2023年河北省职业院校（高职）现代电气控制系统安装与调试技能大赛赛项

注意事项一、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。二、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。三、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，扣5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。四、所设计的PLC、触摸屏、PPT等程序必须保存到计算机的“D:\工位号”文件夹下，工位号以现场抽签为准。五、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。六、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。

请按要求在6个小时内完成以下工作任务：

机床控制系统机床控制系统运行说明机床电气控制系统由主轴旋转电机、刀架换刀电机、X轴进给电机、Y轴进给电机、冷却电机等组成。本系统是由plc精准控制将木板材料加工成所需要的特定三角形，对提高企业生产和管理自动化水平有很大的帮助,同时又提高了生产效率、使用寿命和质量,减少了企业产品质量的波动。图1机床控制系统机床控制系统由以下电气控制回路组成：主轴旋转电机M1控制回路【M1为双速电机，低速运行KT设定时间Xs(具体时间由裁判给出)接通+0.5s延时变成高速，需要考虑过载、联锁保护，热继电器整定电流为0.3A（低速时）/0.35A（高速时）】。刀架换刀电机M2控制回路【M2为三相异步电动机，可实现正反转运行,需要考虑联锁保护】。主轴箱Z轴进给电机M3控制回路【M3为三相异步电动机，由变频器控制，已知速度v与变频器的运行频率f之间的关系为：v=0.3×fmm/s，M3从0mm/s加速到9mm/s需要用时0.3秒，从9mm/s减速到0mm/s需要用时0.3秒】。Y轴进给电机M4控制回路【M4为步进电机，每转需要2000脉冲,正转以500HZ运行，反转以800HZ运行】。X轴进给电机M5控制回路【M5为伺服电机，连接滚珠丝杠副系统。伺服电机参数设置如下：伺服电机每旋转一周需要4000脉冲】。夹紧电机M6控制回路【M6为三相异步电动机，可实现正反转运行，正转时工件夹紧，反转时工件放松,需要考虑联锁保护】。冷却电机【实物无需考虑，但PLC要分配控制IO点并在原理图中标明，触摸屏上要有对应的动作指示灯】系统控制要求如下：要求在一块长方形铝制肋板上加工5个沉头孔和一个三角形通槽，图2为肋板上孔和槽的加工位置示意图，图3为沉头孔加工尺寸示意图。其中L1为刀头到工件表面距离，L2为工件厚度，L3为沉孔深度。电动机旋转以“顺时针旋转为正向，逆时针旋转为反向”为准。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。余弦定理：图2孔和槽加工位置示意图图3沉头孔加工尺寸示意图二、机床控制系统安装方案要求1.本系统使用三台PLC、一台变频器，网络指定QCPU/S7-300/S7-1500为主站，2台FX3U/S7-200Smart/S7-1200及变频器为从站，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），见表1。