电气控制与PLC应用综合实践.docx

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电气控制与PLC应用综合实践

新疆大学

实习（实训）报告

实习（实训）名称：

电气控制与PLC应用综合实践

学院：

电气工程

专业班级：

电气09-4班

指导教师：

报告人：

学号：

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,熟悉三菱FX2N系列PLC的编程软器件，以及编程方法；

2．通过实验程序的练习熟悉硬件连接、具体的程序设计；

3．要能设计一些简单的工程实际控制电路；

4．培养一定的工程思维，能分析一些简单的实际控制程序，并要能分析其控制的原理，熟悉其是实现的具体功能。

主要收获体会与存在的问题：

在两周的课程实习中，我学到了三菱FX2N型PLC的内部结构，其内部的软器件的使用，对PLC的工作原理也更加熟悉；通过具体实验程序的练习，对于程序编写方法，例如经验设计法、顺序控制法等，都更加熟悉，并运用这些方法编写一些简单的具体程序。

对于PLC在工程实际中的应用范围也有了很深的了解。

指导教师意见：

指导教师签字：

年月日

实验程序

1天塔之光

1.1实验目的

用PLC控制天塔之光的控制系统。

1.2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。

1.3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.

1.4顺序功能图

1.5实验梯形图

1.6实验程序

1.7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。

1.8总结

因为本次实验需要循环，所以本次设计我们采用顺序功能图。

因为在执行一个过程中有些灯要开，而有些灯要关，所以我们采用了SET,RST指令。

设计中还需要用到延时，所以我们还需要考虑定时器复位的问题。

2四级传送带

2.1实验目的

用PLC控制四级传送带的控制。

2.2实验设备

1）实验模板一块式PLC试验装置一台

2）四级传送带系统实验模板一块

3）连接导线一套

2.3实验要求

某企业输送货物，共分四级输送，分别有四级电机控制。

要求在启动时最后一台先启动，然后每隔5秒后前一级电机再起动，直到四台电机全部依次启动运行。

当碰到故障点时，当前的这台电机和他前面的电机同时关断，而他后面的皮带则过五秒后依次关断。

根据已知条件进行分析并通过所给定的条件设计程序。

设X0为启动按钮，X5为停止按钮，X1为Y1的故障点，X2为Y2的故障点，X3为Y3的故障点，X4为Y4的故障点，都是行程开关，根据给定条件，编写试验程序并上机对实验程序进行调试，调试通过，直到达到预期设计结果为止。

2.4设计思想

通过对起保停经典电路的使用，

2.5实验梯形图

2.6实验程序

2.7总结和体会

通过本次实验，我们对顺序控制设计法进行了实际的操作和演练，对其使用方法有了更多的认识和并在实验程序设计中更加熟练的掌握设计要领。

我们在编程过程中首先使用的是“起保停”经典控制法，并且在逐步修改的过程中逐渐将程序完善。

但有些小细节欠妥。

3三相异步电动机正反转控制

3.1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。

3.2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。

3.3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。

3.4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。

3.5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

3.6异步电机的主电路图

M1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。

3.7梯形图

3.8实验程序

3.9总结

电机正反转在工业的各个领域中平凡的出现,那么控制其方法也就有多种,例如常规继电器控制,PWM技术控制,PLC技术控制与他们进行比较有他自己的优势,采取PLC技术控制电机的正反转控制简单,可靠性高,价格低廉.

