机电专业课程设计说明书五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计说明书

1、机电工程学院课程设计说明书设计题目:五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计学生姓名： 学 号： 20094805 专业班级： 机制f09 指导教师： 2012年 12 月 12 日内容摘要这次课程设计的题目是“五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计”，是通过控制线路能够分别实现五台电动机的单独启停控制和实现要求的循环控制。实现单独启停主要是通过电磁继电器和中间继电器实现；实现循环控制主要是通过时间继电器的延时启闭控制线路按时间要求通断。由于控制五台电动机且电动机的执行顺序各有各的特点，一次循环中分四个步骤，每个步骤工作二十秒后换下一个步骤。这次设计的主要问题是找到运动过程中的逻辑关系，并用各种

2、电器原件实现这种逻辑关系，通过综合分析以后，发现可以通过四个时间继电器和四个中间继电器，每个继电器工作40s的方式实现控制。由于电路控制主要是通过继电器接触器控制，因此用到在plc编程中主要是用一些简单的、基本的命令。关键字：时间继电器；接触器；逻辑关系；plc控制2目 录第1章 前 言11.1 设计题目11.2 控制要求11.2 设计思路1第2章 系统总体方案设计22.1 设计背景22.2 设计方案2第3章 继电接触器控制系统设计43.1 继电器基本知识43.1.1 继电器介绍43.1.2 时间继电器简介43.1.3 与接触器的区别43.2 选择元件53.3 主电路图53.4 控制流程图6第

3、4章 plc控制系统设计74.1 plc基本知识74.1.1 plc简介74.1.2 plc工作原理74.1.3 与继电接触器控制系统的比较84.2 系统控制要求分析设计84.2.1 plc控制方案设计的特点84.2.2 工作流程图94.2.3 主电路设计104.2.4 plc控制系统设计104.2.5 确定plc类型114.2.6 确定i/o信号数量、分配及编号124.2.7 plc端子接线图124.2.8 控制程序编制134.2.9 控制程序调试19结 论23设计总结24谢 辞25参考文献26第1章 引言1.1设计题目 五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计1.2控制要求1.有五台电动机顺

4、序循环控制，控制时序如表1-1所示：表1-1 控制要求一号电机onononon二号电机onononon三号电机onononononon四号电机onononononon五号电机onononon 0 10 20 30 40 50 60 70 802.系统可以自动循环启动3.每台电动机可单独启停控制1.3设计思路根据控制要求，要实现五台电动机的循环控制，每台电动机还可以独自启动和停止。通过反复思考之后，决定用多个时间继电器和中间继电器来控制五个交流接触器来协调动作，然后有每个交流接触器直接控制电动作满足要求的的动作，问题的关键在于如何设计合理的控制电路以保障时间继电器在合适的时间动作。从上图可以看出

5、，每隔20秒都会有电动机的启动和停止动作，可以在每个动作之初让时间继电器开始工作，控制与之相应的中间继电器工作，中间继电器让该停下的电动机断电，让该启动的电动机得电。同时时间继电器的延时触点作为下一个动作的中间继电器的启动按钮，等到下一个动作开始时，与之相应的中间继电器先将上一中间继电器断电，然后启动相应的该工作的电机。 第2章 系统总体方案设计2.1设计背景本文对五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计，分别应用继电器接触器和可编程逻辑器件plc做了软件与硬件的设计，能基本达到控制要求。系统仅实现了小型plc系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。如果进一步结合

6、工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研。2.2设计方案根据题目，控制要求不仅要实现每台电动机独自启动和停止，而且还要实现五台电动机的循环控制。能否用四个时间继电器实现控制线路，尤其是时间继电器的顺序动作呢？时间控制电路中用kt1由kt2控制断路，kt2由kt3控制断路，kt3由kt2控制断路，kt4由kt1控制断断；相反kt1由kt4控制通路，kt2由kt1控制通路，kt3由kt2控制通路，kt4由kt3控制通断，这样每一个继电器的工作时间就是四十秒，由于每一个时间继电器的工作时间是四十秒，这样，控制电路中就可以用时间继电器的通断设计。 kt1得电后，各个延时继电器的

7、状态如表2-1 运行状态表2-1 运行状态时间(s)控件0-2020-4040-6060-8080-100100-120kt1常开onon常闭ononononkt2常开on常闭onononononkt3常开on常闭onononononkt4常开on常闭ononononon由于时间继电器最多有两组延迟常开常闭触电，或者一组常开常闭一组延迟常开常闭触电，所以必须并联中间继电器ka1、ka2、ka3、ka4来完成控制。通过以上个开关的状态，结合控制要求，可以发现这种方案不仅用到的电器元件最少，同时时间逻辑控制简单。 第3章 继电接触器控制系统设计3.1 继电器基本知识3.1.1继电器介绍继电器是一种

8、电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的

9、导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。3.1.2 时间继电器简介在控制线路中用到的时间的时间继电器一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器，它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。空气阻尼型时间继电器的延时范围大(有0.460s和0.4180s两种) ，它结构简单，但准确度较低。当线圈

