1、成都學院（成都大學）課程設計報告 電氣控制與PLC課程設計報告題 目 單向運行能耗制動 學 院 信息科學與工程學院 專 業 電氣自動化技術 學生姓名 張毅 學 號 201420314223 年級 2014 級指導教師 黃建剛 職稱 高級工程師 二0一六 年 六 月 三 日課程設計題目: 單向運行能耗制動設計 學生姓名: 張毅 設計報告成績 （按4照優、良、中、及格、不及格評定）指導教師評語：指導教師（簽名） 年 月 日說明：指導教師評分后，設計報告交院實驗室保存。單向運行能耗制動摘要：能耗制動是電動機在脫離三相交流電源后，立即使其兩相定子繞組加上一個直流電源，即通入直流電源，利用轉子感應電流與

2、精致磁場的相互作用來達到制動目的的一種制動方法。該制動方法將電動機旋轉的動能轉換為電能，消耗在制動電阻上，故稱為能耗制動。能耗制動可按時間原則又時間繼電器來控制，也可按速度原則由速度繼電器來控制。能耗制動的優點是制動準確、平穩且能量消耗較小，缺點是需要附加直流電源裝置，制動效果不及反接制動明顯。在本次課程設計中我負責的內容是按照要求繪圖以及分析，并仿真，最后將兩人成果整合并制作文件。關鍵詞：能耗制動；速度原則； Unidirectional operation energy consumption brakingAbstract：Energy consumption braking motor

3、 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 m

4、ethod 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 brak

5、ing 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 t

6、o integrate both results and make files. Key words: Energy consumption braking；Principle of speed. I目 錄緒論11. 課程背景12. 選題的目的和意義13. 國內外研究現狀24. 主要的研究內容2第1章 電氣電路設計31.1 能耗制動原理31.1.1 主電路設計31.1.2 控制電路設計41.2 電路元件設計51.2.1 電動機51.2.2 接觸器51.2.3 熔斷器51.2.4 熱繼電器51.2.5 速度繼電器61.3 元件清單6第2章 控制系統設計72.1 CPU模塊的選擇72.2 I/O分

7、配72.3 I/O接線圖82.4 時序圖82.5 順序功能圖92.6 梯形圖9第3章 測試與仿真113.1 仿真113.1.1 導入梯形圖113.1.2 測試123.2 問題的分析與解決12第4章 結論13致謝14參考文獻15附錄1 JR20系列熱繼電器的技術指標16附錄2 CPU224的技術指標17附錄3 Y系列電機常用型號對照表20II緒論 長期以來，能耗制動始終處于工業自動化控制領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化的需要。由于能耗制動綜合了計算機和自動化技術，所以它發展日新月異

8、，大大超出其出現時的技術水平。它不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時、計數、數字運算、數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數字量和模擬量的聯系，從而實現生產過程的自動控制。1. 課程背景在20世紀6070年代，為了適應計算機、數字控制、機器人、大規模集成電路等高新技術的發展，美國通用汽車公司(GM)為適應汽車型號的不斷翻新，提出了 “結合計算機靈活、通用、功能完備以及繼電控制1簡單、易懂、操作方便、為大家所熟悉”的優點，面向工業現場、面向控制過程、面向實際問題，即使是不熟悉計算機的人，經過簡單訓練也可直接編程的一種新型電子化的自動控制裝置來代替傳統繼電-接觸控制2的設想。

9、1969年，美國數字設備公司(DEC)率先研制出PDP-14可編程控制器，成功地用在GM公司的自動裝配線上。1987年，國際電工委員會(IEC)對它定義如下： 一種數字運算操作的電子系統裝置，專為在工業現場應用而設計。它采用可編程序的儲存器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。在早期，主要用于替代繼電-接觸的順序控制，因此，又稱為可編程邏輯控制器(Programmable logic controller PLC)。隨著電子技術、計算技術的迅速發展，可編程控制器的功能已遠遠超出了順序控制的范圍

