直流剃车三相感应电动机的ㄚ-Δ减压启动和控制程序设计

直流剃车三相感应电动机的ㄚ-Δ减压启动和控制程序 江西理工大学应用科学学院 PLC综合课程设计 设计题目: 专业班级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 完成时间: 设计报告 综合测试 总评 格式 图表 答辩 平时 (40) (10) (10) (20) (20) 摘要 PLC在三相异步电动机控制中的应用，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。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，适合于当前工业企业对自动化的需求。本文设计了三相异步电动机的PLC控制电路，采用德国西门子公司的S7-200系列PLC。 主要研究了直流剃车三相感应电动机的ㄚ-Δ减压启动和能耗制动控制，本文 首先分析传统的接触器继电器控制电路，然后根据给出的主电路图，设计实现其功能的PLC控制方案，并通过软硬件进行实现。 关键词:PLC;ㄚ-Δ减压起动;感应电动机;能耗制动 I 目 录 摘要 .............................................................................................................................. I 1 引言 ............................................................................................................ 3 2 系统总体方案设计 ..................................................................................... 4 2.1 系统硬件配置及组成原理 ................................................................................... 4 2.1.1 PLC与继电器控制的区别 ........................................................................ 4 2.1.2 PLC的工作原理 ....................................................................................... 4 2.1.3 PLC的应用分类 ....................................................................................... 5 2.2 系统变量定义及分配表....................................................................................... 6 2.3 系统接线图 ............................................................................................................ 7 3 直流剃车三相感应电机星三角启动控制系统设计 ................................... 8 3.1直流剃车控制系统图设计 ...................................................................... 8 3.3.1 三相异步电动机Y-?降压启动、能耗制动的继电器控制 ....................... 9 3.3.2三相异步电动机ㄚ-?降压启动、能耗制动PLC控制 ............................ 10 3.4三相异步电动机使用PLC控制优缺点 ....................................................... 15 4 结论 .......................................................................................................... 16 参考文献 .................................................................................................................... 17 II 1 引言 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使用的更为普遍。 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，使其具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。 本文应用西门子系列s7-200PLC对直流剃车三相感应电动机星三角启动控制程序设计的控制要求是: ?NFB ON时，停止运转指示灯PL4亮; ?按PB2时电动机Y型启动:MC1、MC3动作，PL4熄灭，PL1闪烁8后，转为三角形运转; ?按PB1时，直流刹车动作:MC4、PL2动作，PL4闪烁3s后，直流刹车复位，电动机停止，PL4亮; ?热继电器动作同时，BZ响PL3闪烁; ?热继电器复位后，BZ响，PL3熄灭，恢复正常操作状态。 3 2 系统总体方案设计 2.1 系统硬件配置及组成原理 目前，各个厂家生产的PLC其品种、规格及功能都各不相同。本文设计系统共包括7路开关量，3输入4输出，考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。