2019 年山东省职业院校技能大赛现代电气控制系统安装与调试赛项-赛题4-专用机床控制系统

2019年山东省职业院校技能大赛现代电气控制系统安装与调试赛项

2019年山东省职业院校技能大赛

现代电气控制系统安装与调试

（总时间：240分钟）

工

作

任

务

书

场次号工位号

1

2019年山东省职业院校技能大赛现代电气控制系统安装与调试赛项

注意事项

一、本任务书共27页，含维修工作票及排故机床图纸2页、

I/O分配表2页和A3版空白图纸2页等。如出现缺页、字迹不清

等问题，请及时向裁判示意，进行任务书的更换。

二、在完成工作任务的全过程中，严格遵守电气安装和电气

维修的安全操作规程。电气安装中，低压电器安装按《电气装置

安装工程低压电器施工及验收规范（GB50254-96）》验收。

三、不得擅自更改设备已有器件位置和线路，若现场设备安

装调试有疑问，须经设计人员（赛场评委）同意后方可修改。

四、竞赛过程中，参赛选手认定竞赛设备的器件有故障，可

提出更换，器件经现场裁判测定完好属参赛选手误判时，每次扣

参赛队1分；若因人为操作损坏器件，酌情扣5-10分；后果严

重者（如导致PLC、变频器、伺服等烧坏），本次竞赛成绩计0

分。

五、所编PLC、触摸屏等程序必须保存到计算机的“D:\场

次号-工位号”文件夹下，场次号和工位号以现场抽签为准。

六、参赛选手在完成工作任务的过程中，不得在任何地方标

注学校名称、选手姓名等信息。

七、比赛结束后，参赛选手需要将任务书以及现场发放的图

纸、资料、草稿纸等材料一并上交，不得带离考场。

2

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请按要求在4个小时内完成以下工作任务：

一、按“专用机床控制系统要求”，设计电气控制原理图，

制定相应的I/O分配表，并按图完成器件选型计算、器件安装、

电路连接（含主电路）和相关元件参数设置。

二、按“用机床控制系统要求”，编写PLC程序及触摸屏程

序，完成后下载至设备PLC及触摸屏，并调试该电气控制系统

达到控制要求。

三、根据赛场设备上所提供的故障考核装置，参考T68镗床

电气原理图，排除机床电气控制电路板上所设置的故障，使该电

路能正常工作，同时完成维修工作票。

本次工作任务请在YL-158GA1型现代电气控制系统安装与

调试实训考核装置上完成，该装置的结构介绍及使用方法请参考

用户说明书。

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专用机床控制系统说明书

一、系统运行说明

专用机床是对某种特定工件进行特定加工的一种高效的自动化专

用加工设备。这类机床大都具有自动工作循环，并能同时用十几把、

几十把刀具进行加工。专用机床都由通用部件和一些专用部件组成，

它的控制系统大多采用机械、液压、电气相结合的控制方式。本次运

用PLC改造的机床为加工某种轴系零件的的设备，其示意图如图1

所示。

主轴夹具

工件

带轮

冷却泵

V形带

刀架

M3丝杆导轨

M2

M1

图1某轴系零件加工专用机床示意图

该设备装有一只四面刀架，刀架上分别安装了一把粗加工外圆车

刀（1号刀）、一把精加工外圆车刀（2号刀）、一把切槽刀（3号刀）

和一把钻头（4号刀），刀架及各刀具安装位置示意图如图2所示。

假设刀架及刀具安装位置已调整完毕，即刀架X轴、Z轴均处于原位

时，不论是哪一把刀处于加工位，四把刀的刀尖均处于设备坐标的

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（0,0）注：括号内标注格式为（X轴、Z轴），单位为mm，下同位