10、。被稱為可編程控制器3(Programmable Controller PC)。為區別于個人計算機(Personal Computer PC)，故沿用PLC4 這個縮寫。2. 選題的目的和意義本課程設計是PLC課程課堂教學的延伸和發展，是理論知識與工程實踐之間的銜接。課程設計的主要目的是通過某一生產設備的電氣控制裝置的設計實踐，了解一般電氣控制系統設計過程、設計要求、應完成的工作內容和具體設計方法。通過設計也有助于復習、鞏固以往所學的知識，達到靈活應用的目的。設計必須滿足生產設備和生產工藝的要求，因此，設計之前必須了解設備的用途、結構、操作要求和工藝過程，在此過程中培養從事設計工作的整體觀念。

11、課程設計應強調能力培養為主，在獨立完成設計任務的同時，還要注意其他幾方面能力的培養與提高，如獨立工作能力與創造力；綜合運用專業及基礎知識的能力，解決實際工程技術問題的能力；查閱圖書資料、產品手冊和各種工具書的能力；工程繪圖的能力；書寫技術報告和編制技術資料的能力。在專業知識與研究方法方面為日后的畢業設計乃至畢業后的工作奠定良好的基礎。3. 國內外研究現狀PLC自問世以來，經過40多年的發展，在美、德、日等工業發達國家以成為重要的產業之一。世界總銷售額不斷上升、生產廠家不斷涌現、品種不斷翻新。產量產值大幅度上升而價格則不斷下降。目前，世界上有200多個廠家生產PLC，較有名的：美國：AB通用電氣

12、、莫迪康公司；日本：三菱、富士、歐姆龍、松下電工等；德國:西門子公司；法國：TE施耐德公司；韓國：三星、LG公司等5。我國PLC產品的研究和生產經歷了三個階段6:1) 順序控制器（19731979）2) 以微處理器為主的工業控制器（19791985）3) 以微處理器為主的可編程序控制器（1985以后）。在對外康的政策的推動下，國外PLC產品大量進入我國市場，一部分隨成套設備進口。隨著不斷學習與不斷開拓的精神，現在，我國自主生產的PLC在國內的各行各業也有了極大的應用，技術含量也越來越高7。4. 主要的研究內容三相異步電動機的制動方法有很多種，本課程設計將重點說明用PLC來實現對三相異步電動機能

13、耗制動的控制的設計與仿真。分析能耗制動的工作原理。使用STEP7-MICRO/WIN對PLC編程，控制電動機能耗制動。完成對PLC的程序設計8以及仿真。第1章 電氣電路設計隨著現代信息科技的日益發展，人們對電力電子行業的需求也日益增多。如何在現有的經濟及科學技術支持下不斷滿足人們對其的需求成為制約當今社會進步的一大問題。本文主要介紹了單向運行能耗控制電路，分析了能耗制動控制電路的相關問題，并著重了解和分析單向運行能耗控制電路并且按照速度原則由速度繼電器來控制。1.1 能耗制動原理根據左手定則確定出轉子電流和恒定磁場作用所產生的轉矩方向與轉子轉速方向相反，故為制動轉矩，此時電機把原來儲存的動能或

14、重物的位能吸收后變成電能消耗在轉子電路中。能耗制動就是將運行中的電動機9，從交流電源上切除并立即接通直流電源，在定子繞組接通直流電源時，直流電流會在定子內產生一個靜止的直流磁場，轉子因慣性在磁場內旋轉，并在轉子導體中產生感應電勢有感應電流流過，并與恒定磁場相互作用消耗電動機轉子慣性能量產生制動力矩，使電動機迅速減速，最后停止轉動。1.1.1 主電路設計本次課程設計按速度原則實現可逆運行能耗制動控制電路10。通過速度繼電器對速度的檢測，從而控制電動機的運行。主電路電路圖如1-1所示。停止時，電動機定子繞組脫離三相電源的同時，接觸器KM2線圈通電，KM2主觸點閉合，使橋式整流器VC能將交流電變為直

15、流電送入定子繞組，進行能耗制動，電動機轉子轉速迅速下降，當時間繼電器KT的延時時間一到，電動機轉速接近零，延時觸點斷開，使KM2和KS的線圈斷電，電動機脫離直流電源，制動過程結束。圖1-1 主電路1.1.2 控制電路設計圖1-2 控制電路1.2 電路元件設計一個成功的系統都是由恰到好處的電路元件組成，選擇合適的電路元件尤為重要，好的電路選擇具有可靠的安全保證，還能在經濟上具有一定的節省。1.2.1 電動機電動機應滿足安全穩定，安裝簡單。選擇Y系列電動機。具體參數見附錄3.1.2.2 接觸器接觸器4 ( Contactor) 分直流接觸器、交流接觸器兩大類選擇依據是： 主觸頭數、輔助觸頭數目、額

