可编程控制器原理及应用实验指导书.docx
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可编程控制器原理及应用实验指导书
可编程控制器原理及应用
实验指导书
杨霞，郭洪澈，贺洪斌
电气工程学院
2009．6
前言
可编程控制器的实验遵照循序渐进的原则，由浅入深的分为上机练习，参照样例程序的PLC应用练习实验和PLC控制系统设计的综合实验等部分。
PLC实验方法有两种，一种是用PLC实验装置进行实验和应用程序的开发；另一种是用普通PLC外加若干导线进行简易的开发和实验。
PLC实验装置具有直观，使用方便的优点，通常配有各种工业控制模板，可以形象地模拟工业现场控制，尤其是导线的插拔连接形式，适用于教学的重复使用。
若无PLC实验装置，也可直接使用PLC配以外部连接导线，给出必要的输入信号进行实验，并且可以利用PLC自身的输出指示观察PLC运行结果。
实验是科学技术得以发展的重要保证，是研究自然科学的手段。
《可编程控制器原理及应用》实验是《可编程控制器原理及应用》理论课程的重要组成部分，也是培养从事材料控制工程中的可编程控制器自动控制与应用能力的重要环节。
一、实验设备
序号
设备名称
序号
设备名称
1
西门子s7-200可编程序控制器
4
五模型实验挂箱
2
装有STEP7-Micro/WIN32软件的微机
5
六模型实验挂箱
3
基本指令实验挂箱
6
专用PPI通讯电缆
二、实验方法
一）实验目的
1.在《PLC原理及应用》理论课知识基础上，进行实验基本技能的训练。
2.巩固和加深所学的理论知识，培养运用理论分析和解决实际问题的能力。
3.培养实事求是、严肃认真的科学作风和良好的实验习惯。
二）技能要求
1.能正确使用实验仪器设备，掌握实验方法及数据分析方法。
2.能正确连接实验线路，读取数据，观察曲线，能初步分析和排除故障。
3.能正确利用实验手段验证一些理论和结论。
4.能正确书写实验报告和绘制图表，对数据进行处理，曲线进行分析，得出结论。
三）实验要求
（一）课前预习
教学实验受时间及条件限制。
在规定的时间内能否很好完成实验任务，达到实验目的与要求，很大程度上取决于课前准备的是否充分。
因此，要求学生课前进行预习。
1.仔细阅读实验指导书及相关参考资料，明确实验目的及任务，了解实验的基本原理及实验线路、方法及步骤，具此编写实验报告。
2.对实验中要观察哪些现象，记录哪些数据曲线，注意哪些注意事项做到心里有数。
3.对实验指导书中提出的思考问题及注意事项要有深刻印象，以便在实验中观察和注意。
（二）.实验操作
1.学生到指定的实验台，认真领会指导老师对实验的讲解、要求及注意。
2.实验中所用仪器设备连线操作规范。
3.实验线路连接好后，认真检查后，一定要实验老师检查无误后，方可通电。
4.实验过程中，认真调试观察，发现异常，及时查找原因处理。
5.实验完毕，先切断电源，再根据实验要求核对实验数据，经指导教师审核通过后再拆线路，并将仪器、接线按要求安放整齐。
（三）.实验报告
实验报告是学生进行实验全过程的总结，是完成实验教学环节的凭证，要求文字简洁、工整、曲线图表清晰，结论要有科学根据。
实验报告应包括以下内容：
1.实验目的
2.实验仪器：
实验中使用的主要仪器名称、规格型号与参数。
3.实验原理
4.实验步骤：
具体任务要求，绘实验电路图。
5.实验记录：
数据表格、曲线。
6.实验分析：
数据计算，曲线及误差分析。
7.实验结论：
实验与理论相符，实验中发生的问题、现象及事故分析，对实验的建议和设想。
8.思考问题：
对实验指导书中思考问题进行解答。
实验一认识可编程控制器的硬件与软件
——SIMATIC使用方法练习
首先研究SIMATIC指令系统的基本操作方法，然后进行PLC的练习实验。
本实验给出了PLC控制系统实验要求的样例程序，参考电路等PLC练习实验所需要的所有资料，可以通过程序输入、调试、运行，逐步掌握PLC实验的基本方法。
1.实验目的
（1）练习使用S7-200编程软件，了解PLC实验装置的组成。
（2）掌握用户程序的输入和编辑方法。
（3）熟悉基本指令的应用。
（4）熟悉语句表指令的应用及其与梯形图程序的和转还。
2.实验内容
（1）输入图1.1所示的梯形图，并转换成对应的语句表指令（也可结合教材习题练习）。
