触摸屏+PLC+变频器综合实训1

项目实训指导书 项目实训指导书 PLC＋变频器＋触摸屏综合实训 （内部资料）　 吴尚庆 编 广西工业职业技术学院电子与电气工程系 过程自动化教研室 2007.9 目　　　录 前言　………………………………………………………………………………………2 模块一　实训的目的、要求和参考目…………………………………………………………3 一、实训的目的………………………………………………………………………………………3 二、实训的内容及要求………………………………………………………………………………3 三、实训的工作量……………………………………………………………………………………4 四、考核、考核内容及成绩评定………………………………………………………………4 五、实训的参考题目…………………………………………………………………………………5 模块二 控制系统的一般过程………………………………………………………………9 一、系统设计原则……………………………………………………………………………………9 二、系统设计步骤………………………………………………………………………………………9 模块三 控制确定………………………………………………………………………………14 一、预备知识…………………………………………………………………………………………14 二、确定控制方案……………………………………………………………………………………17 模块四 电气原理图绘制…………………………………………………………………………19 一、预备知识…………………………………………………………………………………………19 二、绘制电气原理图…………………………………………………………………………………23 三、选择低压电器……………………………………………………………………………………23 模块五 控制程序编写………………………………………………………………………………28 一、预备知识…………………………………………………………………………………………28 二、编写控制程序……………………………………………………………………………………35 三、调试控制程序……………………………………………………………………………………36 模块六 控制柜安装…………………………………………………………………………………37 一、安装低压电器……………………………………………………………………………………37 二、控制柜接线………………………………………………………………………………………37 模块七 系统调试……………………………………………………………………………………39 一、检查线路…………………………………………………………………………………………39 二、排除故障…………………………………………………………………………………………39 三、通电调试…………………………………………………………………………………………39 附录Ⅰ　电气图常用图形符号……………………………………………………………………41 附录Ⅱ　常用低压电器技术数据…………………………………………………………………45 前　　言 PLC作为先进的、应用势头最强的工业控制器已风靡全球；变频器作为交流电动机的驱动器，广泛应用于现代的工业生产和民用生活中；而使用触摸屏进行监控操作是现代工业控制的常用手段。《PLC、变频器、触摸屏综合实训》体现了技术的综合性、现代性和现场性，对于在校学生的专业知识学习和专业技能的锻炼有极其重要的意义。 PLC技术、变频技术、传感器技术、低压电气控制技术和组态控制技术是我校的机电专业、电气专业、电控专业和计控专业的专业核心课程。这些课程在我校已连续开课多届，已有广泛的应用基础，现在通过项目把多门专业课程有机的结合起来，培养学生专业能力和综合素质，效果是十分显著的。这在我校的多年实践中得到了证实。 《PLC、变频器、触摸屏综合实训》以学生小组为单位进行，实训中能培养学生的交流、分工、合作、计划、组织、协调、检验和评价能力。在教学过程中，学生要通过阅读教材和相关技术资料来明确项目内容、项目要求和项目实施方法，需要在项目的总体实施计划下，确定操作步骤与操作方法。要先确定总控制方案并分工，然后绘制电气原理图，再安装控制箱，同时要设计PLC控制程序、设置变频器参数及触摸屏监控画面组态等。在具体的实训中又要进行工具、器材的准备，掌握工具使用和器材的安装与检测方法，而且还要进行安全操作、要进行问题分析并选择出解决方案等。