电气控制实验讲义.docx
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电气控制实验讲义
学生实验守则
1.学生做实验时，必须严格遵守学校的有关规定，服从指导教师和实验室工作人员的管理。
2.实验前应做好预习，认真阅读指导书中的相关内容，并按要求写出预习报告。
3.学生进入实验室应穿着整齐，不准赤膊、穿背心、拖鞋做实验。
4.本实验室的部分实验项目需要使用电机，在做与电机有关的实验项目时不准戴围巾，并要把衣服的拉锁或纽扣扣好，女同学应戴工作帽（留长发的女同学应先将头发盘起再戴安全帽），以防发生安全事故。
5.实验室内不准大声喧哗、相互打闹和吃东西。
要注意保持实验室整洁，禁止随地吐痰和乱扔废弃物。
6.实验室内禁止吸烟。
7.每次连接或改接电路后，都要请指导教师进行检查，得到教师允许后方可接通电源。
8.严格遵守操作规程，禁止带电拆改线路。
9.实验进行中如发生意外事故，不要惊慌，应立即切断电源，注意保护现场，并请指导教师查明事故原因，妥善处理。
10.实验过程中，与所作实验内容无关的仪器设备一律不准动用。
11.因违反操作规程导致仪器设备损坏的当事人，须按学校有关规定负赔偿责任。
12.实验结束后，应将台面上的导线、仪器设备等整理好之后再离开实验室。
13.对于违反上述规定的学生，任何人都有权对其提出批评指正，如不听劝告，指导教师有权停止其实验，并报请学院有关部门进行处理。
运动控制实验室
2012年3月
绪论
随着科学技术的飞速发展，控制技术在各个领域中得到了越来越广泛的应用，小到单台自动化装置，大到装备全自动化生产线的工厂车间，都要靠控制系统的支持才能得以实现，而继电接触控制是自动控制系统中的重要组成部分，在工矿企业的控制设备中起着重要的作用。
在工厂电气设备中，常常需要用到控制电器，如接触器、继电器、主令控制器、按钮、开关、电阻器、熔断器等统称为电器，它们能对电能的产生和分配起到控制和保护作用。
应用控制电器组成的自动控制系统，称为继电器—接触器控制系统。
控制电器的种类很多，按其工作电压的大小，以交流1000伏、直流1200伏为界，划分为高压电器与低压电器两大类。
其中低压电器按其控制对象划分又可分为以下两大类：
①自动控制系统用电器；②电力系统用电器。
继电器—接触器控制系统能够实现对电动机等被控对象的手动和自动控制，能够在一定范围内适应单机和一般自动生产线控制的需要，因而目前仍在自动化领域广泛使用。
继电器—接触器控制系统的主要缺点是：
由于其固定的控制线路连接造成了其使用功能的单一性，即一台控制装置只适用于某一固定控制程序的设备，一旦控制系统的工艺流程与控制要求有所变动，就需要重新进行配线，需要耗费较多的时间和人力、物力，因此不能满足比较复杂或者控制要求经常改变的系统需要。
科学技术的不断进步，工业自动化的飞速发展，给现代工业生产提出了更高的要求，为了适应生产工艺和流程经常变化的控制需要，工业自动化的发展迫切需要一种能够融合传统的继电器——接触器控制系统和先进的计算机控制系统各自的优点，主要用于开关量控制的自动控制装置。
因此，在二十世纪六十年代末，伴随着电子技术和计算机技术的发展，诞生了可编程控制器（PLC）。
可编程控制器具有很强的逻辑控制功能，以其可靠性高、适应恶劣环境能力强、使用方便等特点，因而被广泛用于需要继电器—接触器控制的场合，并迅速占领了工业生产自动化领域。
《运动控制实验-3》课程是《现代电气控制技术》课程的重要实践环节，通过实验课，学生可以验证与巩固课堂所学的理论知识，学习电气控制系统接线、操作的基本技能，提高动手能力，进行初步的工程设计训练，培养分析问题解决问题的能力，积累工作经验，为成为合格的工程技术人员打下良好的基础。
第一章现代电气控制技术实验装置简介
