电气控制与PLC实验指导书

《电气控制与PLC》实验指导书可编程控制器的实验遵照循序渐进的原则，由浅入深的分为上机练习，参照例程序的PLC应用练习实验和PLC控制系统设计的综合实验等部分。PLC实验方法有两种，一种是用PLC实验装置进行实验和应用程序的开发；另一种是用普通PLC外加若干导线进行简易的开发和实验。PLC实验装置具有直观，使用方便的优点，通常配有各种工业控制模板，可以形象地模拟工业现场控制，特别是导线的插拔连接形式，合用于教学的反复使用。若无PLC实验装置，也可直接使用PLC配以外部连接导线，给出必要的输入信号进行实验，并且可以运用PLC自身的输出指示观测PLC运营结果。本章以PLC实验装置的应用为主，研究PLC的实验方法。1PLC-S7-JZ型实验装置PLC实验装置的生产厂家众多，型号各异，但基本原理和结构、设计思想大体相同。为适合教学使用，实验装置一般采用插头、插座连接结构，并制成各种控制模板供练习使用。本节以河南机电高等专科学校电气工程系自动化研究所研制的PLC-S7-JZ型实验装置为例，介绍PLC实验装置的结构原理和使用方法。1.1.1实验装置的结构和原理PLC-S7-JZ型实验装置由PLC、模拟控制板、通用器件板、工程环境等四部分组成。本装置采用24点的小型PLC为基本单元，实验装置的结构如图1.1所示。下面简介PLC实验装置的结构原理及使用方法。图1.1PLC-S7-JZ实验装置1.通用器件板通用器件板重要由I/O点，发光二极管指示及开关等组成。其电源开关为PLC提供220V供电电源，并为24V/1A直流电源供电，模板结构如图1.2所示。图1.2通用器件板（1）输入点（INPUT）INPUT部分有I0.0~I1.5共14个输入点（与PLC的输入点相连），其中1M、2M点为输入点的公共接地端，假如用户使用的输入点数不超过8点时只需1M接地，2M悬空即可，使用点数多时2M也必须接地。此外要用到的输入点要与直流电源+24V端连接。（2）输出点（OUTPUT）OUTPUT部分有Q0.0~Q1.1共10个输出点（与PLC的输出点相连），其中1L、2L、3L使用时要接电源的高电平，实验时一般接24V电源正极（实验装置提供），假如接外部负载时要结合PLC对外输出电压范围和实际负载合理的选定电源。若用户用的输出点数不超过4点，只需1L接高电平，不超过7点只需1L、2L接高电平，超过7点时1L、2L、3L全接高电平。（3）通用器件板中间部分为4个钮子开关和4个指示灯（发光二极管），分别为PLC提供开关量输入信号和输出状态指示。钮子开关可以与模拟控制板配合使用，还可以单独使用。（4）电源部分通用器件板右侧是电源部分，设有交流供电电源开关和24V/1A直流电源的正、负极插座。（5）BCD码拨盘本装置设有3位BCD码拨盘，分别相应个、十、百位数，通过插拔式连接导线，可以将BCD码拨盘的8、4、2、1端与PLC的输入端点连接起来，从PLC外部向PLC内部定期器、计数器等送入所需要3位以下十进制数。（6）通用器件板与模拟控制板的联系模拟控制板给出各种控制对象的示意图，安装了一些开关、指示灯、I/O插座等器件。通用器件板上的INPUT及OUPUT端口与模拟控制板上的输入、输出信号端口按照一定规律连接起来，可以把控制对象板的输入信号送至PLC，也可以把PLC的输出送到控制对象板，使模拟控制板可以在PLC的控制下工作。2.模拟控制板的工作原理模拟控制板上的开关有点动按钮和钮子开关两种开关形式。模拟控制板上的开关均为双联开关，开关有效时，PLC输入有效，同时输入指示灯（发光二极管）发光。模拟控制板上的负载均采用发光二极管作为PLC输出指示，当模拟控制板上负载端得到高电平（+24伏）时发光二极管发光，低电平时熄灭。模拟控制板输入点结构与输出点结构工作原理如图1.3所示：图1.3实验模板电路原理图3.工程环境工程环境的设立重要是为了驱动一定功率的负载，工程环境部分由低压断路器、熔断器、交流接触器、指示灯、按钮、接线端子排等低压电器元件组成。一定功率负载的驱动，更加接近工程实际。1.1.2通用器件板及模拟控制板的连接1.通用器件板的连接通用器件板使用时，向PLC的输入端点及PLC的输出负载提供24V的直流电源，参照图1.4导线连接举例，PLC输入的公共端1M、2M接24VDC的负极，PLC输出的公共端1L、2L接24VDC的正极。开关组的COM端接24VDC的正极，通过接通开关的方式将+24V送到PLC的输入点。负载组（发光二极管）的COM端接24VDC的负极，通过从PLC导通的Q点（输出点）得到+24V电源，使发光二极管工作。