论文总字数：21643字

摘 要

在人类对自然界规律的探索和认识过程中，科学实验是必不可少的一个重要环节，可以说没有实验也就没有现代科学。因而现代可编程序控制器教学不只是单纯教授学生理论知识，更应加强学生实际动手能力的锻炼。

基于此，本课题是在实验箱基础上开发电力拖动课PLC自动控制综合实验系统，工作台上配有主机，可编程序控制器通过与上位机接口联网。实现用交流接触器、继电器、指示灯或实物模拟被控对象，模拟工业控制现场。

可编程序控制器原理及应用课程的特点是可编程序控制器原理部分内容较抽象，应用部分与生产实践紧密结合，实践性教学环节占有较大的比重。通过实践性教学环节，学生不仅可以加强对可编程序控制器理论的理解，而且也掌握了先进的控制技术，达到更好的教学效果。

关键词：PLC 实验教学 测控系统

Abstract

The laws of nature in the human exploration and understanding of the process, is essential for scientific experiments an important part, we can say no there is no modern experimental science. Thus the teaching of modern programmable controller is not simply to teach students theoretical knowledge, but should strengthen students' practical ability to exercise.

Based on this, the subject is developed on the basis of the experimental box PLC automatic control electric drive class integrated experimental system, with a host table, programmable logic controller interfaces with the host computer through the network. Implemented by AC contactors, relays, lights or physical simulation of the controlled object to simulate industrial control field.

Features Programmable Logic Controller Principles and Applications course is part of the programmable controller more abstract principle, the application of part of the production practices closely, practical teaching occupies a large proportion. Through practical teaching, students can not only enhance the understanding of the theory of programmable controllers, but also mastered the advanced control technology to achieve better teaching results.

Key words: PLC;experimental teaching ;measurement and control system

目录

摘 要 I

第一章 综述 - 1 -

1.1研究背景 - 1 -

1.2国内外现状和发展趋势 - 1 -

1.3课题内容 - 3 -

1.3.1研究方法 - 3 -

1.3.2研究路线 - 4 -

第二章 实验台控制系统方案论证 - 5 -

2.1控制面板功能分析 - 5 -

2.2测控方案的确定 - 7 -

2.2.1基于单片机数据采集系统 - 7 -

2.2.2基于IPC与PLC的测控系统 - 7 -

2.2.3基于智能仪表的测控系统 - 8 -

2.3总线分析 - 9 -

2.4本系统总体设计 - 11 -

第三章 硬件部分的设计 - 13 -

3.1硬件电路功能分析 - 14 -

3.1.1电机功能分析 - 14 -

3.1.2中间继电器功能分析 - 14 -

3.1.3交流接触器功能分析 - 14 -

3.1.4变频器 - 15 -

3.1.5开关功能分析 - 15 -

3.1.6熔断器功能分析 - 15 -

3.2硬件电路的设计 - 16 -

3.3控制系统的选型 - 18 -

3.3电气元件的选型 - 19 -

3.3.1变频器 - 19 -

3.3.2中间继电器 - 20 -

3.3.3交流接触器 - 22 -

3.3.4电机 - 23 -

3.3.5熔断器 - 25 -

3.3.6总线电缆 - 26 -

3.4控制面板电路设计 - 27 -

结语 - 30 -

第一章 综述

1.1研究背景

电气控制技术应用于国民经济的各行各业。电气控制技术的发展，是随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进和电气控制装置的日新月异而迅速发展的。从最早的手动控制到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的硬接线继电-接触器控制系统发展到以计算机为中心的上位机对下位机的监控系统，现代电气控制技术综合了计算机技术、自动控制技术、电子技术、精密测试等许多先进的科学技术成果。本课题是一个实用性很强的课题，主要内容是以电动机和其他执行电器为控制对象，介绍继电-接触器控制系统和PLC控制系统的工作原理、应用技术，典型机械的电器控制电路以及电气控制系统的设计方法。

PLC控制系统是集变频技术，电器技术和现代控制技术于一体的控制系统，组态软件是一个专门为工控开发的工具软件，以组态王6.53作为上机位监控系统对下机位S7-200PLC进行数据读取，同时PLC对管网中的阀体等进行自动控制，这将成为一个良好的自动控制及监测系统。

1.2国内外现状和发展趋势

20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
　　20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
　　20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
　　20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
　　20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。我国市场上流行的有如下几家PLC产品:施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum，Premium，Momentum等产品;罗克韦尔公司(包括AB公司)PLC产品，目前有SLC， Micro Logix， Control Logix等产品;西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；GE公司的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、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。为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。

1.3课题内容

1.3.1研究方法

本课题是一个实用性很强的课题，主要内容是以电动机和其他执行电器为控对象，介绍继电-接触器控制系统和PLC控制系统的工作原理、应用技术，典型机械的电器控制电路以及电气控制系统的设计方法。

本实验主要用到的设备是：（1）PLC S7-200（2）中间继电器若干（3）交流接触器若干（4）熔断器（5）电动机（6）变频器（7）开关若干（8）时间继电器。

通过以上设备我们可以完成系统的硬件功能：

☆ 完成PLC实验系统原理组成框图

☆ 完成PLC实验系统所使用的硬件选型。

☆ 完成硬件电路设计。

☆ 完成系统硬件连线图

本实验系统的实现功能：

（1）按下按键对应的灯能亮

（2）实现模拟交通灯功能（PLC）

（3）实现电机启停的控制(设计电路)