表1电机控制、I/O、HMI与PLC组合分配方案方案电机三菱Q系列+FX3U系列方案西门子S7-300+S7-200Smart方案西门子S7-1500+S7-1200方案HMI、SA2、SA3、HL7Q00UCPUCPU314C-2PN/DPCPU1511M4、M5、编码器、SB1～SB6、SA1、HL4～HL6、HL8FX3U-32MTS7-200Smart6ES7288-1ST30-0AA0CPU1212C6ES7212-1AE40-0XB0M1、M2、M6SQ1～SQ5、SA4HL1～HL3、HL9FX3U-32MRS7-200Smart6ES7288-1SR40-0AA0CPU1212C6ES7212-1BE40-0XB0M3FR-E740G120CG120C4.根据本说明书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台电动机主电路，以及3台PLC电气原理图，并标注I/O定义功能和变频器、伺服驱动器主要参数及功能。在设计栏填写场次及工位信息。5.三台PLC和变频器安装位置要求如图2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，其余器件位置自行定义。从站一：三菱FX3U-32MR/西门子S7-200Smart（6ES7288-1SR40-0AA0）西门子CPU1212C（6ES7212-1BE40-0XB0从站一：三菱FX3U-32MR/西门子S7-200Smart（6ES7288-1SR40-0AA0）西门子CPU1212C（6ES7212-1BE40-0XB0）变频器：三菱FR-E740/西门子G120C（a）正面从站二：三菱FX3U-32MT/西门子S7-200Smart（6ES7288-1ST30-0AA0）/西门子CPU1212C（6ES7212-1AE40-0XB0）主站：三菱Q00UCPU/西门子3从站二：三菱FX3U-32MT/西门子S7-200Smart（6ES7288-1ST30-0AA0）/西门子CPU1212C（6ES7212-1AE40-0XB0）主站：三菱Q00UCPU/西门子300/西门子1500（b）反面图4PLC和变频器安装位置示意图三、机床控制系统控制要求机床控制系统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。设备上电后自动进入“界面选择”界面，参考图5所示，“界面选择”界面应主要包含日期、时间、星期、用户权限设置创建按钮、退出当前账号，当前登录用户显示等内容，要求“欢迎参加河北省职业技能大赛现代电气控制安装与调试”向左循环滚动。在用户未登录时，“界面选择”界面中的“通信测试模式”、“设备调试模式”和“自动运行模式”按钮显示为红色。如果未登录或权限不够按钮为红色时，点击进入相应触摸屏按钮时弹出“用户权限不够，禁止进入该界面”信息，错误信息闪烁3S后消失。点击用户登录按钮，进入“用户登录界面”参考图6所示。默认登录信息有两种：第一种用户名：“admin”，密码：“2023”。第二种用户名：“User”，密码：“XX”（工位号）。当用户名和密码输入正确后，点击“登录确定”按钮，登录成功，当前登录用户显示你所登录用户名的信息。如果用户名和密码输入错误点击“登录确定”按钮时，触摸屏弹出“用户登录信息错误”信息，错误信息闪烁3S后消失。图5欢迎界面参考图图6用户登录界面参考图图7创建界面参考图触摸屏当前登录用户为“admin”时，权限可进入“通信测试模式”、“设备调试模式”和“自动运行模式”、“用户权限设置创建”界面，对应进入该界面的按钮由红色变为绿色。