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可编程控制器 PLC 实训讲义 重庆工业职业技术学院自动化系郭选明 第一讲PLC实训的目的和要求第二讲PLC实训的任务第三讲PLC控制系统设计的基本原则第四讲PLC控制系统设计的基本内容第五讲PLC控制系统的主电路第六讲PLC控制系统的I O接口图第七讲PLC控制系统的梯形图第八讲梯形图编程方法和编程技巧第九讲PLC系统的安装与维护 目录 第一讲PLC实训的目的和要求 1 目的通过可编程控制器原理应用课程实训 达到培养综合应用本门课程的基本理论能力和课程之间的横向联系能力 充分认识到PLC的综合性 重要性及实践和应用性 2 要求 1 综合运用所学知识 联系生产实际 分析设计具有一定功能或应用价值的应用系统 2 在教师的指导下 独立思考 查阅相关资料 认真完成设计 安装 模拟调试工作 培养独立工作的能力 3 掌握利用可编程控制器控制的设计 安装 调试方法 为以后工作打下基础 第二讲PLC实训的任务 1 完成主电路 I O接口电路 梯形图 指令程序的设计 2 完成主电路 接口电路的安装 3 完成指令程序的模拟调试工作 4 编写设计 实习 说明书 具体见PLC实训任务书 电磁阀动作顺序表 电磁阀动作顺序表 电磁阀动作顺序表 电磁阀动作顺序表 第三讲PLC控制系统设计的基本原则 PLC控制系统设计的基本原则设计任何一个PLC控制系统 如同设计任何一种电气控制系统一样 其目的都是通过控制被控对象 生产设备或生产过程 来实现工艺要求 提高生产效率和产品质量 因此 在设计PLC控制系统时 应遵循以下基本原则 1 PLC控制系统控制被控对象最大限度地满足工艺要求 设计前 应深入现场进行调查研究 搜索资料 并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合 共同拟定控制方案 协同解决设计中出现的各种问题 2 在满足工艺要求的前提下 力求使PLC控制系统简单 经济 使用及维修方便 3 保证控制系统的安全 可靠 4 考虑到生产的发展和工艺的改进 在配置PLC硬件设备时应适当留有一定的裕量 第四讲PLC控制系统设计的基本内容 一 PLC控制系统是由PLC与用户输入 输出设备连接而成的 因此 PLC控制系统设计的基本内容应包括以下内容 1 选择用户输入设备 按钮 操作开关 限位开关 传感器等 输出设备 继电器 接触器 信号灯等执行元件 以及由输出设备驱动的控制对象 电动机 电磁阀等 这些设备属于一般的电气元件 2 PLC的选择 PLC是PLC控制系统的核心部件 正确选择PLC对保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用 选择PLC 包括机型 容量的选择以及I O模块 电源模块等的选择 3 分配I O点 绘制I O连接图 4 控制程序设计 包括控制系统流程图 梯形图 语名表 即程序清单 等设计 控制程序是控制整个系统工作的软件 是保证系统工作正常 安全 可靠的关键 因此 设计的控制程序必须经过反复调试 修改 直到满足要求为止 5 必要时还需设计控制台 柜 6 编制控制系统的技术文件 包括说明书 电气图及电气元件明细表 传统的电气图 一般包括电气主电路原理图 电器布置图及电气安装图 在PLC控制系统中 这一部分图统称为 硬件图 它在传统电气图的基础上境加了PLC部分 因此在电气原理图中应增加PLC的I O连接图 另外 在PLC控制系统中的电气图中还应包括程序图 梯形图 通常称它为 软件图 向用户提供 软件图 可便于用户在生产发展或工艺改进时修改程序 并有利于用户在维修时分析和排除故障 二 PLC控制系统设计的一般步骤及内容 