基于PLC控制系统课程设计毕业论文.pdf

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1、毕 业 设 计（论文）课题：基于 PLC 电机控制系统设计摘摘要要可 编 程 序 控 制 器（PLC）是 综 合 了 计 算 机 技 术，自 动化 控 制 技 术 和 通 信 技 术 的 一 种 新 型 的、通 用 的 自 动 控 制装 置。它 具 有 功 能 强，可 靠 性 高，操 作 灵 活，编 程 简 单一 级 适 合 于 工 业 环 境 等 一 系 列 优 点，在 工 业 自 动 化，过程 控 制，机 电 一 体 化，传 统 产 业 技 术 改 造 等 方 面 的 应 用越 来 越 广 泛，已 成 为 现 在 工 业 控 制 的 三 大 支 柱 之 一。PLC 应 用 技 术 发 展

2、迅 速，在 工 业 控 制 的 众 多 领 域 都 得到 广 泛 的 应 用；特 别 是 在 机 车 电 气 控 制 系 统 量 运 用。为此 我 通 过 课 堂 上 所 学，采 用 PLC对 三 相 异 步 电 动 机 进 行控 制。此 举 措 不 仅 方 便 操 作 而 且 在 电 气 系 统 运 行 可 靠 性有 了 显 著 提 高。关 键 词：PLC，电 机 控 制，交 流 电 机。目目 录录I/25.摘 要 I目 录 I第 一 章 绪 论 11.1 计 研 究 背 景 与 意 义 11.2 PL C 的 发 展 趋 势 21.3电 机 的 发 展 趋 势 4第 二 章 三 相 异 步

3、 电 动 机 52.1三 相 异 步 电 动 机 的 基 本 结 构 62.2三 相 异 步 电 动 机 的 工 作 原 理 72.2.1转 子 的 转 动 原 理 72.2.2旋 转 磁 场 的 产 生 82.2.3三 相 异 步 电 动 机 的 基 本 原 理 8第 三 章 系 统 设 计 方 案 93.1总 体 设 计 方 案 93.1.1设 计 目 的 93.1.2控 制 要 求 103.1.3设 计 要 求 103.2硬 件 设 计 103.2.1硬 件 选 型、参 数 103.2.2PLC 的 选 择 113.2.3PLC 的 介 绍 与 特 点 123.3软 件 设 计 163.

4、3.1控 制 系 统 的 I/O 点 与 地 址 分 配 163.3.2系 统 工 作 流 程 框 图 17第 四 章 三 相 异 步 电 动 机 正 反 转 PL C 控 制 184.1三 相 异 步 电 动 机 正 反 转 PL C 控 制 线 路 图 184.2三 相 异 步 电 动 机 正 反 转 PL C 控 制 的 程 序21总 结 21致 22参 考 文 献 230/25.第第一一章章绪绪 论论1.11.1 计计 研研 究究 背背 景景 与与 意意 义义可 编 程 序 控 制 器（PLC）是 综 合 了 计 算 机 技 术，自 动 化 控 制技 术 和 通 信 技 术 的 一 种

5、 新 型 的、通 用 的 自 动 控 制 装 置。它 具 有 功能 强，可 靠 性 高，操 作 灵 活，编 程 简 单 一 级 适 合 于 工 业 环 境 等 一系 列 优 点，在 工 业 自 动 化，过 程 控 制，机 电 一 体 化，传 统 产 业 技术 改 造 等 方 面 的 应 用 越 来 越 广 泛，已 成 为 现 在 工 业 控 制 的 三 大 支柱 之 一。三 相 异 步 电 动 机 的 应 用 几 乎 涵 盖 了 农 业 生 产 和 人 类 生 活 各个 领 域，在 这 些 应 用 领 域 中，三 相 异 步 电 动 机 常 常 运 行 在 恶 劣 的环 境 下，导 致 产 生

6、 过 流、短 路、断 相、绝 缘 老 化 等 事 故。对 于 应用 于 大 型 工 业 设 备 重 要 场 合 高 压 电 动 机、大 功 率 电 动 机 来 说，一旦 发 生 故 障 所 造 成 的 损 失 无 法 估 量。在 生 产 过 程，科 学 研 究 和 其 他 产 业 领 域 中，电 气 控 制 技 术 应用 十 分 广 泛。在 机 械 设 备 的 控 制 中，电 气 控 制 也 比 其 他 的 控 制 方法 使 用 的 更 为 普 遍。本 系 列 的 控 制 是 采 用 PL C 的 编 程 语 言 梯 形 语 言，梯 形 语言 是 在 可 编 程 控 制 器 中 的 应 用 最