如果当前登录用户为“User”，权限只能进入“自动运行模式”界面，对应进入界面按钮变为绿色，其它按钮变为红色。“admin”用户可以进入“用户权限设置创建”界面中创建其他用户如图7，账号选择框中，选择要创建账号按钮，选中后按钮由原色变为绿色，然后输入该账号的用户名与用户密码，并且设置它所能进入的界面（选择相应界面权限，选择后为绿色否则为红色），点击确定按钮，新用户创建完成。账号选择按钮和权限设置按钮变为原色。一共能设置3个账号【需要修改用户或者密码的话步骤和创建账号一样】。1.通信测试模式触摸屏进入通信测试画面后，HL1以闪烁3次停3秒的周期运行（闪烁频率为1.5HZ）HL2与HL1交替闪烁3次停3秒。此模式下可检测触摸屏与三台PLC及三台PLC之间的通信情况，如图8所示。图8通信测试界面示意图当三台PLC上电后处于运行状态时，系统网络连接正常时，触摸屏中对应的通信指示灯以1HZ闪亮，若“从站一”和“从站二”PLC网络断开时，对应通信指示灯熄灭，“通信状态显示区”显示“从站一（或二）网络通信异常”（显示文字以2Hz频率闪烁）。若触摸屏连接主站PLC网络断开时，“主站”、“从站一”和“从站二”三个通信指示灯均全部熄灭，“通信状态显示区”显示“通信中断，请检查网络连接”（显示文字以1Hz频率闪烁）。此外，每一台PLC需自由分配一个指示灯，作为通信测试灯HL7-HL9（柜子背面）。分两种情况测试，由触摸屏中的“模式转换开关”来切换，当开关拨至左端时表示三台PLC之间的通信测试模式，拨至右端时代表触摸屏与三台PLC之间的通信。在触摸屏中的“通信状态显示区”显示“三台PLC之间通信”或“触摸屏与三台PLC通信”字样，要求与实际操作相符。（1） 三台PLC之间通信测试初始状态无动作，按下测试按钮按钮，从站一PLC输出点的通信测试灯以1Hz闪烁，闪烁1次停1秒，再次按下测试按钮按钮，从站一PLC输出点的通信测试灯由1Hz闪烁变为2Hz闪烁，闪烁2次停2秒，从站二PLC输出点的通信测试灯以2Hz闪烁，闪烁2次停2秒；第三次按下测试按钮按钮，从站一、从站二PLC输出点的通信测试灯均熄灭，第一种通信测试完成。当触摸屏中的模式选择开关不在左端位置时，此模式操作无效，如需重新测试该模式可将模式转换开关拨至右端再拨至左端重新开始测试。（2） 触摸屏与三台PLC之间通信测试将触摸屏中的模式选择开关拨至右端位置时通信测试灯熄灭，进行触摸屏与三台PLC之间的通信测试,测试过程如下:①触摸屏与主站PLC通信测试：在“触摸屏与三台PLC通信测试”输入框中输入“MASTERSTATION”,按下SB1按钮，主站PLC通信测试灯1Hz闪烁；再次按下SB1按钮，主站一PLC通信测试灯灭。输入其他任意值按下SB1按钮通讯测试灯无反应。②触摸屏与从站一PLC通信测试：在“触摸屏与三台PLC通信测试”输入框中输入“SLAVEI”,按下SB2按钮，从站一PLC通信测试灯2Hz闪烁；再次按下SB2按钮，从站一PLC通信测试灯灭。输入其他任意值按下SB2按钮通讯测试灯无反应。③触摸屏与从站二PLC通信测试：在“触摸屏与三台PLC通信测试”输入框中输入“SLAVEII”,按下SB3按钮，从站二PLC通信测试灯2Hz闪烁；再次按下SB3按钮，从站二PLC通信测试灯灭。输入其他任意值按下SB3按钮通讯测试灯无反应。当触摸屏中的“模式转换开关”不在右端位置，此模式操作无效，如需重新测试该模式可将模式转换开关拨至左端再拨至右端重新开始测试。两种模式测试完成后，触摸屏显示“全部通信正常”，按下“返回首页”按钮将触摸屏切换至首页界面，模式指示灯HL1、HL2熄灭。2.