单向运行能耗制动

电气控制与 PLC 课程设计报告题目单向运行能耗制动学院信息科学与工程学院专业电气自动化技术学生毅学号3 年级2014级指导教师黄建刚职称高级工程师二0一六年六月三日课程设计题目 : 单向运行能耗制动设计按 4 照优、良、中、及格、不及格评学生： 毅 设计报告成绩定）指导教师评语：指导教师（签名）年 月 日说明：指导教师评分后，设计报告交院实验室保存。单向运行能耗制动摘要：能耗制动是电动机在脱离三相交流电源后，立即使其两相定子绕组加上一个直流电源，即通 入直流电源，利用转子感应电流与精致磁场的相互作用来达到制动目的的一种制动方法。该制动方 法将电动机旋转的动能转换为电能，消耗在制动电阻上，故称为能耗制动。能耗制动可按时间原则 又时间继电器来控制，也可按速度原则由速度继电器来控制。能耗制动的优点是制动准确、平稳且 能量消耗较小，缺点是需要附加直流电源装置，制动效果不及反接制动明显。在本次课程设计中我 负责的容是按照要求绘图以及分析，并仿真，最后将两人成果整合并制作文件。关键词：能耗制动；速度原则；Unidirectional operation energy consumption brakingAbstract：Energy consumption braking motor from the three-phase AC power supply immediately, so that the two phase stator windings and a DC power supply, namely the DC power supply, the induced current in the rotor and delicate magnetic field interaction to achieve braking method for the purpose of brake. The rotation of the motor braking method and the kinetic energy is converted to electrical energy consumed by braking resistor, so called dynamic braking. The energy consumption braking can be controlled according to the time principle and time relay, and can be controlled by the speed relay. The advantages of energy consumption braking is accurate, stable and less energy consumption, the disadvantage is that the need to add DC power supply device, the braking effect is not obvious.In the course design is I am responsible for the contents of the drawing and in accordance with the requirements analysis, simulation, and finally to integrate both results and make files.Key words: Energy consumption braking；Principle of speed.目录绪论 01. 课程背景 02. 选题的目的和意义 03. 国外研究现状 14. 主要的研究容 1第1章 电气电路设计 21.1 能耗制动原理 21.1.1主电路设计21.1.2控制电路设计31.2 电路元件设计 41.2.1电动机41.2.2接触器41.2.3熔断器41.2.4热继电器41.2.5速度继电器51.3 元件清单 5第2章 控制系统设计 62.1 CPU模块的选择62.2 I/O分配62.3 I/O接线图72.4 时序图72.5 顺序功能图82.6 梯形图8第3章 测试与仿真103.1 仿真103.1.1导入梯形图103.1.2测试113.2 问题的分析与解决 11第4章 结论 12致 13参考文献 14附录1 JR20系列热继电器的技术指标15附录2 CPU224的技术指标16附录3 Y系列电机常用型号对照表19绪论长期以来，能耗制动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。由于能耗制动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。1. 课程背景在20世纪6070年代，为了适应计算机、数字控制、机器人、大规模集成电路等高新技术的 发展，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，提出了 “结合计算机灵活、通用、功能 完备以及继电控制1简单、易懂、操作方便、为大家所熟悉”的优点，面向工业现场、面向控制过 程、面向实际问题，即使是不熟悉计算机的人，经过简单训练也可直接编程的一种新型电子化的自 动控制装置来代替传统继电-接触控制2的设想。1969年，美国数字设备公司(DEC)率先研制出PDP-14可编程控制器，成功地用在GM公司的自 动装配线上。