基于PLC的软启动器控制系统设计与调试

1、目录1 .课题介绍21.1 设计目的21.2 设计报告要求22 .硬件设计及其原理42.1 PLC的应用领域及框图42.2 PLC的应用特点42.3 软启动器的工作原理及其使用62.3.1 软启动器的限制功能72.3.2 斜坡升压启动方式72.3.3 转矩限制及启动电流限流启动方72.3.4 电压提升脉冲启动82.3.5 转矩限制软停车方式82.3.6 制动停车方式82.4 电路限制工作原理92.4.1 限制线路工作原理92.4.2 简要电气原理图1002.4.3 电器元件明细表1113 .限制系统的软件设计1223.1 限制系统的局部程序设计1223.2 .S7-200I/O分配表1221.

2、1. I/O点及其对应的PLC地址1223.4. PLC端子接线图1333.5. 系统简易工作流程图1334.总结145参考文献167附录1681 .课题介绍传统的三相异步电动机的启动线路比拟简单,不需要增加额外的启动设备；但其启动电流冲击一般还很大,启动转矩较小而且固定不可调.而软启动器主要由交流调压电路和限制电路构成,其根本原理是利用品闸管的移相限制原理,通过限制品闸管的导通角,改变其输出电压,到达通过调压发稿时来限制启动电流和启动转矩的目的,由于软启动器为电子调压并对电流实时监测,因此还具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能,并可实时

3、检测并显示如电流、电压、功率因数等参数.本课题要求单台软启动器限制两台电机的软启动及自由停车,限制系统采用PLC来实现；提供短路、过载、联锁等保护举措；具有紧急停车功能；在此,运用PLC知识到达设计要求.1.1 设计目的1 .熟悉工程实践中S7-200PLC的使用方法和标准,到达综合应用PLC的目的.2 .学习PLC程序编程和软启动器的使用、查找数据手册的水平.3 .学习S7-200软件、CADVISIO软件的应用.4 .学会整理和总结设计文档报告.1.2设计报告要求1 .要求电路能够通过软启动器,限制两台电机的软启动和自由停车.2 .要求电路限制系统采用PLC来实现；3 .提供短路、过载、联

4、锁等保护举措；4 .具有紧急停车功能;5.根据上述要求选定设计方案,画出系统框图写出详细的设计过程.并列出所有的元件清6.利用VISIO、CA%C件画出一套完整的设计电路图,单.2.硬件设计及其原理2.1 PLC的应用领域及框图可编程序限制器简称PLC,它是近年来开展极为迅速、应用面极广的工业限制装置,它已成功地应用于工业中几乎所有领域,能完成从重复开关限制单一机器到复杂的制造加工限制的许多限制任务.?现代电气限制及其PLC应用技术?是一门实用技术课程,既有一定的理论知识,又有实际技能练习,PLC的应用领域,最初,PLC主要用于开关量的逻辑限制.随着PLC技术的进步,它的应用领域不断扩大.限制

5、按钮、行程开-关、接近开关S7-200程序限制器执行器件(接触器)图2-1S7-200PLC系统框图如今,PLC不仅用于开关量限制,还用于模拟量及数字量的限制,可采集与存储数据,还可对限制系统进行监控；还可联网、通讯,实现大范围、跨地域的限制与治理.系统框图如图2-1所示,PLC已日益成为产业限制装置家族中一个重要的角色.2.2 PLC的应用特点(1)可靠性高,抗干扰水平强高可靠性是电气限制设备的关键性能.PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性.使用PLC构成限制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减

6、少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低.此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息.在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护.这样,整个系统将极高的可靠性.(2)配套齐全,功能完善,适用性强PLC开展到今天,已经形成了各种规模的系列化产品,可以用于各种规模的工业限制场合.除了逻辑处理功能以外,PLC大多具有完善的数据运算水平,可用于各种数字限制领域.多种多样的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置限制、温度限制、CNC?各种工业限制中.加上PLC通信水平的增强及人机界面技术的开展,使用PLC组成各种限

7、制系统变得非常容易.(3)易学易用,深受工程技术人员欢送PLC是面向工矿企业的工控设备.它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受.梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业限制翻开了方便之门.(4)系统的设计,工作量小,维护方便,容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了限制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来,更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能.这特别适合多品种、小批量的生产场合.2.3 软启动器的工作原理及其使用软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能