这里编写的电机控制子程序，可以直接移植于三相异步电机的类似控制场合，尤其用于一些小型的控制系统。

对于一些大型的控制系统中控制要求较多的电机控制，要考虑程序的全面性和可重复性，这样的程序实现就显得相对薄弱，可以设计一些更佳的程序来满足更高的要求。

课程设计任务书

一、设计题目：

恒温箱温度控制系统的设计

二、概述（专题概况）

温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。

温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。

温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优秀的控制。

恒温箱系统的构成如图1所示。

通过一个温度传感器检测恒温箱的温度值并把它转换成标准的电流（或电压）信号后，送到A/D转换模块，转换成的数字信号传输到PLC主机。

PLC主机计算得到一个控制量，该控制量的大小决定Y1控制的继电器的导通时间，从而控制温度值的大小。

三、控制要求：

采用PID控制算法，使PLC控制恒温箱的温度（T）变化应能按照给定的

曲线运行，如图2所示。

掌握对温度的变化规律利用PLC对温度进行PID（比例，微分，积分）控制方法，PID控制在电炉温度控制种的应用。

图1恒温箱系统构成图2温度变化曲线

四、设计任务

（１）根据控制要求选择ＰＬＣ型号并画出ＰＬＣ，Ｉ/Ｏ端口分配表。

（２）设计ＰＬＣ硬件系统，包括ＰＬＣＩ/Ｏ外接线图。

（３）对所需电器元器件选型并编制电器元件目录明细表。

（４）绘制系统梯形图，编制用户程序语句并进行模拟调试。

（５）要设计响应的温度显示电路并编制显示程序。

（６）图纸要修：

分别在２#图纸上绘制系统电气控制原理图，Ｉ/Ｏ外接线图和绘制系统梯形程序。

（７）用组态软件涉及温度控制系统触摸屏画面并显示温度动态曲线图。

技术资料

（1）系统电气原理图。

（2）ＰＬＣ的Ｉ/Ｏ外接线图

（3）控制程序清单及注释

五、设计时间：

２０１３年６月　日至　月　日（第１７、１８周）

班级：

电气０９－４班　　　　　

本组学生：

组长：

赛尔山伙加·居曼（20092101450）

成员：

帕如克·帕尔哈提（20092101446）、伊斯马伊力江·亚森（20092101448）

阿力木·图尔森（20092101452）、加恩巴衣·库来西（20092101454）

指导老师：

努尔哈孜·朱玛力娄毅

第一章绪论......................................................111.1引言.....................................................111.2恒温箱的作用和意义.......................................11

1.3恒温箱的现状和发展.......................................12

第二章可编程控制器基础知识........................................12

2.1PLC的定义.................................................12

2.2PLC类型的选择.............................................12

2.3PID调节....................................................13

2.3.1PID控制程序设计.......................................13

2.3.2PID控制算法...........................................13

2.3.3PID在PLC中的回路指令.................................15

2.3.4PID参数整定..........................................16

2.3.5温度控制系统的模拟调试................................16

第三章温度箱控制系统的构成及硬件介绍..............................17

3.1恒温箱温度控制系统基本构成................................17

3.2温度控制系统的硬件介绍....................................17

3.2.1传感器...............................................17

3.2.2FX2N-4AD特殊功能模块................................17

3.2.3热电偶...............................................18

3.2.4FX2N-48MR-001PLC....................................18

第四章温度控制系统软件的设计......................................20

4.1实验电路的控制要求.........................................20

4.2系统结构的设计............................................20

4.3ＰＬＣＩ/Ｏ外接线图.......................................22

4.4Ｉ/Ｏ端口分配表............................................22

4.5流程设计..................................................23

4.6恒温箱控制系统的功能图....................................23

4.7梯形图与指令表............................................25

总结...............................................................30

参考文献...........................................................30

自主设计性设计

恒温箱温度控制系统的设计

摘要：

在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。

在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。

在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行处理，根据偏差信号的大小输出驱动PWM输出，通过改变PWM输出的周期和幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。

本设计的单片机为51系列，对数据进行采集、比较、处理与输出，PWM通过单片机的脉冲输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行加温，直接对箱子温度进行提升，最终达到控制温度的目的。

关键词：

恒温箱，PLC，控制,应用

第一章绪论

1.1引言

现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。

在恒温箱领域更是达到了更新周期为三年左右。

为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。

同时在对于恒温箱发展起很大影响的温度传感器同样是日新月异。

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

恒温箱在实验研究、工业生产、民生工程方面都发挥着重要的作用。

恒温箱对于我们国家的科技水平更加高新、国民经济的更加繁荣、民生健康等方面时刻显现着其重要性。

而从国家的有关政策上看，国家现阶段在科技创新的政策是提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。