1 根据生产的工艺过程分析控制要求 要完成的动作 动作顺序 动作条件 必须的保护和联锁等 操作方式 手动 自动 连续 单周期 单步等 2 根据控制要求确定所需要的输入 输出设备 据此确定PLC的I O点数 3 选择PLC机型及容量 4 定义输入 输出点名称 分配PLC的I O点 设计I O连接图 5 根据PLC所要完成的任务及应具备的功能 进行PLC程序设计 同时可进行控制台 柜 的设计和现场施工 PLC程序设计的步骤与内容有以下几点 对于较复杂的控制系统 需绘制系统控制流程图 用以清楚地表明动作的须序和条件 对于简单的控制系统 也可省去这一步 设计梯形图 这是程序设计的关键一步 也是比较困难的一步 要设计好梯形图 首先要十分熟悉控制要求 同时还要有一定的电气设计的实践经验 根据梯形图编制程序清单 用计算机或编程器将程序键入到PLC的用户存储器中 并检查键入的程序是否正确 对程序进行调试和修改 直到满足要求为止 6 待控制台 柜 设计及现场施工完成后 进行联机调试 如不满足要求 再修改程序或检查接线 直到满足要求为止 7 编制技术文件 8 交付使用 第五讲PLC控制系统的主电路 主电路图包括总电源开关 指示灯 电压表 电动机的保护器件 马达断路器或熔断器 热继电器 控制器件接触器 其它一些辅助电路 辅助电源等部分一 总电源电压及引入的连接1 总电源电压机床电气系统一般按三相交流电380伏 50赫兹设计 或者根据用户指定的电压和频率设计 当设计的电气设备不需要电源的中线时 机床电源必须具备三根火线 L1 12 13 和一根保护地线 设计的电气设备需要电源的中线时 机床电源必须具备三根火线 L1 12 13 一根中线 N 和一根保护地线 当电源电压在额定值的95 105 范围变化时 电气设备工作必须正常 电动机应能良好地起动和运行 2 电源的连接机床的全部电气设备应当尽量连接在一个电源上 当需要另一种电源来满足某些电气设备 如电子控制装置 电磁离合器或中频电动机等 的供电时 应尽量通过变压器 整流器和换流器等来达到目的 3 电源切断开关电源切断开关必须是手动的 应能把机床的全部电气设备从电源上切断 必要时 可以不断照明电路 电源切断开关 总开关 可以是刀开关 自动空气开关等 二 电动机及电动机的保护器件和控制器件电动机有电动机的选择和电动机的启动 制动和反向要求1 电动机的选择电动机是一种将电能转换成机械能并输出机械转矩的动力设备 一般电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类 交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两种 其中异步电动机按所使用交流电源的相数又可分为三相交流异步电动机和单相交流异步电动机 在三相交流异步电动机中 按转子结构的不同还分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两种 在企业里三相交流异步电动机是常用的 合理选择电动机 直接关系到生产机械的安全运行和投资效益 电动机的选择内容包括电动机的额定容量 功率 类型 结构型式 额定电压和额定转速等项目 选择电动机的原则是在满足生产机械负载要求前提下 最经济合理的确定电动机 容量 功率等项目 其中以电动机容量 功率 最为重要 如功率选得过大 犹如大马拉小车 其容量不能被完全利用 使电动机长时间处于轻载状态下运行 一般当电动机在低于70 额定功率运行时 效率和功率因数都较低 使运行费用增加 另外投资也增大 如功率选得过小 就不能保证生产机械的正常工作 而电动机将因长期过载运行 使温升升高 绝缘老化加剧 使用寿命缩短 甚至因过电流而烧坏绕组 