在实训中，除了教师的指导外，更强调学生的自学、动手和以讨论的方式解决问题。 本书适用于PLC、变频器、触摸屏的相关实训和实践课程，具体可根据教学需要进行选择或改动内容。 模块一 实训的目的、要求和参考题目 一、实训的目的 《PLC、变频器、触摸屏综合实训》是我校的机电专业、电气专业、电控专业和计控专业教学中最后一个实践性教学环节。是在学生学完技术基础课和专业课，特别是《PLC技术》和《变频技术》课程之后进行的。是培养学生理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤，它为后续的毕业设计作必要的准备。 《PLC、变频器、触摸屏综合实训》是以PLC和变频器控制系统应用和设计为主线，通过对具体控制系统设计总体方案的拟定，控制系统硬件电路的设计、安装以及控制程序的编写，使学生综合运用PLC技术、变频技术、传感器技术、低压电气控制技术和组态控制技术等各方面知识，把多门专业课程有机的结合起来，进行一次全面的训练。从而培养学生综合技术能力和综合素质。 二、实训的内容及要求 实训要求学生在全面了解PLC、变频器、触摸屏的使用和控制系统设计过程的基础上，完成以下内容： 1、控制系统设计 ①控制系统方案的确定及框图绘制。 ②PLC、变频器、触摸屏和低压电器元件的选型。 ③设计绘制控制系统电路原理图。 ④设计控制柜的元件布局。 ⑤编写PLC控制流程及控制程序。 ⑥设置变频器的控制参数。 ⑦设计触摸屏的控制组态。 2、控制系统安装和调试 ①在控制柜进行安装及接线。 ②编写调试流程。 ③调试硬件电路和软件程序。 三、实训的工作量 1、图纸部分 ①控制系统电路原理图 (A3或A4图纸一张)。 ②制柜的元件布局图(A3或A4图纸一张)。 ③控制流程 (A3或A4图纸一张)。 ④调试流程(A3或A4图纸一张)。 2、说明书部分 说明书是实训的整个设计过程的叙述说明，应包括以下内容： ①题目和控制要求。 ②控制系统总体方案的分析及控制框图。 ③硬件电路设计说明。 ④PLC控制程序、变频器参数和触摸屏组态设计说明。 ⑤系统调试说明。 ⑥总结。 说明书应不少于2000字。 四、考核方法、考核内容及成绩评定 1、考核内容 学生接到实训题目以后，首先必须仔细阅读本指导书的内容，以求对设计的内容和要求有一全面系统的了解，并收集相关资料，然后再按照指导书的步骤逐项进行，应避免在没有消化理解资料的情况下生搬硬抄。 2、考核方法 学生在完成实训的每一项之后，必须由指导教师审核。 3、考核评定 学生完成全部实训后，统一由指导教师对学生完成综合作业的情况，以及对下述考核内容掌握情况评定成绩。 ①控制柜中各电器元件的名称、功能及选用。 ②控制电路的互锁和自锁环节。 ③PLC与变频器的电路连接原理。 ④PLC程序的控制流程。 ⑤变频器功能设置的关键参数。 ⑥触摸屏与PLC的通信及变量的连接。 ⑦软件程序和硬件电路配合情况。 ⑧系统调试的要点。 ⑨控制柜的安装及接线情况。 4、评分 实训成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制。各级评分标准如下： 优秀：实训内容完整。按期完成任务。控制系统设计方案正确可行，论证充分。控制系统硬件线路设计合理，选用元器件完全正确。控制柜的安装接线美观可靠。设计说明书整齐通顺、有条理，图面整洁，质量高。考核时对各部分考核点理解深透，能正确全面地回答问题。 良好：实训内容完整，按期完成任务。控制系统设计方案可行，论证较好。硬件电路设计合理，选用元器件正确。控制柜的安装接线整齐可靠。说明书较通顺、整齐，图面整洁、质量较高。考核时对各部分考核点理解较好，回答问题比较正确全面。 中等：实训内容完整，按期完成任务。控制系统设计方案基本正确，论证一般。硬件电路设计基本合理，选用元器件基本正确。控制柜的安装接线可靠，且较整齐。说明书和图面较整洁、质量尚好。考核时，对各部分考核点问题有一定的理解，经提示后能正确回答问题。 及格：基本完成实训规定的内容。方案选择和硬件电路设计无原则性错误，控制柜的安装接线可靠。说明书和图面比较粗糙，质量一般，存在一些错误，但主要部分基本符合要求，对考核点列出的问题理解不够，经提示后只能回答部分主要问题。 不及格：没有按期完成实训规定的内容，方案选择有原则性错误，硬件电路设计和图纸有重大错误。控制柜的安装接线不可靠。对考核点所列出的主要问题不能回答经提示后回答仍不正确。 若发现有别人代作，取消参加考核的资格。 五、实训的参考题目 1、多泵切换恒压供水系统 现有2台电机M1、M2拖动2台水泵，控制要求如下： ①用转换开关实现手动、自动的切换。 ②手动时由按钮分别控制2台电机的启动、停止。 ③自动时，变频器一控二异步切换，先用变频器控制M1启动调速，当变频器达到50HZ时延时1分钟水压力还在下限，把M1切换到工频运行，而变频器控制M2启动调速；压力上升，当压力到达上限，延时30秒钟水压力还在上限，电机M1停机；当压力降至下限时，又使电机M2频率为50HZ，延时1分钟水压力还在下限，把M2切换到工频运行，而变频器控制M1启动调速。如此反复使水压恒定。停止时，M1和M2同时停机。 ④自动时，可用触摸屏来控制启动和停止，并能直接设置管道的压力值。 2、储水器水位控制系统 在锅炉及许多其他的工业设备中，常采用部分供水方式。即是：用水泵将水泵人一个位置较高位的储水器中(水塔、水箱等)，然后向低水位的用户供水。这时，须对储水器中的水位进行控制，如图所示。 利用水的导电性能来取得信号的：当两根金属棒都在水中时，它们之间是“接通”的；当两根金属棒中只有一根在水中时，它们之间便是“断开”的。其中，1号棒用作为公共接点，2、3、4号棒分别用于控制不同的水位。 现在控制要求如下： 1）用转换开关实现手动、自动的切换。 2）手动时由按钮分别控制电机的启动、停止。 3）自动时，通过变频调适当降低书泵的转速以达到节能的目的。 ①在正常情况下，水泵以较低转速nL运行，水位被控制在3号棒LL1和4号棒LH之间。 ②如果在用水高峰期，水泵低速nL运行时的供水量不足以补充用水量，则水位将越过3号棒LL1后将继续下降。当水位抵于2号棒LL2时，上水泵的转速提高至nH，以增大供水量，阻止水位的继续下降。 ③当水位上升至3号棒LL1以上时，经适当延时后又可将转速恢复至低速nL运行。 ④当水位达到上限水位LH时，则关闭水泵，停止供水。 4）自动时，可用触摸屏来控制启动和停止，并能直接显示水位情况和水泵的速度。 3、中央空调控制系统 下图是中央空调系统框图，控制要求如下： ①启动过程：风机启动 冷却泵启动 冷冻泵启动 压缩机启动。 ②停机过程：压缩机停止 冷冻泵停止 冷却泵停止 风机停止。 ③四台电机分手动/自动控制。 ④自动时，冷冻泵采用变频调速，冷冻水出水温度为70℃，回水温度为120℃；当温控器检测出冷冻水回水温度大于120℃时，表示用户增加，此时应提高冷冻泵的转速；当温控器检测出冷冻水回水温度小于120℃时，用户减少，应降低冷冻泵的转速。 ⑤自动时，可用触摸屏来控制启动和停止，并能直接显示水泵的速度。 模块二 　控制系统设计的一般过程 一、系统设计原则 对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但系统设计的基本原则是一致的。 ①满足工艺要求。设计的控制系统所达到的性能指标不应低于生产工艺要求，但片面追求过高的性能指标而忽视设计成本和实现上的可能性也是不可取的。 ②可靠性要高。对工业控制的微机系统最基本的要求是可靠性高。首先要选用高性能的工业控制计算机。其次是设计可靠的控制方案，并具备各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。为了预防计算机故障，还须设计后备装置。 ③操作性要好。系统设计时要尽量考虑用户的方便使用，尤其是操作面板的设计，既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量降低对使用人员专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作。其次维护容易，一旦发生故障，应易于查找和排除。 ④实时性要强。微机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。 ⑤通用性要好。硬件设计方面，应采用标准总线结构，且各设计指标要留有一定余量，以便在需要时扩充。软件方面，应采用标准模块结构，尽量不进行二次开发。当设备和控制对象有所变更时或者再设计另外一个控制系统时，只需稍作更改或扩充就可适应。 ⑥经济效益要高。系统设计的性能价格比要尽可能地高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美廉价的元器件；投入产出比要尽可能地低，应该从提高生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。 二、系统设计步骤 控制系统的设计过程一般可分为3个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真及调试阶段。 1、准备阶段 要认真阅读任务书，并逐条进行研究。