电气工程、电气自动化专业课综合课程设计

潍坊学院

专业课综合课程设计说明书

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2015年12 月19 日

目录

1 PLC传送带控制设计 (1)

1.1 设计任务与要求 (1)

1.2 PLC传送带控制系统的硬件设计 (1)

1.3 PLC传送带控制系统的软件设计 (3)

1.4 PLC控制系统的抗干扰性设计 (5)

1.5 PLC控制系统的调试 (5)

1.6 设计小结 (6)

1.7 参考文献 (6)

2 PWM变频器-电动机系统仿真设计 (7)

2.1设计任务要求 (7)

2.2 PWM变频器-电动机系统的工作原理 (7)

2.3 PWM变频器-异步电动机控制系统的仿真 (7)

2.4 设计小结 (11)

2.5参考文献 (12)

3基于组态王的双容液位控制系统设计 (13)

3.1设计任务与要求 (13)

3.2总体设计方案 (13)

3.3现场控制系统的设计 (14)

3.4上位机监控系统 (15)

3.5远程监控客户端的设计 (17)

3.6 联机调试 (19)

3.7小结 (19)

3.8 参考文献 (19)

4工厂供电应用设计 (20)

4.1 设计任务与要求 (20)

4.2 问题分析 (20)

4.3 小结 (23)

4.4 参考文献 (24)

1 PLC传送带控制设计

1.1 设计任务与要求

1、控制要求：

（1）逆物流方向顺序启动

按下启动按钮SB1后，振铃10s，传送带3起动，经过6秒，传送带2起动，再经过6秒，传送带1起动，同时开启了漏斗闸门（Y=ON),启动完毕。

(2). 顺物流方向顺序停车

按下停止按钮SB2后，关闭漏斗闸门，经过10秒，传送带1停止，再经过10秒，传送带2停止，再经过10秒，传送带3停止，停车完毕。

(3).在启动过程中，按下停止按钮SB2，将已启动的皮带仍按后启动先停车的原则停车。

（4).紧急状态时，按下急停按钮SB3，立即关闭漏斗和三条皮带，并停车。

2、传送带工作示意图：

如图1.1传送带工作示意图所示：其中1号、2号、三号为三条皮带，分别由电动机M1、M2、M3控制；漏斗闸门由电磁阀Y控制。

1.2 PLC传送带控制系统的硬件设计

1、PLC机型的选择

PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最

佳的性能价格比。由于控制比较简单，输入/输出都是开关量，数量有很少，实际上可以选用任意型号的PLC，在本次设计中采用S7-200系列PLC。

2、PLC容量估算

（1）I/O点数的确定；

（2）存储器容量的确定。

3、I/O模块的选择

在PLC控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入PLC。PLC经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。

（1）数字量输入信号

（2）数字量输出信号

（3）模拟量输入信号

（4）模拟量输出信号

4、分配输入/输出点

PLC机型及输入/输出（I/O）模块选择完毕后，首先，设计出PLC系统总体配置图。然后依据工艺布置图，参照具体的PLC相关说明书或手册将输入信号与输入点、输出控制信号与输出点一一对应画出I/O接线图即PLC输入/输出电气原理图。

传送带控制设计I/Q分布图，如图1.2所示：

图1.2 传送带控制I/Q分布图

5、安全回路设计

（1）短路保护；

（2）互锁与联锁措施；

（3）失压保护与紧急停车措施PLC外部负载的供电线路应具有失压保护措施；

（4）极限保护；

1.3 PLC传送带控制系统的软件设计

软件设计是PLC控制系统设计的核心。要设计好PLC的应用软件，必须充分了解被控对象的生产工艺、技术特性、控制要求等。通过PLC的应用软件完成系统的各项控制功能。

1、传送带软件设计

由图1.2传送带控制I/Q分布图得图1.3传送带控制PLC梯形图。

网络3

网络4

网络5

网络6

网络7

图1.3 传送带控制PLC梯形图

2、程序调试

如图1.3梯形图，用STEP7-Micro/WIN软件调试，当按下启动按钮SB1（I0.0）后，振铃（Q0.0）10s，传送带3(Q0.3)起动，经过6秒，传送带2(Q0.2)起动，再经过6秒，传送带1(Q0.1)起动，同时开启了漏斗闸门（Q0.7),启动完毕。按下停止按钮SB2（I0.1）后，关闭漏斗闸门(Q0.7短)，经过10秒，传送带1（Q.1）停止，再经过10秒，传送带2(Q.2)停止，再经过10秒，传送带3(Q0.3)停止，停车完毕。在启动过程中，按下停止按钮SB2(I0.1)，将已启动的皮带仍按后启动先停车的原则停车。紧急状态时，按下急停按钮SB3(I0.3)，立即关闭漏斗和三条皮带，并停车。

