PLC课程设计.docx
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PLC课程设计
青岛大学自动化工程学院
电气控制技术课程设计
专业班级：
2009级电气工程及其自动化班
姓名：
学号：
2009
教师：
2012年09月18日
目录
摘要······························································2
电气控制的基础····················································3
典型的继电器接触控制线路··········································7
电气控制的保护环节···············································10
电气控制与自动控制················································12
电气控制的具体实例·················································13
摘要
本文介绍电气控制的基础：
1、其中包括电气原理图、电气元件布置图、电气安装接线图的简单介绍。
2、典型的继电器接触控制线路：
包括点动、长动、正反转、延时继电器应用、顺序控制、循环往复、星三角启动。
还简单介绍了电气控制的保护环节：
电压保护、电流保护、位置保护、物理保护。
最后简要说了PLC控制与PID、变频器的控制。
列举了几个简单的控制实例。
。
一、电气控制的基础
电气控制系统图表达了生产机械电气控制系统的结构、原理等设计示意图，是电气系统安装、调整、使用和维修的重要资料。
一、电气控制系统图中的图形符号和文字符号
电气控制系统图中，电气元件的图形符号和文字符号都有统一的国家标准。
目前采用GB/T4728.1-2005…GB/T4728.6-2005GB/T4728.7-2008…GB/T4728.13-2008等新标准，在绘制电气控制系统图时必须严格遵循。
二、电气控制系统图
电气原理图
电器布置图
电气安装接线图
（一）电气原理图
用规定的图形符号，按主电路和辅助电路相互分开并依据各电器元件动作顺序等原则所绘制的线路图，称为电气原理图。
它包括所有电器元件的导电部件和接线端点，不表示电气元件的形状、大小和安装方式。
某机床的电气控制原理图
1．绘制电气原理图的原则
1）电气原理图一般分主电路和辅助电路两部分。
2）电气原理图中，所有电元件都应采用国家统一规定的图形符号和文字符号来表示。
3）电气原理图中，各个电器元件和部件在控制线路中的位置，应根据便于阅读的原则安排，同一电器元件的各个部件可以不画在一起。
图形符号与文字符号
4）电气原理图中，所有电器的触头都按没有通电和没有受外力作用时（常态）的状态绘制。
5）电气原理图中，无论是主电路还是铺助电路都垂直布置，电源电路绘成水平线，主电路绘制在图的左侧，控制电路绘制在图的右侧。
控制电路中的耗能元件画在电路的最下端。
6）电气原理图中，有直接电联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示。
无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。
2.原理图区域划分
图区编号可以设置在图的上方或下方，对应图区编号下方或上方表明它对应电路的功能。
在原理图中相应线圈的下方，给出触头的文字符号，并在其下面注明相应触头的索引代号，对未使用的触头用“×”表明，有时也可采用上述省去触头的表示法。
对接触器，上述表示法中各栏的含义如下：
右栏中栏左栏
主触头所辅助常开触头辅助常闭触头
在图区号所在图区号所在图区号
（二）电器元件布置图
电器元件布置图是用来表明电气设备上所有电机、电器的实际位置，为电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的档案资料。
某机床的电器元件布置图
（三）电气安装接线图
电气安装接线图是用规定的图形符号，按各电器元件相对位置绘制的实际接线图。
在具体施工和检修中能起到原理图所起不到的作用，在生产现场得到了广泛的应用。
安装接线图是实际接线安装的准则和依据，它清楚地表示各电器元件的相对位置和它们之间的电气连接，安装接线图不仅要把同一个电器的各个部件画在一起，而且各个部件的布置要尽可能符合该电器的实际情况。
各电器元件的表示要与原理图一致，以便核对。
同一控制柜中的各电器元件之间的连接可以直接进行，不在同一个控制柜内的各电器元件之间的导线连接，必须通过接线端子进行。
安装接线图中，分支导线必须在各电器元件接线端上引出。
还应该详细标明导线和所穿管子的型号、规格等。
二、典型的继电器接触控制线路
1、点动控制
如右图，按下SB，继电器得电，电动机启动松开SB，继电器失电，电机停转。
2、点动与长动
如右图，按下SB1，继电器得电，电机启动，同时KM自锁。
松开SB1，电机继续转动。
按下SB3继电器失电,电机停转。
