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电气控制与PLC课程设计报告

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2020年4月19日
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《电气控制与PLC》课程设计说明书

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目录
第一部分: 电气线路安装调试技能训练 3
技能训练题目一 三相异步电机的可逆控制实验 3
技能训练题目二 三相异步电机Y-△降压启动控制 5
技能训练小结 7
第二部分:加热反应炉PLC控制系统设计 10
一、PLC控制系统设计的基本原则和步骤 10
1、PLC控制系统设计的基本原则 10
2、PLC控制系统设计的一般步骤 10
3、PLC程序设计的一般步骤 11
二、加热反应炉电器控制系统设计任务 11
1、加热反应炉原理图 12
2、加热反应炉加热工艺过程 12
3、加热反应炉PLC电气控制系统设计任务和要求 13
三、设计过程 13
1、加热反应炉的输入输出设备表：(I/O地址) 13
2、I/O接线图 14
3、控制流程图 14
4、PLC控制程序 15
5、实验室连接图 17
四、设计总结 17

第一部分: 电气线路安装调试技能训练
技能训练题目一: 三相异步电机的可逆控制实验
在笼型电动机正反转控制线路中，只要改变电动机的三相电源进线的任意两相的相序，电动机即可反转。本实验给出电动机的“正-反-停”控制线路如图1所示，具有如下特点：
1、电气互锁
实验电路中采用了两个接触器KM1和KM2，分别进行正转和反转的控制。为了避免接触器KM1、KM2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KM2（KM1）辅助常闭触头，保证了线路工作时KM1、KM2不会同时得电，电路能够可靠工作。
2、机械互锁
实验电路中采用了复合按钮SB1为正转按钮，复合按钮SB2为反转按钮，停止按钮SB3。采用按钮SB1与SB2组成机械互锁环节，以求线路能够方便操作。
电气原理图:

电气安装接线图:

本人完成的安装线路实物图片一:

技能训练题目二: 三相异步电机Y-△降压启动控制
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。该线路具有以下特点:
(1) 接触器KM2与KM3经过辅助常闭触点KM2与KM3实现电气互锁，保证接触器KM2与KM3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进行控制，保证在按下起动按钮SB2后，使接触器KM1、KM2和时间继电器KT线圈先得电。时间继电器KT的整定时间到后，依靠时间继电器KT的通电延时断开常闭触点先断，KT的通电延时闭合常开触点后闭合的动作次序，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（△形连接）时，接触器KM2及时间继电器KT均处断电状态。
电气原理图:

电气安装接线图:

本人完成的安装线路实物图片二:

技能训练小结:
1、电气原理图的绘制要求:
绘制电气原理图时一般要遵循以下基本规则：
(1) 为了区别主电路与控制电路，在绘线路图时主电路(电机、电器及连接线等)，用粗线表示，而控制电路(电器及连接线等)用细线表示。一般习惯将主电路放在线路图的左边(或上部)，而将控制电路放在右边(或下部)。
(2) 动力电路、控制电路和信号电路应分别绘出：
动力电路——电源电路绘水平线；受电的动力设备（如电动机等）及其它保护电器支路，应垂直电源电路画出。
控制和信号电路——应垂直地绘于两条水平电源线之间，耗能元件（如线圈、电磁铁，信号灯等）应直接连接在接地或下方的水平电源线上，控制触头连接在上方水平线与耗能元件之间。
(3) 在原理图中各个电器并不按照它实际的布置情况绘在线路上，而是采用同一电器的各部件分别绘在它们完成作用的地方。
(4) 为区别控制线路中各电器的类型和作用，每个电器及它们的部件用一定的图形符号表示，且给每个电器有一个文字符号，属于同一个电器的各个部件(如接触器的线圈和触头)都用同一个文字符号表示。而作用相同的电器都用一定的数字序号表示。
(5) 因为各个电器在不同的工作阶段分别作不同的动作，触点时闭时开，而在原理图内只能表示一种情况，因此，规定所有电器的触点均表示正常位置，即各种电器在线圈没有通电或机械尚未动作时的位置。如对于接触器和电磁式继电器为电磁铁未吸上的位置，对于行程开关、按钮等则为未压合的位置。
(6) 为了查线方便。在原理图中两条以上导线的电气连接处要打一圆点，且每个接点要标一个编号，编号的原则是：靠近左边电源线的用单数标注，靠近右边电源线的用双数标注，一般都是以电器的线圈或电阻作为单、双数的分界线，故电器的线圈或电阻应尽量放在各行的—边（左边或右边）。
(7) 对具有循环运动的机构，应给出工作循环图，万能转换开关和行程开关应绘出动作程序和动作位置。
(8) 原理图应标出下列数据或说明：
1）各电源电路的电压值，极性或频率及相数。
2）某些元器件的特性（如电阻，电容器的参数值等）；
3）不常见的电器（如位置传感器，手动触头，电磁阀门或气动阀，定时器等）的操作方法和功能
2、电气接线图的绘制要求:
(1)电源开关 ，熔断器，交流接触器，热继电器，时间续电器等画在配电板内部，电动机和按钮画在配电板外部。
（2）安装在配电板上的元件布置应根据配线合理，操作方便，确保电气间隙不能太小，重的元件放在下部，发热元件放在上部等原则进行，元件所占面积按安装实际比例绘制。
（3） 电气接线图中各元件的文字符号和图形符号要和原理图一致，并符合国家标准。
（4）各电气元件上凡是需要接线的那个端子都应绘出并编号，各接线端子的编号必须与原理图中的导线编号一致。
3、电器安装、接线的工艺要求:
(1)必须遵循相关国家标准绘制电气安装接线图。
(2)各电器元器件的位置、文字符号必须和电气原理图中的标注一致，同一个电器元件的各部件（如同一个接触器的触点、线圈等）必须画在一起，各电器元件的位置应与实际安装位置一致。
(3)不在同一安装板或电气柜上的电器元件或信号的电气连接一般应经过端子排连接，并按照电气原理图中的接线编号连接。
(4)走向相同、功能相同的多根导线可用单线或线束表示。画连接线时，应标明导线的规格、型号、颜色、根数和穿线管的尺寸。
４、实训线路发生的故障及排除办法：
(1) 三相异步电机的可逆控制实验中未出现故障.
(2)三相异步电机Y-△降压启动控制实验中出现的故障是熔断器接触不良,因此经过检查更换了熔断器;还有我们使用的电源插头有问题,不能进行供电,也更换了插头.
(3)虽然未出现严重的故障,可是我们还是需要学习更好的实物布线安装,让线路板看上去更美观,我们还需要加快安装速度.