16、定電流、線圈控制電壓的類型、等級等。我們以我們選擇為KM1、KM2為CJ20-25 系列交流接觸器。其額定工作電流為25A，額定電壓為380V。1.2.3 熔斷器當電路發生故障或異常時，伴隨著電流不斷升高，并且升高的電流有可能損壞電路中的某些重要器件或貴重器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災。若電路中正確地安置了熔斷器，那么，熔斷器就會在電流異常升高到一定的高度和一定的時候，自身熔斷切斷電流，從而起到保護電路安全運行的作用。如果電路中安裝了斷路器就可以不用熔斷器，熱繼電器需要與交流接觸器配合使用，因過載時熱繼電器上的觸點斷開切斷控制回路，目前一般多用于控制回路。本次設計中在控制電路中用到熔斷器。

17、選擇RL1-60型熔斷器，其額定電流為60A1.2.4 熱繼電器熱繼電器是利用電流的熱效應原理和發熱元件的熱膨脹原理，在出現電動機不能承受的過載時，斷開電動機的控制電路，實現電動機斷電停車的保護電路。目前使用最多的、最普遍的是雙金屬片式熱繼電器。根據設計需要，選擇JR20-10型熱繼電器。具體參數見附錄1。1.2.5 速度繼電器速度繼電器9是利用速度原則對電動機進行控制的自動電器，常用語籠型異步電動機的反接制動控制，因此亦稱為反接制動電器。感應式速度繼電器主要是由轉子、定子和觸點三部分組成，其原理如下：當電動機轉動時，速度繼電器的轉子隨之轉動，這樣就在速度繼電器的轉子和定子圓環之間的氣隙中產生

18、旋轉磁場而感應出電動勢，并產生電流，此電流與旋轉磁場作用產生轉矩，使定子隨轉子到一定的角度。轉子轉速越高，定子偏轉角度越大。一般速度繼電器的動作速度為120r/min,觸點的復位速度在100r/min以下，轉速在30003600r/min以下能可靠的工作，允許操作頻率每小時不超過30次。根據設計需要，選擇JY1型速度繼電器。其工作范圍在7003600r/min。1.3 元件清單根據上述器件選擇原則，可以列出所選用的器件清單如表1-1所示。表1-1 元件清單序號代號名稱規格型號數量1M電動機Y系列12KM接觸器CJ2023FU熔斷器RL1-60型24KS速度繼電器JY1型15SB按鈕26FR熱繼

19、電器 JR20-10型1第2章 控制系統設計PLC控制系統設計是指用戶根據編寫程序的設計思路，通過發送指令，配合被控制對象工藝過程的現場信號和操控要求，參照PLC繼電器編號，繪出梯形圖程序。一般利用順序功能圖法和經驗設計法對PLC應用程序進行設計。2.1 CPU模塊的選擇本次設計需要兩個輸入接口，兩個輸出接口。CPU224集成了14點輸入10點輸出，共有24個數字量I/O。它可連接個擴展模塊，最大擴展至168點數字量I/O點或35路模擬量I/O點。CPU224有13字節程序和數據存貯空間，6個獨立的30KH高速計數器，2路獨立的20KH高速脈沖輸出，具有PID控制器12。CPU2244配有個R

20、S-485通訊口，具有PPI通訊、MPI通訊和自由方式通訊能力，是具有較強控制能力的中型PLC。附錄2 CPU224的主要技術指標。2.2 I/O分配 根據控制電路的工作原理，PLC需要以下的輸入輸出作為與外部電路的控制接點，如表2-1所示。其中SB1是停止按鍵，SB2是起動按鍵。表2-1 I/O分配表輸入輸出SB1I0.1KM1Q0.0SB2I0.0KM2Q0.12.3 I/O接線圖圖2-1 I/O接線圖當SB2按下時，I0.0置1，使Q0.1置1，KM1線圈通電，主電路接觸器閉合，電動機轉動。當速度達到一定時KM2線圈得電，主電路的KM2閉合，KM1斷開。2.4 時序圖圖2-2 時序圖當I

