【文章內(nèi)容簡介】 ms are deigned to be substituted for hard wiring and the controlling method and the programs are explained． This method is significantly effective， meet the demands of design and has reference value to the reform of same sort of motors． The paper expounds how to design the drive and control circuits by means of PLC. The designed motor features more simple, higher reliability, lower cost and more versatile, and it is worth to be promoted. Keywords: PLC。Y△ start。step motor。control 基于 S7300 的電動機 Y△啟動控制系 統(tǒng)設(shè)計 1 引言 上 世紀(jì) 后期 ，可編程控制器的發(fā)展特點是 ： 更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要 。 目前， PLC 以其可靠性高、價格便宜、易學(xué)易用等優(yōu)點 在國內(nèi)外 廣泛的應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)， 可編程控制器（ PLC） 也在電動機的控制系統(tǒng)的設(shè)計中 得到廣泛的應(yīng)用 。 本文主要探討 PLC 在電動機 Y△啟動控制的應(yīng)用。在對大功率電機 的啟動方法中，采用 Y△啟動裝置對 △運轉(zhuǎn)的鼠籠型電動機比較普遍，也是理想的一種降壓啟動方法，當(dāng)然這也是電動機 Y△啟動的局限性。使用傳統(tǒng)的繼電器線路是難以消除繼電器斷線不能正常啟動、啟動時形成的弧光短路等故障的。 將PLC 應(yīng)用到以上的系統(tǒng)中，可以很容易解決使用傳統(tǒng)繼電器電路所帶來的的問題。 在異步電動機的 Y△降壓啟動控制系統(tǒng)中，用 P LC 控制異步電動機，減少了系統(tǒng)的設(shè)計工作量，大大縮短了開發(fā)周期，降低了硬件成本，而且提高了控制系統(tǒng)的可靠性。 根據(jù)應(yīng)用場合不同，可以使用不同的 PLC 編程軟件實現(xiàn)。本文就分別使用了 S7300和 S7200設(shè)計了控制程序，并且對于控制程序做了詳細(xì)的解釋。用 PLC實現(xiàn) Y△啟動，效果很好，這個控制系統(tǒng)完全可以應(yīng)用到實際生產(chǎn)實踐中。它動作穩(wěn)定，安全可靠，實現(xiàn)起來也很容易，具有廣泛的應(yīng)用前景。基于 S7300 的電動機 Y△啟動控制系 統(tǒng)設(shè)計 2 1 緒論 本章主要介紹 可編程控制器（ PLC） 的國內(nèi)外 應(yīng)用 現(xiàn)狀，以及該本課題的研究意義和研究內(nèi)容 和 該課題的研究背景及相關(guān)內(nèi)容有基本的了解。 （ PLC） 的國內(nèi)外現(xiàn)狀 PLC 簡介 1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義： “PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng) 該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。 ” PLC 以其獨特的優(yōu)越性已深得 科研人員的信賴，其特點主要有以下幾點： 第一，可靠性高，抗干擾能力強 PLC 用軟件代替大量的 中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/10~1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 第二，硬件配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 有較強的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種 規(guī)模的工業(yè)控制場合。 第三，易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 第四，系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 基于 S7300 的電動機 Y△啟動控制系 統(tǒng)設(shè)計 3 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握 。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 第五，體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，僅相當(dāng)于幾個繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的 1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 PLC 的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制， 它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或 電氣控制系統(tǒng) 來實現(xiàn)的。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable Controller（ PC）。 個人計算機（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC）。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng) 。 PLC 具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。 PLC 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 PLC 應(yīng)用現(xiàn)狀 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （ 1）開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控 制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 基于 S7300 的電動機 Y△啟動控制系 統(tǒng)設(shè)計 4 （ 2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 （ 3）運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的 運動控制模塊。 （ 4） 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC也具有此功能模塊。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 電動機降壓啟動的應(yīng)用現(xiàn)狀 三項 異步電動機通過工作頻率直接啟動時，大容量的電動機會出現(xiàn)很多問題， 例如： （ 1）控制電機的啟動電流過高，當(dāng)電機通過工頻直接啟動時，會產(chǎn)生 7~8倍的電機額定電流，這個電流值將增加電機繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量從而降低電機的壽命 。 （ 2）電力線路電壓波動過大，在電機工作頻率啟動時，電流劇增的同時電壓也會大幅度波動，電壓下降的幅度將取決于啟動電機的功率大小和配電網(wǎng)的容量，電壓下降將會導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，如PC 機、傳感器 、 接近開關(guān)和接觸器等均會動作出錯。 所以 當(dāng)電動機容量較大時，可以通過降壓啟動來彌補直接啟動的缺陷。 降壓啟動分為定子串接電阻或電抗降壓 啟動 、 Y△降壓啟動和自耦變壓器降壓啟動。 該課題 主要研究 Y△降壓啟動，現(xiàn)在一些大功率電機采用的 Y△控制電路大多數(shù)是傳統(tǒng)的繼電器電路，這種電路在消除繼電器斷線不能正常啟動、啟動時形成的弧光短路等故障時有一定的困難，將 PLC 應(yīng)用到以上的系統(tǒng)中，將使繼電器在繼電器控制電路中存在的問題迎刃而解，并且用 PLC 控制多臺電動機時更能顯示其優(yōu)越性。 基于 S7300 的電動機 Y△啟動控制系 統(tǒng)設(shè)計 5 本課題研究的意義 可編程控制器（ PLC） 是近年來發(fā)展迅速的工業(yè) 控制裝置，以廣泛的應(yīng)用與工業(yè)企業(yè)的各個領(lǐng)域。 PLC 也以其可靠性高、價格便宜、易學(xué)易用等優(yōu)點廣泛的應(yīng)用在電動機的控制系統(tǒng)的設(shè)計中。本文主要探討 PLC 在電機 Y△啟動控制的應(yīng)用。在對大功率電機的啟動方法中，采用 Y△啟動裝置對 △運轉(zhuǎn)的鼠籠型電動機比較普遍，也是理想的一種降壓啟動方法。在異步電動機的 P LC 控制系統(tǒng)中，用 P LC 直接控制異步電動機，用軟件代替硬件控制，不僅減少了系統(tǒng)的設(shè)計工作量 ，大大縮短了開發(fā)周期，降低了硬件成本，而且提高了控制系統(tǒng)的 可靠性。本設(shè)計采用PLC 實現(xiàn)電動機的驅(qū)動和控制，結(jié)構(gòu)簡單， 可靠性高，成本低，實用性強，具有較高的通用性和應(yīng)用推廣價值。 本課題研究的主要內(nèi)容 （ 1） 該課題 主要研究的是 三項異步 電動機的星 三角的啟動，根據(jù)星 三角啟動的原理設(shè)計控制系統(tǒng)， 改善以往使用繼電器啟動的缺陷。 （ 2）研究 PLC 在電動機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計好的控制系統(tǒng)用 PLC 編程實現(xiàn)控制。 （ 4）熟悉組態(tài)軟件，畫出仿真畫面。 （ 3）將控制方案仿真并實踐以確定其可行性。 基于 S7300 的電動機 Y△啟動控制系 統(tǒng)設(shè)計 6 2 電動機的啟動原理 這一章主要是介紹異步電動機的相關(guān)知識，包括其工作原理、機械特性、啟動與制動，重點介紹了電動機 Y△降壓 啟動的原理 。 異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格低、維護(hù)方便等一系列的優(yōu)點，因此，異步電動機被廣泛應(yīng)用在電力拖動系統(tǒng)中。尤其是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和交流調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得異步電動機在調(diào)速性能方面大大提高。目前，異步電動機的電力拖動已被廣泛地應(yīng)用在各個工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域中。 三相異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運動而感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量變換。與單相異步電機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料。 按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機可分為籠式和繞線式兩種。 籠式轉(zhuǎn)子的異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點是調(diào)速困難。繞線式三相異步電動機的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設(shè)置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。 電動機工作原理 三相異步電機 (Triplephase asynchronous motor)是靠同時接入三相交流電源(相位差 120 度 )供電的一類電動機，由于三相異步電機的轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場以相同的 方向、不同的轉(zhuǎn)速成旋轉(zhuǎn)，存在轉(zhuǎn)差率，所以叫三相異步電機。 其 工作原理：三相異步電機是感應(yīng)電機，定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環(huán)，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場。通電啟動后，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運動而感生電動勢和電流，即旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子存在相對轉(zhuǎn)速，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，實現(xiàn)能量變換。 電機結(jié)構(gòu)：主要就是由定子和轉(zhuǎn)子組成。 定子 ： 由定子鐵芯，定子繞組，機座，端蓋等組成。 轉(zhuǎn)子 ： 由轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子鐵芯，和轉(zhuǎn)子繞組組成。（按照轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)子可分為繞線式轉(zhuǎn)子和鼠籠式轉(zhuǎn)