PLC課程設(shè)計-三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動

1、三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動目 錄摘要1關(guān)鍵詞11 關(guān)于PLC21.1概述21.2 PLC的系統(tǒng)組成22 S7-200簡介 32.1 概述32.2 組成33 三相異步電動機的工作原理和結(jié)構(gòu)組成33.1 工作原理33.2 結(jié)構(gòu)組成43.2.1 定子43.2.2 轉(zhuǎn)子43.2.3 氣隙43.3 異步電動機的結(jié)構(gòu)特點53.4 轉(zhuǎn)子串電阻啟動的原理53.5 啟動電阻的使用原則54 課程設(shè)計的目的55 主接線圖65.1三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動主接線圖65.2繞線式的作用以及優(yōu)缺點66 硬件系統(tǒng)的設(shè)置66.1 資源配置66.2 PLC接線圖77 主程序設(shè)置77.1 主程序梯形圖77.2 工作過程分析9

2、8模擬軟件上仿真動作與實驗面板上調(diào)試演示結(jié)果109課程設(shè)計總結(jié)11參考文獻12三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動指導(dǎo)教師 摘要：PLC在三相異步電機控制中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、靈活性強、功能完善等優(yōu)點。長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。它能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。本文設(shè)計了三相異步電動機的PLC控制電路，該電路主要以性能穩(wěn)定、簡單實用為目的。關(guān)鍵詞：PLC；編程語言；三相異步電機；繼電器Three-phase Asynchronous

3、 Motor Rotor String Resistance StartStudent majoring in Automation Liu Tong Tutor Zhou Jing LeiAbstract：PLC in three-phase asynchronous motor control application, compared with the traditional relay control, has control of speed, high reliability and flexibility, the perfect function etc. Long-term

4、since, PLC is always in the industrial automation control field, igge for various automatic control equipment provides a very reliable control applications. It can provide security for automation control application reliable and comparatively perfect solutions, suitable for the current industrial en

5、terprise of automation needs. This paper introduces the design of three-phase asynchronous motor, the PLC control circuit, this circuit mainly stable performance, simple and practical for the purpose. Key words: PLC；programming languages,；three-phase asynchronous motor,；relays1 關(guān)于PLC1

6、.1 概述20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機發(fā)展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)8

7、0年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編 程控制器已步入成熟階段。20世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套

8、更加容易。PLC是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現(xiàn)控制，而主要靠運行存儲于PLC內(nèi)存中的程序，進行入出信息變換實現(xiàn)控制。PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的輸入輸出，只要人機界面好就可以了。而PLC則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問題?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。它采用了可編程序的儲存器，用來在其內(nèi)部儲存邏輯運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令

9、并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。應(yīng)該強調(diào)的是，PLC機械式的順序控制器在“可編程”方面有著質(zhì)的區(qū)別。由于PLC引入了微處理機及半導(dǎo)體儲存器等新一代電子器件，并用規(guī)定的指令進行編程，所以能靈活的修改程序即它是用軟件方式來實現(xiàn)“可編程”的目的。1.2 PLC的系統(tǒng)組成中央處理單元（CPU）：中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集中成在一個芯片內(nèi)。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與儲存單元、輸入/輸出接口電路相連接。儲存器：PLC使用的儲存器類型有三種：只讀

10、儲存器（ROM）、隨機存取存儲器（RAM）和可電擦除可編程的只讀儲存器（EEPROM）。輸入/輸出單元：輸入/輸出單元包含兩部分：一部分是與被控設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。電源部分：PLC一般使用220V的交流電源或24V的直流電源。擴展接口：擴展接口用于將擴展單元或功能模塊與基本單元相連。通信接口：有些PLC配有一定的通信接口以完成人機對話。編程設(shè)備：現(xiàn)在的PLC廠家不再提供編程器轉(zhuǎn)而給用戶提供配置在PC上運行的編程軟件。其他部件：需要時PLC可配有儲存器卡、電池卡等。2 S7-200簡介2.1 概述S7-200 自成一體：別緊湊但是具有驚人的能力特別是有關(guān)它的實

11、時性能它速度快，功能強大的通訊方案，并且具有操作簡便的硬件和軟件。但是還有更多特點： S7-200 PLC具有統(tǒng)一的模塊化設(shè)計目前不是很大，但是未來不可限量的定制解決方案。這一切都使得S7-200 PLC在一個緊湊的性能范圍內(nèi)為自動化控制提供一個非常有效和經(jīng)濟的解決方案。2.2 組成基本單元：S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用擴展單元：S7-200系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數(shù).編程器：PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)