7、 广 的 语 言，因 为 它 在 继 电 器 的 基础 上 加 进 了 许 多 功 能、使 用 灵 活 的 指 令，使 逻 辑 关 系 清 晰 直 观，编 程 容 易，可 读 性 强，所 实 现 的 功 能 也 大 大 超 过 传 统 的 继 电 器 控制 电 路。可 编 程 控 制 器 是 一 种 数 字 运 算 操 作 的 电 子 系 统，它 是 专为 在 恶 劣 工 作 环 境 下 应 用 而 设 计。它 采 用 可 编 程 序 的 存 储 器，用来 在 部 存 储 执 行 逻 辑 运 算、顺 序 控 制，定 时、计 数 和 算 术 等 操 作的 指 令，并 采 用 数 字 式、模 拟

8、式 的 输 入 和 输 出，控 制 各 种 的 机 械或 生 产 过 程。本 文 设 计 了 三 相 异 步 电 动 机 的 PL C 控 制 电 路，该电 路 主 要 以 性 能 稳 定、简 单 实 用 为 目 的。1/25.1.2 PLC1.2 PLC的的 发发 展展 趋趋 势势长 期 以 来，PL C 始 终 处 于 工 业 自 动 化 控 制 领 域 的 主 战 场，为各 种 各 样 的 自 动 化 控 制 设 备 提 供 了 非 常 可 靠 的 控 制 应 用。它 能 够为 自 动 化 控 制 应 用 提 供 安 全 可 靠 和 比 较 完 善 的 解 决 方 案，适 合 于当 前

9、工 业 企 业 对 自 动 化 的 需 要。进 入 20 世 纪 80 年 代，由 于 计 算机 计 数 和 微 电 子 技 术 的 迅 速 发 展，极 大 的 推 动 了 PL C 的 发 展，使的 PL C 的 功 能 日 益 增 强。PL C 是 一 种 固 态 电 子 装 置，它 利 用 已 存入 的 程 序 来 控 制 机 器 的 运 行 或 工 艺 的 工 序。PL C 通 过 输 入/输 出（I/O）装 置 发 出 控 制 信 号 和 接 受 输 入 信 号。由 于 PL C 综 合 了 计算 机 和 自 动 化 技 术，所 以 它 发 展 日 新 月 异，大 大 超 出 其 出

10、 现 时 的技 术 水 平。它 不 但 可 以 很 容 易 地 完 成 逻 辑、顺 序、定 时、计 数、数 字 运 算、数 据 处 理 等 功 能，而 且 可 以 通 过 输 入 输 出 接 口 建 立 与各 类 生 产 机 械 数 字 量 和 模 拟 量 的 联 系，从 而 实 现 生 产 过 程 的 自 动控 制。特 别 是 超 大 规 模 集 成 电 路 的 迅 速 发 展 以 与 信 息、网 络 时 代的 到 来，扩 大 了 PL C 的 功 能，使 其 具 有 很 强 的 的 联 网 通 讯 能 力，从 而 更 广 泛 地 应 用 于 众 多 行 业。它 的 发 展 趋 势 主 要

11、向 几 个 方 面 发 展：1 向 高 速 度、大 容 量 方 向 发 展为 了 提 高 PL C 的 处 理 能 力，要 求 PL C 具 有 更 好 的 响 应 速 度 和更 大 的 存 储 容 量。目 前，有 的 PLC 的 扫 描 速 度 可 达 0.1m s/k 步 左右。PL C 的 扫 描 速 度 已 成 为 很 重 要 的 一 个 性 能 指 标。在 存 储 容 量 方 面，有 的 PL C 最 高 可 达 几 十 兆 字 节。为 了 扩 大存 储 容 量，有 的 公 司 已 使 用 了 磁 泡 存 储 器 或 硬 盘。2 向 超 大 型、超 小 型 两 个 方 向 发 展当

