机械装备电气控制技术实验指导书.docx
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机械装备电气控制技术实验指导书.docx
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机械装备电气控制技术实验指导书
《机械装备电气控制技术》
实验指导书
李秋明编写
适用专业:
机械工程
东北大学秦皇岛分校
2017年05月
前言
本课程实验的基本内容主要包括常用低压电器控制原理的验证以及可编程控制器PLC的编程方法的学习。
通过学习,学生需要掌握的低压电器常用控制原理如电机星三角启动以及电机正反转控制、PLC基本编程指令的认识,基本编程方法。
为了使学生更好地理解和深刻地把握这些知识,并在此基础上,训练和培养哪些方面的技能,设置的具体实验项目包括:
1)三相异步电机Y-△换接起动控制
掌握星三角启动原理,训练硬件接线以及出现问题时解决问题能力。
2)三相异步电机联锁正反转控制
掌握电机正反转原理,训练硬件接线以及出现问题时解决问题能力。
3)PLC系统设计流程及S7-200基本指令认识
熟悉S7-200编程环境,熟练基本指令的使用。
4)基于PLC的三相异步电机Y/△换接起动控制
掌握设计PLC系统的方法,硬件和软件的设计以及如何调试
5)十字路口交通灯控制的模拟
掌握PLC编程的方法,尝试不同方法编程实现同一问题。
本指导书所涉及的实验是完全根据相应的课程所开设,每个实验的时间点与相应课程的进度相对应。
实验难度循序渐进,学生容易接受。
本实验指导书实验项目适用机械工程专业。
实验一三相异步电机Y-△换接起动控制
实验学时:
2学时
实验类型:
(验证)
一、实验目的
1.掌握三相异步电机星三角启动的原理,学会如何适用低压电气实现星三角启动方法。
2.训练硬件接线,培养解决实际问题的能力。
二、实验内容
1.实验教师讲解三相异步电机的星三角启动的原理,低压电气如何实现电机星三角的启动过程,包括主回路以及控制回路的讲解。
2.学生按照图2-1接线,包括主回路以及控制回路的接线。
3.老师验收,观察实验现象,如果出现问题,让学生找出问题,并自行解决问题直到结果正确。
三、实验原理
1.按时间原则控制电路的特点是各个动作之间有一定的时间间隔,使用的元件主要是时间继电器。
时间继电器是一种延时动作的继电器,它从接受信号(如线圈带电)到执行动作(如触点动作)具有一定的时间间隔。
此时间间隔可按需要预先整定,以协调和控制生产机械的各种动作。
时间继电器的种类通常有电磁式、电动式、空气式和电子式等。
其基本功能可分为两类,即通电延时式和断电延时式,有的还带有瞬时动作式的触头。
时间继电器的延时时间通常可在0.4s~80s范围内调节。
2.按时间原则控制鼠笼式电动机Y-△降压自动换接起动的控制线路如图2-1所示。
从主回路看,当接触器KM1、KM2主触头闭合,KM3主触头断开时,电动机三相定子绕组作Y连接;而当接触器KM1和KM3主触头闭合,KM2主触头断开时,电动机三相定子绕组作△连接。
因此,所设计的控制线路若能先使KM1和KM2得电闭合,后经一定时间的延时,使KM2失电断开,而后使KM3得电闭合,则电动机就能实现降压起动后自动转换到正常工作运转。
图2-1的控制线路能满足上述要求。
该线路具有以下特点:
(1)接触器KM3与KM2通过动断触头KM3(5-7)与KM2(5-11)实现电气互锁,保证KM3与KM2不会同时得电,以防止三相电源的短路事故发生。
(2)依靠时间继电器KT延时动合触头(11-13)的延时闭合作用,保证在按下SB1后,使KM2先得电,并依靠KT(7-9)先断,KT(11-13)后合的动作次序,保证KM2先断,而后再自动接通KM3,也避免了换接时电源可能发生的短路事故。
