1、吉林化工學院信控學院專業綜合設計說明書三相交流電動機plc控制系統設計學生學號： 學生姓名： 專業班級： 指導教師： 職 稱： 講師 起止日期： 2013.08.262013.09.13吉林化工學院jilin institute of chemical technology專業綜合設計任務書一、設計題目：三相交流電動機plc控制系統設計二、設計目的:1.理解三相鼠籠式異步機plc控制系統基本原理；2.掌握主電路和控制電路的各電氣器件功能及應用；3繪制電氣原理圖和接線圖；4. 應用s7200編程方法實現。三、設計任務及要求1設計三相鼠籠式異步機plc控制系統硬件電路；2autocad繪制原理圖和

2、接線圖；3用plc編程實現；4實現三相異步電動機正反轉控制、星角啟動控制及點動控制；5撰寫設計說明書。四、設計時間及進度安排設計時間共三周,具體安排如下表：周次設 計 內 容設計時間第一周依據三相鼠籠式異步電動機正反轉、啟動控制原理和s7200使用方法，查找相關資料。設計控制系統的電路圖和接線圖。2013.8.26-2013.8.30第二周完成硬件焊接及軟件編程。2013.9.2-2013.9.6第三周完成系統調試，編寫設計說明書。提交作品及設計說明書，評定專業綜合設計成績。2013.9.9- 2013.9.13五、指導教師評語及學生成績指導教師評語:2013年 9 月 15 日成績指導教師(

3、簽字):目 錄專業綜合設計任務書i第1章 緒論1第2章 方案選擇22.1 控制方案選擇22.1 電機啟動方式選擇3第3章 硬件電路設計53.1 主電路設計53.2 控制電路設計63.3 plc系統電源設計73.4 主電路主要器件介紹73.4.1 斷路器介紹73.4.2 交流接觸器介紹83.4.3 熱繼電器介紹83.4.4 中間繼電器介紹93.4.5 熔斷器介紹10第4章 系統軟件設計114.1 系統軟件介紹114.2 軟件i/o點表介紹124.3 plc程序分析12結 論17參考文獻18第1章 緒論三相交流電動機在我國現代工農業生產中應用廣泛，為社會的發展、進步提供了極大便利。但是，大功率電動

4、機如果在電源變壓器容量不夠大的情況下直接啟動，由于異步電動機起動電流大，會使電源變壓器輸出電壓大幅下降，不僅減小電動機本身的啟動轉矩，還會影響同一供電網中其他設備的正常工作。因此，較大功率的電動機需要采取降壓啟動。對大功率電動機的空載和輕載起動來說，y/換接起動是目前應用最成熟的降壓啟動方法。y/換接啟動是指電動機啟動時，把定子繞組接成星形，以降低啟動電壓，限制啟動電流；待電動機啟動后，再把定子繞組改接成三角形，使電動機從現在起運行。凡是在正常運行時定子繞組做成三角形連接的異步電動機，均可用這種降壓方法。電動機啟動時，接成y形，加在每相定子繞組上的啟動電壓只有三角形接法的，啟動電流為三角形接法

5、的1/3，啟動轉矩也只有三角形接法的1/3。繼電接觸器控制系統在三相交流電機控制上曾得到廣泛應用，但由于它的機械觸點多、接線復雜、可靠性低、功耗高，并當生產工藝流程改變時需重新設計和改裝控制線路，通用性和靈活性也就較差，因此日益滿足不了現代化生產過程復雜多變的控制要求。而可編程控制器將繼電接觸器控制的優點與計算機技術相結合，用“軟件編程”代替繼電接觸器控制的“硬件接線”。當系統功能需要改變時，只需變更少量外部接線，主要通過修改相應的控制程序即可。本設計以plc為三相交流電動機的控制系統，結合按鍵實現交流電機的正轉、反轉和點動控制。并且使交流電機能夠進行星形啟動，角形運行。第2章 方案選擇2.1

6、 控制方案選擇可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲和執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作命令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都按易于與工業系統聯成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。可編程序控制器是應用面最廣、功能強大、使用方便的通用工業控制裝置，自研制成功開始使用以來，它已經成為了當代工業自動化的主要支柱之一。plc由cpu，存儲器、i/0接口、內嵌的精簡高效操作系統組成。用戶可以根據自己的需要配置（擴展）自己的i/0(輸入、輸出)的類型及

