《PLC课程设计》指导书S72年.docx

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《PLC课程设计》指导书S72年

第1章PLC控制系统的设计与应用概述

在进行了PLC的基础及应用实验后，在掌握指令基本应用的基础上，通过本次综合实训项目的设计训练，达到提高综合应用所学的理论知识分析和解决工程实际问题的能力，巩固、深化和拓展知识面。

本章实训的内容是结合生产实际设计工业控制小系统，进一步巩固和深化电气控制技术及PLC的理论知识。

在实训过程中，要注意掌握工艺过程的分析方法、用PLC设计电控系统的设计原则，设计步骤、程序设计和程序调试方法，从而熟悉用PLC实现工业工艺电控系统设计的全过程。

1.1PLC控制系统的设计原则

（1）选用的PLC必须满足控制系统中各种被控对象的控制要求；

（2）选用的PLC要着眼于今后系统的扩展需要；

（3）具有较好的性价比。

1.2PLC控制系统的设计步骤

（1）工艺分析：

分析被控对象的控制要求，确定输入/输出的类型（DI/DO、AI/AO及特殊功能模块）及I/O点数，并注意留有充分的余地；

（2）在性价比变化不大的情况下，应选用高一档次的机型（如选S7224，不选S7222），同时应考虑同一个厂（或一个车间）选同一机型，便于维护检修及备品备件储备；

（3）编制I/O分配表，绘制PLC控制系统的电气原理图和接线图（即原理设计和工艺设计）；

（4）绘制用户程序的流程图（根据工艺流程进行）；

（5）设计用户程序并进行模拟调试；

（6）现场施工：

控制柜，PLC主机接线，现场输入输出接线，并进行联机调试用户程序；

（7）编制技术文件：

设计说明书和使用说明书；

（8）交付使用

1.3PLC控制系统的类型

（1）单机控制系统

1）被控对象为单一的机械设备或生产流水线，一般不与其它控制系统或计算机通信，但是选用的PLC仍应具备通信功能，以备用；

2）集中控制系统，即一台PLC控制多个被控对象，这种控制系统必要时应采用冗余系统（双机冷备或热备系统）。

（2）分布式控制系统

1）被控对象较多，且经常地交换数据和状态信息；

2）控制器采用若干个相互之间具有通信联网功能的PLC构成，系统的上位机可采用PLC或IPC。

1.4PLC控制器的安装，防干扰措施和维护检修

（1）系统安装

1）考虑的主要因素（环境）是湿度、温度、振动、冲击、腐蚀性气体、过电压以及电磁干扰（具体参数参见有关机器的技术指标）。

2）控制箱的设计原则

①箱体的物理性能满足要求（强度、刚性、气体的流动性、散热要求等）；

②箱体提供的环境，尤其应注意箱体内元件的布置和I/O线、信号线及动力线分开安放。

（2）抗干扰措施

1）控制箱内的布置要求

①主机远离高压和动力线（距离>20cm）；

②I/O线分开走，I线远离动力线；

③不同电源线交叉时按90○敷设；

④PLC主机远离热源安放；

⑤模拟量I/O最好用屏蔽电缆（或双绞线），且和功率I/O的走线分开。

2）电源回路

①采用隔离变压器（加滤波器最佳）对PLC主机和I/O回路供电。

以抑制过电压干扰；

②电源配线宜采用短的双绞线；

③PLC单独接地：

其接地电阻<10Ω（经验数据）；

④注意：

该接地可与仪表盘的地共用，但不允许与高压整流和动力盘共用地线，接地线应采用2mm2以上的电线，尽量短，控制箱也应接地；小型PLC控制系统无接地条件的，可将其接地点悬空。