12、前 中 小 型 PL C 比 较 多，为 了 适 应 市 场 的 多 种 需 要，今 后 PL C要 向 多 品 种 方 向 发 展，特 别 是 向 超 大 型 和 超 小 型 两 个 方 向 发 展。现 已 有 I/O 点 数 达 14 33 6 点 的 超 大 型 PL C，其 使 用 32 位 微 处 理器，多 CP U 并 行 工 作 和 大 容 量 存 储 器，功 能 强。2/25.小 型 PLC 由 整 体 结 构 向 小 型 模 块 化 结 构 发 展，使 配 置 更 加 灵活，为 了 市 场 需 要 已 开 发 了 各 种 简 易、经 济 的 超 小 型 微 型 PL C，最

13、小 配 置 的 I/O 点 数 为 8 16 点，以 适 应 单 机 与 小 型 自 动 控 制 的需 要，如 三 菱 公 司 系 列 PL C。3 PLC 大 力 开 发 智 能 模 块，加 强 联 网 通 信 能 力为 数 模 块、温 度 控 制 模 块、远 程 I/O 模 块、通 信 和 人 机 接口 模 块 等。这 些 带 CP U 和 存 储 器 的 智 能 I/O 模 块，既 扩 展 了 PL C功 能，又 使 用 灵 活 方 便，扩 大 了 PL C 应 用 围。加 强 PL C 联 网 通 信 的 能 力，是 PL C 技 术 进 步 的 潮 流。PL C 的 联 网通 信 有

14、 两 类：一 类 是 PL C 之 间 联 网 通 信，各 PLC 生 产 厂 家 都 有 自己 的 专 有 联 网 手 段；另 一 类 是 PLC 与 计 算 机 之 间 的 联 网 通 信，一般 PL C 都 有 专 用 通 信 模 块 与 计 算 机 通 信。为 了 加 强 联 网 通 信 能力，PL C 生 产 厂 家 之 间 也 在 协 商 制 订 通 用 的 通 信 标 准，以 构 成 更大 的 网 络 系 统，PL C 已 成 为 集 散 控 制 系 统（DC S）不 可 缺 少 的 重要 组 成 部 分。4 增 强 外 部 故 障 的 检 测 与 处 理 能 力根 据 统 计

15、资 料 表 明：在 PLC 控 制 系 统 的 故 障 中，CPU 占5%，I/O 接 口 占 15%，输 入 设 备 占 45%，输 出 设 备 占 30%，线 路 占5%。前 二 项 共 20%故 障 属 于 PL C 的 部 故 障，它 可 通 过 PL C 本 身 的软、硬 件 实 现 检 测、处 理；而 其 余 80%的 故 障 属 于 PL C 的 外 部 故障。因 此，PLC 生 产 厂 家 都 致 力 于 研 制、发 展 用 于 检 测 外 部 故 障的 专 用 智 能 模 块，进 一 步 提 高 系 统 的 可 靠 性。5 编 程 语 言 多 样 化在 PLC 系 统 结 构

16、 不 断 发 展 的 同 时，PL C 的 编 程 语 言 也 越 来 越丰 富，功 能 也 不 断 提 高。除 了 大 多 数 PL C 使 用 的 梯 形 图 语 言 外，3/25.为 了 适 应 各 种 控 制 要 求，出 现 了 面 向 顺 序 控 制 的 步 进 编 程 语 言、面 向 过 程 控 制 的 流 程 图 语 言、与 计 算 机 兼 容 的 高 级 语 言（BA SI C、C 语 言 等）等。多 种 编 程 语 言 的 并 存、互 补 与 发 展 是 PL C 进 步 的一 种 趋 势。1.31.3电电 机机 的的 发发 展展 趋趋 势势现 代 化 装 备 向 电 机 工

17、 业 踢 出 各 种 各 样 高 性 能 要 求，如 军 事准 备 要 求 提 供 给 各 种 高 性 能 信 号 电 机，移 动 电 站，自 动 化 装 备 用伺 服 系 统 与 电 机，航 空 航 天 用 高 性 能，高 可 靠 性 永 磁 电 机，花 钱设 备 用 高 调 速 精 度 变 频 调 速 同 步 电 动 机，数 控 机 床，加 工 中 心，机 器 人 用 高 调 速 比 稀 土 永 磁 伺 服 电 机，计 算 机 用 高 精 度 摆 动 电 机与 主 轴 电 机 等 等。电 机 所 驱 动 的 负 载 千 变 万 化，如 果 全 部 采 用 通用 型 电 动 机 在 某 些