置。

刀尖（0,0）

刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）

刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）

1号刀刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）

1号刀1号刀

4号刀

4号刀4号刀

2号刀2号刀2号刀

3号刀3号刀

3号刀

（a）各刀具安装示意图（b）1号刀处于加工位（c）2号刀处于加工位

刀尖（0,0）

刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）

刀尖（0,0）刀尖（0,0）刀尖（0,0）

1号刀

1号刀

4号刀4号刀

2号刀2号刀

3号刀3号刀

（d）3号刀处于加工位（e）4号刀处于加工位

图2刀架刀具安装示意图

手动将毛坯装夹到夹具上，假设毛坯装夹到夹具上后，毛坯上N

点在设备坐标中位置为（10,10）如图3所示。

夹具

毛坯

N点

（10,10）

Z+

刀尖（0,0）

X+

刀架

图3毛坯装夹示意图

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将毛坯（圆柱体）手动装到夹具上后可以启动系统。专用机床根

据以下工艺完成零件的自动加工：粗加工外圆→精加工外圆→切槽→

钻孔。毛坯装夹到位后主轴电机通过带轮拖动主轴旋转（带轮传动比

为2:1），从而使工件产生切削力；刀架可由步进电机和伺服电机驱动

以实现X轴方向和Z轴方向的运动，其两个方向的运动均由丝杆实

现将电机的旋转运动变为直线运动（受设备所限，X轴方向运动由

158GA1上丝杆机构模拟；Z轴方向运动仅用电机空转模拟）；刀架旋

转电机可拖动刀架旋转从而实现刀具的更换；冷却泵电机可喷出冷却

泵带走切削过程中产生的热量。

X轴坐标与设备丝杆机构标尺刻度关系：以滑块左侧轮廓为基准，

对准标尺上刻度18CM处为刀架上各刀具的X轴0mm处，刀架向左

移动则坐标向左递增至滑块左侧轮廓到标尺7CM处为坐标X轴

110mm处。

专用机床控制系统由以下电气控制回路组成：

刀架Z轴方向移动由步进电机M1拖动，步进电机主轴用联轴器与

丝杆连接不使用减速器（此处仅用M1电机空转模拟），假设丝杆螺距

为4mm【步进驱动器设置为1000脉冲每转，电流设置为1.5A，速度

根据工艺要求设定】；

刀架X轴方向移动由伺服电机M2拖动，伺服电机主轴用联轴器与

丝杆连接不使用减速器，已知丝杆螺距为4mm【伺服电机旋转一周需

要1800个脉冲，速度根据工艺要求设定】；

主轴由一台带离心开关的三相异步电动机M3拖动，主轴电机和主

轴之间由一组传动比为2:1的带轮实现传动，此处不考虑带轮打滑因

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素（即如果M3电机转速为1000r/min，主轴转速则为500r/min）【要求