3）输入/输出回路

①输出回路带电感性负载：

直流负载两端应加装续流二极管，交流负载两端应加装浪涌吸收器（RC或RV压敏电阻）；

②对模拟量信号线必须采用屏蔽双绞线，且屏蔽层只能一端接地，以免形成干扰回路；

③高压线、动力线远离PLC20cm（或对PLC屏蔽），I/O线不能接触CPU电路，扩展I/O的电缆应远离其它线；

④控制箱外部的配线要求动力线、不同电压等级的信号线分开管道敷设，管道要求接地。

（3）维护与检修

定期维护将增加系统运行的可靠性。

1）预防性维护

①保持PLC安装环境空气的清洁；

②定期清除PLC主机及I/O模块的灰尘，改善电子元件的散热条件和防止灰尘的导电性引起短路事故；

③定期检查配线、插头和端子台的接头是否松脱、锈蚀和接触不良；

④5年更换锂电池，并在5分钟内完成；

⑤禁止强干扰靠近PLC，以免损坏PLC内部的电子元器件；

⑥重要设备应使用双机系统（冷备或热备），以便在系统工作的条件下检修故障设备。

2）故障检修

①利用PLC的自诊断指示灯判断故障源；

②利用PLC的I/O指示灯判断故障部位；

③对输出电路首先应观察输出指示灯和熔断器指示灯，然后分级判断故障部位。

第2章PLC课程设计安排

2.1教学内容及要求

2.1.1准备

选题，明确设计任务及要求；学习AUTOCAD的使用。

2.1.2绘制图纸

用AUTOCAD绘制PLC控制系统电气图。

2.1.3PLC应用系统程序设计

用编程软件编写PLC程序

2.1.4应用系统程序调试、修改、测试

对PLC程序进行在线调试，发现问题后进行修改，再调试，再修改，反复进行，直到程序达到最佳效果。

2.1.5演示、检查、答辩、

程序经指导教师检查后，按要求书写设计报告。

2.1.6写设计报告

1.主要内容：

系统设计依据，绘制图纸的有关说明。

2.基本要求：

设计报告包括前言、目录、正文、参考文献等内容，正文采用四级标题如：

11.11.1.11.1.1.1……，前言、目录、参考文献的撰写参考最近出版的教材。

2.2时间安排

序号

项目内容

时间（天）

备注

1

准备

2

包括讲课

2

绘制图纸

2

3

PLC应用系统程序设计

2

4

应用系统程序调试、修改、测试

2

5

演示、检查、答辩

1

6

写设计说明书

1

合计

10

2.3考核

考核内容主要包括出勤率、电气图和程序的正确性、控制效果及设计报告的质量等项目，考核结果采用五级记分制（优、良、中、及格、不及格）。

具体考核内容包括：

考勤（用于扣分）、电气原理图（30%）、PLC程序（40%）和设计报告（30%）。

第3章PLC课程设计项目

3.1翻引纲机械手（简化）PLC控制系统设计

3.1.1目的和要求

1）用PLC实现对翻引纲机械手的控制

2）掌握用PLC设计控制系统对输入和输出信号的确定原则和方法

3）掌握基本逻辑指令的应用和学会使用传感器的检测信号构成故障报警程序的设计方法

4）训练能综合各种信号实现某种控制规律的编程思路和技巧，提高综合分析问题的能力

3.1.2翻引纲机械手简介：

翻引钢机械手为我校为攀钢集团公司开发设计的工程系统，获国家发明奖。

本简化设计采用S7-200PLC作为其控制核心部件与液压系统相配合，使控制方式灵活，实现机、电、液控制的协调和配合。

图3.1是一个简化了的翻引纲机械手的动作原理图及液压系统电磁阀工况表，从图中可见该机械手具有夹持、翻转、引钢、升降、轧件导向及靠钢等功能。

3.1.3翻引钢机械手的控制要求：

（1）工作方式：

主要为手动方式，并配以必要的联动以简化其操作，具体要求是夹持器翻转带自动夹紧，回零位带自动微松功能；夹持器放平、下降带自动松开功能，并自动定位以减少夹持器内部运动部件的碰撞次数，延长其使用寿命。

若先操作夹紧，则随后的翻转和放平操作均处于夹紧状态；若先操作放松，则随后放平操作时仍可处于放松状态；

（2）液压系统要求：

液压系统由三台油泵构成，其中两台泵工作一台泵备用，且要求三台泵均衡运行。

当机械手仅夹紧或放松时一台油泵升压供油，其余油泵处于卸荷状态；当机械手处于翻转、放平、左移或右移时，两台工作泵同时升压供油，达到高速运行之目的。

液压系统具有超压（大于6MPa）、失压（小于2MPa）和液位低保护功能，滤油器堵、和油温高报警指示，油泵电机（11KW异步电动机）可直接启动、但要求液压系统处于自动卸荷状态。