按下SB2电机启动，松开SB2电机停转。
3、正反转
原理：
如右图，当按下SB1，电流经L1、SB3常闭触点、SB1、KM2常闭触点、KM1线圈FR常闭触点、L2形成回路，KM1线圈得电，KM1辅助常开触点动作闭合，形成自锁，KM1线圈持续得电，KM1主触点闭合，电机正转，若要反动，需按下SB3使电路断开，再按下SB2，电流经L1、SB3常闭触点、SB2、KM1常闭触点、KM线圈FR常闭触点、L2形成回路，KM2线圈得电，KM2辅助常开触点动作闭合，形成自锁，KM2线圈持续得电，KM2主触点闭合，电机反转。
此电路中，采用了开关连锁使得KM1和KM2不会同时接通形成短路。
4、正反转并延停
如下图，原理：
当按下SB1，电流经L1、KT常闭触点、SB1、KM2常闭触点、KM1线圈FR常闭触点、L2形成回路，KM1线圈得电，KM1辅助常开触点动作闭合，形成自锁，KM1线圈持续得电，KM1主触点闭合，电机正转，而另一回路，KT线圈得电，经过延时，KT常闭触点动作断开，电路失电，电路复位，电机停转；同理当按下SB2时，电机反转，经过延时后，自动停止。
5、自动循环往复
原理：
SB1SB2为启动开关，SQ1、SQ2位行程开关，当电路通电若SQ闭合则电机转动当值另一端闭合则电机反转回归，该线路采用了双重联锁，继电器开关按钮联锁方式，因此不会出现无动作的现象。
6、多点控制正反转
原理：
如下图所示，SB1、SB2、SB3为甲处操作的停止，正转，反转按钮开关；SB4、SB5、SB6为乙处操作的停止，正转，反转按钮开关；SB7、SB8、SB9为并处操作的停止，正转，反转按钮开关。
以甲处为例，当按下SB2，电流经L1、SB1、SB4、SB7常闭触点、SB2、KM2常闭触点、KM1线圈FR常闭触点、L2形成回路，KM1线圈得电，KM1辅助常开触点动作闭合，形成自锁，KM1线圈持续得电，KM1主触点闭合，电机正转，而另一回路，同理电机可以反转
7、顺序控制起停
原理：
SB2按下，接触器KM1线圈得电吸合，主触点闭合辅助设备运行，且KM1常开触点闭合实现自锁。
按住设备控制按钮SB4，接触器KM2线圈得电吸合，主触点闭合，电机运行，且KM2辅助常开触点闭合实现自锁。
KM2的另一个辅助常开触点将SB1短接，使SB1失去作用，无法停止KM1。
停止时只有先按SB3，使KM2线圈失电辅助触点复位，SB1按钮才起作用。
主电机的过流保护由FR热继电器完成，其中FR1动作后，控制电路全部断电，主辅设备全部停止运行，因此形成先启动电机1在启动电机2；先停止电机2，在停止电机1的工作过程。
8、Y-启动电路
其中ST启动按钮，SP停止按钮。
原理：
通电时，按下SB2启动按钮后，电流经FR（热继电器保护常闭接点）——SP（停止按钮）——ST（启动按钮）——KM角（三角形接法继电器常闭接点）——一路经时间继电器，启动时间元件动作，另一路经KT（时间继电器常闭延时断开接点）——KM星（星形接法继电器线圈），带动KM星-继电器动作，相关的常开接点都带电动作闭合，同时接通KM（电机启动接触器）线圈，使其带电启动电机。
同时接通KM的常开（自保持接点），使KM线圈保持带电。
此时，因KM星的常闭接点断开，KM角的线圈无法带电运行。
2、经过一段延时时间后，时间继电器的常闭接点断开，KM星-继电器线圈失电，其在另一回路的KM星的常闭接点闭合接通KM角继电器的线圈，使电机按三角形接线方式运行。
同时，因为其线圈带电使其串接在KM星继电器和时间继电器回路的常闭接点（KM角）断开而无法再动作。
3、停止时只需按停止按钮SP使控制回路断电即可。
三、电气控制的保护环节
（一）欠压保护
由于短路故障等原因，线路电压会在短时间内出现大幅度降低甚至消失的现象。
它会给线路和电器设备带来损伤。
例如：
使电动机疲倒、堵转，从而产生数倍于额定电流的过电流，烧坏电动机；当电压恢复时，大量电动机的自起动又会使电动机的电压大幅度下降，造成危害。
引起电动机疲倒的电压称为临界电压。
当线路电压降低到临界电压时，保护电器的动作，称为欠电压保护，其任务主要是防止设备因过载而烧毁。
当本路电压低于临界电压保护电器才动作的称为失压保护，其主要任务是防止电动机自起动。
1、发电机保护中有“低电压”保护，多和过电流及负序等保护“搭档”组成闭锁保护，如“发电机复合电压闭锁过流”保护等。
回路构成主要是将一块低电压继电器的线圈并联在PT二次回路任意两相间，其常闭接点串接在过流保护启动出口继电器1BCJ的回路中，起闭锁作用，也就是发电机正常运行时PT二次回路电压正常，低电压继电器的线圈带电吸合处于返回状态，其常闭接点断开，此时即便发电机三相电流出现过流，但只要发电机端电压没降低到设定值以下，低电压继电器始终不会动作，常闭接点就不会闭合，因此不会启动出口继电器1BCJ,该保护不会动作。
只有当发电机出现过流且电压降低到低电压继电器定值以下时，该保护才会动作，延时后跳开发电机开关。
如发电机并网线路上或系统中出现接地时，发电机正常相电流都往故障相流，造成某相定子电流可能会过流，且故障相电压要降低，低于定值后，保护动作，跳开开关。