(3)本线路正常运行(△接)时,接触器KM2及时间继电器KT均处断电状态。
四、实验条件
1.实验设备清单
序号
名称
数量
1
三相交流电源
1
2
三相鼠笼式异步电动机(DJ26)
1
3
交流接触器
2
4
时间继电器
1
5
按钮
1
6
热继电器
1
7
万用电表
1
8
切换开关
1
2.实验参考书:
课本《电气自动控制》
五、实验步骤:
1.按图2-1线路进行接线,先接主回路后接控制回路。
要求按图示的节点编号从左到右、从上到下,逐行连接。
2.在不通电的情况下,用万用电表Ω档检查线路连接是否正确,特别注意KM2与KM3两个互锁触头是否正确接入。
经指导教师检查后,方可通电。
3.开启控制屏电源总开关,按控制屏启动按钮,接通三相交流电源。
4.按起动按钮SB1,观察电动机的整个起动过程及各继电器的动作情况,记录Y-△换接所需时间。
5.按停止按钮SB2,观察电机及各继电器的动作情况。
6.调整时间继电器的整定时间,观察接触器KM2、KM3的动作时间是否相应地改变。
7.实验完毕,按控制屏停止按钮,切断实验线路电源
六、思考题
1.采用Y-△降压起动对鼠笼电动机有何要求。
2.如果要用一只断电延时式时间继电器来设计异步电动机的Y-△降压起动控制线路,试问三个接触器的动作次序应作如何改动,控制回路又应如何设计?
3.控制回路中的一对互锁触头有何作用?
若取消这对触头对Y-△降压换接起动有何影响,可能会出现什么后果?
4.降压起动的自动控制线路与手动控制线路相比较,有哪些优点?
七、实验注意事项
1.注意安全,严禁带电操作。
2.只有在断电的情况下,方可用万用电表Ω档来检查线路的接线正确与否。
实验二三相异步电机联锁正反转控制
实验学时:
2学时
实验类型:
(验证)
一、实验目的
1.通过对三相鼠笼式异步电动机连锁正反转控制线路的安装接线,掌握由电气原理图接成实际操作电路的方法。
2.加深对电气控制系统各种保护、自锁、互锁等环节的理解。
3.学会分析、排除继电--接触控制线路故障的方法。
二、实验内容
认识各电器的结构、图形符号、接线方法;抄录电动机及各电器铭牌数据;并用万用电表Ω档检查各电器线圈、触头是否完好。
鼠笼电机接成Δ接法。
1.接触器联锁的正反转控制线路
按图3-1接线,经指导教师检查后,方可进行通电操作。
(1)开启控制屏电源总开关,打开电源。
(2)按正向起动按钮SB1,观察并记录电动机的转向和接触器的运行情况。
(3)按反向起动按钮SB2,观察并记录电动机和接触器的运行情况。
(4)按停止按钮SB3,观察并记录电动机的转向和接触器的运行情况。
(5)再按SB2,观察并记录电动机的转向和接触器的运行情况。
(6)实验完毕,按控制屏停止按钮,切断三相交流电源。
2.接触器和按钮双重联锁的正反转控制线路
按图3-2接线,经指导教师检查后,方可进行通电操作。
图3-1带机械互锁的三相异步电机正反转控制
(1)按控制屏启动按钮,接通三相交流电源。
(2)按正向起动按钮SB1,电动机正向起动,观察电动机的转向及接触器的动作情况。
按停止按钮SB3,使电动机停转。
(3)按反向起动按钮SB2,电动机反向起动,观察电动机的转向及接触器的动作情况。
按停止按钮SB3,使电动机停转。
(4)按正向(或反向)起动按钮,电动机起动后,再去按反向(或正向)起动按钮,观察有何情况发生?
(5)电动机停稳后,同时按正、反向两只起动按钮,观察有何情况发生?
(6)失压与欠压保护
按起动按钮SB1(或SB2)电动机起动后,按控制屏停止按钮,断开实验线路三相电源,模拟电动机失压(或零压)状态,观察电动机与接触器的动作情况,随后,再按控制屏上启动按钮,
接通三相电源,但不按SB1(或SB2),观察电动机能否自行起动?