1987年，国际电工委员会(IEC)对它定义如下：一种数字运算操作的电子系统装置，专为在工 业现场应用而设计。它采用可编程序的储存器，用来在其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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程。在早期，主要用于替代继电-接触的顺序控制，因此，又称为可编程逻辑控制器(Programmable logic controller PLC)。随着电子技术、计算技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的围。被称 为可编程控制器 (Programmable Con troller PC)。为区别于个人计算机(Personal Comp ut er PC)， 故沿用PLC4这个缩写。2. 选题的目的和意义本课程设计是PLC课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。课程设计 的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设 计要求、应完成的工作容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵 活应用的目的。设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、 结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养 与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能 力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资 料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。3. 国外研究现状PLC 自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家以成为重要的产业之一。 世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下 降。目前，世界上有200多个厂家生产PLC,较有名的：美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本： 三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国:西门子公司；法国：TE施耐德公司；国：三星、LG公司 等5。我国 PLC 产品的研究和生产经历了三个阶段6:1）顺序控制器（19731979）2）以微处理器为主的工业控制器（19791985）3）以微处理器为主的可编程序控制器（1985 以后）。在对外康的政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。随着不 断学习与不断开拓的精神，现在，我国自主生产的PLC在国的各行各业也有了极大的应用，技术含 量也越来越高7。4. 主要的研究容三相异步电动机的制动方法有很多种，本课程设计将重点说明用PLC来实现对三相异步电动机 能耗制动的控制的设计与仿真。分析能耗制动的工作原理。使用STEP7-MICR0/WIN对PLC编程，控 制电动机能耗制动。完成对PLC的程序设计8以及仿真。第1章 电气电路设计随着现代信息科技的日益发展，人们对电力电子行业的需求也日益增多。如何在现有的经济及 科学技术支持下不断满足人们对其的需求成为制约当今社会进步的一大问题。本文主要介绍了单向 运行能耗控制电路，分析了能耗制动控制电路的相关问题，并着重了解和分析单向运行能耗控制电 路并且按照速度原则由速度继电器来控制。1.1 能耗制动原理根据左手定则确定出转子电流和恒定磁场作用所产生的转矩方向与转子转速方向相反，故为制 动转矩，此时电机把原来储存的动能或重物的位能吸收后变成电能消耗在转子电路中。能耗制动就 是将运行中的电动机9，从交流电源上切除并立即接通直流电源，在定子绕组接通直流电源时，直 流电流会在定子产生一个静止的直流磁场，转子因惯性在磁场旋转，并在转子导体中产生感应电势 有感应电流流过，并与恒定磁场相互作用消耗电动机转子惯性能量产生制动力矩，使电动机迅速减 速，最后停止转动。1.1.1主电路设计本次课程设计按速度原则实现可逆运行能耗制动控制电路10。通过速度继电器对速度的检测，从而 控制电动机的运行。主电路电路图如1-1 所示。停止时，电动机定子绕组脱离三相电源的同时，接 触器KM2线圈通电，KM2主触点闭合，使桥式整流器VC能将交流电变为直流电送入定子绕组，进行 能耗制动，电动机转子转速迅速下降，当时间继电器KT的延时时间一到，电动机转速接近零，延时 触点断开，使KM2和KS的线圈断电，电动机脱离直流电源，制动过程结束。图 1-1 主电路1.1.2控制电路设计FUSB IE-T SJ-KSE KMISB2 ,o-E图 1-2 控制电路1.2 电路元件设计一个成功的系统都是由恰到好处的电路元件组成，选择合适的电路元件尤为重要，好的电路选 择具有可靠的安全保证，还能在经济上具有一定的节省。1.2.1电动机电动机应满足安全稳定，安装简单。