吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书
一．设计题目：三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统设计
二．设计目的
1．理解三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统基本原理；
2．掌握主电路和控制电路的个电气器件功能及应用；
3．运用Autocad绘制原理图和接线图；
4．应用S7200编程方法实现。
三．设计任务及要求
1. 设计三相鼠笼式异步电动机PLC控制系统硬件电路；
2. Autocad绘制原理图和接线图；
3. 用PLC编程实现；
4．实现三相异步电动机正反转控制、星角启动控制及点动控制；
5. 撰写设计说明书。
四．设计时间及进度安排
设计时间共三周,具体安排如下表：
- I -
三相鼠笼异步电动机PLC控制系统设计
目 录
专业综合设计任务书 ··········································································· 错误！未定义书签。
第1章 绪论 ················································································································ 1
第2章 总体方案确定 ···································································································· 2
2.1 启动方式选择............................................................................... 2
2.2 控制方式选择............................................................................... 3
第3章 硬件电路设计 ···································································································· 5
3.1 主电路设计 ........................... 5
3.2 控制电路设计............................................................................... 7
3.3 器件选择 ............................... 8
3.3.1 断路器 ................................................................................ 8
3.3.2 熔断器 ................................................................................ 9
3.3.3 交流接触器 .....................................................................10
3.3.4 热继电器 .........................................................................11
3.3.5 中间继电器 .....................................................................12
3.3.6 鼠笼式异步电动机 .........................................................12
第4章 软件编程 ········································································································· 14
4.1 S7-200简介 .................................................................................14
4.2 I/O点表 ................................14
4.3 设计梯形图程序 ........................................................................15 结 论 ···················································································································· 17 参考文献 ···················································································································· 18
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第1章 绪论
可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，尤其在控制电动机方面应用更为广泛，PLC已跃居工业自动化三大支柱的首位。
三相异步电动机具有机构简单，效率高，控制方便，运行可靠，易于维修成本低的优点，几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域,在这些应用领域中,三相异步电动机运行的环境不同，所以造成其故障的发生也很频繁，所以要正确合理的利用它。生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的启动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。生产中有的机械需要人工点动控制电机，实现点动控制功能。由于电机正反转换接时，有可能因为电动机容量较大或者操作不当等原因，使接触器主触头产生较为严重的起弧现象，如果电弧还未完全熄灭时候，反转的接触器就闭合，则会造成电源相间短路，用PLC来控制电机则可避免这一问题。
