第1章 绕线转子电动机正逆转控制工艺流程分析 ....................... 1
1.1 绕线转子电动机原理 ......................................... 1 1.2 绕线转子电动机正逆转控制工艺分析及主电路图 ................. 2 第2章 控制系统总体方案设计 ....................................... 3
2.1 系统硬件组成 ............................................... 3 2.2 I/O分配.................................................... 4 2.3 系统结线图设计 ............................................. 5 第3章 控制系统梯形图程序设计 ..................................... 6
3.1 控制程序流程图设计 ......................................... 6 3.2 控制程序时序图设计 ......................................... 7 第4章 系统调试及结果分析 ......................................... 8
4.1 系统调试及解决的问题 ....................................... 8 4.2 结果分析 ................................................... 8 第5章 设计心得 .................................................. 10 参考文献 .......................................................... 11 附录 .............................................................. 12
PLC控制系统课程设计
第1章 绕线转子电动机正逆转控制工艺流程分析
1.1 绕线转子电动机原理
当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。
我们让闭合线圈ABCD在磁场B内围绕轴xy旋转。如果沿顺时针方向转动磁场，闭合线圈经受可变磁通量，产生感应电动势，该电动势会产生感应电流(法拉第定律)。根据楞次定律，电流的方向为:感应电流产生的效果总是要阻碍引起感应电流的原因。因此，每个导体承受相对于感应磁场的运动方向相反的洛仑兹力F。确定侮个导体力F方向的一个简单的方法是采用右手三手指定则(磁场对电流作用将拇指置于感应磁场的方向，食指为力的方向。将中指置于感应电流的方向。这样一来，闭合线圈承受一定的转矩，从而沿与感应子磁场相同方向旋转，该磁场称为旋转磁场。闭合线圈旋转所产生的电动转矩平衡了负载转矩。
旋转磁场的产生:三组绕组问彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电绕组与具有相同电相位移的交流电流相互交叉，每组产生一个交流正弦波磁场。此磁场总是沿相同的轴，当绕组的电流位于峰值时，磁场也位于峰值。每组绕组产生的磁场是两个磁场以相反方向旋转的结果，这两个磁场值都是恒定的，相当于峰值磁场的一半。此磁场.在供电期内完成旋转。其速度取决于电源频率(f)和磁极对数(P)。这称作“同步转速”
只有当闭合线圈有感应电流时，才存在驱动转矩。转矩由闭合线圈的电流确定，且只有当环内的磁通量发生变化时才存在。因此，闭合线圈和旋转磁场之间必须有速度差。因而，遵照上述原理工作的电机被称作“异步电机”。
运行过程中，转子电流频率为电源频率乘以转差率。当电动机起动时，转子电流频率处于最大值，等于定子电流频率。转子电流频率随着电机转速的增加而逐步降低。处于恒稳态的转差率与电机负载有关系。它受电源电压的影响，如果负载较低，则转差率较小，如果电机供电电压低于额定值，则转差率增大。同步转速时三相异步电动机的同步转速与电源频率成正比，与定子的对数成反比。
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1.2 绕线转子电动机正逆转控制工艺分析及主电路图
图1-1 绕线转子电动机正逆转主电路图
1．主电路如图1-1所示。 2．NFB ON时，指示灯PLl亮。
3．按PB2，电动机正转全电阻启动[MC3动作，PLl熄灭，PL2闪亮(0.5 s／ON，0.5s／OFF) ]，10s后换成部分电阻启动[MC3、MCl动作，PL2闪亮]，再经10秒,后正向运转[MC3、MC2、PL3动作]，PL2熄灭，此时按PB3无作用。
4．正转在启动中或运转中，按PBl时电动机立即停止运转，PLl指示灯亮。 5．按PB3时，电动机逆转全电阻启动[MC4动作，PLl熄灭，PL2闪亮(0．5 s／ON， 0.5s／OFF)]，10s后换成部分电阻启动[MC4、MCl动作，PL2闪亮]，再经10s后逆向运转[MC4、MC2、PL4动作]，PL2,灭，此时按PB2无作用。
6．逆转启动中或运转中，按PBl时电动机立即停止运转，PLl指示灯亮。 7．运转时断电，如果在5s内恢复供电，电动机维持断电前的运转方向，继续运转。
8．运转时断电，如果在5s后恢复供电，须按PB2或PB3重新启动电机。 9．热继电器动作时，电动机停止运转，Bz响。 10．热继电器复位后，BZ停响，恢复正常操作状态。
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第2章 控制系统总体方案设计