21、0.0置1時，Q0.0也置1線圈KM1通電主電路接觸器KM1閉合電動機運轉，由于Q0.0Q一直置1因此電動機會連續運轉，當速度達到一定程度時Q0.1置1、Q0.0置0，線圈KM2通電電動機繼續運轉。當按鈕SB1按下時，I0.1置0，所有電路全部復位，電動機停止運轉。2.5 順序功能圖圖2-3 順序功能圖當I0.2置1時，使Q0.0置1 電動機運轉，當I0.1按下時使Q0.0Q置1使電動機連續運轉，當速度達到一定值時，速度繼電器通電，是開關KS閉合，Q0.1通電，使得電動機運轉。2.6 梯形圖用所學的繪圖變成軟件將電氣功能圖用梯形圖繪制出來，如圖2-3所示。圖2-4 梯形圖第3章 測試與仿真將梯

22、形圖語言編寫好后，下一步就是去實驗室進行仿真、測試，需要將仿真的結果與仿真中出現的問題進行總結，并且將這些問題一一解決再記錄。3.1 仿真先把程序的梯形圖先畫好然后用編程軟件進行仿真，看一下程序是否有誤（如果有錯誤就應該及時檢查，查出問題所在之后及時修改，然后再次進行仿真，直至沒有錯誤為止），檢測一遍后確認程序毫無問題后，就可以準備下一步了。接下來，要做的就是需要去現場進行測試，看看這個程序在導入到PLC后，電動機是否能夠按照計劃中制動。3.1.1 導入梯形圖圖3-1 初始態3.1.2 測試當進行測試時，首先要對這個PLC 要熟悉，先要對PLC進行觀察，PLC哪些地方是輸入，哪些地方是輸出，然

23、后要對所編寫的程序進行實物的連接，然后按照步驟一次進行。因為程序是驗證過了，如果出現錯誤應該首先排查是不是接線出現了錯誤。圖3-2 運行狀態3.2 問題的分析與解決在編寫程序時就遇到了問題，首先，速度繼電器就不知道符號是怎樣的，可能是上課不專心，對此也根本沒有什么印象。先是上網想要找到答案，但是卻依然沒有結果。只好向同學求助，最后在同學的幫助下最后還是成功完成了。19第4章 結論此次課程設計對我而言，無疑是收獲巨大的。首先，通過這次課程設計，我對軟件的學習以及對硬件的學習讓自己對PLC程序的設計有了更加深層次的了解，比如如何使用各種指令我變得更加熟練了，對于流程圖、PLC I/O分配表、PLC

24、 接線圖、順序功能框圖、梯形圖等繪圖方面的技巧我也有了相當大的提升。其次，通過這次課程設計，我們相當于是對知識進行了一次復習，并且用于實際，將其利用了起來實現了真正的運用，使得我真正的更深入的通過課程設計了解了我們的電氣控制與PLC這門學科。再有，這次課程設計也充分培養了我們的團隊意識，加強了我們團隊合作的能力，這不僅僅對我們學習生涯有著好處，對于我們的以后的人生和工作也是有著極大幫助的。最后，這次的課程設計暴露出了自己太多的問題。拿到課程設計的題目是，我都看不懂是什么，一下子給自己敲響了警鐘，是因為自己平時學習不認真，所以才在這次課程設計上磕磕絆絆，不知道怎么做才好。這警示了自己在學習上應該

25、踏踏實實，認真上進。同時，在學習上我們有問題自己思考后仍然無法解決就應該向老師求助，不要不好意思或者因為自己學得不好怕被老師罵就不問老師，如果這次我在自己思考問題還是沒有有效辦法的時候選擇問老師，我的課程設計一定也會完成得更好，所以在以后的學習生涯中我會勇于發問，改掉學習上的壞毛病。致謝在這次課程設計的撰寫過程中，我得到了許多同學的幫助。因為自己之前學得并不怎么樣，所以有很多地方都是半懂不懂的，甚至是完全不懂，一個人看書也看不出來怎么一回事，多虧了同學的幫助，不耐其煩的幫我講解，我才搞懂了很多關鍵性的知識點。尤其是廖毅同學，我正在為如何繪圖感到十分疑惑時，他向我推薦了visio繪圖軟件并給我詳