由于本设计的需要我选择了德国西门子公司的S7-200系列PLC，该系列适用于小型控制系统，它具有以下三个优点: 1)丰富的指令系统。 ( (2)有强大通信功能。 (3)CPU处理速度快。 2.1.1 PLC与继电器控制的区别 1.控制方式 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。 2.控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。 3.延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。 2.1.2 PLC的工作原理 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映象区中的相应得单元内。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 4 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。 即，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。 2.1.3 PLC的应用分类 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、轻纺、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类。 1、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 、模拟量控制 2 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3、运动控制 5 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5、数据处理 现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6、通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 2.2 系统变量定义及分配表 本文设计PLC采用西门子公司PLC产品S7-200系列CPU224 AC/DC/Relay。根据实际使用运行要求和安装调试的方便将输入和输出口分组，根据继电器启停控制的原理其I/O地址分配表如表2.1所示。 6 表2.1 异步电动机ㄚ-?减压启动、能耗制动PLC控制I/O地址分配表 输入 输出 输入元件 输入地址 输出元件 输出地址 NFB I0.0 BZ Q0.0 PB1 I0.1 PL1 Q0.1 PB2 I0.2 PL2 Q0.2 FR I0.3 PL3 Q0.3 PL4 Q0.4 MC1 Q0.5 MC2 Q0.6 MC3 Q0.7 MC4 Q1.0 2.3 系统接线图 直流剃车三相感应电动机星三角启动控制系统PLC控制I/O接线图如图2.1所示。 图2.1 三相异步电动机减压启动、能耗制动的I/O接线图 7 3 直流剃车三相感应电机星三角启动控制系统设计 3.1直流剃车控制系统流程图设计 根据控制要求设计系统流程图如下所示 启动 PB2 电动机Y型 启动 PL1闪烁8S 电动机?运行 是 热继电器动作 PB1 直流刹车动作且BZ响 直流刹车动作 是否复位 PL4闪烁3S 否 电动机停止 图3.1 系统流程图 8 3.2直流剃车控制系统控制程序时序图设计 根据PLC的结构化编程思想，规划出程序的总体结构，如下所示 I0.0 PL4亮 M0.0 I0.2 Y-?子程序 SBR-0 I0.1 直流刹车子程序 SBR-1 M2.0 INT-0 图3.2 控制程序时序图 3.3直流剃车控制程序设计思路 异步电动机有两种直接起动方法:直接起动和降压起动。直接启动即启动时把电动机直接接入电网，加上额定电压，一般来说，电动机的容量不大于直接供电变压器容量的20,-30,时，都可以直接启动。直接起动简单、经济，一般容量小于10KV的电动机常用直接起动。 电机容量较大时应采用降压起动以限制起动电流，常用的降压起动方法有Y—?降压起动、自耦变压器降压起动和定子串电阻降压起动等。星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。本文研究了电机容量较大时的星形-三角形降压起停控制方法。 3.3.1 三相异步电动机Y-?降压启动、能耗制动的继电器控制 星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接 9 法。 电动机脱离三相电源的同时，给定子绕组接入一直流电源，使直流电流通入定子绕组。于是在电动机中便产生一方向恒定的磁场，使转子受一与转子转动方向相反的F力的作用，于是产生制动转矩，实现制动。直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.5—1倍。由于这种方法是用消耗转子的动能(转换为电能)来进行制动的，所以称为能耗制动。这种制动能量消耗小，制动准确而平稳，无冲击，但需要直流电流。在有些机床中采用这种制动方法。 下图3.1中主电路通过三组接触器主触点将电动机的定子绕组接成三角形或星形，即KM1、KMY主触点闭合时，绕组接成星形;KM1、KM?主触点闭合时，接为三角形;KM2主触点闭合时定子绕组通过变压器TC接入一直流电源，转子 的作用，产生能耗制动使电机停止。 受到反方向力 3.3.2三相异步电动机ㄚ-?降压启动、能耗制动PLC控制 星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。由电工基础知识可知，星形连接时起动电流仅为三角形连接时的1/?3，相应的起动转矩也是三角形连接时的1/3。 用PLC改造三相异步电动机减压起动继电接触器控制系统，根据原有的继电接触器电路图来设计梯形图是一条简便实用的办法。原有的三相异步电动机减压起动继电接触器控制系统，已经证明能完成系统要求的各种功能。