电气工程及其自动化综合实训.docx
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电气工程及其自动化综合实训
第一部分电气线路安装调试技能训练
题目一:
三相异步电动机的可逆控制
一.课题分析
1课题要求
设计三相异步电机可逆双重联锁控制电气原理图、电气安装接线图；按设计图纸工艺接线，即按横平竖直原则走线，每元件出线需做直角（出线距离6~8厘米），不得背线、跳线、反圈及露铜过多，接线不得松动，保持排线美观；能排查自己或老师设置的故障，并列写故障分析。
2课题分析
接触器控制的三相异步电动机可逆双重连锁控制电路的实质上是两个方向相反的单向运行电路的组合。
反转电路只需要将电动机三相当中的任意两相接线方法对调，其他保持不变，就可实现电动机的反转。
为了避免正反向同时工作引起电源相间短路，必须在这两个运行电路中加设互锁装置，保证同时只能有一个电路工作。
按照电动机正反转操作顺序的不同，分“正—停——反”和“正—反—停”两种控制电路。
而实际运用中则要求直接实现从正转到反转转换的控制（即“正—反—停”控制电路），因为此控制方法电路简单，易于实现，成本较低廉。
通常来说，使用此种控制方式要求电机功率相对比较小，且负荷较低，能够迅速实现电动机的反转，否则电动机可能会因为过热而损坏。
在本课题设计的控制电路中，采用复合按钮来控制电动机的正、反转。
正转启动按钮SB2的常开触点串接于正转接触器KM1的线圈回路，用于接通KM1的线圈，而SB2的常闭触点则串接于反转接触器KM2线圈回路中，工作时首先断开KM2的线圈，以保证KM2不得电，同时KM1得电。
反转启动按钮SB3的接法与SB2类似，常开触点串接于KM2的线圈回路，常闭触点串接于KM1的线圈回路中，从而保证按下SB3使KM1不得电，KM2能可靠得电，实现电动机的反转。
根据设计的要求以及电气的一些基本常识，为防止两个接触器同时得电而导致电源短路，需采用双重互锁来保证其不短路，即利用两个接触器的常闭触点KM1、KM2分别串接在对方的工作线圈电路中，构成相互制约的关系，称为联锁，实现联锁作用的常闭辅助触点称为联锁触点。
由复合按钮SB2、SB3常闭触点实现的互锁称为机械互锁。
二.设计电气原理图
其电气原理图如图1-2-1所示，本电路中采用了两个接触器KM1和KM2，分别进行正转和反转的控制。
为了避免接触器KM1、KM2同时得电吸合造成三相电源短路，在KM1线圈支路中串接有KM2辅助常闭触头，保证了线路工作时KM1、KM2不会同时得电，电路能够可靠工作。
采用了复合按钮SB2为正转按钮，复合按钮SB3为反转按钮，停止按钮SB1。
采用按钮SB2与SB3组成机械互锁环节，以求线路能够方便操作。
图1-2-1三相异步电动机的可逆控制电气原理图
三.设计电气安装接线图
电气安装图如图3-1为三相异步电动机可逆双重连锁控制电路电气安装接线图。
三相交流电源通过L1、L2、L3三个点接入，经过主电路及控制电路，由U、V、W分别接入电动机的三相。
按钮盒SB2为电动机正转按钮，SB3为反转按钮，SB1时电动机停止按钮。
图1-3-1三相异步电动机的可逆控制的电气安装图如
四.设备清单
1低压断路器1个（QF）：
作为总开关，用于控制电路的接通与断开；
2熔断器5个（FU1、FU2、FU3、FU4、FU5）：
用于对电路进行过流保护；
3交流接触器（KM1、KM2）：
控制其触点的通断，从而控制电路通断；
4热继电器1个（FR）：
用于对电路进行过载保护；
5按钮盒1个（SB1、SB2、SB3）：
电动机正转、反转和停止的开关信号；
6导线若干：
连接电路；
7接线槽1个:
用于接电源线，电机线，以及按钮盒。
五.故障现象及故障分析
1故障现象
（1）通电后，熔丝烧断或断路器断开缺一相电源
（2）电动机无任何反应控制电路接线有错误
2故障分析
（1）运用万用表逐一检查电源回路中是否有一相断线。
电源线路短路或接地，查出故障予以排除。
