《电气控制及PLC技术》实验指导书.docx

电气控制及PLC技术实验指导书电气控制及PLC技术 实验指导书 电气工程学院 目 录 前 言 实验一实验二实验三实验四附 录 1 三相异步电动机的继电接触器控制3 三相异步电动机的PLC控制 7 交通信号灯控制 12 自主设计操作测验 17 四层电梯控制 18 混料罐控制 22 输料线控制 25 天塔之光控制 29 自控轧钢机控制 31 邮件分拣控制 35 自动售货机控制 38 前 言 实验基本要求及操作 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。PLC原理及应用实验是PLC原理及应用理论课程的重要组成部分，也是培养从事电气控制、电力传动及其自动化等技术人员实验技能的重要环节。 一、实验设备 序号 1 设备名称 0.25kw异步电动机 序号 6 设备名称 装有STEP7-Micro/WIN32软件的微机 基本指令实验挂箱 五模型实验挂箱 六模型实验挂箱 2 3 4 磁粉刹车器 示波器 备有交流接触器、热继电器、按钮等的电动机控制单元综合试验台，导线若干 西门子s7-200可编程序控制器 7 8 9 5 15 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。 1 三）实验要求 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。 .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。 .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。 2 实验一 三相异步电动机的继电接触器控制 一、实验目的 1看懂三相异步电动机铭牌数据和定子三相绕组六根引出线在接线盒中的排列方式； 2根据电动机铭牌要求和电源电压，能正确连接定子绕组(Y形或形)； 3了解按钮、交流接触器和热继电器等几种常用控制电器的结构、功能和作用，并熟悉它们的接用方法； 4通过实验操作加深对三相异步电动机直接起动、点动和正反转控制线路工作原理、接线方式、操作方法及各环节作用的理解和掌握，明确自锁和互锁的作用； 5在理解顺序控制工作原理的基础上，学会对三相异步电动机进行简单顺序控制； 6学会检查线路故障的方法，培养分析和排除故障的能力。 二、预习要求 复习三相异步电动机直接启动、点动和正反转控制线路的工作原理，并理解自锁、互锁及点动的概念，以及短路保护、过载保护和欠压保护的概念。 “可逆”控制：就是可同时控制电机正转或反转。生产过程中，生产机械的运动部件往往要求能进行正反两反向的运动，这就是拖动电机能作正反向旋转。由电机原理可知，将接至电机的三相电源进线中的任意两相对调，即可改变电机的旋转方向，所以可逆运行控制线路实质上是由两个方向相反的单向运行控制线路构成。但为了避免误动作引起电源相间短路，往往在这两个相反方向的单向运行线路中加设必要的机械及电气互锁。按照电机可逆运行操作顺序的不同，分别有“正停反”和“正反停”两种控制线路。对于“正停反”控制线路，要实现电机由“正转反转”或“反转正转”的控制，都必须先按下停止按钮，再进行反向起动，见图1-4。然而对于生产过程中要求频繁实现正反转的电机，为提高劳动效率，减少辅助工时，往往要求能直接实现正反转控制。图1-5所示为三相异步机“正反停”可逆旋转过程中按下SB2或SB3按钮可直接实现电机的正反转切换，当然，该线路也能实现“正停反”操作。 1.按钮、接触器和电动机的点动控制电路 FU2SB1SB2KMSB2SB3KMKRFU2简单点动控制线路 即可点动又可保持的控制线路 图1-1 三相异步电动机点动控制电路 3 图1-2 功率较大的电动机的点动 2.单向启、保、停控制线路 图1-3 三相异步电动机单向启、保、停控制线路 3.三相异步电动机的正、反转控制电路 图1-4 三相异步电动机的正、反转控制电路 4 图1-5 三相异步电动机的正、反转控制电路 三、实验设备 1、0.25kw异步电动机一台；2、磁粉刹车器一台；3、示波器一台；备有交流接触器、热继电器、按钮等的电动机控制单元综合试验台一台、导线若干 四、实验内容和步骤 1.熟悉实验装置上的电源开关、交流接触器、按钮等器件接线端的位置。 2.可实现点动的控制线路实验 3.单向启、保、停控制实验 4.直接启动及停车实验：接上KM的自锁触点，启动按SB2，停车按SB1。 5.