三相电热器(共27页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上 2013 2014 学年 第 1 学期 电气控制及PLC 课 程 设 计 报 告题 目： 三相电热器控制 专 业： 自动化 班 级： 10级自动化一班 姓 名： 于保柱 张义德 李飞龙 杨星恒 鲍捷 桑志伟 黄亚平 指导教师： 江春红 电气工程学院2013年11月1日课题名称 三相电热器系统PLC控制指导教师（职称）江春红 宋鸿儒 执行时间2013 2014 学年第 1 学期 第 9 周学生姓名学号承担任务 于保柱 PLC程序设计及流程图设计 张义德 接线图设计 李飞龙 时序图设计 杨星恒 变量定义和分配表鲍捷 可靠性设计桑志伟创新设计黄亚平 结果分析及调试设计目的

2、1. 系统有启动、停止功能；2. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；3. 程序结构与控制功能自行创新设计；设计要求1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、停止功能；3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现三相电热器的控制要求。专心-专注-专业摘 要近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动着工业控制的日新月益更新。由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中PLC已得到广泛应用，包括机械、冶金、化工、电力、运输建筑等众多领域

3、，应用范围也在不断扩大。三相电热器控制系统就是一个简单的PLC应用，主要运用PLC所具备继电器、计数器及特殊继电器的功能来实现，并且运用模拟的方式来检测系统的可行性。而在PLC控制程序中注重的是互锁的实现、定时器和计数器组成的有限振荡实现灯的闪烁。程序中可分为两方面的控制：第一，点动用X005的开关状态实现对电热器的点动控制；第二，启动用X001、X002和X004来实现对电热器的启动和停止；第三，系统的保护电路。关键词：PLC； 三相电热器目 录 三相电热器控制第1章 引 言 1.1设计内容1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、停止功能；3. 运用功能指令进行PL

4、C控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现三相电热器的控制要求。1.2控制要求（1）三相电热器控制（7人一组）（2）COS切在1的位置。 1) 按住PB5，风扇运转MCl、PLl动作，电热器导电MC2、PL2动作，PL4熄灭。 2) 放开PB5，风扇停止运转，电热器断电PL4动作。3) 此时按PBl、PB2、PB4均无作用。（3）COS切在2的位置。 1) 按PBl，风扇运转MCl、PLl闪烁，PL4熄灭。5秒后PLl闪烁5次，PLl亮，此时方可按PB2，电热器导电MC2、PL2动作。 2) 按PB4时电热器断电，15秒后PLl

5、闪烁15次，风扇停止运转，PL4亮。 3) 此时按PB5没有作用。（4）热继电器(THRY)动作时，风扇停止运转，电热器断电，PL4亮，BZ响，PL3闪烁ON05s，OFF05s 。（5）热继电器先复位，警报同前BZ响、PL3闪烁，按PB3，Bz停响，PL3熄灭。（6）先按PB3时，Bz停响，PL3亮；热继电器复位，PL3熄灭。第2章 系统总体方案设计2.1方案设计与对比在电子技术领域中，三相电热器控制的方法有很多种，可以采用不同的原理及器件构成不同的电路来实现控制的目的。在本次设计过程中主要是采用PLC为核心元件的控制系统进行三相电热器控制的目的。2.1.1 方案一该方案主要是利用硬件来实现

6、对三相电热器的控制。采用热继电器、时间继电器、计数器、接触器、中间继电器、开关、信号灯、蜂鸣器等等电子元器件组成三相电热器的控制系统。在系统的设计中充分利用每种元件的功能及相关的机械互锁。例如，信号灯LED的闪烁是利用两个定时器的互锁来实现的，而有限次的闪烁只要在其中加入计数器就可以任意改变灯的闪烁次数；保护电路就是利用热继电器原理来实现保护，即当发生故障时，热继电器的辅助触点动作，使电路处于断开状态，从而达到保护目的。其设计的思路主要是利用中间继电器的多点多功能的特点进行对不同控制的联系，通过充分的利用中间继电器可以减少不必要的误动作，并且简化了接线的复杂度。图2.1 方案一控制框图该方案的