第一节电器控制教学实验台
在《现代电气控制技术》实验课程中，继电器—接触器控制的实验同《电机原理及拖动基础》实验课程使用同一个实验台，即：
MCL—Ⅱ型电机系统教学实验台，其总体外观结构如图1-1所示。
图中：
1—仪表屏，配置三相指针式交流电压表和电流表，另有报警指示灯和日光灯开关。
2—电源控制屏，通过调压器输出单相或三相连续可调的交流电源。
3—实验桌，内可放置各种组件及电机，桌面上放置测功机及导轨。
4—导轨及测功机、直流测速发电机总成。
5—被测电机，具有多种类型以及统一的安装尺寸，便于更换。
6—直流稳压电源模块，用于为直流并励电动机提供直流电源。
7—实验所需的仪表、可调电阻器、开关挂箱、功能模块等组件，这些组件可根据实验内容与要求任意搭配、组合。
8—测功机挂箱，用于读取测功机和测速发电机的显示数据。
下面对实验台的各部分结构以及实验中常用的部分模块的使用作一简要介绍。
一、电源控制屏
电源控制屏的面板如图1-2所示。
图中：
1—电源钥匙开关，当钥匙开关转向“开”的位置，红色按钮上的指示灯点亮，表示电源控制屏接通电网，此时可以打开实验台上的各种仪表。
2—拨动开关，用于选择电源控制屏上的三相交流电压表所指示的电压类型，当开关拨向“电网电压”时，三相电压表指示为电网输入到主控制屏的三相电压值；当开关拨向“调压输出”时，电压表指示三相调压器输出的可变电压值。
3—主电源断开按钮开关，按下此开关，主电路接触器断开，可切断三相调压器的电源，此时该按钮的红色指示灯亮，主电源接通按钮的绿色指示灯灭，表明三相调压器的输出端U、V、W无电压输出。
4—主电源接通按钮开关，按下此开关，主电路接触器闭合，该按钮上的绿色指示灯亮，主电路断开按钮上的红色指示灯灭，三相调压器可输出三相交流电压，打开直流稳压电源可输出直流电压。
5—三相调压器调压旋钮。
三相调压器的容量为1.5KVA，线电压0～430连续可调，为保证实验者的人身安全，电网进线与三相调压器之间接有变比为1：
1的隔离变压器（新型实验台同时接有漏电保护器）。
三相调压器可调节单相或三相电压输出，当调压旋钮逆时针旋到底是输出电压为“0”，顺时针旋转调压旋钮可增大输出电压。
6—保险管座，内装3A保险管，用于短路保护。
7—三相调压器输出端U、V、W、N。
8—三相交流电压表，可指示实验台的输入电压和三相调压器输出电压，用拨动开关2进行切换。
二、仪表屏
MEL—Ⅱ型电机系统教学实验台的仪表屏如图1-3所示。
该仪表屏上有三个指针式交流电压表和三个指针式交流电流表，用于为交流电机实验提供所需仪表，仪表的量程可根据实验需要进行选择。
除交流仪表外，在仪表屏上还设有报警指示灯、日光灯功能开关和一组三相调压器输出端子。
当日光灯功能开关拨到左边“照明”位置时，日光灯接入220V交流电源，作实验照明用；当开关拨向右边“实验”位置时，日光灯的四个接线端子引出，可做日光灯实验用。
三、波形测试及开关板
波形测试及开关板的结构如图1-4所示，分为上下两个部分，上部为波形测试部分，用于接入三相变压器电路，通过示波器观察变压器的电压和电流波形。
下部为开关部分，分别设置一个单刀双掷拨动开关和两个三刀双掷拨动开关，用于实验过程中实现电路的通断控制或转换控制。
在继电器——接触器实验中，可将三刀双掷开关用作控制系统的隔离刀开关。
四、继电器——接触器挂箱（EEL—10）
继电器——接触器挂箱（EEL—10）如图1-5所示。
实验挂箱上共有三个交流接触器，每个交流接触器触除三队对主触点及线圈引出端以外还在面板上设置了两对辅助常开触点和一对辅助常闭触点引出端，用于联接接触器的控制电路部分；另设置了三个按钮开关、一个热继电器和一个电子式时间继电器。
五、实验台操作步骤
1、上电步骤
[1]合上漏电保护器开关（无漏电保护器的实验台可略过此步）。