调试模式设备进入调试模式后（如图9所示），选择电机调试按钮均为初始状态红色，HL1、HL2指示灯以1Hz频率交替闪烁，通过点击触摸屏界面下方对应电机调试按钮来选择调试电机。随意选择需调试的电机，选择电机调试按钮初始状态为红色，选中调试时按钮变为绿色闪烁，调试完成对应按钮变为黄色。选中其中一个电机时，HL1和HL2熄灭，按下SB1启动按钮，选中的电机按下述要求进行调试运行。没有调试顺序要求，所有电机调试完成后，3S后自动切换到到首页界面。当选中电机调试运行过程中，按下”M1-M6电机调试”中其它电机调试按钮均无效。当选中电机处于停止时，按“M1-M6电机调试”中其它电机调试按钮可有效切换。图9主轴旋转电机M1调试界面示意图（1）主轴旋转电机M1调试过程控制如下：按一下启动按钮SB1，主轴旋转电机M1低速运行（低速运行指示灯亮），延时KT时间继电器设定时间后，再间歇0.2S后切换成高速运行（高速运行指示灯亮）。且使用前面板的4-20mA模拟10-300℉，当温度超过设定值时（设定范围为32℉-212℉），电机延时0.4s切换至低速运行，5s内温度未降低则电机停止，触摸屏弹出报错文本框“M1电机温度过高，请检查”红黄两色闪烁，HL4指示灯以1HZ闪烁，并且触摸屏蜂鸣器报警。温度解除报警后，系统恢复温度报警前运行状态。调试过程中按下按下触摸屏“停止按钮”，电机立即停止调试。再次按下SB1按钮继续运行，完成一次低、高速切换及以按下SB2按钮后调试完毕，指示灯熄灭。在冷却电机调试过程中，低速运行时HL2指示灯1Hz闪烁，高运行时HL2指示灯2Hz闪烁，停止时HL2指示灯常亮。图10刀架换刀电机M2调试界面示意图（2）刀架换刀电机M2调试过程 触摸屏中选择换刀电机M2后，刀架盘各刀位位置处在初始状态（如图10所示），“刀位号设置”区中“换刀前换刀刀位号”、“待换刀位号”设置值自动更新为1、2（以上操作只需要更新数值即可，电机不动作）；“换刀刀位号”（蓝色字体）显示为1。设置值“待换刀位号”是指待换刀具所在的刀位号，“换刀前换刀刀位号”是指换刀前换刀刀位的刀位号，显然，这两个设置值范围均为1~8，且不相等；调试过程中，设置值输入后，均需进行设置值正确性判断，如果设置值不正确，系统跳出黄底红字“刀位号错误”提示信息，并快速闪烁，直至重新输入正确设置值，“刀位号错误”提示信息消失。按下调试启动按钮SB1，按如下规定可进行多次换刀调试：在“换刀前换刀刀位号”中输入正确值，则刀架盘各刀位位置更新（只需要更新各刀位位置，并不要求电机动作），如“换刀前换刀刀位号”设置为7后，更新后的刀位状态如图所示。刀位号设置正确时，点击【换刀】按钮，系统按照“系统运行说明”中的“换刀操作”规定进行换刀。【换刀】按钮绿色背景闪烁；待换刀刀位号刀具每到达下一个刀位时，刀位到达传感器（手动按下SB2按钮给出信号）发出刀位到达信号后，刀架盘各刀位位置和“换刀刀位号”更新一次；换刀结束后，【换刀】按钮背景恢复原色。顺时针当前刀位顺时针当前刀位57862431当前刀位3当前刀位35648217（“换刀前换刀刀位号”设置为7后），刀架盘刀位状态示意图刀架盘刀位位置状态更新时，实现方式不限，例如：可采用8个位图通过“可见度”实现、或通过对每一个刀位设置变量并改变其数值实现。当换刀电机M2顺时针旋转时，指示灯HL1以2Hz闪亮；逆时针旋转时，指示灯HL1常亮。换刀电机运行状态通过触摸屏运行状态指示灯显示。图11主轴箱Z轴进给电机M3调试界面示意图图12M3电机报警画面（3）主轴箱Z轴进给电机M3调试过程该调试过程模拟加工沉头孔。首先在触摸屏中设置Z轴电机的速度V（速度设定范围为3.0-15.0mm/s,保留小数点后1位）和L1、L2、L3的距离（设定范围为5-100mm）。