欠压保护实验：电动机启动后，拉开实验装置上的三相开关Q，使电动机停转，然后重新合上实验装置上的三相开关Q，不按SB2按钮，观察电动机是否会自行启动。 6.电动机启、保、停控制的正反转实验：拉开实验装置上的三相开关Q，将电动机定子绕组的三根电源线中任意两根的一头对调，再合上实验装置上的三相开关Q，重新启动电动机，观察电动机是否改变了转向。 注意：每项实验完结都要断电后拆除线路。 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。 3写出实验心得。 六、思考题 1在图1-4中，线路是如何实现电气互锁的？ 2为什么图1-3主回路只串联两只发热元件？以星行连接的负载为例，没有串联发5 热元件的一项发生过载时，是否也能得到保护？ 3热继电器是否也能起到短路保护？ 4零压保护是如何实现的？ 5若在实验中发生故障，画出故障线路，分析故障原因。 附： 电动机正、反向点动控制电力接线示意图 6 实验二 三相异步电动机的PLC控制 一、实验目的 1.学习西门子s7-200 PLC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和Y/启动的方法。 二、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。 三、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。 7 实验1 电机正反转控制 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 SB1：正转 I0.1 SB2：反转 I0.2 SB3：停止 输出信号 控制对象及作用 Q0.0 KM1 Q0.1 KM2 Q0.2 KM Q0.3 KMY 参考梯形图程序： 实验2 自锁运行实验 8 实验任务：按下SB1，KM1、KM接通，电动机正转。5秒后KM断开，2秒钟后KM2、KMY接通，电动机反转，5秒后断开，2秒后KM1、KM接通，如此交替；按下停止按钮SB2，KM灯全灭，电机停止运行。 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 I0.0 I0.1 SB1：正转 SB2：反转 输出信号 控制对象及作用 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 参考梯形图程序： KM1 KM2 KM KMY 9 实验3 电机Y-启动 实验任务：按下按钮SB1，电机KM1、KMY启动并正转；2秒后，KMY断开，电机KM接通，并一直运行；按SB2，电机停止运作。 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 参考梯形图程序： SB1：正转 SB2：停止 KM1 KM2 KM KMY 输出信号 控制对象及作用 10 四、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 五、思考题 1继电器控制电路转换为梯形图法。 2自锁运行的观察。 3电机Y-启动的原因。 11 实验三 交通信号灯控制 一、实验目的 1.学习西门子s7-200 PLC与外部设备的连接。 2.学习编程软件STEP7-Micro/WIN32的操作。 3.进一步学习PLC控制程序设计。 4.根据交通信号灯控制规则，学习用PLC来控制交通信号灯的方法。 二、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交通信号灯实验设备。 三、实验内容 设计PLC程序控制十字路口的红绿黄三色信号灯，并通过交通信号灯实验板验证程序的正确性。 实验1 交通灯实验 实验任务： 第一步：东西绿灯和南北红灯亮10秒钟 第二步：东西黄灯和南北红灯闪 亮5秒钟 第三步：东西红灯和南北 绿灯亮10秒钟 第四步：东西红灯和南北黄灯闪亮5秒钟 第五步：返回到第一步 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 元件或端子位置 输出信号 控制对象及作用 元件或端子位置 东西绿灯 Q0.0 东西黄灯 Q0.1 东西红灯 Q0.2 交通灯实验区 Q0.3 南北绿灯 Q0.4 南北黄灯 Q0.5 南北红灯 参考梯形图程序： 12 13 实验2 按钮控制实验 实验任务：人行道口常态亮红灯,当人行道口的按钮按下时，人行道的交通灯绿灯随下一次十字路口的南北绿灯亮一次,之后再次一直亮红灯。