1、第3部分综合实训项目与工程设计第6章 综合实训项目 6.1 三相步进电动机控制系统设计 6.1.1 目的和要求 用PLC实现对三相步进电动机的控制。掌握用计时器设计脉宽为一个扫描周期且频率可变的脉冲发生器和用位移位指令(SFTR或SFTL)产生时序脉冲的编程方法和技巧。训练能综合各种信号实现某种控制规律的编程思路和方法。掌握PLC控制系统设计的基本原则和步骤，从而提高应用PLC的能力。6.1.2 三相步进电动机工作原理简介(1)概述(2)结构图6.1 三相步进电动机结构图 步进电机转动的角度(步距角)的大小与转子的齿数及通电的方式有关，即(3)旋转 1)电流脉冲的施加方式，共有3种。单相三拍方
2、式按单相绕组施加电流脉冲(见图6.2)。图6.2 双相三拍方式按双相绕组施加电流脉冲(见图6.3)。三相六拍方式单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲(见图6.4)。图6.3图6.4 2)本实训项目中步进电动机采用六拍工作方式，其工作原理(见图6.5)如下：A相首先通电，转子齿与定子A-A级对齐(见图6.5(a)。在A相继续通电的情况下接通B相，这时定子B-B极对转子齿2-4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A-A极继续拉住齿1-3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止，这时转子的位置如图6.5(b)所示，即转子从图6.5(a)位置顺时针转过了15。A相断电，B相继续通电。这时转子齿2-4和定子B
3、-B极对齐(见图6.5(c)，转子从图6.5(b)的位置又转过了15。其位置如图6.5(c)所示。6.1.3 三相步进电动机的控制要求 能控制三相步进电动机的转速：分慢速、中速、快速和单步4挡，由转换开关(四挡)SA2选择，且空挡设为单步挡。图6.5 三相步进电动机动作原理图 可实现三相步进电动机的正、反转控制：由转换开关SA3选择，且空挡设为反转挡。电动机只能在停车状态时才可以进行正反转切换。能控制三相步进电动机的步数：分10步、100步两挡，由转换开关SA4分两挡选择。单步控制通过按钮SB1进行操作。6.1.4 实训内容(1)系统配置 PLC选型：FX2N-32MT或FP1-C24。根据控
4、制要求编制输入/输出编址表，如表6.1所示。(2)程序设计 1)程序功能分析 转速控制：图6.6图6.7图6.8 正、反转控制：2)梯形图 采用三菱FX系列编制的梯形图程序如图6.9所示。采用松下FP1系列编制的梯形图程序如图6.10所示。6.2 Z3050摇臂钻床控制系统设计 6.2.1 目的和要求 用PLC实现对Z3050摇臂钻床的控制。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。图6.9 三相步进电机控制(三菱FX系列)图6.10 三相步进电机控制(松下FP1系列)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。训练用PLC改造传统继电器接触器控制系统的编
5、程的思路和综合分析问题的能力。6.2.2 机床概况 6.2.3 控制要求图6.11 Z3050摇臂钻床外形图图6.12 Z3050摇臂钻床的电气原理图(1)控制主轴的旋转运动(2)摇臂升降及夹紧、放松控制 工作流程如下：放松流程：上升(或下降)流程：夹紧流程：(3)立柱与主轴箱的夹紧及放松 工作流程如下：按下松开按钮SB5液压泵电动机3M正转，此时电磁阀YA不通电(其提供的压力油 经二位六通电磁阀YA的另一油路，推动活塞和菱形块使立柱和主轴箱松开)松开到位行程开关SQ4动作松开指示灯HL2亮，松开SB5液压泵电动机3M停止。按下夹紧按钮SB6液压泵电动机3M反转(反向推动活塞和菱形块使立柱和主