2.1 系统硬件组成
根据控制流程选择传感器为：开关传感器、磁敏传感器和热继电器；输入输出器件为：电阻和电动机（输入）、指示灯（输出）；控制器件为：PLC控制器。
开关传感器：接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效。
磁敏传感器：磁阻传感器，磁敏二极管等是继霍尔传感器后派生出的另一种磁敏传感器。采用的半导体材料于霍尔大体相同。但这种传感器对磁场的作用机理不同，传感器内载流子运动方向与被检磁场在一平面内。在磁阻器件应用中，温度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制备方面，磁阻器件由于与霍尔不同，因此，早期的产品为单只磁敏电阻。由于温度漂移大，现在多制成单臂（两只磁敏电阻串联）主要是为补偿温度漂移。目前也有全桥产品，但用法（目的）与霍尔器件略有差异。据报导磁阻器件的响应速度同霍尔1uS量级。磁阻传感器由于工作机理不同于霍尔，因而供电也不同，而是采用恒压源（但也需要一定的电流）供电。当后续电路不同对供电电源的稳定性及内部噪声要求高低有所不同。
热继电器：热继电器是用来保护电动机，使之免受长期过载危害的继电器。热继电器是利用电流的热效应而动作的，热元件是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中的双金属片，由两种具有不同线膨胀系数的金属采用热和压力辗压而成，亦可采用冷结合，其中，下层金属的膨胀系数大，上层的小。当主电路中电流超过容许值，双金属片受热向上弯曲致使脱扣，扣板在弹簧的拉力下将常闭触头断开。触头是接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。
由于热惯性，热继电器不能作短路保护，因为发生短路事故时，我们要求电路立即断开，而热继电器是不能立即动作的。但是这个热惯性又是合乎我们要求的，比如在电动机起动或短时过载时，由于热惯性热继电器不会动作，这可避免电动机的不必要的停车。如果要热继电器复位，则按下复位按钮即可。
PLC的选择：根据控制要求选择西门子S7-300。S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6至0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。
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SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。 2.2 I/O分配
输入：PB1→0.03 输出：PL1→1.00 PB2→0.02 PL2→1.07 PB3→0.01 MC1→1.02 NFB→0.00 MC2→1.03
MC3→1.01 MC4→1.05 MC5→1.06 MC6→1.04
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系统结线图设计
图2-1 控制系统结线图
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2.3 控制系统梯形图程序设计
控制程序流程图设计
开始 输入控制模块 指向下一个控制模块 输出控制模块 转子是否正转 否 是 取反转起始地址 取正转起始地址 中断 是否在5秒内恢复是 供电 否 重新启动 热继电器是否工作 否 是 复位后恢复正常 报警 返回 图3-1 控制系统流程图
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第3章3.1
3.2 控制程序时序图设计
图3-2 控制系统时序图
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第4章 系统调试及结果分析
4.1 系统调试及解决的问题
调试范围：硬件检查及设备检查，对PLC系统所需的测量信号必须保证正确无误，对每一步序所涉及的系统和信号进行检查无误后，进行系统的步序试验。静态试验：用信号发生器或短接就地开关等方法模拟一次测量参数的变化进行程控系统的静态模拟试验。对顺控系统进行分项试验和整体联动试验。动态试验：随着各个辅机程控系统的投入逐步投入程控系统，在投入过程中，根据试运中出现的问题，合理地修改控制逻辑、延迟时间、步序和保护定值等动态参数。
调试顺序： 1.各个模块送电
依次插入各个模块，观察其状态指示是否正确，或者用工作站对控制主机模块的基本功能或性能进行测试。
2.程控系统I/O通道完好性检查
在断开外部信号电缆的前提下，用高精度信号发生器及高精度万用表对顺控系统的输入和输出通道进行完好性检查。
3.电压电流型模拟量输入通道检查
用模拟量信号发生器发出所需要的模拟量信号（如4-20mA，1-5V），在工作站或其它编程器上检查显示值（一般为工程单位值），纪录下每一个通道的输入信号值和输出显示值。每一个通道检查3点：0%，50%，100%。
4.开关量输入输出通道检查
用短接线短接开关量输入信号，在工作站或其它编程器上检查显示状态（可能的工程显示单位为：开门/关门，启动/停止等）。
对于有源开关量输出，在工作站上或其它编程器上发出不同的指令信号（可能的工程单位信号为：开门/关门，启动/停止等），在输出通道的接线端子上，用电压表测试其输出状态的变化（有电压/没有电压）。
对于无源开关量输出，在工作站上或其它编程器上发出不同的指令信号（可能的工程单位信号为：开门/关门，启动/停止等），在输出通道的接线端子上，用通灯或万用表测试其状态的变化。对于干接点输出，用通灯即可；对于固态继电器输出，则用万用表的欧姆档（放在10M档以上比较明显）进行测试。 4.2 结果分析