用变频器控制，其转速由模拟量给定，加、减速时间均设置为0.5s】；

刀架旋转电机由一台不带离心开关的三相异步电动机M4拖动【要

求M4正转实现刀架顺时针转动、M4反转实现刀架逆时针转动；不管

是正转还是反转停止时均需反接制动，制动时需串联制动电阻。电路

应设计成M4正常运行时其三相绕组连接成△形，需要过载保护，热

继电器整定电流设定为0.4A】；

冷却泵电机M5为三相异步电动机电机，需要过载保护，热继电器

整定电流为0.3A。

本装置所有电机：顺时针旋转为正向，逆时针旋转为反向。

如无特别说明，题目中的所有开关、按钮请使用控制柜正面元件；

使用设备上0-10V电压源时应安装有电压表。

二、控制系统设计要求

1、本系统使用三台PLC，网络指定QCPU/S7-300/S7-1500为主

站，2台FX3U/S7-200Smart/S7-1200为从站，分别以CC_Link或

工业以太网的形式组网。

2、MCGS触摸屏应连接到系统中主站PLC上（三菱系统中触摸

屏连接到QPLC的RS232端口；西门子系统中触摸屏连接到

S7-300/S7-1500的以太网端口，不允许连接到交换机）。

3、电机控制、I/O、HMI与PLC组合分配方案（其余自行定义）：

三菱Q系列

方案西门子西门子

+FX3U系列方S7-300S7-1500

电机案

+S7-200Smart方案+S7-1200方案

HMIQ00UCPUCPU314C-2PN/DPCPU1511

M3、M4

S7-200SmartCPU1212C

编码器、FX3U-32MT

6ES7288-1ST30-0AA06ES7212-1AE40-0XB0

SB1～SB2

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M5S7-200SmartCPU1212C

FX3U-32MR

HL1～HL46ES7288-1SR40-0AA06ES7212-1BE40-0XB0

4、根据本说明书控制要求，设计电气控制原理图，根据所设计

的电路图连接电路，不允许借用机床考核单元电气回路。在标准图纸

上绘制5台电机主电路，以及3台PLC电气控制原理图，并标

注I/O定义功能和变频器、伺服驱动器、步进驱动器、热继电器主要

参数。在设计栏填写工位信息。

从站一：三菱FX3U-32MT/西

门子S7-200Smart

（6ES7288-1ST30-0AA0）/西

门子CPU1212C

（6ES7212-1AE40-0XB0）

变频器：三菱FR-E740/西门子

MM420(G120C)

