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1、可编程控制器原理及应用 PLC 及电气控制课程设计实验指导书电气教研室课程设计的目的、要求、任务及方法PLC是电气专业与测控与仪器专业的一门重要专业课程，是现代工业自动化控制领域的一门崭新学科。本课程设计主要以本校的西门子S7-200 PLC 为背景，对某些实际的自动化系统及设备进行模拟设计，以巩固电气工程及自动化专业与测控与仪器专业学生的相关专业知识及综合运用能力，并培养良好的工程实践和基本的工程设计能力。要完成好plc 控制系统的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入生产现场， 将不断积累的经验应用到设计中来。课程设计正是为这一目的而安排的实践性教学环节，它是一

2、项初步的工程训练。通过课程设计， 了解一般 plc 控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。该设计包含原理设计和工艺设计两个方面， 不能忽视任何一面，对于应用型人才更应重视工艺设计。课程设计属于练习性质，不强调设计结果直接用于生产。一、设计目的课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、 应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。plc 设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调

3、能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、 产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。二、设计要求1、了解 PLC在实际的自动化控制系统及装置中的具体应用及重要地位。2、以本校的西门子S7-200 PLC为背景，进一步熟悉PLC的硬件系统与软件系统。3、能根据具体的设计要求，对 PLC软、硬件以及外围IO 设备进行正确合理的选择。4、能够较为熟练的运用各种基本指令进行梯形图编程。5、能根据控制要求设计主要的PLC程序，并能在实验设

4、备上模拟运行显示。6、整理所有的设计资料，并形成完整的课程设计打印文稿，要求文字、图形全部用计算机完成。7、严格执行课程设计的时间安排及管理要求，并能独立的通过课程设计答辩。在课程设计中， 学生是主体， 应充分发挥主动性和创造性。掌握完成设计内容的方法。为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点：1) 在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内容进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。2) 在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导数师的帮助，同时要广泛讨论，依据充分。在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。3) 所有电气图样的绘制必须符合国家有关规定的标准，包括

5、线条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、元器件明细表以及图样的折叠和装订。4) 说明书要求文字通顺、简练，字迹端正、整洁。5) 应在规定的时间内完成所有的设计任务。6) 如果条件允许， 应对自己的设计线路进行试验论证，考虑进一步改进的可能性。三、设计内容与任务1、针对设计题目及具体的生产设备及工艺，拟订设计方案。2、根据具体的生产设备及工艺绘制系统工艺图，并加以详细的工艺说明。3、根据具体的生产设备及工艺的电气设备及其动作绘制系统电气原理图，并加以详细的说明。4、根据系统的要求，对PLC软、硬件以及外围IO 设备进行选择。5、拟定系统 PLC软件设计的思想，绘制主要的程序流程图，

6、并加以详细的说明。6、进行具体的程序设计并进行模拟调试。7、对 PLC系统的安装、调试、运行及维护进行必要的说明。8、按照课程设计论文的具体要求进行内容补充和排版。课程设计要求是以设计任务书的形式表达，设计任务书一般应包括以下内容：1) 设备的名称、用途、基本结构、动作原理以及工艺过程的简要介绍。2) 拖动方式、运动部件的动作顺序、各动作要求和控制要求。3) 联锁、保护要求。4) 照明、指示、报警等辅助要求。5) 应绘制的图样。6) 说明书要求。原理设计的中心任务是绘制电气原理图和选用电器元件。工艺设计的目的是为了得到电气设备制造过程中需要的施工图样。图样的类型、数量较多，设计中主要以电气设备

7、总体配置图、电器板元器件布置图、控制面板布置图、接线图、电气箱以及主要加工零件（电器安装底板、控制面板等）为练习对象。对于每位设计者只需完成其中一部分。原理图及工艺图样均应按要求绘制，元器件布置图应标注总体尺寸、安装尺寸和相对位置尺寸。接线图的编号应与原理图一致，要标注组件所有进出线编号、配线规格、进出线的连接方式（采用端子板或接插板）。四、设计方法在接到设计任务书后，按原理设计和工艺设计两方面进行。1原理图设计的步骤1) 根据要求拟定设计任务。2) 根据拖动要求设计主电路。在绘制主电路时，可考虑以下几个方面： 每台电动机的控制方式，应根据其容量及拖动负载性质考虑其起动要求，选择适当的起动线路

