电气控制与PLC课程设计

电气控制与PLC课程设计指导书 课程设计的目的、要求、任务及方法 要完成好电气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，它是一项初步的工程训练。通过课程设计，了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。电气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。电气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；书写技术和编制技术资料的能力。 二、设计要求 在课程设计中，学生是主体，应充分发挥他们的主动性和创造性。教师的主导作用是引导其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，包括线条、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、设计任务 课程设计要求是以设计任务书的形式表达，设计任务书应包括以下内容： 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： ① 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。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。 ② 根据运动要求决定转向控制。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 设置短路保护及其他必要的电气保护。 ⑥ 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： ① 正确选择控制电路电压种类及大小。 ② 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）。 ③ 设置必要的联锁（包括同一台电动机各动作之间以及各台电动机之间的动作联锁）。 ④ 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）。 ⑤ 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。 ⑥ 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： ① 校核各种动作控制是否满足要求，是否有矛盾或遗漏。 ② 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。 ③ 检查联锁要求能否实现。 ④ 检查各种保护能否实现。 ⑤ 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。 设计实例：小型SBR废水处理PLC电气控制系统课程设计 一、小型SBR废水处理电气控制系统设计任务书 1．SBR废水处理工艺的技术要求 SBR废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。 SBR废水处理系统方案要充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点，力求达到设备体积小，性能稳定，工程投资少的目的。废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。同时，SBR废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高SBR废水处理的效率，方便操作和使用。 SBR废水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。SBR废水处理系统示意图如图11-1所示。 图11-1 SBR废水处理系统示意图 污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。 污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间一般需要6～8h。在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。经过0.5h的水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停止运行。这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。 如上所示，当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。如此循环往复。 SBR废水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求要求有所不同，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。 2．SBR废水处理系统动力设备 SBR废水处理系统中所使用的动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀），均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V选配）选配防水防潮型。 1#清水泵：立式离心泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，1kW。 2#清水泵：立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。 曝气罗茨风机：TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。 电动阀：阀体D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置LQ20-1，AC380V，60W。 3．SBR废水处理电气控制系统设计要求 1) 控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。 2) 可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。 3) 电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。 4) PLC的接地应按手册中的要求设计，并在图中表示或说明。 5) 为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。 6) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。 7) 选择电器元件、编制元器件目录表。 8) 绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。 9) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。 二、SBR废水处理电气控制系统总体设计过程 1．总体方案说明 1) SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用正、反转控制。 2) 污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。 3) 电动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC控制电路考虑该信号逻辑关系。 4) 1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。 5) 罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。 6) 主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。 7) 电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。 8) PLC选用继电器输出型。 9) PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。 2．SBR废水处理电气控制原理图设计 (1) 主电路设计 SBR废水处理电气控制系统主电路如图11-2所示。 图11-2 SBR废水处理电气控制系统主电路 1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3；交流接触器KM4、KM5控制电动阀电动机M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。 2) 电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。电动阀电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实现双重保护。 3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。 4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。 (2) 交流控制电路设计 SBR废水处理系统交流控制电路如图11-3所示。 图11-3 SBR废水处理系统交流控制电路 1) 控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。 2) 隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。 3) 1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。 4) 4台电动机M1、M2、M3、M4的过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。 5) 上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。 (3) 主要参数计算 1) 断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。SBR废水处理系统有3kW负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求4台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF： IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用IQF＝10A的断路器。 2) 熔断器FU熔体额定电流IFU。以曝气风机为例，IFU≥2IN＝2×2.5A＝5A，选用5A的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。控制回路熔体额定电流选用2A。 3) 热继电器的选择请参考有关技术手册，自行计算参数。 (4) PLC控制电路设计 包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。 1) 硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。 2) 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图11-4为SBR废水处理系统PLC控制电路原理图，L6作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路的负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。 图11-4 SBR废水处理系统PLC控制电路原理图 3) KM4和KM5接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。 4) PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（＋）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。 5) PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。 表11-1和表11-2分别为SBR废水处理系统PLC输入和输出接口功能表。 表11-1 SBR废水处理系统PLC输入接口功能表 序号 工位名称 文字符号 输入口 1 污水池高水位开关信号 H1 X000 2 污水池低水位开关信号 L1 X001 3 清水池高水位开关信号 H2 X002 4 清水池低水位开关信号 L2 X003 5 中水箱高水位开关信号 H3 X004 6 中水箱低水位开关信号 L3 X005 7 起动按钮（绿色） SB1 X006 8 停止按钮（红色） SB2 X007 9 旋钮开关（自动） SB3-1 X010 10 旋钮开关（手动） SB3-2 X011 11 手动开电动阀旋钮开关 SB4 X012 12 手动关电动阀旋钮开关 SB5 X013 13 1#清水泵手动旋钮开关 SB6 X014 14 2#清水泵手动旋钮开关 SB7 X015 15 电动阀门开起限位开关 SQ1 X016 16 电动阀门关闭限位开关 SQ2 X017 17 电动阀电动机故障报警 FR0 X020 18 电动机热保护器报警 KA1 X021 19 曝气风机手动旋钮开关 SB8 X022 20 输入点备用 表11-2 SBR废水处理系统PLC输出接口功能表 序号 工位名称 文字符号 输入口 1 1#清水泵接触器 KM1 Y000 2 2#清水泵接触器 KM2 Y001 3 污水池高水位红色指示灯 HL7 Y002 4 污水池低水位绿色指示灯 HL8 Y003 5 清水池高水位红色指示灯 HL9 Y004 6 清水池低水位绿色指示灯 HL10 Y005 7 中水箱高水位红色指示灯 HL11 Y006 8 中水箱低水位绿色指示灯 HL12 Y007 （续） 序号 工位名称 文字符号 输入口 9 电动阀门开起绿色指示灯 HL13 Y010 10 电动阀门关闭黄色指示灯 HL14 Y011 11 开电动阀门接触器 KM4 Y012 12 关电动阀门接触器 KM5 Y013 13 电动机热保护器报警红色指示灯 HL6 Y014 14 罗茨风机（曝气风机）接触器 KM3 Y015 15 排空电磁阀继电器 KA3 Y016 16 上水电磁阀继电器 KA2 Y017 17 输出口备用 Y020～Y027 6) 根据上述设计，对照主回路检查交流控制回路、PLC控制回路、各种保护联锁电路、PLC控制程序等，全部符合设计要求后，绘制出最终的电气原理图。 