机电控制技术课程设计报告[1].doc

15

目录
1 课程设计任务 1
1.1 任务描述 1
1.2 控制任务和要求 1
2 控制方案的选择 1
3 I/O分配表 4

4 编写系统控制流程图 4
4.1 控制系统的流程图 4
4.2 程序梯形图及指令 6
5调试说明 13
6结束语 14

1.1 任务描述
本系统结构与工作原理如上图所示，纺织品由五个电动机带动辊子与橡胶辊的摩擦带动左向右传动。要求设计该系统的控制部分。本控制部分采用西门子S7-224PLC（继电器型）控制5个三相变频电机，实现纺织布料在该系统中自左向右的同步传动。
1.2 控制任务和要求
（1）确定本系统所需要的电气元件，并说明元件型号；
（2）变频电机的转速范围0~1500r/min；
（3）按下启动按钮，布料按一个初始速度自左向右运行；
（4）一直按下升速按钮，布料运行速度持续上升（上升到上限不在上升）；一直按降速按钮，布料运行速度持续下降（下降到下限不在下降）；
(5)按停止按钮，系统停止运行；
2 控制方案的选择
交流电机按品种分同步电机、异步电机两大类。
同步电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，称为同步转速。ns与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系
ns＝f/P
在中国，电源频率为50HZ，所以三相交流电机中一对磁极电机的同步转速为3000转/分，三相交流电机中两对磁极电机的同步转速为1500转/分，以此类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10％以内。
转差率
S=n0-n/n0 (n0为同步转速，n为空载转速)
由此可知，交流电机（不管是同步电机还是异步电机）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率。
本系统结构与工作原理如上系统联动控制图所示，纺织品由五个电动机带动辊子与橡胶辊的摩擦带动左向右传动。首先可以看出该系统属于同步开环控制，在布的同步传动中必须保证布在传动过程中始终被拉直，因此要求后一个电动机的转速比前一个电动机的转速高，但转速差不宜过大，否则会影响布的质量甚至会拉断布。 由上述控制要求可知，本系统要求五个电机实现同步升速和同步降速，而且在升速和降速的过程中保持各个电机之间存在一个速度差，从而使绕过辊子的布保持一定的张力。如果在运行过程中出现紧急情况，可以实现紧急停车，从而把损害减小到最少。
为了实现上述功能，达到控制要求，经分析可知，选择变频调速的开环交流调速系统。理由如下：
（1） 提供的电源为工频50HZ的三相四线制的线电压为380V的工业用电；
（2） 要求电机调速范围宽，即转速范围0~1500r/min；
（3） 要求电机的负载转矩小，调速特性稳定、准确、快速。
从工程实际出发考虑，系统的工作方式为手动，由按钮来控制电机的启动停止以及升速和降速。机械的工作方式由具体需要而定，即既可以先升速后降速也可以先降速再升速也可以一直保持一种动作状态，但在按下升速按钮的时候再按降速按钮无效，反之亦然，即要具有联锁功能，同时在布的同步传动过程中若出现紧急情况按下一个按钮后再按下其他按钮无效，实现控制系统急停的功能。
在本设计中采用西门子系列PLC S7-224XP编写程序通过改变变频器的电压进而改变电源频率从而达到控制布的同步传动的目的。
在程序中分别有五个输入来控制的启动、升速、降速、停止以及急停功能，有五个模拟量输出模块端口和五个变频器输入端口相接。每当按下相应的按钮时就给PLC程序一个输入信号从而实现相应的动作。当按下升（降）速按钮时，PLC程序逐步提高（降低）模拟量输出模块上的数值在输入到变频器端口，通过变频器电压的改变以此来改变电源的频率，具体来说，可以在每单位时间内让各个电机增加不同的转速，从而实现布的同步传动，在电机的升速控制过程中最末一个电机转速不宜过大，在电机降速控制过程中最前一个电机转速不宜过小，否则会影响效率，且二者转速差不宜过大。
所需要的主要电气设备为西门子S7－224XP PLC 、变压器、三个模拟量输出扩展模块、五个变频器以及电线等。

3 I/O分配表

表1 I/O分配表
项目
编号
功能
说明
地址
输入
1
电动机启动
按钮SB1
I0.0
2
电动机停止
按钮SB2
I0.1
3
电动机加速
按钮SB3
I0.2
4
电动机减速
按钮SB4
I0.3
5
电动机急停
按钮SB5
I0.4
输出
6
1号电机速度控制
K1
Q0.0
7
2号电机速度控制
K2
Q0.1
8
3号电机速度控制
K3
Q0.2
9
4号电机速度控制
K4
Q0.3
10
5号电机速度控制
K5
Q0.4

4编写系统控制流程图
4.1 控制系统的流程图
对于编写复杂的控制程序前，一般要先编写控制系统的流程图。流程图是程序设计中很有用的工具，它直观、清晰易懂，便于检查和修改。编写流程图时，首先要根据控制要求，将要完成的控制任务分解成几个主要的相对独立的部分（环节），分析各个部分（环节）之间的关系或者联系，集合结构化程序设计的概念，编写出有顺序结构、循环结构或者分支结构的流程图。

