电气自动化论文三相异步电动机的控制设计.doc

烟台工程职业技术学院机电工程 系 电气自动化 专业 2012 级毕业设计（论文）题 目: 三相异步电动机的控制设计姓名 孙国琛 学号 2012080020 指导教师（签名） 二一四 年 十 月 十一 日烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺：我所撰写的设计（论文） 三相异步电动机的控制设计 是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 2014年 10 月 11 日摘要 本论文内容为四台三相异步电动机按照课题要求的顺序依次启动的设计过程及相关程的序编写过程。包含四台三相异步电动机的继电器-接触器控制设计及四台三相异步电动机的PLC控制设计。本文主要包含三章，第一章为总体的设计思路及主要设计要求；第二章是四台三相异步电动机的继电器-接触器控制的主电路、控制电路的设计，主要采用中间继电器和时间继电器不同组合实现互相控制，从而实现四台电动机的循环和单独启动；第三章是四台三相异步电动机的PLC控制的主电路、外部I/O电路、电气安装接线以及梯形图的设计，主要使用计时指令实现PLC对主电路接触器的循环、延时控制。 本论文继电器-接触器部分的电气符号的标准依据是新国标GB/T5094-2003、GB/T20939-2007，PLC控制部分以西门子S7-200系列CPU为设计依据，梯形图设计软件为西门子S7-200编程模拟软件WinSPS-S5。 关键词：继电器-接触器控制；PLC控制；控制线路；控制思路前言 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。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它是专为在恶劣工作环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制，定时、计数和算术等操作的指令，并采用数字式、模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。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。PLC是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。PLC通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超出其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩大了PLC的功能，使其具有很强的的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。 目录摘要3前言4第一章 设计概述6（一）设计题目6（二）控制要求6（三）设计思路6第二章 继电器接触器控制设计7（一） 继电器简介7（二）继电器-接触器控制线路设计步骤及内容7第三章 PLC控制设计9（一）PLC简介9（二）PLC的基本结构9（三）PLC的工作原理9（四）两种方案的比较10（五） PLC控制方案的设计特点11（六） PLC程序设计12结论20设计总结21致谢22参考文献23第一章 设计概述一、设计题目四台三相异步电动机顺序控制系统设计二、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 控制要求一号电机onononon二号电机onononon三号电机onononononon四号电机onononon 0 10 20 30 40 50 60 70 802.系统可以自动循环启动3.每台电动机可单独启停控制三、设计思路根据要求我把二十秒作为一个时间段，用时间继电器和中间继电器来控制电路，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。根据逻辑分析电动机之间的运行关系我用时间继电器来控制循环回路同时控制中间继电器来完成电动机在规定的时间内运行第二章 继电器接触器控制设计一、继电器简介继电器是一种电控制器件。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系。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。当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，继电器使被控制的输出电路导通或断开。 输入量可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)及非电气量(如温度、压力、速度等)两大类。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。时间继电器是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。 在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器，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。继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流。所以在使用继电器时，应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不能超过该继电器的触点负载能力。例如，有一继电器的触点负载为28V(DC)10A，表明该继电器触点只能工作在直流电压为28V的电路上，触点电流为10A，超过28V或10A，会影响继电器正常使用，甚至烧毁触点。 二、继电器-接触器控制线路设计步骤及内容 1.根据课题控制要求选择接触器、中间继电器、时间继电器控制电动机时序运动； 2.主电路设计图见附录一； 3.根据课题要求按钮SB2控制电动机自动循环运行，SB2控制中间继电器KM1、KM3 得电自锁，同时通电延时继电器KT5得电计时，20秒后控制中间继电器KA2、KA4启动，同时通电延时继电器KT6、KT8、KT9得电计时，断电延时继电器得电，断电延时闭合开关闭合，20秒后KA2、KA3断电，同时KM1得电自锁，KT5再次开始计时，20秒后中间继电器KT5控制KA2得电自锁，KT7控制中间继电器KT4断电，同时中间继电器KA3的自锁，20秒后KA2断电，同时KA1得电自锁，开始第二次运行，按钮SB1为总停按钮； 1.