7、特点是在设计过程中的线路比较复杂、成本低，但一旦发生故障难以快速的找出故障的原理。2.1.2 方案二 该方案在基本思路上和方案一基本类似，主要是根据PLC可以看成许多继电器、接触器的集合，从而利用PLC来代替了方案一中的中间继电器、时间继电器、计数器、接触器、热继电器等功能器件。整个控制电路是以PLC为核心器件组成的。利用PLC软元件的功能，如输入/输出继电器（X）、辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）等，再结合相关的功能指令（比如：LD/LDI/AND/ADI/MSP/MRP/MPP/RST）实现控制功能。在整个控制方案中，控制程序的编写是最重要的，它反应了控制过程的快速性、稳定性和

8、准确性。程序的设计主要是采用经验设计法，通过由不同的经典程序组合成整个三相电热器的控制程序。图2.2 方案二控制框图该方案的特点是设计方法简单、线路比较容易，稳定性比较高；最大的特点是具有很大的功能扩展空间，只要通过改变程序就可以达到不同的扩展要求。从上述两个方案可以看出：方案二比方案一更具有优越性，因为方案一：其硬件电路复杂，可靠性低，发生故障时难以判断具体的位置；方案二：硬件电路简单，可靠性高，并且有较高的精确度，在实现功能的扩展时非常方便。综上几点对比，可以看出方案二的可行性高。2.2系统硬件配置及组成原理2.2.1 可编程序控制器PLC的基本组成可编程控制器采用可以程序的存储器，用来在

9、其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并通过式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。中央处理单元（CPU板）控制器的核心；输入部件（I/0部件）连接现场设备与CPU之间；输出部件连接驱动或受控元件的接口电路；电源部件为PLC内部电路提供能源；整体结构的PLC四部分装在同一个机壳内；模块式结构的PLC各部件独立封闭，称为模块，通过机架和总线连接而成。I/0的能力可按用户的需要进行扩展和组合，另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内。2.2.2 PLC的工

10、作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU要根据用户控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令号（或地址号）作周期循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。（1）PLC在输入采样阶段首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁在器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入，随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

11、（2）PLC在程序执行阶段按用户程序指令存放的先后顺序扫描并执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中的所有的内容随着程序的执行而改变。（3）输出刷新阶段当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。2.2.3 系统硬件配置PLC型号的选择：PLC机型选择：机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体就考虑几个方面：结构上合理，安装要方便；功能上要相当；机型上应统一；是否在线编程；是否满足响应时间的要求；对联网通信

12、功能的要求；其他特殊要求等。PLC容量的确定：PLC的容量指I/O点数和用户存储器的容量两方面的含义。在选择PLC型号时不应盲追求过高的性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足控制系统要求外，还应留有裕量，以做备用或系统扩展时使用。I/O模块的选择：I/O部分的价格占PLC价格的一半以上。不同的I/O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择。根据以上PLC选型原则分析做三相电热器控制设计的PLC选择：由三相电热器控制要求知，其中输入点分别为COS切换开关、启动按钮PB1、电热器启动按钮PB2、复位按钮PB3、停止按钮PB4、点动按钮PB5

13、和热继电器常开辅助触点FR1等共八个输入点；输出点分别为风扇输出点PL1、电热器输出点PL2、故障报警指示灯PL3、停止指示灯PL4、蜂鸣器BZ等共五个输出点，根据有裕量的原则，I/O输入输出点必须大于8/5；实现控制要求的程序条数在150条以内，所以其存储器容量不必考虑；三相电热器的控制是一个很简单的控制，并且采用的是交流电源，所以在性能价格比上，我们可以采用三菱系列的FX0S-20MR-001型号的PLC。三相电热器的选型方面就要考虑具体的工作环境和性能价格比来定，如根据所放的地方，可采用槽边固定、槽壁固定、极棒上悬挂等安装方式。所以这里不加以介绍。指示灯的选型,根据指示灯所指示的状态可以

14、选择两种颜色灯即绿色、红色各两个，即PL1、PL2、PL3、PL4。再由三相电热器是工作是在三相220V的交流电环境下，所以就选择耐压在220V的交流指示灯。开关的选择，根据程序可以选择一个COS转换开关和四个自动复位按钮。热继电器的选择，根据是控制三相电热器的要求，可选择耐压值在230V到380V之间的交流热继电器。蜂鸣器的选择，根据控制的条件可选择耐压值在230V到380V之间的交流热继电器。2.2.4 系统组成原理根据三相电热器的控制要求可知系统组成是以PLC为核心控制元件来组成控制电路。主电路则是由风扇、电热器、热继电器、熔断器及相关的硬件连线组成。其中热继电器的辅助常开触点当作PLC