1.4 PLC控制系统的抗干扰性设计

1、抗电源干扰的措施

（1）采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰

（2）．硬件滤波措施在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该使用带屏蔽层的隔离变压器对PLC系统供电。还可以。在隔离变压器一次侧串接滤波器，如图1.4所示。

(3)正确选择接地点，完善接地系统。

图1.4 滤波器和隔离变压器同时使用

2、控制系统的接地设计

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。接地系统的接地方式一般可分为3种方式：串联式单点接地、并联式单点接地、多分支单点接地即第3种接地方式。PLC 采用第3种接地方式即单独接地。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。

3、防I/O干扰的措施

由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作或死机。可采取以下措施以减小I/O干扰对PLC系统的影响。

1.5 PLC控制系统的调试

系统调试是系统在正式投入使用之前的必经步骤。与继电器控制系统不同，PLC

控制系统既有硬件部分的调试还有软件的调试，与继电器控制系统相比，PLC控制系统的硬件调试要相对简单，主要是PLC程序的编制和调试。一般可按以下几个步骤进行：应用程序的编制和离线调试、控制系统硬件检查、应用程序在线调试、现场调试、总结整理相关资料、系统正式投入使用。

1.6 设计小结

在本次设计中，虽然遇到了很多难题，但也收获了很多，这次实践充分将平时学习的理论知识与实践操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步稳固和提高自己理论知识结构，通过将所学知识应用于实际中去，在实际中发现问题、分析问题、解决问题，提高分析和解决问题能力。目前我国正处于经济发展的转型期并且随着科技的不断发展，未来工厂的生产过程必定会越来越智能化。传送带是一种物料传输设备，因其高效、连续、快速的特性，被广泛的应用于矿业、化工、机械、电力、建材、轻工业以及港口码头等重要的工业领域。也正因为传送带的应用十分的广泛，对传送带的制造和自动化改进对于工业生产的意义日趋重大。PLC自诞生起便广受业界的关注，如今PLC依然是自动控制领域的一大支柱。传送带和PLC的结合为大势所趋，未来必将大放异彩。

1.7 参考文献

[1]李长久.PLC原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2006

[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，2003.

[3]汪明.网络化控制变频调速系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4]范永胜王岷.电气控制与PLC应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5]汪志峰.可编程序控制器原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

2 PWM变频器-电动机系统仿真设计

2.1设计任务要求

在实现异步电机矢量控制调速的要求时,往往需借助仿真,通过仿真可使调速系统调试更方便,并能更快的实现控制。交流异步电动机矢量控制变频调速系统的建模与仿真。利用MATLAB/SIMULINK 中的电气系统模块(Power System Blocksets )构建异步电机矢量控制仿真模型,并对其动态性能进行仿真实验。

2.2 PWM变频器-电动机系统的工作原理

PWM 变频器-异步电动机电路主要由PWM变频电路和异步电动机组成。图2.1所示的电路为PWM变频电路，它主要的作用是产生三相交流电供异步电动机使用。其中图2.1所示的 PWM变频电路由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。逆变器的输入为直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频。PWM 变频电路简单，而且还有以下优点：第一简化了主电路和控制电路的结构。由二极管整流器对逆变器提供恒定的直流电压。在PWM 逆变器内，在变频的同时控制其输出电压。系统只有一个控制功率级，从而使装置的体压。系统只有一个控制功率级，从而使装置的体善系统的动态性能。PWM 逆变器的输出功率和电压，都在逆变器内控制和调节。因此，调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，系统动态性能好。

2.3 PWM变频器-异步电动机控制系统的仿真

1、PWM 变频器-异步电动机的仿真模型

PWM 变频器-异步电动机电路在MATLAB/Simulink中的仿真模型如图2.2所示。为了方便仿真，在模型中将图2.1所示的三相交流整流直接用一个 550V的直流电源代替，整流电路直接用直流电源代替不影响其工作原理。因此图2.3所示的仿真模型实际上主要直流电源 DC、逆变器 Universal Bridge、调制器 PWM Generator、异步电动机模块及测量模块组成。其中 PWM 调制参数设置采用内部产生正弦波调制波方式，调制度0.9,频率为50 HZ。电动机参数设置为电动机电压为380 V，频率为50 Hz,定子绕组 Rs 为0.68 ，定子绕组漏感为0.0042 H，转子绕组电阻0.45 ，转子绕组漏感为0.0042 H，互感为0.1486 H，转动惯量J为0.05 kg/m2，摩擦系数F为0.0081，极对数为2。