定子绕组接地或相间短路，查出短路和接地点，予以修复。
熔丝截面过小，按要求更换正确熔丝。
（2）查出错误，改正接线。
电源未通路，检查电源回路开关、熔丝、接线盒处是否有断点，予以修复。
题目二:
三相异步电动机Y-△降压启动控制
一.课题分析
1课题要求
设计星---三角降压启动控制电气原理图、电气安装接线图；按设计图纸工艺接线，即按横平竖直原则走线，每元件出线需做直角（出线距离6~8厘米），不得背线、跳线、反圈及露铜过多，接线不得松动，保持排线美观；能排查自己或老师设置的故障，并列写故障分析。
2课题分析
星—三角降压启动时常用的方法之一。
凡是正常运行时三相定子绕组为三角形联结的三相笼型异步电动机，都可采用星—三角降压启动。
启动时，先将定子绕组按星型联结，接入三相交流电源。
此时，由于电动机每相绕组电压只为正常工作电压的
，因此能减少启动电流，待电动机转速接近额定转速时，再将电动机定子绕组改成三角形联结，各相绕组承受额定工作电压，电动机进入正常运转。
这种启动方法简便、经济，不仅适用于轻载启动，也适用于重负载下的启动。
在该电路中，电动机起动过程的星---三角转换是靠时间继电器自动完成的。
合上三相电源开关QA，按下起动按钮SB2，KM1、KT、KM3线圈同时通电并自锁，KM1主触点闭合，接通电动机三相电源，KM3的主触点闭合，将电动机的尾端连接，电动机接成星形连接，开始减压起动。
时间继电器KT延时时间设定为电动机起动过程时间（一般为6～8s），当电动机转速接近额定转速时，时间继电器整定时间到，KT动作，其对应的常闭触点断开，常开触点闭合，前者使KM3线圈断电释放，KM3的辅助常闭触点闭合，为KM2的线圈通电做好准备，后者使KM2线圈通电吸合，电动机由星形联结改成三角形联结，进入正常运行。
而KM2常闭触点断开，，使时间继电器KT在电动机星形联结/三角形联结起动完成后断电，电路中实现了KM2与KM3的电气互锁。
二.设计电气原理图
如图2-2-1为三相异步电动机Y-△降压启动控制的原理图：
其工作原理如下：
当QF闭合，主电路及控制电路均接通。
按下SB2，电流由FU4进入，分两路：
一路经FR、SB1、KM1线圈，从FU5流出，当KM1线圈得电时，常开触点闭合，电路自保持，另一路经FR、SB1、KM1、KM2、KT线圈或KM3线圈，从FU5流出。
KM3线圈得电后，其常开触点闭合。
此时，电路处于星型联结，降压启动状态中。
KT延时时间到，KT延时断开常闭触点断开，KM3线圈失电，主电路KM3断开。
KT延迟闭合触点闭合，电路由FU4流出，经FR、SB1、KM1、KT、KM3、KM2线圈，从FU5流出。
当KM2得电，其常开触点闭合，电动就进入三角形稳定运行状态。
为了保护电动机及其附属原件，在主电路及控制电路都设有保护原件。
熔断器：
当电路正常工作时，流过熔断器的电流小于或者等于它的额定电流，由于其熔体发热温度尚未达到熔体的熔点，所以不会熔断，电路接通。
当流过熔断器的电流达到额定电流的1.3～2倍时，熔体缓慢熔断；当电流达到额定电流的8～10倍时，熔体迅速熔断，切断电路，从而达到对电路进行过电流保护的作用。
熔体熔断后，熔断器必须更换。
热继电器：
电路正常工作时，热继电器内热原件产生的热量仅能使双金属片产生较小弯曲，而不能移动。
当过载时，流过热原件的电流增大，使双金属片产生较大弯曲推动导板使继电器触电动作，断开电路，从而达到对电路进行过载保护的作用。
热继电器动作后，经过一段时间的冷却，主双金属片恢复原状，导板也退回原处，可重复使用。
如图2-2-1三相异步电动机Y-△降压启动控制原理图
三.设计电气安装接线图
如图2-3-1为三相笼型异步电动机可星—三角降压启动电路电气安装接线图。
三相交流电源通过L1、L2、L3三个点接入，经过主电路及控制电路，由U、V、W分别接入电动机的三相绕组的一端，考虑到电动机需要在两种运行方式（星型和三角形）之间切换，所以电动机三相绕组的另一端需接入星—三角切换开关。
