三相交流电动机PLC控制系统设计.doc

吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书三相交流电动机PLC控制系统设计学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 讲师 起止日期： 2013.08.262013.09.13吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书专业综合设计任务书一、设计题目：三相交流电动机PLC控制系统设计二、设计目的:1.理解三相鼠笼式异步机PLC控制系统基本原理；2.掌握主电路和控制电路的各电气器件功能及应用；3绘制电气原理图和接线图；4. 应用s7200编程方法实现。三、设计任务及要求1设计三相鼠笼式异步机PLC控制系统硬件电路；2Autocad绘制原理图和接线图；3用PLC编程实现；4实现三相异步电动机正反转控制、星角启动控制及点动控制；5撰写设计说明书。四、设计时间及进度安排设计时间共三周,具体安排如下表：周次设 计 内 容设计时间第一周依据三相鼠笼式异步电动机正反转、启动控制原理和S7200使用方法，查找相关资料。设计控制系统的电路图和接线图。2013.8.26-2013.8.30第二周完成硬件焊接及软件编程。2013.9.2-2013.9.6第三周完成系统调试，编写设计说明书。提交作品及设计说明书，评定专业综合设计成绩。2013.9.9- 2013.9.13五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语:2013年 9 月 15 日成绩指导教师(签字):- I -目 录专业综合设计任务书I第1章 绪论1第2章 方案选择22.1 控制方案选择22.1 电机启动方式选择3第3章 硬件电路设计53.1 主电路设计53.2 控制电路设计63.3 PLC系统电源设计73.4 主电路主要器件介绍73.4.1 断路器介绍73.4.2 交流接触器介绍83.4.3 热继电器介绍83.4.4 中间继电器介绍93.4.5 熔断器介绍10第4章 系统软件设计114.1 系统软件介绍114.2 软件I/O点表介绍124.3 PLC程序分析12结 论17参考文献18- 19 -第1章 绪论三相交流电动机在我国现代工农业生产中应用广泛，为社会的发展、进步提供了极大便利。但是，大功率电动机如果在电源变压器容量不够大的情况下直接启动，由于异步电动机起动电流大，会使电源变压器输出电压大幅下降，不仅减小电动机本身的启动转矩，还会影响同一供电网中其他设备的正常工作。因此，较大功率的电动机需要采取降压启动。对大功率电动机的空载和轻载起动来说，Y/换接起动是目前应用最成熟的降压启动方法。Y/换接启动是指电动机启动时，把定子绕组接成星形，以降低启动电压，限制启动电流；待电动机启动后，再把定子绕组改接成三角形，使电动机从现在起运行。凡是在正常运行时定子绕组做成三角形连接的异步电动机，均可用这种降压方法。电动机启动时，接成Y形，加在每相定子绕组上的启动电压只有三角形接法的，启动电流为三角形接法的1/3，启动转矩也只有三角形接法的1/3。继电接触器控制系统在三相交流电机控制上曾得到广泛应用，但由于它的机械触点多、接线复杂、可靠性低、功耗高，并当生产工艺流程改变时需重新设计和改装控制线路，通用性和灵活性也就较差，因此日益满足不了现代化生产过程复杂多变的控制要求。而可编程控制器将继电接触器控制的优点与计算机技术相结合，用“软件编程”代替继电接触器控制的“硬件接线”。当系统功能需要改变时，只需变更少量外部接线，主要通过修改相应的控制程序即可。本设计以PLC为三相交流电动机的控制系统，结合按键实现交流电机的正转、反转和点动控制。并且使交流电机能够进行星形启动，角形运行。第2章 方案选择2.1 控制方案选择可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。PLC由CPU，存储器、I/0接口、内嵌的精简高效操作系统组成。用户可以根据自己的需要配置（扩展）自己的I/0(输入、输出)的类型及数量，用户按自己的控制需求编写控制程序下载到PLC的存储器内，PLC在运行的时候，PLC内的操作系统能运行用户的程序，根据用户程序通过输入端子完成输入信号（开关、触点、传感器等）的读取，并进行处理运算，把运算处理的结果输出到输出端子，以控制用户的执行机构（阀门、线圈、指示灯等）。从而完成用户所需的控制功能。综上所述，由于PLC可编程控制器在三相异步电机控制中的应用中，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点，利用PLC代替普通继电器电路也更为方便和可靠，解决上述问题也更为容易。因此本设计以西门子S7-200 PLC为主体实现对三相异步电动机电动机的启动和运行的控制。在本设计中，利用PLC实现对三相异步电机正反转控制、星角启动控制及点动控制等。这些功能由外设的按键输入，PLC采集按键信息，根据输入信息要求输出相应数字量去控制交流电机，PLC输出点与主电路隔离，避免损坏PLC控制系统。在此系统中，PLC控制系统采用24V直流电源供电，交流电机采用220V交流电源供电。三相交流电动机PLC控制系统结构框图如图1-1所示。图1-1 PLC控制系统结构框图2.1 电机启动方式选择1全压启动起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压(即全压)直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。一般情况下，直接起动时起动电流为额定电流的38倍，起动转矩为额定转矩的12倍。根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到812倍。直接起动的起动线路是最简单的，然而这种起动方法有诸多不足。