[2]把日光灯控制开关拨向“照明”位置，可以打开实验台上的日光灯。
[3]把总电源的钥匙开关打向“开”的位置，此时主电路断开按钮（红色按钮）上的指示灯点亮，控制屏上的所有单相电源插座有交流220V输出，同时控制屏上的仪表也可通过其电源开关上电。
把“指示选择”开关拨向电网电压侧，则三只指针式电压表应有380V的电压指示。
[4]将三相调压器的调压旋钮左旋到底，按下“接通”按钮，可听到交流接触器的吸合声，“断开”按钮指示灯灭，“接通”按钮指示灯亮，实验台主电路接通。
此时一方面可以通过调压器输出三相可变电压，另一方面可以通过直流电机励磁电源和直流稳压电源上的开关控制直流机电源上电。
[5]将“指示选择”开关拨向调压输出侧，顺时针调节三相调压器旋钮，则三只指针式电压表会有相同幅值的电压输出，用万用表测量，U、V、W相对于N将会有相电压输出。
[6]上电过程完成。
2、断电步骤
[1]按下红色的“断开”按钮，“断开”指示灯亮，将所有实验挂箱及仪表电源开关打向“OFF”处，并关闭日光灯。
[2]把钥匙开关打向“关”的位置。
[3]对于装有漏电保护自动开关的实验台，应将自动开关断开。
六、实验台使用注意事项
1、严禁实验线路带电接线改线。
2、仪表使用时要根据情况选择合适的量程，以免出现不必要的报警。
3、当电路报警或换做实验时，三相调压器要从零开始调节。
4、设备中若有保险丝烧坏，一定要用相同规格的保险管更换，不可用过大或过小的保险管更换。
5、挂箱搬动要轻拿轻放，避免内部的插板松动。
6、不要将已通电的电烙铁放在实验台或主控屏上，以免烧坏桌面和主控屏。
7、接线时要使导线远离电机联轴器，以防电机旋转时将导线卷入联轴器。
第二节可编程控制器实验装置
可编程控制器实验装置所用的设备是TVT-90C型可编程控制器训练装置，如图1-6所示，实验装置为开放台式结构，由实验屏和实验板箱组成。
实验屏由PLC主机、A/D模块、D/A模块、数字量调试单元板、模拟量指示调节单元板及铝合金框架等组成，十余种不同内容的模拟实验板可根据需要挂在实验板箱的滑道上，可与PLC主机组合进行多种实验。
实验装置中的PLC主机为松下电工的FP1-C40型可编程控制器（其中有两台实验装置的主机使用FP0-C14扩展为40点）。
一、PLC主机
图1-7所示为松下FP1-C40型PLC主机，其结构说明如下：
1、后备电池座；
2、工作方式选择开关：
PLC的方式选择开关可控制PLC工作在以下三种状态：
运行模式（RUN）：
该模式下PLC只能运行存储器中的程序而不接受对程序的修改，当程序调试完成，可长期用于工业现场而不需改动程序时，可使用此模式；
编程模式（PROG）：
在该模式下，PLC只能接受编程器或上位机对其程序进行修改，不能够运行程序，在编制程序时，可使用此模式；
遥控模式（REMOTE）：
在遥控模式下，PLC可由编程器或上位机灵活地进行编程模式与运行模式的切换，在进行程序调试时，可使用此模式。
3、PLC工作状态监视指示灯；
4、外部设定电位器（共4个）；
5、编程工具连接插座（RS422口）；
6、内装式24V直流电源接线端（用于为输入端提供24V直流电压）；
7、开关量输入接线端子；
8、输出接线端子；
9、220V交流电源输入端子。
此外，该型号的主机上还具有扩展插座以及RS232口，用于扩充I/O点和连接外围设备。
二、数字量调试单元
数字量调试单元如图1-8所示，图中：
1、24V直流稳压电源接线端，是实验装置的专用电源，用于为PLC的输入与输出以及实验模板提供直流电源；
2、输入变换开关，用于控制PLC输入端接收调试拨动开关的信号或拨码器的信号。
3、拨码器，其作用是将十进制数码转换为BCD码为PLC提供输入信号；