（2）为梯形图1.1中段1注释，并用符号表为I0.0、I0.1、Q0.0添加符号名（符号名可任意设定）。
（3）练习程序的编辑、修改、复制、粘贴的方法。
（4）将图1.1中程序改成图1.2，并转换成语句表程序，分析OLD、ALD语句用法。
（5）参考教材，练习栈操作指令的使用方法。
（6）参考教材，练习定时器和计数器指令及参数的输入方法，例如梯形图1.3。
（7）练习系统块设置的方法。
图1.1梯形图练习1
图1.2梯形图练习2
图1.3洗衣机自动控制系统梯形图程序
3.实验步骤
（1）开机（打开计算机电源，但不接PLC电源）。
（2）进入S7-200编程软件。
（3）选择语言类型（SIMATIC）。
（4）输入CPU类型。
（5）由主菜单或快捷按钮输入、编辑程序。
（6）进行编译，并观测编译结果，修改程序，直至编译成功。
4.实验报告内容
（1）以图1.1为例，总结梯形图输入及修改的操作过程。
（2）写出梯形图添加注释及符号名的操作过程。
（3）总结OLD、ALD指令和栈操作指令的使用方法。
（4）简述系统块设置的方法。
5.思考练习
（1）分析各种定时器的使用方法及不同之处。
（2）总结程序输入、调试的方法和经验。
实验二可编程控制器的硬件接线与软件编程
——电动机正反转控制和智力竞赛抢答器
本实验仅给出PLC控制题目及要求，由实验者自行设计PLC外部接线和应用程序，并反复进行程序的输入、修改、调试，直至得出正确的运行结果，意在提高创新和独立思考能力及综合素质。
一、电动机正反转控制
1.实验目的
（1）学习西门子s7-200PLC与外部设备的连接。
（2）学习编程软件STEP7-Micro/WIN32的操作。
（3）根据三相交流异步电机的原理图，学习用PLC来控制电机的正反转的方法。
2.实验设备
（1）西门子s7-200可编程序控制器一台
（2）装有STEP7-Micro/WIN32软件的微机一台
（3）三相交流异步电动机一台及相关实验设备。
3.实验内容
图2.1三相异步电动机控制实验示意图
图2.1为三相交流异步电机的实验原理及实验模拟图。
此实验的控制对象是一台三相交流异步电动机，要完成的功能的是用PLC控制三相交流异步电动机的正反转和Y/△启动。
要完成这两项功能，除电机外，还需要四组三相交流接触器KM1、KM2、KMY和KM△，以及3个按钮SB1、SB2、SB3。
图中的M代表三相交流异步电动机，两个箭头旁分别有一个发光二极管，其中，红灯亮表示电机正转，绿灯亮表示电机反转，都不亮表示电机停转；代表KM1、KM2、KMY和KM△的发光二极管亮时表示该接触器线圈得电，对应的常开触点闭合。
实验任务：
当按下按钮SB1时，KM△接通，KM1灯亮，电机正转；当按下按钮SB2时，KMY接通，KM2灯亮，电机反转；KMY和KM△绝不能同时接通；正反转之间要联锁。
I/O分配：
输入信号
信号元件及作用
I0.0
I0.1
I0.2
SB1：
正转
SB2：
反转
SB3：
停止
输出信号
控制对象及作用
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
KM1
KM2
KM△
KMY
参考梯形图程序：
二、智力竞赛抢答器
1.实验目的
（1）掌握PLC外部输入、输出电路的设计和连接方法；
（2）掌握应用软件的编程方法；
（3）掌握应用符号地址编程的方法。
2.实验设备
（1）计算机（编程器）1台；
（2）实验装置：
按钮和指示灯。
3.实验内容及要求
智力竞赛抢答器的要求：
利用PLC控制系统设计1个4组的智力竞赛抢答器。
抢答器的控制要求：
（1）在主持人侧，设置抢答指示电路和启动、复位按钮。
选手侧各设置1个抢答按钮。
（2）主持人按动启动按钮，可以进行一次抢答，黄色发光二极管作允许抢答指示。
（3）竟猜者抢答主持人所提的问题时，按动各自的抢答按钮。
（4）收到第1个抢答信号后，主持人侧红色发光二极管作抢答指示，数码管显示抢先1组的组别，主持人按下复位按钮，指示灯和数码管熄灭。
4.实验步骤
（1）设计PLC外部电路；
（2）使用通用器件板开关元器件和实验板连接PLC外部电路，采用符号地址、应用七段码指令编写用户程序；
（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；
（4）运行用户程序，观察程序运行结果。
注意：