18、情 况 下，技 术 经 济 很 不 合 理，因 此 国 外 大 力 发展 专 用 电 动 机，专 用 电 机 约 占 总 产 量 的 80%，通 用 机 占 20%。而我 国 恰 恰 相 反，专 用 电 机 只 占 20%，通 用 型 电 机 占 80%。专 用 电机 是 根 据 不 同 负 载 特 性 专 门 设 计 的，如 油 田 用 抽 油 机 专 用 稀 土 永磁 电 机，节 电 率 高 达 20%。国 外 提 高 电 动 机 效 率 的 主 要 途 径 是 通过 对 异 步 电 动 机 的 优 化 设 计，增 加 铜 铝 电 工 钢 板 等 有 效 材 料 用量，降 低 绕 组 损

19、耗 和 铁 耗，采 用 较 好 的 磁 性 材 料 和 工 艺，以 降 低铁 耗；合 理 设 计 通 风 结 构 和 选 用 高 性 能 轴 承，降 低 机 械 损 耗；通过 改 进 设 计 和 工 艺，降 低 杂 散 损 耗，国 外 已 开 发 出 高 效 异 步 电 动机。根 据 我 国 国 情，高 性 能 的 稀 土 永 磁 材 料 以 实 现 产 业 化，钕 铁硼 的 产 量 现 已 居 世 界 第 一 位，钕 铁 硼 的 价 格 也 趋 向 合 理。所 以 发展 永 磁 同 步 电 动 机 是 新 世 纪 电 机 工 业 技 术 发 展 趋 势 之 一。此 外，国 外 微 电 机 主

20、 要 技 术 发 展 趋 势 是：产 品 向 高 性 能，小 体 积 方 向 发展；直 流 微 电 机 向 永 磁 化 和 无 刷 话 方 向 发 展；控 制 类 微 电 机 向 高性 能 和 组 合 化 方 向 发 展；生 产 技 术 向 集 约 化，柔 软 化，自 动 化 方向 发 展；测 试 技 术 向 高 级 自 动 化 发 展。当 前 步 进 电 机 中 最 有 发 展 前 景 的 当 属 混 合 式 步 进 电 机，而 混4/25.合 式 步 进 电 机 又 向 一 下 四 个 发 展 趋 势：发 展 趋 势 之 一，是 继 续 沿 着 小 型 化 放 方 向 发 展。随 着 步

21、进 电机 本 身 应 用 领 域 的 拓 宽 以 与 各 类 整 机 的 不 断 小 型 化，要 求 与 之 配套 的 电 动 机 也 必 须 越 来 越 小，如 ES CA P 公 司 研 制 出 外 径 仅 10 mm的 步 进 电 机。发 展 趋 势 之 二，是 改 圆 形 电 机 为 方 形 电 机。由 于 电 机 采 用 方型 结 构，使 得 转 子 有 可 能 设 计 得 比 圆 形 大，因 而 其 力 矩 体 积 比 将大 为 提 高。同 样 座 机 号 的 电 机，方 形 的 力 矩 比 圆 形 的 将 提 高30%40%。发 展 趋 势 之 三，对 电 机 进 行 综 合 设

22、 计。即 把 转 子 位 置 传 感 器，减 速 齿 轮 等 和 电 机 本 体 综 合 设 计 在 一 起，这 样 使 起 能 方 便 地 组 成一 个 闭 环 系 统，因 而 具 有 更 加 优 越 的 控 制 性 能。发 展 趋 势 之 四，向 五 相 隔 三 相 电 机 方 向 发 展。目 前 广 泛 应 用 的 二 相 和 四 相 电 机，其 振 动 和 噪 声 较 大，而 五 相 和 三 相 电 机 具 有 优 势 性。而 就 这 两 种电 机 而 言，五 相 电 机 和 驱 动 电 路 比 三 相 电 动 机 精 密 而 且 复 杂，因此 三 相 电 机 系 统 的 价 格 比

