电机正反转控制

电机正反转控制 PLC课程设计 题 目 名 称 绕线转子电动机正逆转控制程序设计 课 程 名 称 PLC原理及应用 学 生 姓 名 郭 旭 东 学 号 1141202045 系、年级专业 电气工程系2011级自动化 指 导 教 师 2013年 12 月 6 日 目 录 摘要????????????????? ?????? ??1 1 PLC的介 绍??????????????????????2 1.1 PLC概况 ??????????????????????2 1.2 PLC的基本结构 ???????????????????2 1.3 PLC的工作原理 ???????????????????3 2 绕线转子电动机的简 单介绍???????????????4 2.1 绕线转子电动机的基本结构??????????????5 2.2 绕线转子电动机工作原理及特点????????????5 3 系统的硬件 设计????????????????????6 3.1 主电路图??????????????????????7 3.2 绕线转子异步电动机正反转的外部接线图????????7 4 系统的 软件设计????????????????????8 4.1 顺序功能图的绘制??????????????????9 4.2 顺序功能图?????????????????????10 4.3 梯形图的设计????????????????????11 5 系统调 试???????????????????????12 6 结束语????????????????????????13 参考文献???????? ????????????????14 1 1 PLC的介绍 1.1 PLC概况 可编程控制器(Programmable Controller)简称PC。个人计算机(Personal Computer)也简称PC。为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC(Programmable logic Controller)。 PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” (1)可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，其中带有“可以编制程序的存储器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算”工作，可以认为可编程控制器具有计算机的基本特征。事实上可编程控制无论从内部构造、功能及功能原理上看都不折不扣的是计算机。 (2)可编程控制器是“为工业环境下应用”而设计的计算机。工业环境和一般办公环境有很大的区别，PLC具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。为了能控制“机械或生产程”，它又要能“易于与工业控制系统形成一个整体”这些 都是个人计算机不可能做到的。因此可编程控制器不是普通的计算机，它是一种工业现场使用的计算机。 (3)可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。它“易于扩展其功能”，它的程序能根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”。也就是说可编程控制器较其以前的工业控制计算机，具有更大的灵活性，它可以方便的应用在各种场合，是一种通用的工业控制计算机。 PLC的特点: 1、可靠性高，抗干扰能力强 2、配套齐全，功能完善，适用性强 3、易学易用，深受工程技术人员欢迎 4、系统设计周期短，维护方便，改造容易 5、体积小，重量轻，能耗低。 PLC的应用领域:目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、汽纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为:开关量的逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信及联网。 1.2 PLC的基本结构 2 1、中央处理单元(CPU):中央处理单元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能:a. 接收并存储从用户程序和数据;b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法 错误。 2、存储器:可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件(包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序)的存储器称为系统程序存储器;存放用户程序(用户程序存和数据)的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 3、输入接口电路:输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。 4、输出接口电路:可编程序控制器的输出有:继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。 5、电源:PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分:一部分供PLC内部电路工作;一部分向外提供给现场传感器等的工作电源 1.3 PLC的工作原理 PLC则是采用循环扫描的工作方式。一个扫描周期主要可分为两个模式,分别是RNU模式和STOP模式,共五个工作阶段,如图1-1。 1.3.1 内部处理阶段 内部处理阶段，复位WDT(监控定时器)，检查硬件、程序存储器， 正常则顺序执行用户程序，不正常则转到错误处理程序。 1.3.2 通信处理阶段 通信处理阶段，PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。 