许多宝贵的意见，经过多次修改，我学到了不少知识，也顺利完成这次课程设计，为我以后的毕业设计以及工作奠定了基础。

正是由于王老师这样的精心指导，严格要求，我才能顺利完成这次课程设计，也让我更加注重细节。

在这里，我想真心的对王老师道一声：

“您辛苦了！

”并且在这次课程设计里，我再次感觉到同学间的互相帮助很重要，大家一起讨论，一起研究，互相弥补不足，不仅让设计进度加快了不少，而且增进了同学间的友谊。

我在以后的学习和工作中，会将本次学到的东西很好的运用到实践中。

附录1

图2-1工作流程图

附录2

附录3

ORGANIZATION_BLOCK主程序:

OB1

TITLE=程序注释

BEGIN

Network1//网络标题

//循环启动。

1号电机启动。

LDI0.0

OT40

OM0.0

ANM0.5

=M0.0

Network2

//3号电机启动。

LDI0.0

OT40

OM0.2

ANM0.6

=M0.2

Network3

//通电延时计时器T37计时开始。

LDM0.0

TONT37,200

Network4

//20秒时1号电机停止。

LDT37

AM0.0

=M0.5

Network5

//20秒时2号电机启动。

LDT37

OM0.1

ANM0.7

=M0.1

Network6

//20秒时4号电机启动。

LDT37

OM0.3

ANM1.0

=M0.3

Network7

//通电延时计时器T38计时开始。

LDM0.1

TONT38,200

Network8

//40秒时2号电机停止。

LDT38

AM0.1

=M0.7

Network9

//40秒时1号电机启动。

LDT38

OM1.1

ANM1.4

=M1.1

Network10

//40秒时3号电机停止。

LDT38

AM0.2

=M0.6

Network11

//通电延时计时器T39计时开始。

LDM1.1

TONT39,200

Network12

//60秒时1号电机停止，4号电机停止。

LDT39

LPS

AM1.1

=M1.4

LPP

AM0.3

=M1.0

Network13

//60秒时2号电机启动。

LDT39

OM1.2

ANM2.2

=M1.2

Network14

//60秒时3号电机启动。

LDT39

OM1.3

ANM1.5

=M1.3

Network15

//通电延时计时器T40计时开始。

LDM1.2

TONT40,200

Network16

//80秒时2号电机停止，3号电机停止。

回到循环起点。

LDT40

LPS

AM1.2

=M2.2

LPP

AM1.3

=M1.5

Network17

//1号电机单独启停控制。

LDI0.2

OM1.6

ANI0.6

=M1.6

Network18

//2号电机单独启停控制。

LDI0.3

OM1.7

ANI0.7

=M1.7

Network19

//3号电机单独启停控制。

LDI0.4

OM2.0

ANI1.0

=M2.0

Network20

//4号电机单独启停控制。

LDI0.5

OM2.1

ANI1.1

=M2.1

Network21

//1号电机驱动。

LDM0.0

OM1.1

OM1.6

ANI0.1

=Q0.0

Network22

//2号电机驱动。

LDM0.1

OM1.2

OM1.7

ANI0.1

=Q0.1

Network23

//3号电机驱动。

LDM0.2

OM1.3

OM2.0

ANI0.1

=Q0.2

Network24

//4号电机驱动。

LDM0.3

OM2.1

ANI0.1

=Q0.3

END_ORGANIZATION_BLOCK

SUBROUTINE_BLOCKSBR_0:

SBR0

TITLE=子程序注释

BEGIN

Network1//网络标题

//网络注释

END_SUBROUTINE_BLOCK

INTERRUPT_BLOCKINT_0:

INT0

TITLE=中断程序注释

BEGIN

Network1//网络标题

//网络注释

END_INTERRUPT_BLOCK

附录4

1.1、先按下I0.0，M0.0、M0.2信号为1，输出点Q0.0、Q0.2信号为1，对应的电动机KM1、KM3启动，调试模拟图如图4-4所示：

图4-4程序调试图

2.20S后，在计时器控制下，输出点Q0.0信号变为0，Q0.1、Q0.3信号变为1，Q0.2信号仍为1，即：

此时对应的电动机KM2、KM3、KM4启动，调试模拟图如图4-1所示：

图4-5程序调试图

3、40S后，在计时器控制下，输出点Q0.1、Q0.2信号变为0，Q0.0信号变为1，Q0.4信号仍为1，即：

此时对应的电动机KM1、KM4、启动，调试模拟图如图4-5所示：

图4-6程序调试图

4、60S后，在计时器控制下，输出点Q0.0、Q0.3信号变为0，Q0.1和Q0.2信号变为1，即此时对应的电动机KM2、KM3启动，调试模拟图如图4-7所示：

图4-7程序调试图

5.80S后，开始从头循环，输出点Q0.1信号变为0，Q0.0信号变为1，Q0.2信号仍为1，Q0.3信号仍为0.即此时对应的电动机KM1、KM3启动。

对应程序调试图与图4-4类似。

参考文献

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电子工业出版社，2011.6

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华中科技大学出版社，2007

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化学工业出版社，2006

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电子科技大学出版社，2006.12

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机械工业出版社，2006.8

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电子工业出版社，2010

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航空航天大学出版社，2008

[8]程子华.PLC原理与实例分析.北京:

国防工业出版社，2006

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机械工业出版社，2005

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