实验完毕,按控制屏停止按钮,切断实验线路电源。
三、原理说明
在鼠笼电机正反转控制线路中,通过相序的更换来改变电动机的旋转方向。
本实验给出两种不同的正、反转控制线路,具有如下特点:
1.电气互锁
为了避免接触器KM1(正转)、KM2(反转)同时得电吸合造成三相电源短路,在KM1(KM2)线圈支路中串接有KM1(KM2)动断触头,它们保证了线路工作时KM1、KM2不会同时得电(如图6-24-1),以达到电气互锁目的。
2.电气和机械双重互锁
除电气互锁外,可再采用复合按钮SB1与SB2组成的机械互锁环节(如图6-24-2),以求线路工作更加可靠。
3.线路具有短路、过载、失、欠压保护等功能。
四、实验条件
1.实验设备清单
序号
名称
数量
1
三相交流电源
1
2
三相鼠笼式异步电动机(DJ26)
1
3
交流接触器
2
4
时间继电器
1
5
按钮
1
6
热继电器
1
7
万用电表
1
8
切换开关
1
2.实验参考书:
课本《电气自动控制》
五、故障分析
1.接通电源后,按起动按钮(SB1或SB2),接触器吸合,但电动机不转且发出“嗡嗡”声响;或者虽能起动,但转速很慢。
这种故障大多是主回路一相断线或电源缺相。
2.接通电源后,按起动按钮(SB1或SB2),若接触器通断频繁,且发出连续的劈啪声或吸合不牢,发出颤动声,此类故障原因可能是:
(1)线路接错,将接触器线圈与自身的动断触头串在一条回路上了。
(2)自锁触头接触不良,时通时断。
(3)接触器铁心上的短路环脱落或断裂。
(4)电源电压过低或与接触器线圈电压等级不匹配。
六、思考题
1.在电动机正、反转控制线路中,为什么必须保证两个接触器不能同时工作?
采用哪些措施可解决此问题,这些方法有何利弊,最佳方案是什么?
2.在控制线路中,短路、过载、失、欠压保护等功能是如何实现的?
在实际运行过程中,这几种保护有何意义?
实验三PLC系统设计流程及S7-200基本指令认识
实验学时:
2学时
实验类型:
(演示、验证)
一、实验目的
1.了解PLC系统设计一般流程,熟悉S7-200PLC的外部接线以及编程环境的使用。
2.通过老师的演示实例,加深PLC控制系统的设计过程的理解。
3.掌握定时器以及计数器指令的使用,验证程序实例,加深对指令的认识。
二、实验内容
1.了解PLC控制系统设计一般流程
PLC系统一般设计流程
2.演示实例
1)控制要求
控制一盏指示灯的亮与灭,按下启动按钮指示灯点亮并保持,按下停止按钮指示灯。
分析:
从逻辑上分析这是很简单的“长动”控制,可以参考课本上低压电器部分基本控制原理“长动”控制部分。
2)硬件接线图
根据控制要求,首先规划好PLC的I/O表,然后再根据需要进行PLC接线。
根据控制要求,PLC需要两个输入点,即对应启动按钮和停止按钮;一个输出点,对应指示灯。
PLCI/O表
名称
启动按钮
停止按钮
指示灯
PLCI/O
I0.0(S11-1)
I0.1(S11-1)
Q0.0(S11-1)
低压电器
I0.0(S21)
I0.1(S21)
Q0.0(S21)
PLC硬件接线图
3)时序图分析
根据控制要求分析I/O逻辑,借助于时序图:
4)参考程序
通过分析I/O之间的逻辑关系,容易得到如下程序:
参考程序
3.验证实验
1)定时器的认识实验
定时器的控制逻辑是经过时间继电器的延时动作,然后产生控制作用。
其控制作用同一般继电器。
2)定时器扩展实验
由于PLC的定时器和计数器都有一定的定时范围和计数范围。
如果需要的设定值超过机器范围,我们可以通过几个定时器和计数器的串联组合来扩充设定值的范围。
3)计数器认识实验
西门子S7-200系列的内部计数器分为加计数器,减计数器和加减计数器三种。
三、实验步骤
在完成硬件接线的基础上,软件的操作步骤如下:
下面以实例1为例,介绍一下如何借助编程软件STEP7-Micro/WIN编辑一个PLC程序:
1.通讯连接
PLC使用一根编程电缆与计算机连接。
编程电缆的两个插头有所区别。
标有“PPI”字样的一端与PLC连接,本实验台上S7-200型号为CPU224CN,有两个通讯口,可任选其一。
标有“PC”字样的一端接到计算机的串口,可以是COM1,也可以是COM2。
下图为连接图。
注意:
应在PLC和计算机断电的情况下,连接编程电缆。
2.启动编程软件
连接好编程电缆后,可以启动计算机和PLC。
启动结束可以在计算机桌面上会找到STEP7-Micro/WIN32编程软件的启动图标,用鼠标左键双击图标,进入TEP7-Micro/WIN32编程软件的主界面。
或者从开始菜单找到SIMATIC项进入STEP7-Micro/WIN32V40,再用鼠标左键点击TEP7-Micro/WIN32,进入TEP7-Micro/WIN32编程软件的主界面。
编程软件支持中文,中文界面如图所示。
STEP7-Micro/WIN32编程软件的主界面
3.通讯设置
为了使计算机和PLC建立连接的关系,除了硬件上进行连接以外,还需要软件上进行通讯设置,最简单的方法是在编程主界面里的左下角位置找到“通信”按钮,点击会出现下面画面。
通信设置画面
用鼠标在“双击刷新”位置上双击左键,执行刷新操作,若通讯正常,出现显示PLC类型和地址的画面。
如果通讯失败,则出现通讯失败对话框。
这时应检查计算机的串口地址设置是否正确。
用鼠标左键在图的“PC/PPIcable(PPI)”位置上双击,显示出通讯参数设置对话框。
在通讯参数设置对话框中,单击属性(Properties)按钮,进入参数设置。
需要检查计算机串口地址是否正确,波特率是否正确,PLC通讯口是否正确。
按照上述步骤进行操作后,再检测,直到通讯正常。
如果通讯始终不能正常,找老师帮忙。
4.编写程序
编写和修改控制程序是完成PLC控制任务最基本的工作,下面以参考程序为例,简单介绍梯形图的编辑方法。
为了编制梯形图程序,要打开梯形图编辑器窗口。
从控制程序可以看出,程序中所用的输入元件为位逻辑元件。
在指令树窗口中,单击“BitLogic”按钮,可以展开所有的位逻辑指令。
现在就是要把合适的位逻辑指令元件放置到梯形图中。
向梯形图中放置元件:
有两种方法向梯形图中放置元件。
第一种方法是双击指令树中所需元件。
另一种方法是用鼠标左键选中元件,按住左键,将该元素拖到编程窗口需要安放的位置,松开鼠标即可。
如图(a)
给元件赋值
放置元件以后,在元件的上方的参数处会出现“?
?
.?