程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。
5.思考练习
（1）继电器控制电路转换为梯形图法。
（2）指出影响系统响应速度的因素。
（3）利用CPU224PLC制成的抢答器，最多为几组？
试设计最多组时PLC的外部电路。
三、实验报告内容
（1）画出实验步骤中的线路图，并说明各器件的作用。
（2）写出实验的操作步骤，控制梯形图。
（3）写出实验心得
实验三可编程控制器的软件编程（高级语句使用）
——交通灯自动控制和电动机Y-△起动控制实验
一、交通灯自动控制
1.实验目的
（1）练习定时器、计数器的基本使用方法。
（2）掌握PLC的编程和调试方法。
（3）对应用PLC解决实际问题的全过程有个初步了解。
2.实验设备
（1）编程器1台（PC机）。
（2）实验装置1台。
（3）交通灯实验模板一块。
（4）导线若干。
3.控制要求及参考
交通路口红、黄、绿灯的基本控制要求如下：
路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）10秒后，黄灯以占空比为50％的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为红灯（另一方向绿灯亮、黄灯闪烁），如此循环工作。
PLCI/O端口分配：
SB1I0.0起动按钮
SB2I0.1停止按钮
HL1（HL7）Q0.0东西红灯
HL2（HL8）Q0.1东西黄灯
HL3（HL9）Q0.2东西绿灯
HL4（HL10）Q0.4南北红灯
HL5（HL11）Q0.5南北黄灯
HL6（HL12）Q0.6南北绿灯
PLC参考电路：
图3.1红绿灯控制PLC电气原理图
4.实验内容及要求
（1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。
（2）输入参考程序并编辑。
（3）编译、下载、调试应用程序。
（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。
注意：
程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。
5.思考练习
（1）要实现一个简单的过程控制，程序编制的思路及步骤有哪些？
（2）定时器、计数器预置值如何设定输入？
如何修改？
（3）简述上机操作步骤。
（4）增设某个方向直通的功能。
二、电动机Y-△起动
1.实验目的
（1）用PLC控制电动机Y-△起动电路；
（2）通过实验，提高分析、解决问题的能力。
2.实验设备
（1）计算机（编程器）1台；
（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；
（3）电动机Y-△起动实验模板1块；
（4）连接导线若干。
3.电动机Y-△起动要求
（1）电动机M能实现正、反向Y-△启动。
（2）电气操作流程说明：
按动正向启动按钮SB2，KM1和KM4闭合（Y型起动），经3秒后KM4断开，KM3闭合，实现正向△型运行；按动反向启动按钮SB3，KM2和KM4闭合（Y型起动），经3秒后KM4断开，KM3闭合，实现正向△型运行，按停车按钮SB1，电动机M停止运行。
4.实验内容及要求
（1）根据电动机Y-△起动要求，设计PLC外部电路（配合通用器件板开关元器件）；
（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；
（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；
（4）运行用户程序，观察程序运行结果。
5.思考练习
（1）若电动机M直接由正向运行转入反向运行（不用停车按钮），程序如何改动？
（2）结合实验过程和结果写出实验报告。
三、实验报告内容
（1）画出实验步骤中的线路图，并说明各器件的作用。
（2）写出实验的操作步骤，控制梯形图。
（3）写出实验心得
实验四可编程控制器的软件编程（综合应用）
——（一至四项目任选）
一、自动送料装车系统
1.实验目的：
（1）了解工业生产过程中PLC控制方法；
（2）学会熟练使用PLC解决生产实际问题。
2.实验设备
（1）计算机（编程器）1台；
（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；