搜集有关资料，查阅参考书籍。初步进行系统总体方案设计，并进行方案可行性论证，论证的主要内容是技术可行性，特别是项目的可测性和可控性。 2、设计阶段 在此阶段要先进行总体设计，再进行硬件和软件的设计。 1）总体设计 总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要求，确定总的技术性能指标，确定系统的构成方式及控制装置与现场设备的选择，以及控制规律算法和其他特殊功能要求。 ①确定系统任务与控制方案，根据系统要求，定采用开环还是闭环控制；闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环；进而还要确定出整个系统是采用直接数字控制(DDC)、计算机监督控制(SCC)、分散式控制(DCS)或是采用现场总线控制(FCS)。 ②确定系统的构成方式，即进行控制装置机型的选择。目前已经生产出许多用于工业控制的微机装置可供选择，如可编程控制器、可编程调节器、总线式工控机、单片微型计算机和分散控制系统、现场总线控制系统等。 在以模拟量为主的中小规模的过程控制环境下，一般应优先选择总线式工控机来构成系统的方式；在以数字量为主的中小规模的运动控制环境下，一般应优先选择PLC来构成系统的方式。工控机或PLC具有系列化、模块化、标准化和开放式系统结构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求任意选择，像搭积木般地组建系统。这种方式可提高系统研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加可靠性。 ③选择现场设备。主要包含传感器、变送器和执行器的选择。测量各种参数的传感器，如温度、压力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异；而执行器也有模拟量执行器、数字量执行器以及电动、气动、液动等之分。 ④确定控制算法。当系统模型确定之后，即可确定控制算法。微机控制系统的主要任务就是按此控制算法进行控制。控制算法的正确与否，直接影响控制系统的调节品质。 ⑤硬、软件功能的划分。系统设计时，硬、软件功能的划分要综合考虑。用硬件来实现一些功能的好处是可以加快处理速度，减轻主机的负担；而软件实现可降低成本，增加灵活性，但要占用主机更多的时间。一般在满足指定功能的前提下，应尽量减少硬件器件，多用软件来完成相应的功能。如果软件实现很困难，而用硬件实现却比较简单，则用硬件实现功能比较妥当。 ⑥其他方面的考虑。还应考虑人机界面、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。 2）硬件设计 尽量选现成的总线式工控机系统或者PLC装置，以加快设计研制进程，使系统硬件设计的工作量减到最小。设计者都要根据系统要求选择合适的模板或模块。选择内容一般包括： ①根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择主机板(包括总线类型、主机机型等)。 ②根据AI、AO点数、分辨率和精度，以及采集速度等选A／D、D／A板(包括通道数量、信号类别、量程范围等)。 ③根据DI、DO点数和其他要求，选择开关量输入输出板(包括通道数量、信号类别、交直流和功率大小等)。 ④根据人机联系方式选择相应的接口板或显示操作面板(包括参数设定、状态显示、手动自动切换和异常报警等)。 ⑤根据需要选择各种外设接口、通信板块等。 ⑥根据工艺流程选择测量装置(包括被测参数种类、量程大小、信号类别、型号规格等)。 ⑦根据工艺流程选择执行装置(包括能源类型、信号类别、型号规格等)。 3）软件设计 用工控机或PLC来组建微机控制系统不仅能减小系统硬性设计工作量，而且还能减小系统软件设计工作量。一般它们都配有实时操作系统或实时监控程序以及各种控制、运算软件和组态软件等，可使系统设计者在最短的周期内开发出应用软件。 程序编制顺序应是先模块后整体。软件设计应考虑以下几个方面。 ①编程语言的选择。组态语言是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言，它为用户提供了众多的功能模块。系统设计者只需根据控制要求，选择所需的模块就能十分方便地生成系统控制软件，因而软件设计工作量大为减小。 ②数据类型和数据结构规划。系统的各个模块之间要进行各种信息传递，也即各接口参数的数据结构和数据类型必须严格统一规定。数据可分为逻辑型和数值型。 ③资源分配。