”字符,表示应该输入该元件的参数,此例中应输入“I0.0”。
放置梯形图元件
为了安放元件“Q0.0”,在该元件和“Network2”中间,请把光标移至图(b)所示的位置。
矩形光标,再次双击指令树中的“常开”触点,输入参数“Q0.0”,如图(c)所示。
为了实现这两个元件并联的“或”关系,可以把光标放于图(c)中“Q0.0”末端并点击“向上画线按钮”完成连接,如图(d)所示。
将光标移到图(e)所示的位置,重复上述操作,即可完成梯形图的全部输入和输出元件的绘制。
完整的梯形图如图(f)所示。
梯形图的插入、删除、块操作和程序的打开、保存方法与普通字处理软件中的相应操作方法完全一致。
详细操作请参阅有关程序编辑器部分。
下载结束对话框
5.程序编译与下载
(1)程序的编译
编译和下载
完成程序编辑工作后,需要先对程序进行离线编译。
为了对程序进行编译,可以由“菜单栏”的“PLC”子菜单的“编译”和“全编译”选项实现。
也可以在“调试工具栏”中选择“编译”图标和“全编译”图标实现。
工具栏的两个“编译”图标,如下图所示。
选择“编译”图标,编程软件仅对现行修改的程序进行编译,例如:
梯形图除主程序外,还包括一些子程序或中断程序,如果主程序的修改后,选择“编译”图标,则编程软件仅对修改后的主程序进行编译。
若选择“全编译”图标,则编程软件对全部程序进行编译。
编译结束,在输出窗口显示编译结果信息,信息包括错误类型以及所在位置,如果编译无误,可以将程序下载到PLC中运行。
(2)程序的下载
应用STEP7-Micro/WIN32编程软件下载程序主要步骤。
对于新设计的程序,选择工具栏“下载”图标后,编程软件执行下载操作,将“程序块”、“数据块”和“系统块”全部送到PLC中,完成后,显示结束信息,如上图所示。
对于修改后的程序,选择“下载”图标后,先出现下图所示的对话框,允许选择下载内容,当程序比较复杂时,为缩短下载操作时间,可有选择的执行下载操作。
6.程序运行与调试
应用STEP7-Micro/WIN32编程软件调试程序的主要分如下步骤。
下载选项对话框
(1)程序的运行
运行程序前应当将CPU224上的工作方式开关扳到“REM”位置。
这样我们可以通过编程软件,在线控制程序的运行和停止。
程序下载到PLC后,可以运行程序并检查执行结果是否正确。
工具栏中的三角形图标为“运行”图标,矩形图标表示“停止”图标。
单击“运行”图标,PLC将开始运行。
单击“停止”图标,PLC将停止运行。
在控制程序下载到PLC以后,且确认PLC处在运行状态。
按下“启动”按钮I0.0以后,指示灯Q0.0亮。
按下“停止”按钮I0.1指示灯Q0.0灭。
如果运行状态失常,应先排除接线故障。
若问题仍未解决,可使用编程软件的调试功能,根据梯形图的运行状态,检查、修改程序。
停止运行状态图
(2)程序的调试
如果PLC处于运行模式,利用调试工具栏中的程序状态开关可以在程序编辑器窗口打开始显示状态。
如果操作数数值等于1(位打开),布尔指令(触点、线圈)将被显示成彩色块。
并以通讯速度允许的最快速度显示和更新非布尔操作数。
这样就可以在线监视程序执行状态。
启动命令状态图
连续运行状态图
第一张图的状态图表示指示灯处于灭的状态,“I0.0”“Q0.0”均为“0”,所以它们的左边为兰色线,右边为灰色线,表示电源被切断。
“I0.1”为“常闭”触点,在未按动“停止”按钮的情况下,“常闭”触点是闭合的,所以图中的元素是被点亮的兰色矩形块。
按下“启动”按钮,图中的“I0.0”元素被点亮,输出“Q0.0”闭合,指示灯开始亮如第二张所示。
松开“启动”按钮,电动机中的“I0.0”元素断电,通过自锁接点“Q0.0”继续向线圈供电,指示灯的运行状态保持不变,如第三张图所示。
当按下“停止”按钮,指示灯开始熄灭。
PLC的运行状态又回第一张图的状态所示。
可以看出,借助于监视画面的帮助,可以迅速找到程序的逻辑错误。
是常用的调试工具。
利用调试工具栏中的图状态开关,可以使用图状态开关处于打开状态,可以连续地更新图的数值。
根据连续变化的数据也可以方便地监视程序运行状态。
除上述的梯形图监视外,编程软件还提供功能块监视、语句表监视等方法。