6、轴箱夹紧)夹紧到位行程开关SQ4复位夹紧指示灯HL1亮，松开SB6液压泵电动机3M停止。(4)升降限位及过载保护(5)延时转换 6.2.4 实训内容(1)系统配置 PLC选型:根据控制要求确定输入信号为15个开关量，输出信号为11个开关量，故选PLC型号为FX2N-32MR或FP1-C40。根据控制要求编制输入/输出表，如表6.2所示。(2)程序设计 采用三菱FX系列编制的参考程序的梯形图如图6.13所示。采用松下FP1系列编制的参考程序的梯形图如图6.14所示。图6.13 摇臂钻床控制（三菱FX系列）图6.14 摇臂钻床控制（松下FP1系列）6.3 机械手控制系统设计 6.3.1 目的和要求
7、 用PLC实现对机械手的手动、自动控制。用PLC设计具有多种操作方式的电控系统的程序结构。掌握一般控制系统操作方式切换时保持系统状态连续的程序设计思路和方法。读者参考原程序后自行设计手动、回原点、单步、单周期和自动5种工作方式下的控制程序。6.3.2 设备概况(1)工艺介绍图6.15 机械手动作示意图(2)操作面板 6.3.3 控制要求图6.16 操作方式面板布置图(1)液压系统油泵启动及停车(2)机械手工作方式 手动：回原点：单步：单周期：自动：(3)系统保护和报警功能 6.3.4 实训内容(1)系统配置 PLC选型:根据控制要求确定输入信号为24个开关量，输出信号为13个开关量，故选PLC
8、型号为FX2N-48MR或FP1-C40。根据控制要求编制输入/输出编址表，如表6.3 所示。(2)程序设计 程序设计仅考虑手动、自动两种工作方式，此时X0=ON为手动，X4=ON为自动。采用三菱FX和松下FP1编制的参考程序的梯形图分别如图6.17、图6.18所示。图6.17 机械手控制程序(三菱FX系列)续图6.17 机械手控制程序(三菱FX系列)图6.18 机械手控制程序(松下系列)6.4 铸造机控制系统设计 6.4.1 目的和要求 用PLC实现对铸造机的控制。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。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。训练
9、用PLC设计控制系统的编程思路和综合分析问题的能力。6.4.2 设备概况 1)试模 合模缸退到2位发合模缸进1指令合模缸向前进上、下模合模压力到上限合模缸退到位 2)装模图6.19 铸造机结构图 人工放入模具发合模缸进2指令合模缸从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 3)铸造 铸液凝固(保压一段时间)旋转缸退(铸模后倾)合模缸退到2位 4)脱模 脱模缸进(脱模)脱模缸进到位脱模缸退脱模缸退到位人工取出铸件 6.4.3 控制要求(1)开机 合上PLC控制柜内的所有空气开关，接通PLC电源及直流24 V供电电源。将手动/顺控转换开关置于手动位置，按下油泵启停按钮，
10、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 1)手动方式 2)顺控方式(3)系统保护及报警 系统设有短路保护。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。系统设有完善的互锁保护。6.4.4 实训内容(1)系统配置 PLC选型根据控制要求确定输入信号为23个开关量，输出信号为13个开关量，故选PLC型号为FX2N-48MR或FP1-C40。根据控制要求编制输入/输出编址表，如表6.4所示。(2)程序设计 采 用 三 菱FX系列编制的参考程序的梯 形 图