系统资源包括ROM、RAM、定时器／计数器、中断源、I／O地址等。 ④程序设计的方法。可采用模块化程序设计方法，即是把一个较长的程序按功能分成若干个小的程序模块，然后分别进行独立设计、编程、测试和查错之后，最后把各调试好的程序模块连成一个完整的程序。模块化程序设计的特点是单个小程序模块的编写和调试比较容易；一个模块可以被多个程序调用；检查错误容易，且修改时只需改正该模块即可，无须牵涉其他模块。但这种设计在对各个模块进行连接时有一定困难。 再采用自顶向下程序设计方法，先从主程序进行设计，从属的程序或子程序用程序符号来代替。主程序编好后，再编写从属的程．最后完成整个系统的程序设计。 3、仿真及调试阶段 离线仿真及调试阶段一般在实验室进行。首先编写调试流程，再进行硬件调试与软件调试，然后进行硬件、软件统调，最后考机运行，为现场投运做好准备。 1）硬件调试 对于各种标准功能模板，应按照说明书检查主要功能。在调试A／D和D／A模板之前，必须准备好信号源、数字电压表、电流表等标准仪器。对这两种模板首先检查信号的零点和满量程，然后再分档检查，并且上行和下行来回调试，以便检查线性度是否合乎要求。 利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO)模板。测试时可在输入端加开关量信号，检查读入状态的正确性；可在输出端用万用表检查输出状态的正确。 硬件调试还包括现场仪表和执行器，这些仪表必须在安装之前按说明书要求校验完毕。如是DCS等通信网络系统，还要调试通信功能，验证数据传输的正确性。 2）软件调试 软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。 一般与过程输入输出通道无关的程序，如运算模块都可用开发装置或仿真器的调试程序进行调试，有时为了调试某些程序，可能还要编写临时性的辅助程序。 一旦所有的子程序和功能模块调试完毕，就可以用主程序将它们连接在一起，进行整体调试。整体调试的方法是自底向上逐步扩大，首先按分支将模块组合起来，以形成模块子集，调试完各模块子集，再将部分模块子集连接起来进行局部调试，最后进行全局调试。这样经过子集、局部和全局三步调试，完成了整体调试工作。 3）系统仿真 在硬件和软件分别调试后，必须再进行全系统的硬件、软件统调，即所谓的系统仿真，也称为模拟调试。系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。试验条件或工作状态越接近真实，其效果也就越好。控制系统只能做离线半物理仿真，被控对象可用实验模型代替。 4）考机 在系统仿真的基础上，还要进行考机运行，即进行长时间的运行考验。 控制系统的设计一般遵循上述过程，设计的步骤有先后，但内容没有明确之分。本书只从控制方案确定、电气原理图绘制、控制程序编写、控制柜安装和系统调试这几个方面进行举例说明。 模块三 　控制方案确定 《PLC、变频器、触摸屏综合实训》这些课程在我校已连续开课多届，已有“多泵切换恒压供水”、“中央空调控制系统”等多个实训课题。本指导书将以最典型的“多泵切换恒压供水”为例进行讲述。 一、预备知识 1、变频器恒压供水系统 在生产、生活的实际中，用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。 图3-1 住宅区恒压供水示意图 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出水口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛的应用，利用内部包含用PID调节器、单片机、PLC等器件有机结合的供水专用变频器构成控制系统，调节水泵输出流量，以实现恒压供水。变频器恒压供水，如上图3-1所示。 利用变频器内部的PID调节功能，如图3-2，目标信号SP是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。反馈信号PV是压力变送器PS反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。SP和PV两者是相减的，其合成信号MV＝（SP-PV)，经过PID调节处理后得到频率给定信号，决定变频器的输出频率f。当用水流量减小时，供水能力QG＞用水流量QU，则供水压力上升，PV↑，合成信号（SP-PV)↓，变频器输出频率f↓，电动机转速n↓，供水能力QG↓直至压力大小回复到目标值，供水能力与用水流量重新平衡（QG=QU)时为止；反之，当用水流量增加，使QG