电动机的低电压保护
2、电动机的低电压保护该保护多用在拖动较为重要的设备的电动机控制回路中，且这类电机的功率一般相对于母线上其他电动机要大，其原理是在电动机跳闸回路中并联一个低电压继电器的常闭接点，而这个低电压继电器的线圈则并联在为该电动机提供三相电源的母线其中的两相间，正常运行时，电源母线电压正常，低电压继电器线圈带电吸合处于返回状态，其常闭接点断开，不会接通跳闸回路，当母线失电或由于某种如接地等故障发生时，母线电压降低到低电压继电器动作值时，继电器动作，常闭接点闭合，接通跳闸回路，将该电动机从母线切除。
当母线电压恢复以后，低电压继电器返回，常闭接点断开使跳闸回路也断开后，才能重新启动该电动机。
因为电源母线上接有许多设备，母线失电或电压降低会使许多接触器线圈失电释放，而通过接触器控制的设备会因此停运，此时如果母线故障解除电压逐渐恢复，许多设备在突然停运后尤其是重要的大设备一般都采用直流电源控制的断路器开起停，当交流电源消失后由于直流电源正常所以跳闸后依然可以再次进行合闸操作，如果这些设备同时启动很可能造成母线电压的再次降低，不利于尽快恢复设备的正常运行，因此在这些重要的大设备直流控制回路中加装低电压保护，一是能保证母线故障消除后，电压恢复正常后能够使这些重要设备快速恢复启动，也就是跳闸回路断开后才允许其进行合闸操作，否则跳闸回路始终接通，不允许启动。
二是由于加装了低电压保护，使这些功率较的大设备在母线电压未恢复正常前不能启动，可以加快母线电压的恢复速度，有利于缩短故障时间，较少由此造成的其他损失。
3、断路器的“失压脱扣保护”断路器本身具备失压脱扣装置，失压脱扣器的线圈经按钮和联动接点接于相间电压，当网络电压降低到某一规定值时，失压脱扣器的电磁铁的吸力变小，因此杠杆转动作用于脱扣机构，使断路器断开。
（二）过载保护
过载保护指防止主电源线路因过载导致保护器过热损坏而加装的过载保护设备
电气线路中允许连续通过而不至于使电线过热的电流量，称为安全载流量或安全电流。
如导线流过的电流超过了安全载流量，就叫导线过载。
一般导线最高允许工作温度为65°C。
过载时，温度超过该温度，会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧。
发生过载的主要原因有导线截面选择不当，实际负载已超过了导线的安全电流；还有“小马拉大车”现象，即在线路中接入了过多的大功率设备，超过了配电线路的负载能力。
在重要的物资仓库、居住场所和公共建筑物中的照明线路，有可能引起导线或电缆长时间过载的动力线路，以及采用有延烧性护套的绝缘导线敷设在可燃或难烧建筑构件上时，都应采取过载保护。
线路的过载保护宜采用自动开关。
运行时，自动开关长延时动作整定电流不应大于线路长期允许负载电流。
如采用熔断器作过载保护时，熔断器熔体额定电流应不大于线路长期负载电流。
在采用自动开关作保护装置时，它的电流脱扣器，在中性点接地的三相四线制中，应装在相线上；在中性点不接地的三相四线制中，允许安装在二相上；不接地的二相二线制中，允许安装在一相上。
四、电气控制与自动控制
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
P、I、D参数的预置与调整
比例增益P
变频器的PID功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：
另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。
解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。
比例增益P就是用来设置差值信号的放大系数的。
任何一种变频器的参数P都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置．或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。
积分时间
如上所述．比例增益P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。
为此引入积分环节I，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大（或减小），从而减缓其变化速度，防止振荡。
但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。
因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关：
拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。
微分时间D
微分时间D是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。
D的取值也与拖动系统的时间常数有关：
拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。