BCD码拨盘的公共端A接24VDC的正极，8421编码端分别接到PLC的各个输入点，以实现BCD码外部数据的输入。1.4通用器件板连接方法2.模拟控制板的使用方法模拟控制板模拟控制板使用时，需要通过通用器件板，向模拟控制板提供PLC的I/O信号及24V直流电源，模拟控制板与通用器件板之间的连接关系如图1.5所示。模拟控制板图1.5负载板与通用器件板的连接方法模拟控制板的24V电源端与通用器件板的直流24V电源正、负极输出连接，以保障模拟控制板电路的正常工作。若仅用PLC的输出信号时，也可以只将模拟控制板的24V直流电源负极与通用器件板的电源负极相连接（正极无须连接）。其它信号端子分别接至通用器件板已分派I/O端点。完毕了对的的接线后，可以进行程序的运营显示。1.2SIMATIC使用方法和PLC的应用练习本节一方面研究SIMATIC指令系统的基本操作方法，然后进行PLC的练习实验。本节给出了PLC控制系统实验规定的例程序，参考电路等PLC练习实验所需要的所有资料，可以通过程序输入、调试、运营，逐步掌握PLC实验的基本方法。1.2.1基本操作练习1.实验目的（1）练习使用S7-200编程软件，了解PLC实验装置的组成。（2）掌握用户程序的输入和编辑方法。（3）熟悉基本指令的应用。（4）熟悉语句表指令的应用及其与梯形图程序的和转还。2.实验内容（1）输入图1.6所示的梯形图，并转换成相应的语句表指令（也可结合教材第5章习题练习）。（2）为梯形图1.6中段1注释，并用符号表为I0.0、I0.1、Q0.0添加符号名（符号名可任意设定）。（3）练习程序的编辑、修改、复制、粘贴的方法。（4）将图1.6中程序改成图1.7，并转换成语句表程序，分析OLD、ALD语句用法。（5）参考5.1.1例题5.5，练习栈操作指令的使用方法。（6）参考5.1.2，练习定期器指令及参数的输入方法。（7）练习系统块设立的方法。图1.6梯形图练习1图1.7梯形图练习23.实验环节（1）开机（打开计算机电源，但不接PLC电源）。（2）进入S7-200编程软件。（3）选择语言类型（SIMATIC或IEC）。（4）输入CPU类型。（5）由主菜单或快捷按钮输入、编辑程序。（6）进行编译，并观测编译结果，修改程序，直至编译成功。4.实验报告内容（1）以图1.6为例，总结梯形图输入及修改的操作过程。（2）写出梯形图添加注释及符号名的操作过程。（3）总结OLD、ALD指令和栈操作指令的使用方法。（4）简述系统块设立的方法。1.2.2正次品分拣机1.实验目的（1）加深对定期器的理解，掌握各类定期器的使用方法。（2）理解公司车间产品的分捡原理。2.实验器材（1）实验装置（含S7-20024点CPU）一台。图1.8正次品分拣模拟控制板（2）正、次品分拣模板一块。（3）连接导线若干。3.模拟控制板的控制规定及参考（1）控制规定①用启动和停止按钮控制电动机M运营和停止。在电动机运营时，被检测的产品（涉及正、次品）在皮带上运送。②产品（涉及正、次品）在皮带上运送时，S1（检测器）检测到的次品，通过5秒传送，到达次品剔除位置时，启动电磁铁Y驱动剔除装置，剔除次品（电磁铁通电0.1秒），检测器S2检测到的次品，通过3秒传送，启动Y，剔除次品；正品继续向前输送。正次品分拣操作流程如图1.9所示。图1.9正次品分拣流程图（2）参考电路和程序PLCI/O端口分派及参考电路图：SB1I0.0M启动按钮SB2I0.1M停止按钮SQ1I0.2检测站1，SQ2I0.3检测站2MQ0.0电动机（传送带驱动），YQ0.1次品剔除图1.10正次品分拣机PLC电气原理图图1.11正次品分拣机参考程序4.实验内容及规定（1）按参考电路图完毕PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出对的运营结果。注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。5.思考练习（1）分析各种定期器的使用方法及不同之处。（2）总结程序输入、调试的方法和经验。（3）试将S1作为产品计数的检测装置，对日产量进行记录。（4）程序规定增长皮带传送机构不工作时，检测机构不允许工作（剔除机构不动作），编写梯形图控制程序。1.2.3交通灯自动控制1.实验目的（1）练习定期器、计数器的基本使用方法。（2）掌握PLC的编程和调试方法。（3）相应用PLC解决实际问题的全过程有个初步了解。2.实验设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-20024点CPU）。