（3）电控系统保护：

有短路保护、零位保护（软件实现）、过载保护及联锁保护，并具有完善的报警指示。

（4）电控系统操作的主令控制器定义如下：

①操作SA1主令控制器，机械手夹持器上升或下降。

②操作SA2主令控制器，机械手夹持器夹紧或松开（到位后自动停止）

③操作SA3主令控制器（不操作SA2）系统会自动使工件被夹紧后翻转，使SA3回零位时夹持器微松（8~12mm可调）。

④操作SA4主令控制器，机械手夹持器左移或右移。

图3.1翻引钢机械手动作原理图

3.1.4课程设计学生完成内容

（1）系统配置

1）PLC选型：

学生根据系统要求及实验条件自行选择

2）根据控制要求编制输入/输出编址表，见表3.1

表3.1翻引钢机械手PLC控制系统输入/输出编址表

输入编址（学生自行确定编址）

输出编址（学生自行确定编址）

报警解除（SB0）

1号油泵电机主电源（KM1）

1号油泵电机启/停（SB1）

2号油泵电机主电源（KM2）

2号油泵电机启/停（SB2）

3号油泵电机主电源（KM3）

3号油泵电机启/停（SB3）

1号油泵卸荷阀（YV1）

1号油泵电机过载（FR1）

2号油泵卸荷阀（YV2）

2号油泵电机过载（FR2）

3号油泵卸荷阀（YV3）

3号油泵电机过载（FR3）

夹持器上升（YV4）

夹持器上升（SA1-1）

夹持器下降（YV5）

夹持器下降（SA1-2）

夹持器夹紧（YV6）

夹持器夹紧（SA2-1）

夹持器松开（YV7）

夹持器松开（SA2-2）

夹持器翻转（YV8）

夹持器翻转（SA3-1）

夹持器放平（YV9）

夹持器放平（SA3-2）

夹持器左移（YV10）

夹持器左移（SA4-1）

夹持器右移（YV11）

夹持器右移（SA4-2）

油温高报警灯（HL1）

液位低（液位传感器）

油泵电机过载指示灯（共用HL2）

油温高（温度传感器）

滤油器堵报警灯（HL3）

滤油器堵（压力传感器）

系统压力高报警灯（HL4）

系统压力超压（>6MPa）

液位低、系统失压报警铃（HA1）

（长鸣为液位低、间鸣为失压）

系统压力失压（<2MPa）

（2）绘制电气原理图

要求：

采用A4图纸，有电机主电路、电源电路、PLC输入电路（8点一张图）、PLC输出电路（8点一张图）

（3）程序流程图设计

（4）程序设计

（5）程序调试

3.2铸造机控制系统设计

3.2.1目的和要求

1）用PLC实现对铸造机的控制

2）掌握用PLC设计控制系统对输入和输出信号的确定原则和方法

3）学会使用传感器的检测信号构成主控程序和故障信号报警程序的设计方法

4）训练用PLC设计控制系统的编程思路和综合分析问题的能力

3.2.2设备概况：

铸造机是一种专用零件铸造的设备，本设备是专为西铝某铸造企业设计的，具有操作简便、可靠性高、等特点。

其构造见图3.2。

下模

该设备采用液压系统驱动，有手动和顺控两种操作方式。

整个工艺流程分为试模、装模、铸造、脱模四个过程，分别为：

1）初始状态：

合模缸退到2位，旋转缸退到位，脱模缸退到位

2）试摸：

发合模缸第一次进指令（按步进按钮）—→合模缸向前进—→上、下模合模压力到上限—→合模缸后退—→合模缸退到1位后停

3）装模：

合模缸退到1位—→人工放入模具—→发合模缸第二次进指令（按步进按钮）—→合模缸从1位向前进—→上、下模合模压力到上限—→旋转缸进（铸模前倾）同时人工倒入铸液—→旋转缸进到位后停