23、五 相 电 机 更 低 一 些。综 上 所 述，型 电 机正 在 向 高 效 化.专 业 化.集 成 化 的 方 向 发 展，市 场 前 景 非 常 广阔。第第二二章章三三相相异异步步电电动动机机实 现 电 能 与 机 械 能 相 互 转 换 的 电 工 设 备 总 称 为 电 机。电 机 是利 用 电 磁 感 应 原 理 实 现 电 能 与 机 械 能 的 相 互 转 换。把 机 械 能 转 换成 电 能 的 设 备 称 为 发 电 机，而 把 电 能 转 换 成 机 械 能 的 设 备 叫 做 电动 机。在 生 产 上 主 要 用 的 是 交 流 电 动 机，特 别 三 相 异 步 电 动

24、 机，因 为 它 具 有 结 构 简 单、坚 固 耐 用、运 行 可 靠、价 格 低 廉、维 护 方便 等 优 点。它 被 广 泛 地 用 来 驱 动 各 种 金 属 切 削 机 床、起 重 机、锻压 机、传 送 带、铸 造 机 械、功 率 不 大 的 通 风 机 与 水 泵 等。对于 各 种 电 动 机 我 们 应 该 了 解 下 列 几 个 方 面 的 问 题：（1）基 本 构 造；（2）工 作 原 理；5/25.（3）表 示 转 速 与 转 矩 之 间 关 系 的 机 械 特 性；（4）起 动、调 速 与 制 动的 基 本 原 理 和 基 本 方 法（5）应 用 场 合 和 如 何 正

25、确 使 用。2.12.1三三 相相 异异 步步 电电 动动 机机 的的 基基 本本 结结 构构三 相 异 步 电 动 机 由 静 止 的 定 子 和 旋 转 的 转 子 两 个 重 要 部 分 组 成，定 子 和 转 子 之 间 由 气 隙 分 开。下 图 为 三 相 异 步 电 动 机 结 构 示 意图。（a）外 形 图；(b)部 结 构 图1.定 子定 子 由 定 子 铁 心、定 子 绕 组、机 座 和 端 盖 等 组 成。机 座 的主 要 作 用 是 用 来 支 撑 电 机 各 部 件，因 此 应 有 足 够 的 机 械 强 度 和刚 度，通 常 用 铸 铁 制 成。为 了 减 少 涡

26、流 和 磁 滞 损 耗，定 子 铁 心用 0.5 mm 厚 涂 有 绝 缘 漆 的 硅 钢 片 叠 成，铁 心 圆 周 上 有 许 多 均匀 分 布 的 槽，槽 嵌 放 定 子 绕 组，如 图 下 图 所 示；6/25.2.转 子转 子 转 子 由 转 子 铁 心、转 子 绕 组、转 轴 组 成。转 子 铁 心 由厚 度 为 0.5m m 的，相 互 绝 缘 的 硅 钢 片 叠 成，硅 钢 片 外 圆 上 有 均 匀分 布 的 槽，其 作 用 是 嵌 放 转 子 三 相 绕 组。转 子 绕 组 有 两 种 形 式：鼠 笼 式-鼠 笼 式 异 步 电 动 机。绕 线 式-绕 线 式 异 步 电

27、动机。转 轴 上 加 机 械 负 载 其 中 鼠 笼 式 电 动 机 由 于 构 造 简 单，价 格 低廉，工 作 可 靠，使 用 方 便，成 为 了 生 产 上 应 用 得 最 广 泛 的 一 种 电动 机。为 了 保 证 转 子 能 够 自 由 旋 转，在 定 子 与 转 子 之 间 必 须 留 有一 定 的 空 气 隙，中 小 型 电 动 机 的 空 气 隙 约 在 0.2 1.0m m 之 间。2.22.2三三 相相 异异 步步 电电 动动 机机 的的 工工 作作 原原 理理2.2.12.2.1转转 子子 的的 转转 动动 原原 理理当 在 异 步 鼠 笼 式 电 动 机 的 定 子

28、绕 组 上 加 上 三 相 交 流 电 时，在电 机 中 将 产 生 旋 转 磁 场，该 磁 场 的 转 速 由 定 子 电 压 的 频 率 与 电 动机 极 数 所 决 定。磁 场 旋 转 时，位 于 该 旋 转 磁 场 中 的 转 子 导 条 将 切割 磁 力 线，并 在 转 子 导 条 中 产 生 相 应 的 感 应 电 流，而 此 感 应 电 流又 受 到 旋 转 磁 场 的 作 用 而 产 生 电 磁 力，使 转 子 跟 随 旋 转 磁 场 旋转，输 出 动 能。7/25.2.2.22.2.2旋旋 转转 磁磁 场场 的的 产产 生生设 将 定 子 三 相 绕 组 联 成 星 形 接

