任务2 用PLC设计改装基本电气控制线路

【任务目标】

1.熟悉FX2N系列PLC的编程元件及指令。

2.会应用GX—Developer(或Fx—win—C)软件。

3.明确PLC改装继电－接触式电气控制线路步骤方法和注意事项。

4.能分析双速电机低速、高速自动变速线路的工作原理。

5.能用PLC设计双速电机低速、高速自动变速线路

6.能安装和调试PLC控制的双速电机低速、高速自动变速线路

7.能查阅相关资料、提高工作的能力和团队协作的品质。

8.遵守“7Ｓ”管理规定，做到文明操作。

【任务描述】

用PLC改造图3－2－1所示的双速电机自动控制的基本电气控制线路，并且进行安装与调试，具体要求如下：

图3－2－1   双速电机自动控制的基本电气控制线路

1.列出PLC控制I／O口（输入/输出）元件地址分配表，画出主电路电路图及PLC控制I／O口（输入/输出）接线图，设计梯形图根据梯形图，列出指令表。

2. 按电路图及ＰＬＣ控制I/O接线图，在模拟配线板上安装接线，配线板上正确安装，元件在配线板上布置要合理，安装要准确、紧固，配线导线要紧固、美观，导线要进行线槽，导线要有端子标号，引出端要用别径压端子。

3.用GX—Developer(或Fx—win—C)软件编写程序，能正确地编写程序并输入到PLC中，按照被控设备的动作要求进行模拟调试，达到设计要求。

4.通电试验：正确使用电工工具及万用表，进行仔细检查，通电试验，并注意人身和设备安全。

5.计划工时240min。

【任务分析】

PLC是可编程序控制器（Programmable Logic Control）英文简称，是一种通用的工业计算机，目前的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备。用PLC改造继电-接触式电气控制线路是企业电气设备转型升级的重要标志，也是现代电气技术人员必须要掌握一项技术技能。完成本任务首先是在掌握了PLC相关基础知识的前提下进行，再来学习用PLC改造电气控制线路步骤方法和注意事项，重点是学习如何把继电-接触式电路“翻译”成梯形图，然后，把梯形图程序输入，进行安装和调试。

【相关知识】

一、FX2N系列PLC介绍

PLC的品种繁多、型号各异，不同的生产厂家产品的型号、规格和性能也各不相同。FX2N系列PLC是三菱公司小型PLC的代表产品。FX2N主要编程元件介绍如下：

1.输入继电器和输出继电器

（1）输入端：是PLC从外部接受信号的接口，与输入端连接的输入继电器(X)是电子继电器。若外部输入开关闭合，输入继电器动作，对应输入点的指示发光二极管点亮。

（2）输出端：是PLC向外部负载输出信号的接口，输出继电器的输出触点接到PLC的输出端上。若输出继电器动作，其输出触点闭合，对应输出点的指示发光二极管点亮。

（３）输入、输出继电器编号：按八进制编号，如X000～X007、X010～X017，Y000～Y007、Y010～Y017等。

2.辅助继电器

（１）辅助继电器的应用：逻辑运算中经常需要一些中间继电器作为辅助运算用。这些继电器不能直接对外输入／输出，只能作状态暂存、移动运算等。

（２）辅助继电器特点：辅助继电器的触点(包括常开触点和常闭触点)在PLC内部可自由使用，而且使用次数不限，但这些触点不能直接驱动外部负载。辅助继电器由PLC内各元件的触点驱动，因而在输出端上就找不到它们，但可以通过它们的触点驱动输出继电器，再通过输出继电器驱动外部负载。

（３）辅助继电器分以下三种类型：

①普通用途的辅助继电器：M0～M499，共500点。

②具有停电保持功能的辅助继电器：M500～M1023，共524点。即使PLC停电，这些辅助继电器也能保持动作状态，故称停电保持继电器，它们在某些需停电保持的场合很有用。

