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《可编程控制器》大作业

题 目：

学习中心：

层 次： 高中起点专科

专 业：

年 级： 年 春/秋 季

学 号：

学生姓名：

大工15秋《可编程控制器》大作业具体要求：

1 作业内容

从以下五个题目中任选其一作答。

2 正文格式

作业正文内容统一采用宋体，字号为小四，字数在2000字以上。

3. 作业提交

学生需要以附件形式上交离线作业（附件的大小限制在10M以内），选择已完成的作业，点“上交”即可。如下图所示。

4. 截止时间

2016年3月9日。在此之前，学生可随时提交离线作业，如需修改，可直接上传新文件，平台会自动覆盖原有文件。

5. 注意事项

请同学独立完成作业，不准抄袭其他人或者请人代做，如有雷同作业，成绩以零分计！

题目一：三相异步电动机正反转控制

设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分

类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；

（2）选用西门子S7－200 系列PLC，设计出能对三相异步电动机进行

正反转控制的主电路和继电器控制电路图；

（3）对输入输出继电器及其它编程元件的地址进行分配，画出I/O口接

线图，列出PLC控制程序（梯形图进行截图，语句表可直接拷贝）

并对程序作出解释；

（4）总结：需要说明的问题以及设计的心得体会。

题目二：三相异步电动机的Y--△起动PLC控制

设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分

类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；

（2）选用西门子S7－200 系列PLC，设计出能对三相异步电动机机进

行Y--△起动的主电路和继电器控制电路图；

（3）对输入输出继电器及其它编程元件的地址进行分配，画出I/O口接

线图，列出PLC控制程序（梯形图进行截图，语句表可直接拷贝）

并对程序作出解释；

（4）总结：需要说明的问题以及设计的心得体会。

题目三：运料小车三位控制系统设计

运料小车控制示意图如下图所示，小车在初始状态时停在中间，限位开关I0.0为ON，按下起动按钮I0.3，小车开始右行，并按图所示的顺序运动，最后返回并停在初始位置。

设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分

类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；

（2）设计选用西门子S7－200 系列PLC，画出控制系统的顺序功能图，

列出PLC控制程序（梯形图进行截图，语句表可直接拷贝）并对程

序作出解释；

（3）总结：需要说明的问题以及设计的心得体会。

题目四：三层电梯的PLC控制系统设计

设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分

类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；

（2）设计选用西门子S7－200 系列PLC，控制要求：①电梯内设置楼

层呼叫按钮，到达楼层数指示；②电梯外设置上行与下行呼叫按钮，

运行方向指示与到达楼层数指示；③没有呼叫信号时，电梯可停留

在任一层。附加可选功能：增加变频器实现电动机的速度控制。保

护要求：系统需设短路保护、过载保护、失压和欠压保护、电机超

速保护。

（3）对输入输出继电器及其它编程元件的地址进行分配，画出I/O接线

图及三层电梯主电路，列出PLC控制程序（梯形图进行截图，语句

表可直接拷贝）并对程序作出解释；

（4）总结：需要说明的问题以及设计的心得体会。

题目五：十字路口交通灯控制设计

起动后，南北红灯亮并维持30s。在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，东西绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，东西黄灯亮，黄灯亮2s后，东西红灯亮，与此同时，南北红灯灭，南北绿灯亮。南北绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，南北黄灯亮，黄灯亮2s后，南北红灯亮，东西红灯灭，东西绿灯亮。依次循环。

十字路口交通灯控制示意图及时序图如下图所示。

设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分

类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍；

（2）设计选用西门子S7－200 系列PLC，对其I/O口进行分配，列出

PLC控制程序（梯形图进行截图，语句表可直接拷贝）并对程序作

出解释；

（3）总结：需要说明的问题以及设计的心得体会。

题目一：三相异步电动机正反转控制

1 可编程序控制器PLC的概况

1.1 PLC的定义

早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，采用存储器程序指令完成顺序控制而设计的。它仅有逻辑运算、定时、计数等功能，采用开关量控制，实际只能进行逻辑运算，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）。进入20世纪80年代后，采用了16位和少数32位微处理器构成PLC，使得可编程逻辑控制器在概念、设计、性能上都有了新的突破。采用微处理器之后，这种控制器的功能不再局限于当初的逻辑运算，增加了数值运算、模拟量的处理、通信等功能，成为真正意义上的可编程控制器（Programmable Controller），简称为PC。但是为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，长将可编程控制器仍成为PLC。