7、數量，用戶按自己的控制需求編寫控制程序下載到plc的存儲器內，plc在運行的時候，plc內的操作系統能運行用戶的程序，根據用戶程序通過輸入端子完成輸入信號（開關、觸點、傳感器等）的讀取，并進行處理運算，把運算處理的結果輸出到輸出端子，以控制用戶的執行機構（閥門、線圈、指示燈等）。從而完成用戶所需的控制功能。綜上所述，由于plc可編程控制器在三相異步電機控制中的應用中，與傳統的繼電器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、靈活性強、功能完善等優點，利用plc代替普通繼電器電路也更為方便和可靠，解決上述問題也更為容易。因此本設計以西門子s7-200 plc為主體實現對三相異步電動機電動機的啟動和運行的

8、控制。在本設計中，利用plc實現對三相異步電機正反轉控制、星角啟動控制及點動控制等。這些功能由外設的按鍵輸入，plc采集按鍵信息，根據輸入信息要求輸出相應數字量去控制交流電機，plc輸出點與主電路隔離，避免損壞plc控制系統。在此系統中，plc控制系統采用24v直流電源供電，交流電機采用220v交流電源供電。三相交流電動機plc控制系統結構框圖如圖1-1所示。圖1-1 plc控制系統結構框圖2.1 電機啟動方式選擇1全壓啟動起動時通過一些直接起動設備，將全部電源電壓(即全壓)直接加到異步電動機的定子繞組，使電動機在額定電壓下進行起動。一般情況下，直接起動時起動電流為額定電流的38倍，起動轉矩為

9、額定轉矩的12倍。根據對國產電動機實際測量，某些籠型異步電動機起動電流甚至可以達到812倍。直接起動的起動線路是最簡單的，然而這種起動方法有諸多不足。對于需要頻繁起動的電動機，過大的起動電流會造成電動機的發熱，縮短電動機的使用壽命；同時電動機繞組在電動力的作用下，會發生變形，可能引起短路進而燒毀電動機；另外過大的起動電流，會使線路電壓降增大，造成電網電壓的顯著下降，從而影響同一電網的其他設備的正常工作，有時甚至使它們停下來或無法帶負載起動。2降壓啟動減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，待起動后，再把電壓恢復到額定值。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是同時起動轉矩也會減小。因此，減壓起動方

10、法一般只適用于輕載或空載情況。傳統減壓起動的具體方法很多，這里介紹以下三種減壓起動的方法：(1)定子串接電阻或電抗起動定子繞組串電阻或電抗相當于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動機的等效電路可知：起動電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗可以達到減小起動電流的目的。但考慮到起動轉矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動轉矩會降低的更多。因此，這種起動方法僅僅適用于空載或輕載起動場合。對于容量較小的異步電動機，一般采用定子繞組串電阻降壓；但對于容量較大的異步電動機，考慮到串接電阻會造成銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動。(2)星-三角形(丫-)起動星-三角形起動法是電動機起動時，定

11、子繞組為星形(丫)接法，當轉速上升至接近額定轉速時，將繞組切換為三角形()接法，使電動機轉為正常運行的一種起動方式。星-三角形起動方法雖然簡單，但電動機定子繞組的六個出線端都要引出來，略顯麻煩。定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電壓為三角形連接(全壓)時的l/3，故星-三角形起動時起動電流及起動轉矩均下降為直接起動的13。由于起動轉矩小，該方法只適合于輕載起動的場合。(3)自耦變壓器起動自耦變壓器起動法就是電動機起動時，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動機上，待轉速上升至接近額定轉速時，將自耦變壓器從電源切除，而使電動機直接接到電網上轉化為正常運行的一種起動方法。若自耦變壓器的變比為k，與直接

12、起動相比，采用自耦變壓器起動時，其一次側起動線電流和起動轉矩都降低到直接起動的lk2。自耦變壓器起動法不受電動機繞組接線方式(丫接法或接法)的限制，允許的起動電流和所需起動轉矩可通過改變抽頭進行選擇，但設備費用較高。自耦變壓器起動適用于容量較大的低壓電動機作減壓起動用，應用非常廣泛，有手動及自動控制線路。其優點是電壓抽頭可供不同負載起動時選擇；缺點是質量大、體積大、價格高、維護檢修費用高。3軟啟動軟起動可分為有級和無級兩類，前者的調節是分檔的，后者的調節是連續的。在電動機定子回路中，通過串入限流作用的電力器件實現軟起動，叫做降壓或者限流軟起動。它是軟起動中的一個重要類別。按限流器件不同可分為：