7) 根据设计方案选择的电气元件，编制原理图的元器件目录表，如表11-3所示。 表11-3 SBR废水处理系统元器件目录表 序号 文字符号 名 称 数量 规格型号 备 注 1 M1～M4 电动机 4 Y系列 三相交流异步电动机 2 FR1～FR4 热继电器 4 JR16B-20/3 参照电动机整定电流 3 FU1～FU4 熔断器 12 RL1-15 熔体2～10A 4 FU5、FU6 熔断器 2 RT16-32X 熔体2A 5 QF 断路器 1 C45AD 脱扣电流10A 6 TC 隔离变压器 1 BK-100 变比1：1，AC220V 7 SB1 起动按钮 1 LAY37 绿色 8 SB2 停止按钮 1 LAY37 红色 9 SB3 转换开关 1 LAY37-D2 手动/自动转换 10 SB4～SB8 手动开关 5 LAY37-D2 黑色 11 KM1～KM4 交流接触器 4 DJX-9 线圈电压：AC220V 12 KA1～KA3 中间继电器 3 HH52P 线圈电压：AC220V 13 HL1～HL15 指示灯 15 AD16-22 LED显示，AC220V 14 YA1 电磁阀 1 ZCT-50A 线圈电压：AC220V 15 YA2 电磁阀 1 ZCT-15A 线圈电压：AC220V 16 YA3 电动阀门装置 1 LQA20-1 AC380，60W 17 PLC 可编程序控制器 1 FX2N-48MR 继电器输出 (5) PLC控制程序设计 1) 程序设计。根据控制要求，建立SBR废水处理系统控制流程图，如图11-5所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。 2) 系统静态调试。空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。 3) 系统动态调试及运行。在动态带负载状态下调试，密切观察系统的运行状态，采用先手动再自动的调试方法，逐步进行。遇到问题及时停机，分析产生问题的原因，提出解决问题的方法，同时做好详尽，以备分析和改进。 图11-5 SBR废水处理系统控制流程图 SBR废水处理系统PLC控制程序如图11-6所示。 图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序 图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序（续1） 图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序（续2） 图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序（续3） 图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序（续4） 图11-6 SBR废水处理系统PLC控制梯形图程序（续5） 3．SBR废水处理系统电气工艺设计 按设计要求设计绘制电气装置总体配置图、电器板电器元器件平面图、控制面板电器平面图及相关电气接线图。 1) 先根据控制系统要求和电气设备的结构，确定电器元器件的总体布局以及电控箱内装配板与控制面板上应安装的电器元件。本系统除电控箱外，在污水处理设备现场设计安装的电器元件和动力设备有：电磁阀、水位开关、电动机、电动阀（含阀位控制器）等。电控箱内电器板上安装的电器元件有：断路器、熔断器、隔离变压器、PLC、接触器、中间继电器、热继电器和端子板等。在控制面板上设计安装的电器元件有：控制按钮、旋钮开关、各色指示灯等。 2) 依据用户要求满足操作方便、美观大方、布局均匀对称等设计原则，绘制电控箱电器板元件布置图、电器面板元件布置图、电气接线图等，如图11-7～图11-8所示。进出引线采用接线端子板连接，接线图略。 3) 依据电器元件布置图及电器元器件的外形尺寸、安装尺寸，绘制电器板（绝缘板、镀锌铁板或架）、控制面板（有机玻璃板、铝板或铁板等）、垫板（有机械强度的绝缘板或镀锌板）等零部件加工图。图中应注明外形尺寸、安装孔径、定位尺寸与公差、板材厚度以及加工要求等。本设计所涉及的钣金加工技术图从略。 4) 依据电器安装板、控制面板尺寸设计电控箱，绘制电控箱安装图。本设计从略。 至此，基本完成了SBR废水处理系统要求的电气控制原理设计和工艺设计任务。 图11-7 电控箱电器板元件布置图 图11-8 电控箱电器面板元件布置图 4．编写设计说明书、使用说明书和项目设计小结 1) 依据原理设计的过程，编写设计说明书，说明书包括如下主要内容： ① 总体设计方案的选择说明。 ② 原理电路的设计说明，各控制要求如何实现。 ③ 电气系统中主要参数的计算，主要元件的选择及说明，编制元件明细表。 ④ 附上原理图及规定完成的工艺图。 2) 依据原理设计图及控制要求编写使用说明书，说明书包括如下主要内容： ① 本设备的实际用途、功能特点。 ② 系统工作原理简介。 ③ 使用与维护注意事项。 5．设计用参考资料 ① 工厂电气控制设备 ② 电气控制与可编程序控制器 ③ 电气工程手册 ④ 三菱微型可编程序控制器手册 ⑤ 工厂常用电气设备手册 ⑥ 其他有关产品使用手册 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 文字符号 说 明 文字符号 说 明 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： ① 拖动电动机M：5.5kW，AC380V，11.6A，1440r/min。 ② 指示灯H：0.25W，DC24V。 ③ 电铃HA：8W，AC220V。 ④ 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： ① 设计过程和有关说明。 ② 基于PLC的电梯电气控制系统电路图。 ③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。 ④ 电器元器件的选择和有关计算。 ⑤ 电气设备明细表。 ⑥ 参考资料、参考书及参考手册。 ⑦ 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。 