8、和多种保护功能于一体的新奇电机限制装置,国外称为SoftStarter.软启器采用三相反并联品闸管作为调压器,将其接入电源和电动机定子之间.这种电路如三相全控桥式整流电路.如图2-2图所示,使用软启动器启动电动机时,品闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直到品闸管全导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现平滑启动,降低启动电流,预防启动过流跳闸.待电机到达额定转数时,启动过程结束,软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的品闸管,为电动机正常运转提供额定电压,以降低晶闸管的热损耗,延长软启动器的使用寿命,提升其工作效率,又使电网预防了谐波污染.软启动器同时还提供软停车功能,软停车与软启动

9、过程相反,电压逐渐降低,转数逐渐下降到零,预防自由停车引起的转矩冲击.图2-2软启动器原理示意图运用申接于电源与被控电机之间的软起动器,限制其内部品闸管的导通角,使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升,直至起动结束,赋予电机全电压,即为软起动,在软起动过程中,电机起动转矩逐渐增加,转速也逐渐增加.软起动一般有下面几种起动方式.2.3.2 斜坡升压启动方式如图3-3-1所示,这种起动方式一般可设定启动初始电压Uq0和启动时问t1,这种启动方式断开电流反应,属于环限制方式.在电动机启动过程中,电压线性逐渐增加,在设定的时间内到达额定电压.这种启动方式主要应用一台软启动器并接多台电动机,或电动机功

10、率远低于软启动器额定值的应用场合.2.3.3 转矩限制及启动电流限流启动方如图2-3-2所示,此种启动方式一般可设定启动初始力矩Tqo、启动阶段力矩限幅Tli、力矩斜坡上升时间t1和启动电流限幅Ili.这种启动方式引入电流反应,通过计算间接得到负载转矩,属于闭环限制方式.由于控制目标位转矩,故软启动器输出电压为非线性上升.、全压启动图2-3-1:斜坡升压启动方式限幅启动图2-3-2:转矩限制及启动电流限制启动如图2-3-3所示,此种启动方式一般可设定电压提升脉冲限幅Uli.升压脉冲宽度一般为5个电源周波,即100mso在启动开始阶段,品闸管在极短时间内按设定升压幅值启动,可得到较大的启动转矩,

11、此阶段结束后,转入转矩限制及启动电流限制启动.该启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合.2.3.5 转矩限制软停车方式如图2-3-4所示,当电机需要停车时,立即切断电动机电源,属于自由停车,传统的限制方式大多采用这种方式,软停车方式通过调节软启动器的输出电压逐渐降低而切断电源,这一过程时间较长且一般大于自由停车时间,故成为软停车方式.转矩限制软停车方式,是在停车过程中,匀速调整电动机转矩的下降速率,实现平滑减速.图2-3-4:转矩限制软停车方式图2-3-3:电压提升脉冲启动方式2.3.6 制动停车方式如图2-3-5所示,当电动机需要快速停机时,软启动器具有能耗制动功能.在实施能耗制动时

12、,软启动器向电动机定子绕组通入直流电,由于软启动器是通过晶闸管对电动机供电,因此很容易通过改变晶闸管的限制方式而得到直流电.nIliO图2-3-5制动停车方式2.4 电路限制工作原理用一台软启动器队多台电动机进行软启动,可以降低限制系统的本钱.通过设计适当的电路可以实现对多台电动机软启动、软停车限制；但不能同时启动或停机,只能一台台分别启动或停机.考虑到实现一台软启动器队多台电动机既能软启动又能软停车,控限制线路比拟复杂,而且还要使用软启动器内部的一些特殊功能.所以,本文介绍用一台软启动器对两台电动机进行软启动、自由停车限制的电路.如图a所示.软启动器的启动、停止均采用二线制限制方式,即将RU

13、NffiSTO础子连接到一起,通过一个限制触点KF5与PL端子相连.KF5触点接通表示启动信号,断开表示停车信号.由于电动机启动结束后,有旁路接触器为电动机供电,图a中主电路的接线方式将整个软启动器短接,因此软启动器的各种保护队电动机无效,故每台电动机要各自增加过载保护的热继电器.2.4.1 限制线路工作原理工作原理如下：将KF1设置为隔离继电器.在图2-4-1限制电路中,按SF2按钮,接触器QA1线圈通电并自锁,软启动器的进线电源上电.假设启动第一台电动机MA1,按启动按钮SF12,接触器QA11线圈通电,中间继电器KF5线圈通电,启动信号参加软启动器,隔离继电器KF1触点接通,中间继电器K