按钮盒中SB2为启动按钮，SB1常闭用作停止按钮，因控制电路可自动进行星—三角运行方式的切换故不需要设置运行方式的切换按钮。
图2-3-1星——三角降压启动控制电气安装接线图
四.设备清单
1熔断器5个（FU1、FU2、FU3、FU4、FU5）：
用于对电路进行过流保护；
2交流接触器（KM1、KM2、KM3）：
控制其触点的通断，从而控制电路通断；
3低压断路器1个（QF）：
作为总开关，用于控制电路的接通与断开；
4热继电器1个（FR）：
用于对电路进行过载保护；
5时间继电器1个（KT）：
用于在启动时控制星—三角切换的时间：
6按钮盒1个（SB1、SB2）：
启动和停止的开关信号；
7导线若干：
连接电路；
8接线槽1个:
用于接电源线，电机线，以及按钮盒。
五.故障现象及故障分析
1故障现象
（1）按下启动按钮电机无法启动，交流接触器无动作；
（2）按下启动按钮，交流接触器KM1动作，但是电机不运行，其他接触器无动作；
（3）按下启动按钮，电机实现星——三角启动，但启动后电机噪声较大，运行不稳定。
2故障分析
（1）熔断器断开；
（2）接触器触点被严重氧化，无法接通；
（3）接线出现接错相，无法构成三角形连接。
电气线路安装调试技能训练小结
一电气原理图的绘制要求
（1）为了区别主电路与控制电路，在绘线路图时主电路（电机、电器及连接线等），用粗线表示，而控制电路（电器及连接线等）用细线表示。
通常习惯将主电路放在线路图的左边（或上部），而将控制电路放在右边（或下部）。
（2）动力电路、控制电路和信号电路应分别绘出：
动力电路——电源电路绘水平线；受电的动力设备（如电动机等）及其它保护电器支路，应垂直电源电路画出。
控制和信号电路——应垂直地绘于两条水平电源线之间，耗能元件（如线圈、电磁铁，信号灯等）应直接连接在接地或下方的水平电源线上，控制触头连接在上方水平线与耗能元件之间。
（3）在原理图中各个电器并不按照它实际的布置情况绘在线路上，而是采用同一电器的各部件分别绘在它们完成作用的地方。
（4）为区别控制线路中各电器的类型和作用，每个电器及它们的部件用一定的图形符号表示，且给每个电器有一个文字符号，属于同一个电器的各个部件（如接触器的线圈和触头）都用同一个文字符号表示。
而作用相同的电器都用一定的数字序号表示。
（5）因为各个电器在不同的工作阶段分别作不同的动作，触点时闭时开，而在原理图内只能表示一种情况，因此，规定所有电器的触点均表示正常位置，即各种电器在线圈没有通电或机械尚未动作时的位置。
如对于接触器和电磁式继电器为电磁铁未吸合的位置，对于行程开关、按钮等则为未压合的位置。
（6）为了查线方便。
在原理图中两条以上导线的电气连接处要打一个圆点，且每个接点要标一个编号，编号的原则是：
靠近左边电源线的用单数标注，靠近右边电源线的用双数标注，通常都是以电器的线圈或电阻作为单、双数的分界线，故电器的线圈或电阻应尽量放在各行的—边（左边或右边）。
（7）对具有循环运动的机构，应给出工作循环图，万能转换开关和行程开关应绘出动作程序和动作位置。
（8）原理图应标出下列数据或说明：
1）各电源电路的电压值，极性或频率及相数。
2）某些元器件的特性（如电阻，电容器的参数值等）；
3）不常用的电器（如位置传感器，手动触头，电磁阀门或气动阀，定时器等）的操作方法和功能。
二电气接线图的绘制要求:
（1）电源开关、熔断器、交流接触器、热继电器、时间继电器等画在配电板内部，电动机、按钮画在配电板外部。
（2）安装在配电板上的元件布置应根据配线合理，操作方便，确保电气间隙不能太小，重的元件放在下部，发热元件放在上部等原则进行，元件所占面积安实际尺寸以统一比例绘制。
（3）安装接线图中各电气元件的图形符号和文字符号，应和原理图完全一致，并符合国家标准。
（4）各电气元件上凡是需要接线的部件端子都应绘出并予以编号，各接线端子的编号必须与原理图中的导线编号一致。