4、调试开关，其作用是切换PLC主机的输入点使用模式，当调试开关置于“off”位置时，PLC的输入信号需用实验专用导线连接在与输入点相对应的接线插孔上，当调试开关置于“on”位置时，PLC主机的输入点接受调试单元上的拨动开关或拨码器的信号输入，以便于调试程序。
9
8
7
6
5
4
3
2
1
图1-8数字量调试单元
5、蜂鸣器；
6、保险管座；
7、实验装置电源总开关及指示灯；
8、输入单元接线端以及调试用拨动开关，
9、输出单元接线端及指示灯。
第三节FP系列PLC编程软件
FPWIN—GR（汉化2.12版）
FPWIN—GR软件（汉化2.12版）是运行在Windows环境下的PLC编程工具软件，该软件具有符号梯形图、布尔梯形图、布尔非梯形图（布尔指令）三种编程方式，并且具有程序编辑、注释、调试、监控、打印以及对PLC进行遥控等功能。
一、软件运行环境与基本配置
FPWIN—GR汉化编程软件可在中文Windows95/98/2000/NT（Ver4.0以上）以及XP操作系统上运行，所需硬盘空间为15MB以上，系统配置为Pentium100MHZ以上，显示器分辨率为800×600以上，内存32MB以上，彩色显示16位HighColor以上。
二、FPWIN—GR的启动与退出
1、启动
单击“开始”——“程序”——“NAiSControl”——“FPWINGR”可启动程序，也可在桌面上建立“FPWINGR”快捷方式，用双击“FPWINGR”图表的方式启动程序，这时屏幕上出现以下选择画面（图1-9）：
✧创建新文件：
需要输入一个新程序时选择；
✧打开已有文件：
需要调出一个已经存盘的程序时选择；
✧由PLC上载：
需要从PLC中调出程序时选择；
✧取消：
不需要读取或输入任何程序，只启动软件。
如果选择“打开已有文件”，则屏幕显示指定文件夹中的文件列表，选择文件名后单击“确定”。
如果选择“创建新文件”，程序会进一步提示用户选择PLC机型，如图1-10所示：
2、退出
利用菜单栏选择“文件”——“退出”即可退出程序，如果程序没有保存，则程序会发出存盘提示，选择“是”即可保存程序并退回操作系统。
三、FPWIN—GR窗口
FPWIN—GR软件界面如图1-11所示，是一个标准的WINDOWS程序窗口，大部分区域的名称、位置及作用已被大家所熟悉，在编辑画面中有两条竖线，代表梯形图的两条电源线，在两线之间输入各种控制元件从而实现梯形图程序的编辑。
下面主要介绍一下“输入段栏”和“功能键栏”的使用方法。
输入段栏
该栏目显示当前正在输入的梯形图元件或参数，通过单击输入栏中的[Enter]按钮或直接按键盘上的[Enter]键确认输入内容，将元件或参数输入到梯形图中。
功能键栏
在编写程序时，可以用鼠标点击“功能键栏”中的按钮或直接用键盘上的“F1”～“F12”功能键实现指令的输入,将“F1”～“F12”功能键与“Shift”或“Ctrl”键组合使用,还可以输入更多的常用指令。
“功能键栏”中各个按钮左下角的数字表示所对应的功能键号。
如图1-12所示，第一段和第二段分布的是主要指令的快捷键，在进行键盘输入时，第一段的指令操作只需按功能键即可有效，第二段指令的操作需同时按下“Shift”+功能键有效。
第三段中分布的是软件功能的快捷键，输入操作时需同时按下“Ctrl”+功能键有效。
当输入不同的指令时，功能键栏的显示内容会随着所选择的指令发生变化，以便输入进一步的信息。
当需要返回时可点击输入栏中的[ESC]或直接按键盘上的[ESC]键。
第二章现代电气控制实验
实验一异步电动机的继电接触器控制
实验学时：
2实验类型：
操作型
一、实验目的
观察交流接触器的结构，进一步学习交流接触器的工作原理，并初步掌握使用按钮与交流接触器控制三相异步电动机的方法。
二、实验内容
