电气综合控制系统课程设计.docx
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电气综合控制系统课程设计
成都理工大学工程技术学院
电气综合控制系统课程设计
院系：
自动化工程系
专业：
建筑电气与智能化
班级：
2013建电1班
学号：
姓名：
同组成员：
指导老师：
完成时间：
2015年12月25日
成绩
目录
概述1
一、PLC的分类及特点1
二、PLC的结构与工作原理1
三、S7-200PLC的硬件组成及指令系统2
四、常用低压电器介绍3
第一部分6
课题一电动机带延时正反转控制实操模拟6
课题二天塔之光控制模拟10
课题三机械手控制模拟15
第二部分20
课题一电动机点动控制20
课题二电动机自锁控制22
课题三两台电动机顺序起、停控制24
课题四三台电动机顺序起动控制26
总结28
概述
一、PLC的分类及特点
可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController），在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC的分类：
按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等；按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等；按结构分，可分为整体式和模块式；按功能分，可分为低档、中档、高档三类。
PLC的特点：
1.可靠性高，抗干扰能力强2.配套齐全，功能完善，适用性强3.易学易用，深受工程技术人员欢迎3.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造4.体积小，重量轻，能耗低
二、PLC的结构与工作原理
PLC的结构：
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
其组成框图如图1所示。
图1整体式PLC的组成框图
PLC的工作原理：
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
三、S7-200PLC的硬件组成及指令系统
硬件组成：
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，具体如图2所示：
图2S7-200CPU的外形结构
S7-200CPU模块包括一个中央处理器（CPU）、电源以及I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。
输入和输出时系统的控制点：
输入部分从现场设备中（例如传感器或开关）采集信号，输出部分则控制泵、电机、指示灯以及工业过程中的其他设备。
电源向CPU及所连接的任何模块提供电力支持。
通信端口用于连接CPU与上位机或其他工业设备。
状态信号灯显示了CPU工作模式，本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。
指令系统：
1）标准触点指令
2）串联电路块的并联连接指令OLD
3）并联电路的串联连接指令ALD
4）输出指令
5）置位与复位指令S、R
6）跳变触点EU,ED
7）空操作指令NOP
8）程序结束指令END
四、常用低压电器介绍
4.1继电器
继电器是一种电控制器件。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
它是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。
作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：
1）扩大控制范围2）放大3）综合信号4）自动、遥控、监测。
图3为时间继电器，它的主要功能是作为简单程序控制中的一种执行器件，当它接受了启动信号后开始计时，计时结束后它的工作触头进行开或合的动作，从而推动后续的电路工作。
一般来说，时间继电器的延时性能在设计的范围内是可以调节的，从而方便调整它的延时时间长短。
单凭一只时间继电器恐怕不能做到开始延时闭合，闭合一段时间后，再断开，先实现延时闭合后延时断开，但总体上说，通过配置一定数量的时间继电器和中间继电器都是可以做到的。
图3时间继电器
图4为热过载继电器，热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。
热继电器的动作时间与过载电流的大小按反时限关系变化〔而作为电动机过载保护的热继电器，必须保证电动机的正常起动和运行不受影响，并能最大限度的发挥电动机的承载能力，因此热继电器的动作特性曲线应位于电动机的允许发热特性曲图4热过载继电器线的下方，且又接近于它）。
当它接入主电路内，流过与电动机相同电流，当电动机过载达到一定程度时，热元件被加热达到一定弯曲程度，推动热继电器动作结构。
4.2熔断器
图5为熔断器，也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为“熔断体（fuse-link）”。
它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。
熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统，以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。
熔断器是一种过电流保护电器。
熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。