（5）电气配电板内电气元件之间的连线可以互相对接，配电板内接至板外的连线通过接线端子进行，配电板上有几个接至外电路的引线，端子板上就因有几个线的接点。
（6）因配电线路连线太多，因而规定走向相同的乡邻导线可以绘成一根线。
三电器安装、接线的工艺要求:
（1）按图正确接线。
电气连接接线牢固、良好，配线应成排成束地垂直或水平有规律地敷设，要求整齐、美观、清晰。
横平竖直，层次分明。
导线的长度合适，端头压接牢固，端子压紧。
（2）线槽内走线应符合：
电源线和控制线尽量分开，线槽内导线均匀分布，理顺以避免交叉。
线号对应，方向一致。
横向每隔300mm装一个线束固定点，竖向每隔400mm装一个线束固定点。
不得任意歪斜交叉连接。
（3）接线要求左进右出，上进下出，进线时应该使线的连接部分外露20mm左右，且要求每个角应弯成90°，每个接线柱允许连接的接头一般不超过三个。
四实训线路发生的故障及排除办法
1故障现象
（1）按下启动按钮电机无法启动，交流接触器无动作；
（2）按下启动按钮，电机实现星——三角启动，但启动后电机噪声较大，运行不稳定；
（3）按下正转按钮后，电动机正转，松开按钮后电动机停转，无法自保持。
2故障分析及排除
（1）出现按下启动按钮电机无法启动，交流接触器无动作的故障，经检查发现熔断器断开，解决办法是跟换熔断器后，用万用表检查确保接通；
（2）出现按下启动按钮，交流接触器KM1动作，但是电机不运行，其他接触器无动作的故障有两个原因，一是接触器触点被严重氧化，无法接通，二是电机线圈末端未连接，无法形成回路，第一种故障解决办法是使用平口螺丝刀将螺丝拧紧后，再次用万用表检查，确保接触良好，第二种故障解决办法是将电动机末端接为星型或三角型，使电路能构成回路；
（3）出现按下启动按钮，电机正常运行，但是无法实现反转现象，一是开关接线错误，二是KM2无法接通，第一种故障解决办法是打开开关盒，根据原理图检查接线，确保接线正确，第二种故障解决办法是使用平口螺丝刀将螺丝拧紧后，再次用万用表检查，确保接触良好；
（4）出现按下启动按钮，电机实现星——三角启动，但启动后电机噪声较大，运行不稳定现象，是接线出现接错相，无法构成三角形连接，解决办法是修正接线，确保接线正确；
（5）出现按下正转按钮后，电动机正转，松开按钮后电动机停转，无法自保持现象，检查后，由于漏接线导致KM1线圈未接通，无法得电，触点无法自保持，解决办法是补充接线后，用万用表检查确保接通。
第二部分PLC电气控制系统设计
题目三电镀生产线的PLC控制
一.课题分析
1课题要求：
电镀生产线采用专用行车，行年架装有可升降的吊钩；行车和吊钩各有一台电动机拖动；行车进退和吊钩升降由限位开关位控制；生产线定为三槽位；工作循环为：
工件放入镀槽－电镀5min后提起停放30s一放入回收液槽浸32min提起后停16s一放入清水槽清洗32s提起后停16s一行车返回原点。
如图3-1-1所示。
设置自动循环、点动、单周循环和步进四种作方式；有必要的电气保护和联锁；设计主电路电气原理图、PLC的I/O分配表、PLC的I/O接线图、编出梯形图、写出指令语句表，并要求调试成功、会排查故障。
图3-1-1电镀生产线工作示意图
2课题分析
电镀生产线按照其工艺要求和规模一般设计有两台行车、三台行车和四台行车工作，每台行车都根据已编制好的各自的程序运行；对于行车的自动控制，早期是采用继电器逻辑电路和顺序控制器，发展至今其控制方式已采用可编程控制器PLC作为核心控制部件，其控制更为安全、可靠、方便、灵活，自动化程度更高。
本课题要求在一条电镀自动生产线上用PLC控制行车及挂钩的自动控制系统。
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新，输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
扫描周期长短由三条决定。
CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。
