电气控制PLC综合实践.docx
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电气控制PLC综合实践
新疆大学
实习（实训）报告
实习（实训）名称：
电气控制与PLC综合实践
时间：
2013年6月17日--6月28日
实习主要内容：
1．通过两周的课程实习,了解三菱FX2N系列PLC的软器件，以及编程语句。
掌握基本的设计思路，最终设计出一个完善的控制系统。
2．通过实验程序的练习熟悉硬件连接、PLC软件的熟练使用方法；
3．能够快速的设计出一些简单的控制电路；
4．能够快速的完成最后的考核题目，准确的按要求设计出相应控制系统；
5．通过本次工程实践，能够提高自己独立思考的能力，学会如何去解决一个问题；
主要收获体会与存在的问题：
通过两周的学习，初步掌握利用PLC设计控制系统的整体思路和具体步骤。
使我对该课程有了更加深入的理解，对相关知识有了实际性的认识。
通过和组员的讨论、配合，最终设计出一个基本符合设计要求的控制系统；在整个过程中，通过学习相关软件，还增加了自己的自学能力；
整个过程中也存在一些问题，对相关知识的了解还不是很好，最终通过和同学的讨论，询问老师得到正确的答案。
软件的使用过程中，发现对很多功能还不是很了解，需要日后继续学习；
指导教师意见：
指导教师签字：
年月日
备注
实验部分
1电动机正反转控制
1.1实验目的
1）了解实验线路中各个设备和元器件的结构，工作原理及使用方法。
2）通过对三相异步电动机正反转控制线路的接线，掌握由电路原理图接成实际操作电路的方法。
3）掌握三相异步电动机正反转控制线路的工作原理和接线方法。
4）熟悉线路故漳的分析及排除故障的方法。
1.2实验设备
1）FX2N系列可编程序控制器主机；
2）计算机一台；
3）编程软件SWOPC-FXGP;
4）电机一台；继电器4个导线若干。
1.3设计要求
按下按钮电机启动，经过五秒后给电机断电两秒，之后电机自行启动并转向发生变化，按此过程循环，再按一下按钮，电机停止运行。
1.4设计思想
要想实现三项异步电机的正反转只需改变其任意的两项。
可以用PLC通过对继电器的控制来控制电机的转向。
例如，当PLC使控制正转的继电器的线圈通电，使得其常开触点接通，从而使得电路中的正传线路与电机接触，实现正转。
在电路换向和电机连接方式转换过程中，有可能产生的两个接触器瞬间同时工作引起安全隐患的问题，所以需要考虑在转换电机运行状态时，需要加入一定的时间，来确保避免此类事件的发生。
1.5硬件设计
通过对上述内容的分析，可以确定有一个输入，两个输出。
PLCI/O地址分配及定义：
输入XO启停按钮
输出Y0正转Y1反转
1.6异步电机的主电路图
图1-1电机正反转控制
KM1是继电器1的常开触点，用来控制电机的正转；KM2是继电器2的常开触点，用来控制电机的反转。
1.7程序设计:
图1-2梯形图
2自动送料装车系统
2.1实验目的
用PLC控制自动送料装车系统的控制。
2.2实验设备
1）实验模板一块式PLC试验装置一台
2）自动送料装车系统实验模板一块
3）连接导线一套
2.3实验要求
初始状态时，红灯L1灭，绿灯L2表示允许汽车开进装料，料斗K2，电动机M1、M2，M3皆为OFF。
当汽车到来时（用S2接通表示），L1亮，L2灭。
M3运行，电动机M2在M3通2秒后运行，M1在M2通2秒后运行，出料阀K2在M1通2秒后打开出料口。
进料阀K1在K2通2秒后打开，当装料罐料满后（用S1接通表示），关闭K1，k2在K1通2秒后关闭，电动机M1延时2秒后关断，M2在M1停2秒后停止，L2亮，L1灭。
表示汽车开走。
下一次再循环。
2.4设计思想
把程序的执行步骤按输出的不同分为相应的几个阶段，每个阶段的输出用编程元件M来实现，即每一个Mi对应一组相应的输出并执行动作。
2.5顺序功能图
图2-1顺序功能图
2.6实验程序
图2-2梯形图
3天塔之光
3.1实验目的
用PLC控制天塔之光的控制系统。
3.2实验设备
1）台式PLC实验装置一台。
2）天塔之光控制系统实验模板一块。
3）连接导线一套。
3.3实验内容
1）控制要求
启动开关X0接通后，首先L1点亮2s,接着L2,L3,L4,L5亮2s后灭，L6,L7,L8,L9,亮2s，后所有灯亮。
如此循环下去。
2）I/O分配
输入输出
X0:
启动与停止按钮Y1:
L1灯Y2:
L2灯Y3:
L3灯
Y4:
L4灯Y5:
L5灯Y6:
L6灯
Y7:
L7灯Y8:
L8灯Y9:
L9灯
3）接线
L1接主机的Y1；L2,L3,L4L5,分别接主机的Y2,Y3,Y4,Y5点；L6,L7,L8,L9,分别
接主机的Y6,Y7,Y10,Y11点。
主机的X0为启动开关.