12、試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現(xiàn)場編程及監(jiān)測工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實現(xiàn)在線監(jiān)測，非常直觀，且功能強大，S7-200系列PLC的專用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。3 三相異步電機的工作原理和結(jié)構(gòu)組成 3.1  工作原理 三相對稱繞組，接通三相對稱電源，流過三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場（電生磁），切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，感

13、應(yīng)電勢和電流（磁變生電），載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩（電磁生力），使轉(zhuǎn)子朝著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。 3.2  結(jié)構(gòu)組成 三相異步電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子、氣隙三部分組成。 3.2.1 定子 三相異步電動機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。 定子鐵心是異步電動機主磁通磁路的一部分。為了使異步電動機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，希望有一個較強的旋轉(zhuǎn)磁場，同時由于旋轉(zhuǎn)磁場對定子鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定子鐵心中的磁通的大小與方向都是變化的，必須設(shè)法減少由旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵心中所引起的渦流損耗和磁滯損耗，因此，定子鐵心由導(dǎo)磁性能較好的0

14、.5mm厚且沖有一定槽形的硅鋼片疊壓而成。對于容量較大(10kW以上)的電動機，在硅鋼片兩面涂以絕緣漆，作為片間絕緣之用。定子鐵心上的槽形通常有三種半閉口槽，半開口槽及開口槽。從提高電動機的效率和功率因數(shù)來看，半閉口槽最好。 定子繞組是異步電機定子部分的電路，它也是由許多線圈按一定規(guī)律聯(lián)接面成。能分散嵌入半閉口槽的線圈由高強度漆包圓銅線或圓鋁線繞成，放入半開口槽的成型線圈用高強度漆包扁沿線或扁銅線，或用玻璃絲包扁銅線繞成。開口槽也放入成型線圈，其絕緣通常采用云母帶，線圈放入槽內(nèi)必須與槽壁之間隔有“槽絕緣”，以免電機在運行時繞組對鐵心出現(xiàn)擊穿或短路故障。一般根據(jù)定子繞組在槽內(nèi)布置的情況

15、，有單層繞組及雙層繞組兩種基本型型。容量較大的異步電動機都采用雙層繞組。雙層繞組在每槽內(nèi)的導(dǎo)線分上下兩層放置，上下層線圈邊之間需要用層間絕緣隔開。小容量異步電動機常采用單層繞組。槽內(nèi)定子繞組的導(dǎo)線用槽楔緊固。槽楔常用的材料是竹、膠布板或環(huán)氧玻璃布板等非磁性材料。 機座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。中小型異步電動機一般都采用鑄鐵機坐，并根據(jù)不同的冷卻方式而采用不同的機座型式。例如小型封閉式電動機、電機中損耗變成的熱量全都要通過機座散出。為了加強散熱能力，在機座的外表面有很多均勻分布的散熱筋，以增大散熱面積。對于大中型異步電動機，一般采用鋼板焊接的機座。 3.2.2 轉(zhuǎn)子 異

16、步電動機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是電動機主磁通磁路的一部分，一般也由0.5毫米厚沖槽的硅鋼片疊成，鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。整個轉(zhuǎn)子鐵心的外表面成圓柱形。轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩種結(jié)構(gòu)，在以下文章中將分別說明這兩種繞組結(jié)形式特點。3.2.3 氣隙 異步電動機定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是很小的，中小型電機般為0.22mm。氣隙的大小與異步電動機的性能關(guān)系極大。氣隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大時，產(chǎn)生同樣大小的旋轉(zhuǎn)磁場就需要較大的勵磁電流。勵磁電流是無功電流(與變壓器中的情況一樣)，該電流增大會使電機的功率因數(shù)變壞。然而，磁阻大可以減少氣隙磁場中的諧波含量，從而可減少附加損耗，且改

17、善起動性能。氣隙過小，會使裝配困難和運轉(zhuǎn)不安全。如何決定氣隙大小，應(yīng)權(quán)衡利弊，全面考慮。一般異步電動機的氣隙以較小為宜。 異步電動機主要分為籠型（又稱為鼠籠型）和繞線型。雖然我們主要介紹繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動，但我們還是先了解一下鼠籠型電機啟動的優(yōu)點和局限，以方便和繞線形電動機進行性能比較。3.3 異步電動機的結(jié)構(gòu)特點 繞線型繞組是一個對稱三相繞組，這個對稱三相繞組接成星形，并接到轉(zhuǎn)軸上三個集電環(huán)，再通過電刷使轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通。這種轉(zhuǎn)子的特點是，通過集電環(huán)和電刷可在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻或其它控制裝置，以便改善電動機的起動性能或調(diào)速特性。為了減小電刷的磨損與摩擦損耗，中等