10、通电（电压规格有ac380v、ac220v或dc220v、dc24v等）时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹，上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。空气经出气孔被

11、迅速排出。3.1.3 与接触器的区别继电器和接触器的工作原理一样。主要区别在于接触器的主触头可通过大电流，而继电器的触头只能通过小电流。所以，继电器一般不用来直接控制主电路（而是通过控制接触器和其他开关设备对主电路进行间接控制）。3.2.选择元件电器元件明细表如表2-1：表2-1 电器元件明细表序号代号名称数量备注1km1-km5接触器52ka1-ka4中间继电器43kt1-kt4通电延时继电器44fr1-fr5热继电器55sb1-sb6常开按钮66sb7-sb12常闭按钮67fu熔断器13.3.主电路图根据控制要求及方案二的设计思路，主电路图如图3-1 主电路图所示：图3-1 主电路图3.4

12、控制电路图根据方案二的设计思路，设计的控制电路图如图3-2 控制电路图：图3-2 控制电路图第4章 plc控制系统设计4.1 plc基本知识4.1.1 plc简介plc（programmable logic controller），是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。4.1.2 plc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

13、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映象区中的相应的单元内。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

14、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

15、/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。4.1.3 与继电器接触器控制系统比较1.控制中采用的逻辑部件不同继电器-接触器控制全部用硬触点和“硬”线连接；plc内部大部分采用“软”触点和“软”线连接。2.plc控制系统的结构和体积不同继电器-接触器控制系统使用的电气元件多，

16、体积大且故障率大；plc控制系统结构紧凑，使用的电气元件少，体积小。3.控制中电器的触点不同继电器-接触器控制中全部为机械式的硬触点，动作慢，弧光放电严重，寿命短，而且使用次数有限；plc内部全部为“软”触点，动作快、寿命长，而且使用次数无限。4.灵活性不同继电器-接触器控制方案的改变，需拆线，重新再接线，乃至更换元器件，比较麻烦；plc控制方案的改变，一般不需要修改硬件，只需修改程序即可，及其方便。此外，由于plc技术是在计算机控制的基础上发展起来的，它是以微处理器为核心，结合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活

17、通用、易于编程、使用方便等优点。因此，plc控制必将替代传统的继电器-接触器控制。4.2 系统控制要求分析及设计4.2.1 plc控制方案的设计特点1.功能强，性能价格比高一台小型plc内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。2.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。plc有很

18、强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。3.可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，plc用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。plc采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，plc已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。4.系统的设计、安装、调试工作量少plc用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继

19、电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。plc的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。plc的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过plc上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。5.编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路

20、图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。6.维修工作量少，维修方便plc的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。plc或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据plc上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。7.体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用plc后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型plc的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来

21、的确1/2-1/10。plc的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。8.提升产品技术含量，增加产品形象对于复杂的机械设备，如果还使用传统的继电器控制，则不单加大的控制电箱的配制难度，还让产品的最终客户觉得产品不够先进，使用信心不足，因为现在主流机械设备都用上plc，有plc的机械品质或许更有保证，同时使用plc加大了同行的仿制难度！4.2.2工作流程图根据题目要求，系统工作时要先判定是否要实现循环，实现循环则执行循环电路，如不循环，则执行单独启停电路，其工作过程如图4-1 工作流程图所示：图4-1 工作流程图4.2.3主电路设

22、计主电路中电机的转动主要是由电磁继电器控制，由于能实现单独控制，所以每一个电磁继电器的控制一个电机。具体电路参考第3章 继电接触器控制系统设计中的主电路图。4.2.4 plc控制系统设计通过对五台三相笼型异步电动机顺序循环控制控制线路的分析可知，系统总共需要i/o点17个，其中输入点12个，输出点5个。4.2.5确定plc类型 在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点：1.性能与任务相适应对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型plc（如西门子公司s7-200系列plc或omon公司系列cpm1a/cpm2a型plc）就能满足要求，如对小型泵的

23、顺序控制、单台机械的自动控制等。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有a/d转换的模拟量输入模块和带有d/a转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型plc，如西门子公司的s7-300系列plc或omron公司的com/cqm1h型plc。对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、pid调节、通信联信网4等，可选用中大型plc（如西门子公司的s7-400系列plcc200he/c200hg/c200hx、cv/cvm1等plc）。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时

24、，应根据各部分的具体要求来选择plc，一组成一个分布式的控制系统。2.plc的处理速度应满足时实控制的要求plc工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在12个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。例如，plc的i/o点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。3.plc应用系统结构合理、机型系列应统一plc的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把plc的i/o和cpu放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，

25、每一i/o点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式plc的功能扩展，i/o点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。结合以上几点，选用的plc的选型为西门子s7-200系列的cpu224型的可编程控制器。它的主要特点是：14输入/10输出共24个数字量i/o点13kb的程序和数据存储空间6个独立的30khz的高速计数器，2路独立的20khz的高速脉冲输出具有pid控制器1个rs485通信/编程口具有多点接口mpi（multi po