选择Y系列电动机。具体参数见附录3.1.2.2接触器接触器4( Contactor)分直流接触器、交流接触器两大类选择依据是：主触头数、辅助触头 数目、额定电流、线圈控制电压的类型、等级等。我们以我们选择为KM1、KM2为CJ20-25系列交 流接触器。其额定工作电流为25A，额定电压为380V。1.2.3熔断器当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，并且升高的电流有可能损坏电路中的某些重 要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若电路中正确地安置了熔断器，那么，熔断 器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运 行的作用。如果电路中安装了断路器就可以不用熔断器，热继电器需要与交流接触器配合使用，因过载时 热继电器上的触点断开切断控制回路，目前一般多用于控制回路。本次设计中在控制电路中用到熔 断器。选择RL1-60型熔断器，其额定电流为60A124热继电器热继电器是利用电流的热效应原理和发热元件的热膨胀原理，在出现电动机不能承受的过载时 断开电动机的控制电路，实现电动机断电停车的保护电路。目前使用最多的、最普遍的是双金属片式热继电器。根据设计需要，选择JR20-10型热继电器。 具体参数见附录1。125速度继电器速度继电器9是利用速度原则对电动机进行控制的自动电器，常用语笼型异步电动机的反接制 动控制，因此亦称为反接制动电器。感应式速度继电器主要是由转子、定子和触点三部分组成，其原理如下：当电动机转动时，速 度继电器的转子随之转动，这样就在速度继电器的转子和定子圆环之间的气隙中产生旋转磁场而感 应出电动势，并产生电流，此电流与旋转磁场作用产生转矩，使定子随转子到一定的角度。转子转 速越高，定子偏转角度越大。一般速度继电器的动作速度为120r/min,触点的复位速度在100r/min以下，转速在 30003600r/min以下能可靠的工作，允许操作频率每小时不超过30次。根据设计需要，选择JY1型速度继电器。其工作围在7003600r/min。1.3 元件清单根据上述器件选择原则，可以列出所选用的器件清单如表1-1所示。表 1-1 元件清单序号代号名称规格型号数量KMFUKSSBFR电动机接触器熔断器速度继电器按钮热继电器Y系列CJ20RL1-60 型JY1型JR20-10 型第2章 控制系统设计PLC控制系统设计是指用户根据编写程序的设计思路，通过发送指令，配合被控制对象工艺过程 的现场信号和操控要求，参照PLC继电器编号，绘出梯形图程序。一般利用顺序功能图法和经验设 计法对PLC应用程序进行设计。2.1 CPU模块的选择本次设计需要两个输入接口，两个输出接口 CPU224集成了 14点输入10点输出，共有24个 数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点OCPU224 有13K字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KH z高速计数器，2路独立的20KH z高速脉冲输 出，具有PID控制器12。CPU2244配有1个RS-485通讯口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通 讯能力，是具有较强控制能力的中型PLCo附录2 CPU224的主要技术指标。2.2 I/O分配根据控制电路的工作原理，PLC需要以下的输入输出作为与外部电路的控制接点，如表2-1 所示。其中SB1是停止按键，SB2是起动按键。表2-1 I/O分配表输入输出SB1I0.1KM1Q0.0SB2I0.0KM2Q0.12.3 I/O接线图FRKM1KM2SB2Q0.0Q0.1LI0.0I0.1MSB1 &图2-1 I/O接线图当SB2按下时，10.0置1,使Q0.1置1, KM1线圈通电，主电路接触器闭合，电动机转动。当 速度达到一定时KM2线圈得电，主电路的KM2闭合，KM1断开。2.4 时序图图2-2 时序图当10.0置1时，Q0.0也置1线圈KM1通电主电路接触器KM1闭合电动机运转，由于Q0.0Q 一 直置1因此电动机会连续运转，当速度达到一定程度时Q0.1置1、Q0.0置0,线圈KM2通电电动 机继续运转。当按钮SB1按下时，I0.1置0,所有电路全部复位，电动机停止运转。2.5 顺序功能图SMO.OM0.0I0.2M0.1Q0.0I0.1M0.2S Q0.0KSM0.3Q0.1图 2-3 顺序功能图当10.2置1时，使Q0.0置1电动机运转，当10.1按下时使QO.OQ置1使电动机连续运转,当速度达到一定值时，速度继电器通电，是开关KS闭合，Q0.1通电，使得电动机运转。2.6 梯形图用所学的绘图变成软件将电气功能图用梯形图绘制出来，如图2-3所示。235e网塔220 | 21LM-10.1QQOhT iMO.1頃 &IMAT1C LADI衽巨丄詔网揩1 碟标題IEMFIEMPLA网华汪评图 2-4 梯形图第3章 测试与仿真将梯形图语言编写好后，下一步就是去实验室进行仿真、测试，需要将仿真的结果与仿真中出 现的问题进行总结，并且将这些问题一一解决再记录。3.1 仿真先把程序的梯形图先画好然后用编程软件进行仿真，看一下程序是否有误（如果有错误就应该 及时检查，查出问题所在之后及时修改，然后再次进行仿真，直至没有错误为止），检测一遍后确 认程序毫无问题后，就可以准备下一步了。