1.3.3 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行 3 期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 1.3.4 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。 1.3.5输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存 器中的内容，依次送到输出锁存电路(输出映 像寄存器)，并通过一定输出方式输出，驱动外 部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输 出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷 新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环 往复，因此称为循环扫描工作方式(1)。 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长 短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个 扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描 周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次， 所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程 度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O 的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有 变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。 总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应注意。 1 扫描过程 图1 - 2 绕线转子电动机的简单介绍 4 2.1 绕线转子电动机的基本结构 电动机是一种把电能转化为机械能的机械。它的基本原理是利用带导体和磁场间的香花作用而把电能转化为机械能。电动机的结构主要包括两部分:转子和定子。转子是电动机的转动部分，由转轴作组成。导体绕组的排列方式决定电动机的类型及其特性。 图2-1 典型电动机的剖切视图 电机的结构包括定子和转子两部分。定子和转子之间由空气隙分开。定子的作用是产生主磁场和在机械上制成电机，它的组成部分有主磁极，机座，端盖和轴承等，电刷也用电枢座固定在定子上。转子的作用是产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换，它的组成部分有电枢铁心，电枢绕组，轴，风扇。图2.1所示为直流电机结构。现将有关重要部分介绍如下: 主磁极:主磁极包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，主要任务是产生主磁场。磁极是磁路的一部分，采用1.0~1.5mm的钢片叠压制成。 机座:机座一方面用来固定主磁极，换向极和端盖等，并做整个电机的支架用地脚螺钉将电机固定在基础上，另一方面也是电机磁路的一部分。 电枢铁心:电枢铁心是主磁通磁路的一部分，表面冲槽，槽内嵌放电枢绕组。 电枢绕组:电枢绕组是直流电机产生感应电势及电磁转矩以实现能量转换的关键部分(2)。 2.2绕线转子电动机工作原理及特点 当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手规则判定)。由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到 5 电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转(3)。 通过上述分析可以总结出电动机工作原理为:当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度)，通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路)，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 作电动机运行的绕线转子电动机。绕线转子电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与绕线电动机相比，绕线转子电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，绕线转子电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。 3 系统的硬件设计 3.1主电路图 6 图3-1主电路图 3.2 绕线转子异步电动机正反转的外部接线图 接线图如图3-2所示,NFBON时，指示灯PL1亮。 按PB2，电动机正转全电阻启动[MC3动作，PL1熄灭，PL2闪亮(0(5 s,ON，0(5s,OFF) ]，10s后换成部分电阻启动[MC3、MC1动作，PL2闪亮]，再经10秒后正向运转[MC3、MC2、PL3动作]，PL2熄灭，此时按PB3无作用。正转在启动中或运转中，按PB1时电动机立即停止运转，PL1指示灯亮。 按PB3时，电动机逆转全电阻启动[MC4动作，PL1熄灭，PL2闪亮(0(5 s,ON，0(5s,OFF)]，10s后换成部分电阻启动[MC4、MC1动作，PL2闪亮]，再经10s后逆向运转[MC4、MC2、PL4动作]，PL2~0,灭，此时按PB2无作用。 逆转启动中或运转中，按PB1时电动机立即停止运转，PL1指示灯亮。