按下按钮SB1，如设定L2距离小于L3，则弹出报警画面（如图12所示，按下“重新输入”按钮则返回调试模式界面重新设定距离，按下“对调确认”按钮则返回调试模式界面的同时L2和L3距离对调）。如满足启动条件，主轴箱Z轴进给电机首先以速度V移动L1停止2秒后移动L2停止；再次按下按钮SB1,反向移动L2停止；再次按下按钮SB1,正向移动L3停止2秒后再反向移动L3+L1停止运行，M3电机调试完成。电机M3正转时指示灯HL1以0.5Hz频率闪烁，反转时以2Hz频率闪烁，停止时常亮，调试完成后熄灭。M3电机运行的实时频率应在触摸屏上显示（反转时频率值为负，精确到小数点后一位）。图13X轴与Y轴电机调试界面示意图（4）Y轴进给电机M4与X轴进给电机M5调试过程工作台X轴进给电机M5和Y轴进给电机M4调试过程（如图13所示）该调试过程主要目的是对工作台进行直线校准。电机M5调试前，工作台在SQ3与SQ5之间的任意位置。首先设定X轴与Y轴之间夹角（设定范围为0-90°）。按下按钮SB1，X轴进给电机M5以4mm/s速度回原点SQ3；再次按下按钮SB1，两电机按照设定角度走斜线;运行过程中按下按钮SB1,工作台停止，再次按下按钮SB1,工作台继续运行，按下按钮SB2调试完成。工作台运行时，指示灯HL1以1Hz频率闪烁，停止时常亮，调试完成后熄灭。M4与M5电机向右运行过程中，将SA4转回左档位（断开使能），X/Y轴进给电机立即停止，触摸屏弹出并红绿色闪烁“注意，X轴进给电机使能断开！”文本框，再将SA4转到右档位，X/Y轴进给电机再次从当前位置继续运行直至调试结束。X/Y轴进给电机的运行速度和位置变化应在触摸屏上显示（用滚珠丝杆末端的编码器测的，单位为mm/s,精确到小数点后一位）。光电开关位置如图14所示SQ5SQ4SQ3C点B点A点SQ5SQ4SQ3C点B点A点SQ2SQ2SQ1SQ1图14进给M4与M5电机调试界面示意图图15夹紧电机M6调试界面示意图（5）夹紧电机M6调试过程触摸屏界面（如图15所示），按下SB1按钮开始调试，HL3指示灯常亮。然后按下“测试按钮”按钮，M6电机正转运行，夹紧电机夹紧工件。松开“测试按钮”按钮，M6电机制动停止，工件夹紧到位。再次按下“测试按钮”按钮，M6电机反转运行，夹紧电机松开工件；松开“测试按钮”按钮，M2电机制动停止，工件放松到位。（启动按钮奇数次按为正转、偶数次按为反转，松开按钮为制动停止）在触摸屏上要有正、反转指示。直到按下停止按钮SB2，电机M6调试结束。M6电机调试过程中，M6电机正转运行HL32Hz闪烁，M6电机反转运行HL31Hz闪烁，停止时常亮。调试完成后HL3指示灯熄灭.所有电机（M1～M5）调试完成后,所有调试按钮变为黄色，3s后系统将自动切换返回首页界面。在未进入首页界面时，单台电机可以反复调试。3.工作模式首页界面点击“自动运行模式”按钮收先进入自动运行界面（连续加工）后，模式指示灯HL1常亮。触摸屏进入自动运行模式画面（参见图16），设计要求如下：1、触摸屏画面应有返回首页按钮和模式切换按钮；2、触摸屏画面应有显示夹具及各个电机运行状态的指示灯（运行时为绿色，停止时为红色）；3、触摸屏画面中有显示当前运行模式指示灯、X轴电机位置、Y轴电机位置、Z轴位置、X轴电机速度、Y轴电机速度、以及当前刀位号的参数信息；4、在系统运行时，6个孔或槽的指示灯（某个孔或槽在被加工时点亮，加工完成后熄灭），以及触摸屏显示在该模式下的加工顺序。5、输入需加工三角形的三边长度，判断所输入三角形三边是否符合要求，在触摸屏指示灯上显示。