在人行道亮过绿灯的1分钟内按下人行道按钮均不响应。1分钟之后按下可重复前面的动作。 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 元件或端子位置 输出信号 控制对象及作用 元件或端子位置 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 参考梯形图程序： 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 南北黄灯 南北红灯 交通灯实验区 14 15 四、实验报告 设计方案；梯形图、I/O接线图；操作步骤；运行结果，程序修改和评价。 五、思考题 1.定时器的应用。 2.按钮控制如何？ 16 实验四 自主设计操作测验 一、实验目的 对PLC控制理论、PLC程序设计及实际操作综合测评。 二、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各相关实验设备。 三、实验要求 控制程序学生完全自主设计，在四层电梯控制、混料罐控制、输料线控制、天塔之光控制、自控轧钢机控制、邮件分拣控制、自动售货机控制等设计中任选其一，在PLC上执行这个程序，并实际控制被控对象运行，以验证程序的功能和正确性。 1.程序设计要求 设计的程序要求进行顺序控制，至少有六个状态，具体规律由设计者自己确定。 2.设计报告 对程序设计要求有完整的设计报告，其内容包括： 自定的控制要求。 输入输出信号表。 梯形图。 运行结果。 设计报告在程序运行之前统一交上来。 3.考核 由程序的正确性和复杂程度、设计报告情况、独立完成情况决定成绩。 四、实验步骤 课前设计，课上调试。 五、实验报告 设计方案；梯形图；运行操作步骤；运行结果，程序修改和评价。 17 附录： 四层电梯控制 电梯为四层四站有司机驾驶客梯,上下运行由直流电机拖动，电机正转时电梯下降，反转时上升。轿厢行走由滑块动作示意,开门动作由信号灯示意。每层的电梯门旁装有外呼电梯轿厢升降的按钮SB1SB5T，内呼梯轿厢升降的按钮SB6SB9，轿厢运行的井道内装有位置控制行程开关SQ1SQ4。由于按钮和信号灯数目不够，开关门信号则由天塔之光实验区的L5、L8两组灯代替。 实验任务：用内部楼层选择信号14控制轿厢升降到相应楼层；轿厢运行过程中有选择信号时，优先执行前方的选择信号；轿厢到达选择的楼层后，停车3秒再继续运行或等待信号；未选择的楼层不停留。 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 元件或端子位置 一层内呼叫 I0.6 二层内呼叫 I0.7 I1.0 三层内呼叫 I1.1 四层电梯控制实验区 四层内呼叫 I1.2 SQ1 I1.3 SQ2 I1.4 SQ3 I1.5 SQ4 输出信号 控制对象及作用 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 参考梯形图程序： PWM 上行 下行 L1 L2 L3 L4 元件或端子位置 四层电梯控制实验区 18 19 20 21 混料罐控制 实验特点：本实验是在基本实验中的简单的模拟工业生产中的混料罐生产工艺全过程实验。其中的液面设计是通过电机电动嵌有LED灯的滑块。在移动中照料混料罐面板来进行实验的。电磁阀和搅拌电机用LED灯来模拟。3个限位开关连接 LED指示灯。实验效果如下图所示。 混料罐实验模拟示意图 实验任务：液面在最下方时，按下启动按钮。液体A阀门打开，液体A流入容器；当液面升到M传感器检测位置时，液体A阀门关闭，液体B阀门打开；当液面升到H传感器检测位置时，液体B阀门关闭，搅拌电机开始工作。搅拌电机工作5秒后停止搅拌，混合液体C阀门打开，开始放出混合液体。当液面降到L传感器检测位置时，延时两秒，关闭液体C阀门，开始下一周期操作。 I/O分配： 参考梯形图程序： 22 23 24 输料线控制 实验任务：按下启动按钮，皮带1启动，经过5秒皮带2启动，再经过5秒皮带3启动，再经过5秒，卸料阀打开，物料流下经各级皮带向后下放传送进入下料仓。料满后，卸料阀关闭，停止卸料，经过5秒后，皮带3停止，再经过5秒，皮带2停止。