14、F3线圈通电,KF3敞开触点使QA11自锁,电动机软启动开始.当启动结束时,软启动器的结束继电器开放触点闭合,中间继电器KF4线圈通电,KF4常开触点使旁路接触器QA12线圈通电自锁,此时,QA11和QA12均接通.接启动器旁路后,使隔离继电器KF1触点断开,启动结束后继电器KF2触点也断开,KF3线圈断电,KF3常开触点使QA11线圈自锁回路断开,QA11线圈十点,第一台电动机从软启动器上切除,此时软启动器处于空闲状态.同理,假设对第二台电动机软启动,那么按启动按钮SF22.假设使第一台电动机停机,按停止按钮SF11,那么QA12线圈失电,主触点断开,电动机自由停机.第二台电动机的启、听限制

15、过程分析与上述类似.为预防软启动器带两台电动机同时启动,QA11和QA21线圈回路增加有互锁触点.图2-4-1主电路图2.4.2 简要电气原理图在该设计中首先是要限制两台电机的软启动和自由停车,我们在学习PLC时,软启动器是做重点来讲的,图2-4-1为一台软启动器限制两台电机的主电路图,图2-4-2是限制电路.Qa0是总开关,BB是热继电器具有过载保护功能,利用PLC来代替传统的电气限制,这也是现在限制的主流.QA2七一图2-4-2限制电路图2.4.3 电器元件明细表隔离继电器KF1按钮SF1、SF2、SF3、SF11、SF12、SF13接触器QA1、QA11、QA12、QA21、QA22QA

16、1、QA12、QA22西门子接触器3TF4022-0XM09AAC220VQA11、QA21接触器3TF4011-0XB09AAC24V电动机MA1、MA2型号：ZD22-4,功率：1.5KW,电压：380V,电流：4.3A,转速：1380r/min,50Hz,制动转矩：19.6N.m.B级绝缘,Y型接法中间继电器KF3、KF4、KF5启动结束继电器KF2热继电器BB1、BB2TK-E02T-C热继电器过载58A熔断器FA1、FA2熔断电流40A断路器QA0断路器QAQDZ30-32小型断路器额定电流至32A的保护线路中作过载、短路保护3,限制系统的软件设计3.1 限制系统的局部程序设计程序的

17、编写是本设计另一个重要的局部,编写程序前不仅需要清楚的了解设计远离和每局部要实现的功能,而且要熟练的运用编程软件并对程序结构有很好的掌握.怎么样编写出准确又精简的程序是软件设计的一个挑战.下面就是针对这个设计编写的程序块.该程序要实现的功能就是一台软启动器限制两台电机的软启动和自由停车.3.2 .S7-200I/O分配表S7-200I0.0-I0.7Q0.0-Q0.7I1.0-I1.7Q1.0-Q1.13.3.I/O点及其对应的PLC地址输入点输出点QA1启动按钮SF2I0.0MA1启动线路接触器QA11Q0.0QA1停止按钮SF1I0.1MA1旁路接触器QA12Q0.1MA1启动按钮SF12

18、I0.2MA2启动线路接触器QA21Q0.2MA1停止按钮SF11I0.3MA2旁路接触器QA22Q0.3MA2启动按钮SF22I0.4电源线路接触器QA1Q0.4MA2停止按钮SF21I0.5说明：隔离继电器KF1:M0.0o启动结束继电器KF2:M0.1.中间继电器KF3:M0.2.中间继电器KF4:M0.3.中间继电器KF5:M0.4.启动指示灯：Q0.5.停止指示灯：Q0.6.运行指示灯：Q0.7MA1热继电器BB1I0.6MA2热继电器BB2I0.73.4. PLC端子接线图如图3-3图所示,该电路使用处理器为CPU224型,那么电路CPU外围端子接线图如下列图所示,根据主电路及其限