对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流会造成电动机的发热，缩短电动机的使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路电压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。2降压启动减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，待起动后，再把电压恢复到额定值。减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。传统减压起动的具体方法很多，这里介绍以下三种减压起动的方法：(1)定子串接电阻或电抗起动定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。由三相异步电动机的等效电路可知：起动电流正比于定子绕组的电压，因而定子绕组串电阻或电抗可以达到减小起动电流的目的。但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的更多。因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。(2)星-三角形(丫-)起动星-三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形(丫)接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形()接法，使电动机转为正常运行的一种起动方式。星-三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组的六个出线端都要引出来，略显麻烦。定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接(全压)时的l/3，故星-三角形起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的13。由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。(3)自耦变压器起动自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上，待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。若自耦变压器的变比为k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的lk2。自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式(丫接法或接法)的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用非常广泛，有手动及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、体积大、价格高、维护检修费用高。3软启动软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。综上所述并结合实际情况，本设计选择星-三角形起动。按下启动按钮，交流电机进入星形启动状态，5秒之后断开星形启动，进入0.5秒的延时，此延时的目的是防止继电器动作不一致，造成三相交流电短路。延时过后，交流电机正式进入三角形运行状态。第3章 硬件电路设计3.1 主电路设计主电路主要由断路器、熔断器、继电器、交流接触器和热继电器构成。三相交流电机主电路图如图3-1所示。图3-1 三相交流电动机主电路图电动机运行的主电路分析如下：1.正向星型启动：(1)合上三相单刀开关KS与断路器QF接通三相电源。(2)由控制电路使KM1与KM4通电，电机正向星形启动。2.正向角型运行：(1)合上三相单刀开关KS及断路器QF接通三相电源。(2)由控制电路使KM1与KM3通电，电机由正向星形启动转换到正向角形运行。3.反向星型启动：(1)合上三相单刀开关KS及断路器QF接通三相电源。(2)由控制电路使KM2与KM4通电，电机反向星形启动。4.反向角形运行：(1)合上三相单刀开关KS与空气开关QF接通三相电源。(2)由控制电路按钮使KM2与KM3通电，电机由反向星形启动转换到反向角形运行。5.电机由星型启动进行反向运行故障现象预处理：(1)不启动：原因之一，检查控制保险FU是否断路，热继电器FR接点是否用错或接触不良，SB1按钮的常闭接点是否不良。原因之二按钮互锁的接线有错误。(2)启动时接触器就不吸合：这是因为接触器的常闭接点互锁接线有错误，将互锁接点接错，启动时常闭接点是通的接触器线圈的电吸合，接触器吸合后常闭接点又断开，接触器线圈又断电释放，释放常闭接点又接通接触器又吸合，接点又断开，所以会出现接触器不吸合现象。(3)不能够自锁，一抬手接触器就断开，这是因为自锁接点接线有错误。3.2 控制电路设计本设计采用PLC控制电路来控制三相交流电机的状态。PLC选择西门子的S7-200系列的CPU224。在PLC与主电路之间连接处需加中间继电器，这样可以隔离主电路与控制电路。PLC使用24V直流电源供电。SB1按钮为正转按钮，SB2按钮为停止按钮，SB3按钮为反转按钮，SB4按钮为点动按钮，SB5按钮为点动方向选择按钮，SB6按钮为异地正转按钮，SB7按钮为异地停止按钮，SB1按钮为异地反转按钮。PLC控制电路如图3-2所示。图3-2 PLC控制电路图3.3 PLC系统电源设计由于PLC使用24V直流电源供电。所以应制作一个24V直流电源， 在此系统中，利用LM317芯片把220V交流电变换为24V直流电。LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。PLC系统电源设计如图3-3所示。图3-3 PLC系统电源设计图3.4 主电路主要器件介绍3.4.1 断路器介绍断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。