运转时断电，如果在5s内恢复供电，电动机维持断电前的运转方向，继续运转:运转时断电，如果在5s后恢复供电，须按PB2或PB3重新启动电机。 热继电器动作时，电动机停止运转，BZ响。热继电器复位后，BZ停响，恢复正常操作状态。 7 图3-2绕线转子异步电动机正反转的外部接线图 4 系统的软件设计 4.1 顺序功能图的绘制 顺序功能图(SFC)是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。顺序功能图主要由步、有 向连线、转换、转换条件和动作构成。如表4-1为各编程元件的状态表。 8 依据设计要求，把整个过程分为十步。M1起始步，M2、M3、M4分别为正转的全电阻启动、部分电阻启动、正转运行;M5、M6、M7分别为逆转的全电阻启动，部分电阻启动、逆运行;M8为热继电器动作时，电动机停止运转，Bz响。由Y5表示L1灯,Y6表示PL2灯,Y7表示PL3动作,Y10表示PL4动作，Y11表示喇叭BZ.T1、T2、T3、T4均表示计时10秒。T100、T101表示闪烁灯Y6计时继电器。用X0表示NFB，Y1、Y2、Y3、Y4分别表示MC1、MC2、MC3、MC4，X6为“1”状态时，表示热继电器动作，X1为点动开关PB1,X2为点动开关PB2，X3为点动开关PB3，X0为保持开关NFB。其顺序功能图如下图(4-2)。 (4) 9 4.2顺序功能图 图4-2顺序功能图 10 4.3梯形图的设计 根据状态表和顺序功能图,编写梯形图 11 5 系统调试 实验室仿真，利用了FX2N-24MR的PLC进行仿真。 接好线路,按下SFB,X1来信号,Y5信号输出,PL1灯亮如图5-1所示,按下 PB2,即给X2来一个脉冲信号,PL2灯闪亮，说明MC3动作，正转全电阻启动然后定时十秒后，Y3/Y1都有输出，说明MC3/MC1动作，半电阻启动PL2继续闪亮，再过十秒，Y3/Y2有输出，说明MC3/MC2动作，电动机正转运行，此时按下PB3没变化。 按下PB1，即给X1一个脉冲，Y5亮，即停止运转。 按下PB3，即X3来个脉冲,Y3/Y6有输出,即MC4动作,PL2闪亮, 说明逆转全电阻启动。然后定时十秒后，Y4/Y1都有输出，说明MC4/MC1动作，半电阻启动PL2继续闪亮，再过十秒，Y4/Y2有输出，说明MC3/MC2动作，电动机逆转运行，此时按下PB2没变化。 12 按下PB1, 即给X1一个脉冲，Y5亮，即停止运转。 如果运转时断电，即X0有脉冲信号,T0开始定时,如果在5s内恢复供电，T0被复位,系统继续工作, 如果在5s后恢复供电，须按PB2或PB3重新启动电机重新启动。如果热继电器动作时，即X6来脉冲,电动机停止运转，Y11有输出,即发出警报,喇叭Bz响,热继电器复位后，BZ停响，恢复正常操作状态。 仿真成功,仿真结束,证明所设计的控制系统是正确的。 6 结束语 通过这次的设计使我认识到本人对PLC方面的知识知道的太少了，对于书本上的很多知识还不能灵活运用。在本次绕线转子电动机正逆转控制程序设计的过程中，我出现了很多的问题，给感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，却很难办到，主要原因 是我们之前没有动手设计过电路。另外PLC控制系统的知识还不能熟练应用，而且很多知识当时弄明白了，现在要用的时候又不记得，造成我用了大量的时间去查阅各种资料和程序命令，因此整个过程时间安排不合理。由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。在整个设计过程中，从电路的设计，元器件的选择，电路的调试，程序的编写以及最后的电路板的制作，我都亲自参与了设计与制作，这对我对于理论和实际相结合有了新的认识。 本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去。通过这次课程设计，我对于典型三菱公司的PLC应用，对于PLC工作原理、功能有了宏观的了解，并对梯形图程序的设计应用更为熟悉了。 最后，感谢老师对我的细心的指导，正是由于老师的细心的辅导和他提供给我们的参考资料，使得我的课程设计能够顺利的完成。相信这对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助～ 13 参考文献 [1]陈建明.电气控制与PLC应用[M].电子工业出版社,2007. [2]邓则名.电器与可编程控制器应用技术[M].机械工业出版社,2006. [3]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器[M].东南大学出版社,2003. [4]廖常初.可编程控制器应用技术[M].重庆大学出版社,2007. 14 摘 要 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工 业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)，简称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，所以将可编程控制器简称PLC。PLC自1966 年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。 本设计的目的在于通过PLC程序设计控制绕线转子电动机的正逆转，并利用 实验室FX2N-48MR的PLC及控制绕组电动机进行系统仿真，使学生全面熟练掌握 PLC的硬件组成以及各种指令的应用，掌握小型PLC应用系统设计的步骤，熟悉 和掌握PLC开发系统的应用和软件调试过程，通过设计过程中对故障的分析、判 断、检修进一步锻炼和培养学生的动手能力，以便于以后在工作中将PLC运用到 各个领域中去。本课程设计的意义就是使学生实现从理论到实践的转化。通过这 次课程设计，学生将对于典型三菱公司的PLC应用，对于PLC工作原理、功能有 了宏观的了解，并对梯形图程序的设计应用更为熟悉。 关键词:PLC，控制绕组电动机，可编程控制器。 15