③特殊功能辅助继电器：M8000～M8255，共256点。这些辅助继电器与PLC的状态、时钟、标志、运行方式、步进顺控、中断、出错检测、通信、扩展和高速计数等有密切关系，在PLC的应用中起着非常重要的作用。

3.定时器

（１）定时器三个要素：使用定时器时应掌握其设定值、当前值和定时器触点三个要素。

（２）定时器类型

0.1s单位设定计时用定时器：TO～T199，共200点，定时范围为0.1～3276.7s。

0.01s单位设定计时用定时器：T200～T245，共46点，定时范围为0.01～327.67s。

0.001s积算型定时器(停电记忆)：T246～T249，4点，定时范围为0.001-32.767s。

0．1s积算型定时器(停电记忆)：T250～T255，6点，定时范围为0.1-3276.7s。

（３）定时器精度确定规律

根据脉冲时间来确定，时钟脉冲的时间是多少,则其精度就是多少。如：T246---T249的时钟脉冲是0.001s的时间脉冲,则其精度可以精确到千分位。

（４）在给出延时时间和定时器类型（或编号）的情况下如何确定定时器的K值

假设要求延时5秒，则对于0.1s 型，K=5÷0.1=50； 对于0.01s 型，K=5÷0.01=500 ；对于0.001ms 型，K=5÷0.001=5000

（5）在给出K值和定时器的类型（或编号）的情况下，如何确定时间

假设K值为20，则   对于0.1s  型，T=20*0.1=2s；对于0.01s 型，T=20*0.01=0.2 s；对于0.001s型，T=20*0.001=0.02s

4.计数器

  　（１）16位双向计数器

通用计数器：C0～C99，计数范围1～32767，共100点。停电保持用计数器：C100～199，计数范围1～32767，共100点。

（２）32位双向计数器

通用：C200～C219，计数范围-21474838～21474837，共20点。  停电保持用：C220～C234，计数范围-21474838-21474837，共15点。

（３）高速计数器：C235～C255，共21点。

计数器使用时应注意：一是计数器的复位；二是计数频率较高时应采用高速计数模块。

二、改造方法与步骤

在用PLC改造继电-接触式电气控制线路时，我们可以将PLC想像成一个继电-接触式控制系统的控制箱，PLC的内部程序（梯形图）就是这个控制箱的内部“线路图”，PLC的输入和输出继电器就是这个控制箱与外部世界联系的“中间继电器”，这样我们就可以用分析继电-接触式电路的方法来分析PLC的控制系统了。具体步骤如下：

