项目实训指导书
PLC＋变频器＋触摸屏综合实训
2011.6
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、电梯专业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编写PLC控制流程及控制程序。
⑤设置变频器的控制参数。
⑥设计触摸屏的控制组态。
2、控制系统安装和调试
①安装及接线。
②编写调试流程。
③调试硬件电路和软件程序。
④联机调试、运行。
三、实训的工作量
1、图纸部分
①控制系统电路原理图。 ②控制流程及控制程序。 ③调试流程。
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。
说明书应尽量详尽叙述。
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，对题目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。
4、评分标准
根据实训的效果及实训报告的质量综合评定实训成绩；分优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制。
五、实训参考题目
1、知识竞赛抢答控制系统
设计一个知识竞赛抢答控制系统，要求用PLC和一台GT1000触摸屏进行控制和显示，具体控制要求如下：
1.初中组2人、高中组1人、大学生组2人共3组抢答，竞赛者若要回答主持人所提出的问题时，需抢先按下桌上的按钮。
2.为了给参赛初中组一些优待，初中生2人（SB1和SB2）中任一个人按下按钮时均可抢答，灯HL1亮。为了对大学生组做一定限制，HL3只有在大学生2人（SB4和SB5）按钮同时都按下时才可抢答。
3.若在主持人按下开始按钮后10秒内有人抢答，则幸运彩灯点亮表示庆贺，同时触摸屏显示“抢答成功”，否则若10秒内无人抢答显示“抢答失败”，再过3秒后返回原显示主界面。
4.若有人按下抢答按钮，30秒内回答正确，则给相应的参赛组加一分，若30秒内不能回答正确，则相应的扣除1分。
5. 触摸屏可完成介绍题目、开始抢答、返回、加分、扣分和清零等功能，并可显示各组的总得分。
2、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。
3、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。
模块二 控制方案确定
1、知识竞赛抢答控制系统
设计一个知识竞赛抢答控制系统，要求用PLC和一台GT1000触摸屏进行控制和显示，具体控制要求如下：
1.初中组2人、高中组1人、大学生组2人共3组抢答，竞赛者若要回答主持人所提出的问题时，需抢先按下桌上的按钮。
2.为了给参赛初中组一些优待，初中生2人（SB1和SB2）中任一个人按下按钮时均可抢答，灯HL1亮。为了对大学生组做一定限制，HL3只有在大学生2人（SB4和SB5）按钮同时都按下时才可抢答。
3.若在主持人按下开始按钮后10秒内有人抢答，则幸运彩灯点亮表示庆贺，同时触摸屏显示“抢答成功”，否则若10秒内无人抢答显示“抢答失败”，再过3秒后返回原显示主界面。
4.若有人按下抢答按钮，30秒内回答正确，则给相应的参赛组加一分，若30秒内不能回答正确，则相应的扣除1分。
5. 触摸屏可完成介绍题目、开始抢答、返回、加分、扣分和清零等功能，并可显示各组的总得分。
一、分析题目
二、分配I/O
（以变频器恒压供水系统为例）
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Q G＞用水流量Q U，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Q G↓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（Q G=Q U)时为止；反之，当用水流量增加，使Q G<Q U时，则PV↓→MV＝（SP-PV)↑→f↑→n↑→Q G↑→Q G=Q U，又达到新的平衡。
图3-2 变频器PID调节功能
2、“一拖多”恒压供水
实际应用中，单台水泵供水一般不能满足用水要求，常用多泵单变频恒压供水。即是“一拖多”控制方案，这种多台泵调速的方式，系统通过计算判定目前是否已达到设定压力，决定是否增加（投入）或减少（撤出）水泵。即当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将此台泵切换到工频运行，变频器将自动起动第二台水泵，控制其变频运行。此后，如压力仍然达不到要求，则将该泵又切换至工频，变频器起动第三台泵，直到满足设定压力要求为止（最多可控制6台水泵）。反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变频泵转速降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。
由于“一拖多”变频恒压供水系统需要涉及压力PID控制、工频和变频的逻辑切换、轮换控制、巡检控制等功能，所以需要由专门的程序控制来实现。目前流行的“一拖多”变频供水系统主要由以下3种方式：
1）微机控制变频恒压供水系统