11、 如 图6.20所示。采 用 松 下FP1系列编制的参考程序的梯 形 图 如 图6.21所示。图6.20 铸造机控制程序(三菱FX系列)续图6.20 铸造机控制程序(三菱FX系列)图6.21 铸造机控制程序(松下FP1系列)续图6.21 铸造机控制程序(松下FP1系列)第7章 PLC电控系统工程设计 7.1 PLC电控系统工程设计概述 7.1.1 工程设计步骤(1)需求分析(2)总体方案设计(3)选型设计(4)电气系统设计与电控柜安装(5)控制程序设计(6)现场调试与测试(7)工程验收和技术归档图7.1 PLC电控系统设计流程 7.1.2 总体方案设计(1)确定技术途径(2)确定技术方法(3)
12、划分子系统和主要功能块(4)确定系统组成框图(5)系统的综合与检查 7.1.3 PLC选型设计(1)I/O点数的估算(2)存储器容量的估算(3)功能的选择 1)运算功能 2)控制功能 3)通信功能 4)编程功能 5)诊断功能 6)处理速度(4)机型的选择 1)PLC的类型 2)I/O模块的选择 3)电源的选择 4)存储器的选择 5)冗余功能的选择 6)经济性考虑 7.2 电气系统及电气图的设计 7.2.1 电气图设计基础(1)电气图的分类(2)电气图设计软件(3)电气图设计标准 7.2.2 电气图设计原则和方法(1)PLC输入/输出编址表(2)主电路图 主电路设计的一般原则和方法如下：进入系统
13、的三相电源首先经过主电路向其他各电路或回路供电，因此，在主电路的三线电源进线处必须配置一个总电源空开。一张主电路图可能包括多台电机的主回路，每台电机的主回路一般应包括空开、接触器、热继电器和电机等电气符号。如果要实现电机的正、反转，则需要使用两个接触器，但只需一个热继电器。两个接触器由两个中间继电器驱动，必须利用两个接触器的常闭触点互锁其控制线圈。导线截面积的标注。对于小功率电机，可将电机电缆视为控制电缆统一考虑，这种情况下，可不在主电路图中标注电缆的截面积，而代之以文字说明。对功率互不相同，且功率较大的电机，由于电机电缆的成本相对较高，此时应该针对电机的实际功率选择并标出相应的柜内安装导线或
14、柜外电机电缆的截面积。(3)PLC系统电源图 对采用220 VAC供电的PLC,为了提高抗扰能力,一般需要配置一台隔离变压器,以隔离PLC系统电源和主电路电源的电气关系。在工厂不提供零线的情况下，必须配置一台隔离变压器，以便将380 V的线电压转为PLC系统所需要的AC220 V。为了便于控制PLC系统的电源，一般须在隔离变压器输入侧配置一个空开。直流电源用于为PLC的输出回路、中间继电器线圈或电磁阀供电，电磁阀的电流一般为0.52 A，具体设计时应查阅相关手册。对于电磁阀较多的系统，直流电源的容量主要取决于电磁阀的个数。为了便于控制或维修，直流电源的输入侧和输出侧都应该配置相应的空开。当采用
15、直流供电的PLC时，也需要配置相应的直流电源，此时，一般不再配置隔离变压器，因为直流电源本身是隔离的。(4)PLC输入回路图 PLC输入回路是输入信号进入PLC的通路，设计输入回路时可参考以下原则和方法：规划每张输入回路图的输入点数。按照输入编址表的顺序依次设计输入回路图。从外部输入到电控柜的信号，必须分配接线端子，属于柜内的输入信号，如按钮、选择开关等，则不经过端子。为了清楚地表达输入回路的逻辑关系，有时需要设计不属于本系统而属于其他系统的电气元件和连接关系，此时应将这些元件放在虚线框内。对于24 V电平信号或低频脉冲信号，其信号的负端或低端和三菱FX系列PLC的COM端连接，正端或高端和P
16、LC的输入端连接。对于NPN型接近开关，如果采用三线制，则电源接PLC的24 VDC，接近开关的公共端和PLC的COM端连接，信号输出端接PLC的输入端。如果是PNP型接近开关，则需增加相应的转换电路。对于非24 V的电平信号或交流信号，增加相应的中间继电器进行转换。使用外部信号驱动中间继电器的线圈，将中间继电器的触点连接到PLC的输入和COM端。矩阵式输入回路的设计。图7.2 矩阵式输入回路的设计 模拟量输入回路。(5)PLC输出回路图 PLC输出回路是PLC输出控制信号的通路，设计输出回路时可参考以下原则和方法：规划每张输出回路图的输出点数。按照输出编址表的顺序依次设计输出回路图。输出到外
