压力加工设备控制系统设计实训指导书.docx
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压力加工设备控制系统设计实训指导书
压力加工设备控制系统设计
实训指导书
扬州大学机械工程学院
二零一三年十二月
一、实训的目的
本课程设计的目的是通过典型机电控制系统的设计实践,复习、巩固相关课程所学可编程控制器的理论知识,深入理解和掌握S7-200PLC指令系统,并且正确使用该指令系统进行编程。
使学生了解和掌握基于可编程控制器(PLC)的机电控制系统设计的一般步骤、原则和方法,掌握系统总体控制方案的设计、可编程控制器的选择方法、可编程控制器硬件线路的连接、控制程序的设计与调试。
熟悉西门子S7-200CNPLC产品的使用方法和步骤,以及STEP7MicroWINPLC应用程序开发软件的使用和PC对PLC工作状况进行监控的方法,为以后设计和实现可编程控制器(PLC)应用系统打下良好基础。
二、实训的设备
TKPLC-1A型网络型可编程控制器实验装置(西门子)、西门子S7-200CNPLC产品CUP224CN模块、计算机、STEP7MicroWIN软件。
三、实训内容
一)可编程控制器编程的一般步骤
(一)决定系统所需的动作及次序
当使用可编程控制器时,最重要的一环是决定系统所需的输入及输出。
输入及输出要求:
(1)第一步是设定系统输入及输出数目。
(2)第二步是决定控制先后、各器件相应关系以及作出何种反应。
(二)对输入及输出器件编号
第一输入和输出,包括定时器、计数器、内置寄存器等都有一个唯一的对应编号,不能混用。
(三)画出梯形图
根据控制系统的动作要求,画出梯形图。
梯形图设计规则
(1)触点应画在水平线上,并且根据自左至右、自上而下的原则和对输出线圈的控制路径来画。
(2)不包含触点的分支应放在垂直方向,以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。
(3)在有几个串联回路相并联时,应将触点多的那个串联回路放在梯形图的最上面。
在有几个并联回路相串联时,应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。
这种安排所编制的程序简洁明了,语句较少。
(4)不能将触点画在线圈的右边。
(四)通过STEP7MicroWIN软件将梯形图编译转化为可编程控制器能识别的程序,并将下载到PLC系统。
(五)测试控制程序的错误并修改。
(六)保存完整的控制程序。
二)实训课题
实训课题一步进电机驱动控制
本实验在步进电机控制模拟的实验区来完成
一、实验目的
了解PLC在步进电机控制中的应用,掌握PLC编程的思想和方法
二、控制要求
该实验在步进电机的控制区来完成,A、B、C、D为脉冲输入端,其控制要求如下:
A—B—C—D—A—B如此循环。
三、步进电机面板图
四、输入/输出接线列表
备注:
PLC的1L、2L与1M短接
输入
接线
SD
输出
接线
A
B
C
D
I0.0
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
启动
电机绕组
电机绕组
电机绕组
电机绕组
五、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台
2、PC/PPI编程电缆一根
3、锁紧导线若干
六、报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
(请思考:
如果脉冲输入循环为:
A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-……,如何修改程序。
)
实训课题二装配流水线控制的模拟
在装配流水线的模拟控制实验区完成本实验。
一、实验目的
了解移位寄存器在控制系统中的应用及针对位移寄存器指令的编程方法。
二、实验原理
使用移位寄存器指令(SFTR、SFTL),可以大大简化程序设计。
移位寄存器指令的功能如下:
若在输入端输入一连串脉冲信号,在移位脉冲作用下,脉冲信号依次移到移位寄存器的各个继电器中,并将这些继电器的状态输出。
其中,每个继电器可在不同的时间内得到由输入端输入的一连串脉冲信号。
三、控制要求
在本实验中,传送带共有十六个工位。
工件从1号位装入,依次经过2号位、3号位……16号工位。
在这个过程中,工件分别在A(操作1)、B(操作2)、C(操作3)三个工位完成三种装配操作,经最后一个工位后送入仓库。
注:
其它工位均用于传送工件。
四、装配流水线模拟控制的实验面板图
图中左框中的A~H表示动作输出(用LED发光二极管模拟),右侧框中的A~G表示各个不同的操作工位。
五、输入/输出接线列表
输入
接线
启动
移位
复位
I0.0
I0.1
10.2
输出
接线
A
B
C
D
E
F
G
H
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
六、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台;2、PC/PPI编程电缆一根;3、锁紧导线若干
七、报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
实训课题三自动配料/四节传送带的模拟实验
在自动配料\四节传送带的模拟实验区完成本实验。
一、实验目的
通过使用各基本指令,进一步熟悉掌握PLC的编程和程序调试。
二、控制要求
1.自动配料系统由三级传送带、料卡、料位检测与送料、车位和吨位检测等环节组成。
其控制要求如下:
(1)初始状态绿灯L1灭,绿灯L2亮,表明允许汽车开进装料。
电动机M1、M2、M3、M4皆为OFF,
(2)装车系统
进料如料斗中料不满(S1为OFF时),5秒后D4指示灯亮,表示进料;当料满(S1为ON时)终止进料。
装车当汽车开进到装车位置(位置开关SQ1为ON时)红灯L1亮,绿灯L2灭,同时启动M4,2秒后启动M3,2秒后启动M2,在经过2秒启动M1,在经过2秒D2灯亮,表示打开料斗。
当车满时(位置开关SQ2为ON时)D2灯灭,2秒后M1停止,M2在M1停止2S后停止,M3在M2停止2S后停止,M4在M3停止后2秒停止,同时红灯L1灭,绿灯L2亮,表示汽车可以开走。