（3）交通灯实验模板一块。（4）导线若干。图1.12交通灯模拟控制板3.控制规定及参考交通路口红、黄、绿灯的基本控制规定如下：路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）10秒后，黄灯以占空比为50％的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为红灯（另一方向绿灯亮、黄灯闪烁），如此循环工作。PLCI/O端口分派：SB1I0.0起动按钮SB2I0.1停止按钮HL1（HL7）Q0.0东西红灯HL2（HL8）Q0.1东西黄灯HL3（HL9）Q0.2东西绿灯HL4（HL10）Q0.4南北红灯HL5（HL11）Q0.5南北黄灯HL6（HL12）Q0.6南北绿灯PLC参考电路：图1.13红绿灯控制PLC电气原理图4.实验内容及规定（1）按参考电路图完毕PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出对的运营结果。注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。5.思考练习（1）要实现一个简朴的过程控制，程序编制的思绪及环节有哪些？（2）定期器、计数器预置值如何设定输入？如何修改？（3）简述上机操作环节。（4）增设某个方向直通的功能。6.参考程序图1.14红绿灯控制参考程序1.3PLC综合能力实验本节仅给出PLC控制题目及规定，由实验者自行设计PLC外部接线和应用程序，并反复进行程序的输入、修改、调试，直至得出对的的运营结果，旨在提高创新和独立思考能力及综合素质。1.3.1工作台自动循环控制1.实验目的（1）掌握PLC外部输入、输出电路的设计和导线的连接方法。（2）运用符号表对POU（S7-200的三种程序组织单位指主程序、子程序和中断程序）进行赋值。（3）掌握应用软件的编程方法。（4）掌握程序注释的方法。2.实验内容及规定（1）设计工作台自动循环的PLC控制电路。（2）连接PLC外部电路（使用通用器件板开关元器件）。（3）输入梯形图程序。（4）建立符号表，对POU赋值。图1.15工作台自动循环（5）为程序注释。*I/O分派、符号表及注释参考：I0.0SB1正向起动按钮I0.5SQ3前进位置检测I0.1SB2反向起动按钮I0.6SQ4前进位置保护I0.2SB3停止开关Q0.0KM1正转接触器I0.3SQ1起始位置检测Q0.1KM2反转接触器I0.4SQ2起始位置保护（6）编辑、编译及下载用户程序；（7）动态调试和运营用户程序，显示运营结果。注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。3.实验设备（1）计算机（编程器）1台；（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；（3）实验板1块；（4）连接导线若干。4.实验内容与规定（1）画出PLC外部（输入、输出）电路，并连接外部导线；（2）一方面接通个人计算机（编程器）电源，然后，接通可编程控制器（PLC）电源；（3）编程及调试运营。①设计PLC控制工作台自动循环的梯形图程序；②选择CPU的工作方式（RUN或STOP）③输入梯形图程序；④建立符号表；⑤为程序添加注释；⑥程序的编译、下载；⑦程序的调试和运营。5.实验报告内容（1）根据控制规定，画出程序流程框图；（2）总结建立符号表的优点；（3）具体记录、分析程序下载过程及运营时出现的问题。6.思考练习运用工程环境的条件，按本题的规定，实现对小功率单相交流异步电动机（M）的驱动，同时增长运营指示功能，画出控制原理图。1.3.2智力竞赛抢答器1.实验目的（1）掌握PLC外部输入、输出电路的设计和连接方法；（2）掌握应用软件的编程方法；（3）掌握应用符号地址编程的方法。2.智力竞赛抢答器的规定运用PLC控制系统设计1个4组的智力竞赛抢答器。3.抢答器的控制规定（1）在主持人侧，设立抢答指示电路和启动、复位按钮。选手侧各设立1个抢答按钮。（2）主持人按动启动按钮，可以进行一次抢答，黄色发光二极管作允许抢答指示。（3）竟猜者抢答主持人所提的问题时，按动各自的抢答按钮。（4）收到第1个抢答信号后，主持人侧红色发光二极管作抢答指示，数码管显示抢先1组的组别，主持人按下复位按钮，指示灯和数码管熄灭。4.实验设备（1）计算机（编程器）1台；（2）实验装置；（3）实验板1块；图1.16抢答器实验板5.