本文研究的这个系统的控制是采用PLC的编程语言----梯形图,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，它是专为在恶劣工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在内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。
三相鼠笼异步电动机PLC控制系统设计
第2章 总体方案确定
2.1 启动方式选择
将异步电动机机定子绕组接入交流电网，如果点动机的电磁转矩能够克服齐轴上的阻力转矩，电动机就将从静止加速到某一转速稳态运行，这个过程称为启动。
三相鼠笼式异步电动机的起动方法有全压启动和降压启动两种。
1. 全压启动
把异步电动机定子绕组通过开关或接触器直接接到额定电压的交流电源上进行起动，称为全压起动。
全压启动的优点是所需设备少，启动方式简单，成本低。电动机全压启动的电流是正常运行的5倍左右，理论上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的，都可以全压启动。这一要求对于小容量的电动机容易实现，所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的，不需要降压启动。对于大容量的电动机来说，一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机全压启动的条件，另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机，影响电动机的使用寿命，对电网不利，所以大容量的电动机和不能全压启动的电动机都要采用降压启动。
全压启动可以用胶木开关、铁壳开关、空气开关（断路器）等实现电动机的近距离操作、点动控制，速度控制、正反转控制等，也可以用限位开关、交流接触器、时间继电器等实现电动机的远距离操作、点动控制、速度控制、正反转控制、自动控制等。
2. 降压启动
在三相异步电动机启动时，为了减少启动电流，需降低定子电压，这就是降压启动。降压启 动时，电磁转矩会随定子电压的降低而减少，因此降压启动适用于对起动转矩要求不高的场合，如空载和轻载启动。下面介绍三种常用的降压启动方法。
(1) 用自偶变压器降压启动
采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转。如启动电压降至额定电压的65％，其启动电流为全压启动电流的42％，启动转矩为全压启动转矩的42%。
自耦变压器降压启动的优点是可以直接人工操作控制，也可以用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低，适合所有的空载、轻载启动异步电动机使用，在生产实践中得到广泛应用。缺点是人工操作要配置比较贵的自偶变压器箱（自偶补偿器箱），自动控制要配置自偶变压器、交流接触器等启动设备和元件。
(2) 转子串电阻启动
绕线式三相异步电动机，转子绕组通过滑环与电阻连接。外部串接电阻相当于转子绕组的内阻增加了，减小了转子绕组的感应电流。从某个角度讲，电动机又像是一个变压器，二次电流小，相当于变压器一次绕组的电动机励磁绕组电流就相应减小。根据电动机的特性，转子串接电阻会降低电动机的转速，提高转动力矩，有更好的启动性能。
在这种启动方式中，由于电阻是常数，将启动电阻分为几级，在启动过程中逐级切除，可以获取较平滑的启动过程。
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(3) 星－角降压启动
定子绕组为三角形连接的电动机，启动时接成星型，速度接近额定转速时转为三角形运行，采用这种方式启动时，每相定子绕组降低到电源电压的58％，启动电流为直接启动时的33％，启动转矩为直接启动时的33％。启动电流小，启动转矩小。
星－角降压启动的优点是不需要添置启动设备，有启动开关或交流接触器等控制设备就可以实现，缺点是只能用于三角形连接的电动机，大型异步电机不能重载启动。
综合多种因素，本设计应选择星－三角降压启动来实现异步电动机的正反转和点动控制。
2.2 控制方式选择
对于鼠笼异步电动机的控制方式有多种，现分析两种比较常见的控制方式（PLC控制与传统继电器控制）。
1. PLC控制
PLC又名可编程序控制器是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器-接触器控制系统的控制简单、使用方便、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好等特点，因而在工矿企业的各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。
PLC种类繁多，但其结构和工作原理基本相同。PLC其实就是专为工业现场应用而设计的计算机，采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元，电源及编程器几大部分组成。PLC的结构框图如图2-1所示。
图2-1 PLC的结构框图
有了以上这些部件，PLC便可进行正常工作。CPU通过输入接口读取数据，然后按照编制的控制程序对数据进行处理，并将处理结果发送到输出接口，驱动设备或部件的执行元件，这就是PLC的工作过程。PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。PLC采用的是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令，开始新一轮的扫描，PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描。这就是PLC的工作原理。PLC控制系统原理框图如图2-2所示。
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三相鼠笼异步电动机PLC控制系统设计
图2-2 PLC控制系统框图
2. 传统继电器控制
继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器和保护电器按照一定的控制逻辑接线