停机控制系统按下停止按钮SB2整个系统终止运行。
2.四节传送带(图中间部分)有一个用四条皮带运输机的传送系统,分别用四台电动机带动,控制要求如下:
启动(SB1)时先起动最末一条皮带机,经过5秒延时,再依次起动其它皮带机。
停止(SB2)时应先停止最前一条皮带机,待料运送完毕后依次停止其它皮带机。
当某条皮带机发生故障时,该皮带机及其前面的皮带机立即停止,而该皮带机以后的皮带机待运完后才停止。
例如M2故障,M1、M2立即停,经过5秒延时后,M3停,再过5秒,M4停。
当某条皮带机上有重物时,该皮带机前面的皮带机停止,该皮带机运行5秒后停,而该皮带机以后的皮带机待料运完后才停止。
例如,M3上有重物,M1、M2立即停,再过5秒,M4停。
三、自动配料模拟实验面板图:
四、输入/输出接线列表
输入
接线
SD
ST
S1
SQ1
SQ2
A
B
C
D
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
输出
接线
D4
D2
D1
L1
L2
M1
M2
M3
M4
D3
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
Q1.0
五、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台
2、PC/PPI编程电缆一根
3、锁紧导线若干
六、实验报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
实训课题四机械手动作的模拟
在机械手动作的模拟实验区完成本实验
一、实验目的
用数据移位指令来实现机械手动作的模拟。
二、机械结构和控制要求
图中为一个将工件由A处传送到B处的机械手,上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。
当某个电磁阀线圈通电,就一直保持现有的机械动作,例如一旦下降的电磁阀线圈通电,机械手下降,即使线圈再断电,仍保持现有的下降动作状态,直到相反方向的线圈通电为止。
另外,夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成,线圈通电执行夹紧动作,线圈断电时执行放松动作。
设备装有上、下限位和左、右限位开关,它的工作过程如图所示,有八个动作,即为:
原位→下降→夹紧→上升→右移
↑↓
左移←上升←放松←下降
三、机械手动作的模拟实验面板图:
图中的启动、停止用动断按钮来实现,限位开关用钮子开关来模拟,电磁阀的原位指示灯用发光二极管来模拟。
四、输入/输出接线列表
输入
接线
SD
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
输出
接线
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
HL
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
五、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台
2、PC/PPI编程电缆一根
3、锁紧导线若干
六、工作过程分析:
当机械手处于原位时,上升限位开关I0.2、左限位开关I0.4均处于接通(“1”状态),移位寄存器数据输入端接通,使M10.0置“1”,Q0.5线圈接通,原位指示灯亮。
按下启动按钮,I0.0置“1”,产生移位信号,M10.0的“1”态移至M10.1,下降阀输出继电器Q0.0接通,执行下降动作,由于上升限位开关I0.2断开,M10.0置“0”,原位指示灯灭。
当下降到位时,下限位开关I0.1接通,产生移位信号,M10.0的“0”态移位到M10.1,下降阀Q0.0断开,机械手停止下降,M10.1的“1”态移到M10.2,M20.0线圈接通,M20.0动合触点闭合,夹紧电磁阀Q0.1接通,执行夹紧动作,同时启动定时器T37,延时1.7秒。
机械手夹紧工件后,T37动合触点接通,产生移位信号,使M10.3置“1”,“0”态移位至M10.2,上升电磁阀I0.2接通,I0.1断开,执行上升动作。
由于使用S指令,M20.0线圈具有自保持功能,Q0.1保持接通,机械手继续夹紧工作。
当上升到位时,上限位开关I0.2接通,产生移位信号,“0”态移位至M10.3,Q0.2线圈断开,不再上升,同时移位信号使M10.4置“1”态,I0.4断开,右移阀继电器Q0.3接通,执行右移动作。
待移至右限位开关动作位置,I0.3动合触点接通,产生移位信号,使M10.3的“0”态移位到M10.4,Q0.3线圈断开,停止右移,同时M10.4的“1”态已移到M10.5,Q0.0线圈再次接通,执行下降动作。
当下降到使I0.1动合触点接通位置,产生移位信号,“0”态移至M10.5,“1”态移至M10.6,Q0.0线圈断开,停止下降,R指令使M20.0复位,Q0.1线圈断开,机械手松开工作;同时T38启动延时1.5秒,T38动合触点接通,产生移位信号,使M10.6变为“0”态,M10.7为“1”态,Q0.2线圈再度接通,I0.1断开,机械手又上升,行至上限位置,I0.2触点接通,M0.7变为“0”态,M11.0为“1”态,Q0.2开,停止上升,Q0.4线圈接通,I0.3断开,左移。
到达左限位开关位置,I0.4触点接通,M11.0为“0”态,M11.1为“1”态,移位寄存器全部复位,Q0.4线圈断开,机械手回到原位,由于I0.2、I0.4均接通,M10.0被置“1”,完成一个工作周期。
再次按下启动按钮,将重复上述动作。
七、报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
实训课题五轧钢机控制系统模拟
在轧钢机控制系统模拟实验区完成本实验。
一、实验目的
用PLC构成轧钢机控制系统,熟练掌握PLC的编程和程序调试方法。
二、控制要求
当启动按钮SD接通,电机M1、M2运行,传送钢板,检测传送带上有无钢板的传感器S1的信号(即开关为ON),表示有钢板,电机M3正转(MZ灯亮);S1的信号消失(为OFF),检测传送带上钢板到位后的传感器S2有信号(为ON),表示钢板到位,电磁阀动作(YU1灯亮),电机M3反转(MF灯亮)。