（3）自动送料装车系统实验模板1块；
（4）连接导线若干。
3.自动送料装车系统的控制要求
初始状态：
绿灯（L1）亮，红灯（L2）灭，表示允许汽车开进装料，此时，进料阀门（k1），料斗阀门（k2），电动机（M1，M2，M3）皆为OFF状态。
当汽车到来时，检测开关S3接通（负载板上未设，可从通用器件板选取），红色信号灯L2亮，绿色L1灭，传送带驱动电动机M3运行；2秒后，电动机M2运行；再经过2秒钟M1运行，依次顺序起动送料系统。
电动机M3运行后，进料阀门K1打开料斗进料，料斗装满时，检测开关S1=1，进料阀门K1关闭（设1料斗物料足够装满1车）；料斗出料阀门K2在M1运行及料满（S1=1）后，打开放料，物料通过传送带的传送，装入汽车。
当装满汽车后，称重开关S2动作，料斗出料阀门K2关闭，同时电动机M3断电停止，2秒后M2停止，再过2秒M1停止，L1亮，L2灭，表示汽车可以开走。
4.实验内容及要求
（1）根据自动送料装车系统的控制要求，设计PLC外部电路，；
（2）连接PLC外部（输入、输出）电路（配合通用器件板开关元器件），编写用户程序；
（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；
（4）运行用户程序，观察程序运行结果。
5.思考练习
（1）在原试验基础上，增加每日装车次数统计功能。
（2）结合实验过程和结果写出实验报告。
二、多种液体自动混合
1.实验目的
（1）结合多种液体自动混合系统，应用PLC技术对化工生产过程实施控制；
（2）学会熟练使用PLC解决生产实际问题。
2.实验设备
（1）计算机（编程器）1台；
（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；
（3）多种液体自动混合实验模板1块；
（4）连接导线若干。
3.液体自动混合系统的控制要求
（1）液体自动混合系统的初始状态：
在初始状态，容器为空，电磁阀Y1，Y2，Y3，Y4和搅拌机M以及加热元件R均为OFF，液面传感器L1，L2，L3和温度检测T均为OFF。
（2）液体混合操作过程：
按动启动按钮，电磁阀Y1闭合（Y1为ON），开始注入液体A，当液面高度达到L3时（L3为ON）→关闭电磁阀Y1（Y1为OFF），液体A停止注入，同时，开启电磁阀门Y2（Y2为ON）注入液体B,当液面升至L2时（L2为ON）→关闭电磁阀Y2（Y2为OFF），液体B停止注入，同时，开启电磁阀Y3（Y3为ON），注入液体C，当液面升至L1时（L1为ON）→关闭电磁阀Y3（Y3为OFF），液体C停止注入，然后开启搅拌电动机M，搅拌10秒→停止搅拌，加热（启动电炉R）→当温度（检测器T动作）达到设定值时→停止加热（R为OFF），并放出混合液体（Y4为ON），至液体高度降为L3后，再经5秒延时，液体可以全部放完→停止放出（Y4为OFF）。
液体混合过程结束。
按动停止按钮，液体混合操作停止。
4.实验内容及要求
（1）按液体混合要求，设计PLC外部电路（配合使用通用器件板开关元器件）；
（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；
（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；
（4）运行用户程序，观察程序运行结果。
5.思考练习
（1）分析程序运行结果。
（2）试编写出搅拌与加热同时进行的程序，要求加热与搅拌条件同时满足后顺序向下执行，观测运行结果。
（3）简述液位传感器L1，L2，L3的工作原理及实验时的操作方法。
（4）结合实验过程和结果写出实验报告。
三、天塔观光（循环显示电路）
1.实验目的
（1）熟悉PLC循环程序的编程；
（2）了解工业顺序控制的基本原理；
（3）学会熟练使用PLC解决动态显示问题。
2.实验器材
（1）计算机（编程器）1台；
（2）实验装置（含S7-200CPU）1台；
（3）循环显示实验模板1块；
（4）连接导线若干。
3.循环显示要求
模板中心的黄灯L1亮红灯L2.L3.L4.L5间隔0.5秒依次点亮绿灯L6、L7、L8、L9间隔0.5秒依次点亮黄灯L1熄灭L2、L3、L4、L5同时熄灭L6、L7、L8、L9同时熄灭返回初始步，循环显示。
4.实验内容及要求
（1）按循环显示实验模板的要求，设计PLC外部电路（配合使用通用器件板开关元器件）；