13、以電解液限流的液阻軟起動；以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動。綜上所述并結合實際情況，本設計選擇星-三角形起動。按下啟動按鈕，交流電機進入星形啟動狀態，5秒之后斷開星形啟動，進入0.5秒的延時，此延時的目的是防止繼電器動作不一致，造成三相交流電短路。延時過后，交流電機正式進入三角形運行狀態。第3章 硬件電路設計3.1 主電路設計主電路主要由斷路器、熔斷器、繼電器、交流接觸器和熱繼電器構成。三相交流電機主電路圖如圖3-1所示。圖3-1 三相交流電動機主電路圖電動機運行的主電路分析如下：1.正向星型啟動：(1)合上三相單刀開關ks與斷路器qf接通三相電源。(2)

14、由控制電路使km1與km4通電，電機正向星形啟動。2.正向角型運行：(1)合上三相單刀開關ks及斷路器qf接通三相電源。(2)由控制電路使km1與km3通電，電機由正向星形啟動轉換到正向角形運行。3.反向星型啟動：(1)合上三相單刀開關ks及斷路器qf接通三相電源。(2)由控制電路使km2與km4通電，電機反向星形啟動。4.反向角形運行：(1)合上三相單刀開關ks與空氣開關qf接通三相電源。(2)由控制電路按鈕使km2與km3通電，電機由反向星形啟動轉換到反向角形運行。5.電機由星型啟動進行反向運行故障現象預處理：(1)不啟動：原因之一，檢查控制保險fu是否斷路，熱繼電器fr接點是否用錯或接觸

15、不良，sb1按鈕的常閉接點是否不良。原因之二按鈕互鎖的接線有錯誤。(2)啟動時接觸器就不吸合：這是因為接觸器的常閉接點互鎖接線有錯誤，將互鎖接點接錯，啟動時常閉接點是通的接觸器線圈的電吸合，接觸器吸合后常閉接點又斷開，接觸器線圈又斷電釋放，釋放常閉接點又接通接觸器又吸合，接點又斷開，所以會出現接觸器不吸合現象。(3)不能夠自鎖，一抬手接觸器就斷開，這是因為自鎖接點接線有錯誤。3.2 控制電路設計本設計采用plc控制電路來控制三相交流電機的狀態。plc選擇西門子的s7-200系列的cpu224。在plc與主電路之間連接處需加中間繼電器，這樣可以隔離主電路與控制電路。plc使用24v直流電源供電。

16、sb1按鈕為正轉按鈕，sb2按鈕為停止按鈕，sb3按鈕為反轉按鈕，sb4按鈕為點動按鈕，sb5按鈕為點動方向選擇按鈕，sb6按鈕為異地正轉按鈕，sb7按鈕為異地停止按鈕，sb1按鈕為異地反轉按鈕。plc控制電路如圖3-2所示。圖3-2 plc控制電路圖3.3 plc系統電源設計由于plc使用24v直流電源供電。所以應制作一個24v直流電源， 在此系統中，利用lm317芯片把220v交流電變換為24v直流電。lm317是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路。lm317的輸出電壓范圍是1.2v至37v，負載電流最大為1.5a。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調

17、整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。lm317內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。plc系統電源設計如圖3-3所示。圖3-3 plc系統電源設計圖3.4 主電路主要器件介紹3.4.1 斷路器介紹斷路器一般由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、脫扣器、外殼等構成。當短路時，大電流產生的磁場克服反力彈簧，脫扣器拉動操作機構動作，開關瞬時跳閘。當過載時，電流變大，發熱量加劇，雙金屬片變形到一定程度推動機構動作。斷路器的作用是切斷和接通負荷電路，以及切斷故障電路，防止事故擴大，保證安全運行。低壓斷路器也稱為自動空氣開關，可用來接通和分斷負載電路，也可用來控制不頻繁起動的電動機。它功能相當于閘刀開關

18、、過電流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器及漏電保護器等電器部分或全部的功能總和，是低壓配電網中一種重要的保護電器。低壓斷路器的主觸點是靠手動操作或電動合閘的。主觸點閉合后，自由脫扣機構將主觸點鎖在合閘位置上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯。當電路發生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機構動作，主觸點斷開主電路。當電路過載時，熱脫扣器的熱元件發熱使雙金屬片上彎曲，推動自由脫扣機構動作。當電路欠電壓時，欠電壓脫扣器的銜鐵釋放。也使自由脫扣機構動作。分勵脫扣器則作為遠距離控制用，在正常工作時，其線圈是斷電的，在需要距離控制時，按下起動按鈕