（4）实现电机正反转的控制（设计电路）

（5）实现电机点动与连续运转的切换（软件实现）

（6）电机YΔ启动

（7）变频器调速

1.3.2研究路线

图 1-1 研究路线

1.4 本章小结

本章节介绍了课题的背景和意义，以及PLC的国内外发展状况，而且通过研究方法和路线，概况了实验系统的设计方法和实现的功能。

第二章 实验台控制系统总体方案论证

2.1控制面板功能分析

PLC自动控制综合实验系统提供的是一种实验环境。在这一环境中，上位机和可编程序控制器作为主要的硬件设备起着信息处理和展示的功能，而使它们实现上述功能的软件以及实现两者之间联系的软件和辅助硬件装置则是使这一实验环境发挥其应用作用的重要保证。

为保证系统的功能和可靠性要求，在系统设计时必须对各功能模块进行合理的划分，同时确定各模块之间的相互联系。结合本系统的功能要求，我们对系统的总体框架进行了构建，如图2-1所示

图2-1实验系统的总体框架

PLC自动控制综合实验系统由电源模块、输入模块、变频器模块、可编程序控制器及特殊功能模块与输出模块组成。它既可做单机实验，也可做组网实验，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，还为学生课程设计、综合实训、毕业设计及专业老师在复杂控制系统、智能控制系统等方面的研究提供了实验对象及实验手段。

（1）电源模块

电源模块应不仅能提供可编程序控制器所需的电源，而且应提供实验系统

用到的多种电源。电源带三相漏电流保护、过电流及过电压保护;具有线电压和三相调压输出电压指示;输出电压为三相AC38OV、AC0V一380V可调、单相AC220V、DC24V。

（2）输入，输出模块

输入模块的作用是为可编程序控制器提供输入元件，我们实验中用到最多的输入元件是按钮开关，故本实验系统设计了按钮挂箱，以满足实验的要求。输出模块的作用是为可编程序控制器提供输出元件，根据可编程序控制器的教学实验要求，应尽可能多地提供输出元件。输出模块选用了接触器、指示灯作为输出元件，其中接触器可以实现对电动机的自动控制，使用非常方便。

（3）变频器模块

变频器模块的作用是利用变频器实现对电动机进行手动、自动的变频调速，变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。它有很好的调速、节能性能，变频器与可编程序控制器相结合在现代工业生产的许多领域获得了广泛的应用。

（4）可编程序控制器及特殊功能模块

可编程序控制器及特殊功能模块是利用可编程序控制器、模拟量输入功能模块、模拟量输出功能模块、运动控制模块与人机界面等完成对各种实验对象的自动控制，主要有数据的采集、模拟信号的控制、运动物体如步进电机位置、速度的控制、可视化操作和监控等。

各参数需求如下表2-1所示

表 2-1 参数需求

2.2测控方案的确定

常见的CPU有单片机，PLC，IPC等几类，各有特点，在以下章节将一一进行讨论。

2.2.1基于单片机数据采集系统

单片机数据采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出，例如打印，显示，绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。

2.2.2基于IPC与PLC的测控系统

PLC和IPC是人们不得不提的两类控制设备，它们是大多数自动化系统的基础设备。PLC和IPC的最新技术发展是工程师对设备应用性能要求的完美体现：控制器的硬件标准化，以及用户的各种控制要求通过软件来进行改变。 PLC就是一种利用计算机原理为顺序控制专门设计的、通用的、使用方便的装置。它采用了专用设计的硬件，而使用性能都是通过控制程序来确定的。 IPC则是利用了个人计算机的PCI总线和PC/104总线、采用功能板卡扩展控制I/O点来实现计算机控制的一种方便的控制设备。它具有工业现场应用特性，同时又极大地利用了PC机的软件环境，用户可以方便地选择各制造商提供的产品。

PLC和IPC采用现场总线后可方便地作为I/O站和监控站连接在DCS系统中。现场总线是一种取代4～20mA标准，用于连接智能现场设备和控制设备的双向数字通讯技术，现场总线具有开放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到现场设备中。

2.2.3基于智能仪表的测控系统

智能仪表控制系统具有的特点如下：

1．适用范围 适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。

2.技术与工艺 采用单片计算机技术设计，可保证全量程不超差，长期运行无时漂、零漂。 严格按ISO9002认证的工艺生产，可保证长期无故障运行，平均可利用率达99.98%。 信号输入、控制操作，全部采用软件调校。 输入分度号、操作参数、控制算法按键可设定。

3．万能输入信号 只需做相应的按键设置和硬件跳线设置(打开盖子跳线)，即可在以下所有输入信号之间任意切换，即设即用。

热电阻：Pt100、Pt100.0、Cu50、Cu100、Pt10。

热电偶：K、E、S、B、T、R、N。 标准信号：0-10mA、4-20mA、0-5V、1-5V。

霍尔传感器：mV输入信号，0-5V以内任意信号按键即设即用。

远传压力表：30-350W，信号误差现场按键修正。其它用户特殊订制输入信号。

4．多种给定方式 内给定智能调节仪具有本机给定的功能(LSP)： 可通过面板上的增减键直接修改给定值（也可加密码锁定不允许修改）。 时间程序给定(TSP)。每段程序最长6000分钟。曲线最多可设16段。 RS485通讯给定。 注意：外给定调节仪只具有外部模拟给定的功能。10mA/4-20mA/0-5V/1-5V通用，不能任意选择它的输入信号。

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