29、法，三 相 绕 组 的 首 端 u1、v1、w1 分 别 与 三 相 交 流 电 的 相 线 a、b、c 相 连 接。为 了 讨 论 方 便，选 定 交 流 电 在 正 半 周 时，电 流 从 绕 组 的 首 端 流 入，从 末 端 流 出；反 之，在 负 半 周 时，电 流 流 向 相 反。定 子 绕 组 在 三 相 交 流 电 不 同相 位 时 合 成 旋 转 磁 场。当 t=0时，a 相 电 流 为 零；b 相 电 流 为负 值，电 流 由 v2 端 流 进，v1 端 流 出；c 相 电 流 为 正，电 流 从 w1端 流 进，w2 端 流 出，根 据 右 手 螺 旋 法 则，可 以 判

30、 定 出 此 时 定 子三 相 绕 组 电 流 产 生 的 合 成 磁 场 方 向。当 t=90 时，此 时 a 相 电流 为 正，电 流 由 u1 端 流 入，u2 端 流 出；b 相 为 负，电 流 由 v2 端流 进，v1 端 流 出；c 相 为 负，电 流 从 w2 端 流 入，w1 端 流 出，这一 时 刻 合 成 磁 场 方 向 已 顺 时 针 方 向 在 空 间 转 过 了 90.同 理 可 分别 得 出 t=18 0、t=27 0和 t=36 0时 定 子 三 相 绕 组电 流 产 生 的 合 成 磁 场 方 向，t=3 60 时 与 t=0 时 的 合 成 磁 场方 向 一

31、样。由 此 可 见，电 流 变 化 一 个 周 期，合 成 磁 场 在 空 间 也 旋 转 了 一周。电 流 继 续 变 化，磁 场 也 不 断 地 旋 转。从 上 述 分 析 可 知，三 相电 流 通 过 定 子 绕 组 所 产 生 的 合 成 磁 场，是 随 电 流 的 交 变 而 在 空 间旋 转 的 磁 场。这 种 旋 转 磁 场 与 蹄 形 磁 铁 在 空 间 旋 转 所 起 的 作 用 是一 样 的。2.2.32.2.3三三 相相 异异 步步 电电 动动 机机 的的 基基 本本 原原 理理由 旋 转 磁 场 理 论 分 析 可 知，如 果 定 子 对 称 三 相 绕 组 被 施 以

32、 对 称的 三 相 电 压，就 有 对 称 的 三 相 电 流 流 过，并 且 会 在 电 机 的 气 隙 中形 成 一 个 旋 转 的 磁 场，这 个 磁 场 的 转 速 n1 称 为 同 步 转 速，它 与电 网 的 频 率 f1 与 电 机 的 磁 极 对 数 p 的 关 系 为：n1=6 0 f1/p转 向 与 三 相 绕 组 的 排 列 以 与 三 相 电 流 的 相 序 有 关，图 中 U、V、W 相 以 顺 时 针 方 向 排 列，当 定 子 绕 组 人 U、V、W 相 序 的 三 相 电 流8/25.时，定 子 旋 转 磁 场 为 顺 时 针 转 向。由 于 转 子 是 静 止

33、 的，转 子 与 旋转 磁 场 之 间 有 相 对 运 动，转 子 导 体 因 切 割 定 子 磁 场 而 产 生 感 应 电动 势，因 转 子 绕 组 自 身 闭 合，转 子 绕 组 便 有 电 流 流 通。转 子 有 功电 流 与 转 子 感 应 电 动 势 同 相 位，其 方 向 可 由 右 手 发 电 机 定 则 确 定。载 有 有 功 分 量 电 流 的 转 子 绕 组 在 定 子 旋 转 磁 场 作 用 下，将产 生 电 磁 力 F，其 方 向 由 左 手 电 动 机 定 则 确 定。电 磁 力 对 转 轴形 成 一 个 电 磁 转 距，其 作 用 方 向 与 旋 转 磁 场 方