图2.3 逆变器三相线电压输出仿真波形

2、仿真结果及其分析

PWM 变频器-异步电动机电路的仿真结果如图所示。其中图2.3为逆变器输出电压的线电压仿真波形，从图 2.3(a)、(b)和(c)可以看出550V的直流电经过三相逆变器后变成了三相交流电，如果通过改变逆变器的6个开关管可以改变其频率和电压波形，从而方便实现变频和变压。图 2.4为异步电动机定子电流的仿真波形，从图2.4(a)、(b)和(c)可以看出定子电路在刚启动时，电流接近100V，在0.2s后电流达到稳定，这与异步电动机直接起动电流比较大相符合。图2.5为异步电动机转子电流的仿真波形，从图 2.5(a)、(b)和(c)可以看出转子电流在刚起动时，电流比较大也接近 100 V，但是在0.2s后转子平稳运行后，转子电流为零，这是因为转子为空载运行，转速接近定子三相旋转磁场转速，因此转子没有电流。图2.6为异步电动机转速的仿真波形，从图2.6可以看出电流波形在0.2 s后达到 1500 r/m 的转速，其输出波形有点超调，不过很快达到稳定，说明PWM变频器-异步电动机控制系统动态性能比较好。图2.7为异步电动机转矩的仿真波形，从图 2.7可以看出输出转矩脉动比较大，造成转矩脉动大的原因是由于调制频率和输出频率之比固定的情况下，特别是在低频时，高次谐波影响较大，因而电动机的转矩脉动和噪声都较大，这是PWM 变频器-异步电动机控制系统的一个缺点，在实际应用中应采取措施消除或者减少转矩脉动。

图2.4 异步电动机定子电流仿真波形

图2.5 异步电动机转子电流仿真波形

图2.6 异步电动机转子转速仿真波形

图2.7 异步电动机输出转矩仿真波形

2.4 设计小结

本文详细分析PWM变频器-异步电动机控制系统的工作原理，然后在Matlab/Simulink 进行对其进行了建模和仿真，最后对其仿真结果进行了详细地分析，通过仿真结果得出 PWM 变频器-异步电动机控制系统具有结构简单，系统稳定及动态性能比较好的优点，同时也指出其具有转矩脉动过大的缺点。

2.5参考文献

[1] 唐介.电机与拖动[M].高等教育出版社,2007.

[2] 彭鸿才.电机原理及拖动[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3] 刘永顺.基于双PWM技术的交流变频调速系统[M]. 北京:机械工业出版社,2011

[4] 吴慰.三相交流异步电机控制系统仿真 [M]. 北京:机械工业出版社,2011

3基于组态王的双容液位控制系统设计

3.1 设计任务与要求

1、任务：以双容下水箱液位为被控参数，以智能仪表为控制器，以电动调节阀为执行器构成双容液位单回路控制系统，以PC机为上位机（组态王为监控软）对现场参数监控，通过网络连接客户端，在客户端能对现场参数监控。

2、要求：

（1）完成方案设计（包括设计思路、设计原理、实现功能等）

（2）完成现场控制系统设计（包括各功能电路接线图、框图和说明等）

（3）完成上位机监控系统组态设计的设计

（4）远程监控客户端的设计

3.2总体设计方案

图3.1 总体设计方案

总体设计方案如图3.1所示:系统由现场控制系统、上位机、远程客户端构成。（1）现场控制系统：现场参数控制；

（2）监控系统：采用PC机，预装组态王软件，实现对现场控制系统监控。同时服务器做上位机，百特智能仪表做下位机构成上下位机监控逻辑结构。

（3）客户端：远程客户端PC机通过OPC技术连接到服务器，实现远程监控。

3.3现场控制系统的设计

现场控制系统：双容水箱、液位传感器、智能控制仪表、电动调节阀构成，原理图如图3.2所示，控制规律采用PID 控制规律。

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图3.2 现场控制系统原理图

1.百特智能仪表

1）适用范围：适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。

2）万能输入信号：只需做相应的按键设置和硬件跳线设置，即可在以下所有输入信号之（4）

3）多种给定方式可选：本机给定方式（LSP ）；时间程序给定；外部模拟给定（远程给定）。

4）多种控制输出方式：10mA 、4-20mA 、0-5V 、1-5V 控制输出。

5）专家自整定算法：独特的PID 参数专家自整定算法，将先进的控制理论和丰富的工程经验相结合。

6）可带RS485 /RS232/Modem 隔离通讯接口或串行标准打印接口。 7）零点、满度自动跟踪，长期运行无漂移，全部参数按键可设定。 2.电动调节阀：单座阀，螺纹连接，线性流量。 3.液位变送器：

