基于PLC的电动机制动控制系统设计

目 录

1 课题介绍 .................................................................................................................................................... 2

1.1 题目 ................................................................................................................................................ 2 1.2 背景介绍 ........................................................................................................................................ 2 2 总体方案设计 ............................................................................................................................................ 4

2.1 设计目的 ........................................................................................................................................ 4 2.2 控制要求 ........................................................................................................................................ 4 2.3 设计要求 ........................................................................................................................................ 4 3 硬件设计 ................................................................................................................................................... 4

3.1 硬件方案框图................................................................................................................................. 4 3.2 硬件选型 ........................................................................................................................................ 5 3.3 主电路原理图的设计 ..................................................................................................................... 5 3.4 控制电路原理图的设计 ................................................................................................................. 6 4 软件设计及调试 ........................................................................................................................................ 8

4.1 控制系统的I/O点及地址分配 ..................................................................................................... 8 4.2系统工作流程框图 .......................................................................................................................... 8 4.3 系统调试 ...................................................................................................................................... 10 5 总结 .......................................................................................................................................................... 12 参考文献 ..................................................................................................................................................... 14 致谢 .............................................................................................................................................................. 15 附录 .............................................................................................................................................................. 16

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线 ： 号 学 ：订名 姓 ： 级 班 业 专装 ： 院 学 摘 要

安徽农业大学经济技术学院

《电气控制与可编程控制器》课 程 设 计 任 务 书

题目 基于PLC的电动机制动控制系统设计与调试 专业、班级 电气08-2 班 学号 2008010202 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：

一、主要内容

1.熟悉题目、收集资料，充分了解技术要求，明确设计任务； 2.总体设计。正确选定设计方案，画出系统总体结构框图；

3.硬件设计。选择电器元器件，确定电器元器件明细表。用CAD画出电气原理图，并作简要分析；

4.软件设计。根据控制要求确定I/O分配表，画出系统工作流程图，设计程序及编写程序说明，给出编程原件明细表等；

5.系统调试；

6.整理编写课程设计说明书。 二、课题要求 1.控制要求

三相笼型异步电动机具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制。 2.设计要求

1）控制系统采用PLC来实现；

2）提供短路、过载、联锁等保护措施； 3）具有紧急停车功能； 三、基本要求

1．根据题意, 用CAD画出电气原理图和PLC端子接线图。设计要合理，画图要规范标准。

2．完成程序的编写工作,并利用模拟器和实验室设备完成调试工作。

3. 完成课程设计说明书一份，阐明设计任务与依据，设计原则、方法、设计方案与成果，并力求论证充分、简明通顺、条理清晰、逻辑性强。 四、主要参考文献

王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京航空航天大学出版社.

指导教师签名： 课程负责人签名：

2012年 5 月 10日

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摘 要

1 课题介绍

1.1 题目

基于PLC的电动机制动控制系统设计与调试

1.2 背景介绍

可编程序控制器简称PLC，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置，它已成功地应用于工业中几乎所有领域，能完成从重复开关控制单一机器到复杂的制造加工控制的许多控制任务。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

三相异步电动机从切除电源到完全停止旋转，由于惯性的作用，总要经过一段时间，这往往不能适应某些机械工艺的要求。如万能铣床、卧床铣床和组合机床等。无论是从提高生产效率，还是从安全及准确定位等方面考虑，都要求能迅速停车，因此要求对电动机进行制动控制。制动控制方法一般有两大类：机械制动和电气制动。机械制动使用机械装置来强迫电动机迅速停车； 制动实质上是当电动机停车时，给电动机加上一个与原来旋转方向相反的制动转矩，迫使电动机转速迅速下降。

与传统的控制相比，继电器控制系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，是设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短、系统可靠性差。可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），简称PLC，PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，仅有个别之处有些不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本也是相同的；但PLC的控制与继电器的控制又有根本不同之处，主要表现在一下几个方面：

1）控制逻辑：继电器控制采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间及电器等组合程控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障

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页脚内容摘 要

率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4~8对触点，因此灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，起控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称做“软接线”，因此灵活性和可扩展性很好。

2）工作方式：电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合它属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出的，所以它属于串行工作方式。

3）可靠性和可维护性：继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

4）控制速度：继电气控制逻辑依靠触电的机械动作实现控制工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于悟出点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级，且不会出现抖动。

5）定时控制：继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体整荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001s，最长几乎没有限制，用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软元件来控制定时时间。