3.4顺序功能图
图3-1顺序功能图
3.5实验梯形图
图3-2梯形图
3.6实验过程分析
当启动开关（X0）闭合时，L1灯亮（Y1动作并保持，计时T1开始计时），2s后，L1,L2,L3,L4,L5,同时亮（Y1,Y2,Y3,Y4,Y5动作并保持，T2开始计时）2s后L2,L3,L4,L5同时灭（Y2,Y3,Y4,Y5断开）而L6,L7,L8,L9灯亮（Y6,Y7,Y10,Y11动作并保持，T2开始计时），2s后L1--------L9同时亮。
然后L1（Y0）亮，其他的都灭。
如此循环。
4设计部分
恒压供水控制系统的设计
我们的日常生产及生活都离不开水。
但如果水源离用水的场所较远，就需要管路的输送。
而将水送到较远或较高的地方，管路中是需要有一定的水压的，水压高了，才能将水送到远处或较高的楼层。
产生水压的设备时水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高。
传统的维持管路水压的方法是建造水塔，水泵开着时将水打到水塔中，水泵休息时，借助水塔的水位继续供水。
水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能维持供水管路中水压的基本恒定。
但是，建造水塔需花费财力，水塔还会造成水的二次污染。
那么，我们就可以借助变频器，通过PLC的控制来维持恒压供水。
通常的办法是：
用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。
这就是恒压供水的基本思路。
这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可设想的，但今天办到这一点已经很容易了，交流变频器的诞生为水泵转速的平滑连续调节提供了方便。
交流变频器是改变交流电源频率的电力电子设备，输入三相工频交流电后，可以输出频率平滑变化的三相交流电。
4.1供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。
配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。
而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。
而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。
在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。
另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。
图4-1
如上图1-1恒压供水泵的水的构成示意图。
图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。
当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。
水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。
调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。
调节器的输出信号一般是模拟信号，4~20MA变化的电流信号或0~10V间变化的电压信号。
信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。
在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。
用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。
如规定和变频器相连接的泵为主泵（主泵也是轮流担任的），主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。
PLC则是泵组管理的执行设备。
PLC同时还是变频器的驱动控制。
恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。
另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如：
手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。
4.2变频器及其控制
交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。
微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。
变频器可以采用两种方案进行接线，当没有A/D,D/A转换器的时候我们需要用PLC的输出量进行控制变频器的变频。
当然如果有A/D和D/A转换器那么我们可以用电流或者电压的大小来控制变频，从而控制电机的转速，最终达到目的。
根据系统的设计任务要求，有以下两种种方案可供选择：
4.2.1有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
4.2.2通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第二种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
4.3PLC模拟量扩展单元的配置及应用
PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。
模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。
模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。
4.3.1PLC系统的选型
系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。
如果选用CPU224的PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226的PLC，价格比较高，这样形成的浪费较大。
选用三菱FX2N-32MR一台、加上一台模拟量扩展模块FX2N-4AD、一台模拟量扩展模块FX2N-2DA构成系统。
整个PLC系统的配置如下图4-1所示：
图4-2PLC系统的配置
4.4电器控制系统原理图
4.4.1主电路图
图4-3主电路图
三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。
本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。
主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。
变频和工频两个回路不允许同时接通。
而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。
