电气控制课程设计指导书837

《电气控制课程设计》指导书长春光华学院电气信息学院编著：王金莉

一、设计题目电气控制课程设计二、设计目的1.掌握PLC控制的基本原理、步进电机及驱动、直流电机、传感器等器件的原理及使用。2.掌握位置控制技术、气动技术。3.掌握气动方面的减压器、滤清、气压指示,掌握与各类气源之间的接线4.掌握机械传动原理及应用。5.理解PLC的脉冲输出控制。6.了解工业现场控制技术。7.掌握位置控制技术。8.掌握机械传动原理及应用。9.熟悉PLC的I/O连接。10.通过对工程实例的模拟，熟练地掌握PLC的编程和程序调试方法。三、设计内容题目一：机械手控制系统的模拟1.概述机械手实物教学模型的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成；电气方面有步进电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成；可编程控制器可采用目前市面上比较流行的各类PLC，如西门子、三菱或欧姆龙等。该模型是涵盖了PLC技术，位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教学仪器。2.设计原理（1）．步进电机采用二相八拍混合式步进电机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其电气图如下图所示：1（2）．步进电机驱动器步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如下列图表所示：①电气规格说明最小值18典型值最大值单位供电电压241401.5030VA均值输出电流0.21逻辑输入电流步进脉冲响应频脉冲低电平时间6—515——mAkHzμs1001②电流设定电流值0.21A0.42A0.63A0.84A1.05A1.26A1.50ASW1OFFONSW2ONSW3ONONOFFOFFONOFFONONOFFOFFOFFOFF0FFONONOFFOFFOFF③细分设定细分倍数步数/圈（1.8Ｏ整步）SW4SW5ONSW612200400ONOFFONONONON4800OFFOFFONON816003200640012800OFFONON163264OFFOFFOFFOFFOFFOFFONON由外部确定动态改细分/禁止工作OFFOFF④接线信号描述信号功能PUL脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步DIR方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动OPTO光耦驱动电源ENA使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止GND直流电源地+V直流电源正极，典型值+24VA+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相2⑤PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理如图所示：驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图中1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效，在使用不同厂家的PLC产品配套此模型使用时，要选择相应的输出方式，或者加入合适的电平转换板进行电平转换。（3）．传感器：①接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效。②行程开关：当档块碰到开关时，开常点闭合。（4）.PLC：本装置需采用晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。具体如何输出脉冲和如何接线请参考具体型号的PLC手册。3（5）.旋转码盘：本装置中机械手每旋转3°编码盘发出一个脉冲。（6）.直流电机驱动单元：本装置中直流电机驱动模块是有两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的。3.控制要求（1）.开机复位（2）.横轴前升（3）.手旋转到位（4）.电磁阀动作，手张开（5）.竖轴下降（6）.电磁阀动作，手夹紧（7）.竖轴上升（10）.横轴前伸（8）.横轴缩回（9）.底盘旋转到位（11）.手旋转（12）.竖轴下降（13）.电磁阀动作，手张开（14）.