也可以使用状态图表强制设置I/O点的状态,修改变量的值。
四、实验条件
1.实验设备清单
序号
名称
数量
1
三相交流电源
1
2
S21挂箱
1
3
S11-1挂箱
1
2.实验参考书:
课本《电气自动控制》
五、思考题
1.设计PLC的程序,完成以下时序图的功能,并接线。
I0.0
I0.1
0.5S
Q0.0
0.5S
编程实现1S为周期的方波
实验四基于PLC的三相异步电机Y/△换接起动控制
实验学时:
2学时
实验类型:
(设计)
一、实验目的
1.掌握PLC与低压电器间的接线方法。
2.学会用可编程控制器实现电机星/三角换接降压启动过程的编程方法。
二、实验内容
1.控制要求
启动:
按下启动按钮SB2后,电机先作星形连接启动,即:
接触器KM1和KM3得电(可以KM1线圈和KM3线圈得电顺序有先后);电机星形接法运行5秒后自动换接到三角形连接运转(为了避免接触器“触点竞争”现象,接触器线圈KM3失电和接触器线圈得电之间可以有个小的延时时间),此后,电机按照角形运行。
停止:
按下停止按钮SB3后电机停止转动,即:
所有接触器线圈失电
2.硬件接线图
PLC接线图电机接线图
3.PLCI/O表
名称
启动按钮
停止按钮
热继保护
主接触器
角接触器
星接触器
PLCI/O
I0.0(S11-1)
I0.1(S11-1)
I0.2(S11-1)
Q0.1(S11-1)
Q0.2(S11-1)
Q0.3(S11-1)
低压电器
SB2(S32)
SB3(S32)
FR(S32)
KM1(S32)
KM2(S32)
KM3(S32)
4.I/O时序图
PLCI/O时序图
三、实验步骤
1.控制回路接线
按照硬件接线图,首先接好控制回路的接线,接好以后找老师检查一下,如果无误,开始进行下一步,软件编程。
2.编写PLC程序,并上机运行调试。
根据时序图,编写程序,程序的编写方法,可以参考以下三种方法,其中前种方法要求学生必须掌握。
(1)应用定时器指令和基本位指令,按照时序图将定时器串联或者并联,然后利用定时器的完成位或者完成位的逻辑组合限制PLC的输出,从而达到控制电机的目的。
(2)应用定时器指令和比较指令,通过判断定时器的时间和启停信号控制PLC的输出,从而达到控制电机的目的。
(3)应用顺序功能图指令,根据PLC的输出状态划分几“步”,并判断“步”与“步”的转换条件。
如果程序编写完成,下载到PLC中,并自行调试:
按下启动按钮I0.0,观察PLC输出点的状态,即:
Q0.1,Q0.2和Q0.3的相应指示灯亮灭状态是否符合时序图,如果符合,说明程序无误;相反不符合,根据实验现象找出问题所在,修改程序,直到符合时序图。
然后找老师验证,如果老师认可没有问题,最后进行下面工作,接主回路。
3.主回路接线
如果编写的程序没有错误,按照硬件接线图将主回路接线,如果接完主回路一定要找老师给你检查一遍。
如果老师确定无误,由老师给上380V的交流电源的电。
4.整体系统调试
380V交流电上电以后,本组同学在老师在场的情况下进行操作,观察实验现象,如果现象正确,实验结束,如果现象不正确,根据现象找问题,解决问题,直到整个实验现象是正确的,其中整个380V电源的上电断电必须由老师完成,切记!
!
!
四、实验条件
1.实验设备清单
序号
名称
数量
1
三相交流电源
1
2
S32挂箱
1
3
S11-1挂箱
1
4
三相异步电动机
1
2.实验参考书:
课本《电气自动控制》
五、思考题
1.在硬件接线图的PLC接线当中,PLC的输出回路Q0.2和Q0.3中分别串联两个常闭触点,应用的是什么原理?
作用是什么?
2.在时序图里输出接口Q0.3的断开到Q0.2的闭合之间有0.5S的延时,这样做的目的是什么?
这个时间的的长短对启动过程有何影响?
实验五十字路口交通灯控制的模拟
实验学时:
2学时
实验类型:
(设计)
一、实验目的
1.进一步掌握定时器指令,顺序功能图指令,学会设计较复杂点的PLC控制系统。
2.通过设计十字路口交通灯的控制系统,进一步使学生了解用PLC解决一个实际问题的
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- 机械装备 电气控制 技术 实验 指导书