8、。对于容量小（ 7.5kW 以下）、起动负载不大的电动机，可采用直接起动；对于大容量电动机应采用降压起动。 根据运动要求决定转向控制。 根据每台电动机的工作制，决定是否需要设置过载保护或过电流控制措施。 根据拖动负载及工艺要求决定停车时是否需要制动控制，并决定采用何种控制方式。 设置短路保护及其他必要的电气保护。 考虑其他特殊要求：调速要求、主电路参数测量、信号检测等。3) 根据主电路的控制要求设计控制回路，其设计方法是： 正确选择控制电路电压种类及大小。 根据每台电动机的起动、运行、调速、制动及保护要求依次绘制各控制环节（基本单元控制线路）。 设置必要的联锁（包括同一台电动机各动作之间以及各

9、台电动机之间的动作联锁）。 设置短路保护以及设计任务书中要求的位置保护（如极限位、越位、相对位置保护）、电压保护、电流保护和各种物理量保护（温度、压力、流量等）。 根据拖动要求，设计特殊要求控制环节，如自动抬刀、变速与自动循环、工艺参数测量等控制。 按需要设置应急操作。4) 根据照明、指示、报警等要求没计辅助电路。5) 总体检查、修改、补充及完善。主要内容包括： 校核各种动作控制是否满足要求，是否有矛盾或遗漏。 检查接触器、继电器、主令电器的触点使用是否合理，是否超过电器元器件允许的数量。 检查联锁要求能否实现。 检查各种保护能否实现。 检查发生误操作所引起的后果与防范措施。6) 进行必要的参

10、数计算。7) 正确、合理地选择各电器元器件，按规定格式编制元件目录表。8) 根据完善后的设计草图，按电气制图标准绘制电气原理线路图，按电气技术中的项目代号要求标注器件的项目代号，按绝缘导线的标记的要求对线路进行统一编号。2工艺设计步骤1) 根据电气设备的总体配置及电器元件的分布状况和操作要求划分电器组件，绘制电气控制系统的总装配图和接线图。2) 根据电器元器件的型号、外形尺寸、 安装尺寸绘制每一组件的元件布置图（如电器安装板、控制面板、电源、放大器等）。3) 根据元器件布置图及电气原理编号绘制组件接线图，统计组件进出线的数量、编号以及各组件之间的连接方式。4) 绘制并修改工艺设计草图后，使可按

11、机械、电气制图要求绘制工程图。最后按设计过程和设计结果编写设计说明书及使用说明书。五、课程设计时间安排：课程设计时间共计2 周，具体时间安排如下表：序内容时间号1课程设计总体安排及学生分组，及设计题目的分配1 天2相关系统及设备的现场参观、学习2 天3整理参观、学习资料并拟订初步的设计方案2 天绘制系统工艺图、电气原理图及主程序流程图，进行PLC 程序设计45 天与上机模拟调试。5整理资料，文字录入，图形绘制，上交课程设计报告。4 天六、课程设计的设备及耗材：1、 PLC实训实验装置。2、计算机3、电动机4、 PLC外围电路耗材。七、课程设计的成绩评定：课程设计成绩的综合评定主要由以下几个方面

12、组成：1、课程设计过程，包括日常管理和具体的设计能力；2、课程设计报告的质量，包括文章结构、技术内容、绘图及文笔等。3、课程设计答辩的情况，包括自述情况及回答问题情况。八、说明1、在设计过程中，可适当的运用图书馆的相关资料及网络资源。2、论文中的图形绘制，使用的软件不限。参考选题一、四层电梯自动控制1控制要求1) 采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、 下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。 一层有上升呼叫按钮SB11 和指示灯H11，二层有上升呼叫按钮SB21 和指示灯H21以及下降呼叫按钮SB22 和指示灯H22，三层有上升呼叫按钮SB31 和指示灯H31以及

13、下降呼叫按钮SB32 和指示灯H32 ，四层有下降呼叫按钮SB41 和指示灯H41 。一至四层有到位行程开关ST1 ST4。电梯内有一至四层呼叫按钮SB1 SB4 和指示灯H1 H4；电梯开门和关门按钮SB5 和 SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁YA1和YA2控制，关门到位由行程开关ST5检测。此外还有电梯载重超限检测压力继电器KP 以及故障报警电铃HA 。控制信号说明如表 11-4 所示。表 11-4四层电梯控制信号说明输 入输 出文字符说 明文字符号说 明号SB1电梯内一层按钮H1电梯内一层按钮指示灯SB2电梯内二层按钮H2电梯内二层按钮指示灯SB3电梯内三层按钮H3电梯内三层按钮指示