实验内容及规定（1）设计PLC外部电路；（2）使用通用器件板开关元器件和实验板连接PLC外部电路，采用符号地址、应用七段码指令编写用户程序；（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；（4）运营用户程序，观测程序运营结果。6.思考练习（1）指出影响系统响应速度的因素。（2）运用CPU214PLC制成的抢答器，最多为几组？试设计最多组时PLC的外部电路。1.3.3电动机Y-△起动1.实验目的（1）用PLC控制电动机Y-△起动电路；（2）通过实验，提高分析、解决问题的能力。2.实验设备（1）计算机（编程器）1台；（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；图1.17Y-△启动模拟控制（3）电动机Y-△起动实验模板1块；（4）连接导线若干。3.电动机Y-△起动规定（1）电动机M能实现正、反向Y-△启动。（2）电气操作流程说明：按动正向启动按钮SB2，KM1和KM4闭合（Y型起动），经3秒后KM4断开，KM3闭合，实现正向△型运营；按动反向启动按钮SB3，KM2和KM4闭合（Y型起动），经3秒后KM4断开，KM3闭合，实现正向△型运营，按停车按钮SB1，电动机M停止运营。4.实验内容及规定（1）根据电动机Y-△起动规定，设计PLC外部电路（配合通用器件板开关元器件）；（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；（4）运营用户程序，观测程序运营结果。5.思考练习（1）若电动机M直接由正向运营转入反向运营（不用停车按钮），程序如何改动？（2）结合实验过程和结果写出实验报告。1.3.4自动送料装车系统1.实验目的：（1）了解工业生产过程中PLC控制方法；（2）学会纯熟使用PLC解决生产实际问题。2.实验设备（1）计算机（编程器）1台；（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；（3）自动送料装车系统实验模板1块；（4）连接导线若干。3.自动送料装车系统的控制规定初始状态：绿灯（L1）亮，红灯（L2）灭，表达图1.18自动装车模拟控制板允许汽车开进装料，此时，进料阀门（k1），料斗阀门（k2），电动机（M1，M2，M3）皆为OFF状态。当汽车到来时，检测开关S3接通（负载板上未设，可从通用器件板选取），红色信号灯L2亮，绿色L1灭，传送带驱动电动机M3运营；2秒后，电动机M2运营；再通过2秒钟M1运营，依次顺序起动送料系统。电动机M3运营后，进料阀门K1打开料斗进料，料斗装满时，检测开关S1=1，进料阀门K1关闭（设1料斗物料足够装满1车）；料斗出料阀门K2在M1运营及料满（S1=1）后，打开放料，物料通过传送带的传送，装入汽车。当装满汽车后，称重开关S2动作，料斗出料阀门K2关闭，同时电动机M3断电停止，2秒后M2停止，再过2秒M1停止，L1亮，L2灭，表达汽车可以开走。4.实验内容及规定（1）根据自动送料装车系统的控制规定，设计PLC外部电路，；（2）连接PLC外部（输入、输出）电路（配合通用器件板开关元器件），编写用户程序；（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；（4）运营用户程序，观测程序运营结果。5.思考练习（1）在原实验基础上，增长每日装车次数记录功能。（2）结合实验过程和结果写出实验报告。1.3.5多种液体自动混合1.实验目的（1）结合多种液体自动混合系统，应用PLC技术对化工生产过程实行控制；（2）学会纯熟使用PLC解决生产实际问题。2.实验设备（1）计算机（编程器）1台；（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；（3）多种液体自动混合实验模板1块；（4）连接导线若干。3.液体自动混合系统的控制规定（1）液体自动混合系统的初始状态：图1.19多种液体混合模拟控制板在初始状态，容器为空，电磁阀Y1，Y2，Y3，Y4和搅拌机M以及加热元件R均为OFF，液面传感器L1，L2，L3和温度检测T均为OFF。（2）液体混合操作过程：按动启动按钮，电磁阀Y1闭合（Y1为ON），开始注入液体A，当液面高度达成L3时（L3为ON）→关闭电磁阀Y1（Y1为OFF），液体A停止注入，同时，启动电磁阀门Y2（Y2为ON）注入液体B,当液面升至L2时（L2为ON）→关闭电磁阀Y2（Y2为OFF），液体B停止注入，同时，启动电磁阀Y3（Y3为ON），注入液体C，当液面升至L1时（L1为ON）→关闭电磁阀Y3（Y3为OFF），液体C停止注入，然后启动搅拌电动机M，搅拌10秒→停止搅拌，加热（启动电炉R）→当温度（检测器T动作）达成设定值时→停止加热（R为OFF），并放出混合液体（Y4为ON），至液体高度降为L3后，再经5秒延时，液体可以所有放完→停止放出（Y4为OFF）。