建筑电气工程电气控制与PLC实验指导书精编.docx

建筑电气工程电气控制与PLC实验指导书精编.docx

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建筑电气工程电气控制与PLC实验指导书精编

（建筑电气工程）《电气控制与PLC》实验指导书

《电气控制和PLC》实验指导书

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实验方法有俩种，壹种是用PLC实验装置进行实验和应用程序的开发；另壹种是用普通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，能够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，且且能够利用PLC自身的输出指示观察PLC运行结果。

本章以PLC实验装置的应用为主，研究PLC的实验方法。

1PLC-S7-JZ型实验装置

PLC实验装置的生产厂家众多，型号各异，但基本原理和结构、设计思想大致相同。

为适合教学使用，实验装置壹般采用插头、插座连接结构，且制成各种控制模板供练习使用。

本节以河南机电高等专科学校电气工程系自动化研究所研制的PLC-S7-JZ型实验装置为例，介绍PLC实验装置的结构原理和使用方法。

1.1.1实验装置的结构和原理

PLC-S7-JZ型实验装置由PLC、模拟控制板、通用器件板、工程环境等四部分组成。

本装置采用24点的小型PLC为基本单元，实验装置的结构如图1.1所示。

下面简介PLC实验装置的结构原理及使用方法。

图1.1PLC-S7-JZ实验装置

1.通用器件板

通用器件板主要由I/O点，发光二极管指示及开关等组成。

其电源开关为PLC提供220V供电电源，且为24V/1A直流电源供电，模板结构如图1.2所示。

图1.2通用器件板

（1）输入点（INPUT）

INPUT部分有I0.0~I1.5共14个输入点（和PLC的输入点相连），其中1M、2M点为输入点的公共接地端，如果用户使用的输入点数不超过8点时只需1M接地，2M悬空即可，使用点数多时2M也必须接地。

另外要用到的输入点要和直流电源+24V端连接。

（2）输出点（OUTPUT）

OUTPUT部分有Q0.0~Q1.1共10个输出点（和PLC的输出点相连），其中1L、2L、3L使用时要接电源的高电平，实验时壹般接24V电源正极（实验装置提供），如果接外部负载时要结合PLC对外输出电压范围和实际负载合理的选定电源。

若用户用的输出点数不超过4点，只需1L接高电平，不超过7点只需1L、2L接高电平，超过7点时1L、2L、3L全接高电平。

（3）通用器件板中间部分为4个钮子开关和4个指示灯（发光二极管），分别为PLC提供开关量输入信号和输出状态指示。

钮子开关能够和模拟控制板配合使用，仍能够单独使用。

（4）电源部分

通用器件板右侧是电源部分，设有交流供电电源开关和24V/1A直流电源的正、负极插座。

（5）BCD码拨盘

本装置设有3位BCD码拨盘，分别对应个、十、百位数，通过插拔式连接导线，能够将BCD码拨盘的8、4、2、1端和PLC的输入端点连接起来，从PLC外部向PLC内部定时器、计数器等送入所需要3位以下十进制数。

（6）通用器件板和模拟控制板的联系

模拟控制板给出各种控制对象的示意图，安装了壹些开关、指示灯、I/O插座等器件。

通用器件板上的INPUT及OUPUT端口和模拟控制板上的输入、输出信号端口按照壹定规律连接起来，能够把控制对象板的输入信号送至PLC，也能够把PLC的输出送到控制对象板，使模拟控制板能够在PLC的控制下工作。

2.模拟控制板的工作原理

模拟控制板上的开关有点动按钮和钮子开关俩种开关形式。

模拟控制板上的开关均为双联开关，开关有效时，PLC输入有效，同时输入指示灯（发光二极管）发光。

模拟控制板上的负载均采用发光二极管作为PLC输出指示，当模拟控制板上负载端得到高电平（+24伏）时发光二极管发光，低电平时熄灭。

模拟控制板输入点结构和输出点结构工作原理如图1.3所示：

图1.3实验模板电路原理图

3.工程环境

工程环境的设立主要是为了驱动壹定功率的负载，工程环境部分由低压断路器、熔断器、交流接触器、指示灯、按钮、接线端子排等低压电器元件组成。

壹定功率负载的驱动，更加接近工程实际。

1.1.2通用器件板及模拟控制板的连接

1.通用器件板的连接

通用器件板使用时，向PLC的输入端点及PLC的输出负载提供24V的直流电源，参照图1.4导线连接举例，PLC输入的公共端1M、2M接24VDC的负极，PLC输出的公共端1L、2L接24VDC的正极。