4）铸造：

旋转缸进到位—→铸液凝固（保压一段时间）—→发旋转缸退指令（按步进按钮）—→旋转缸退（铸模后倾）—→旋转缸退到位后停

5）脱模：

旋转缸退到位—→发脱模指令（按步进按钮）—→合模缸后退—→合模缸退到2位后停—→脱模缸进（脱模）—→脱模缸进到位—→脱模缸退—→脱模缸退到位后停—→人工取出铸件

3.2.2控制要求：

（1）开机

①合上PLC控制柜内的所有空气开关，接通PLC电源及直流24V供电电源。

②将手动/顺控转换开关置于手动位置，按下油泵启停按钮，电机在卸荷状态下启动（再次按下油泵启停按钮，油泵电机停止运行），其控制由PLC自动完成，此时可进行铸造机运行操作。

（2）系统运行操作

该系统操作分为手动与顺控两种方式。

①手动方式

将手动顺控转换开关置于手动位置，启动油泵电机，点动运行启/停按钮，运行指示灯点亮，此时，可根据铸造机运行要求操作相应的控制按钮即可，控制按钮信号要自锁；运行中可反复点动运行启/停按钮来停止运行和返回原运行状态。

②顺控方式

进行顺控操作之前，必须用手动方式将铸造机的合模缸退回到尾部位置，再将手动顺控转换开关置于顺控位置，按下步进按钮，系统将从合模缸进1开始按序动作，每一动作完成则自动停止，再次按下步进按钮，系统进入下一工序，以后重复上述过程，直到回到原始位置为止；运行中可反复点动运行启停按钮，来停止运行和返回原运行状态。