17、部的控制信号，必须分配接线端子，属于柜内的输出信号，如指示灯，则不经过端子。为了清楚地表达输出回路的逻辑关系，有时需要设计不属于本系统而属于其他系统的电气元件和连接关系，此时应将这些元件放在虚线框内。对于指示灯输出回路，无论是继电器输出型PLC还是晶体管输出型PLC，都可直接驱动指示灯，不必设计中间继电器。无论是AC220 V的电磁阀，还是DC24 V的电磁阀，为了提高系统的可靠性，一般在输出回路的设计中都增加一级中间继 电器。接触器的线圈电压一般为AC220 V或AC380 V，因此，在输出回路的设计中必须增加一级中间继电器，使用中间继电器的触点为接触器施加AC220 V或AC380 V的线
18、圈电压。矩阵式输出回路的设计。图7.3 矩阵式输出回路的设计 模拟量输出回路。(6)端子图的设计(7)面板布局图 简洁、完整、对称、协调，便于操作。按钮、选择开关和指示灯的横向间距、纵向间距一般取80 mm为宜，避免太密而发生误操作。相对动作的按钮应该相邻排列，例如，左移和右移按钮应横向左右排列，上升和下降按钮可按上下垂直排列。相应的动作指示灯应位于其动作按钮的上方。多级液位指示灯应垂直排列，便于直观显示液位情况，多个行程开关的指示可依据行程开关的实际动作方向实行垂直排列或横向排列。(8)底版元件安装图(9)柜体结构图 7.3 控制程序设计 7.3.1 控制程序的模块化设计 PLC的程序模块一
19、般由多行语句或多步语句或多行梯形图组成，模块的划分应尽量满足如下条件：模块的内部结构对外界而言如同一个“黑匣子”，其内部结构的变化不影响模块的外部接口条件，一般只需要了解调用的输入输出参数和实现的功能，而不必关心其内部的实现过程。将模块间的耦合度减至最小，一般只传递必要的数据(正如子程序的入口参数和出口参数)而不传递状态参数，以减少相互依存的程度。每个模块只实现12个基本功能,每个模块的语句步数不要过多,以便调试和查错。7.3.2 程序设计方法(1)继电器线路替代法 将原有电气控制系统输入信号及输出信号作为PLC的I/O点,设计相应的I/O编址表。用PLC的M触点取代原有电气线路的中间继电器的
20、触点，用PLC的M线圈取代原有中间继电器的线圈，用PLC的梯形图完成原有控制线路的逻辑控制功能。(2)逻辑代数设计方法 以4.1节的走廊灯两地控制程序为例，灯的控制输出可表示为 逻辑代数设计法的一般步骤如下：根据控制要求列出逻辑代数表达式。对逻辑代数式进行化简。设计I/O编址表，并根据化简后的逻辑表达式设计梯形图程序。(3)流程图设计法 流程图设计法的一般步骤如下：画出控制系统流程图。设计I/O编址表。根据流程图，设计梯形图。(4)经验设计法(5)顺序功能图设计法 其基本步骤如下：根据工作任务设计控制系统的动作顺序图或状态图或节拍表，找出状态发生转换的条件。设计I/O编址表。将状态流程图翻译成
21、梯形图。如果有SFC编程环境，可以直接使用SFC进行编程，设计系统的SFC程序，此时不必转换成相应的梯形图控制程序。(6)Petri网设计法图7.4 自动导向小车运输系统行走线路图7.5 自动导向小车运输系统的Petri网 由此可得小车的行车输出逻辑为 小车1的行车控制输出：OUT11P11P15P13+P16 小车2的行车控制输出：OUT12P22P23P25+P27 小车3的行车控制输出：OUT13P34P35P36+P37 转向输出逻辑为 小车1转向控制输出：OUT21=P16 小车2转向控制输出：OUT22=P27 小车3转向控制输出：OUT23=P36+7.4 PLC电控系统的抗干扰
