5台三相异步电动机顺序启动控制plc设计完整正确版

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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：孙佩佩学号： 200948050528 专业班级：机制F0904 指导教师：王宗才

2012年12月10日

内容摘要

这次以“五台三相笼型异步电动机顺序控制系统设计”为题目的课程设计分别应用继电器接触器和利用西门子公司的S7-200可编程控制器PLC做了软件与硬件的设计，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。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，最后利用

STEP7-Micro/WIN32软件完成梯形图、指令表的程序设计与调试。设计结果基本能达到控制要求，可以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。

此次课程实际结果满足要求，但在实际的设计过程中，由于缺乏实际工作的经验，可能没有完全预测到在实际生产过程中可能出现的突发情况，所以该系统的梯形图的编制还要根据实际的工况进行调整和完善。

关键词：继电器；可编程控制器；循环控制

第1章前言-------------------------------------------------------------------------------1

1.1 设计内容 --------------------------------------------------------------------------------- 1 1.2 控制要求 --------------------------------------------------------------------------------- 1 1.3 设计思路 ---------------------------------------------------------------------- 1

第2章总体方案设计 -------------------------------------------------------------------- 2

2.1 设计背景 --------------------------------------------------------------------------------- 2 2.2 设计方案 --------------------------------------------------------------------------------- 2 2.3 工作流程图 ------------------------------------------------------------------------------ 2

第3章继电接触器控制系统设计 ------------------------------------------- 3

3.1 继电器基本知识 -------------------------------------------------------------- 3 3.2 元件选择 ---------------------------------------------------------------------- 3 3.3 主电路图设计 ----------------------------------------------------------------- 3 3.4 控制电路设计 ----------------------------------------------------------------- 4

第4章 PLC控制系统设计 ----------------------------------------------------- 5

4.1 PLC基本知识 --------------------------------------------------------------- 5 4.2 确定I/O信号数量及PLC类型 --------------------------------------------------- 5 4.3 确定I/O信号地址分配及编号 ---------------------------------------------------- 6 4.4 I/O接线图 ----------------------------------------------------------------------------- 7 4.5 控制程序编制 -------------------------------------------------------------------------- 8 4.6 控制程序调试 -------------------------------------------------------------------------- 8

结论 -------------------------------------------------------------------------------------------- 10 设计总结 ----------------------------------------------------------------------------------------- 11 谢辞 -------------------------------------------------------------------------------------------- 12 附录------------------------------------------------------------------------------------------13 参考文献 ----------------------------------------------------------------------------------------- 13

第一章引言

1.1 设计内容

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.有五台电动机顺序循环控制，控制时序如表 1-1所示：

表1-1 控制时序表

一号电机二号电机三号电机四号电机五号电机 on on on on on on on on on on on on on on on on on on on on on ` on on on 秒 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2.系统可以自动循环启动 3.每台电动机可单独启停控制

4.采用机电接触器控制，完成控制电路的设计 5.采用PLC控制

（1）列出输入输出点分配表

（2）画出PLC的输入输出设备接线图

（3）利用STEP7-Micro/WIN32软件完成梯形图、指令表的程序设计与调试

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，可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。从上图可以看出，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，然后启动相应的电动机。

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。本系统是一个多台电动机的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对电动机进行控制。本系统具有一定的智能性，即它可以让五台电动机按要求自动循环运行。

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。实现每台电动机互不影响的独自启动和停止，需要每一个电动机配置一个电磁继电器，同时这个电磁继电器在独自启动的时候不受后面时间继电器的影响；要实现单独停止，就需要在每一个控制电路上串联一个常闭开关，这样在关闭的时候按此开关就可以实现单独停止。实现循环控制，可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。

2.3 工作流程图设计

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2-1工作流程图所示：（见附录1）

第3章继电接触器控制系统设计

3.1 继电器基本知识

继电器是一种电控制器件。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。依靠电磁效应，带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

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。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。

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 元件选择

继电接触器控制系统设计中需要元件明细表如表3-1 所示：

表3-1 所需元件明细表

元件名称三相笼型异步电动机热继电器时间继电器中间继电器熔断器开关元件符号 KM FR KT KA FU SB 数量 5台 5个 4个 4个 2组若干 3.3 主电路图设计

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，主电路图如图3-1所示：

图3-1 主电路图

3.4 控制电路设计

根据设计方案及工作流程图设计，设计出的控制电路图如图3-2所示（见附录2）

第4章 PLC控制系统设计

4.1 PLC基本知识

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。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以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

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用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、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。具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、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。

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。

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。

4.2 确定I/O信号数量及PLC类型

（1）通过对五台三相笼型异步电动机顺序循环控制工作流程图的分析可知，系统总共需要I/O点17个，其中输入点12个，输出点5个；

（2）对于开关量控制系统的应用系统，对控制要求不高，可选用小型PLC；

（3）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，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。