由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
PLC是通过运行编写的用户程序实现控制任务的。
PLC中的程序由系统程序和用户程序两部分组成，系统程序由PLC生产厂家提供，它支持用户程序的运行；用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序。
本课题可以采用起保停以及以转换为中心的方法编写程序，分为四个小块来完成：
（1）其中按钮SB1（X0）启动，SB2（X7）停止
（2）当闭合SA1则实现自动循环，若闭合SA4则实现单周期的控制方式。
（3）将开关拨动到SA2后，按一下启动按钮SB1后则开始工作，当碰到下一个极限行程开关后就停止，从而实现步进控制
（4）当开关拨动到SA4时，按住SB3、SB4、SB5、SB6则可以完成相应的工作过程，放开按钮则立即停止，实现对工作过程的手动控制。
二、设计主电路
电气原理图是根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式，利用图形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系的电路图。
电气原理图并不按电器元件实际布置来绘制，而是根据它在电路中所起的作用画在不同的部位上。
电气原理图具有结构简单、层次分明的特点，适合研究和分析电路工作原理，在设计研发和生产现场等方面得到广泛应用。
电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分，在本次设计中我们着重分析了主电路图。
在本设计中，根据电镀生产线的工艺要求，只需用两台电机分别控制吊钩的上升、下降和行车的左行、右行。
主电路如图3-2-1。
图中，接触器KM1，KM2控制电动机M1的正、反转，实现吊钩的上升和下降，接触器KM3，KM4控制
电动机M2的正、反转，实现行车的向右和向左。
图3-2-1电镀生产线PLC电气控制设计主电路图
三、设计PLC的I/O分配表
如表3-1所示是PLC的I/O分配表，其详细列出了输入输出的元件符号、编号、功能等，其中输出元件对应于电机的正、反转，Y0作为吊环电机M1的正转，控制生产线中的上升阶段；Y2作为电机M1的反转输出控制吊环下降；而Y1则是作为电机M2的正转输出控制右行；Y3是电机M2的反转输出信号控制其生产过程中的左行阶段。
表3-1PLC的I/O分配表
输入
输出
PLC编号
元件符号
功能
PLC编号
元件符号
功能
X0
SB1
启动
Y0
KM1
上升
X7
SB2
停止
Y2
KM2
下降
X5
SQ5
上限位
Y1
KM3
右行
X6
SQ6
下限位
Y3
KM4
左行
X1
SQ1
右限位
X2
SQ2
回收液槽限位
X3
SQ3
清水槽限位
X4
SQ4
左限位
X13
SA1
手动
X11
SA2
步进
X12
SA3
单周期
X10
SA4
连续
X14
SB3
上升
X15
SB4
下降
X16
SB5
右行
X17
SB6
左行
四、设计PLC的I/O接线图
如图3-4-1所示，为电镀生产线控制系统的I/O接线图，其中SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6为按钮开关，均需要用手操控其作用；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6为行程开关，分别置于不同的限位上，用于控制电机的上下左右；SA1、SA2、SA3、SA4为拨动开关或者是旋转开关，主要用于手动、单周期、自动循环、步进这四种工作方式的选择与切换。
图3-4-1电镀生产线控制系统的I/O接线图
五、设计功能图