1.确定PLC输入信号和输出负载，以及它们对应的梯形图中的输入继电器、输出继电器的元件编号（即进行I/O分配），同时画出PLC的接线图。

（1）输入点的确定

按钮、控制开关、限位开关，接近开关等用来给PLC提供控制命令和反馈信号的元件，它们的触点应接在PLC的输入端。

（２）输出点的确定

在主电路中有触点的接触器，电磁阀等元件的线圈，应用PLC的输出继电器控制。

（３）在主电路中没有触点存在的中间继电器（KA）以及时间继电器（KT）可以用PLC内部的辅助继电器（M）和定时器（T）来完成。

2.根据继电器电路图,写出各线圈的逻辑表达式

（１）应该指出的是，对于经验丰富的设计人员根据继电器电路图是可以直接写出梯形图的，但这一方法难度较大，而且在设计过程中很容易出现遗漏和错误。

（２）能用逻辑表达式表示继电器电路的原因是：

由于继电器电路中的元件只有两种工作状态，或是通电或是断电，而逻辑代数中也只有两种编码或为1或为0，所以继电器电路完全可以用逻辑代数式来表达。

（３）具体做法是线圈为单位，分别考虑继电器电路图中每个线圈受到哪些触点和电路的控制，以此为依据写出逻辑表达式。

3.根据I/O分配将逻辑表达式中的各元件的线圈和触点用对应的输入和输出继电器来代替。

4.根据转化生成的逻辑表达式画出梯形图。

三、利用PLC改造电气线路应注意的问题

1.关于中间单元的设置

在梯形图中，若多个线圈都受某一组串联或并联触点的控制，为了简化梯形图在梯形图中可设置用该组电路控制的辅助继电器，再利用该辅助继电器的常开触点去控制各个线圈。

2.常闭触点提供的输入信号的处理

设计输入电路时，应尽量采用常开触点，如果只能使用常闭触点（如在实际线路中的保护元件和停止按钮）提供输入信号，则在梯形图中对应触点类型应与继电-接触式电路图中的触点的类型相反。

3.热继电器的使用

如果热继电器属于自动复位型，其常闭触点提供的过载信号必须通过PLC的输入电路提供给PLC，并在梯形图中通过程序的设计来实现过载保护；如果热继电器属于手动复位型，其常闭触点可以接在PLC的输入回路中，也可以直接接在PLC的输出回路的公共线上。

4.尽量减少PLC的输入和输出点数

PLC的价格与PLC的I/O点数有关，减少PLC的输入/输出点数是降低硬件成本的主要措施。

（１）某些器件的触点如果只在继电-接触式电路图中出现一次，并且与PLC输出端的负载串联（如手动复位的热继电器的常闭触点），可以不必将它们作为PLC的输入信号，而是将它们放在PLC外部的输出回路中，与相应的外部负载串联。

（２）继电-接触式控制系统中某些相对且比较简单的部分，可以用继电器电路控制，这样同时减少了所需的PLC的输入和输出点数。

5.外部负载的额定电压

PLC的继电器输出模块和双向晶闸管输出模块一般只能驱动额定电压AC 220V 的负载，如果系统原来的交流接触器或继电器的线圈电压为AC380V的应将线圈换成AC 220V，或在PLC外部设置中间继电器。

6.由于PLC程序运行时间较硬件动作快，所以凡继电－接触式电路中有电气联锁机构，在PLC的输入输出回路中仍需要有相应硬件触点进行电气联锁。

【任务实施】

一、准备工具、仪表及器材（表3－2－1）

表3－2－1 工具、仪表及器材一览表

根据控制要求，在双速三相交流异步电动机低速、高速自动变速控制电路中，有4个输入控制元件：停止按钮SB1、低速启动按钮SB2、高速启动按钮SB3和热继电器FR。有3个输出元件：低速控制接触器线圈KM1，高速控制接触器线圈KM2、KM3。编程元件的地址分配表见表3－2－2

表3－2－2　输入/输出元件的地址分配表

本任务用FX2N－16MR型可编程序控制器实现双速三相交流异步电动机低速、高速自动变速控制线路的电路图如图3－2－2所示。

         a) 主电路                             b）输入

             图3－2－2 双速电机自动控制的基本电气控制线路

四、画出梯形图

1.根据继电器电路图,写出各线圈的逻辑表达式

应该指出的是，对于经验丰富的设计人员根据继电器电路图是可以直接写出梯形图的，但这一方法难度较大，而且在设计过程中很容易出现遗漏和错误。

用逻辑表达式表示继电器电路的原因是由于继电器电路中的元件只有两种工作状态，或是通电或是断电，而逻辑代数中也只有两种编码或为1或为0，所以继电器电路完全可以用逻辑代数式来表达。

具体做法是线圈为单位，分别考虑继电器电路图中每个线圈受到哪些触点和电路的控制，以此为依据写出逻辑表达式。

  　以线圈KM1为例，对该线圈有影响的元件的联接关系是：SB3与KA常开触点并联后与KT的瞬时常开触点串联，再与KM1的常开触点并联，再与KT的延时断开常闭触点串联，再与SB2并联，之后这一块电路与FR的常闭触点、SB1的常闭触点、KM2的常闭触点，以及KM3的常闭触点串联。所以它的逻辑表达式为