P、I、D参数的调整原则
P、I、D参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：
被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。
被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。
五、电气控制的具体实例
PLC控制电梯的设计
3．1总体设计
此次设计为一部六层电梯的控制，其主要装置有：
上、下行运行电动机，开门关门电动机，电梯楼层显示数码管，内外呼叫开门关门按钮，内外呼叫指示灯及上下运行指示灯等诸多器件．主要功能有：
厢内楼层呼叫，厢外上下呼叫，厢内楼层呼叫指示，厢外上下呼叫指示，电梯上下运行指示，电梯楼层数显示，轿厢自动上行，轿厢自动下行，到层自动开门，延时自动关门，手动开门，手动关门等诸多功能，要求优化使任何呼叫都在最短的时间内响应．控制系统采用以PLC为中心控制，控制过程主要分三步：
1、接收来自电梯的内外呼叫信号、层位检测信号、极限限位信号、开门门限信号等开关量传送~I]PLC的输入端；2、利用PLC程序进行逻辑分析及处理；3、PLC输出控制电机转动及指示灯和数码管的显示．使用流程如下：
1、打开电梯模型和PLC电源：
2、在任一楼层选择外选上行按钮或外选下行按钮；3、按关门按钮；4、任选择一内选楼层按钮．这样可实现自动关门，手动关门，轿厢自动上行或下行，按照楼层选择到目的层后自动关门，延时自动关门等各种功能．
3．2控制系统设计
3．2．1电路控制系统
电路控制系统有显示电路、光耦开关电路、电源电路、各按钮开关电路、电动机正反转电路、各按钮指示电路等六部分组成．
3．2．2PLC输入输出系统PLC输入系统主要有内选、外选、开门、关门按钮，到层限位光耦开关，上限、下限行程开关等控制输入装置．输
出系统主要有牵引电动机正反转，开门电动机正反转，各种输出指示灯，显示器等输出装置．当把正确的程序输入PLC后，只要按照I／O分配表对应PLC接口插座表把PLC输入、输出端口与电梯模型的借口插座对应相连接，PLC即可控制电梯的正常工作．
3．2．3PLC控制系统
PLC可编程控制器是电梯的控制中心，一切数据经过采样输入到控制器，经过程序分析然后发出各种工作指令．程序设计流程为：
1、按功能列出I／O分配表；2、画出梯形图；3、分析程序；4、按梯形图写出程序语句：
5、按照语句表输入程序；6、调试修改程序．
3．2．3．1PLCI／O分配表
输入
输入信号口作用
按钮|限位信号
PLC口
输入信号口作用
按钮|限位信号
PLC口
平层信号
一层平层信号
0000
内选按钮
开门内选按钮
0014
二层平层信号
0001
关门内选按钮
0015
三层平层信号
0002
一层外选按钮
0100
四层平层信号
0003
外选按钮
二层上外选按钮
0101
五层平层信号
0004
二层下外选按钮
0102
六层平层信号
0005
三层上外选按钮
0103
开门限位
开限位信号门
0012
三层下外选按钮
0104
关门限位
关门限位信号
0013
四层上外选按钮
0105
内选按钮
一层内选按钮
0006
四层下外选按钮
0106
二层内选按钮
0007
五层上外选按钮
0107
三层内选按钮
0008
五层下外选按钮
0108
四层内选按钮
0009
六层外选按钮
0109
五层内选按钮
0010
上升限位
下降限位
上升顶层限位
0110
六层内选按钮
0011
下降底层限位
0111
输出
输出信号口作用
到位信号
PLC口
输出信号口作用
到位信号
PLC口
上升
上升信号
0501
外选指示
一层外选指示
0600
下降
下降信号
0502
二层上外选指示
0601
开门
开门信号
0503
二层下外选指示
0602
关门
关门信号
0500
三层上外选指示
0603
上升指示
上升指示信号
0613
三层下外选指示
0604
下降指示
下降指示信号
0614
四层上外选指示
0605
开门指示
开门指示信号
0504
五层下外选指示
0607
关门指示
关门指示信号
0505
五层上外选指示
0608
内选指示
一层内选信号
0506
六层外选指示
0609
二层内选信号
0507
楼层显示编码
A
0610
三层内选信号
0508
B
0611
四层内选信号
0509
C
0612
五层内选信号
0510
六层内选信号
0511
3．2．3．2PLC程序分析
由于程序较长，I／O接口和内部辅助继电器较多，把程序按照电梯的运行过程，分成上升、下降、开门和关门共四个部分来分析．以下OMRON系列P型PLC为例．
上升：
轿厢上升有两种情况，一种是有人在高于轿厢所在层的地方呼电梯；另一种是人在轿厢内部要往上走．当然，还得考虑一些实际问题．比如，当轿厢门还没关好或者说刚要开门的时候，轿厢是无法上升的．首先，为了判断呼电梯的地方是在比轿厢高的楼层还低的楼层，必须得先定层．设1．6层分别为HR
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