1、观察交流接触器的结构，记下接触器的主要技术数据，包括型号及其含义、额定电压、额定电流、线圈额定电压等参数，记下接触器主触头、辅助常开及辅助常闭触头的数量等；
2、三相异步电动机的自锁及点动运行控制电路；
3、三相异步电动机的正反转控制电路；
4、三相异步电动机的Ｙ－△起动控制电路。
三、实验要求
1、实验前写出预习报告，简述三相异步电动机自锁运行与点动控制、正反转控制的电路原理；
2、设计Ｙ－△起动实验电路，画出控制电路图。
3、在实验台上连接自锁与点动控制、正反转控制和Ｙ－△起动控制线路，并进行实际操作，观察电路的工作状况是否符合控制要求。
四、实验装置
1、运动控制实验台；
2、继电接触控制实验挂箱（EEL-10），接触器线圈额定电压为220V；
3、波形测试及开关板（MEL-05）；
4、三相鼠笼式异步电动机一台，其额定电压为220V，定子绕组额定接法为△；
接插导线若干。
五、实验步骤
由实验台上的三相调压器输出端引出三相交流电源，首先连接开关板上的一个三相拨动开关Q1（相当于隔离开关），然后再连接主电路及控制电路。
线路连接完成后，先断开三相拨动开关Q1，然后打开钥匙开关并按下实验台上的启动按钮。
缓慢旋转三相调压器的调节旋钮，将其输出电压调至220V，然后再接通三相开关Q1进行实验操作。
注意：
每项实验结束后，均应把三相调压器的输出电压调至0V。
1、三相异步电动机的自锁及点动运行控制电路
用一个交流接触器、一个单刀开关和两个按钮组成三相异步电动机的自锁与点动控制电路。
如图2-1所示
控制要求：
红色按钮为停止按钮SB0，绿色按钮为起动按钮SB1。
当开关Q接通并按下SB1时，接触器动作并实现自锁，电动机可连续运转，按下SB0，接触器复位，电动机停止运行。
开关Q作为自锁运行与点动运行状态的切换开关，当Q断开时，可对电动机进行点动控制，即按下SB1电动机运转，放松SB1电动机停止。
图2-1鼠笼式三相异步电动机
自锁运行与点动控制
2、三相异步电动机的正反转控制电路
用两个交流接触器和三个按钮开关组成正反转控制电路，如图2-2所示。
控制要求：
两个绿色按钮分别为正转和反转的启动按钮SB1、SB2，红色按钮为停止按钮SB0，为防止两个接触器同时动作造成三相电源线间短路，两个接触器之间至少应具有电气互锁功能，即当一个接触器动作时，用其常闭触点切断另一个接触器的线圈回路，使反转接触器线圈不能得电，电动机运转时，如需改变转向，必须先按SB0，使原先动作的接触器复位，然后再按反向的启动按钮方可使电动机反向起动运转。
图2-2所示的电路为一个具有机械、电气双重互锁功能的正反转控制电路，它比单独电气互锁的控制电路更为可靠，并且能够直接切换电动机的转向而不需使用停止按钮复位。
3、三相异步电动机的Ｙ－△起动控制电路（设计内容）
此项实验为设计内容，用三个交流接触器、一个时间继电器和两个按钮自行设计鼠笼式三相异步电动机的Ｙ－△起动控制电路。
控制要求：
当按下启动按钮SB1时，接触器KM1与KM2动作，KM1接通三相交流电源，KM2将电动机定子绕组接成“Ｙ”形，电动机进入降压起动状态，延时2秒钟后，KM2复位，KM3动作，将电动机定子绕组接成“△”形，电动机进入全压运行工作状态，按下停止按钮SB0电动机停止运转。
接触器KM2与KM3需具有互锁功能，以避免电源出现短路现象。
☆注意！
电路设计完成后，需要由指导教师审核签字后方可连接线路，接线完毕应请指导教师检查，得到允许后才能通电做实验。
图2-2鼠笼式三相异步电动机正反转控制
（机械、电气双重互锁）
六、实验报告要求
在实验报告中画出上述三个实验电路图，简要分析各个电路的工作过程，并对实验结果进行总结与分析。
七、思考题
1、交流接触器辅助触头的作用是什么？
它和主触头有何区别？