图3 控制系统的流程图
4.2 程序梯形图及指令
根据继电器控制系统的实际情况,结合I/O地址分配表和PLC控制系统的实际安装接线图,设计出梯形图。

图4 纺织机械同步传动控制系统程序梯形图

LD SM0.1
O I0.1
O I0.4
MOVR 0.0, VD302
MOVR 0.0, VD306
MOVR 0.0, VD310
MOVR 0.0, VD314
MOVR 0.0, VD318
MOVR 0.0, VD100

LD I0.0
EU
AN I0.1
AN I0.2
AN I0.3
AN M0.1
MOVR 21400.0, VD100

LD SM0.1
O I0.1
R M0.1, 1

LD I0.0
EU
O M0.0
AN I0.1
= M0.0
S M0.1, 1

LD I0.2
AN I0.3
AR<= VD100, 28800.0
LD I0.3
AN I0.2
AR>= VD100, 12800.0
OLD
A M0.0
AN T37
TON T37, 3

LD I0.2
A T37
+R 50.0, VD100

LD M0.0
MOVR VD100, VD302
*R 1.001, VD302
MOVR VD100, VD306
*R 1.003, VD306
MOVR VD100, VD310
*R 1.005, VD310
MOVR VD100, VD314
*R 1.007, VD314
MOVR VD100, VD318
*R 1.009, VD318

LD SM0.0
ROUND VD302, VD302
DTI VD302, VW402
MOVW VW402, AQW0

LD SM0.0
ROUND VD306, VD306
DTI VD306, VW404
MOVW VW404, AQW2

LD SM0.0
ROUND VD310, VD310
DTI VD310, VW406
MOVW VW406, AQW4

LD SM0.0
ROUND VD314, VD314
DTI VD314, VW408
MOVW VW408, AQW6

LD SM0.0
ROUND VD318, VD318
DTI VD318, VW410
MOVW VW410, AQW8

LD I0.4
STOP

5调试说明
调试过程可分为以下几步，在课程设计设中我们只需要完成第二部。
第一步：硬件调试。接通电源，检查可编程序控制器能正常工作，接头接触良好。
第二步：软件调试。在硬件调试和软件调试正确的基础上，在模拟器上使PLC进入运行状态，观察运行情况，看是否能够实现循环工作。
第三步：运行调试。按要求输入梯形图，检查后编译通过，在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区。
软件调试是整个调试中很重要的部分。各个控制要求能否实现，运行是否稳定可靠，是否考虑到各种生产实际情况，很大程度上取决于程序是否正确，是否采用了合理的调试方法。在调试的过程中，主要遇到以下情况：
（1）中间变量的存储区可能会冲突，比如VW10和VD10，这时会由于存储区的冲突而导致程序出现一些莫名奇妙的结果；
（2）没有考虑到各个网络中间的执行和扫描周期的关系，从而导致后面程序对前面的变量值覆盖；
（3）各个功能中间没有加上必要的互锁，导致某些功能实现不了，比如在手动调速之后，如果按下启动按钮，程序将会回到初始状态运行；
针对上述情况，我认为在调试中应采取以下方法：
（1）利用状态表，把一些重要的中间变量进行监视，通过它们的变化，可以很快的找到程序的问题所在；
（2）调试的过程中，如果出现问题，应该仔细认真分析问题的所在，在脑子中建立程序的执行方式，如果能以PLC的工作方式来分析程序，很多问题就可以迎刃而解；
（3）只有具有严谨的治学精神，才能在调试中发现问题，分析问题，解决问题；
考虑实际，在运行过程中若出现紧急情况应将PLC也停下，这样即使有人误操作时电机也不能启动，所以应在程序中加入急停指令最好，这样就能满足安全要求。
经反复调试确认程序无误。
6结束语
在PLC问世以前,工业控制领域中是以继电器控制系统占主导地位。这种由各种继电器构成的控制系统存在着明显的缺点,如体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高,尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差。为解决继电器控制系统在实际应用中存在的诸多缺点,PLC于1969年便应运而生。
现在，为期两周的机电传动控制课程设计结束了。说是两周半，实则一周半，第一周因刚结束其他课程的考试，因而不能专心忙设计，一周半的时间紧迫，于是不得不晚上和周末抽时间来继续设计，这段时间时间抓的紧也很充实。
作为一名机械电子工程大三的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义的。在已度过的两年半大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种机械设计？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计书是十分必要的，同时也是必不可少的。我们做的是课程设计，而不是艺术家的设计。艺术家可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，虽然本次课程设计没有要求用 auto CAD制图，但我却在整个设计过程中都用到了它。用CAD制图方便简洁，易修改，速度快，我们的电路及电气接线等设计，大部分都是在CAD上完成的。
另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。由此我可用更好地了解到自己的不足，以便课后加以弥补。