开关组的COM端接24VDC的正极，通过接通开关的方式将+24V送到PLC的输入点。

负载组（发光二极管）的COM端接24VDC的负极，通过从PLC导通的Q点（输出点）得到+24V电源，使发光二极管工作。

BCD码拨盘的公共端A接24VDC的正极，8421编码端分别接到PLC的各个输入点，以实现BCD码外部数据的输入。

1.4通用器件板连接方法

2.模拟控制板的使用方法

模拟控制板使用时，需要通过通用器件板，向模拟控制板提供PLC的I/O信号及24V直流电源，模拟控制板和通用器件板之间的连接关系如图1.5所示。

图1.5负载板和通用器件板的连接方法

模拟控制板的24V电源端和通用器件板的直流24V电源正、负极输出连接，以保障模拟控制板电路的正常工作。

若仅用PLC的输出信号时，也能够只将模拟控制板的24V直流电源负极和通用器件板的电源负极相连接（正极无须连接）。

其它信号端子分别接至通用器件板已分配I/O端点。

完成了正确的接线后，能够进行程序的运行显示。

1.2SIMATIC使用方法和PLC的应用练习

本节首先研究SIMATIC指令系统的基本操作方法，然后进行PLC的练习实验。

本节给出了PLC控制系统实验要求的例程序，参考电路等PLC练习实验所需要的所有资料，能够通过程序输入、调试、运行，逐步掌握PLC实验的基本方法。

1.2.1基本操作练习

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和梯形图程序的和转仍。

2.实验内容

（1）输入图1.6所示的梯形图，且转换成对应的语句表指令（也可结合教材第5章习题练习）。

（2）为梯形图1.6中段1注释，且用符号表为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1.6中程序改成图1.7，且转换成语句表程序，分析OLD、ALD语句用法。

（5）参考5.1.1例题5.5，练习栈操作指令的使用方法。

（6）参考5.1.2，练习定时器指令及参数的输入方法。

（7）练习系统块设置的方法。

图1.6梯形图练习1

图1.7梯形图练习2

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或IEC）。

（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，且观测编译结果，修改程序，直至编译成功。

4.实验报告内容

（1）以图1.6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。

1.2.2正次品分拣机

1.实验目的

（1）加深对定时器的理解，掌握各类定时器的使用方法。

（2）理解企业车间产品的分捡原理。

2.实验器材

（1）实验装置（含S7-20024点CPU）壹台。

图1.8正次品分拣模拟控制板

（2）正、次品分拣模板壹块。

（3）连接导线若干。

3.模拟控制板的控制要求及参考

（1）控制要求

①用启动和停止按钮控制电动机M运行和停止。

在电动机运行时，被检测的产品（包括正、次品）在皮带上运送。

②产品（包括正、次品）在皮带上运送时，S1（检测器）检测到的次品，经过5秒传送，到达次品剔除位置时，启动电磁铁Y驱动剔除装置，剔除次品（电磁铁通电0.1秒），检测器S2检测到的次品，经过3秒传送，启动Y，剔除次品；正品继续向前输送。

正次品分拣操作流程如图1.9所示。

图1.9正次品分拣流程图

（2）参考电路和程序

PLCI/O端口分配及参考电路图：

SB1I0.0M启动按钮

SB2I0.1M停止按钮

SQ1I0.2检测站1，SQ2I0.3检测站2

MQ0.0电动机（传送带驱动），YQ0.1次品剔除

图1.10正次品分拣机PLC电气原理图

图1.11正次品分拣机参考程序

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）输入参考程序且编辑。

（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，且将CPU置于STOP状态。

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。

（3）试将S1作为产品计数的检测装置，对日产量进行统计。

（4）程序要求增加皮带传送机构不工作时，检测机构不允许工作（剔除机构不动作），编写梯形图控制程序。

1.2.3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（含S7-20024点CPU）。

（3）交通灯实验模板壹块。

（4）导线若干。

图1.12交通灯模拟控制板

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（另壹方向亮红灯）10秒后，黄灯以占空比为50％的壹秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另壹方向亮红灯），然后变为红灯（另壹方向绿灯亮、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1.13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）输入参考程序且编辑。

（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，且将CPU置于STOP状态。

5.思考练习

（1）要实现壹个简单的过程控制，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。

6.参考程序

图1.14红绿灯控制参考程序

1.3PLC综合能力实验

本节仅给出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，且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。