其它线圈的表达式为

2.根据I/O分配将逻辑表达式中的各元件的线圈和触点用对应的输入和输出继电器来代替。

该例中有两点需要说明：

（1）在KM1的表达式中的KT常开触点是一个时间继电器的瞬时触点，而在PLC的时间继电器（定时器）上并没有提供瞬时触点，我们可以通过自己设计程序来做出时间继电器的瞬时触点，具体做法是在用一个辅助继电器与时间继电器的线圈并联，由于这两个线圈是可以同时得电，所以辅助继电器的触点就可以当作时间继电器的瞬时触点使用了。本例中用M1线圈与时间继电器线圈并联，M1为时间继电器的瞬时触点。

（２）由于I/O图中停止按钮与热继电器是用常闭触头，所以梯形图继电器则要用常开触头来表达，表达式中的KA我们用M0来代替，KT我们用T0来代替

表达式为：

3.将转化生成的逻辑表达式画出梯形图，见图3－2－3所示

梯形图所对应的指令语句见表3－2－3

图3－2－3　双速电机低速、高速自动变速线路梯形图

　　表3－2－3　双速电机低速、高速自动变速线路指令表

五、程序输入

1.在断电状态下，连接好PC/PPI电缆。

2.打开PLC的前盖，将运行模式的选择开关拨到STOP位置，此时PLC处于停止状态，可以进行程序编写。

3.在作为编程器的PC上，运行MELSOFT系列GX-Developer编程软件。

4.用菜单命令[工程]-[创新工程]，生成一个新项目；或者用菜单命令[工程]-[打开工程]，打开一个已有的项目，或者用菜单命令[工程]-[另存工程为]，修改项目的名称。

5.用菜单命令[工程]-[改变PLC类型]，重新设置PLC的型号。    

6.用菜单命令[在线]-[传输设置]，设置通信参数。

7.编写三相交流异步电动机低速、高速自动变速控制线路PLC程序。

六、系统调试

1.在教师的现场监护下进行通电调试，验证系统功能是否符合控制要求。

（1）用菜单命令[在线]-[PLC写入]，下载程序文件到PLC。

（2）将PLC运行模式的选择开关拨到RUN位置，使PLC进入运行方式。

（3）按下启动按钮SB2，观察电动机是否能够低速启动运行，如果能，则说明低速运行程序正确。

（4）按下启动按钮SB3，观察电动机是否能够低速启动运行，5S后，观察电动机是否能转为高速运行，如果能，则说明高速启动运行程序也正确。

（5）按下停止按钮SB1，观察电动机是否能够停车，如果能，则说明停止程序正确。

（6）按下热继电器FR，观察电动机是否能够停车，如果能，则说明过载保护程序正确。

2.如果出现故障，学生应检修。电路检修完毕并且梯形图修改完毕后，应重新调试，直至系统能够正常工作。

【任务评价】

见配套教材《电气控制线路安装与维修工作页》。

【任务拓展】

用PLC改造绕线式交流异步电动机自动启动控制电路，见图3-2-4所示，要求增加点动功能和指示功能，并且进行安装与调试。具体要求：

1.列出PLC控制I／O口（输入/输出）元件地址分配表，画出主电路电路图及PLC控制I／O口（输入/输出）接线图，设计梯形图根据梯形图，列出指令表。

2. 按电路图及ＰＬＣ控制I/O接线图，在模拟配线板上安装接线，配线板上正确安装，元件在配线板上布置要合理，安装要准确、紧固，配线导线要紧固、美观，导线要进行线槽，导线要有端子标号，引出端要用别径压端子。

3.用GX—Developer(或Fx—win—C)软件编写程序，能正确地编写程序并输入到PLC中，按照被控设备的动作要求进行模拟调试，达到设计要求。

4.通电试验：正确使用电工工具及万用表，进行仔细检查，通电试验，并注意人身和设备安全。

5.时间240min。

图3-2-4 时间继电器控制绕线式异步电动机启动控制线路