（3）系统保护及报警

①系统设有短路保护

②油泵电机设有过载保护和回油滤油器堵指示信号,并设有相应的声音报警，按下报警解除按钮即可解除报警声

③系统设有完善的互锁保护

3.2.3课程设计学生完成内容

（1）系统配置

1）PLC选型：

学生根据系统要求及实验条件自行选择

2）根据控制要求编制输入/输出编址表，见表3.2

表3.2铸造机控制系统输入/输出编址表

输入编址（学生自行确定编址）

输出编址（学生自行确定编址）

脱模缸进按钮（手动）

脱模缸进

合模缸进1按钮（手动）

脱模缸退

合模缸进2按钮（手动）

合模缸进

合模缸退按钮（手动）

合模缸退

旋转缸进按钮（手动）

旋转缸进

旋转缸退按钮（手动）

旋转缸退

手动OFF/顺控ON（转换开关）

卸荷阀

步进按钮

油泵电机

脱模缸进到位（OFF）行程开关

报警电笛

脱模缸退到位（OFF）行程开关

滤油器堵指示灯

合模缸退到2位（OFF）行程开关

运行指示灯

合模缸退到1位（OFF）行程开关

保压灯

旋转缸进到位（OFF）行程开关

油泵电机过载（指示灯）

旋转缸退到位（OFF）行程开关

油泵启/停按钮

油泵电机过载（热继电器）

合模压力上限（压力传感器）

合模压力下限（压力传感器）

滤油器堵（压力传感器）

运行启/停

报警解除按钮

（2）绘制电气原理图

要求：

采用A4图纸，有电机主电路、电源电路、PLC输入电路（8点一张图）、PLC输出电路（8点一张图）

（3）程序流程图设计：

要求采用子程序调用方式完成，主要分为油泵启停及保护、手动、顺控3个子程序

（4）程序设计

（5）程序调试

3.3轴承座翻转机构PLC控制系统设计

3.3.1目的和要求

1）用PLC实现对轴承座翻转机构的控制

2）掌握用PLC设计控制系统对输入和输出信号的确定原则和方法

3）学会使用传感器的检测信号构成主控程序和故障信号报警程序的设计方法

4）训练用PLC设计控制系统的编程思路和综合分析问题的能力

3.3.2设备概况：

在冶金行业，轧制不同的型材或板材需要不同的轧棍，轧棍套于其两端的轴承座内，见图3.3。

当使用一段时间后，或更换不同的轧棍时，都需要对轴承座进行检修。

在检修轴承座前，必须将轴承座从轧棍上拆卸下来。

检修轴承座过程中，需要对轴承座进行翻转，以便拆卸、检查、更换零件和重新装配。

有的轴承座重达十几吨，直径达1200mm，人工难以实行翻转，而且容易发生事故。

为了便于检修、降低劳动强度，增强安全性，越来越多的冶金企业开始采用轴承座拆卸机构和轴承座翻转机构，

设计轴承座翻转机构的PLC控制系统，PLC的控制对象是液压系统，并通过液压系统油缸推动翻转机构正翻或逆翻。

。

技术要求：

①可以在0～90°内任意翻转，耐冲级负荷；

②翻转过程要平稳，不能有突变和蠕动；

③翻转过程中可以随时启停，停在任意位置处，无滑动现象；

④翻转过程中，可以随时改变翻转方向；

⑤具有限位保护，即使限位开关故障，系统仍然可以安全运行；

⑥具有液压系统油位低停车和油温高等报警功能；

⑦电机电源和总电源统一，可以在紧急状态下切断或关机；

图3.3轴承座

图3.4轴承座翻转机构

图3.5液压站

3.3.3控制要求：

整个控制系统由油泵启/停控制、翻转控制、油温控制、报警指示等部分组成。

（1）油泵启停控制

本系统采用一个“油泵启/停”按钮控制油泵电机的交替启停，油泵电机的运行还要受油位下限、电机过载信号的约束，如果油泵电机已经启动，当出现电机过载或油位下限时，应该停油泵电机。

（2）翻转控制

包括左旋（正翻）和右旋（逆翻）两个动作，用“左旋/停”和“右旋/停”按钮分别实现左旋和右旋动作的交替启停控制。

左旋和右旋的控制输出还要受限位信号的约束，如果已经启动左旋或右旋动作，当限位信号有效时，则停止左旋或右旋。

为了确保限位传感器故障时，左旋或右旋到位也能正确停车，采用定时器实现限时到位停车，即无论限位信号是否接通，定时器接通则立即停车。

（3）卸荷阀控制

本系统的卸荷阀采用得电升压、失电卸荷的控制方式，如果系统有左旋或右旋控制输出，则卸荷阀接通。

对于任何液压系统，油泵启动时，应确保卸荷阀处于卸荷状态；没有任何动作时，一般也应该让卸荷阀处于卸荷状态。

（4）油温控制

操作人员可以随时启停加热器和水阀对液压系统的油温进行控制，系统用“加热器启/停”和“水阀启/停”按钮分别控制加热器和水阀的交替启停，同时加热器和水阀的启停还受温度触点信号的控制，即油温高触点接通，则自动接通冷水阀；油温低触点接通，则自动接通加热器。