使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超图5熔断器过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。
以金属导体作为熔体而分断电路的电器。
串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。
具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。
因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。
熔断器主要由熔体、外壳和支座3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。
使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。
以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。
具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。
因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。
4.3接触器
接触器是一种用于频繁地接通或断开交流直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。
在功能上，接触器除能实现自动切换外，还具有手动开关所不能实现的远距离操作功能和失电压（或欠电压）保护功能。
它能不同于低压熔断器，虽有一定的过载能力，但却不能切断短路电流，也不具备过载保护的功能。
由于接触器结构紧凑、价格低廉、工作可靠、维护方便，因而用途十分广泛，是电力拖动自动控制系统中重要元件之一。
在PLC控制系统中，接触器常作为输出执行元件，用于控制电机、电热设备、电焊机、电容器组等负载。
图
6为交流接触器，它是接触器的一种，其典型结构分为双断点直动式（LC1-D/F*）和单断路转动式（LC1-B*）。
交流接触器与继电控制回路组合，远控或联锁相关电气设备。
目前最常用的产品主要为CJ系列中的CJX2系列，CJ20系列，CJT1系列3TB，B系列等。
交流接触器主要有四部分组成:
（1）电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯;
（2）触头系统,包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的;（3）灭弧装图6交流接触器置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头;（4）绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。
工作原理：
当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。
当线圈断电时,吸力消失,动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。
第一部分
课题一电动机带延时正反转控制实操模拟
一、课题目的
1.掌握PLC外围直流控制及交流负载线路的接法及注意事项。
2.掌握用PLC控制电机运行状态的方法。
二、课题设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可编程控制器课题装置
THPFSM-1/2
1
2
电机实操单元
B20
1
3
课题导线
3号转4号
若干
4
PC/PPI通讯电缆
1
西门子
5
计算机
1
自备
三、面板图
四、控制要求
1.延时正反转控制
按启动按钮SB1，电动机作星形连接启动，电机正转，延时3S后，电机反转；按启动按钮SB2，电动机作星形连接启动，电机反转，延时3S后，电机正转；电机正转期间，反转启动按钮无效，电机反转期间，正转启动按钮无效；按停止按钮SB3，电机停止运转。
五、功能指令使用
1.定时器指令使用
S7-200CPU提供了256个定时器，共分为三种类型：
TON（接通延时定时器）：
输入端通电后，定时器延时接通；
TONR（有记忆接通延时定时器）：
输入端通电时定时器计时，断开时计时停止；除非复位端接通，计时值累计；
TOF（断开延时定时器）：
输入端通电时输出端接通，输入端断开时定时器延时关断。
定时器对时间间隔进行计数，时间间隔又称分辨率（或时基），S7-200CPU提供三种定时器分辨率：
1ms、10ms、100ms。
定时器类型
分辨率/ms
最长定时值/s
定时器号
TONR
1
32.767
T0,T64
10
327.67
T1～T4，T65～T68
100
3276.7
T5～T31，T69～T95
TON、TOF
1
32.767
T32,T96
10
327.67
T33～T36，T97～T100
100
3276.7
T37～T63，T101～T255
六、端口分配及接线图
1.I/O端口分配功能表
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1.
I0.0
SB1
正转启动
2.
I0.1
SB2
反转启动
3.
I0.2
SB3
停止
4.
Q0.0
KM1
继电器01
5.
Q0.1
KM2
继电器02
6.
Q0.2
KM3
继电器03
7.
Q0.3
KM4
继电器04
8.
主机输入端1M、面板开关公共端COM接电源+24V
输入规格
9.
主机输出端1L、2L、3L、接交流电源L
输出规格
2.