（a）正面

从站二：三菱FX3U-32MR/西门

子S7-200Smart

（6ES7288-1SR40-0AA0）/西

门子CPU1212C

（6ES7212-1BE40-0XB0）

从站：三菱FX3U-32MR/西门子

S7-200Smart

（6ES7288-1SR40-0AA0）/西

主站：三菱Q00UCPU/西门子

门子CPU1212C

S7-300

（6ES7212-1BE40-0XB0）

/西门子S7-1500

（b）背面

图4PLC和变频器安装位置示意图

5、三台PLC和变频器安装位置要求如图4所示。不允许自行定

义位置，不得擅自更改设备已有器件位置和线路，其余器件位置自行

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定义。

三、系统控制要求

专用机床控制系统具备三种工作模式，模式一：通信测试模式；

模式二：设备调试模式；模式三：自动运行模式。设备上电后触摸屏

首先显示用户登录界面；当选择用户名Admin及输入正确密码

“2019”后，触摸屏即进入模式选择界面，此时可以选择进入任意一

种模式；当选择用户名User及输入正确密码（密码为工位号）后，

触摸屏只能进入自动运行模式。当输入密码错误时，弹出密码错误提

示对话框。

图5用户登录界面

图6模式选择界面

1.通讯测试模式

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图7通讯测试界面

此模式为检测触摸屏与三台PLC之间通信情况，如图7所示，当

三台PLC上电后处于运行状态时，若系统网络连接正常，则触摸屏

中对应的通信指示灯点亮。此外，每一台PLC需要分配一个输出点，

作为通信测试灯。分两种情况测试：

（1）三台PLC之间通信测试：按下SB1按钮（从站一），主站

PLC输出点的通信测试灯亮；再按下SB1按钮，主站PLC输出点的

通信测试灯保持点亮，从站二PLC输出点的通信测试灯亮；再按下

SB1按钮，主站、从站二PLC输出点的通信测试灯灭，第一种通信

测试完成。

（2）触摸屏与三台PLC之间通信测试：在触摸屏测试框输入（10），

主站PLC输出点的通信测试灯亮；输入（20），主站、从站一PLC

输出点的通信测试灯亮；输入（30），主站、从站一、从站二PLC输

出点的通信测试灯亮；输入其他值，所有通信测试灯熄灭。

2、设备调试模式

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图8调试模式

调试模式画面如图8所示。通过下拉框来选择需要调试的电机，

选中某个电机调试时，门板上指示灯根据表2所示亮灭。当前电机调

试结束后HL1、HL2恢复为“0”的状态。

表2调试状态指示灯组显示对应功能表

状态HL1HL2调试功能

0灭灭无

1长亮灭M1电机调试

21HZ闪亮灭M2电机调试

3灭长亮M3电机调试

4灭1HZ闪亮M4电机调试

51HZ闪亮1HZ闪亮M5电机调试

当选中的电机已经开始启动调试，再选择其他电机均无效，只有

在没有电机正在调试时，选择其他电机才可任意切换。

调试状态指示栏中，当某电机被选中时，其填充颜色为绿色、正

在调试时变为黄色，调试完成变为红色。若某电机已经调试完成，再

次被选中调试时则又变为绿色，若已经选择某电机但未启动调试则可

以任意切换。只有当前选择的电机调试状态为绿色。

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（1）M1电机调试

选择“M1电机调试”，可以通过十字开关来控制调试，十字手柄

向上时，M1电机正转（刀架往Z轴+方向移动）；十字手柄向下时，

M1电机反转（刀架往Z轴-方向移动）；十字手柄在中间时，M1电

机停止。通过调试，将刀架上安装的刀架刀尖移动到Z轴“0mm”位

置，然后将SA1置于左位模拟到达“0mm”位置完成调试。调试过

程中触摸屏上电机状态指示栏实时显示M1电机的运行状态。

（2）M2电机调试

选择“M2电机调试”，可以通过十字开关来控制调试，十字手柄

向左时，M2电机正转（刀架往X轴+方向移动）；十字手柄向右时，

M2电机反转（刀架往X轴-方向移动）；十字手柄在中间时，M2电

机停止。通过调试，将刀架上安装的刀架刀尖移动到X轴“0mm”

位置（滑块左侧轮廓对准标尺18CM处），然后将SA2置于左位完成

调试。调试过程中触摸屏上电机状态指示栏实时显示M2电机的运行

状态。

（3）M3电机调试

选择“M3电机调试”，按下SB1或触摸屏上“启动”按钮，触摸

屏自动进入M3电机调试画面如图10所示，此时可通过旋转设备正

面0~10V电压源控制电机转速，控制曲线要求如图9所示：

转速变化线

额定转速

10V

图9速度实时变化曲线界面

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M3调试画面中的实时曲线构件应能准确反映当前电机速度，要求

绘制的曲线与电压源的变化相一致，X轴为实时时间，Y轴为电机转

速。如图11所示即为随机转动电压源所实时绘制的速度变化曲线。

图10M3电机调试界面图11实时曲线示例界面

在触摸屏上按下“返回”或按下SB2则M3电机停转完成调试，

触摸屏返回调试画面。

（4）M4电机调试

选择“M4电机调试”，初始状态为1号刀处于加工位（SQ1压合），

按下SB1或触摸屏上“启动”按钮M4电机正转驱动刀架顺时针旋转，

当SQ2被压合时即为2号刀处于加工位，M4电机制动停止；再次按

下SB1或“启动”M4电机正转驱动刀架顺时针旋转，当SQ3被压合

时即为3号刀处于加工位，M4电机制动停止；再次按下SB1或“启

动”M4电机正转驱动刀架顺时针旋转，当SQ4被压合时即为4号刀

处于加工位，M4电机制动停止；再次按下SB1或“启动”M4电机

反转驱动刀架逆时针旋转，当SQ1被压合时即为1号刀处于加工位，

M4电机制动停止完成调试。

（5）M5电机调试

选择“M5电机调试”，按下SB1或触摸屏上“启动”按钮M5电

机正转3S后自动停止完成调试。

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所有电机可反复调试！

3、自动运行模式

调试完毕，可进入运行模式。本系统加工产品的零件图如图12所

示，使用的毛坯图如图13所示。

系统运行前，因在调试模式下已使刀架位于X轴、Z轴的原位，

即SA1、SA2置于左位、当前加工位为1号刀，此时1号刀刀尖处于

（0,0）位置(请参考图3)。

515510100

φ50

φ40φ30

φ50φ30

N点

15

(10，10)