随着可编程控制器的不断发展，其定义也在不断变化。国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月又颁布了第三稿。1987年颁布的可编程控制器的定义如下：

“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟

式的输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。

1.2 PLC的工作原理

PLC实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相近，在结构上分为固定式和组合式（模块式）两种，固定式PLC包括CPU板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。 按照可编程控制器系统的构成原理，可编程控制器系统由传感器，可编程控制器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务，其操作过程如下图1所示。

图1.1 PLC操作过程

PLC输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感器信号经过隔离和滤波后的有效信号。开关量输入电路通过识别传感器0、1电平，识别开关的通断。

CPU在每个扫描周期的开始扫描输入模块的信号状态，并将其状态送入到输入映像寄存器区域；CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将其处理的结果送到输出映像寄存器。现代的PLC已经具备了处理模拟量的功能，但是相对于开关量的处理较复杂一些。PLC输出模块具有一定的负载驱动能力，在额定负载以内，直接和负载相连，可以驱动相应的执行器。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

1.3 PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类：

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使PLC能处理模拟信号，PLC厂家生产有配套的A/D、D/A转换模块，使PLC可用于模拟量控制。

（3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可使用专门的运动控制模块。广泛的运用于各种机床、机械、机器人、电器等场合。

（4）过程控制

这是对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。PLC能编制各种控制算法程序，完成闭环控制。PID控制时一般闭环控制系统中常用的控制方法。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用

（5）数据处理

现代PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较。一般用于大型系统，如无人控制的柔性制造业。

（6）通信及联网

PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。在工业自动化网络发展加快前提下，厂家都十分重视PLC的通讯功能，纷纷推出各自的网络系统，通讯十分方便。

1.4 PLC的发展趋势

1969年，美国数字设备公司（DEC）首先研制出第一台符合要求的控制器，即可编程逻辑控制器，并在美国GE公司的汽车自动装配上试用获得成功。此后，这项技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。

总的来说发展趋势如下：

(1)向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的储存容量。

(2)向超大型、超小型两个方向发展。以适应不同类型的自动控制系统的需要。

(3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信功能。为了扩大适用范围，厂家还制定了通用的通信彼岸准，已构成更大的网络系统。

(4)增强外部故障的检测与处理能力。外部故障的几率很大，因此，PLC厂家致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性

(5)编程语言多样化。PLC结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富。多种语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

2 三相异步电动机正反转控制电路的特点与应用

2.1 三相异步电动机正反转控制电路的特点

2.1.1 三相异步电动机正反转控制电路的主、控制电路

1.主电路 如图2-1主电路接触器KM1、KM2分别闭合，完成换相实现电动机正反转。KM1、KM2不能同时闭合，否则, 会造成主电路两相短路。电路用FR实现过载保护。

2.控制电路 控制电路实质是由两条并联的启动支路组成，但为了生产、安全的需要又在各支路中辅加了制约触头。

图2-1 三相异步电动机继电器接触器控制电路

2.1.2 按钮、接触器联锁的正反转控制电路特点及应用分析

1.接触器联锁正反转控制电路

如图2-1, 右部分是其控制电路, 它由两条启动支路构成, 且在对方支路中相互串联上彼此的常闭辅助触头, 使一接触器线圈得电吸合后另一个接触器因所串联的常闭辅助触头断开而受到制约无法得电, 保证了KM1, KM2不能同时得电, 从而可靠地避免了两相电源短路事故的发生, 电路安全、可靠。这种在一个接触器得电动作时通过其常闭辅助触头使另一个接触器不能得电动作的作用称为联锁或互锁。该电路要改变电动机的转向必须先按下停止按钮使接触器失电, 各触头断开恢复原状解除联锁, 再按下反转启动按钮, 电动机才能反转。