19、，使線圈通電，銜鐵帶動自由脫扣機構動作，使主觸點斷開。本次設計采用的斷路器型號是dz47-d5。產品樣品圖如圖3-4所示。圖3-4 斷路器產品樣品圖3.4.2 交流接觸器介紹交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常閉功能的接點，小型的接觸器也經常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點，由銀鎢合金制成，具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。交流接觸器主要有四部分組成：（1）電磁系統，包括吸引線圈、動鐵芯和靜鐵芯。（2）觸頭系統，包括三組主觸頭和一至兩組常開，它和鐵芯是連在一起互相聯動的；（2）滅

20、弧裝置，一般容量較大的交流接觸器都設有滅弧裝置，以便迅速切斷電弧，免于燒壞主觸頭；（4）結緣外殼及附件，各種彈簧、傳動機構、短路環、接線柱等。本次設計采用的交流接觸器型號是cxj2-1210。產品樣品圖如圖3-5所示。3.4.3 熱繼電器介紹熱繼電器是用于電動機或其它電氣設備、電氣線路的過載保護的保護電器。電動機在實際運行中，如拖動生產機械進行工作過程中，若機械出現不正常的情況或電路異常使電動機遇到過載，則電動機轉速下降、繞組中的電流將增大，使電動機的繞組溫度升高。若過載電流不大且過載的時間較短，電動機繞組不超過允許溫升，這種過載是允許的。但若過載時間長，過載電流大，電動機繞組的溫升就會超過允

21、許值，使電動機繞組老化，縮短電動機的使用壽命，嚴重時甚至會使電動機繞組燒毀。所以，這種過載是電動機不能承受的。熱繼電器就是利用電流的熱效應原理，在出現電動機不能承受的過載時切斷電動機電路，為電動機提供過載保護的保護電器。使用熱繼電器對電動機進行過載保護時，將熱元件與電動機的定子繞組串聯，將熱繼電器的常閉觸頭串聯在交流接觸器的電磁線圈的控制電路中，并調節整定電流調節旋鈕，使人字形撥桿與推桿相距一適當距離。當電動機正常工作時，通過熱元件的電流即為電動機的額定電流，熱元件發熱，雙金屬片受熱后彎曲，使推桿剛好與人字形撥桿接觸，而又不能推動人字形撥桿。常閉觸頭處于閉合狀態，交流接觸器保持吸合，電動機正常

22、運行。若電動機出現過載情況，繞組中電流增大，通過熱繼電器元件中的電流增大使雙金屬片溫度升得更高，彎曲程度加大，推動人字形撥桿，人字形撥桿推動常閉觸頭，使觸頭斷開而斷開交流接觸器線圈電路，使接觸器釋放、切斷電動機的電源，電動機停車而得到保護。本次設計采用的熱繼電器型號是jr36-20。產品樣品圖如圖3-6所示。圖3-5 交流接觸器產品樣品圖圖3-6 熱繼電器產品樣品圖3.4.4 中間繼電器介紹繼電器是當輸入量滿足某些規定的條件就能在一個或多個電器輸出電路中產生躍變的一種器件，它在主電路與控制電路中起隔離作用。當繼電器線圈施加激勵量等于或大于其動作值時，銜鐵被吸向導磁體，同時銜鐵壓動觸點彈片，使觸

23、點接通、斷開或切換被控制的電路。當繼電器的線圈被斷電或激勵量降低到小于其返回值時，銜鐵和接觸片返回到原來位置。本次設計采用的中間繼電器型號是my2nj。產品樣品圖如圖3-7所示。圖3-7 中間繼電器產品樣品圖3.4.5 熔斷器介紹熔斷器根據使用電壓可分為高壓熔斷器和低壓熔斷器。根據保護對象可分為保護變壓器用和一般電氣設備用的熔斷器、保護電壓互感器的熔斷器、保護電力電容器的熔斷器、保護半導體元件的熔斷器、保護電動機的熔斷器和保護家用電器的熔斷器等。根據結構可分為敞開式、半封閉式、管式和噴射式熔斷器。此外，熔斷器根據分斷電流范圍還可分為一般用途熔斷器，后備熔斷器和全范圍熔斷器。一般用途熔斷器的分斷