控制接线图
3.梯形图
七、操作步骤
1.编写程序，程序梯形图如图所示：
2.按控制接线图连接控制回路与主回路；
3.将编译无误的控制程序下载至PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态；
4.分别拨动SB1～SB3，观察并记录电机运行状态
课题二天塔之光控制模拟
一、课题目的
1.掌握移位指令的使用及编程
2.掌握天塔之光控制系统的接线、调试、操作
二、课题设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
课题装置
THPFSM-1/2
1
2
课题挂箱
A12
1
3
导线
3号
若干
4
通讯编程电缆
PC/PPI
1
西门子
5
课题指导书
THPFSM-1/2
1
6
计算机（带编程软件）
1
自备
三、面板图
四、控制要求
1.依据实际生活中对天塔之光的运行控制要求，运用可编程控制器的强大功能，实现模拟控制。
2.闭合“启动”开关，指示灯按以下规律循环显示：
L1、L8→L1、L2、L5→L1、L3、L7→L1、L4、L7→L1、L3、L6→L1、L2、L5→L1、L8→L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8。
3.关闭“启动”开关，天塔之光控制系统停止运行。
五、功能指令使用及程序流程图
1.移位指令使用
移位指令将输入值IN右移或左移N位，并将输出结果装载到OUT中。
移位指令对移位出的位自动补零。
如果位数N大与或等于最大允值，那么移位操作的次数为最大允许值。
六、端口分配、梯形图及接线图
1.端口分配及功能表
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1
I0.0
SD
启动（SD）
2
Q0.0
L1
指示灯L1
3
Q0.1
L2
指示灯L2
4
Q0.2
L3
指示灯L3
5
Q0.3
L4
指示灯L4
6
Q0.4
L5
指示灯L5
7
Q0.5
L6
指示灯L6
8
Q0.6
L7
指示灯L7
9
Q0.7
L8
指示灯L8
10
主机1M、面板V+接电源+24V
电源正端
11
主机1L、2L、3L、面板COM
接电源GND
电源地端
2.梯形图
3.PLC外部接线图
七、操作步骤
1.检查课题设备中器材及调试程序。
2.按照I/O端口分配表或接线图完成PLC与课题模块之间的接线，认真检查，确保正确无误。
3.打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改，直至无误，用PC/PPI通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。
4.打开“启动”开关，系统进入自动运行状态，调试天塔之光控制程序并观察工作状态。
5.关闭“启动”开关，系统停止运行。
课题三机械手控制模拟
一、课题目的
1.掌握循环右移指令的使用及编程
2.掌握机械手控制系统的接线、调试、操作
二、课题设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
课题装置
THPFSM-1/2
1
2
课题挂箱
A17
1
3
导线
3号
若干
4
通讯编程电缆
PC/PPI
1
西门子
5
课题指导书
THPFSM-1/2
1
6
计算机（带编程软件）
1
自备
三、
面板图
四、控制要求
1.总体控制要求：
如面板图所示，工件在A处被机械手抓取并放到B处。
2.机械手回到初始状态，SQ4=SQ2=1，SQ3=SQ1=0，原位指示灯HL点亮，按下“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，（SQ2=0）下降到A处后（SQ1=1）夹紧工件，夹紧指示灯YV2点亮。
3.夹紧工件后，机械手上升（SQ1=0），上升指示灯YV3点亮，上升到位后（SQ2=1）,机械手右移（SQ4=0）,右移指示灯YV4点亮。
4.机械手右移到位后（SQ3=1）下降指示灯YV1点亮，机械手下降。
5.机械手下降到位后（SQ1=1）夹紧指示灯YV2熄灭，机械手放松。
6.机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮。
7.机械手上升到位（SQ2=1）后左移，左移指示灯YV5点亮。
8.机械手回到原点后再次运行。
五、功能指令使用及程序流程图
1.程序流程图
六、端口分配、梯形图及接线图
1.端口分配及功能表
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1
I0.0
SB1
启动开关
2
I0.1
SQ1
下限位开关
3
I0.2
SQ2
上限位开关
4
I0.3
SQ3
右限位开关
5
I0.4
SQ4
左限位开关
6
Q0.0
YV1
下降指示灯
7
Q0.1
YV2
夹紧指示灯
8
Q0.2
YV3
上升指示灯
9
Q0.3
YV4
右移指示灯
10
Q0.4
YV5
左移指示灯
11
Q0.5
HL
原位指示灯
12
主机1M、面板V+接电源+24V
电源正端
13
主机1L、2L、3L、面板COM
接电源GND
电源地端
2．梯形图
3.PLC外部接线图
七、操作步骤
1.检查课题设备中器材及调试程序。
2.按照I/O端口分配表或接线图完成PLC与课题模块之间的接线，认真检查，确保正确无误。