Y1给一向下压下量,S2信号消失,S1有信号,电机M3正转……重复上述过程。
Y1第一次接通,发光管A亮,表示有一向下压下量,第二次接通时,A、B亮,表示有两个向下压下量,第三次接通时,A、B、C亮,表示有三个向下压下量,若此时S2有信号,则停机,须重新启动。
三、轧钢机控制系统模拟的实验面板图:
四、输入/输出接线列表
输入
接线
SD
S1
S2
输出
接线
M1
M2
MZ
MF
A
B
C
YU1
I0.0
I0.1
I0.2
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
五、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台
2、PC/PPI编程电缆一根
3、锁紧导线苦干
六、报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
实训课题六运料小车
在运料小车控制模拟实验区完成本实验
一、实验目的
用PLC构成运料小车控制系统,掌握多种主式控制的编程。
二、运料小车实验面板图
三、输入/输出接线列表
输入
接线
SD
ST
ZL
XL
RX
LX
A1
A2
A3
A4
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
启动
停止
装料
卸料
右行
左行
单步
单周期
自动
手动
输出
接线
S1
S2
R1
R2
R3
L1
L2
L3
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
装料
卸料
右行
右行
右行
左行
左行
左行
四、控制要求
系统启动后,选择手动方式(按下微动按钮A4),通过ZL、XL、RX、LX四个开关的状态决定小车的运行方式。
装料开关ZL为ON,系统进入装料状态,灯S1亮,ZL为OFF,右行开关RX为ON,灯R1、R2、R3依次点亮,模拟小车右行,卸料开关XL为ON,小车进入卸料,XL为OFF,左行开关LX为ON,灯L1、L2、L3依次点亮,模拟小车左行。
选择自动方式(按下微动按钮A3),系统进入装料→右行→卸料→装料→左行→卸料→装料循环。
选择单周期方式(按下微动按钮A2),小车运行来回一次。
选择单步方式,按一次微动按钮A1一次,小车运行一步。
五、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台
2、PC/PPI编程电缆一根
3、锁紧导线若干
六、报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
实训课题七三层电梯控制系统的模拟
在三层电梯控制系统的模拟实验区完成本实验
一、实验目的
1、工程实例的模拟,熟练地掌握PLC的编程和程序调试方法。
2、进一步熟悉PLC的I/O连接
3、熟悉四层楼电梯采用轿厢外按钮控制的编程方法。
二、控制要求
电梯由安装在楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵,其操纵内容为电梯运行方向。
电梯轿箱内设有楼层内选按钮S1~S3,用以选择需停靠的楼层。
L1为一层指示、L2为二层指示、L3为三层指示,SQ1~SQ3为到位行程开关。
电梯上升途中只响应上升呼叫,下降途中只响应下降呼叫,任何反方向的呼叫均无效。
例如,电梯停在一层,在三层轿厢外呼叫时,必须按三层上升呼叫按钮,电梯才响应呼叫(从一层运行到三层),按一层下降呼叫按钮,电梯才响应呼叫(从三层运行到一层),按三层上升呼叫按钮无效,依此类推。
三
、电梯控制实验面板图
四、输入/输出的分配如下:
(一)输入
序号
名称
输入点
序号
名称
输入点
0
三层内选按钮S3
I0.0
5
一层上呼按钮U1
I0.5
1
二层内选按钮S2
I0.1
6
二层上呼按钮U2
I0.6
2
一层内选按钮S1
I0.2
7
一层行程开关SQ1
I0.7
3
三层下呼按钮D3
I0.3
8
二层行程开关SQ2
I1.0
4
二层下呼按钮D2
I0.4
9
三层行程开关SQ3
I1.1
(二)输出
序号
名称
输入点
序号
名称
输入点
0
三层指示L3
Q0.0
4
轿箱上升指示UP
Q0.4
1
二层指示L2
Q0.1
5
三层内选指示SL3
Q0.5
2
一层指示L1
Q0.2
6
二层内选指示SL2
Q0.6
3
轿箱下降指示DOWN
Q0.3
7
一层内选指示SL1
Q0.7
五、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台
2、PC/PPI编程电缆一根
3、锁紧导线苦干
六、报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
实训课题八水塔水位控制的模拟控制
在水塔水位控制区完成本实验
一、实验目的
用PLC构成水塔水位自动控制系统。
二、实验内容
当水池水位低于水池低水位界(S4为ON表示),阀Y打开进水(Y为ON)定时器开始定时,4秒后,如果S4还不为OFF,那么阀Y指示灯闪烁,表示阀Y没有进水,出现故障,S3为ON后,阀Y关闭(Y为OFF)。
当S4为OFF时,且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON,电机M运转抽水。
当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止。
3、水塔水位控制的实验面板图:
四、输入/输出接线列表
输入
接线
S1
S2
S3
S4
输出
接线
M1
Y
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
Q0.0
Q0.1
五、实验设备
1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台。
2、PC/PPI编程电缆一根。
3、锁紧导线若干。
六、报告要求
整理出运行和监视程序时出现的现象。
附一:
PLC基础知识
一、PLC的结构及各部分的作用