电动机的单独启动均采用两个按钮控制； 2.中间继电器KA1、KA2、KA3、KA4分别控制接触器KM1、KM2、KM3、KM4得电自锁。3.继电器-接触器控制线路图见附录二4.电器元件明细表如表1-1表1-1.继电器-接触器控制电器元件列表序号代号名称数量规格备注1KM1-KM4接触器42KA1-KA4中间继电器43KT5通电延时继电器14KT6通电延时继电器15KT7断电延时继电器16KT8通电延时继电器17KT9通电延时继电器18FR1-FR4热继电器49SB1-SB10按钮1010FU1-FU4熔断器4第三章 PLC控制设计（一）PLC简介早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 （二）PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：图3-1（三）PLC的工作原理1. 扫描技术 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映象区中的相应的单元内。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映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象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映象区或系统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。（四）两种方案的比较： 1.控制中采用的逻辑部件不同继电器-接触器控制全部用硬触点和“硬”线连接；PLC内部大部分采用“软”触点和“软”线连接。 2.plc控制系统的结构和体积不同继电器-接触器控制系统使用的电气元件多，体积大且故障率大；PLC控制系统结构紧凑，使用的电气元件少，体积小。 3.控制中电器的触点不同继电器-接触器控制中全部为机械式的硬触点，动作慢，弧光放电严重，寿命短，而且使用次数有限；PLC内部全部为“软”触点，动作快、寿命长，而且使用次数无限。 4.灵活性不同继电器-接触器控制方案的改变，需拆线，重新再接线，乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制方案的改变，一般不需要修改硬件，只需修改程序即可，及其方便。 此外，由于PLC技术是在计算机控制的基础上发展起来的，它是以微处理器为核心，结合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。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。（五） PLC控制方案的设计特点1.在硬件方面（1）设置了滤波器（2）采用了隔离和屏蔽技术技术，在PLC系统中CPU和各种I/O通道之间都采用光电隔离和屏蔽技术，以防止外界信号的干扰，影响CPU的正常工作或导致CPU的损坏。（3）采用了模块结构，PLC通常采用模块式结构，目的是便于用户检修和更换模块，另外在各模块上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标示它的状态，使用户能够迅速确定故障块的位置。（4）设置了特定的电源，PLC中的电源，尤其是为CPU模块供电的+5主电源，都有很强的抗电网电压波动和高频扰动的能力，同时还具有过电压、过电流等保护措施，以防止PLC的损坏。（5）设置了联锁功能，PLC中各个输出通道之间都设有联锁和互锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故。 2.在软件方面（1）软件与硬件相配合软件装在PLC的某一固定的存储区中，它定时对外界的工作环境状态检测，以便在有异常情况下可及时处理。（2）工作信号会自动保护PLC在受到强干扰而导致工作进程混乱甚至停止时，如果PLC的硬件系统未受损，则它的保护软件迅速将当前的工作状况和有关的信息存放到磁性的或带电保护型存储器中，以便强干扰消失后，PLC自动从这种存储器中取出这些信息，继续完成因强干扰而中断的工作。（3）PLC采用扫描方式进行工作PLC对信号的输入、数据的处理和信号的输出分别在一个扫描周期的不同时间间隔里以批处理方式进行，因此使得用户编程简单、不易出错。（六） PLC程序设计 1.分析控制系统的控制要求，本次设计采用计时器为主要控制器，程序设计思路为：按照时序图（见课题）控制CPU的相应接口得电，每一次计时完成，将启动下一个计时，如此往复，实现系统自动循环时序控制 2.本次控制需要10点输入，4点输出，根据I/O点数，选择CPU224，I/O地址分配表如表2-1PLC控制I/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自动运行信号常开按钮SB1I0.5电动机停止信号常闭按钮SB2I0.0电动机M1启动信号常开按钮SB3I0.1电动机M1停止信号常闭按钮SB4I0.6电动机M2启动信号常开按钮SB5I0.2电动机M2停止信号常闭按钮SB6I0.7电动机M3启动信号常开按钮SB7I0.3电动机M3停止信号常闭按钮SB8I1.0电动机M4启动信号常开按钮SB9I0.4电动机M4停止信号常闭按钮SB10I1.1输出信号电动机M1驱动信号接触器KM1Q0.1电动机M2驱动信号接触器KM2Q0.2电动机M3驱动信号接触器KM3Q0.3电动机M4驱动信号接触器KM4Q0.43.工作流程图如下开始 接口I0.0得电是否自动循环 是 否 判断接口信号中间继电器时序导通 I0.2 I0.4 I0.6 I1.0Q0.3导通Q0.1导通Q0.2导通Q0.0导通输出接口时序导通自锁电动机MA4运行电动机MA3运行电动机MA2运行电动机MA1运行电动机按照时序工作图3-24.梯形图设计5.