18、容量以上的異步電動機還裝有一種提刷短路裝置。這種裝置當(dāng)電動機起動以后而又不需要調(diào)節(jié)速度時，移動其手柄，可使電刷提起，與集電環(huán)脫離接觸，同時使三只集電環(huán)彼此短接起來。3.4 轉(zhuǎn)子串電阻啟動的原理 異步電動機轉(zhuǎn)子串三相對稱電阻啟動時，一般采用分級切除啟動電阻的方法。這是因為隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增高，轉(zhuǎn)子電流、電機轉(zhuǎn)矩將逐漸降低。為了充分利用電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)當(dāng)隨著轉(zhuǎn)速的增高，逐漸減少轉(zhuǎn)子回路電阻，使電動機維持較高的啟動電流和轉(zhuǎn)矩。由式（1）可以看出，若使轉(zhuǎn)子回路電阻2R與轉(zhuǎn)差率s成正比例減少，則電動機在加速過程中可以獲得恒定的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩。 3.5 啟動電阻的使用原則

19、0;目前國內(nèi)廣泛使用的啟動電阻是金屬電阻，它是由一箱電阻片構(gòu)成的。電阻值的改變是靠開關(guān)電器將金屬電阻一段段的短接來實現(xiàn)的，所以電阻值的變化不連續(xù)，有級。每短接一段，啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩便突變一次。啟動電阻分級數(shù)越少，則在啟動過程中沒次短接電阻所引起的啟動電流沖擊幅度就大，軸上轉(zhuǎn)矩的突變也大。從啟動電流對供電電網(wǎng)的沖擊和機械的受力考慮，啟動電阻的分級數(shù)目不能太少，一般為58級。對容量較大的電動機，啟動電阻分級要多些。 對于功率較小的電動機可采用一般三相變阻器或油浸啟動變阻器，對于功率較大的電動機則采用小電阻。4 課程設(shè)計的目的掌握可編程控制器程序的應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控、運行方法。進一步熟

20、悉常用設(shè)備、元器件的類型和特征，并掌握合理運用原則和使用方法。培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。借助課程設(shè)計中的對三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動PLC設(shè)計，提高和掌握可編程序控制器的各種實際應(yīng)用的能力。綜合運用所學(xué)的理論知識獨立完成一個課題，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決實際問題的能力,學(xué)會撰寫課程設(shè)計總結(jié)報告。5 主接線圖5.1 三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動主接線圖圖5-1 三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動主接線圖5.2 繞線式的作用以及優(yōu)缺點三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串接電阻，一方面可以減小起動電流，另一方面可以增加最初起動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)串入某一合適電阻時，還能使電動機以它的最大轉(zhuǎn)矩T起動。當(dāng)然，所串聯(lián)的電

21、阻超過一定數(shù)值后，最初起動轉(zhuǎn)矩反而會減小。由于繞線異步電動機的轉(zhuǎn)子串聯(lián)合適的電阻，不但可以減少起動電流，而且可以增大起動轉(zhuǎn)矩，因而，要求起動的轉(zhuǎn)矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常用繞線型異步電動機。 轉(zhuǎn)子回路串三相對稱可變電阻起動，這種方法既可限制起動電流，又可增大起動轉(zhuǎn)矩，串接電阻值取得適當(dāng)，還可使起動轉(zhuǎn)矩接近最大轉(zhuǎn)矩起動，適當(dāng)增大串接電阻的功率，使起動電阻兼作調(diào)速電阻，一物兩用，適用于要求起動轉(zhuǎn)矩大，并有調(diào)速要求的負(fù)載。缺點：多級調(diào)速控制電路較復(fù)雜，電阻耗能大。6 硬件系統(tǒng)的設(shè)置6.1 資源配置采用PLC改造三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動繼電接觸器控制系統(tǒng)，PLC的輸入信號主要有2個：啟動按鈕SB

22、1和停止按鈕SB2。輸出信號主要有4個：主接觸器控制三相繞線式電動機M接通三相電源運行，接觸器KM1用于控制第一組電阻Rl的切除，接觸器KM2用于控制第二組電阻R2的切除，接觸器KM3用于控制第三組電阻R3的切除。3個時間繼電器功能可以用PLC內(nèi)部定時器實現(xiàn)。根據(jù)控制要求，對PLC的輸入量、輸出量進行分配情況如表6-1所示：表6-1 資源配置表輸入輸出輸入元件名稱輸入地址輸出元件名稱輸出地址SB1啟動按鈕I0.0KM4接觸器Q0.0SB2停止按鈕I0.1KM1接觸器Q0.1FR熱繼電器I0.2KM2接觸器Q0.2KM3接觸器Q0.36.2 PLC接線圖圖6-1 PLC輸入輸出接線圖7 主程序設(shè)