当短路时，大电流产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作。断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。低压断路器也称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。本次设计采用的断路器型号是DZ47-D5。产品样品图如图3-4所示。图3-4 断路器产品样品图3.4.2 交流接触器介绍交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常闭功能的接点，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。交流接触器主要有四部分组成：（1）电磁系统，包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯。（2）触头系统，包括三组主触头和一至两组常开，它和铁芯是连在一起互相联动的；（2）灭弧装置，一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置，以便迅速切断电弧，免于烧坏主触头；（4）结缘外壳及附件，各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。本次设计采用的交流接触器型号是CXJ2-1210。产品样品图如图3-5所示。3.4.3 热继电器介绍热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。电动机在实际运行中，如拖动生产机械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。所以，这种过载是电动机不能承受的。热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。使用热继电器对电动机进行过载保护时，将热元件与电动机的定子绕组串联，将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁线圈的控制电路中，并调节整定电流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。当电动机正常工作时，通过热元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使推杆刚好与人字形拨杆接触，而又不能推动人字形拨杆。常闭触头处于闭合状态，交流接触器保持吸合，电动机正常运行。若电动机出现过载情况，绕组中电流增大，通过热继电器元件中的电流增大使双金属片温度升得更高，弯曲程度加大，推动人字形拨杆，人字形拨杆推动常闭触头，使触头断开而断开交流接触器线圈电路，使接触器释放、切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。本次设计采用的热继电器型号是JR36-20。产品样品图如图3-6所示。图3-5 交流接触器产品样品图图3-6 热继电器产品样品图3.4.4 中间继电器介绍继电器是当输入量满足某些规定的条件就能在一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件，它在主电路与控制电路中起隔离作用。当继电器线圈施加激励量等于或大于其动作值时，衔铁被吸向导磁体，同时衔铁压动触点弹片，使触点接通、断开或切换被控制的电路。当继电器的线圈被断电或激励量降低到小于其返回值时，衔铁和接触片返回到原来位置。本次设计采用的中间继电器型号是MY2NJ。产品样品图如图3-7所示。图3-7 中间继电器产品样品图3.4.5 熔断器介绍熔断器根据使用电压可分为高压熔断器和低压熔断器。根据保护对象可分为保护变压器用和一般电气设备用的熔断器、保护电压互感器的熔断器、保护电力电容器的熔断器、保护半导体元件的熔断器、保护电动机的熔断器和保护家用电器的熔断器等。根据结构可分为敞开式、半封闭式、管式和喷射式熔断器。此外，熔断器根据分断电流范围还可分为一般用途熔断器，后备熔断器和全范围熔断器。一般用途熔断器的分断电流范围指从过载电流大于额定电流1.62倍起，到最大分断电流的范围。这种熔断器主要用于保护电力变压器和一般电气设备。后备熔断器的分断电流范围指从过载电流大于额定电流47倍起至最大分断电流的范围。这种熔断器常与接触器串联使用，在过载电流小于额定电流47倍的范围时，由接触器来实现分断保护。主要用于保护电动机。本设计采用的熔断器型号是RT14-20A。产品样品图如图3-8所示。图3-8 熔断器产品样品图第4章 系统软件设计4.1 系统软件介绍本设计以PLC系统为三相交流电动机的控制系统，结合按键来实现交流电机的正转、反转和点动。并且使交流电机能够进行星形启动，角形运行。控制系统设置有八个按键，分别为正转、停止、反转、点动、点动方向选择、异地正转、异地停止和异地反转按钮。异地正转、异地停止、异地反转按钮功能与正转、停止、反转按钮功能相同，两者相结合能实现交流电机的异地控制，两者之间没有从属关系。在按下启动按钮之后，交流电机先进行星形启动，在5秒之后，转入角形运行。程序中设有多个0.5秒的间隔，防止交流电机在星角转换或正反切换时由于继电器动作不一致而造成线路短路。程序流程图如图4-1所示。图4-1 系统程序流程图4.2 软件I/O点表介绍在此系统中，PLC软件系统设置有八个输入点，四个输出点。八个输入点分别为正转、停止、反转、点动、点动方向选择、异地正转、异地停止和异地反转按钮。四个输出点分别为正向运行、反向运行、星形启动和角形运行。I/O点表如表4-1所示。表4-1 系统I/O点表地址设备作用I0.0SB1正转按钮I0.1SB2停止按钮I0.2SB3反转按钮I0.3SB4点动按钮I0.4SB5点动方向选择按钮I0.5SB6异地正转按钮I0.6SB7异地停止按钮I0.7SB8异地反转按钮Q0.0KM2正向运行Q0.1KM1反向运行Q0.2KM4星形启动Q0.3KM3角形运行4.3 PLC程序分析PLC源程序如表4-2所示。