6）设计和施工：使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。

从以上几个方面比较可知，PLC在性能上比继电气控制逻辑优异，特别是可

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摘 要

靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。但在很小的系统中使用时，价格要高于继电气系统。

2 总体方案设计

2.1 设计目的

1）学会用PLC控制主电路实现电动机正反转，达到综合应用PLC的目的； 2）学会用CAD制图；

3）学会用PLC S7-200编程软件，通过编写的程序，完成对主电路的控制； 4）学会整理并制作课程设计报告，为毕业设计报告做准备。

2.2 控制要求

三相笼型异步电动机具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制。

2.3 设计要求

1）控制系统采用PLC来实现；

2）提供短路、过载、联锁等保护措施； 3）具有紧急停车功能。

3 硬件设计

3.1 硬件方案框图

如图3-1所示，系统通过S7-200可控制器及按钮来实现对电动机的控制，同时通过人机界面来进行监视与调节，从而达到电动机可靠、安全、稳定的运行。

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摘 要

控制按钮 S7-200 可编程控制器 人机界面 执行器件 （接触器、继电器、指示灯） 电动机

图3-1 系统硬件方框图

3.2 硬件选型

表3-1 系统元器件表

器件名称 电动机 按钮 符号名称 MA SF1(停止，红色) SF2(正转启动，绿色) SF3(反转启动，黑色) QA1，QA2，QA3 BB QA0 BS1(正转)，BS2（反转） R（三个） L1（绿色）、L2（黄色） S7-200 型号 Y-801-4 LA4-2H 参数 P=0.55KW，U=380V U=400V 接触器 热继电器 断路器 速度继电器 电阻 指示灯 PLC CJ10-10 JR0-20/3 DZ20Y-100 JY1 E12系列 LAS4 CPU222 U=380V，I=10A I=1.6A 触点电流I≤2A，U≤500V 0.24 k 220V AC/DA/继电器输出 页脚内容17

摘 要

3.3 主电路原理图的设计

L1QA0L2L3QA1QA2QA3BBMAM3~RA×3BS图3-2 系统主电路原理图

主电路原理如图3-2所示，具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制线路。图中RA是反接制动电阻，在电动机启动时其降压启动的功能，在电动机制动是起着降低反接制动电流的作用；QA1、QA2、QA3三个接触器用于控制电动机的启动、正反转和制动，具有低电压释放保护功能，具有比工作电流大数倍乃至十几倍的接通分断能力，但是不能分断短路电流；BB利用电流的热效应原理以及发热元件热膨胀原理设计，实现三相交流电动机的过载保护。

3.4 控制电路原理图的设计

系统控制原理如图3-3所示，正转启动按钮SF2、反转启动按钮SF3、停止按钮SF1、速度继电器正转常开触点BS1、速度继电器反转常开触点BS2、热继电器BB常闭触点分别接PLC的输入端，接触器QA1、QA2、QA3、正常指示灯L1、故障指示灯L2分别接PLC的输出端。通过所编程序实现对电动机的控制。

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摘 要

CPU222AC/DC/继电器QA1QA2QA3N(-)L(+)N(-)L(+)正常指故障指示灯L1示灯L2120/240VAC电源1L0.00.10.2.2L0.30.40.5NL1ACL+1M0.00.10.20.32M0.40.50.60.7Mnn24VDC传感器电源输出SF1SF2SF3BB

BS1BS2图3-3 系统PLC接线端子图

软元件是PLC内部的具有一定功能的期间，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。例如，输入继电器是由输入电路和输入映像寄。存器构成；定时器和计数器也都是有特定功能的寄存器构成。它们都具有继电气特性，但没有机械性的触点。为了把这种元器件传与统电气控制电路中的继电器区别开来，我们把它们称作软元件或软继电器。这些软继电器最大的特点是：看不见、摸不着的，也不存在物理性的触点；每个软元件课提供无限多个常开触点和常闭触点；体积小、功耗低、寿命长。

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4 软件设计及调试

4.1 控制系统的I/O点及地址分配

表4-1 控制系统I/O点分配表 输入口 停止按钮：SF1 正转启动按钮：SF2 反转启动按钮：SF3 热继电器：BB I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 输出口 线圈接触器(正转启动，反转制Q0.0 动)：QA1 线圈接触器（反转启动，正转制Q0.1 动）：QA2 线圈接触器（全压运行）QA3 Q0.2 指示灯（正常运行）：L1 指示灯（故障）：L2 备注： 中间继电器KF1：M0.0 中间继电器KF2：M0.1 中间继电器KF3：M0.2 中间继电器KF4：M0.3 Q0.3 Q0.4 速度继电器(正转常开触I0.4 点)：n1 速度继电器（反转常开触I0.5 点）：n2