经过系统仿真得以下结果：
按下SFB,X1来信号,Y5信号输出,PL1灯亮,按下PB2,即给X2来一个脉冲信
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号,PL2灯闪亮，说明MC3动作，正转全电阻启动
然后定时十秒后，Y3/Y1都有输出，说明MC3/MC1动作，半电阻启动PL2继续闪亮，再过十秒，Y3/Y2有输出，说明MC3/MC2动作，电动机正转运行，此时按下PB3没变化。
按下PB1，即给X1一个脉冲，Y5亮，即停止运转。
按下PB3，即X3来个脉冲,Y3/Y6有输出,即MC4动作,PL2闪亮, 说明逆转全电阻启动。然后定时十秒后，Y4/Y1都有输出，说明MC4/MC1动作，半电阻启动PL2继续闪亮，再过十秒，Y4/Y2有输出，说明MC3/MC2动作，电动机逆转运行，此时按下PB2没变化。
按下PB1, 即给X1一个脉冲，Y5亮，即停止运转。
如果运转时断电，即X0有脉冲信号,T0开始定时,如果在5s内恢复供电，T0被复位,系统继续工作, 如果在5s后恢复供电，须按PB2或PB3重新启动电机重新启动。如果热继电器动作时，即X6来脉冲,电动机停止运转，Y11有输出,即发出警报,喇叭Bz响,热继电器复位后，BZ停响，恢复正常操作状态。
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第5章 设计心得
通过这次PLC课程设计，让我更加深刻理解了课本的知识，并使我熟悉和掌握了PLC基本指令的使用，掌握了PLC的I/O分配、程序调试等。可是在本次绕线转子电动机正逆转控制程序设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路。另外PLC控制系统的知识还不能熟练应用，而且很多知识当时弄明白了，现在要用的时候又不记得，造成我用了大量的时间去查阅各种资料和程序命令，因此整个过程时间安排不合理，有以下几点经验：
1、编写程序首先必须把I/O分配表写好。弄清楚哪些信号作为输入，哪些信号作为输出，该用什么继电器，还有什么情况下要用定时器/计数器。 2、在设计步进电机控制中通过SFT移位六个脉冲频率，电机正转顺序A—AB—B—BC—C—CA—A，反转是A—CA—C—BC—B—AB—A，通过1秒来控制电机脉冲的频率，从而实现控制电机的正逆转运行，用定时器来实现计时控制，用计数器来实现定步控制。
3、通过调试找出问题的所在，相应的修改程序。在编程过程中难免会有不足之处，因此通过调试，再修改程序可以更好实现相应的功能。
这次设计，提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理以及编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。
（老师我打印页码错了，忘了改了，不好意思啊！）
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参考文献
[1] 廖常初．S7-300/400 PLC应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2008 [2] 史国生．电气控制与可编程控制器技术[M]．北京：化学工业出版社，2010 [3] 王承义．PLC控制程序精编108例[M]．北京：电子工业出版社，2009 [4] 宋伯生．PLC编程实用指南[M].北京：机械工业出版社，2007. [5] 杨锦忠．电动机及控制线路[M]．北京：化学工业出版社，2009
[6] 张凤珊．电器控制及可编程序控制器[M]．北京：中国轻工业出版社，1999
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附录
梯形图如下：
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程序代码如下： LD 0000 OR 1000 AND NOT 1001 AND NOT 1004 OUT 01000 LD 1000 AND 0001 RO 1001 AND NOT 1004 AND NOT 0002 OUT 01001 LD 1001 TIM 0004 #100 LD 0004 OR 1002 AND NOT 1003 AND NOT 0003 OUT 01002 LD 1002 TIM 0005 #100 LD 0005 OR 1003 AND NOT 1002 AND NOT 0003 OUT 01003 LD 1000 AND NOT 0001 OR 1004 AND NOT 1001 AND NOT 0003 OUT 01004 LD 1004 TIM 0006 #100
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LD 0006 AND NOT 0004 OR 1005 AND NOT 0003 OUT 01005 LD 1005 TIM 0007 #100 LD 0007 OR 1006 AND NOT 0003 AND NOT 1005 OUT 01006 LD 1001 OR 1004 AND NOT 0009 TIM 0008 #50 LD 0008 TIM 0009 #50 LD 0008 AND NOT 1003 AND NOT 1006 OUT 01007 END
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