15、的一个输入信号，而辅助常闭触点则是连接在输出的总线上，起到保护作用。 图2.3 三相电热器控制主电路主电路的组成主要是根据控制要求来设计的，对三相电热器而言，根据三相就可以确认输入为三相电压，而风扇并没有具体说明，这里采用的是一相的风扇。保护器件是采用五个常开触点式的热继电器。由控制要求的具体内容，将主电路设计如图四。控制电路在这里就不加以介绍，在后续内容将具体介绍。2.3系统变量定义及分配表根据不同控制要求，可以定义不同的变量名来代替外界发来的开关信号，并且合理的分配对应的变量，从而针对性的进行开关信号的转变，使程序的可读性增强，使程序在扩展方面更加方便。由三相电热器的控制要求可知，其输入信

16、号一共有六个分别为COS转换开关、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5和热继电器辅助常开触点FR1；输出信号一共有五个分别为风扇PL1、三相电热器PL2、警报指示灯PL3、停止指示灯PL4和报警器BZ。所以根据输入、输出信号的特点，此控制的变量定义如下表2.1：表2.1 系统变量定义及分配表变量名硬件名变量名硬件名X0 (COS)选择功能开关X6 (FR1)热继电器辅助常开触点X1 (PB1)启动按钮Y1 (PL1)风扇X2 (PB2)电热器启动按钮Y2 (PL2)三相电热器X3 (PB3)复位报警器Y3 (PL3)警报指示灯X4 (PB4)停止按钮Y4 (PL4)停止指示灯X5 (PB5)

17、点动按钮Y5 (BZ)BZ报警器2.4系统接线图设计接线图，是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。此三相电热器的接线图可如图五所示，根据系统变量定义及分配表可以看出，要实现控制目的要利用PLC中的七个输入继电器X0至X6，而输出则要利用五个输出继电器Y1至Y5。输出部分的电压必须采用AC220V的交流电，并且热继电器的辅助常闭触点要接在主线上，这样才能达到保护的目的。图2.4 三相电热器接线图2.5系统可靠性设计PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，一

18、般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或PLC的安装和使用方法不当，都可能给PLC的安全和可靠运行带来隐患。因此，在PLC控制系统设计中，还需要注意系统的可靠性设计问题。PLC的可靠性设计应注意以下方面：PLC的环境适应性设计；控制系统的冗余性设计；控制区系统工程的抗干扰性设计；控制系统的故障诊断。针对以上方面的设计注意事项分析三相电热器的可靠性设计知：工作环境为30到100摄氏度，电源为220V交流供电等，PLC及外部电路（I/0模块、辅助电源等）要可靠接地，并且要对PLC采取隔热的措施；对于电热器来说抗干扰能力是比较强，因此不必考虑

19、；对于故障诊断，在PLC中设置了报警器和报警指示灯，当发生故障时，报警器报警、报警指示灯闪烁，直到按下复位按钮和热继电器的辅助常闭按钮复位才停止报警，PLC的故障检查和扩展是非常方便的，因为接线线路是很简单的，PLC只要修改程序就可以达到不同的控制目的。第3章 控制系统设计控制系统设计是整个设计中的重点部分，它关系到控制系统的稳定性、快速性和准确性。在设计中要注意假如能使用功能指令来代替大量基本指令组成的功能模块则要代替；能简单处理的不能复杂处理等等。3.1控制程序流程图设计根据三相电热器的设计要求分析设计流程，首先PLC扫描X0的状态，选择不同的工作方式；由进入不同工作方式再扫描以下输入继电

20、器的状态，从而达到三相电热器的不同方式的控制。其程序流程图如图3.1所示：在启动模式下的流程中要注意风扇与电热器的启动先后顺序，并且要加上明显的判断方式，即先判断PB1是否动作，只有当PB1动作后，才能判断PB2是否动作，否则将不进入判断PB2是否动作的阶段。图3.1 三相电热器控制程序流程图3.2控制程序时序图设计时序图描述对象是如何交互的，并且将重点放在消息序列上。也就是说，描述消息是如何在对象间发送和接收的。时序图有两个坐标轴：纵坐标轴显示时间，横坐标轴显示对象。每一个对象的表示方法是：矩形框中写有对象和 / 或类名，且名字下面有下划线；同时有一条纵向的虚线表示对象在序列中的执行情况 (