图16 连续加工画面图17 选择加工画面数控加工中心控制系统工艺流程与控制要求：（1）系统初始化状态系统处于停止状态，HL2停止指示灯亮；按下复位按钮SB5，执行复位操作，HL2停止指示灯灭，HL3复位指示灯闪烁，工作台执行回原点操作（X轴进给电机回原点SQ3处、Y轴进给电机以当前位置为初始位置），各电机处于停止状态，夹紧装置处于松开状态，复位完成后HL3复位指示灯亮。在触摸屏设置1、2、3、4、5、6孔的距离位置（每个间距设置范围为1～6cm），其中三角形三边边长（2~12）单位（cm），要求任意输入边长并自动分配三边边长（a<b+c），三边可构成三角形后，符合指示灯亮，三边不能构成三角形、不符合指示灯亮。（2）系统启动按下SB6启动按钮后，系统开始运行，HL5运行指示灯亮，HL3复位指示灯熄灭。运行模式（自动模式运行时，加工孔以及铣a边时X轴进给电机的速度与Y轴进给电机速度一致，铣c边和b边的速度由Y轴进给电机速度计算而来，Z轴电机进给速度及加工尺寸均与手动调试时一致）。冷却泵电机运行过程：冷却泵电机与主轴电机同时运行，同时停止。①加工模式选择：触摸屏模式选择按钮选择加工模式（模式一（如图16所示）为连续加工模式，为了提高加工效率，首先加工通孔（深度为L2的孔），加工顺序为1-2-4-5-6；然后加工沉孔（深度为L3的孔），加工顺序为6-5-4-2-1；最后铣三角形通槽（深度为L2的槽）；加工完成后工作台返回原点。模式二为选择加工模式（如图16所示），按照点按孔或槽按钮的先后顺序加工（点按的先后顺序在触摸屏上显示），选择后的孔或槽再次选择无效，此模式下加工某一孔应先加工通孔再加工沉孔，加工完成所选的孔槽后工作台返回原点。（3）动作流程工序一、工件夹紧：首先夹紧机构将工件固定（HL6指示灯灯亮），M6夹紧电机正转，当前面面板的0-10V（模拟0.0-8.0kgf压力）大于5.0kgf时表示夹紧到位，夹紧电机停止。等待1秒后执行工序二工序二、换刀操作：加工通孔用2号刀位上的刀，加工沉孔用4号刀位上的刀，加工三角形通槽用3号刀位上的刀。自动换刀与手动换刀的方法和步骤一致（无视调试模式中指示灯要求）。工序三、通孔加工：加工通孔过程（以加工2号孔为例）：换刀完成后X轴、Y轴进给电机开始运行至2号孔位置，等待1秒后，主轴箱Z轴进给电机下降L1到加工件表面，主轴电机开始低速旋转并下降L2，等待1秒后，主轴电机开始高速旋转上升L1+L2到Z轴初始位置后两电机停止。工序四、沉孔加工：加工沉孔过程（以加工2号孔为例）换刀完成后X轴、Y轴进给电机开始运行至2号孔位置；等待1秒后，主轴箱Z轴进给电机下降L1到加工件表面，主轴电机开始低速旋转并下降L3，等待1秒后，主轴电机开始高速旋转上升L1+L3到Z轴初始位置后两电机停止。工序五、三角形通槽加工：加工三角形通槽过程：换刀完成后X轴、Y轴进给电机开始运行至3号槽A点位置，等待1秒后，主轴箱Z轴进给电机下降L1到加工件表面，主轴电机开始低速旋转并下降L2，等待1秒后，X轴、Y轴进给电机沿图1所示方向先铣c边，到达B点时停1秒，再铣a边，到达C点时停1秒，再铣b边，到达A点时停1秒，主轴电机开始高速旋转上升L1+L3距离到Z轴初始位置后两电机停止。（4）运行完成模式一或模式二加工完成后，工作台返回原点，M6夹紧电机反转，当面板后面的0-10V（模拟0.0-8.0kgf压力）小于1.0kgf时表示放松到位，夹紧电机停止。夹紧装置打开（HL6灯熄灭），运行指示灯HL5灭，停止指示灯HL2亮。此时点击“返回首页按钮”系统将切换至启动选择界面，模式指示灯HL1熄灭。（5）