14、灯SB4电梯内四层按钮H4电梯内四层按钮指示灯SB11一层上升呼叫按钮H11一层上升呼叫按钮指示灯SB21二层上升呼叫按钮H21二层上升呼叫按钮指示灯SB22二层下降呼叫按钮H22二层下降呼叫按钮指示灯SB31三层上升呼叫按钮H31三层上升呼叫按钮指示灯SB32三层下降呼叫按钮H32三层下降呼叫按钮指示灯SB41四层下降呼叫按钮H41四层下降呼叫按钮指示灯SB5电梯开门按钮KM1电动机正转接触器SB6电梯关门按钮KM2电动机反转接触器SB7检修开关YA1电梯开门电磁铁ST1电梯一层到位限位开关YA2电梯关门电磁铁ST2电梯二层到位限位开关HA电梯故障报警电铃ST3电梯三层到位限位开关ST4电梯

15、四层到位限位开关ST5电梯关门到位限位开关SP电梯载重超限检测FR电动机过载保护热继电器2) 楼层呼叫按钮及电梯内按钮按下，电梯未达到相应楼层或未得到相应的响应时，相应指示灯一直接通指示。3) 电梯运行时，电梯开门与关门按钮不起作用，电梯到达停在各楼层时，电梯开门与关门动作可由电梯开门与关门按钮控制，也可延时控制， 但检测到电梯超重时，电梯门不能关闭，并由报警电铃发出报警信号。4) 电梯最大运行区间为三层距离， 若一次运行时间超过 30s，则电动机停转， 并由 HA 报警。5) 检修开关 SB7 接通时，电梯下行停在一层位置，进行检修，其他所有动作均不相应。6) 电梯拖动电动机控制电路有各种常

16、规电气保护，如短路保护、过载保护、正反转互锁等。7) 相关参数： 拖动电动机M ： 5.5kW ， AC380V ， 11.6A， 1440rmin 。 指示灯 H ： 0.25W ， DC24V 。 电铃 HA ： 8W ，AC220V 。 电磁铁 YA ：100mA ，AC220V 。2设计任务1) 根据控制要求进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及 PLC硬件配置电路。2) 分析电梯所有可能运行的方式， 并依此编制电梯运行 PLC 控制程序， 有条件可以利用电梯模型或模拟开关板调试程序，模拟运行。3) 编写设计说明书，内容包括： 设计过程和有关说明。 基于 PLC 的电梯电

17、气控制系统电路图。 PLC 控制程序（梯形图和指令表） 。 电器元器件的选择和有关计算。 电气设备明细表。 参考资料、参考书及参考手册。 其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。二、十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制1控制要求采用PLC构成十字路口带倒计时显示的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3 位转换开关SA1 控制。 SA1 手柄指向左45o时，接点 SA1-1 接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图11-9 所示工作时序周而复始，循环往复工作。正常运行时，南北向及东西

18、向均有两位数码管倒计时显示牌同时显示相应的指示灯剩余时间值。SA1 手柄指向中间0o时，接点SA1-2 接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示 99 不变。 SA1 手柄指向右45o时，接点SA1-3 接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99 不变。控制信号说明见表11-5。南北绿灯南北黄灯南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯T1：0.5sC1：3次T0 ： 25sT2：0.5sC0：3次T4 ： 25sT5 ： 0.5sT7 ：2sT3 ： 2sT6 ： 0.5s图 11-9 十字路口交通灯正常工作时序表 11-5 十字路口交通灯控制信号说明输 入输

19、 出文字符说 明文字符号说 明号SA1-1交通灯正常工作控制开关H1南北向绿灯指示SA1-2南北向交通灯常绿控制开关H2南北向黄灯指示SA1-3东西向交通灯常绿控制开关H3南北向红灯指示H4东西向绿灯指示H5东西向黄灯指示H6东西向红灯指示H11南北向 2 位七段数码显示管H12东西向 2 位七段数码显示管2设计任务1) 根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC 硬件配置电路。2) 根据控制要求， 编制交通信号灯 PLC 控制程序， 有条件可以利用交通灯模型或模拟开关板调试程序，模拟运行。3) 编写设计说明书，内容包括： 设计过程和有关说明。 基于 PLC 的十字路口交通灯电气控