继电接触器控制电路图和PLC程序控制梯形图有许多相似的地方，按照梯形图语言设计规定和对应关系可以将继电接触器电路图方便地“翻译”成梯形图控制程序，用PLC的外部硬接线和梯形图软件来实现继电接触器电路图的控制功能。 三相异步电动机减压启动、能耗制动PLC梯形图如下图所示。该段程序包括主程序，两个子程序和一个中断程序，主程序用来构建整体控制架构，调用子程序和中断程序。两个子程序分别用来启动电机和对其进行刹车，当热继电器动作时 调用中断程序。 10 图3.3 主程序 主程序规划了控制系统的程序总体结构，PLC不停的循环扫描主程序，主程序根据条件调用相应的子程序和中断程序。启动的时候，调用子程序SBR-0，当需要刹车的时候，调用子程序SBR-1，当在运行过程中由于电流过大或电机过载等原因，使热继电器动作时，调用中断程序，起到保护电机的作用。 11 图3.4 子程序一(启动) 该子程序是根据Y-?启动的要求编制的，运用定时器指令，在启动时将电路进行切换，防止电机启动时的电流冲击，使电机安全平稳的启动。 12 图3.5 子程序二(刹车) 该子程序在直流刹车时被主程序调用，通过接通MC4对电机进行能耗制动，同样用到定时器指令，使电机迅速停机。 13 图3.6 中断程序 当热继电器动作时，产生中断，主程序调用该程序，中断程序可以在任何时刻执行(前提是满足中断条件)，这就保证了中断的快速性和设计的可靠性。在中断程序中又调用了子程序SBR-1，进行直流刹车，当中断条件不满足，禁止中断，系统恢复正常运行。 14 3.4三相异步电动机使用PLC控制优缺点 本次设计就对三相异步电动机的ㄚ-Δ的起动方式、能耗制动系统进行了设计。ㄚ-Δ的起动方式弥补了直接启动不能再大功率电路中使用的缺点，同时能减小起动电流，能减小对机械设备的冲击，待转速上升到接近额定转速时，再恢复到全压运行。此方法只能用于正常工作时定子绕组为三角形联接的电动机。这种换接起动可采用星三角起动器来实现。星三角起动器体积小、成本低、寿命长、动作可靠。而能耗制动消耗小，制动准确而平稳，无冲击，但需要直流电流。在有些机床中采用这种制动方法。 使用PLC控制三相异步电动机有很多好处:不宜老化、设备简单、结构合理、便于控制、价格便宜等。 15 4 结论 本文设计和制作了三相异步电动机的PLC控制系统，该控制系统主要以三相异步电机的减压起动、正反转、反接制动为主要研究对象，通过对他们的继电器控制电路的研究，从而分析使用PLC对他们进行自动控制。在减压起动中，只介绍了异步电动机的ㄚ-Δ的起动方式，一般容量小于10KV的电动机常用直接起动。在停止方式上，介绍了能耗制动方式，有时为了减小起动是对机械设备的冲击，对允许直接起动的电动机也采用减压起动，其方法还有定子绕组串电阻、延边三角形和自耦变压器起动等。但以上几种减压起动方式一般只用于空载或轻载起动。在大型设备中，多台电动机拖动的设备上，常需要电动机按先后顺序工作，通过对三相异步电动机的正反转PLC控制学习后，对研究两台电动机顺序起动控制有了一定的经验。 通过概述使大家充分了解了该控制系统的原理与功能。介绍三相异步电动机的PLC控制的设计原理，从对三相异步电动机的PLC控制现象中发现了存在许多问题，通过对系统的检测来判断程序的是否可用，并且从数学角度分析了PLC与三相异步电动机控制的关系。 通过本次电路的设计，我对三相异步电动机的PLC控制系统原理有了进一步的了解，在三相异步电动机的PLC控制分析中产生了浓厚的兴趣，提高了本人对PLC的分析和运用能力，由于本人水平有限，对其中的原理和实际操作方法有待深入的学习研究和提高。 16 参考文献 [1] 黄净.电气控制与可编程序控制器. 北京:机械工业出版社.2009.8 [2] 廖常初. S7-300/400 PLC应用技术(第2版)[M]. 北京:机械工业出版社.2008 ). 北京:化学工业出版社.2009 [3]张万忠 刘明芹.电器与PLC控制技术(第2版 [4] 邓则名 邝穗芳.电器与可编程控制器应用技术.北京:机械工业出版社 [5] 西门子S7-200编程手册. 德国西门子公司技术手册. [6]杨后川 张瑞.西门子S7-200 PLC应用100例. 北京:电子工业出版社.2009 刘锦波 张承慧.电机与拖动. 北京:清华大学出版社.2006 [7] [8]袁清萍.电机拖动与PLC技术. 合肥工业大学出版社.2009 17 附录:源程序。 主程序: Network1 (启动) LD I0.0 = M0.0 Network2 (启动Q0.0) LD M0.0 AN M0.2 = Q0.4 Network3 (调用子程序0) LD I0.2 = SBR_0 Network4 (调用子程序1) LD I0.0 = SBR_1 Network5 (调用中断程序) LD M0.0 = ATCH 6 = ENI Network6 LD M0.0 A I0.3 ED = DISI 18 子程序0: Network1 (启动) LD SM0.0 = M0.1 Network2 (启动Q0.5) LD M0.1 = Q0.5 = QM0.2 Network3 (启动Q0.1) LD M0.1 AN M0.3 A SM0.5 = Q0.1 TON T37，+80 = Q0.1 Network4 (启动标志位M0.3) LD T37 = M0.3 Network5 (启动Q0.6 Q0.7 Q0.1) LD M0.3 = Q0.6 = Q0.7 = Q0.1 19 子程序1: (启动) Network1 LD SM0.1 = M0.4 Network2 (启动Q1.0 Q0.2) LD M0.4 = Q1.0 = Q0.2 = M0.5 Network3 LD M0.5 AN M0.6 A SM0.5 TON T38, +30 Network4 (启动标志位M0.6) LD T38 = M0.6 Network5 (启动Q0.4) LD M0.6 = Q0.4 20 中断程序: Network1 (启动) LDSM0.0 =M1.0 Network2 (中断子程序0) LDM1.0 =SBR_0 ) Network (中断子程序1LDM1.0 =Q0.0 ASM0.5 =Q0.3 21