1.3.1工作台自动循环控制

1.实验目的

（1）掌握PLC外部输入、输出电路的设计和导线的连接方法。

（2）利用符号表对POU（S7-200的三种程序组织单位指主程序、子程序和中断程序）进行赋值。

（3）掌握应用软件的编程方法。

（4）掌握程序注释的方法。

2.实验内容及要求

（1）设计工作台自动循环的PLC控制电路。

（2）连接PLC外部电路（使用通用器件板开关元器件）。

（3）输入梯形图程序。

（4）建立符号表，对POU赋值。

图1.15工作台自动循环

（5）为程序注释。

*I/O分配、符号表及注释参考：

I0.0SB1正向起动按钮I0.5SQ3前进位置检测

I0.1SB2反向起动按钮I0.6SQ4前进位置保护

I0.2SB3停止开关Q0.0KM1正转接触器

I0.3SQ1起始位置检测Q0.1KM2反转接触器

I0.4SQ2起始位置保护

（6）编辑、编译及下载用户程序；

（7）动态调试和运行用户程序，显示运行结果。

注意：

程序上、下载时，必须给PLC上电，且将CPU置于STOP状态。

3.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）实验板1块；

（4）连接导线若干。

4.实验内容和要求

（1）画出PLC外部（输入、输出）电路，且连接外部导线；

（2）首先接通个人计算机（编程器）电源，然后，接通可编程控制器（PLC）电源；

（3）编程及调试运行。

①设计PLC控制工作台自动循环的梯形图程序；

②选择CPU的工作方式（RUN或STOP）

③输入梯形图程序；

④建立符号表；

⑤为程序添加注释；

⑥程序的编译、下载；

⑦程序的调试和运行。

5.实验报告内容

（1）根据控制要求，画出程序流程框图；

（2）总结建立符号表的优点；

（3）详细记录、分析程序下载过程及运行时出现的问题。

6.思考练习

利用工程环境的条件，按本题的要求，实现对小功率单相交流异步电动机（M）的驱动，同时增加运行指示功能，画出控制原理图。

1.3.2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.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。

3.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，能够进行壹次抢答，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.实验设备

（1）计算机（编程器）1台；

（2）实验装置；

（3）实验板1块；图1.16抢答器实验板

5.实验内容及要求

（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。

6.思考练习

（1）指出影响系统响应速度的因素。

（2）利用CPU214PLC制成的抢答器，最多为几组？

试设计最多组时PLC的外部电路。

1.3.3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；图1.17Y-△启动模拟控制

（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。

1.3.4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，表示图1.18自动装车模拟控制板

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，表示汽车能够开走。

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。

1.3.5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：

图1.19多种液体混合模拟控制板

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），且放出混合液体（Y4为ON），至液体高度降为L3后，再经5秒延时，液体能够全部放完→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）试编写出搅拌和加热同时进行的程序，要求加热和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。

1.3.6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；图1.20循环显示模拟控制板

（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；

（3）循环显示实验模板1块；

（4）连接导线若干。

1.5秒

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。

1.3.7水塔水位系统

1.实验目的

（1）利用PLC构成水塔水位（液位）控制系统；

（2）了解自动控制的工作原理及设备在日常生活中的应用。

2.水塔水位的控制要求

（1）初始状态：

水箱没有水，液位开关S4断开（S4为OFF）。

（2）控制要求：

本装置上电后，按动启动按钮，电动阀Y通电（Y为ON）水箱开始注水，水箱水位达到S4高度后，液位开关S4闭合（S4为ON），水箱水位达到S3高度（水满）时，液位开关S3闭合（S3为ON）→注水电动阀Y断电（Y为OFF），水箱停止注水。

此后，随着水塔水泵抽水过程的进行，水箱液面逐渐降低，液位开关S3（S3＝OFF）复位，随着抽水过程的继续进行，水箱液面继续降低，当液面低于开关S4时，液位开关S4复位（S4为OFF）→电动阀Y再次通电（Y为ON）水箱（自动）注水，水位达到S3时再次停止注水。

如此循环，使水箱水位保持在S3～S4之间。

当水箱水位高于S4液位，且且水塔水位低于水塔最低允许液面开关S2时（液位开关S2为OFF）→水泵电动机M开始运行，向水塔抽水。

当液面达到最高液位开关S1时→水塔电机M停止抽水（M为OFF）；循环控制使得水塔水位自动保持在S1～S2之间变化。

3.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）水塔水位实验模板1块；

（4）连接导线若干。

4.实验内容及要求

（1）按水塔水位的控制要求，设计PLC外部电路；

（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；图1.21水塔水位模拟控制板

（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）联系抽水马桶和水塔水位系统，比较俩者的工作原理和控制过程的异同，进壹步理解水位控制系统的工作原理及控制过程。

（2）结合实验结果写出实验报告。

1.3.8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和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.实验内容和步骤

电梯实验动作要求如下：

图1.22电梯模拟控制板

（1）电梯上行设计要求

当电梯停于1楼（1F）或2F、