如图3-5-1是电镀生产线控制的PLC控制功能图，功能图主要用于描述电镀生产线控制系统的工作过程，功能及其特性，是分析、设计该电器系统控制程序的主要根据，主要有步、有向连线、转换、转换条件和命令组成，在本设计中更具PLC的具体情况，我们选择如图中M0~M20作为功能图的步，将整个电镀生产过程分成了许多步，每步完成各自不同的动作，通过输入转换条件如X0~X17、T0~T5进行步间转换后，由不同的输出Y0、Y1、Y2、Y3从而驱动电机运行完成整个电镀生产过程。
顺序功能图的设计同时也为我们下一步的梯形图设计奠定了基础，
图3-5-1电镀生产线控制的PLC控制功能图
六、设计梯形图
梯形图如图3-6-1梯形图，为电镀生产过程的总控制图，根据设计的要求在总控制梯形图中每个生产控制方式由程序不同的部分来控制完成：
1如图3-6-1是完成控制系统的启动与停止
其中按钮SB1（X0）启动，SB2（X7）停止。
如图3-6-1系统的启动与停止梯形图
2如图3-6-2手动工作方式控制部分
当开关拨动到SA4时，按住SB3、SB4、SB5、SB6则可以完成相应的工作过程，放开按钮则立即停止，实现对工作过程的手动控制。
图3-6-2手动工作方式控制梯形图
3图3-6-3为步进工作方式的控制部分
将开关拨动到SA2后，按一下启动按钮SB1后则开始工作，当碰到下一个极限行程开关后就停止，从而实现步进控制。
图3-6-3进工作方式的控制梯形图
4如图3-6-4为单周期和自动循环工作方式的控制部分
当闭合SA1则实现自动循环，若闭合SA4则实现单周期的控制方式。
如图3-6-4单周期和自动循环工作方式梯形图
图3-6-5电镀生产线PLC控制系统梯形图
PLC的梯形图是“从上到下”按行绘制的，两侧的竖线类似电气控制图的电源线，通常称做母线（BusBar），大部分梯形图只保留左母线；梯形图的每一行是“从左到右”绘制，左侧总是输入接点，最右侧为输出元素，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按纽、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如指示灯、接触器、中间继电器、电磁阀等。
对S7-200系列的PLC来说，还有一种输出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定时器、计数器或数学运算等功能指令。
电气控制电路左右母线为电源线，中间各支路都加有电压，当支路接通时，有电流流过支路上的触点与线圈。
梯形图中的假想电流在图中只能作单方向的流动，即只能从左向右流动。
层次改变（接通的顺序）也只能先上后下，与程序编写时的步序号是一致的。
梯形图中的输入接点如I1.0、I0.1等，输出线圈Q0.0、Q0.1等不是物理接点和线圈，而是输入、输出存储器中输入、输出点的状态，并不是接线时现场开关的实际状态；输出线圈只对应输出映像区的相应位，该位的状态必须通过I/O模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。
梯形图中使用的各种PLC内部器件，如辅助继电器、定时器、计数器等，也不是真的电器元件，但具有相应的功能，因此通常按电气控制系统中相应器件的名称称呼它们。
梯形图中每个继电器和触点均为PLC存储器中的一位，相应位为“1”，表示继电器线圈通电、常开接点闭合或常闭接点断开；相应位为“0”，表示继电器线圈断电、常开接点断开或常闭接点闭合。
梯形图中的继电器触点既可常开，又可常闭，其常开、常闭触点的数目理论上是无穷多个（受存储容量限制），也不会磨损，因此，梯形图设计中，可不考虑触点数量，这给设计者带来很大方便。
对于外部输入信号，只要接入一个信号到PLC即可。
电气控制电路中各支路是同时加上电压并行工作的，而PLC是采用循环扫描方式工作，梯形图中各元件是按扫描顺序依次执行的，是一种串行处理方式。
由于扫描时间很短（一般不过几十毫秒），所以控制效果同电气控制电路是基本相同的
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