19、制电路,通过各指示灯提示,到达电路限制目标及要求.线线线线QA°启动指运行指备用线圈圈圈圈举示灯示灯圈120/240VDC1LQ0.OQ0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.63LQ0.7Q1.0Q1.1士NL1AC>LJ1M0.00.102030.40.50.60.72M1.01.11.21.31.41.5ML+SF2SF12SF22BB1000000000000000000SF1SF11SF21BB2QA1QA1MAMAMA2MA2MA1MA224VDC启停启停启停热继动止动止动止电器图3-4CPU224外围端子接线3.5. 系统简易工作流程图如图3-4图所示,当

20、系统开始工作,根据电路原理正常启动,启动开始按钮,发出信号启动SF2,接通电路,这时启动SF12MAi软启动.SF22MA2软启动,这时看确定电机是否正常工作.当启动该软启动器时,必须先接通电源线路先合上断路器QAQ按SF2按钮,接触器QA1线圈通电并自锁,软启动器的进线电源上电.假设启动第一台电动机MA1,按启动按钮SF12,接触器QA11线圈通电,中间继电器KF5线圈通电,启动信号参加软启动器,隔离继电器KF1触点接通,中间继电器KF3线圈通电,KF3敞开触点使QA11自锁,电动机软启动开始.当启动结束时,软启动器的结束继电器开放触点闭合,中间继电器KF4线圈通电,KF4常开触点使旁路接触

21、器QA12线圈通电自锁,此时,QA11和QA12均接通.接启动器旁路后,使隔离继电器KF1触点断开,启动结束后继电器KF2触点也断开,KF3线圈断电,KF3常开触点使QA11线圈自锁回路断开,QA11线圈十点,第一台电动机从软启动器上切除,此时软启动器处于空闲状态.同理,假设对第二台电动机软启动,那么按启动按钮SF22.假设使第一台电动机停机,按停止按钮SF11,那么QA12线圈失电,主触点断开,电动机自由停机.第二台电动机的启、停限制过程分析与上述类似.1.启动SF12MA1软启动*1Hs换MAI旁路工作MAI正k.常工作-J-.-i图3-5启动SF22MA2软启动J-Z换MA2旁路；l工作

22、<MA2正常工作_一_1:系统工作流程图J_/启动SF2接线l电源线路开始4.总结这篇论文针对软启动器限制两台电动机软启动及自由停车要求,设计了一套由PLC电动机、软启动器、编码器、等主要设备构成的限制系统,克服了传统继电器接触式限制系统普遍存在的效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点,可实现高效节能、自动可靠、维护简单、治理方便的可编程限制器限制系统.设计中使用西门子公司开发的S7-200PLC实现对两台电动机的启动及自由停车的精确限制.随着大规模集成电路和微处理器的开展和应用,可编程限制器的飞速开展及其强大的功能使它成为工业自动化的技术之柱之一,在工业自动控制领域占有十分重要的地位.

23、但是,虽然可编程限制器比传统的继电器具有诸多的优势,取代了继电器,可它所取代的主要是逻辑限制局部,而电气限制系统中的信号采集和驱动输出局部仍然完成不了.所以PLC限制技术在逐步开展和走向成熟的过程中,仍然有必要对其进行更深入的研究.通过学习现代电气限制及PLC应用技术这门课程,我能综合运用PLC技术,在PLC课程中的所学到的理论知识来完成设计和分析电路,熟悉了工程实践中电子电路的设计方法和标准,到达综合应用电子技术的目的.这次课程设计,是一次理论与实践的结合,也可以说让我们平时的积累得到一次施展,加深了对PLC技术的理解和应用,明白了所学知识的重要性和自己理论知识的欠缺,增加了自己对所学课程的

24、兴趣.在做课程设计的过程中,我真正的体会到了学校开设这门颗的目的和必要性的所在.由于在平时的课堂学习和上机进行的实验操作中.同学们都是在编好的实验指导书的指导下进行操作的,有时不是很明白也可以得到正确的结果.所以一个学期下来,自己究竟掌握了多少知识自己也不知道.而课程设计就能够让我们知道自己的缺乏从而进行查漏补缺,把以前掌握不熟的理论知识或是软件的运用掌握熟练.对它们都有一个整体的系统把握,从而更好的去理解这些知识到达一个新的熟悉高度.另外,就是课程设计的理论于实践的结合,使我们把学到的知识应用到实际操作之中去.当然,在实际操作中我也遇到了很多问题,难以解决：首先,就是单台软启动器限制两台电机的原理以及电路原理图的绘画.虽然