竖轴上升（15）.复位气夹在电磁阀未通电动作时为夹紧状态，通电后变为张开状态。在上述步骤中，（4）-（5）和（13）-（15）之间为电磁阀通电状态。4.设计步骤（1）．按下面要求接线根据程序中对应的输入输出点分别接到模型中的各个接线端中，模型正常使用所用的输入输出端如下表所示：①主机标准配置表主机类型9入9出（晶体管）西门子CPU224(DC/DC/DC)(14入/10出)三菱FX-24MT-D1N14入/10出CPM2A-30CDT-D18入/12出欧姆龙②主机输入输出配置表4（2）.面板接线类型端子功能西门子欧姆龙三菱气夹正转限位气夹反转限位基座正转限位基座反转限位I0.0I0.1I0.2I0.3I0.400050006000700080000X0X1X2X3X4输基座旋转脉冲入X轴前限位I0.5I0.6I0.7I1.0COM0003000100020004COMX5X6X7X10/X轴后限位Y轴上限位Y轴下限位+24VGND//COMY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10/驱动器一PUL驱动器二PUL驱动器一DIR驱动器二DIR气夹正转ML气夹反转MR基座正转ML基座反转MR气夹电磁阀YV++24VQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0100010011002110010031004100510061007输出1L+、2L+/GND1M、2MCOMCOM西门子主机接线1）两个步进电机驱动器的电源由24V电源提供，将步进电机的OPTO端与本驱动器的+24V相连。2）两个直流电机的电源由24V电源提供，MC接本模块的GND。MR和ML端接PLC3）限位信号模块电源由24V电源提供，本模块的VI-接模块电源的地。4）电磁阀的YV＋接到PLC的输出点。YV-端接到电源模块的GND。5）主机接线方法请参照输入输出分配表和PLC主机使用手册。用下载线将计算机的COM口与PLC主机的串口相连，打开PLC电源。运行编程软件，打开实验程序，设置好通信参数后下载程序到PLC中。注：如果遇到PLC连接不上的情况，请打开编程软件中有关通信端口的设置项目，然后重新下载。5.设计说明5注意：步进电机固有的特性使的它运行在某个频率时会产生共振，在编写脉冲输出时，设定的频率值除细分数后避免在200-250之间。本模型所用输入输出均为低电平有效，在连接到PLC时要注意连接方式。（1）．实验开始前先检查机械部件是否完好，各个串口是否插对位置。（2）．控制面板分以下几个模块①步进电机驱动及步进电机仔细检查步进电机驱动器与控制面板的连线是否正确，将驱动器电流设定为1.5A，细分设定为16细分。将24V电源接入驱动器，此时驱动器的电源指示灯应点亮。将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来。PUL端是脉冲输入端。DIR是方向控制输入端。②直流电机本模型用的气夹电机和底电座机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器的吸合来控制电机的正转和反转。③旋转编码盘在本模型底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个VP-P为24V的方波信号，可以提供给PLC的高速计数器，用于机械手的定位控制。④接近开关在本模型中底和座气夹的限位通过4个电感式接近开关来完成。接近开关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。⑤行程开关在本模型中两个滚珠丝杆的限位通过4个滚轴式行程开关来完成。当行程开关压下时，常开触点闭合，给PLC一个控制信号。⑥电磁阀与平行气夹本模型使用的电磁阀动作时平行气夹夹紧，动作则张开。（3）．将交流电源通过三芯电源线连到模型上，打开电源开关，即可给模型上电。（4）．按照实验指导书连接控制面板与PLC。（5）．启动系统，模型按照要求正常动作。6.使用注意事项（1）．实验教学模型上带有DC24电源，在上电前请先不要将电源引到各个模块，以免因电源故障损坏。请先上电检查电源输出是否正常。（2）．接线完毕，检查无误后，才可通电，严禁带电插拔。（3）．实验始终，实验教学模型上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。（4）．实验完毕，应及时关闭电源开关，并及时清理台面，整理好连接导线并放置规定的位置。（5）．请不要长时间挤压行程开关，以免减短行程开关使用寿命。6