因此要慎重的正确和合理地选择电动机的功率 正确选择电动机容量 功率 的原则是 1 电动机容量 功率 的选择 电动机应具有一定的过载能力 即电动机的最大转矩必须大于生产机械的最大转矩 以保证在短时过载情况下能继续运行 如上所述 从发热角度将电动机分为连续工作制 短时工作制和断续周期工作制三种 制造厂家按此三种不同的发热情况规定出电动机的额定功率和额定电流 当然 电动机所拖动的生产机械负载情况是多种多样的 通常情况将它分为恒定负载和变化负载两类 从发热观点 把它们分别归算到上述三种类型里去 这样就可按不同类型 即工作方式 的计算方法和公式进行计算选择 同时再考虑其发热 过载能力及起动性能等要求来选取电动机的功率 电动机的种类分直流电动机和交流电动机两大类 交流异步电动机类型 笼型和绕线型两类 的选择 它根据生产机械的要求一般优先考虑采用笼型异步电动机 如生产机械是不带负载起动的 风机水泵 一般机床等 通常采用Y系列笼型异步电动机 如要带一定负载起动 可采用高起动转矩电机 YQ系列 如起动 制动频繁 又要起动转矩大的 起重机械 轧钢机等 可选用绕线型异步电动机 2 电动机类型的选择 电动机按其安装位置的不同 分为卧式和立式两种 可根据生产机械的要求来选定 3 电动机结构型式的选择 电动机额定电压的选择应根据电动机容量的大小 类型和供电系统的供电电压来确定 100KW以下的电动机一般均为低压电动机 线电压为380V 容量在4KW及以上的低压笼型异步电动机定子绕组的额定电压一般为380V 故正常运行时均接成三角形接线 容量在3KW以下的电动机定子绕组的额定电压一般为220V 故正常运行时应接成Y形接线 单机在100KW以上的电动机可考虑采用额定电压为3 6或10KV的高压电动机 4 电动机额定电压的选择 电动机转速不低于500r min 因为当容量一定时 转速越低 电动机的尺寸越大 价格越贵 且效率也低 反过来若选用高速电动机 虽然效率提高了 但势必要加大机械减速机构的传动比 使传动机构复杂了 因此 在生产机械要求的转速给定时 电动机的额定转速和传动装置的变速比 一般需进行全面比较才能合理的确定 5 电动机额定转速的选择 最后还需对电动机的转矩进行校验 由产品目录查得起动转矩倍数Kst Tst TN TN可根据选出的PN nN算得 这样这台电动机在全压下起动的Tst就知道了 只要它大于负载起动时所要求的转矩就可以 电机工作时 负载方面有时会产生过载冲击 这时电机本身所能产生的最大输出转矩要比可能产生的最大过载冲击转矩大才行 否则电动机因克服不了冲击转矩而停车 也可由产品目录中查得过载能力 总之 电动机的选择包括电动机的种类 结构形式 额定转速成额定功率 电动机的种类和转速根据生产机械的调速要求选择 一般都应采有感应电动机 仅在启动 制动和调速不满足要求时才选用直流电动机 电动机的结构形式应适应机械结构和现场环境 可选用开启式 防护式 封闭式 防腐式甚至是防爆式电动机 电动机的额定功率根据生产机械的功率负载和转矩负载选择 使电动机容量得到充分利用 2 电动机启动 制动和反向要求电动机接上电源 转速由零开始增大 直至稳定运转状态的过程 称为起动过程 对电动机起动的要求是 起动电流小 起动转矩大 起动时间短 当异步电动机刚接上电源 转子尚未旋转瞬间 n 0 定子旋转磁场对静止的转子相对速度最大 于是转子绕组感应电动势和电流也最大 则定子的感应电流也最大 它往往可达5 7倍的额定电流 由理论分析指出 起动瞬间转子电流虽大 但转子的功率因数cos 2很低 故此时转子电流的有功分量却不大 无功分量大 因此起动转矩不大 所以笼型异步电动机制起动性能转较差 笼型异步电动机的起动方法有直接起动 全压起动 和降压起动两种 1 直接起动把电动机三相定子绕组直接加上额定电压的起动叫直接起动 