组成的控制系统。其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的起动、停止，反向、调速及多台设备的顺序控制和自动保护功能。
继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器、保护电器及控制线路等组成。由于该系统操作简单直观、维护、调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，它被广泛用于工矿企业的生产控制系统。但随着PLC技术的发展和应用，继电器-接触器控制系统已逐渐被PLC控制系统所取代。继电器控制系统框图如图2-3所示。
图2-3 继电器控制系统框图
PLC控制与传统继电器控制比较起来，PLC控制的继电器采用软接线，触点个数无限，用户
可以在不改变继电器接线的情况下，只需改变用户程序就可实现多个控制功能，软硬件相结合，可靠性高。而传统继电器控制必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。理论上可达到设计题目的所有性能指标，该设计确定使用PLC来实现异步电动机的正反转和点动。
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第3章 硬件电路设计
3.1 主电路设计
生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。由电机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。因此正反转控制电路实质上是两个方向相反的单相运行电路，为了避免误动作引起电源相间短路，必须在这两个相反方向的单向运行电路中加设必要的互锁。电动机运行的主电路如图3-1所示。
图3-1电动机运行的主电路
三相鼠笼异步电动机PLC控制系统设计
线路分析如下：
1. 正向启动：
(1)合上三相单刀开关KS与空气开关QF接通三相电源。
(2)由控制电路按钮使KM1与KM4通电，电机由星型启动进行正向运行。5s后KM1与KM3得电，电机切换到角型启动，持续正向运行。
2. 反向启动：
(1)合上三相单刀开关KS与空气开关QF接通三相电源。
(2)由控制电路按钮使KM2与KM4通电，电机由星型启动进行反向运行。5s后KM2与KM3得电，电机切换到角型启动，持续反向运行。
3. 电动机的过载保护由热继电器FR完成，在选择热继电器时应充分考虑电动机的额定功率，选择合适的热继电器。
4. 电动机可逆运行控制电路的调试：
(1)检查主回路路的接线是否正确，为了保证两个接触器动作时能够可靠调换电动机的相序，接线时应使接触器的上口接线保持一致，在接触器的下口调相。
(2)检查接线无误后，通电试验，通电试验时为防止意外，应先将电动机的接线断开。
5. 故障现象预处理：
(1)不启动；原因之一，检查控制保险FU是否断路，热继电器FR接点是否用错或接触不良，SB1按钮的常闭接点是否不良。原因之二按纽互锁的接线有误。
(2)起动时接触器“叭哒”就不吸了；这是因为接触器的常闭接点互锁接线有错，将互锁接点接成了自己锁自己了，起动时常闭接点是通的接触器线圈的电吸合，接触器吸合后常闭接点又断开，接触器线圈又断电释放，释放常闭接点又接通接触器又吸合，接点又断开，所以会出现“叭哒”接触器不吸合的现象。
(3)不能够自锁一抬手接触器就断开，这是因为自锁接点接线有误。
6. 线路中采用了四个接触器，即正转用的接触器KM1、反转用的接触器KM2、星型起动用的接触器KM4、角型起动用的继电器KM3。这四个接触器的主触头所接通的相序不同，KM1按L1—L2—L3相序接线、KM2则对调了两相的相序、KM3与电动机角型接线、KM4与电动机星型接线。
7. 在选择断路器时，我们不仅要关注断路器的延迟曲线等主要指标，还应重视它的很多次要功能，这些常容易被忽略的性能不仅能为一个良好的设计锦上添花，而且还能帮助工程师们为其应用设计精密的保护电路。
8. 辅助接点（辅助开关）：它们是与主接点电隔离的接点，适用于报警和程序开关。辅助接点可用于向操作人员或控制系统告警，发出警报，或在重要应用中接通备用电源。
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3.2 控制电路设计
本设计采用PLC设计异步电动机的控制线路（如图3-2），PLC选择西门子公司的S7-200系列的CPU224。在PLC与主电路之间连接处需加中间继电器，这样可以保护PLC的输出端，防止负载短路烧损PLC输出点，提高承载能力。PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。SB1按钮为正转按钮、SB2按钮为停止按钮、SB3按钮为反转按钮、SB4按钮为点动按钮。
图3-2 三相异步电动机的PLC控制接线
三相鼠笼异步电动机PLC
控制系统设计
3.3 器件选择
3.3.1 断路器
图3-3 断路器
断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。
当短路时，大电流（一般10至12倍）产生的磁场克服反力弹簧， 脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短）。
现在有电子型的，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。
断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器必须解决的问题。
吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。
低压断路器也称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。
低压断路器具有多种保护功能（过载、短路、欠电压保护等）、动作值可调、 分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。结构和工作原理低压断路器由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。
低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自
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