4.2系统工作流程框图

系统的工作流程如图4-1所示，按下正转启动按钮SF2，使中间继电器线圈带电，通过中间继电器使接触器QA1线圈带电常开触点闭合，使定子绕组经3个电阻接通正序三相电源，电动机MA开始降压启动。当电动机转速上升到一定值时，速度继电器的正转常开触点闭合，通过中间继电器控制接触器QA3线圈带电，使其常开触点闭合，于是三个电阻被短接，定子绕组直接加以额定电压，电动机转速上升到稳定工作转速。在电动机正常运转的过程中，若按下停止按钮SF1,则QA1、QA3线圈相继断电，由于此时电动机转子的惯性转速仍然很高，使速度继电器的正转常开触点尚未复原，中间继电器仍处于工作状态，所以在接触器QA1常闭触点复位后，接触器QA2线圈便通电，其常开触点闭合，使定子绕组经3个

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摘 要

电阻获得反相序三相交流电源，对电动机进行反接制动，电动机转速迅速下降。当电动机转速低于速度继电器动作值时，速度继电器常开触点复位，中间继电器线圈掉电，接触器QA2释放，反接制动过程结束。电动机反向启动及制动与正向相同。

开始 按下启动按钮SF2/SF3 接触器QA1/QA2闭合，电动机降压启动 N BS1/BS2闭合 Y 接触器QA3闭合，电动机全压运行 按下SF1 N Y 接触器QA1/QA2，QA3断开，QA2/QA1闭合 BS1/BS2断开 Y QA2/QA1断开，电动机MA停转

图4-1 系统工作流程框图

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N 摘 要

4.3 系统调试

系统程序见附录

系统调试结果如下图所示：

图4-2 电动机的正向降压启动

图4-3 电动机正转全压运行

图4-4 按下停止按钮

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摘 要

图4-5 电动机正转停止时反接制动

图4-6 电动机反向启动

图4-7 电动机反向全压运行

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摘 要

图4-8 电动机反向停止时反接制动

图4-9 电动机停止运行

图4-10 系统出现故障时

5 总结

本次课程设计是大学阶段在毕业设计之前的最后一次较为难得的理论，为之

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摘 要

后的毕业设计奠下基础的一次机会。通过这次比较完整的设计出三相笼型异步电动机具有反接制动电阻可逆反接制动的控制，我摆脱了单纯的块状理论知识状态，通过这次设计的要求，锻炼了我综合学习的能力，遇到问题积极思考主动寻找解决方案，增强了自己解决问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等专业能力水平。通过PLC控制电动机实现电动机正向降压启动与反接能耗制动以及反向运转及制动等达到一定的标准，对电动机的过载、过电流、欠电压等的保护使电动机能够安全稳定的运行。通过这次课程设计，提高了我的意志力和品质力，提高了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我希望得到的，也为下学期的毕业设计打下基础。

虽然这次课程设计时间只有短短的三周时间，要达到非常完美是很困难的，但自己尽量使这次设计接近完美，通过是很困难的，但自己尽量使这次设计接近完美，通过与孔老师的沟通和交流，我了解到此系统的设计核心，设备的选用标准，以及各种器件的适用性。我的能力也得到了提高，提高是有限的但是提高也是全面的，正式这一次设计让我积累了无数次的脑中模拟运行经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更好的应变能力，更强的沟通能力和理解能力。非常感谢孔老师的知道和帮助，也感谢江老师给我这次做有关PLC课题课程设计的机会。

顺利完成这次课程设计给了我很大的信心，让我了解了专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。无论PLC控制电动机正反转系统怎么复杂，都可以采用新的技术和设备去解决这些问题，它有着很多的优越性。

这次课程设计能够顺利完成，是因为在课程设计当中我得到了许多人的帮助，有老师还有我们这一组成员努力。虽然中间有着不完美，但却是我们自己不断的查阅资料、思考和动手的结果。通过这几周的忙碌，加上我们小组成员的积极讨论，这次课程设计已经接近尾声了。在此，我由衷的感谢老师跟各位同学的帮助。

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摘 要

参考文献

[1]韩顺杰,蔡长青.电气控制技术[M].北京:北京大学出版社,2010 [2]杨亚萍,陈北莉.电气控制与PLC[M].北京:化学工业出版社,2009

[3]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].第二版.北京:化学工业出版社,2008 [4]方承远.工厂电气控制设计[M].第二版.北京:机械工业出版社,2005 [5]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器技术[M].南京:东南大学出版社,2004 [6]钟肇新,范建东.可编程控制器原理及应用.[M].广州:华南理工大学出版社,2003 [7]王亚欣.全自动洗衣机的PLC控制[J].科技广场,2004

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致谢

为期两周的PLC课程设计让我收获了不少。最难的是设计程序方面，有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。本次实训脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做实训项目的过程中要不停的讨论问题，这样，我们组员可以尽可能的统一思想，这样就不会使在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。

感谢学校老师给我们这次机会，他们为了我们能学好知识付出了很多，无论是时间还是精力，都让我们深深感动。我们一定不服他们的希望，努力成才。也感谢我们小组的组员，没有他们我更不可能圆满完成任务，只有团结才能真正攻克难题。

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摘 要

附录

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