24、電流范圍指從過載電流大于額定電流1.62倍起，到最大分斷電流的范圍。這種熔斷器主要用于保護電力變壓器和一般電氣設備。后備熔斷器的分斷電流范圍指從過載電流大于額定電流47倍起至最大分斷電流的范圍。這種熔斷器常與接觸器串聯使用，在過載電流小于額定電流47倍的范圍時，由接觸器來實現分斷保護。主要用于保護電動機。本設計采用的熔斷器型號是rt14-20a。產品樣品圖如圖3-8所示。圖3-8 熔斷器產品樣品圖第4章 系統軟件設計4.1 系統軟件介紹本設計以plc系統為三相交流電動機的控制系統，結合按鍵來實現交流電機的正轉、反轉和點動。并且使交流電機能夠進行星形啟動，角形運行。控制系統設置有八個按鍵，分別為

25、正轉、停止、反轉、點動、點動方向選擇、異地正轉、異地停止和異地反轉按鈕。異地正轉、異地停止、異地反轉按鈕功能與正轉、停止、反轉按鈕功能相同，兩者相結合能實現交流電機的異地控制，兩者之間沒有從屬關系。在按下啟動按鈕之后，交流電機先進行星形啟動，在5秒之后，轉入角形運行。程序中設有多個0.5秒的間隔，防止交流電機在星角轉換或正反切換時由于繼電器動作不一致而造成線路短路。程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 系統程序流程圖4.2 軟件i/o點表介紹在此系統中，plc軟件系統設置有八個輸入點，四個輸出點。八個輸入點分別為正轉、停止、反轉、點動、點動方向選擇、異地正轉、異地停止和異地反轉按鈕。四個輸出點分

26、別為正向運行、反向運行、星形啟動和角形運行。i/o點表如表4-1所示。表4-1 系統i/o點表地址設備作用i0.0sb1正轉按鈕i0.1sb2停止按鈕i0.2sb3反轉按鈕i0.3sb4點動按鈕i0.4sb5點動方向選擇按鈕i0.5sb6異地正轉按鈕i0.6sb7異地停止按鈕i0.7sb8異地反轉按鈕q0.0km2正向運行q0.1km1反向運行q0.2km4星形啟動q0.3km3角形運行4.3 plc程序分析plc源程序如表4-2所示。表4-2 plc源程序步序指令器件步序指令器件1ldsm0.12rm0.0, 163ldi0.04om0.05oi0.56lps7ani0.18ani0.29a

27、ni0.310ani0.711ani0.612=m0.013lpp14tont37, 5步序指令器件步序指令器件15ldt3716om0.117ani0.118ani0.219ani0.720ani0.621ani0.322=m0.123rm0.0, 124=m1.625=m1.726ldm0.127tont38, 5028ldt3829om0.230ani0.131ani0.232ani0.733ani0.634ani0.335=m0.236rm0.1, 137ldm0.238tont39, 539ldt3940om0.341ani0.142ani0.243ani0.744ani0.645a

28、ni0.346=m0.347rm0.2, 148=m2.049=m2.150ldi0.251om0.452oi0.753ani0.054ani0.155ani0.356ani0.557ani0.658=m0.459ldm0.460tont40, 561ldt4062om0.563ani0.164ani0.065ani0.566ani0.667ani0.368=m0.569rm0.4, 170=m2.271=m2.372ldm0.573tont41, 5074ldt4175om0.676ani0.177ani0.078ani0.579ani0.680ani0.381=m0.682rm0.5, 1

29、83ldm0.684tont42, 585ldt4286om0.787ani0.188ani0.089ani0.590ani0.691ani0.392=m0.793rm0.6, 194=m2.495=m2.596ldi0.397ai0.498lps步序指令器件步序指令器件99ani0.0100ani0.2101ani0.5102ani0.7103=m1.0104lrd105tont43, 50106lpp107tont44, 55108ldi0.3109ai0.4110ant43111ani0.0112ani0.2113ani0.5114ani0.7115=m1.1116ldi0.3117ai

30、0.4118at44119ani0.0120ani0.2121ani0.5122ani0.7123=m1.2124ldi0.3125ani0.4126lps127ani0.0128ani0.2129an i0.5130ani0.7131=m1.3132lrd133tont45, 50134lpp135tont46, 55136ldi0.3137ani0.4138ant45139ani0.0140ani0.2141ani0.5142ani0.7143=m1.4144ldi0.3145ani0.4146at46147ani0.0148ani0.2149ani0.5150ani0.7151= m1.5152ldm1.0153om1.6154om2.0155=q0.0156ldm1.3157om2.2158om2.4159=q0.1160ldm1.1161om1.4162om1.7163om2.3164=q0.2165ldm1.2166om1.5167om