表4-2 PLC源程序步序指令器件步序指令器件1LDSM0.12RM0.0, 163LDI0.04OM0.05OI0.56LPS7ANI0.18ANI0.29ANI0.310ANI0.711ANI0.612=M0.013LPP14TONT37, 5步序指令器件步序指令器件15LDT3716OM0.117ANI0.118ANI0.219ANI0.720ANI0.621ANI0.322=M0.123RM0.0, 124=M1.625=M1.726LDM0.127TONT38, 5028LDT3829OM0.230ANI0.131ANI0.232ANI0.733ANI0.634ANI0.335=M0.236RM0.1, 137LDM0.238TONT39, 539LDT3940OM0.341ANI0.142ANI0.243ANI0.744ANI0.645ANI0.346=M0.347RM0.2, 148=M2.049=M2.150LDI0.251OM0.452OI0.753ANI0.054ANI0.155ANI0.356ANI0.557ANI0.658=M0.459LDM0.460TONT40, 561LDT4062OM0.563ANI0.164ANI0.065ANI0.566ANI0.667ANI0.368=M0.569RM0.4, 170=M2.271=M2.372LDM0.573TONT41, 5074LDT4175OM0.676ANI0.177ANI0.078ANI0.579ANI0.680ANI0.381=M0.682RM0.5, 183LDM0.684TONT42, 585LDT4286OM0.787ANI0.188ANI0.089ANI0.590ANI0.691ANI0.392=M0.793RM0.6, 194=M2.495=M2.596LDI0.397AI0.498LPS步序指令器件步序指令器件99ANI0.0100ANI0.2101ANI0.5102ANI0.7103=M1.0104LRD105TONT43, 50106LPP107TONT44, 55108LDI0.3109AI0.4110ANT43111ANI0.0112ANI0.2113ANI0.5114ANI0.7115=M1.1116LDI0.3117AI0.4118AT44119ANI0.0120ANI0.2121ANI0.5122ANI0.7123=M1.2124LDI0.3125ANI0.4126LPS127ANI0.0128ANI0.2129AN I0.5130ANI0.7131=M1.3132LRD133TONT45, 50134LPP135TONT46, 55136LDI0.3137ANI0.4138ANT45139ANI0.0140ANI0.2141ANI0.5142ANI0.7143=M1.4144LDI0.3145ANI0.4146AT46147ANI0.0148ANI0.2149ANI0.5150ANI0.7151= M1.5152LDM1.0153OM1.6154OM2.0155=Q0.0156LDM1.3157OM2.2158OM2.4159=Q0.1160LDM1.1161OM1.4162OM1.7163OM2.3164=Q0.2165LDM1.2166OM1.5167OM2.1168OM2.5169ANQ0.2170=Q0.3利用仿真软件对上表中源程序进行仿真，仿真结果如下：当按下正转按钮或点动按钮（点动方向选择为正向）时，PLC控制交流电机进入正向星形启动状态，如图4-2所示。正向星形启动维持5秒之后，交流电机转入正向角形运行状态，如图4-3所示。按下停止按钮或松开点动按钮，交流电机停止转动。图4-2 电机正向星形启动时PLC输出状态图4-3 电机正向角形运行时PLC输出状态当按下反转按钮或点动按钮（点动方向选择为反向）时，PLC控制交流电机进入反向星形启动状态，如图4-4所示。反向星形启动维持5秒之后，交流电机转入反向角形运行状态，如图4-5所示。按下停止按钮或松开点动按钮，交流电机停止转动。图4-4 电机反向星形启动时PLC输出状态图4-5 电机反向角形运行时PLC输出状态结 论此次设计的三相交流电动机PLC控制系统，以性能稳定、简单实用为目的。实现了三相异步电动机的正反转运行和星型角型启动，并能实现点动控制，在工厂自动化中有很广的应用前景，对比传统继电器控制电路，PLC控制三相异步电动机有很大的优势，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。通过本次专业综合设计，熟练掌握了Autocad绘图的技能，同时也提高了搜索资料、查阅资料的能力。加深了对三项异步电动机的工作原理的认识，能够理解并掌握简单的PLC编程，将PLC应用到三相异步电动机的控制当中，动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力得到很大的提高，为将来顺利步入实践打下基础。本次专业综合设计中，感谢专业老师对我的悉心指导，使我提高了自己的专业综合能力，同时感谢同组成员的默契配合，使这次专业综合设计顺利完成。参考文献1 姜建芳，西门子S7-200 PLC 工程应用技术教程M.北京：机械工业出版社，2010.6 2 廖常初，S7-200PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2011.9.3 赵月飞,AutoCAD中文电气设计完全实例教程M.北京：化学工业出版社，2010.44 周融，关于异步电机启动方式的研究J.电机与控制应用，2004(6):62-64.5 姚福来，张艳荣，电气自动化工程师速成教程M.北京:机械工业出版社，2007.36 孙东旭，王善铭，电机学M.北京：清华大学出版社，2006.97 顾桂梅，王永顺，王庆贤，电气控制与PLC应用项目教程M.机械工业出版社，2012.12