21、 即发送和接收的消息对象的活动 ) ， 这条虚线称为对象的生命线。对象间的通信用对象的生命线之间的水平的消息线来表示，消息线的箭头说明消息的类型，如同步，异步或简单 。 浏览时序图的方法是，从上到下查看对象间交换的消息，分析那些随着时间的流逝而发生的消息交换。根据三相电热器的设计要求分析时序图，整个根本时序图如下图五所示。在这里就不加以介绍，在后续主要以梯形图为重点对程序进行整体思路的分析和解释。如图3.2所示：图3.2 三相电热器控制时序图3.3控制程序设计思路控制程序设计主要是采用经验法进行的设计，根据各基本控制程序模块再结合相关的自锁和互锁达到对三相电热器的控制，此设计所用的基本控制模块

22、有点动控制、启动控制、脉冲控制、有限次脉冲控制，下面将逐一介绍：根据三相电热器的控制要求（1）适合电动操作，即按下点动启动按钮时，常开触点接通风扇和电热器启动回路，风扇和电热器开始工作；松开按钮后，按钮自动控图3.3 最基本的点动控制梯形图 制复位，常开触点断开，切断了风扇和电热器启动控制回路，风扇和电热器停止工作。点动启、停的时间表长短由操作者手动控制。如图3.3 根据三相电热器控制要求（2）适合于启动控制。由接触器（继电器）自身的常开触点来使其线圈长期保持通电的环节叫“自锁”环节。启动操作即当按下启动按钮时，由于继电器的自锁触点动作，使继电器保持通电，从而保持启动控制回路的接通，只有按下停

23、止按钮时才切断启动控制回路。如图3.4图3.4 最基本的启动控制梯形图在控制要求中出现了指示灯的闪烁控制，所以可以用脉冲来控制指示灯的闪烁。如下图五，当X000闭合时，控制回路接通，有输出Y000，并且定时器T1开始计时0.5秒，时间到后，定时器T1动作、定时器T2开始计时、无输出Y000；当定时器T2时间到后，定时器T2动作、T1复位、Y000有输出、T2复位，以后依此循环连续控制指示灯的闪烁。如图3.5图3.5 最基本的脉冲产生控制梯形图在控制要求中存在有限次闪烁控制，即指示灯连续闪烁5次和15次两种。这里以5次为例进行控制程序的实现方法。5次闪烁的控制与连续闪烁的控制程序基本原理是一样的

24、，只是加入了计数器（C）用于闪烁次数的计数，当闪烁一次后，计数器自动加1，达到五次时，计数器（C）动作，指示灯熄灯。如图3.6图3.6 5次脉冲产生梯形图3.3创新设计内容对于三相电热器的创新而言可以改变对风扇的控制方法，即在主电路中串入电阻并且由接触器KM3来控制电阻的通断，从而达到可改变风扇的转速，使得在不同环境下可以采用不同的转速，改变散热的速度。对于控制电路只要加入一对输入输出就可以实现，程序中也只要加入用X7控制Y6的通断状态。第4章 系统调试及结果分析PLC程序调试，英文称“Debug”，找“虫子”，其含义就是测试程序、查找错误、改正错误，直到程序合乎要求，能圆满地实现程序的功能为

25、止。4.1系统调试及解决的问题PLC程序调试的内容有：语法检查，语义检查，输入、输出检查，逻辑效果测试及各个功能测试。语法检查，在脱机状态，不用与PLC联机便可进行，在用编程软件送入指令时，一般就会进行语法检查，一旦语法出错，将有提示；语义检查，这个比较难，该类错误的特点是语法正确，但不能产生所期望的结果，对它的测试可按指令类型分组进行，以确保所使用的指令及其操作数能达到预期的目的；输入、输出检查，主要是观测输入与输出间的对应关系是否与预期的相同；逻辑效果测试及各个功能测试，这是更全面的测试，通过这些测试，务必要查清程序能否达到用户的使用要求。PLC程序调试方法有：脱机调试、仿真调试、联机调试

26、及现场调试。脱机调试，如果用编程，脱机调试是指编程器与PLC联机，使PLC处编程状态，向PLC键入一条条指令操作码及操作数，并进行语法检查，直到纠正所有的语法错误为止；仿真调试，在计算机上，用模拟软件进行，不仅可检查语法错误，还可检测语义错误；联机调试，不一定在工业现场，但必需用有PLC，并与其联机。它也是“真刀真枪”的调试，可发现及纠正的程序更多些；现场调试，是指到工业现场进行的最后调试，而且只有这一步调试通过，编程的工作才算是成功。在系统调试过程中遇到了很多的问题，比例有些语句不能运用，功能指令的输入方法错误，某些地方不能达到控制目的等等一系列的问题。出现什么问题必然有相应的解决方法，有些