液体混合过程结束。按动停止按钮，液体混合操作停止。4.实验内容及规定（1）按液体混合规定，设计PLC外部电路（配合使用通用器件板开关元器件）；（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；（4）运营用户程序，观测程序运营结果。5.思考练习（1）分析程序运营结果。（2）试编写出搅拌与加热同时进行的程序，规定加热与搅拌条件同时满足后顺序向下执行，观测运营结果。（3）简述液位传感器L1，L2，L3的工作原理及实验时的操作方法。（4）结合实验过程和结果写出实验报告。1.3.6循环显示电路1.实验目的（1）熟悉PLC循环程序的编程；（2）了解工业顺序控制的基本原理；（3）学会纯熟使用PLC解决动态显示问题。2.实验器材（1）计算机（编程器）1台；图1.20循环显示模拟控制板（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；（3）循环显示实验模板1块；（4）连接导线若干。1.5秒1.5秒1.5秒1.5秒1.5秒3.循环显示规定1.5秒1.5秒1.5秒1.5秒1.5秒模板中心的黄灯L1亮红灯L2.L3.L4.L5间隔0.5秒依次点亮绿灯L6、L7、L8、L9间隔0.5秒依次点亮黄灯L1熄灭L2、L3、L4、L5同时熄灭L6、L7、L8、L9同时熄灭返回初始步，循环显示。4.实验内容及规定（1）按循环显示实验模板的规定，设计PLC外部电路（配合使用通用器件板开关元器件）；（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；（4）运营用户程序，观测程序运营结果。5.思考练习（1）请重新设计1套循环显示程序流程，运用本控制模板，显示出不同的动态结果。（2）结合实验结果写出实验报告。1.3.7水塔水位系统1.实验目的（1）运用PLC构成水塔水位（液位）控制系统；（2）了解自动控制的工作原理及设备在平常生活中的应用。2.水塔水位的控制规定（1）初始状态：水箱没有水，液位开关S4断开（S4为OFF）。（2）控制规定：本装置上电后，按动启动按钮，电动阀Y通电（Y为ON）水箱开始注水，水箱水位达成S4高度后，液位开关S4闭合（S4为ON），水箱水位达成S3高度(水满)时，液位开关S3闭合（S3为ON）→注水电动阀Y断电（Y为OFF），水箱停止注水。此后，随着水塔水泵抽水过程的进行，水箱液面逐渐减少，液位开关S3（S3＝OFF）复位，随着抽水过程的继续进行，水箱液面继续减少，当液面低于开关S4时，液位开关S4复位（S4为OFF）→电动阀Y再次通电（Y为ON）水箱(自动)注水，水位达成S3时再次停止注水。如此循环，使水箱水位保持在S3～S4之间。当水箱水位高于S4液位，并且水塔水位低于水塔最低允许液面开关S2时（液位开关S2为OFF）→水泵电动机M开始运营，向水塔抽水。当液面达成最高液位开关S1时→水塔电机M停止抽水（M为OFF）；循环控制使得水塔水位自动保持在S1～S2之间变化。3.实验设备（1）计算机（编程器）1台；（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；（3）水塔水位实验模板1块；（4）连接导线若干。4.实验内容及规定（1）按水塔水位的控制规定，设计PLC外部电路；（2）连接PLC外部（输入、输出）电路，编写用户程序；图1.21水塔水位模拟控制板（3）输入、编辑、编译、下载、调试用户程序；（4）运营用户程序，观测程序运营结果。5.思考练习（1）联系抽水马桶与水塔水位系统，比较两者的工作原理和控制过程的异同，进一步理解水位控制系统的工作原理及控制过程。（2）结合实验结果写出实验报告。1.3.8电梯控制1.实验目的（1）掌握PLC的基本指令、功能指令的综合应用。（2）掌握PLC与外围控制电路的实际接线方法。（3）掌握随机逻辑程序的设计方法。2.实验器材（1）编程器1台（PC机）；（2）可编程序控制实验装置1台；（3）四层电梯自动控制演示板1块；（4）连接导线若干。3.实验内容与环节电梯实验动作规定如下：图1.22电梯模拟控制板（1）电梯上行设计规定=1\*GB3①当电梯停于1楼（1F）或2F、3F时，4楼呼喊，则上行到4楼碰行程开关后停止；=2\*GB3②电梯