料欠则重复执行 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 元件或端子位置 启动 I0.0 停止 I0.1 输料线实验区 I0.2 料欠传感器 I0.3 料满传感器 输出信号 控制对象及作用 元件或端子位置 卸料电磁阀 Q0.0 皮带一动作 Q0.1 输料线实验区 Q0.2 皮带二动作 Q0.3 皮带三动作 参考梯形图程序： 25 26 27 28 天塔之光控制 实验任务：L1灯亮，1秒后L2灯亮，再过1秒后L3灯亮再过1秒后L8灯亮，再过1秒后全部灯熄灭。 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 I0.0 开关1 元件或端子位置 基本指令实验区 元件或端子位置 输出信号 控制对象及作用 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 参考梯形图程序： 灯1 灯2 灯3 灯4 灯5 灯6 灯7 灯8 天塔之光实验区 29 30 自控轧钢机控制 实验目的：根据自控轧钢机的原理图，在实验中掌握自控轧钢机的工作原理。练习步进顺控指令，学习用PLC来构成轧钢机自控系统。 实验介绍：自控轧钢机的压力输出端为一特殊端子，其功能是：开机时，ABC三个发光二极管均为OFF，端子第一次接通时，最上面的A灯亮，表示有一个压下量；第二次接通时，上面和中间的A、B灯亮，表示有两个压下量；第三次接通时，A、B、C三灯都亮，表示有三个压下量；第四次接通时，A、B、C三灯皆熄灭，表示轧钢机复位；第五次接通时动作同第一次，如此循环。 自控压钢机控制实验示意图 其中电机MI、M2、M3和皮带的正反转均由相应的发光二极管表示其工作状态，Y1的亮灭模拟汽缸的状态。 实验任务：打开启动开关，电机M1、M2运行，传送钢板。传送带上有钢板时，传感器S1ON，电机M3正转；当钢板传送到位时，S1OFF，S2ON，M1、M2=OFF,电磁阀Y1动作，电机M3反转，压力输出端接通，给一向下压下量，A灯亮；S2信号消失，S1ON，电机M3正转；S1的信号消失时，S2ON，电机M3反转，压力输出端再次接通，又给一向下压下量，B灯亮；S2信号消失，S1ON，电机M3再次正转；第三次S1OFF时，S2ON，电机M3反转，压力输出端又给一向下压下量，C灯亮，系统停留4秒，进行轧钢作业；S2信号消失，S1ON，电机M3再次正转；第三次S1OFF时，S2ON，电机M3反转，压力输出端再次接通，A、B、C三灯都熄灭，程序计数一次；等待3秒后，从头继续运行；计数达到3次后，程序自动停止。 I/O分配： 输入信号 信号元件及作用 启动 I0.0 I0.3 停止 I0.1 S1 I0.2 S2 输出信号 控制对象及作用 31 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 参考梯形图程序： M1 M2 正转 反转 Y1 A B C 32 33 34 邮件分拣控制 实验目的：掌握邮件分拣机的的工作原理，熟悉数字量的应用，学习BCD码向BIN码的转换。 实验特点： 下图为本实验的模拟图。本实验的功能是将五个地方的邮件进行分拣。邮政编码由拨码盘决定，自动转化为BCD码输入。 实验时，打开启动开关后按“检测邮码”按钮，当前的邮码输入PLC中。若检测到此邮码有效，则L2亮，表示开始分拣，不能再进邮件，同时电机M5运行，带动皮带运行输送邮件。邮件运送到与邮码相对应的邮箱处时，M5停止运行。则分拣机M1M4中相应的那一台动作，将该邮件推入对应邮箱。若检测到邮码无效时，L1亮，表示出错，分拣机停止工作，需按下复位键，才能重新运行。当拨下停止开关时，待本轮分拣结束后系统停止运行。 邮件分拣机实验示意图 实验任务：按下检测邮码按钮,拨码盘上对应灯亮,超出范围灯不亮，邮政编码只有15编码有效，其它为无效码。 I/O分配： 参考梯形图程序： 35 36 37 自动售货机控制 实验目的：掌握基本逻辑指令的使用方法，熟悉传送比较指令和四则运算指令的用法。 实验特点：本实验是模拟现实生活中的自动售货机的工作情况而设计的实验。实验中，取物及退币用LDE灯来模拟，其他与现实中的自动售货机基本相似。注：本实验八段码数码管带74LS247N译码模块。 自动售货机实验示意图 实验任务：该机接受硬币后能自动送出顾客选择的商品并找零。要求实现：按下投币口按钮1元或5元，数码管显示投币金额之和。有四种商品可选：纯水一元；可乐二元；牛奶三元；酸奶四元。按下商品对应按钮时，数码管显示金额变为原金额减去所买商品价格之差，即余额。 参考梯形图程序： 38 39 40