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 出 文字符号 说 明 文字符号 说 明 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： ① 设计过程和有关说明。 ② 基于PLC的十字路口交通灯电气控制电路图。 ③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。 ④ 电器元器件的选择和有关计算。 ⑤ 电气设备明细表。 ⑥ 参考资料、参考书及参考手册。 ⑦ 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、锅炉车间输煤机组控制 1．输煤机组控制系统 输煤机组控制系统示意图如图11-10所示，输煤机组控制信号说明见表11-6。 图11-10 输煤机组控制系统示意图 表11-6 输煤机组控制信号说明 输 入 输 出 文字符号 说 明 文字符号 说 明 SA1-1 输煤机组手动控制开关 KM1 给料器和磁选料器接触器 SA1-2 输煤机组自动控制开关 KM2 1#送煤机接触器 SB1 输煤机组自动开车按钮 KM3 破碎机接触器 SB2 输煤机组自动停车按钮 KM4 提升机接触器 SB3 输煤机组紧急停车按钮 KM5 2#送煤机接触器 SB4 给料器和磁选料器手动按钮 KM6 回收机接触器 SB5 1#送煤机手动按钮 HL7 手动运行指示灯 SB6 破碎机手动按钮 HL8 紧急停车指示灯 SB7 提升机手动按钮 HL9 系统正常运行指示灯 SB8 2#送煤机手动按钮 HL10 系统故障指示灯 SB9 回收机手动按钮 HA 报警电铃 KM M1～M6，YA运行正常信号 HL1～6 输煤机组单机运行指示 FR M1～M6，YA过载保护信号 输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员物煤机准备起动请注意安全。HL1～HL6为Ml～M6电动机运行指示，HL7为手动运行指示，HL8为紧急停车指示，HL9为系统运行正常指示，HL10为系统故障指示。 2．输煤机组控制要求 (1) 手动开车/停车功能 SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，通过SB4～SB9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。 (2) 自动开车/停车功能 SA1手柄指向右45º时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。 1) 正常开车 按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后，回收电动机M6起动运行并点亮HL6指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机起动运行并点亮HL5指示灯；10s后，提升电动机M4起动运行并点亮HL4指示灯；10s后，破碎电动机M3起动运行并点亮HL3指示灯；10s后，1#送煤电动机M2起动运行并点亮HL2指示灯；10s后，给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并点亮HL1指示灯；10s后，点亮HL9系统正常运行指示灯，输煤机组正常运行。 2) 正常停车 按下自动开车按钮SB2，音响提示5s后，给料器电动机M1和磁选料器YA停车并熄灭HL1指示灯，同时，熄灭HL9系统正常运行指示灯；10s后，1#送煤电动机M2停车并熄灭HL2指示灯；10s后，破碎电动机M3停车并熄灭HL3指示灯；10s后，提升电动机M4停车并熄灭HL4指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机停车并熄灭HL5指示灯；10s后，回收电动机M6停车并熄灭HL6指示灯；输煤机组全部正常停车。 3) 过载保护 输煤机组有三相异步电动机M1～M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示。系统故障指示灯HL10点亮，HA电铃断续报警20s，HL10一直点亮直到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。 4) 紧急停车 输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下红色蘑菇形紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL8连续闪亮直到事故处理完毕，回复正常生产。 5) 系统正常运行指示 输煤机组中，拖动电动机M1～M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL9指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，系统故障指示灯HL10点亮，输煤机组停车。 (3) 相关参数 1) M1～M6及磁选料器YA功率如图11-11中所示。 2) 指示灯HL：0.25W，DC24V。 3) 电铃HA：8W，AC220V。 3．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) 根据控制要求，编制输煤机组PLC控制程序，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： ① 设计过程和有关说明。 ② 基于PLC的输煤机组电气控制系统电路图。 ③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。 ④ 电器元器件的选择和有关计算。 ⑤ 电气设备明细表。 ⑥ 参考资料、参考书及参考手册。 ⑦ 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、千斤顶液压缸加工机床电气控制 1．机床概况 本机床用于千斤顶液压缸两个端面的加工，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头同时进行切削。动力头的快进、工进及快退由液压缸驱动。液压系统采用两位四通电磁阀控制，并用调整死挡铁的方法实现位置控制。 机床的工作程序是： (1) 工件定位 人工将零件装入夹具后，定位液压缸动作，工件定位。 (2) 工件夹紧 零件定位后，延时15s，夹紧液压缸动作使零件固定在夹具内，同时定位液压缸退出以保证滑台入位。 (3) 滑台入位 滑台带动动力头一起快速进入加工位置。 (4) 加工零件 左右动力头进行两端面切削加工，动力头到达加工终点位置即停止工进，延时30s后停转，快速退回原位。 (5) 滑台复位 左右动力头退回原位后，滑台复位。 (6) 夹具松开 当滑台复位后夹具松开，取出零件。 以上各种动作由电磁阀控制，电磁阀动作要求见表11-7。 表11-7 电磁阀动作要求 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 定位 ＋ 夹紧 ＋ 入位 ＋ ＋ 工进 ＋ 退位 ＋ 复位放松 注：“+”号表示电磁阀得电。 