接下来，要做的就是需要去现场进行测试，看看这个程 序在导入到PLC后，电动机是否能够按照计划中制动。3.1.1导入梯形图F4F-dwir+： ?rlb.：njik i5UBPLE 4E_aOCK 5fl=LD:56IW卜 -|ML KW 口1拓1详1曲0 $出dfmf111SML SSIriIn :SMF ?qi|n sn|H SI图 3-1 初始态Niistirt. 1 ?HETAtiriC 1 3.1.2测试当进行测试时，首先要对这个PLC要熟悉，先要对PLC进行观察，PLC哪些地方是输入，哪些地方是输出，然后要对所编写的程序进行实物的连接，然后按照步骤一次进行。因为程序是验证过了，如果出现错误应该首先排查是不是接线出现了错误。Net work atfet TOrk 4EtTD ORGAN TICiN BLOCK gr UL KXIF MlP3itfIZATIOH_BLOCK 主趕吟严 TITLE-程序注琦BEtfet-TOTk L /. 舸络桶EECiRGAMI2AnO4_atOCH.主桓序:Cfi I1-IC.23U0RXJT1ME_6LOCK 5W_D:5flRD图 3-2 运行状态3.2 问题的分析与解决在编写程序时就遇到了问题，首先，速度继电器就不知道符号是怎样的，可能是 上课不专心，对此也根本没有什么印象。先是上网想要找到答案，但是却依然没有结 果。只好向同学求助，最后在同学的帮助下最后还是成功完成了。第4章 结论此次课程设计对我而言，无疑是收获巨大的。首先，通过这次课程设计，我对软件的学习以及 对硬件的学习让自己对PLC程序的设计有了更加深层次的了解，比如如何使用各种指令我变得更加 熟练了，对于流程图、PLC I/O分配表、PLC接线图、顺序功能框图、梯形图等绘图方面的技巧我 也有了相当大的提升。其次，通过这次课程设计，我们相当于是对知识进行了一次复习，并且用于 实际，将其利用了起来实现了真正的运用，使得我真正的更深入的通过课程设计了解了我们的电气 控制与PLC这门学科。再有，这次课程设计也充分培养了我们的团队意识，加强了我们团队合作的 能力，这不仅仅对我们学习生涯有着好处，对于我们的以后的人生和工作也是有着极大帮助的。最 后，这次的课程设计暴露出了自己太多的问题。拿到课程设计的题目是，我都看不懂是什么，一下 子给自己敲响了警钟，是因为自己平时学习不认真，所以才在这次课程设计上磕磕绊绊，不知道怎 么做才好。这警示了自己在学习上应该踏踏实实，认真上进。同时，在学习上我们有问题自己思考 后仍然无法解决就应该向老师求助，不要不好意思或者因为自己学得不好怕被老师骂就不问老师， 如果这次我在自己思考问题还是没有有效办法的时候选择问老师，我的课程设计一定也会完成得更 好，所以在以后的学习生涯中我会勇于发问，改掉学习上的坏毛病。在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多同学的帮助。因为自己之前学得并不怎么样，所 以有很多地方都是半懂不懂的，甚至是完全不懂，一个人看书也看不出来怎么一回事，多亏了同学 的帮助，不耐其烦的帮我讲解，我才搞懂了很多关键性的知识点。尤其是廖毅同学，我正在为如何 绘图感到十分疑惑时，他向我推荐了 Visi。绘图软件并给我详细讲解了如何使用，是我可以快速上 手绘制各种图。与此同时，还帮我指出了很多关于此次实验报告被我所以遗漏的格式错误，帮我省 却了很多麻烦。同时，感黄老师给我的课程设计指出了很多问题，并专门列出告诉我如何修改，同 时还很体谅我们，给我们宽限了时间，不然以我的水平实在是很难在规定时间完成此次课程设计。 最后再一次感所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。参考文献1 .顺禧平气控制技术M.:理工大学,20002 .郁汉琪，等.电气控制与可编程序控制器应用技术M.2版3 .廖常初S7-200PLC编程及应用M:机械工业，2007东南大学20094 .龚仲华S7-200/300/400PLC应用技术通用篇M,：人民邮电。20105 .王永华。现代电气控制及PLC应用技术M.2版。：航空航天大学20086 .龚运新，厚玉，戚本志。PLC技术及应用M.:清华大学，20097 .何强，单启兵。可编程序控制器应用：S7-200 M.:中国水利水电，20l0.8 .何献忠。可编程控制器应用技术：西门子57-200系列M.:清华大学，20079 .何衍庆，等可编程序控制器原理及应用技巧M:化学工业，200010 .建明电气控制与PLC应用：电工工业，2010年11月11 .平.可编程控制器原理及应用（第2版）.:高等教育，2008年4月版12 .林小峰.可编程控制器原理及应用. :高等教育，199413 .于庆广.可编程控制器原理及系统设计.:清华大学，200414 .胡幸鸣。电机及拖动基础M. 2版。