4～20mADC

3.4上位机监控系统

1.上位机监控系统组成

硬件：PC机

软件：组态王

(1)组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。

(2)组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。

工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。

工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工

具。

运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。

(3)组态王与I/O设备通信

组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通讯。

（4）组态王的开放性

组态王支持通过OPC、DDE 等标准传输机制和其他监控软件（如：Intouch、Ifix、Wincc等）或其他应用程序（如：VB、VC等）进行本机或者网络上的数据交互。2.上位机监控系统设计

（1）建立组态王新工程：

启动组态王，进入工程管理器，点击新建，选择存储路径，将工程名定为基于组态王的双容液位控制系统系统，将工程设为当前工程。

（2）创建组态画面

进入组态王开发系统后，依次建立监控总图、液位现场控制系统、报警窗口、历

史趋势曲线窗口和数据报表窗口等人机接口。其中将监控总图设为启动窗口，各窗口之间可自由切换。

（3）定义IO设备

定义IO设备包括指定设备驱动，地址，逻辑名等关键参数。选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，择“百特仪表，XM类仪表，串口，外部设备名称百特仪表，为设备选择连接串口为COM1，填写设备地址1:0-3:0。通讯参数为：采用串口通迅，端口号COM1，波特率为9600bps，数据位8，无校验位，停止位1:0，通讯超时3000ms，采集频率1000ms。

（4）构造数据库

数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送往生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节。

选择工程浏览器左侧大纲项“数据库\数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，依次建立数据字典“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度”|“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”等。（5）动画连接

定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表现出来。

1)水箱的动画连接

水箱链接：双击下水箱，在弹出的属性设置框中选择填充，在弹出的设置框中连接PV值

2）按钮链接：双击按钮，在弹出的属性设置框中选择模拟量输入，在弹出的设置框中分别连接连接“输出值”、“设定值”、“比例度”“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”，保存。

3）输出连接：双击XXXX，在弹出的属性设置框中选择模拟量输出，在弹出的设置框中分别连接连接“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度”“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”

4）管道连接：双击管道，在弹出的属性设置框中选择流动，在弹出的设置框中连接“输出值/10”

5）保存画面

（6）启动配置

选择工程浏览器左侧大纲项“系统配置\设置运行系统”，双击打开,在弹出对话框中选择启动时,画面最大化,启动画面为监控总图。

3.5远程监控客户端的设计

远程监控客户端的设计与上位机监控系统的设计相似

1.建立组态王新工程：

启动组态王，进入工程管理器，点击新建，选择存储路径，将工程名定为基于组态王的远程监控系统，将工程设为当前工程

2. 创建组态画面

进入组态王开发系统后，依次建立监控总图、液位控制系统、报警窗口、历史趋势曲线窗口和数据报表窗口等人机接口。其中将监控总图设为启动窗口，各窗口之间可自由切换。

3.定义IO设备

选择工程浏览器左侧大纲项“设备\OPC服务器”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“OPC服务器新建”图标，在弹出“查看OPC服务器”对话框中，“网络节点名”编辑框中输入“\\server1，然后单击“查找”按钮，选中“KingView.View.1”，确定。如图3.3所示：

图3.3 义远程客户端设备

4.构造数据库

选择工程浏览器左侧大纲项“数据库\数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，依次建立数据字典“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度”|“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”。

5.动画连接

以液位控制系统为例说明动画链接，

1)水箱的动画连接

双击下水箱，在弹出的属性设置框中选择填充，在弹出的设置框中连接本地PV

2）按钮链接

双击按钮，在弹出的属性设置框中选择模拟量输入，在弹出的设置框中分别连接

连接“输出值”、“设定值”、“比例度”“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”，保存。

3）输出连接

双击XXXX，在弹出的属性设置框中选择模拟量输出，在弹出的设置框中分别连接

连接“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度”“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”

4）管道连接

双击管道，在弹出的属性设置框中选择流动，在弹出的设置框中连接“输出值/10”5）保存画面

6.启动配置

选择工程浏览器左侧大纲项“系统配置\设置运行系统”，双击打开,在弹出对话框