此方法起动最简单 投资少 起动时间短 起动可靠 但起动电流大 是否可采用直接起动 就取决于电源的容量及起动频繁的程度 直接起动一般只用于小容量电动机 对较大容量电动机 电源容量又较小时 则应采用降压起动 降压起动的主要目的是为了限制起动电流 但问题是在限制起动电流的同时 起动转矩也受限制 因此它只适用于在轻载或空载情况下起动 最常用的起动方法有Y 换接起动和自耦补偿器起动 Y 换接起动只适用于定子绕组为 形联结 且每相绕组都有两个引出端子的三相笼型异步电动机 原理接线如图所示 Y 换接降压原理是 电动机正常运行时 联结 加在每相绕组的电压是线电压 而起动时为Y联结 则加在每相绕组的电压是相电压 它为额定电压的1 故为降压起动 当起动完毕 反定子三相绕组又换接 恢复 成 联结 2 降压起动 Y 起动设备简单 成本低 操作方便 动作可靠 使用寿命长 目前异步电动机均设计成380V的 形联结 因此此起动方法得以广泛应用 对容量较大或正常运行时接成Y形联结而不能采用 形联结起动的笼型电动机常采用自耦补偿器起动 至于绕线型异步电动机机的起动 只要在转子回路串入适当的电阻 如图所示 就既可限制起动电流又可增大起动转矩 克服了笼型异步电动机起动电流大而起动转矩小的缺点 绕线型异步电动机在起动态 过程中 需逐级将起动电阻切除 除在转子回路串电阻起动外 现用得更多的是在转子回路接频敏变阻器起动 此变阻器在起动过程中能自动减小阻值 以代替人工切作起动电阻 普通笼型异步电动机起动转矩较小 若满足不了要求 可选用具有较大起动转矩的双笼型或深槽型异步电动机 而绕线型异步电动机机的起动转矩更大 它适用于要求起动转矩较大的生产机械 如卷扬机 起重机等 三相异步电动机的制动 许多生产机械工作时 为提高生产力和安全起风 往往需要快速停转或由高速运行迅速转为低速运行 这就需用对电动机进行制动 所谓制动就是要使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩 制动转矩 可见电动机制动状态的特点电磁转矩方向与转动方向相反 三相异步电动机常用的制动方法有能耗制动 反接制动和回馈制动 一般情况下 由电动机完成设备的启动 制动和反向要比机械方法简单容易 设备主轴的启动 停止 正反转运动和调整操作 只要条件允许最好由电动机完成 机械设备主运动传动系统的启动转矩的措施 另外 还要考虑电网容量 对电网容量不大而启动电流较大的电动机 一定要采取限制启动电流的措施 如串电阴降压启动等 以免电网电压波动较大而造成事故 传动电动机是否需要制动 应视机电设备工作循环的长短而定 对于某些高速高效金属切削机床 宜采用电动机制动 如果对于制动的性能无特殊性要求而电动机又需要反转时 则采用反接制动可使线路简化 在要求制动平稳 准确 即在制动过程中不允许有反转可能性时 则宜采用能耗制动方式 在起吊运输设备中也常采用具有连锁保护功能的电磁机械制动 电磁抱闸 有些场合也采用反馈制动 电动机的保护器件和控制器件 1 电动机的保护器件a 电动机的过流保护电动机的过流时应当有过流保护器件溶断器 b 电动机的过载保护电动机的过载时应当有过载保护器件热继电器 2 电动机的控制器件电动机的控制器件有转换开关 接触器等 三 辅助电源部分 辅助电源有交流电源和直流电源交流电源有PLC的工作电源AC110伏或AC220伏 直流DC24伏的整流电源交流电AC28伏 照明用的AC24伏等 直流电源有电磁阀的DC24伏或DC12伏 中间继电器的DC24伏等 四 辅助电路部分 用来控制机床工作 机床电源 要求有一个启动 停止电路 包括启动按钮 急停按钮和中间继电器 急停部件机床必须具有急停部件 以便机床出现危险故障时 能尽快地使机床