3.打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改，直至无误，用PC/PPI通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中，下载完毕后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态。
4.将左限位开关SQ4、右限位开关SQ3打向左、上限位开关SQ2、下限位开关SQ1打向上，机械手回到初始状态，原位指示灯HL点亮。
5.打上“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，模拟机械手下降，上限位开关SQ2打下，下降到A处后次下限位开关SQ1打下，开始夹紧工件，夹紧指示灯YV2点亮。
6.夹紧工件后，机械手上升，上升指示灯YV3点亮，将下限位开关SQ1打上，机械手上升到位后，上限位开关SQ2打上。
7.右移指示灯YV4点亮，机械手开始右移，左限位开关SQ4打向右。
8.机械手右移到位后，右限位开关SQ3打向右，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，上限位开关SQ2打下。
9.机械手下降到位后，下限位开关SQ1打下，夹紧指示灯YV2熄灭，机械手放松。
10.机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮，下限位开关SQ1打上，机械手上升到位后，上限位开关SQ2打上。
11.机械手上升到位后左移指示灯YV5点亮，右限位开关SQ3打向左。
12.机械手左移到位后，左限位开关SQ4打向左，机械手完成一个动作周期。
第二部分
课题一电动机点动控制
一、课题目的
1.能通过安装的线路实现电机的点动控制功能
2.通过对三相异步电动机点动控制和自锁控制线路的实际安装接线，掌握由电气原理图变成安装接线图的知识。
二、课题要求
1.安装布线要整齐，连接要可靠。
2.按线路图正确接线，要求配线长度适度，不能出现压皮、露铜等现象。
3.线路功能正常，通电测试无短路现象，能实现科目要求的功能。
4.测试完成后实验报告能对实作过程进行总结并对过程进行梳理，能够分析实作步骤。
三、课题设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
电机
1
2
电机系统教学实验台
NMEL-IIB
1
3
万用表
1
4
导线
若干
5
继电器接触控制箱
NEEEL-21
1
四、控制原理
根据控制要求设计出相应的电路图，如图1.1。
图1.1单向电机点动控制电路
图1.1为三相笼型异步电动机单向点动控制电路。
它是一个最简单的控制电路。
由隔离开关QS、熔断器FU1、接触器KM的常开触点与电动机M构成主电路。
FU1作电动机M的短路保护。
电路的工作原理：
启动时，合上隔离开关QS，引入三相电源，按下按钮SB，接触器KM的线圈得电吸合，KM的主触点闭合，电动机M因接通电源便起动运转。
松开按钮SB，按钮就在自身弹簧的作用下恢复到原来断开的位置，接触器KM的线圈失电停止运转。
可见，按钮SB兼作停止按钮。
五、操作步骤
1.熟悉本次实验的各电器元件
2.根据原理图按照工艺要求连接实物图，从刀开关的下端开始自上而下的接线，先接主电路后接控制电路，先串联后并联，先控制点后保护点的接线规律连接，最后接电源进线。
3.接线完成后，仔细检查电路有无漏接、短接、错接以及接线端的接触是否良好。
连接好的实物图为图1.2所示。
图1.2点动控制电路实物接线图
4.接通电源。
操作SB。
观察接触器KM和电动机工作情况，理解点动的意义。
5.实验完成后，先切断电源，再拆线清点整理实验器材。
六、注意事项
1.把电路接好后，先进行自检，经老师检查正确后，再通电实验。
2.试验中如发现有接触器振动、有噪声、电动机不能正常起动等异常现象，应立即切断电源，分析原因，排除故障后再通电实验。
课题二电动机自锁控制
一、课题目的
1.学会三相异步电动机的自锁控制的接线和操作方法。
2.理解自锁的概念。
二、课题要求
1.安装布线要整齐，连接要可靠。
2.按线路图正确接线，要求配线长度适度，不能出现压皮、露铜等现象。
3.线路功能正常，通电测试无短路现象，能实现科目要求的功能。
4.测试完成后实验报告能对实作过程进行总结并对过程进行梳理，能够分析实作步骤。
三、课题设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
电机
1
2
电机系统教学实验台
NMEL-IIB
1
3
万用表
1
4
导线
若干
5
继电器接触控制箱
NEEEL-21
1
四、控制原理
根据实验原理设计出相应的电路图，如图2.1。
图2.1单向自锁控制电路
图2.1为三相笼型异步电动机单向自锁控制电路。
由隔离开关QS、熔断器FU1、接触器KM的主触点，热继电器FR的热元件与电动机M构成主电路。
电路的工作原理：
启动时，合上QS，引入三相电源，按下起动按钮SB2，交流接触器KM的电磁线圈通电，接触器的主触点闭合，电动机因接通电源直接起动运转。
同时，与SB2并联的KM常开辅助触点闭合，这样当手松开，SB2自动复位时，接触器KM的线圈仍可通过接触器KM的常开辅助触点使接触器线圈继续通电，从而保持电动机的连续运行。
这种依靠接触器
升级会员 