图12产品零件图图13使用的毛坯尺寸图

按下SB1或“启动按钮”，HL3以1HZ频率闪亮等待装夹毛坯，

毛坯装夹到位后，按下按钮SB3主轴开始转动、HL3变为长亮，设

备对毛坯进行自动加工。加工过程分为以下四个阶段，这四个阶段分

别切削不同的部分，最终完成整个零件的加工，四个阶段分别切削部

分如图14（a）（b）（c）（d）中阴影所示。

14

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（a）第一阶段切削部分（b）第二阶段切削部分

（c）第三阶段切削部分（d）第四阶段切削部分

图14各阶段切削部分示意图

第一阶段：外圆粗加工

其加工轨迹示意图如图15中虚线所示,刀尖先从（0,0）位置到达

A位置，然后按照依次到达A→B→C→D→E→F点位置的顺序进行

切削加工，到达F点后刀尖返回（0,0）位置完成外圆粗加工。在进

行切削加工时，M1电机和M2电机速度均设定为2mm/S；进刀时（即

从（0,0）位到达A点）及退刀时（即从F点回到（0,0）位）时M1

速度为2mm/S，M2速度自行计算确定，要求进刀和退刀均走最短路

线。

(20，19)

C

(45，14)(25，14)B(10，19)

ED

A(10，10)

F

(45，10)

图15外圆粗加工轨迹示意图

第二阶段：外圆精加工

外圆粗加工完成后，刀架旋转电机M4正转，驱动刀架顺时针转

动开始换刀，当2号刀位于加工位时（SQ2被压下），M4制动停止，

15

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此时2号刀刀尖处于（0,0）位置，系统开始外圆精加工。

其加工轨迹示意图如图16中虚线所示,刀尖先从（0,0）位置到达

A位置，然后按照依次到达A→B→C→D→E→F点位置的顺序进行

切削加工，到达F点后刀尖返回（0,0）位置完成外圆精加工。在进

行切削加工时，M1电机和M2电机速度均设定为2mm/S；进刀时（即

从（0,0）位到达A点）及退刀时（即从F点回到（0,0）位）时M1

速度为2mm/S，M2速度自行计算确定，要求进刀和退刀均走最短路

线。

(20，20)

C

(45，15)(25，15)B(10，20)

ED

A(10，10)

F

(45，10)

图16外圆精加工轨迹示意图

第三阶段：切槽

外圆精加工完成后，刀架旋转电机M4正转，驱动刀架顺时针转

动开始换刀，当3号刀位于加工位时（SQ3被压下），M4制动停止，

此时3号刀刀尖处于（0,0）位置，系统开始切槽加工。

其加工轨迹示意图如图17中虚线所示,刀尖先从（0,0）位置到达

A位置，然后按照依次到达A→B→A点位置的顺序进行切削加工，

回到A点后刀尖返回（0,0）位置完成切槽加工。在进行切削加工时，

M1电机和M2电机速度均设定为2mm/S；进刀时（即从（0,0）位到

达A点）及退刀时（即从A点回到（0,0）位）时M1速度为2mm/S，

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M2速度自行计算确定，要求进刀和退刀均走最短路线。

(40，20)

B

A(40，10)

图17切槽加工轨迹示意图

第四阶段：钻孔

切槽加工完成后，刀架旋转电机M4正转，驱动刀架顺时针转动

开始换刀，当4号刀位于加工位时（SQ4被压下），M4制动停止，此

时4号刀刀尖处于（0,0）位置，系统开始钻孔加工。

其加工轨迹示意图如图18中虚线所示,刀尖先从（0,0）位置到达

A位置，然后按照依次到达A→D→A点位置的顺序进行切削加工，

回到A点后刀尖返回（0,0）点完成钻孔加工。在进行切削加工时，

M1电机和M2电机速度均设定为2mm/S；进刀时（即从（0,0）位到

达A点）及退刀时（即从A点回到（0,0）位）时M1速度为2mm/S，

M2速度自行计算确定，要求进刀和退刀均走最短路线。

(25，35)