34、向 一 致，拖 着 转 子顺 着 旋 转 磁 场 的 旋 转 方 向 旋 转，将 输 入 的 电 能 变 成 旋 转 的 机 械能。如 果 电 动 机 轴 上 带 有 机 械 负 载，则 机 械 负 载 随 着 电 动 机 的 旋转 而 旋 转，电 动 机 对 机 械 负 载 做 了 功。综 上 分 析 可 知,三 相 异步 电 动 机 转 动 的 基 本 工 作 原 理 是：（1）三 相 对 称 绕 组 人 三 相 对 称 电 流 产 生 圆 形 旋 转 磁 场。（2）转 子 导 体 切 割 旋 转 磁 场 感 应 电 动 势 和 电 流；（3）转 子 载 流 导 体 在 磁 场 中 受 到

35、 电 磁 力 的 作 用，从 而 形 成 电 磁转 距，驱使 电 动 机 转 子 转 动。第第三三章章系系统统设设计计方方案案3.13.1总总 体体 设设 计计 方方 案案3.1.13.1.1设设 计计 目目 的的1.学 会 用 PLC 控 制 主 电 路 实 现 电 动 机 正 反 转，达 到 综 合 应用 PL C 的 目 的；2.学 会 用 CA D 制 图；3.学 会 用 PL C FX 2N 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。9/25.3.1.2

36、3.1.2控控 制制 要要 求求三 相 异 步 电 动 机 具 有 反 接 制 动 电 阻 的 可 逆 运 行 反 接 制 动 控制。3.1.33.1.3设设 计计 要要 求求1.控 制 系 统 采 用 PL C 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。3.23.2硬硬 件件 设设 计计如 图 下 图 所 示，系 统 通 过 三 菱FX 2N 可 控 制 器 与 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

37、。图 3-1 为 系 统 硬 件 方 框 图 3.2.13.2.1硬硬 件件选选 型型、参参 数数10/25.表 3-1 系 统 原 件 表3.2.23.2.2PLCPLC 的的 选选 择择此 设 计 选 择 的 PL C 是 三 菱 公 司 的 产 品 FX 2N 的 PLC图 3-2 F X2 N 系 列 PL C11/25.3.2.33.2.3PLCPLC 的的 介介 绍绍 与与 特特 点点（一）PL C 的 特 点1.编 程 简 单，使 用 方 便梯 形 图 是 使 用 得 最 多 的 可 编 程 序 控 制 器 的 编 程 语 言，其 符 号 与继 电 器 电 路 原 理 图 相 似

38、。有 继 电 器 电 路 基 础 的 电 气 技 术 人 员 只 要很 短 的 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 形 象 直 观，易 学 易 懂.2.控 制 灵 活，程 序 可 变，具 有 很 好 的 柔 性可 编 程 序 控 制 器 产 品 采 用 模 块 化 形 式，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 地 进 行 系 统 配 置，组 成不 同 功 能、不 同 规 模 的 系 统。可 编 程 序 控 制 器 用 软 件 功 能 取 代 了继 电 器 控 制 系

39、 统 量 的 中 间 继 电 器、时 间 继 电 器、计 数 器 等 器 件，硬 件 配 置 确 定 后，可 以 通 过 修 改 用 户 程 序，不 用 改 变 硬 件，方 便快 速 地 适 应 工 艺 条 件 的 变 化，具 有 很 好 的 柔 性。3.功 能 强，扩 充 方 便，性 能 价 格 比 高可 编 程 序 控 制 器 有 成 百 上 千 个 可 供 用 户 使 用 的 编 程 元 件，有 很 强 的 逻 辑 判 断、数 据 处 理、PID 调 节 和 数 据 通 信 功 能，可 以实 现 非 常 复 杂 的 控 制 功 能。如 果 元 件 不 够，只 要 加 上 需 要 的 扩

40、展单 元 即 可，扩 充 非 常 方 便。与 一 样 功 能 的 继 电 器 系 统 相 比，具 有很 高 的 性 能 价 格 比。4.控 制 系 统 设 计 与 施 工 的 工 作 量 少，维 修 方 便可 编 程 序 控 制 器 的 配 线 与 其 它 控 制 系 统 的 配 线 比 较 少 得 多，故 可 以 省 下 大 量 的 配 线，减 少 大 量 的 安 装 接 线 时 间，开 关 柜 体 积缩 小，节 省 大 量 的 费 用。可 编 程 序 控 制 器 有 较 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。一 般 可 用 接