2．控制要求 (1) 左右动力头旋转切削由电动机M1集中传动，切削时冷却泵电动机同时运转。 (2) 只有在液压泵电动机M3工作，油压达到一定压力（压力继电器检测）后，才能进行其他的控制。 (3) 机床即能半自动循环工作，又能对各个动作单独进行调整。 (4) 要求有必要的电气连锁与保护，还有显示与安全照明。 (5) 控制信号说明如表11-8所示。 表11-8 控制信号说明 输 入 输 出 文字符号 说 明 文字符号 说 明 SA1-1 机床半自动循环控制转换开关 KM1 动力头M1、冷却泵M2接触器 SA2-1 手动定位控制转换开关 KM2 液压泵M3接触器 SA3-1 手动入位控制转换开关 YV1 1#电磁阀 SA3-2 手动工进控制转换开关 YV2 2#电磁阀 SA3-3 手动退位控制转换开关 YV3 3#电磁阀 SB1 动力头M1、冷却泵M2起动按钮 YV4 4#电磁阀 SB2 动力头M1、冷却泵M2停止按钮 YV5 5#电磁阀 SB3 液压泵M3起动按钮 HL1 动力头M1、冷却泵M2运行指示 SB4 液压泵M3停止按钮 HL2 液压泵M3运行指示 KM1 动力头M1、冷却泵M2运行信号 HL3 半自动循环工作指示 KM2 液压泵M3运行信号 HL4 定位指示 FR1 动力头M1、冷却泵M2过载信号 HL5 入位指示 KP 压力继电器油压检测信号 HL6 工进指示 SQ 动力头工进终点位置检测信号 HL7 退位指示 HL8 故障指示 6) 相关参数： ① 动力头电动机M1：Y100L-6，1.5 kW，AC380V，4.0A。 ② 冷却泵电动机M2：JCB-22，0.15kW，AC380V，0.43A。 ③ 液压泵电动机M3：Y801-4，0.55kW，AC380V，1.6A。 ④ 电磁阀YV1～YV5：100mA，AC220V。 ⑤ 指示灯HL1～HL8：10mA，DC24V；安全照明：10W，6.3V。 3．设计任务 1) 根据控制要求，进行机床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，编制机床控制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： ① 设计过程和有关说明。 ② 基于PLC的机床电气控制系统电路图。 ③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。 ④ 电器元器件的选择和有关计算。 ⑤ 电气设备明细表。 ⑥ 参考资料、参考书及参考手册。 ⑦ 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、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。 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380V/60W、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 文字符号 说 明 文字符号 说 明 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 SB4 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) 编写设计说明书，内容包括： ① 设计过程和有关说明。 ② 基于PLC的旋转式滤水器电气控制系统电路图。 ③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。 ④ 电器元器件的选择和有关计算。 ⑤ 电气设备明细表。 ⑥ 参考资料、参考书及参考手册。 ⑦ 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、抢答器PLC控制系统设计 1．设备概况 实用抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目，都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。目前市场上已有的各种各样的智力竞赛抢答器绝大多数是早期设计的，只具有抢答锁定功能的一个电路，以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品，这部分抢答器已相当成熟。现在的抢答器具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能。但功能越多的电路相对来说就越复杂，且成本偏高，故障高，显示方式简单(有的甚至没有显示电路)，无法判断提前抢按按钮的行为，不便于电路升级换代。本设计要求就是利用PLC作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用PLC本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开。 2．控制要求 1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。 2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。 3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。 4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。 5）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。 6）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。 3．设计任务 1) 根据控制要求，进行抢答器PLC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，编制抢答器PLC控制应用程序。 3) 编写设计说明书，内容包括： ① 设计过程和有关说明。 ② 基于PLC的抢答器电气控制系统电路图。 ③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。 ④ 电器元器件的选择和有关计算。 ⑤ 电气设备明细表。 ⑥ 参考资料、参考书及参考手册。 ⑦ 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。 七、卧式车床电气控制系统 1．设备概况 车床是机床中应用最广泛的一种，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹。车床在加工工件时，随着工件材料和材质的不同，应选择合适的主轴转速及进给速度。但目前中小型车床多采用不变速的异步电动机拖动，它的变速是靠齿轮箱的有级调速来实现的，所以它的控制电路比较简单。为满足加工的需要，主轴的旋转运动有时需要正转或反转，这个要求一般是通过改变主轴