22、设计 7.4.1 干扰源及其传播途径(1)干扰源及分类(2)干扰源的传播 干扰源的传播又称为耦合，主要有以下6种耦合方式：直接耦合方式，即干扰信号直接经过线路传导到工作电路中。例如，干扰信号经过电源线进入PLC电控系统是最常见的直接耦合现象。公共阻抗耦合方式，即是噪声源与信号源具有公共阻抗时的传导耦合。电容耦合方式，即是电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应，如组件之间、导线之间、导线与组件之间存在的分布电容所引起的噪声传导通路。电磁感应耦合方式，即交变电流在载流导体周围产生磁场，会对周围的闭合电路产生感应电动势。辐射耦合方式，即当高频电流流过导体时，在该导体周围便产生高频交变的电力线或
23、磁力线，从而形成电磁波。漏电耦合方式，即当相邻的组件或导线之间的绝缘阻抗降低时，有些信号便经过绝缘电阻耦合到逻辑组件的输入端形成 干扰。7.4.2 抗干扰措施(1)串模干扰的抑制措施(2)共模干扰的抑制措施(3)电源回路的抗干扰措施(4)信号的长距离传送(5)软件措施 7.5 PLC电控系统的接地技术 7.5.1 安全接地(1)保护接地(2)保护接零 7.5.2 工作接地(1)浮地方式(2)直接接地方式(3)电容接地方式 7.5.3 屏蔽接地(1)信号电缆屏蔽层接地(2)双绞线接地(3)变压器屏蔽层的接地 7.5.4 接地方法 安全接地均采用一点接地方式。工作接地有一点接地和多点接地两种。接地
24、线尽可能粗，最好用接地网或接地铜板，确保接地电阻很小。将模拟地和数字地分别通过各自的接地点接入大地。模拟信号的各接地点应通过同一个铜板接入大地。7.6 PLC电控系统设计实例图7.6 轧辊和轴承座 7.6.1 需求分析 冶金企业的轴承座翻转机构具有以下技术要求：可以在090内任意翻转,耐冲级负荷。翻转过程要平稳，不能有突变和蠕动。翻转过程中可随时启停，停在任意位置处，无滑动现象。翻转过程中，可随时改变翻转方向。具有限位保护，即使限位开关故障，系统仍然可以安全运行。具有液压系统油位低停车和油温高等报警功能。电机电源和总电源统一，可在紧急状态下切断或关机。7.6.2 方案设计 7.6.3 选型设计
25、(1)PLC选型图7.7 翻转机构实物图(2)低压电器的选型 7.6.4 电气图设计(1)输入编址表(2)输出编址表(3)电气图图7.8 翻转机构电控系统图纸目录图7.9 翻转机构电控系统元件明细表图7.10 翻转机构电控系统主电路、PLC及直流电源图7.11 翻转机构电控系统输入回路一图7.12 翻转机构电控系统输入回路二图7.13 翻转机构电控系统输出回路一图7.14 翻转机构电控系统输出回路二图7.15 翻转机构电控系统操作台端子接线图图7.16 翻转机构电控系统液压站端子接线图图7.17 翻转机构电控系统操作台尺寸及面板图图7.18 翻转机构电控系统操作台内元件布置示意图 7.6.5
26、控制程序设计(1)油泵启停控制(2)翻转控制(3)卸荷阀控制图7.19 翻转机构电控系统控制程序(4)油温控制(5)报警指示 7.6.6 调试及实物结果图7.20 翻转机构液压系统及电控系统 7.6.7 使用说明书(1)简介(2)开机准备(3)系统运行操作 按下“油泵启/停”按钮，油泵启动，油泵指示灯点亮；再次按下“油泵启/停”按钮，油泵停止。按下“左旋/停”按钮，翻转机构开始左旋，再次按下“左旋/停”按钮，左旋停止。按下“右旋/停”按钮，翻转机构开始右旋，再次按下“右旋/停”按钮，右旋停止。(4)系统保护及报警 本系统设有以下保护及报警：系统设有短路保护。油泵电机设有过载保护。系统设有液位低自动停机保护。系统设有完善的报警显示。(5)注意事项 本系统PLC输入信号由主令电器及各检测装置发出，严禁将交流220 V电源接入主令电器和检测装置的输出触点，严禁将PLC输出端短路，否则将损坏PLC。非电工人员，操作台的接线不许改动。PLC机内的锂电池每隔45年需由电工人员更换，PLC的BATTV指示灯点亮时，必须及时进行更换。本系统的备份程序在所移交资料的光盘内，万一主机内的锂电池电压过低或外界干扰所引起程序丢失，可用笔记本电脑在GX Developer软件的支持下，将程序重新装入PLC即可。