PLC的类型繁多,功能和指令系统也不尽相同,但结构与工作原理则大同小异,通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如下图所示:
图1-1
1、主机
主机部分包括中央处理器(CPU)、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。
CPU是PLC的核心,它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理,即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作,将结果送到输出端,并响应外部设备(如电脑、打印机等)的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类,一类是系统程序存储器,主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序,系统程序已由厂家固定,用户不能更改;另一类是用户程序及数据存储器,主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2、输入/输出(I/O)接口
I/O接口的PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备(如按钮、传感器、触点、行程开关等)的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备(如接触器、电磁阀、指示灯等)。
I/O接口一般采用光电耦合电路,以减少电磁干扰,从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标,通常小型机有几十个点,中型机有几百个点,大型机将超过千点。
3、电源
图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源,通常也为输入设备提供直流电源。
4、编程
编程是PLC利用外部设备,用户用来输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
通过专用的PC/PPI与电缆线将PLC与电脑联接,并利用专用的软件进行电脑编程和监控。
5、输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元(即主机)连接在一起。
6、外部设备接口
此接口可将打印机、条码扫描仪、变频器等外部设备与主机相联,以完成相应的操作。
实验装置提供的主机型号有西门子S7—200系列的;CPU224(AC/DC/RELAY),输入点数为14,输出点数为10。
二、PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描,不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时,CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序,按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序,直至程序结束。
然后重新返回第一条指令,开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段:
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,并将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入。
随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段:
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果再写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段:
当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并通过一定的方式(断电器、晶体管或晶闸管)输出,驱动相应输出设备工作。
三、PLC的程序编制
1、编程元件
PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。
编程时要使用到各种编程元件,它们可提供无数个动合和动断触点。
编程元件是指输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计时器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。
PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似,也有“线圈”与“触点”,但它们不是“硬”继电器,而是PLC存储器的存储单元。
当写入该单元的逻辑状态为“1”时,则表示相应继电器线圈得电,其动合触点闭合,动断触点断开。
所以,内部的这些继电器称之为“软”继电器。
S7—200系列CPU224部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示
表1-1
元件名称
符号
编号范围
功能说明
输入寄存器
I
I0.0~I1.5共14点
接受外部输入设备的信号
输出寄存器
Q
Q0.0~Q1.1共10点
输出程序执行结果并驱动外部设备
位存储器
M
M0.0~M31.7
在程序内部使用,不能提供外部输出
定时器
256(T0~T255)
T0,T64
保持型通电延时1ms
T1~T4,T65~T68
保持型通电延时10ms
T5~T31,T69~T95
保持型通电延时100ms
T32,T96
ON/OFF延时,1ms
T33~T36,T9~T100
ON/OFF延时,10ms
T37~T63,T101~T255
ON/OFF延时,100ms
计数器
C
C0~C255
加法计数器,触点在程序内部使用
高速计数器
HC
HC0~HC
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