（5）报警指示

系统的油温指示、液位指示，电机过载指示、滤油器堵指示等。

当这些状态信号由断变通时，相应的指示灯点亮，按“报警解除“按钮则予以确认，相应的报警指示灯熄灭。

即使报警信号没有消除，只要进行了确认，则相应的报警指示灯不再点亮，除非再一次产生报警信号。

如果出现是油位下限和电机过载，则蜂鸣器发出警示。

电机过载报警以2秒为周期间鸣，油位下限报警以1秒为周期间鸣。

3.3.4课程设计学生完成内容

（1）系统配置

1）PLC选型：

学生根据系统要求及实验条件自行选择

2）根据控制要求编制输入/输出编址表，见表3.3

表3.3轴承座翻转机构控制系统输入/输出编址表

输入编址（学生自行确定编址）

输出编址（学生自行确定编址）

油泵启/停SB1

油泵电机M1

翻转机构左旋/停SB2

加热器加热EH1

翻转机构右旋/停SB3

溢流阀YV1

报警解除SB4

翻转机构左旋YV2

翻转机构左旋限位SQ1

翻转机构右旋YV3

翻转机构右旋限位SQ2

冷却水阀YV4

液位上限SL1

左旋限位指示HL5

液位下限SL2

右旋限位指示HL6

滤油器堵SP1

电机过载指示HL7

油温55度ST1

油温高指示HL8

油温35度ST2

油温低指示HL9

油温15度ST3

加热器加热指示HL10

热继电器FR1

液位上限指示HL11

液位下限指示HL12

滤油器堵指示HL13

蜂鸣器FH1

（2）绘制电气原理图

要求：

采用A4图纸，有电机主电路、电源电路、PLC输入电路（8点一张图）、PLC输出电路（8点一张图）

（3）程序流程图设计

（4）程序设计

（5）程序调试

3.4Z3050摇臂钻床控制系统设计

3.4.1目的和要求

1）用PLC实现对Z3050摇臂钻床的控制

2）掌握用PLC改造传统继电控制系统对输入和输出信号的确定原则和方法

3）学会选择关键信号构成主控程序和故障信号报警程序的设计方法

4）训练用PLC改造传统继电器接触器控制系统的编程的思路和综合分析问题的能力

3.4.2机床概况

主轴电机

Z3050型摇臂钻床由底座、内外立柱、摇臂、钻轴箱（主轴箱）、主轴、工作台等组成，见图3.6。

摇臂升降电机

钻轴箱

摇臂

内立柱

摇臂

套筒

外立柱

主轴

图3.6Z3050摇臂钻床外形图

该设备用于单件或批量生产中带有多孔零件的加工。

机床的主要结构运动形式为：

外立柱套在固定在底座上的内立柱上，可绕内立柱回转360度，摇臂一端的套筒部分借助于丝杆，使摇臂可沿外立柱上下移动，摇臂与外立柱一起相对于内立柱回转。

钻轴箱是一个复合部件，它带有主轴部件和主轴旋转及进给运动的全部传动、变速和操作机构，包括主轴电动机在内。

钻轴箱可沿摇臂上的水平导轨作径向移动（手动）。

若要加工时，可利用夹紧机构将钻轴箱紧固在摇臂导轨上，外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行切削加工。

Z3050摇臂钻床有四台电动机，分别为：

1M主轴电动机：

控制主轴的旋转运动及进给运动，单向旋转，采用机械变换实现加工螺纹所需的正、反向旋转。

2M摇臂升降电动机：

控制摇臂的升降运动，双向旋转。

3M液压泵电动机：

控制摇臂的夹紧、放松，主轴箱及摇臂外立柱相对于摇臂内立柱的夹紧和放松，双向旋转。

4M冷却泵电动机：

手动控制，单向旋转。

3.4.3控制要求：

Z3050摇臂钻床继电器控制系统图如图3.7。

（1）控制主轴的旋转运动：

主轴电机由KM1控制，SB2、SB1为启动、停止按钮。

工作流程如下：

接通自动开关QF→按下起动按钮SB2→主电机1M启动，HL3指示灯指示其动作。

按下停止按钮SB1→主电机1M停止

（2）摇臂升降及夹紧、放松控制

摇臂钻床工作时，摇臂应夹紧在外立柱上，在摇臂上升与下降之前，须先松开夹紧装置，当摇臂上升或下降到预定位置时，夹紧装置将摇臂夹紧。

工作流程如下：

1）放松流程：

按下SB3（或SB4）→液压泵电动机3M正转及电磁阀YA通电（高压油经二位六通电磁阀YA进入摇臂松开油缸，推动活塞和菱形块使摇臂松开）→松开到位→行程开关SQ2压合→液压泵3M停止工作。

2）上升（或下降）流程：

SQ2压合→摇臂升降电动机2M启动，带动摇臂上升（或下降）→摇臂上升或下降到预定位置时→松开按钮SB3或SB4→摇臂升降电动机2M断电

3）夹紧流程：

摇臂升降电动机2M断电→KT延时一段时间→液压泵电动机3M反转及电磁阀YA通电（高压油经另一油路流入二位六通电磁阀YA，再进入摇臂夹紧油缸，反向推动活塞和菱形块使摇臂夹紧）→夹紧到位→行程开关SQ3压合→液压泵3M停止工作及电磁阀YA断电。

考虑到摇臂升降有一定的惯性，采用延时保证在摇臂升降完全停止后才夹紧。

延时时间视摩擦情况而定，一般调整在1～3S的范围内。

摇臂夹紧的行程开关SQ3应调整为在摇臂夹紧后动作，如调整不当，则会因SQ3在摇臂夹紧后仍不能动作，使液压泵电动机3M因长期工作而过载。

为防止此故障的产生，在电动机3M为短时运行的情况下，仍对3M采用