：机械工业，2008附录 1JR20 系列热继电器的技术指标杵号feetaE范囲仆桦号便淀it髙椎fwa1120-10o.i -c na.isin16 - 2C-24筑U.5-D. l-0.232U曲r酣-阳5R1.23 -D_Wr(l._巧JUJZ-40-4J4H,0.35-0.4+-0,534U147- 5flSR&.53-0.CTO.aSEJ! 2 J-. B5WlfR?b2i4494U.r74-M -9BII1斗一5-总J112O- lO54K5 - ir - ISI2R3 - 76W100 - 113 - 130Dk6-7.2-U.47W135 - 134- 15u14 HJg l |0飙y&- 150-17015Ra.fi- io - H.69*14-1 - Jfiti - L7G创- 151出TJ-m-250IXi5u- lOU2S5.4-6.1-a2X167 - 200 - 25(3SB- 10- IJH2W_400IV3W-23U-SCO4SIB- U- it2T2fc7-335-D5t?1Z- 1+- 16压30*閃0；Z330-40U-4a(r6S14- Ifr IS0420-5a-6B0n2-9,T - !.*27I1,fr-14,3-173T17 -2 -252123-29附录2附录 2CPU224 的技术指标内部；-电源超级电容-时钟(224(XP).226)PanelS 装固定孔插拔接线端、子(224,229通讯口安装于标准DIN导24V传感器轨上的夹子 电源綸出CPU224本机集成了 14点输入/10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最 大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存贮空间，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CPU224配有1 个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的 小型控制器。(1)CPU224与CPU221技术指标的区别外形尺寸：120.5*80*62mm-i=z存储器：程序存储器 4096字用户数据存储器 2560字存储器类型 EEPROM存储卡 EEPROM数据后备（超级电容） 190小时编程语言LAD, FBD和STL程序组织一个组织块（可以包含子程序和中断程序）系统I/O：本机I/O 14入/ 10出扩展模块数量7个模块数字量I/O映像区256 （128入/128出）数字量I/O物理区168 （94/ 74）模拟量I/O映像区32入/32出模拟量I/O物理区35 （28 / 7）或14出附加功能：置高速计数器6个（30KHz）置模拟电位器2个（8位分辨率）脉冲输出2个高速输出（20KH z）通讯中断1发送器/2接收器定时中断2个（1 ms255ms）输入中断4个实时时钟置口令保护3级口令保护为传感器提供5VDC电流：660mA（2）CPU224的接线 DC输入DC输出：DC输入端由1M、0.0-0.7为第1组，2M、1.0-1.5为第2组，1M、2M分别为各组的公共端。24V DC的负极接公共端1M或2M。输入开关的一端接到24V DC的正极，输入开关的另一端连接 到CPU224各输入端。DC 输出端由 1M、1L+、0.0-0.4 为第1组，2M、2L+、0.5-1.1 为第 2 组组成。1L+、2L+分 别为公共端。第1组24V DC的负极接1M端，正极接1L+端。输出负载的一端接到1M端，输出负载的另一端 接到CPU224各输出端。第2组的接线与第1组相似。 DC输入继电器输出：DC输入端与CPU224的DC输入DC输出相同。继电器输出端由3组构成，其中N(-)、1L、0.0-0.3为第1组，N(-)、2L、0.4-0.6为第2组, N(-)、3L、0.7-1.1为第3组。各组的公共端为1L、2L和3L。第1组负载电源的一端N接负载的N(-)端，电源的另外一端L(+)接继电器输出端的1L端。负 载的另一端分别接到CPU224各个继电器输出端子。第2组、第3组的接线与第1组相似。M字母代表的是母线的意思 就是英文Mot her的缩写。(意思就是公共线的意思)CPU本身输出的电源为标号M和L+ , M是24V的正L+是24V的负极而输入端上有两个公共端他们分别是1M和2M1M作用围为I0.0-I0.72M作用围为I1.0-I1.51M和2M与刚才说的M和L+是没有关系的。也就是说你可以使用CPU自带的电源，也可以使用外部提供的附录 3Y 系列电机常用型号对照表型号额定功率额定电流转速效率功率因数堵转转矩堵转电流最大转矩噪声振动速度重量额定转矩额定电流额定转矩1级2级kWAr/min%COS倍倍倍dBmm/skg同步转速 3000r/min2 级Y80M1-20.751.8283075.00.842.26.52.366711.817Y80M2-21.12.5283077.00.862.27.02.366711.818Y90S-21.53.4284078.00.852.27.02.370751.822Y90L-22.24.8284080.50.862.27.02.370751.825Y100L-236.4288082.00.872.27.02.374791.834Y112M-248.2289085.50.872.27.02.374791.845Y132S1-25.511.1290085.50.882.07.02.378831.867Y132S2-27.515290086.20.882.07.02.378831.872Y160M1-21121.8293087.20.882.07.02.382872.8115Y160M2-21529.4293088.20.882.07.02.382872.8125Y160L-218.535.5293089.00.892.07.02.282872.8145