23、計7.1 主程序梯形圖用PLC改造三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動繼電接觸器控制系統(tǒng)，根據(jù)原有的繼電接觸器電路圖來設(shè)計梯形圖是一條簡便實用的辦法。原有的異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動控制電路經(jīng)過長期使用和考驗，已經(jīng)證明能完成系統(tǒng)要求的各種功能?？刂齐娐穲D和PLC程序控制梯形圖有許多相似的地方，按照梯形圖語言設(shè)計規(guī)定和對應(yīng)關(guān)系可以將繼電接觸器電路圖方便地“翻譯”成梯形圖控制程序，用PLC的外部硬接線和梯形圖軟件來實現(xiàn)繼電接觸器電路圖的控制功能。三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動控制PLC梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器、定時器等，都是由軟件來實現(xiàn)的，使用方便，修改靈活，是原繼電接觸器控制線路硬接線無法比擬的。根據(jù)流程圖

24、和順序功能圖編寫梯形圖，如下：7.2 工作過程分析啟動：按啟動按鈕SB1，輸入繼電器：I0.1接通動合觸點閉合，輸出繼電器Q0.0通，接觸器KM4線圈得電，主觸頭閉合接通三相電源，繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻(Rl+R2+R3)啟動，同時定時器T1線圈得電，開始延時，時間設(shè)定為3S。3s后，定時器T1常開觸點閉合，輸出繼電器。Q0.1接通，接觸器KM 1吸合，主觸頭閉合，切除第一組電阻Rl，電動機串接(R2+R3)電阻繼承啟動，同時定時器線圈T2得電，時間設(shè)定為1s。ls后，定時器T2常開觸點閉合，輸出繼電器Q0.2接通，接觸器KM2吸合，主觸頭閉合，切除第二組電阻R2，電動機串接R3電阻繼承啟

25、動，同時定時器線圈T3得電，時間設(shè)定為1 s。ls后，定時器T3常開觸點閉合，輸出繼電器Q0.3接通，接觸器KM3吸合，主觸頭閉合，切除第三組電阻R3，同Q0.3常閉觸頭斷開，定時器線圈T1、T2、T3和輸出繼電器Y1、Y2失電。累計啟動5s，三相繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子所串3組電阻全部切除，電動機M結(jié)束啟動狀態(tài)，進入正常運行狀態(tài)。停車：按停止按鈕SB2，輸出繼電器Q0.0失電，接觸器KM失電，主觸頭斷開，電機作自由停車運行。輸出繼電器線圈Q0.0失電，常開觸點Q0.0復(fù)位，輸出繼電器Y003失電，常開觸點Q0.3復(fù)位，3組電阻(R1+R2+R3)恢復(fù)與三相繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串接，為下次啟動做好

26、準(zhǔn)備。過載保護：當(dāng)電動機過載時，熱過載保護繼電器FR的動斷觸點斷開，接觸器KM4、KM1、KM2、KM3均斷電，電動機M也停車。把輸出繼電器Q0.1、Q0.2和Q0.3閉觸點與輸入繼電器I0.1常開觸點串聯(lián)，如果輸出繼電器Q0.1、Q0.2和Q0.3線圈得電，接觸器KM4、KM2、KM3中任何一個觸頭沒有釋放恢復(fù)閉合時，按下啟動按鈕SB1，輸出繼電器Q0.0和接觸器KM4線圈不能得電，KM4主觸頭不能閉合，電動機M就不能接通電源直接啟動，保證了三相繞線式電動機只在轉(zhuǎn)子繞組中接入全部啟動電阻(RI+R2+R3)的條件下才能啟動。8 模擬軟件上仿真動作與實驗面板上調(diào)試演示結(jié)果先通過外部接線圖接好導(dǎo)線，把編號的程序輸進聯(lián)機電腦中并與PLC機通訊，調(diào)試時先從各功能單元入手，設(shè)定輸入信號，觀察輸出信號的變化情況。各功能單元調(diào)試完成后，再調(diào)試全部程序，調(diào)試各部分的接口情況，直到滿意為止。從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負(fù)載等逐步進行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、