26、細講解了如何使用，是我可以快速上手繪制各種圖。與此同時，還幫我指出了很多關于此次實驗報告被我所以遺漏的格式錯誤，幫我省卻了很多麻煩。同時，感謝黃老師給我的課程設計指出了很多問題，并專門列出告訴我如何修改，同時還很體諒我們，給我們寬限了時間，不然以我的水平實在是很難在規定時間內完成此次課程設計。最后再一次感謝所有在設計中曾經幫助過我的良師益友和同學。參考文獻 1. 劉順禧平氣控制技術M. 北京：北京理工大學出版社,20002. 郁漢琪，等. 電氣控制與可編程序控制器應用技術M.2版3. 廖常初S7-200PLC編程及應用M 北京：機械工業出版社，2007東南大學出版社 20094. 龔仲華S7-

27、200/300/400PLC 應用技術通用篇M，北京： 人民郵電出版社。20105. 王永華。現代電氣控制及PLC 應用技術M.2版。北京：北京航空航天大學出版社 2008 6. 龔運新，趙厚玉，戚本志。PLC技術及應用M. 北京：清華大學出版社，20097. 何強，單啟兵。可編程序控制器應用：S7-200 M. 北京：中國水利水電出版社，20l0.8. 何獻忠。可編程控制器應用技術：西門子57-200系列M. 北京：清華大學出版社，20079. 何衍慶，等 可編程序控制器原理及應用技巧M 北京：化學工業出版社，200010. 陳建明.電氣控制與PLC應用.北京：電工工業出版社，2010年11

28、月11. 孫 平.可編程控制器原理及應用（第2版）.北京：高等教育出版社，2008年4月版12. 林小峰.可編程控制器原理及應用. 北京：高等教育出版社，199413. 于慶廣.可編程控制器原理及系統設計.北京：清華大學出版社，200414. 胡幸鳴。電機及拖動基礎M. 2版。北京：機械工業出版社，2008附錄1 JR20系列熱繼電器的技術指標附錄2 附錄2 CPU224的技術指標CPU224本機集成了14點輸入10點輸出，共有24個數字量I/O。它可連接個擴展模塊，最大擴展至168點數字量I/O點或35路模擬量I/O點。CPU224有13字節程序和數據存貯空間，個獨立的3

29、0KH高速計數器，路獨立的20KH高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU224配有個RS-485通訊編程口，具有PPI通訊、MPI通訊和自由方式通訊能力，是具有較強控制能力的小型控制器。(1)CPU224與CPU221技術指標的區別·外形尺寸：120.5*80*62 ·存儲器： 程序存儲器 4096字用戶數據存儲器 2560字存儲器類型 EEPROM存儲卡 EEPROM 數據后備（超級電容） 190小時編程語言 LAD，FBD和STL 程序組織 一個組織塊（可以包含子程序和中斷程序） ·系統I/O： 本機I/O 14入10出擴展模塊數量 個模塊數字量I/O映像區

30、256（128入128出） 數字量I/O物理區 168（9474） 模擬量I/O映像區 32入32出模擬量I/O物理區 35（287）或14出·附加功能： 內置高速計數器 個（30KH） 內置模擬電位器 個（位分辨率） 脈沖輸出 個高速輸出（20KH） 通訊中斷 發送器接收器定時中斷 個（255） 輸入中斷 個實時時鐘 內置口令保護 級口令保護·為傳感器提供5VDC電流：660 (2)CPU224的接線·DC輸入DC輸出： DC輸入端由1M、0.00.7為第組，2M、1.01.5為第組，1M、2M分別為各組的公共端。24V DC的負極接公共端1M或2M。輸入開關的端接到24V DC的正極，輸入開關的另端連接到CPU224各輸入端。DC輸出端由1M、1+、0.00.4為第組，2M、2+、0.51.1為第2組組成。1L+、2L+分別為公共端。第組24V DC的負極接1M端，正極接1L+端。輸出負載的端接到1M端，輸出負載的另