此系统以多台水泵并联供水，系统设定一个恒定的压力值，当用水量变化而产生管网压力的变化时，通过远传压力表，将管网压力反馈给PI控制器，通过PI控制器调整变频器的输出频率，调节泵的转速以保持恒压供水；如不能满足供水要求时，则变频器将控制多台变频泵和工频泵的起停而达到恒压变量供水。微机控制变频恒压供水系统如图3-3所示。
图3-3 微机控制变频恒压供水系统
2）PLC控制变频恒压供水系统
PLC控制的恒压变频供水系统与微机控制器类似，所不同的是PLC除了完成供水控制外，还可以完成其他的特殊功能，具有更大的灵活性。
3）供水专用变频器供水系统
采用供水专用的变频器，不需另外配置供水系统的控制，就可完成对由2～6台水泵组成的供水系统的控制，使用相当方便；供水专用变频器=普通变频器+PLC，是集供水控制和供水管理一体化的系统，其内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统，传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入；这些产品将PID调节器及简易的可编程序控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的供水专用变频器，由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程序控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。
变频器供水专用变频器框图如图3-4所示。
图3-4 专用变频器供水框图
二、确定控制方案
由于我院实验室中的变频器为通用型，没有多泵切换功能，故我们采用PLC控制变频恒压供水系统。变频器采用A700，PLC采用FX2N，实现“一拖二”方式。
在加泵过程中,变频器驱动电动机达到额定转速时，变频器内部输出继电器动作，作为一个控制信号将电动机切换到工频电网直接供电运行，而变频器再去启动其他的电动机。以达到电动机软启动和节能的目的，切换过程由PLC控制实现。减泵时，则由PLC控制直接停止工频运行的电动机。采用“启先停”方式。
以电动机M1为例，首先将KM2闭合，M1由变频器恒流启动，当电动机到达50Hz同步转速时，变频器A700内部输出继电器动作，送出一个开关信号给PLC，由PLC控制KM2断开，KM1吸合，电动机M1转由电网供电。以此类推。变频器继续启动其他电动机。如果某台电动机需要调速，则可安排到最后启动，不再切换至电网供电，而由变频器驱动调速。
在本系统的切换中，对变频器的保护是切换控制可靠运行的关键。系统中可采用硬件和软件的双重连锁保护。启动过程中，必须保证每台电动机由零功率开始升速。为减少电流冲击，必须在达到50Hz时才可切换至电网。KM2断开前，必须首先保证变频器没有输出，KM2断开后，才能闭合KM1，KM1和KM2不可同时闭合。PLC控制程序必须有软件连锁。
模块五 系统调试
一、检查线路
①安装好控制柜后，要再检查电器件有无损坏，还要检查接线端有无少接、漏接导线。
②要使用万用表检查整个电路有无短路、开路等故障。可把所有的开关和闸刀闭合，直接在电源进线端测量是否有短路情况。使用万用表的欧姆档时，要注意认真进行欧姆档调零。
③应检查接线正确无误，并尽可能检测电路的功能是否正确。要充分利用万用表的欧姆档的功能，结合原理图的特点检测电路的部分功能。
④对于接触器和控制继电器，应在主触点不带电的情况下，先使吸引线圈通电分合数次，检查其动作是否可靠、无误，然后才能投入使用。对保护用继电器，如过电流继电器及热继电器，应再次检查其整定电流是否符合要求，必须在符合要求后才能投入使用，以保证其保护性能。
⑤重点保证贵重的电器的接线正确，特别是PLC和变频器须保证连接的是单相电。
二、调试控制程序
控制程序调试时要先根据控制工艺要求编写出调试要求，然后根据调试要求进行一一验证控制系统是否满足要求。先把控制器件单独调试，然后再综合调试。
PLC调试时，可以通过PC机在线监控和PLC上的I/O状态灯来直接观察。需要时可把定时器的设定值改小，以便节省调试时间。PLC的模拟输出可直接送给电压表，直接观察输出结果。
变频器调试时，可以采用小电机或无电机调试，但须注意变频器的缺相保护功能。给定目标值和反馈信号可直接由信号源供给，也可以通过电位器模拟给定。
触摸屏的调试必须连接PLC，触摸屏的电源24VDC可直接由PLC的信号电源供给。
三、排除故障
①发现故障，需分析原理图，确定故障所在位置，再利用万用表的欧姆档查找。
②通电调试情况下发现故障，则根据现象判别故障所在位置，可使用静态的欧姆档法，或电压法、替换法、直接法等确认故障点。
③每次修改电路后，都须再检查电路有无短路、开路等故障，并尽可能检测电路的功能后，才允许通电。
四、通电调试
①通电前还须确认电源的相线和零线，电源线连接时要正确无误。
②按照调试要求进行单项和综合的模拟调试。
③调试过程中须注意安全。操作开关和按钮时，不得触碰电器裸露可能带电的金属部分。且须在指导教师的监护下进行。
④调试成功后，还须把控制程序的某些参数更改回正常值。如PLC程序的定时器时间，变频器的缺相自动检测功能。
附录1： 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。