结合以上，选用最熟悉最常使用的西门子S7-200系列（CPU224）的可编程控制器。

4.3 确定I/O信号地址分配及编号

I/O信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。只有分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜及PLC的外围来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图，所以只有准确、合理的进行I/O地址的分配与编号，才方便进行后续的设计图，如表4-1所示为该控制系统的I/O地址分配表。

表4-1 I/O地址分配表

输入/输出信号名称循环启动信号全部停止信号一号电机启动信号二号电机启动信号三号电机启动信号四号电机启动信号信号名称常开按钮常闭按钮常开按钮常开按钮常开按钮常开按钮常开按钮常闭按钮常闭按钮常闭按钮常闭按钮常闭按钮接触器接触器接触器接触器接触器 I/O地址符号名称 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 SB6 SB12 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 输入信号五号电机启动信号一号电机停止信号二号电机停止信号三号电机停止信号四号电机停止信号五号电机停止信号一号电机驱动信号二号电机驱动信号输出信号三号电机驱动信号四号电机驱动信号五号电机驱动信号

4.4 I/O接线图

接线图是进行施工接线的主要技术文件，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 所示:

图4-2 I/O接线图

4.5 控制程序编制

在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。触点代表逻辑输入条件。CPU运行扫描到触点符号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存储器的读操作）。在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。（1）梯形图

STEP7-Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC的开发工具，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态。用STEP7-Micro/WIN32软件编制的该控制系统的程序梯形图如图4-3所示：（见附录3）（2）指令表

指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。语句表通常和梯形图配合使用，互为补充，将该控制系统的梯形图转化为语句表如表4-2所示：（见附录4）

4.6 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STEP 7-Micro/WIN模拟器进行了本程序的调试：

（1）将在Step 7 MicroWin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Step 7 MicroWin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；具体调试过程如图4-4所示：（见附录5）

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，尤其是继电器接触器控制系统设计中有很多中间继电器及接触器，而PLC控制系统只有很少。本次设计的思路是通过时间继电器及中间继电器的控制，使每一个时间继电器的工作时间达到要求值的，然后通过仿真设计的程序看是否能够正确的执行。

通过编程及调试，按下循环按钮，可以实现五台电动机的顺序循环控制，分别按下控制每台电动机的启动按钮，对应的电动机则可以独自启动和停止，满足课题要求。

设计总结

为期两周的课程设计就要告一段落，此次设计，我了解了五台三相笼型电动机的工作原理，控制方法。本次设计中，电路及软件实现是此次设计的主要部分，纵观整个设计过程，可以说在这一过程中我的收获很大，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案。虽然在PLC的选型及应用程序的编制方面已充分考虑了系统工作的可靠性，以确保系统可以长期稳定高效率地工作。但在实际的设计过程中，由于缺乏实际工作的经验，可能没有完全预测到在实际生产过程中可能出现的突发情况，所以该系统的梯形图的编制还要根据实际的工况进行调整和完善。

通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处，巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。对于那些要求能够扩展功能的课题更是如此。

谢辞

在这短短两周的课程设计过程中，我首先要感谢王老师的指导与督促。这两周里，老师除了上课时间，几乎天天来设计教室对我们进行指导和督促，为我们解答各种疑惑，认真仔细的指出我们犯的各种错误，同学们也很积极，与老师一起讨论研究，气氛十分激烈。王老师是一个要求高、认真谨慎的老师，对于我们，有种恨铁不成钢的感觉。俗话说，严师出高徒嘛，王老师的这种严厉也使我打起了十分的精神开始了这次课程设计，在设计过程中王老师多次指出了我的细微不足之处，同时又给我提出了许多宝贵的意见，经过多次修改，学到了不少知识，终于要顺利完成这次课程设计了。

正是由于王老师这样的精心指导，严厉要求，我才能顺利完成这次课程设计，所以，想对王老师说一声：老师，您辛苦了！

在这次课程设计里，我再次感觉到同学间的互相帮助很重要，大家一起讨论，一起研究，互相弥补不足，不仅让设计进度加快了不少，而且增进了同学间的友谊。

小小的一个课程设计不仅让我看到了老师的严谨认真的教学态度，也了解了合作的重要性，要是没有同组同学的相互探讨，相互帮组，就不可能有最后满意的成果。这样的机会越来越少了，我会好好珍惜这剩下的最后几次设计的。

附录1

图2-1 工作流程图

附录2

图路电制控 -23图

附录3

图4-3 梯形图

附录4

M1启停控制

LD M0.1 O Q0.1 O I0.2 O M0.3 AN M0.2 AN M0.4 AN I0.7 = Q0.1