（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；
（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；
（4）运行用户程序，观察程序运行结果。
5.思考练习
（1）请重新设计1套循环显示程序流程，利用本控制模板，显示出不同的动态结果。
（2）结合实验结果写出实验报告。
四、电梯控制
1.实验目的
（1）掌握PLC的基本指令、功能指令的综合应用。
（2）掌握PLC与外围控制电路的实际接线方法。
（3）掌握随机逻辑程序的设计方法。
2.实验器材
（1）编程器1台（PC机）；
（2）可编程序控制实验装置1台；
（3）四层电梯自动控制演示板1块；
（4）连接导线若干。
3.实验内容与步骤
电梯实验动作要求如下：
（1）电梯上行设计要求
当电梯停于1楼（1F）或2F、3F时，4楼呼叫，则上行到4楼碰行程开关后停止；
电梯停于1F或2F，3F呼叫时，则上行，到3F行程开关控制停止；
电梯停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止；
电梯停于1F，2F、3F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到4F停止；
电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止；
电梯停于1F，2F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到4F停止；
电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到3F，停5
秒，继续上行到4F停止；
电梯停于2F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到3F停5秒，继续上行到4停止。
（2）电梯下行设计要求
电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停止；
电梯停于4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停止；
电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停止；
电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停止；
电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到1F停止；
电梯停于4F，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F，停5秒，继续下行到1F停止；
电梯停于4F，3F、2F1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下午到2F，停5秒，
继续下行到1F停止；
（3）各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障；
（4）电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数；
（5）电梯上、下行时，相应的标志灯亮。
4.I/O地址
输入、输出地址分配参考：
PLC进入RUN状态，电梯系统启动工作；PLC输出QO.0/Q0.1用于上行/下行指示和提升电机（M）正/反转控制。
Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5.分别显示电梯所在的层位置1～4。
输入地址分配如图4.1所示。
图4.1电梯输入地址分配参考
5.实验思考
（1）按照题目给出的条件要求，最少需要多少点的PLC
（2）分析实验结果及本实验要求存在的主要问题。
（3）根据实验结果写出实验报告。
五、实验报告内容
（1）画出实验步骤中的线路图，并说明各器件的作用。
（2）写出实验的操作步骤，控制梯形图。
（3）写出实验心得
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