2.按钮联锁正反转控制电路

如图2-1, 它将图左中的正、反转控制按钮SB1、SB2换成复合按钮, 用对应的常闭触头

代替接触器相应的常闭辅助触头构成联锁完成正反转控制。这样电动机改变转向时, 可直接按下反转相对于另一转向按钮即可, 而不必先按停止按钮, 同时保证了两个接触器KM1、KM2线圈不会同时得电闭合。例如, KM1吸合电动机正转时, 按下反转按钮SB2, 串联在KM1线圈支路中SB2的常闭触头

先断开, 使KM1线圈失电, 其主触头、自锁辅助触头断开, 电动机断电但仍惯性运转。SB2按下后经过一定的行程, 其常开触头闭合, 接通反转控制电路, 电动机反转。

3.按钮与接触器联锁的正反转控制电路的应用分析

接触器联锁正反转控制电路适用于重载拖动的机床等不能或不需要由一个转向立即换为另一个转向的机械设备, 以减小换相对设备的机械冲击力和电机绕组受到的反接电流冲击, 起到保护设备, 延长其使用寿命的作用。

而按钮联锁正反转控制电路虽操作方便, 但安全欠佳, 不可靠。例如, 当正转接触器KM1吸合后主触头发生熔焊或动铁芯被杂物卡住等故障时, 即使线圈失电, 主触头也无法分开, 这时若按下反转按钮, SB2, KM2得电动作, 主触头闭合造成电源两相短路。

2.2 交流接触器的正反转自动控制线路工作过程及分析

当通电以后，按下SB2，KM1接通电动机开始正转，同时KM1常开开关闭合，实现自锁，常闭开关断开，KM1'也闭合，所以KT1开始计时， 30秒后，KT1的常开开关闭合，同时KM2吸合，KM2常闭开关断开，KM1停止工作，KM1常开开关断开，KM2常开开关闭合，实现自锁，电动机开始反转，KT2开始计时，当计时到30秒之后，KT2的常开闭合，KM2接通，吸合，如此反复，实现三相异步电动机延时正反转的控制，从而带动机器的正反转。达到延时停车的控制。其操作简便、安全易于控制。

2.3 PLC的选择

PLC高性能小型可编程控制器，具有较高的性价比，应用广泛。它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，而且还可连接可编程控制终端,尽可能使安装空间最小化，并实现了具有2点-7点输入输出点数的弹性构成，为了节省节点的个数，它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。只有选择了符合要求的产品才能达到既可靠又经济的要求，西门子公司s7-200系列的PLC适合本次实验的要求，因此我们选择西门子列型号的可控制编程器。

图2-2 交流接触器的正反转自动控制线路

2.4 输入输出定义

根据对控制任务的分析，我们将输入输出定义如下表2.1所示:

起动按钮SB1接于输入继电器I0.0端，反转启动按钮SB2,接于输入继电器I0.1端，停止按钮SB3接于输入继电器I0.2端

正转接触器接于输出继电器Q0.0端；

反转接触器接于输出继电器Q0.1端。

表2.1输入输出对应表

输出端的电源为交流220V。

2.5 输入输出接线图

三相异步电动机正反转的控制要求，本模块所用的器件有：PLC控制单元，正转起动

按钮SB1，反转起动按钮SB2，停止按钮SB3，交流接触器KM1、KM2、。此外为了防止主电路短路KM1、KM2在硬件上互锁。

输入／输出端口接线如下图所示：

图2-3 PLC外部接线图

1.梯形图程序

2.语句表程序

LD I0.0

O Q0.0

AN I0.2

AN I0.1

AN Q0.1

= Q0.0

LD I0.1

O Q0.1

AN I0.2

AN I0.0

AN Q0.0

= Q0.10

总结

通过做本课题，我巩固并掌握了三相异步电动机的基本理论知识，较为全面地应用了控制电路的知识，熟悉了现代中小型电动机的发展，加深了对课本知识的进一步了解，同时也对PLC有了更深的掌握。深入地学习和分析了三相异步电动机的正反转控制电路，掌握了其PLC控制的设计方法。这次大作业设计的完成为以后从事电控类或其他的电子硬件产品的设计开发打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心，并在这种能力上得到了较为充分的锻炼。