D

A(10，35)

图18钻孔加工轨迹示意图

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主轴转速控制：

根据工艺要求不同，在进行不同阶段的加工时其主轴转速也不同。

本设备要求进行外圆粗加工时主轴转速为280r/min；外圆精加工时主

轴转速为560r/min；切槽加工时主轴转速为210r/min；钻孔加工时主

轴转速为140r/min。

注意：此处应考虑带轮传动减速比！主轴转速在实际运行过程中允许有±5%

的误差。

冷却液泵控制：

主轴开始转动时冷却液泵即开启喷出冷却液冷却工件和刀具，主

轴停止时冷却液泵也随即停止。在设备上安装有一只量程为（0~500

摄氏度）的温度传感器，经变换器变为0-10V的电压量（此处用设备

背面0-10V电压源代替）来检测切削时的温度，触摸屏上应有温度实

时显示。若温度在250摄氏度以下则冷却液泵不运行，若温度达到

250摄氏度以上超过3S则冷却液泵开始运行，若温度升至300摄氏

度以上则HL4以1HZ频率闪亮直至温度降至300摄氏度以下。

以上四个阶段加工全部完成且当前加工位刀尖返回（0,0）点之后，

主轴电机和冷却液泵电机先停止，刀架旋转电机M4反转，驱动刀架

逆时针转动开始换刀，当1号刀位于加工位时（SQ1被压下），M4

制动停止，同时主轴电机也停转。

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图19运行模式画面

本次工件加工完毕之后，经硬件时间继电器延时后（初始设定为

3S）HL3灭，设备等待下一次启动加工。

运行模式触摸屏监控画面如图19所示，要求在加工监视区实时显

示X轴、Z轴当前极坐标位置，演示功能时将以此位置作为刀具移动轨迹

依据。

4、非正常情况处理

（1）过载

当M4电机发生过载时，系统暂停，运行界面跳转至报警界面，

如图20所示，触摸屏上指示灯以1Hz频率闪烁，解除过载后设备按

暂停前状态继续运行；

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图20M4电机报警画面

M5电机过载时，电机停转，但是其他电机仍然继续工作，解除

过载后M5电机继续运行。注意：此处应由硬件电路实现，无需PLC编程！

（2）超限

刀架在移动的过程中，X轴方向如果超出了丝杆运动的范围（压

到了SQ11或SQ12）则相应电机停转，手动将其恢复后电机继续运

行。

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维修工作票

工作票编号N0：

发单日期：20年月日

工位号

工作任务T68镗床电气线路故障检测与排除

工作时间自年月日时分至年月日时分

登陆学号：（即两位数的工位号，如：01、10、20等）

工作条件

登陆密码：无

观察故障现象和排除故障后试机通电；检测及排故过程停电。

工作许可人签名

．在工作许可人签名后方可进行检修；

维1

2．对电气线路进行检测，确定线路的故障点并排除调试填写下列表格；

修

3．严格遵守电工操作安全规程；

要

4．不得擅自改变原线路接线，不得更改电路和元件位置；

求

5．完成检修后能恢复该镗床各项功能。

故障

现象

描述

故障

检测

和排

除过

程

故障

点描

述

注：选手在“工位号”栏签工位号，裁判在“工作许可人签名”栏签

名。

21

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镗床

SQ6

SQ4

80

76777879

75

SQ5

18

KM7

T68

反转

74

444

型

6869

7071

72

快速移动

17

KM6

73

67

444

正转

YL-ZT.0-6

YL-ZT

13

SQ163

61

626465

KT

16

66

14

电路故障点电气原理图

KM2