（6）．若发生不能上电，请检查插座上保险丝是否完好。（7）．若运作不正常请检查驱动器设置，并确保驱动器插件已插好。7

题目二：材料分拣控制系统的模拟1．概述THJDCL-1型材料分拣实训模型的机械结构采用传送带、气缸等机械部件组成；电气方面有传感器、开关电源、电磁阀等电子部件组成；可编程控制器可采用目前市面上比较流行的各类PLC，如西门子、三菱或欧姆龙等。该模型是涵盖了PLC技术，位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教学仪器。适合用于大、中专院校学生PLC实验实训、毕业设计、课程设计、实习实验等。2.设计原理该装置采用台式结构，内置电源，可使用西门子/三菱/欧姆龙PLC主机。该装置中，选用了颜色识别传感器及对不同材质敏感的电容式和电感式传感器，分别被固定在网孔板上．允许学生可重新安装传感器排列位置或选择网孔板不同区域安装(如三个传感器集中装在汽缸5附近的网板区域)。可增加编程难度，开发学生创造能力。本装置还设置了气动方面的减压器、滤清、气压指示等，可与各类气源相连接。各传感器位置见图1。3.控制要求（1）.在物料斗中放三个不同的物块，在程序运行后传送电机开始运行，传送带转动。运行5秒后，气缸5动作，将物块推到传送带中。此时传送电机停止，以便物块放正位置。过0.5秒后，电机又开始运行。如果程序运行时，物料斗中没有物体，则运行一定时间后自动停止。（2）.在第一个物块推出到传送带上前行一定路程后，再推出第二个物块。然后再推出第三个物块，过程和推出第一个物块相同。（3）.当物块靠近各传感器时，就会使传感动作，此时物块并没有到达物料槽的位置，因此要在检测到物块之后再计传送带运行的步距。（各传感器的灵敏络中进行修改）当光电度不同，用试验测定，在确定步距后，在程序中相应网编码器检测到所走的步距后，驱动相应的电磁阀控制气缸推动物块到相应的物料槽中。（4）.各传感器依次分别为，电感传感器，可检测出铁质物块；电容传感器，可检测出金属物块；颜色传感器，可检测出不同的颜色，且色度可调。备用传感器可选用颜色传感器或者物体检测传感器。当铁质物块经过第一传感器时被分拣出，当铝质物块经过第二传感器时被分拣出，非金属物块中的某一颜色在过第三个传感器时被分拣出。不同的在过第四传感器时分拣出。（5）.扩展分拣功能,需调整传感器的安装位置分拣出金属和非金属,位置1:电容传感器,位置2:物体检测传感器。分拣出某一颜色块,位置1:颜色传感器,位置2:物体检测传感器。分拣出非金属中某一颜色,位置1:电容传感器,位置:颜色传感器,位置3:物体检测传感器。8

图1各传感器位置图4.接线方法在程序中使用了高速计数对光电编码器进行计数,因此I0.1被占用。在编制程序时要首先用指令向导对高速器进行设定。(具体方法可在软件中查看帮助文件)表1西门子PLC(I/O)分拣系统接口(I/O)I2.1SKW1(气缸1动作限位)I0.0SKW2(气缸2动作限位)I0.2SKW3(气缸3动作限位)I0.3SKW4(气缸4动作限位)I0.4SKW5(下料气缸动作限位)输I0.5SA(电感传感器)备注检测铁质入部分I0.6SB(电容传感器)检测金属检测颜色I0.7SC(颜色1传感器)I1.0SBW1(气缸1回位限位)I1.1SBW2(气缸2回位限位)I1.2SBW3(气缸3回位限位)I1.3SBW4(气缸4回位限位)I1.4SBW5(下料气缸回位限位)I1.5SD(颜色2传感器)预留传感器9I2.0SN(下料传感器)I0.1UCP(计数传感器)Q0.0YV1(气缸1电磁阀)Q0.1YV2(气缸2电磁阀)Q0.2YV3(气缸3电磁阀)Q0.3YV4(气缸4电磁阀)Q0.4YV5(下料气缸电磁阀)Q0.5M(输送带电机)1M判断下料有无光电编码器输出部分在面板中所有输出端子为低电平有效输入端子为高电平有效公共端2M24+1L2LGNDM5.物料分拣实物教学模型使用说明（1）组成及特点①．物料分拣实物教学模型有底座、气动部分、及电器控制等四部分组成。气动部分由电磁阀和气缸组成②．电气控制由西门子、三菱或欧姆龙的可编程控制器、电源、传感器等部件组成。③．通过传感器信号采集，PLC编程，实现对异步电机、电磁阀进行较复杂的位置控制、开关控制等功能。（2）通过编程，可实现如下功能：传送带转动、气缸推动（电磁阀动作）通过编程，使上述功能按一定顺序排列即可完成将不同的物按品不同的要求分拣到相应的物料槽中。（3）技术性能①．输入电源：单相三线220V±10%50Hz②．工作环境：温度-10℃～+40℃相对湿度＜85%(25℃)海拔＜4000m③．