20、制电路图。 PLC 控制程序（梯形图和指令表） 。 电器元器件的选择和有关计算。 电气设备明细表。 参考资料、参考书及参考手册。 其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。三、旋转式滤水器电气控制系统1设备概况旋转式滤水器主要用于水力发电厂的生产用水过程中，对进入水厂原水中2cm3以上的漂浮杂物进行过滤除杂。该设备安装在水处理车间的进水管道入口处，根据生产用水量的实际需要， 既可单台使用， 也可多台并联运行。 旋转式滤水器的基本工作原理是根据旋转式滤水器进水口、 出水口之间的水位压力差来控制旋转式滤水器的除杂排污。正常滤水过程： 由于旋

21、转式滤水器进水与出水口的水流正常， 产生的压力差低于差压控制器设定值，因此，差压控制器内微动开关无动作输出，原水正常过滤。除杂排污过程： 由于旋转式过滤器长时间过滤原水， 势必在滤水器内的过滤孔中阻塞大量的水中漂浮物，使得进水口的水压大于出水口的水压，出水量减少，进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值，这时差压控制器内微动开关动作输出，常开触点闭合， 接通控制系统进行除杂排污。除杂排污后旋转式滤水器又恢复正常滤水状态，生产供水系统安全运行。旋转式滤水器控制框图如图11-11 所示。滤水器电动机液压泵电动机差压变送器示车器出水口停器感定时自控手动控制显警动传旋转式滤水器障报驱力故压压超进水口

22、电动阀门控制器蝶阀排污出口图 11-11旋转式滤水器控制框图2控制要求(1) 手动调试和检修SA1 手柄指向左 45o时，接点 SA1-1 接通，通过 SB1、SB2控制按钮，手动开关电动阀，通过SB3、SB4 控制按钮，手动开关滤水器电动机，以便于系统调试和检修。(2) 人工除杂排污 SA1 手柄指向右 45o时，接点 SA1-2 接通，人工起动、停止旋转式滤水器进行除杂排污。(3) 定时自动除杂排污： SA1 手柄回零位时，若原水中杂物较少，固体漂浮物也较少， 因此，水处理车间的旋转式滤水器长时间正常滤水，不能进行差压自动除杂排污。由于旋转式滤水器长时间置于水中，各个机械传动机构会锈蚀，影

23、响过滤和除杂排污或导致旋转式滤水器损坏，因此，需要具有定时自动除杂排污功能。(4) 差压自动除杂排污SA1 手柄回零位时，若滤水器进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值时， 旋转式滤水器自动进行除杂排污，直到滤水器进、 出水口产生的压力小于差压控制器设定值时， 旋转式滤水器自动停止除杂排污， 恢复正常滤水状态。(5) 超压停机 旋转式滤水器内部的过滤孔被小颗粒杂物堵死无法排出，进、出水口的压力差较高， 虽然进行了除杂排污， 但是进、 出水口的压力差仍然未能降到正常值，差压控制器内微动开关长时间动作（ 8 10min ），需要立即停车，并发出声光报警。(6) 计数功能 该设备不管进行了哪种形

24、式的除杂排污，每次进行除杂排污后都要有记录，因此需要记录除杂排污次数（5 位）。(7) 减速机润滑在旋转式滤水器上装有行星摆线针轮减速机，由输油泵将油室中的润滑油源源地送入减速机，液压泵拖动电动机与滤水器电动机同步运行。(8) 除杂排污阀门的电动装置内设三相交流异步电动机380V60W 、阀门限位开关和电动机过热保护，通过正、反相运行实现开阀、关阀功能。(9) 其他 必要的电气联锁与保护，受控对象运行状态显示等。10) 相关参数1) 滤水器电动机M1 ：Y 系列， AC380V ，1.5 kW ，6 极；液压泵电动机M2 ： Y系列， AC380V ，70W ，4 极；减速机4 极减速；电动阀

25、电动机M3 ：AC380V ，60W ，电动阀自带。2) 差压变送器测量范围： 0.3 0.8MPa 可调，电感性电接点输出： AC220V ，1A。3) 指示灯 HL ： 10mA ， DC24V 。4) 电铃 HA ： 8W ， AC220V 。11) 控制信号说明见表 11-9。表 11-9 控制信号说明输入输出文字符说 明文字符号说 明号SA1-1手动控制转换开关KM1开电动阀接触器SA1-2人工除杂排污控制转换开关KM2关电动阀接触器SB1手动开电动阀按钮KM3滤水器、液压泵运行接触器SB2手动关电动阀按钮HL1手动控制指示灯SB3手动开滤水器、液压泵按钮HL2人工除杂排污指示灯SB