企业提升科技创新能力，已经成为刻不容缓的历史使命。

为此我们有必要在恒温箱的研究应用上花费应有的人力物力财力。

1.2恒温箱的作用和意义

恒温箱的使用大部分是在实验室、工业、医药中。

在实验室中，特别是生物实验室，我们为了得到更加准确的实验数据，对于恒温实验环境要求严格。

所以针对实验室来说，恒温箱的作用显得相当重要，对于我们实验室的研究过程以及研究结果将产生很大的影响。

同时更加准确的研究结果对于我们由此产生的试验成果的实际运用产生积极的作用。

对于我们的生物、农业、渔业的发展产生巨大的推进作用。

在工业生产中，恒温箱的应用是广泛的，直接产生产品的。

所以我们更注重恒温环境的保持，恒温环境的稳定保持对于我们工厂车间的产品以及由此相关的工业生产都是基于恒温环境的后续发展。

所以恒温箱的作用在工业中更是处于举足轻重的地位。

在医药方面，医用恒温箱主要用于药品，试剂的储存，运输；疫苗，血液的冷藏保温，透析液的加温，生理盐水的加温等。

1.3恒温箱的现状和发展

从各个角度上看上看，我国恒温箱仪器仪表产品还存在不少问题。

产品稳定性，长期以来没有得到根本解决，严重影响到我国其他有关行业的发展。

而对于大型精密仪器我们还没有达到理想的水平，国内对于恒温箱的需求几乎全部依赖进口。

如果我国对于恒温箱的研究依然处于此水平的话，那么我国不仅仅是仪表仪器此等行业，更重要的需要以恒温箱为基础的其他各项行业都将得不到更加深入更加远的发展，严重制约着我国各项有关事业的发展。

除此之外，我国恒温箱产业创新能力不强，还无法紧追时代步伐或者说是生活工业实验研究的发展水平。

国际上恒温箱研究创新水平发展极快，产品更新的周期为3年左右。

而我国恒温箱产品不少还依赖于三十年前的产品。

第二章可编程控制器基础知识

2.1PLC的定义

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

2.2PLC类型的选择

可编程控制器（programmablelogicalcontroller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。

所以，对PLC的正确选择是非常重要的。

面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、网络、编程等方面各不相容，没有一个统一的标准，无法进行横向比较。

下面提出在自动控制系统设计中对PLC选型的一些看法，作为挑选PLC时作为参考。

可以通过以下几方面的比较，挑选到适合的产品。

（1）工作量、

（2）工作环境、（3）通信网络、（4）、编程（、5）可延性。

这里包括三个方面含义：

1、产品寿命。

大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。

2、产品连续性。

生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。

3、产品的更新周期。

当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。

这时应考虑选择当时比较新型的PLC。

2.3PID调节

2.3.1PID控制程序设计

模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。

人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。

比例控制（P）是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。

在积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。

在微分控制（D）中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。

避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。

在PID运算之前，应使用MOV指令参数设定值写入对应的数据寄存器，其中D82存放温度设定值，D14存放温度反馈值，PID参数放在从D90开始至D114为止的25个数据寄存器中，D83存放输出的温度控制值。

PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。

2.3.2PID控制算法

图2-1带PID控制器的闭控制系统框图

如图4-6所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。

偏差e和输入量r、输出量c的关系；

（2-1）

（2-2）

上式中

—PID回路的输出

—比例系数P

—积分系数I

—微分系数D

PID调节器的传递函数为

（2-3）

数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。

所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为：

（2-4）

称为比例项（2-5）

称为积分项（2-6）

称为微分项（2-7）

上式中积分项

是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。

计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。

所以可以利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。

2.3.3PID在PLC中的回路指令

现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP7Micro/WIN就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。

西门子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令如下图4-7所示。

图2-2PID回路指令

使用方法：

当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。

指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。

LOOP是回路号，可以是0-7，不可以重复使用。

PID回路在PLC中的地址分配情况如表4-2所示。

表2-1PID指令回路表

偏移地址

名称

数据类型

说明

0

过程变量

实数

必须在0.0-1.0之间

4

给定值

实数

必须在0.0-1.0之间

8

输出值

实数

必须在0.0-1.0之间

12

增益

实数

可正可负

16

采样时间

实数

必须是整数

20

采样时间

实数

必须是整数

24

微分时间

实数

必须是整数

28

积分项前值

实数

可正可负

32

过程变量前值

实数

必须在0.0-1.0之间

回路输入输出变量的数值转换方法：

在本设计中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。

但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。

在论文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。

温度输入变量的数10倍据转化。

传感器输入的电压信号经过EM235转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把A/D模拟量单元输出的整数值的10倍。

但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。

使用指令DTR就可以了。

论文是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。

其转换程序如下:

MOVWAIW0，AC1

DTRACI,ACI

MOVRACI,VD100

2.3.4PID参数整定

PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间iT和和微分时间dT，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。

一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。

目前，应用最多的还是工程整定法：

如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于电阻炉温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表4-3所示。

表2-2温度控制器参数经验数据

被控变量

规律的选择

比例度

积分时间

微分时间

温度

滞后较大

20-60

3-10

0.5-3

实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。

整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线

整定积分环节先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。

然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

整定