同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。
为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至上位机来显示。
同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。
并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。
初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。
如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。
系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路（如直接使熔断器或隔离开关断开），而必须通过变频器实现软启动和软停。
为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。
当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
4.4.2系统控制电路分析及其设计
如下图4-2为电控系统控制电路图。
图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB1~SB6控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。
对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。
图中的Y0~y5及Y10~Y15为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号。
图4-4电控系统控制电路图
4.4.3PLC的I/O端口分配及外部接线图
表4-5
名称
代码
地址编号
输入信号
供水模式信号（1-白天，0-夜间）
SA1
X000
水池水位上下限信号
SL-H/L
X001/X002
变频器报警信号
SU
X003
试灯按钮
SB10
X005
压力变送器输出模拟量电压值
Up
模拟量输入模块1通道
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1、HL1
Y000
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2、HL2
Y001
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3、HL3
Y002
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4、HL4
Y003
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5、HL5
Y004
3#泵变频运行接触器及指示灯
KM6、HL6
Y005
输出信号
水池水位上下限报警指示灯
HL7
Y011
变频器故障报警指示灯
HL8
Y012
火灾报警指示灯
HL9
Y013
报警电铃
HA
Y014
变频器频率复位控制
KA
Y015
变频器输入电压信号
Uf
模拟量输出模块电压通道
结合系统控制电路图和PLC的I/O端口分配表，画出PLC及扩展模块外围接线图，如下图4-4所示：
图4-6PLC及扩展模块
4.4元件表总图
表4-7元件表
元件
符号
型号
个数
可编程控制器
PLC
FX2N-32MR
1
变频器
FR-A540系列
5.5型
1
接触器
KM
SC-E03-C
7
水泵
M1,M2
40-160（I）A
2
M3
40-160（I）
1
闸刀开关
QS
HD11-100/18
1
熔断器
FU1，FU2
RT186A
2
FU3
RT188A
1
热继电器
FR1FR2
TK-E02T-C
2
FR3
K-E02U-C
1
按钮
SB
LAY3—11
10
4.5程序中使用的PLC机内器件及功能如下表
表4-8
4.6恒压供水梯形图
恒压供水梯形图如下，分为两个部分：
（1）自动部分，完全由PLC进行控制；
（2）手动部分，在PLC出现故障时，能够保证正常的恒压供水；
自动部分梯形图
图4-9自动部分梯形图
4.6手动部分梯形图
图4-10手动部分梯形图
4.7参考文献
[1]张万忠，孙晋.可编程控制器入门与应用实例.北京：
中国电力出版社，2006.
[2]吴忠智，吴加林。
变频器应用手册.北京：
机械工业出版社，2000.
[3]张振国，方承远.工厂电气与PLC控制技术.北京：
机械工业出版社，2012.
5考核部分
5.1实验目的
三级传输带由三台电动机拖动的控制系统
5.2实验设备
1）实验模板一块式PLC试验装置一台
2）三级传送带系统实验模板一块
3）连接导线一套
5.3控制要求
按下启动按钮X0后，M1启动4秒M2自行启动，M2运行5秒后M3开始运行，此时三台电机均正常运行。
若按下停止按钮时，M3立即停车，2秒后M2停车，再过2秒后M1才停。
画出连接图，接外设并调试通过。
5.4设计思想
通过对起保停经典电路的使用
1）主电路
图5-1主电路图
2）控制线路
图5-2控制线路
5.5梯形图
图5-3梯形图
5.6考核试验问题
5.6.1三菱系列PLC输入输出点
三菱系列PLC采用8进制。
输入16个为X0~X7，X10~X17、输出24个为Y0~Y7，Y10~Y17，Y20~Y27共四十个点。
实训小结
恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。
实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。
水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。
由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。
正因为此，系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。
在实际应用中，采用PLC控制恒压供水，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。
与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更大的灵活性和通用性。
实训感想
通过两周的实训，感觉自己学到了很多知识。
原来在课堂上学的理论知识在实践中得以运用。
我发现只有理论与实践相结合才能更好的理解知识。
两周的过程中我们一个组相互讨论、合作。
还锻炼了我们团结协作的能力。
我觉得工程实训是一个很有意义的事情，让我为今后的工作奠定了一定的基础，所以我们更应好好珍惜这样的机会。
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