语句表Network 1 / 网络标题/ 电机一LD I0.1EUO M1.0O M0.0O M1.2A I0.6A I0.0AN T39AN T37= M0.0= Q0.1Network 2 / 电机二LD I0.2EUO M1.1O M0.1O M1.3A I0.7A I0.0AN T40AN T38= M0.1= Q0.2Network 3 / 电机三LD I0.3EUO M1.0O M0.2O M1.3A I1.0A I0.0AN T38= M0.2= Q0.3Network 4 / 电机四LD I0.4EUO M1.1O M0.3A I1.1A I0.0AN T39= M0.3= Q0.4Network 5 / 控制MI.0LD I0.5EUO M1.0O T40A I0.0AN T37= M1.0TON T37, 200Network 6 / 控制MI.1LD T37O M1.1A I0.0AN T38= M1.1TON T38, 200Network 7 / 控制MI.2LD T38O M1.2A I0.0AN T39= M1.2TON T39, 200Network 8 / 控制MI.3LD T39O M1.3A I0.0AN T40= M1.3TON T40, 200 6.PLC外部I/O电路图见附录三。 7.程序设计的主要任务是根据控制系统要求将顺序功能图转换为梯形图，设计好的程序下载到PLC主单元中。由外接信号源加入测试信号，用按钮或小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。结论四台三相异步电动机是继电器接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，必须有专人负责操作，将PLC应用到电动机控制系统，可实现电动机启停自动化控制，降低系统的运行费用，PLC异步电动机控制系统具有连线简单，控制速度快，可靠性和可维护性好，易于安装、维修和改造等优点。随着经济的发展，电动机的应用不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。将PLC应用到三相异步电动机气控制系统，可实现电动机的自动化控制，降低系统的运行费用。它功能强大，使用方便，控制简单，易于监控。PLC在三相异步电动机控制系统中的应用，具有巨大的经济和社会价值此外，由于PLC技术是在计算机控制的基础上发展起来的，它是以微处理器为核心，结合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。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-接触器控制设计总结历时两个星期多的毕业论文终于在今天完成了。这次课程设计让我学到了很多东西，在开始做的阶段，首先运用所学的东西，结合老师讲的再加上在网上找的资料，认真分析和学习，这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，一段时间之后，终于做出了这个设计。在主体框架完成的情况下，依据老师的要求，将上述所做东西以报告的形式做成文档。 回想自己所经过的日子，有欢笑有泪水，正如歌中所说“阳光总在风雨后”。成功之后的喜悦是无法用语言来形容的，而且老师的良苦用心总是很让我感动。平常自己不认真，对论文设计没有整体的认识，总是存在侥幸心理能混过去就混过去，现在我认识到了这不是一个人应该有的想法。由小见大，在离开学校走像社会的时候，做任何事情都不能马马虎虎，尽全力发挥自己的才能，尽管水平有限，疏漏之处在所难免，但学无止境，通过学习可以进一步完善和改进。这次毕业设计，我感受到一项自我工程的努力过程。通过对PLC的学习，西门子S7-200软件的摸索、认识，编写的程序过程，以及制图软件的使用学到了许多的知识，也更加熟练了机械制图软件的使用，学到很多独立解决问题的方法和培养了这样的能力。致谢毕业设计结束了，本课题在选题及进行过程中得到了赵老师的悉心指导。赵老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难的时候给予了我很大的支持和鼓励。老师渊博的学识、严谨的治学态度、深厚的科研功底和敏锐的学术前瞻性对我的设计过程影响很大；赵老师对工作的敬业精神，深深地感动着我，并将激励我今后在工作上不断进取，以优异的成绩回报老师的培养。在完成课程设计这段时间里，赵老师对我的学习、工作等方面都给予了真诚的关怀和帮助，这段美好时光，我将永铭于心。正是赵老师的关怀才使得我能够顺利完成课程设计。在这里请允许我向赵老师致以最真诚的谢意。参考文献1王宗才.机电传动与控制.电子工业出版社.20102王永华。现代电气控制及PLC应用技术。北京航空航天大学出版社.20063史国生，赵阳等.电气控制与可编程控制器技术.北京:化学工业出版社.2004.14温照方.SIMATIC S7-200 可编程控制器教程，北京理工大学出版社.20085现代电气控制及PLC应用技术.北京航空航天大学出版社，2005 6袁任光.可编程控制器应用技术与实例.华南理工大学出版社.20097刘美俊.通用变频器应用技术.福建:福建科学技术出版社.2001.68幻刘国光.提高PLC控制系统可靠性的软件设计.机床电器J.2004.11.9王卫兵.可编程控制器原理及应用.机械工业出版社.1998烟台工程职业技术学院毕业（设计）成绩评定评分表评价基元评价内涵满分实评分平时成绩30能按时完成毕业设计(论文)各阶段所要求的工作 10能综合运用所学知识分析与解决问题的能力、独立工作能力和实际动手能力14工作态度认真、端正、虚心、严谨，严格遵守纪律6小计30评阅成绩30%能按任务书要求出成果 3论文结构完整、合理，条理清晰，对实验方案的论述正确 5能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、整合信息，实验数据可靠,实验结果正确5设计用语、格式、图纸（图表）、数据、量和单位符合国家标准，各种资料引用规范4视角新颖，主题突出，论据充分，论证有力，分析透彻，计算和结论正确5论文中所表述的基本概念清楚，基础知识和专业知识的掌握牢固扎实6文字表达通顺无误，字数符合要求2小计30答辩成绩40答辩时基本概念清楚, 基础知识和专业知识的掌握牢固扎实 10答辩过程中的自述简明无误，语言流畅10能正确回答问题,特别是本课题范围内的基本理论和基本技能问题20课题范围以外的提问仅作参考,不计分小计40总成绩合计100说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90分（含90分）以上记为优秀,80分（含80分）以上为良好，70分（含70分）以上记为中等，60分（含60分）以上记为及格，60分以下记为不及格烟台工程职业技术学院毕业设计（论文）成绩评定评审等级表指导教师评审意见评语：评定等级：_ 指导教师（签名）：答辩小组意见评语：评定等级：_ 负责人（签名）：学院抽查意见评语：评定等级：_ 负责人（签名）：29