2、若要对三相异步电动机进行两地控制（即在两个地点都能控制电动机的启动、停止），需要增加什么设备？
画出实验电路图；
3、对于自锁及点动控制电路，如果用一个专用的点动按钮来代替开关Q的切换功能进行点动控制，电路应怎样连接？
画出实验电路图；
4、在三相异步电动机正反转控制电路中，为什么需要引入机械、电气双重互锁？
实验二多台异步电动机的继电接触器控制
实验学时：
2实验类型：
设计型
一、实验目的
进一步掌握交流接触器和时间继电器的工作原理及使用方法，掌握多台电动机、多接触器的控制方法。
二、实验内容
1、两台异步电动机的顺序控制电路：
2、两台异步电动机的延时控制电路：
三、实验要求
1、实验前写出预习报告，按照上述两个电路的控制要求设计实验电路，并画出控制电路图；
2、在实验台上连接所设计的控制电路并进行实际操作，观察电路的工作状态是否符合控制要求。
四、实验设备
1、运动控制实验台
2、继电接触控制实验挂箱（EEL-10）
3、电机起动电阻挂箱
4、三相鼠笼式异步电动机一台（△型联接，220V）
5、三相线绕式异步电动机一台（Ｙ型联接，220V）
6、接插导线若干
五、实验步骤
由实验台上的三相调压器输出端引出三相交流电源，首先连接开关板上的一个三相拨动开关Q1（相当于隔离开关），然后再连接主电路及控制电路。
线路连接完成后，先断开三相拨动开关Q1，然后打开钥匙开关并按下实验台上的启动按钮。
缓慢旋转三相调压器的调节旋钮，将其输出电压调至220V，接通三相开关Q1进行实验操作。
注意：
每项实验结束时，均应把三相调压器的输出电压调至0V。
1、两台异步电动机的顺序控制电路
用两台异步电动机、两个交流接触器和三个按钮组成顺序控制电路。
控制要求：
两台三相异步电动机分别定义为M1和M2。
控制电路中，红色按钮为停止按钮SB0，两个绿色按钮SB1、SB2分别为异步电动机M1和M2的起动按钮，只有当M1起动运转后，M2才能起动，若M1不起动，则M2不能起动。
2、两台异步电动机的延时控制电路
用两台异步电动机、两个交流接触器、一个时间继电器和两个按钮组成延时控制电路。
控制要求：
红色按钮为停止按钮SB0，绿色按钮为起动按钮SB1，按下起动按钮SB1，M1起动运行，延时2秒钟后M2自动起动运行。
☆注意！
电路设计完成后，需要由指导教师审核签字后方可连接线路，接线完毕应请指导教师检查，得到允许后才能通电做实验。
六、实验报告要求
在实验报告中画出上述两个实验电路图，简述其原理与工作过程，并对实验结果进行总结与分析。
七、思考题
1、控制三相异步电动机的起动与停止为什么要使用交流接触器？
如果使用三相闸刀开关进行控制会有什么问题？
2、两台三相异步电动机的顺序控制一般应用于什么场合？
请举一例说明。
3、时间继电器有几种类型？
实验中所用的时间继电器属于哪一种类型？
实验三PLC指令系统
实验学时：
2实验类型：
操作型
一、实验目的
熟悉并掌握松下PLC上位机编程软件FPWIN-GR的使用、编程及调试方法，熟悉PLC的基本指令，初步掌握PLC的操作及与上位计算机的通讯方法。
二、实验内容
在熟悉FPWIN—GR编程软件的基础上学习并掌握PLC的基本操作指令、逻辑指令、定时器指令、计数器指令等常用控制指令的使用方法
三、实验要求
实验前应阅读书后附录内容，了解FPWIN-GR编程软件的使用、编程方法和PLC的指令系统。
通过实验，要求初步掌握编程软件的使用、梯形图的绘制与编辑以及程序的存盘、下装、上装、监控等基本操作。
四、实验设备
1、微型电子计算机
2、RS422/RS232C适配器
3、TVT-90A台式可编程控制器学习机。
五、实验步骤
1、根据附录中的使用说明对FPWIN-GR编程软件进行操作，初步掌握软件的设置、使用、编程以及程序的存取、上装与下装等操作方法。
2、逻辑指令
升级会员 