基于PLC电机控制系统设计论文

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毕 业 设 计（论文）

课 题：基于PLC电机控制系统设计

姓 名：

摘 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 录

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摘要I

目录I

第一章绪论1

1.1计研究背景与意义1

1.2 PLC的发展趋势2

1.3 电机的发展趋势4

第二章三相异步电动机5

2.1 三相异步电动机的基本结构6

2.2 三相异步电动机的工作原理7

2.2.1 转子的转动原理7

2.2.2 旋转磁场的产生8

2.2.3 三相异步电动机的基本原理8

第三章系统设计方案9

3.1 总体设计方案9

3.1.1 设计目的9

3.1.2 控制要求10

3..1.3 设计要求10

3.2 硬件设计10

3.2.1 硬件选型、参数10

3.2.2 PLC的选择11

3.2.3 PLC的介绍与特点12

3.3 软件设计16

3.3.1 控制系统的I/O点与地址分配16

3.3.2 系统工作流程框图17

第四章三相异步电动机正反转PLC控制18

4.1 三相异步电动机正反转PLC控制线路图18

4.2 三相异步电动机正反转PLC控制的程序

21

总结21

致22

参考文献23

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第一章 绪 论

1.1计研究背景与意义

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PLC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PLC控制电路，该

电路主要以性能稳定、简单实用为目的。

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1.2 PLC的发展趋势

长期以来，PLC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PLC的发展，使

的PLC的功能日益增强。PLC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。PLC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PLC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PLC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。

它的发展趋势主要向几个方面发展：

1．向高速度、大容量方向发展

为了提高PLC的处理能力，要求PLC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0.1ms/k步左

右。PLC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PLC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

当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC

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14336点的超大型PLC，其使用32位微处理

器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

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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PLC，

最小配置的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α系列PLC。

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CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC

功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网

通信有两类：一类是PLC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PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能

力，PLC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，PLC已成为集散控制系统（DCS）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PLC的部故障，它可通过PLC本身的

软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC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系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越

丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，

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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（BASIC、

C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的

一种趋势。

1.3 电机的发展趋势

现代化装备向电机工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

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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ESCAP公司研制出外径仅10mm

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。

第二章 三相异步电动机

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；

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（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）应用场合和如何正确使用。

2.1 三相异步电动机的基本结构

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；

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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0.5mm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0.2~1.0mm之间。

2.2 三相异步电动机的工作原理

2.2.1 转子的转动原理

当在异步鼠笼式电动机的定子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。

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2.2.2 旋转磁场的产生

设将定子三相绕组联成星形接法，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ωt=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，可以判定出此时定子

三相绕组电流产生的合成磁场方向。当ωt=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ωt=180°、 ωt=270°和ωt=360°时定子三相绕组

电流产生的合成磁场方向，ωt=360°时与ωt=0°时的合成磁场

方向一样。

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。

2.2.3 三相异步电动机的基本原理

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=60 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

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时，定子旋转磁场为顺时针转向。由于转子是静止的，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电磁力的作用，从而形成电磁

转距，驱使电动机转子转动。

第三章 系统设计方

案

3.1 总体设计方案

3.1.1 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 FX2N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。

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3.1.2 控制要求

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..1.3 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。3.2 硬件设计

如图下图所示，系统通过三菱FX2N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。

图3-1为系统硬件方框图3.2.1 硬件

选型 、 参数

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表3-1系统原件表

3.2.2 PLC的选择

此设计选择的PLC是三菱公司的产品FX2N的PLC

图3-2 FX2N系列PLC

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3.2.3 PLC的介绍与特点

（一）PLC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。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，