41、线 端 子 连接 外 部 接 线。可 编 程 序 控 制 器 的 故 障 率 很 低，且 有 完 善 的 自 诊 断和 显 示 功 能，便 于 迅 速 地 排 除 故 障。5.可 靠 性 高，抗 干 扰 能 力 强可 编 程 序 控 制 器 是 为 现 场 工 作 设 计 的，采 取 了 一 系 列 硬 件 和12/25.软 件 抗 干 扰 措 施，硬 件 措 施 如 屏 蔽、滤 波、电 源 调 整 与 保 护、隔离、后备 电 池 等，例如，三菱 公 司 的 FX2N 系 列 PLC 部 EE PRO M 中，储 存 用 户 原 程 序 和 预 设 值 在 一 个 较 长 时 间 段（19 0

42、 小 时），所 有中 间 数 据 可 以 通 过 一 个 超 级 电 容 器 保 持，如 果 选 配 电 池 模 块，可以 确 保 停 电 后 中 间 数 据 能 保 存 200 天。软 件 措 施 如 故 障 检 测、信息 保 护 和 恢 复、警 戒 时 钟，加 强 对 程 序 的 检 测 和 校 验。从 而 提 高了 系 统 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，可 编 程 序 控 制 器 已 被 广 大 用户 公 认 为 最 可 靠 的 工 业 控 制 设 备 之 一。6.体

43、积 小、重 量 轻、能 耗 低.（二）该 PL C 的 PL C 的 工 作 原 理：图 3-3 PLC 的 基 本 工 作，模 式当 PL C 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 CP U 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，PL C 以 扫 描 方 式 依 次 地 读入 所 有 输 入 状

44、 态 和 数 据，并 将 它 们 存 入 I/O 映 象 区 中 的 相 应 得 单13/25.元。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

45、 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 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 RA M 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

46、 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 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 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

47、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/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，PL C 就 进 入 输 出 刷 新阶 段。在 此 期 间，CPU 按

48、照 I/O 映 象 区 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。（三）PL C 的 基 本 结 构可 编 程 控 制 器（PL C）的 主 要 由 CPU 模 块、输 入 模 块、输 出 模 块和 编 程 器 组 成 如 图 下 图 所 示。14/25.图 3-3 PL C 的 基 本 结 构1.CP U 模 块CPU 模 块 主 要 由 微 处 理 器（CP U 芯 片）和 存 储 器 组 成，在 可编 程 控 制 器 系 统 中，CP U 模 块 相 当 于 人

49、的 大 脑 和 心 脏，它 不 断 地采 集 输 入 信 号，执 行 用 户 程 序，刷 新 系 统 的 输。存 储 器 用 来 储 存程 序 和 数 据。2.I/O 模 块输 入（In pu t）模 块 和 输 出（Ou tp ut）模 块 简 称 为 I/O 模 块，它们 是 系 统 的 眼、耳、手、脚，是 联 系 外 部 现 场 和 CP U 模 块 的 桥 梁。输 入 模 块 用 接 收 和 采 集 输 入 信 号，输 入 信 号 有 两 类：一 类 是 从 按钮、选 择 开 关、数 字 拔 码 开 关、限 位 开 关、接 近 开 关、光 电 开 关、压 力 继 电 器 等 开 关 量

50、 输 入 信 号；另 一 类 是 由 电 位 器、热 电 偶、测速 发 电 机、各 种 变 送 器 提 供 的 连 续 变 化的 模 拟 量 输 入/输 出 信 号电 压 一 般 较 高，如 直 流 24 V和 交 流 22 0V。从 外 部 引 入 的 尖 锐 电压 和 干 扰 噪 声 可 能 损 坏 CP U 模 块 中 的 元 器 件，或 使 用 权 可 编 程 控制 器 不 能 正 常 工 作。在 I/O 模 块 中，用光 电 耦 合 器，光电 可 控 硅、小 型 继 电 器 等 器 件 来 隔 离 外 部 输 入 电 路 和 负 载，I/O 模 块 除 了 传递 信 号 外，还 有