26、4手动关滤水器、液压泵按钮HL3定时自动除杂排污指示灯KP差压变送器信号HL4差压自动除杂排污指示灯KM1开电动阀信号HL5故障指示灯KM2关电动阀信号HL6开电动阀指示灯KM3滤水器、液压泵运行信号HL7关电动阀指示灯FR电动机过载信号HL8滤水器、液压泵运行指示灯SQ1电动阀打开限位开关HA报警电铃SQ2电动阀关闭限位开关H除杂排污次数显示（ 5 位）3设计任务1) 根据控制要求，进行旋转式滤水器电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC 硬件配置电路。2) 根据控制要求， 编制旋转式滤水器控制 PLC 应用程序， 有条件可以利用模拟开关板调试程序，模拟运行。3) 编写设计说明

27、书，内容包括： 设计过程和有关说明。 基于 PLC 的旋转式滤水器电气控制系统电路图。 PLC 控制程序（梯形图和指令表） 。 电器元器件的选择和有关计算。 电气设备明细表。 参考资料、参考书及参考手册。 其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。四四节传送带的模拟控制一、实验目的与控制要求用 PLC 构成四节传送带控制系统1 控制要求起动后，先起动最末的皮带机， 1s 后再依次起动其它的皮带机；停止时，先停止最初的皮带机， 1s 后再依次停止其它的皮带机；当某条皮带机发生故障时，该机及前面的应立即停止，以后的每隔1s 顺序停止；当某条

28、皮带机有重物时，该皮带机前面的应立即停止，该皮带机运行1s后停止，再1s 后接下去的一台停止，依此类推2 IO 分配输入输出起动按钮：I0.0M1 ： Q0.1停止按钮：I0.5M2 ： Q0.2负载或故障A ： I0.1M3 ： Q0.3负载或故障B： I0.2M4 ： Q0.4负载或故障C ： I0.3负载或故障D ： I0.4图 6-1四节传送带控制示意图3设计任务1) 根据控制要求，进行旋转式滤水器电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC 硬件配置电路。2) 根据控制要求，编制旋转式滤水器控制PLC 应用程序， 有条件可以利用模拟开关板调试程序，模拟运行。3) 编写设计说

29、明书，内容包括： 设计过程和有关说明。 基于 PLC 的旋转式滤水器电气控制系统电路图。 PLC 控制程序（梯形图和指令表） 。 电器元器件的选择和有关计算。 电气设备明细表。 参考资料、参考书及参考手册。 其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。五装配流水线的模拟控制一、实验目的与控制要求用 PLC 构成装配流水线控制系统1 控制要求起动后，按以下规律显示：DEFGADEF G BDE FGC D E F GH D E FG A 循环， D、 E、 F、G 分别是用来传送的， A 是操作 1， B 是操作 2， C 是操作 3， H

30、 是仓库。2 IO 分配输入输出起动按钮： I0.0A： Q0.0E： Q0.4复位按钮： I0.1B： Q0.1F： Q0.5移位按钮： I0.2C： Q0.2G： Q0.6D ： Q0.3H ： Q0.7图 9-1装配流水线控制示意图3设计任务1) 根据控制要求，进行旋转式滤水器电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC 硬件配置电路。2) 根据控制要求， 编制旋转式滤水器控制 PLC 应用程序， 有条件可以利用模拟开关板调试程序，模拟运行。3) 编写设计说明书，内容包括： 设计过程和有关说明。 基于 PLC 的旋转式滤水器电气控制系统电路图。 PLC 控制程序（梯形图和指令表

31、） 。 电器元器件的选择和有关计算。 电气设备明细表。 参考资料、参考书及参考手册。 其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。六液体混合的模拟控制一、实验目的与控制要求用 PLC 构成液体混合控制系统1控制要求按下起动按钮， 电磁阀Y1 闭合，开始注入液体A, 按L2 表示液体到了L2的高度，停止注入液体A。同时电磁阀Y2 闭合，注入液体B，按L1 表示液体到了L1的高度，停止注入液体B，开启搅拌机M，搅拌4s，停止搅拌。同时Y3 为ON，开始放出液体至液体高度为L3，再经2s停止放出液体。 同时液体A 注入。开始循环。 按停止按扭，所有操作都停止，须重新启动。2I O 分配输入输出起动按钮： I0.0Y1 ： Q