第二部分:加热反应炉PLC控制系统设计
一、PLC控制系统设计的基本原则和步骤
1、PLC控制系统设计的基本原则
（1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
（3）保证控制系统安全可靠。
（4 ）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。
2、PLC控制系统设计的一般步骤
设计PLC控制系统时，首先是进行PLC控制系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC控制系统的功能分析，即经过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计能够按以下步骤进行：
（1）熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。
（2）确定I／O设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。
（3）选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。
（4）分配PLC的I／O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。
（5）联机调试 联机调试是指将模拟调试经过的程序进行在线统调。
3、PLC程序设计的一般步骤
（1）绘制系统的功能图。
（2）设计梯形图程序。
（3）根据梯形图编写指令表程序。
（4）对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。　
二、加热反应炉电器控制系统设计任务
加热反应炉作为一种热能动力设备，在国民经济的领域具有广泛应用。以继电—接触器为主的老一代控制系统已不能满足现代锅炉越来越高，越来越复杂的要求，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工业过程控制领域中引人注目的PLC又是使其计算机化的简便和可靠途径。在系统中，硬件上采用技术比较的成熟的可编程逻辑控制器，开发了采用PLC的开关量和模拟量输入模块，实现对模拟量采集；方法上运用到的是过程控制中常见的前馈与串级控制方法，保证了系统的稳定性和安全性。系统所运用到的界面是由MCGS软件做的。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。故以PLC为基础的生产过程的计算机控制，使的企业总的自动化水平大大提高。
1、加热反应炉原理图
加热反应炉整体由四个阀：排气阀、进料阀、氮气阀、泄放阀，四个传感器：压力传感器、温度传感器、上液面传感器、下液面传感器，锅炉，加热器及加热接触器等组成。

图1 加热反应炉结构示意图
2、加热反应炉加热工艺过程
第一阶段：进料控制
（1）首先检测下液面SQ2，炉内温度ST，炉内压力SP是否都小于给定值（整定值均为逻辑量）；
（2）若小于给定值，则开启排气阀YV1和进料阀YV2；
（3）当液面上升到SQ1 时，应该关闭排气阀和进料阀；
（4）延时20S后，开启氮气阀YV3，氮气进入炉内，使炉内压力上升：
（5）当压力上升到给定值时，即SP=“1”，关闭氮气阀。
第二阶段：加热反应控制
（1）交流接触器KM带电，接通加热炉加热器EH的电源；
（2）当温度升高到给定值是（ST=“1”），切断加热器电源，交流接触器KM失电；
（3）延时10min加热过程结束。
第三阶段：泄放控制
（1）打开排气阀，使炉内压力将为预定的最低值（SP=“0”）；
（2）打开泄放阀，当炉内液面下降到下液面（SQ=“0”），关闭泄放阀和排气阀。系统恢复到处是状态，准备进入下一循环。
3、加热反应炉PLC电气控制系统设计任务和要求
(1)按设计任务的要求，列出所需PLC的外部输入输出设备清单。
(2)画出PLCI／O接线图。
(3) 按设计任务的要求，绘制控制流程图，设计控制程序，画出梯形图并加以说明，并给出指令助记符程序。
(4)调试程序,模拟运行.
三、设计过程
1、加热反应炉的输入输出设备表：(I/O地址)
输入设备
输出设备
X0:启动开关
Y0:PLC运行指示
X1:停止开关
Y1:排气阀YV1
X2:上液面感应器SQ1
Y2:进料阀YV2
X3:下液面感应器SQ2
Y3氮气阀YV3
X4:压力感应器SP
Y4泄放阀YV4
X5:温度感应器ST
Y5:控制加热装置EH的接触器KM

2、I/O接线图
PLC控制电路设计 包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。
1) 硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。
2) 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图为加热反应炉系统PLC控制电路原理图，L作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路的负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。

3、控制流程图
根据控制要求，建立加热反应炉系统控制流程图，如图所示，表示出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。

加热反应炉系统控制流程图
4、PLC控制程序
1) 程序设计。根据控制流程图,在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其它辅助程序的编制等。
2) 系统静态调试。空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作重复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。
3) 系统动态调试及运行。在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动再自动的调试方法，逐步进行。遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法，同时做好详尽记录，以备分析和改进。
加热反应炉PLC控制系统控制程序如下:

5、实验室连接图

四、设计总结
两周的PLC课程设计对我收益匪浅，让我系统性地认识和全面地掌握了PLC编程和调试技术，让我将平常学的PLC编程及应用方法学以致用，使我的PLC编程能力有了很大提高和进步，让我对PLC应用有了深入细致的了解。
两周的PLC编程及应用的课程设计，发现自己在这方面的学习还需要不断的加深。经过这段时间的学习认识，对温控闭环的系统有了一个整体的认识，熟悉各种器件和软件应用。在这里，本次设计中感谢指导老师对我的帮助。