绝缘电阻：大于3MΩ④．外形尺寸：80mm×50mm×120mm（4）操作、使用说明①．使用时先将气泵打开,运行一段时间后关闭。将模型上的导气管接入气泵中。②．本模型上带有DC24电源，请先上电检查电源输出是否正常。③．只需将交流电源通过三芯电源线连到模型上，打开电源开关，即可给模型上电。④.接线完毕，检查无误后，才可通电，严禁带电插拔。⑤．实验始终，模型上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。⑥．实验完毕，应及时关闭电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导10线并放置规定的位置。⑦．若发生不能上电，请检查插座上保险丝是否完好。⑧.在更改实验功能前,根据要求重新排列各传感的安装位置。⑨．若不能排除故障请联系售后服务，在无把握时请勿随意改动模型。11

题目三：立体仓库控制系统的模拟一、概述THJDLT-1型立体仓库实物教学模型在机械上采用丝杆传动方式，在电气控制方面，可以通过目前市面上比较流行的各类晶体管输出的PLC（如西门子、三菱或欧姆龙等）采集各种传感器信号，对步进电机和直流电机进行较复杂的位置控制及时序逻辑控制，实现仓位定位和送/取动作（X、Y轴完成仓位定位，Z轴完成送/取动作）。本模型可以实现：将Z轴上的货物送到指定位置；将任意位置的货物送到另一位置；将零号位置的货物送到任意位置；从任意位置取回货物放至零号位；实现低速启动-变速运行-低速停车的功能；0～12号仓位扫描检测等实验功能。二、设设计备1.立体仓库实物教学模型一台2.计算机（用户自备）一台3.导线三、设计原理1．控制面板上的开关及按钮功能及仓位号（见图若干一、二）图一控制面板上的开关及按钮功能图二控制面板上的仓位号表一、控制面板上的按钮功能表按键号手动自动1234567机构水平向左移动选择1号仓位机构垂直向下移动选择2号仓位机构水平向右移动选择3号仓位机构水平向后移动选择4号仓位机构垂直向上移动选择5号仓位机构水平向前移动选择6号仓位无意义选择7号仓位128无意义无意义无意义无意义无意义选择8号仓位选择9号仓位选择10号仓位选择11号仓位选择12号仓位2．步进电机驱步进电机源输入部动器9驱动器主要有电分、信号输入部部分等。驱动器101112分、输出参数如下列图表所示（1）电气规格说明最小值典型值最大值单位供电电压18241401.5030VA均值输出电流0.21逻辑输入电流步进脉冲响应频脉冲低电平时间6—515——mAkHzμs1001（2）电流设定电流值0.21A0.42A0.63A0.84A1.05A1.26A1.50ASW1OFFONSW2ONSW3ONONOFFOFFONOFFONONOFFOFFOFFOFF0FFONONOFFOFFOFF（3）细分设定细分倍数步数/圈（1.8Ｏ整步）SW4SW5ONSW612200400ONOFFONONONON4800OFFOFFONON816003200640012800OFFONON163264OFFOFFOFFOFFOFFOFFONON由外部确定动态改细分/禁止工作OFFOFF（4）接线信号描述信号功能PUL脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步DIR方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动OPTO光耦驱动电源13ENA使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止GND直流电源地+V直流电源正极，典型值+24VA+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相（5）PLC控制器与步进电机驱动器工作原理如图所示：3．步进电机采用二相八拍混合式步进电机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其电气图如下图所示：14四、控制要求系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回。整个系统需要三维的位置控制。五、设计步骤1.