26、int interface）通信协议具有点对点接口ppi(point to point interface)通信协议具有自由通信口i/o端子排可以很容易地整体拆卸4.2.6确定i/o信号数量、分配及编号该系统需要12个输入新号，5个输出信号，所以地址分配如表4-1 i/0地址分配表：表4-1 i/0地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号电路停止按钮常闭开关sb12i0.0一号电机启动按钮常开开关sb1i0.1二号电机启动按钮常开开关sb2i.2三号电机启动按钮常开开关sb3i0.3四号电机启动按钮常开开关sb4i0.4五号电机启动按钮常开开关sb5i0.5循环控制按钮常开开

27、关sb6i0.6一号电机停止按钮常闭开关sb7i0.7二号电机停止按钮常闭开关sb8i1.0三号电机停止按钮常闭开关sb9i1.1四号电机停止按钮常闭开关sb10i1.2五号电机停止按钮常闭开关sb11i1.3输出信号一号电机驱动信号接触器km1q0.1二号电机驱动信号接触器km2q0.2三号电机驱动信号接触器km3q0.3四号电机驱动信号接触器km4q0.4五号电机驱动信号接触器km5q0.54.2.7 plc端子接线图根据i/o表及plc的工作流程图，很容易就可以得到plc端子接线图如图4-2 i/o接线图。本次选择的是cpu 224型plc,它的端口能够满足需求因此不需要专门配备模块扩展

28、。4-2 i/o接线图4.2.8 控制程序编制程序的编制主要是根据继电器接触器原理图进行设计的，主要是把各种触点进行转化，实现控制的自动化。plc可以识别的编程语言有梯形图、指令表等，本次编程用的语言是梯形图和指令表。1.梯形图2.指令表控制系统的梯形图和指令表之间是相互对照，互为补充的。因此五台三相笼型异步电动机的顺序循环控制系统的指令表可以有梯形图得出。指令表：network 1 / 网络标题/ 电动机1ld i0.1o m0.1o m0.0o t38o t40a i0.0a i0.7an t37an t39= m0.1= q0.1network 2 / 网络标题/ 电动机2ld i0.2

29、o m0.2o t37o t39a i0.0a i1.0an t40an t38= m0.2= q0.2network 3 / 网络标题/ 电动机3ld i0.3o m0.3o m0.0o t39a i0.0a i1.1an t38= m0.3= q0.3network 4 / 网络标题/ 电动机4ld i0.4o m0.4o m0.0o t38a i0.0a i1.2an t37= m0.4= q0.4network 5 / 网络标题/ 电动机5ld i0.5o m0.5o t37a i0.0a i1.3an t39= m0.5= q0.5network 6 / 控制时间继电器t37ld i

30、0.6o m0.0o t40a i0.0an t38an t39= m0.0ton t37, +200network 7 / 控制时间继电器t38ld m1.0o t37a i0.0an t39= m1.0ton t38, +200network 8 / 控制时间继电器t39ld m1.1o t38a i0.0an t40= m1.1ton t39, +200network 9 / 控制时间继电器t40ld m1.2o t39a i0.0an t37= m1.2ton t40, +2004.2.9 控制程序调试程序调试有模拟器调试和现场调试等方法，根据课程设计要求并结合实际情况使用了step7

31、-micro/win模拟器进行了本程序的调试。西门子s7200的仿真软件simulation1.2版是从西班牙原版1.2直接汉化过来的，支持td200仿真界面和增减计数器等多种指令。调试方法如下：1）将在step7microwin中编译正确的程序在文件菜单中导出为awl文件；2）打开仿真软件，点“配置”-“cpu型号”，然后选择cpu 224；3）点“程序”-“载入程序”；4）选择step7microwin的版本；5）将先前导出的awl文件打开；6）点“plc”-“运行”，开始调试程序；程序具体运行情况如下：1）按下启动按钮sb1，i0.1为1，输出m0.0线圈得电， q0.0通电打开，一号电

32、动机启动，如图4-3 程序调试图a所示。2）按下启动按钮sb6，开始循环控制，一、三、四号电动机得电运转，如图4-4程序调试图b所示。3）20秒后，二、三、五号电动机运转，如图4-5 程序调试图c所示。4）40秒后，一、四、五号电动机运转，如图4-6 程序调试图d所示。5）60秒后，二、三、四号电动机运转，如图4-7 程序调试图e所示。6）80秒后，重新开始循环。图4-3 程序调试图a图4-4 程序调试图b图4-5 程序调试图c图4-6 程序调试图d图4-7 程序调试图e结论本次设计的过程是先设计继电器接触器控制系统，然后根据继电器接触器控制系统设计plc控制系统。两种系统虽然控制原理一样，但是所需要的控制元件却有很大不同，尤其是plc设计中有很多中间继电器在继电器接触器中都是没有的。本次设计的思路是通过时间继电器的控制，使每一个时间继电器的工作时间达到定时的二倍。通过仿真设计的程序能够正确的执行。在仿真过程中，发现时间继电器的控制灵敏度是影响控制的主要因素，所以今后对继电器接触器的研究方向是怎么提高继电器的灵敏度。 设计总结为期两周的课程设计就要告一段落，纵观整个设计过程，可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己