27、语句不能使用是因为在这种型号中并不存在一些特殊的功能指令，功能指令的输入方法错误主要在应该输入空格的时候并没有输入，某些地方不能达到控制目的这个问题主要是在仿真时候发现在的，本次设计的仿真主要是利用发光二极管来进行仿真的，通过观察二极管的亮灭情况来判断是否达到控制的要求。把程序传入PLC中时，有时候会出现PLC的指示灯闪烁，其原因是由于程序错误，PLC自动识别发出的错误指示，此时的原因主要是在一些地方并没有输出或没有结束语句。4.2结果分析通过系统调试的一系列过程，使得程序达到了控制要求，由于设计的环境有限，并不能进行现场调试，也是这一设计的不足之处，但通过了准确的仿真调试，系统的控制要求都已

28、实现。第5章 结束语本次设计是由我们七人合作完成的，经过两周的PLC课程设计，我们如期的完成了三相电热器的控制的系统设计。该设计能够实现电热器的点动和启动两种工作方式，实现了报警系统的设计和工作方式的指示，并且通过了仿真调试。美中不足的是由于设计资源有限，并不能实现现场调试最后一步，不过通过准确的仿真已经明显表明此方案能实现控制要求。通过本次课程设计，让我们可以了解PLC在编程中应注意的一些问题，并且让我们知道自己缺少了很多的经验和相关的知识，在某些环节设计时并不能达到完美的控制目的是由于我们的思维方法的不足。在本次设计中，我们通过花费大量的时间在网上，图书馆查阅相关资料，一方面扩大了知识面，

29、同时从中找到理论和实际的最佳结合点，无论在软件还是在硬件调试方面，都得到了一次质的飞跃，另一方面我们得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼，使我们在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈进了一大步。致谢：在这次PLC课程设计中，我们在江老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，增强了团队的合作意识。在此，衷心感谢江老师以及许多同学的指导和支持，也感谢院里领导和老师对我们这次设计的重视，希望院里以后能提供更多这样实践的机会，我们再次谢谢！参考文献1宋伯生.PLC编程实用指南.北

30、京:机械工业出版社,2006.2高钦和.PLC应用开发案例精选.北京:人民邮电出版社,20083范永胜.电气控制与PLC应用.北京:中国电力出版社,20094殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护.北京:机械工业出版社.20045阮友德,邓松,刘守义.电气控制与PLC实训教程.北京:人民邮电出版社.20076 张伟林.电气控制与PLC应用M.北京:人民邮电出版社,2006.7 周美兰.PLC电气控制与组态设计M.北京:科学出版社,2003.8 洪志育.例说PLCM.北京:人民邮电出版社,2006.9 吕卫阳.PLC工程应用实例分析M.北京:中国电力出版社,2007.10 连建华.PLC应用技术M

31、.北京:国防工业出版社,2009.11 李辉.S7-200PLC编程原理与工程实训M.北京:航空航天大学出版社,2008.12 吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用M.北京:机械工业出版社,2005.13 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京:航空航天大学出版社,2003.附录一（梯形图）附录一（续1）附录一（续2）附录二（指令表）；*点动0 LD X005 ；X005 =点动按钮1 ANI X0002 ANI M93 OUT M5；*风扇控制4 LD M55 OR T16 OR T17 MPS8 ANI C29 ANI M910 LD X000 ；选择功能开关11 OR M512

32、 ANB13 OUT Y001 ；Y001 =风扇14 MPP15 ANI C116 OUT T2 K5 ；T2 =0.5秒延时；*三相电热器控制19 LD M520 OR M721 ANI M822 ANI M923 OUT Y002 ；Y002 =三相电热器; *停止指示24 LDI X00025 ANI M526 LD X00027 ANI M628 ANI M8附录二（续1）29 ORB30 OUT Y004 ；Y004 =停止指示灯；*CS2状态下启动31 LD X001 ；X001 =启动按钮32 OR M633 MPS 34 AND X00035 ANI M836 ANI M937 OUT M638 MPP39 RST C2 ；复位计数器C2；*脉冲产生41 LD M642 OR M843 ANI C144 ANI T245 OUT T1 K548 LD T249 AND M650 OUT C1 K5；*CS2状态下启动电热器53 LD X002 ；X