接线表输入部分输出部分I0.0I0.1I0.2货台到位限位Q0.0Q0.1Q0.2横轴脉冲货台回位限位货台是否有物竖轴脉冲横轴方向I／0I0.3I0.4I0.5I0.6自动／手动(0／1)Q0.3Q0.4Q0.5竖轴方向I／0货台退回货台前升就绪十键盘值1位键盘值2位六进制输键盘值3位Q0.6键盘值4位Q0.7I0.7入I1.0取显示部分横轴右限位Q1.0Q1.1放I1.1横轴左限位十位显示I1.2I1.3竖轴上限位竖轴下限位Q2.0Q2.1BCD码1位BCD码2位BCD输码出显示Q2.2BCD码3位BCD码4位Q2.3注：PLC主机输出的1L、2L、输入1M、2M、3M、4M分别与电源L+相连输出的3L、4L、5L、6L、1M、2M与电源M相连I2.0～I3.4接0～12号仓限位2．手动操作（1）接通电源。（2）将选择开关置于手动位置（此时1～6号有效）（3）分别点动按键←1、2↓、3→、4↙、5↑、6↗，观察水平（X轴）、垂直（Y轴）、15前后（Z轴）各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。注意：只有X、Y轴运行到相应位置（即左侧数码管显示“”）时，伸叉机构方可运行。3．自动运行（1）将程序下载到PLC（2）将选择开关置“自动”位置（通电状态下，各机构复位，即返回零位）。（3）将一带托盘汽车模型置零号仓位，放置模型时，入位要准确，并注意到仓位底部检测开关已动作。（4）执行“送”指令a、选择欲送仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。b、按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择仓位内已有汽车，则该指令不被执行）。c、指令完成后，机械自动返回。d、零号仓位已无汽车，则下一个“送”指令（误操作）将不被执行。（5）执行“取”指令a、选择欲取仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。b、按动“取”指令按钮，观察取出动作（若被选择仓位内无汽车，则该指令不被执行）。c、指令完成后，机构自动复位。d、零号仓位已有汽车，则下一个“取”指令（误操作），将不被执行。（6）演示程序中的其它内容（1）当0#仓位上有货物时，若无外部操作指令，“就绪”灯亮，延时15秒后，自动将货物放在仓库号最小的空位上，依次类推。如1#、2#、3#、4#都已有货物，程序延时15秒，15秒内若无外部操作指令，自动将货物放在5#仓库。如1#、3#、4#都已存放货物，15秒内若无外部操作指令，自动将货物放在2#仓库。在延时的15秒内，若按下数字5#，然后按下“送”键，则运行机构将货物放入5#库，若按下5#键后，想取消此操作，可按下“放弃”键。此时，程序又处在待命状态，“就绪”灯亮，又可进行其它操作。（2）当0#仓位上无货物时，若无人操作，“就绪”灯亮15秒后，程序将把数值最大仓库号里的物品转运至没有放货物的仓号比它小的仓库里。如1#、2#、5#有物，该程序将自动把5#物品转至3#仓库。操作步骤如下：“就绪”灯亮时，延时15秒后，程序将自动把5#物品先转至0#仓库，再延时15秒后，自动将货物放在3#仓库。（3）当程序运行时，货台上已经货物时，在5秒后，程序将把货运至没有放货物的最小仓号的仓库里。如1#、2#、5#有物，程序将自动把货品送至3#仓库。台上的物品自动台上的物七、注意事项当模型的横轴左限位开关、竖轴的下限位开关被更改位置后，在程序中相应的零点坐标也有所变化，可能导致到达相应仓位时不能前伸。16题目四：四层电梯控制系统的模拟一、控制要求1、开始时，电梯处于任意一层。2、当有外呼信号到来时，电梯响应外呼信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。3、当有内呼信号到来时，电梯响应该呼信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。4、在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号，但不响应二层向下外呼梯信号。同时，如果电梯到达三层，如果四层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应三层向下外呼梯信号。5、电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。6、电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭。二、输入/输出的分配如下：序号0名称一层内呼二层内呼三层内呼输入点序号00000名称输出点1100一层内呼指示二层内呼指示三层内呼指示1200011000221101110234567890003300044000550006600077000880009