电气控制课程设计工厂电气控制及PLC技术.docx

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电气控制课程设计工厂电气控制及PLC技术

第1章.自动剪板机的工艺…………………………………………………5

1.1自动剪板机的结构……………………………………………………………6

1.1.1自动剪板机的机械结构……………………………………………………6

1.1.2自动剪板机的电气结构……………………………………………………6

1.2自动剪板机的工作原理及系统要求…………………………………………6

1.2.1自动剪板机的工作原理……………………………………………………6

1.2.2自动剪板机的电气系统控制要求…………………………………………7

第2章PLC简述与电气控制…………………………………………………7

2.1PLC的发展……………………………………………………………………8

2.2PLC的构成……………………………………………………………………8

2.2.1CPU的构成…………………………………………………………………8

2.2.2I/O模块……………………………………………………………………9

2.2.3电源模块……………………………………………………………………9

第3章自动剪板机的PLC控制系统………………………………………9

3.1控制系统硬件电路设计………………………………………………………10

3.1.1选择PLC的型号……………………………………………………………10

3.1.2选择输入元件和输出元件…………………………………………………10

3.1.3设计PLC输入/输出回路……………………………………………………9

3.2设计主电路……………………………………………………………………11

3.3设计送料机构控制电路………………………………………………………11

3.4设计压紧装置控制电路………………………………………………………12

3.5设计剪切装置控制电路………………………………………………………12

3.6设计控制系统程序……………………………………………………………12

结论………………………………………………………………………………13

结束语……………………………………………………………………………13

参考文献…………………………………………………………………………14

前言

目前,我国机械制造业存在大量的通用设备,在发展现代机械自动化技术的同时,可以应用微电子技术改造这些已有的通用设备,比如用数显、数控装置改造通用设备,来提高单机自动化程度;用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床及自动设备与半自动设备组成的生产线,这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，这是一条低成本、高效益，符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。

板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备。

剪板机是板材加工企业的关键生产设备之一，传统的剪板机控制系统大多都是采用继电器--接触器控制，但此类控制系统较为复杂，大量的硬件接线使系统的可靠性降低，同时也间接降低了设备的工作效率。

随着机械自动化技术的发展，可编程控制器PLC大量运用于工业生产中。

若剪板机的控制系统采用PLC，不仅使控制系统变得简单，而且控制系统稳定可靠，提高了生产效率。

该设计方案通过对剪板机的工作原理及其控制特点进行分析，选用西门子小型PLCS7-200设计剪板机的控制系统。

从而将传统的剪板机改造为全自动剪板机，广泛的应用于板材加工系统中,板料长度检测，板料进料、压紧、走刀、落料、长度调整等过程按一定的顺序控制精确度动作。

该方案综合考虑了设备的性能，价格比，显示直观性、外表美观性、灵活性等诸方面因素,简单合理，可靠性高，有很好的实用性。

基于PLC的全自动剪板机电气控制系统设计

课程设计目的

工厂电气课程设计是在学完工厂电气及PLC理论课程之后进行的实践性很强的教学环节，其主要目的是通过对某一生产设备的电气控制装置进行设计，了解一般电气控制系统的设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法。

工厂电气课程设计是对本课程及其相关课程所学内容的综合运用。

有助于学生复习、巩固所学知识，达到灵活应用的目的。

电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养了学生从事设计工作的整体观念。

课程设计强调能力培养为主，要求独立完成课程设计任务，通过本次课程设计学生应当在以下几个方面得到锻炼:

✧熟悉电气设备的名称、用途、基本结构、动作原理以及工艺过程，能够绘制电气原理图。

✧了解电气设备的拖动方式、运动部件的动作顺序、各动作要求和控制要求。

✧提高独立工作能力与创造力，综合运用专业及基础知识解决实际工程技术问题的能力。

✧提高查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。

✧提高工程绘图的能力，书写技术报告和编制技术资料的能力等。

课程设计题目描述和要求

设计题目：

剪板机的电气控制系统设计

题目描述及要求：

剪板机用于对板料进行剪切。

电气系统由送料、定位夹紧、剪切3个部分组成。

采用了5个限位开关X1、X2、X3、X4、X5检测各部分的工作状态和一个控制按钮X0控制系统的启动和停止。

送料机构、压板及剪切刀分别由3台电机拖动。

系统未动作时，送料机构、压板、剪切刀的限位开关X1、X2、X3均处于断开状态，限位开关X4、X5处于闭合状态。

按下启动按钮X0，送料机构电动机开始正转，系统开始自动送料，当板料前行碰到限位开关X1使其闭合送料机构电动机停止转动，送料停止。

同时定位夹紧机构电机开始正转，压钳下行，限位开关X4断开，压钳将板料压紧时限位开关X2闭合，电机停止转动。

剪切装置电机开始正转，剪刀下行，限位开关X5断开，当板料被剪断时限位开关X3闭合，剪切装置和定位夹紧机构电机同时反转，剪刀和压钳同时上行，限位开关X2和X3断开，到达上限位X4、X5时电机同时停止。

要求有单次控制方式（即按下启动按钮完成一次剪切后停止）和自动控制方式（即按下启动按钮后反复执行上述剪切过程）。

课程设计报告内容

第1章.全自动剪板机工艺

剪板机应用于许多金属加工和薄板开料操作，在设计剪板机之前必须对几个因素进行考虑，包括剪板机的剪切能力、产率增强选件和安全性。

剪板机类型由许多因素决定，诸如剪板机可处理材料的长度、厚度和种类。

剪板机可以按剪切形式及其驱动系统进行分类，有两种结构形式常用于电动龙门剪床：

闸式（也叫滑块式）和摆式。

闸式剪板机利用驱动系统操纵动刀片向下移动到一定的位置，使动刀片在整个行程内几乎与定刀片保持平行。

为了使刀架片横梁在相互移动的过程保持合适的状态，闸式剪板机需要一个滑块导向系统。

摆式剪板机驱动系统中有一个用来操纵动刀片，使动刀片依附于滚柱轴承向下回转。

这种结构不再需要利用凹字形导向条或滑道使刀片在剪切过程保持合适的姿势。

在评价剪板机时需要考虑的一个因素是指定的工作需要多大的剪切能力。

剪板机的规格数据几乎都以低碳钢和不锈钢为剪切对象。

为了把金属加工厂对剪板机的要求同这些数据进行对照，必须根据剪板机的能力核对工厂的材料规格。

剪切角（动刀片通过定刀片时的角度）是决定切口质量的重要因素。

一般而言，剪切角越小，切口质量越好。

如果落在剪板机后面的零件比较短（小于4’（1.22m）），可能出现俯曲、扭曲和拱起等切口质量问题。

剪切角较小的剪板机需要较大的动力。

剪板机依靠重要的标准部件和能够增加生产率的选购件来增强产率，提高生产率可以表现为许多形式：

节约人力，改进物料流动，提高精度，改善切口质量并避免辅助操作，但最重要的是增强安全性。

1.1自动剪板机的结构

1.1.1自动剪板机的机械结构

自动剪板机是一种精确控制板材加工尺寸,将大块金属板材进行自动循环剪切加工的设备。

自动剪板机由送料机构、定位压紧装置、剪切装置等机械结构组成。

自动剪板机机械结构如下图所示：

1.1.2自动剪板机的电气控制结构

如上图所示：

系统设置了5个限位开关，分别用于检测各部分的工作状态。

其中，SQ1检测待剪板料是否被输送到位;SQ2、SQ4分别检测压钳是否压紧已到位的板料和压钳是否回到初始位置;SQ3、SQ5分别检测剪切刀是否将板料剪断和剪切刀是否回到初始位置。

送料机构、压钳和剪切刀分别由三台电动机拖动。

停止按钮SB1和启动按钮SB2分别控制系统断电和上电。

系统未上电时,SQ1、SQ2和SQ3处于断开状态,SQ4、SQ5处于闭合状态。

1.2自动剪板机工作原理及系统要求

1.2.1自动剪板机工作原理

当系统启动时,输入板料加工尺寸、加工数量等参数，未按下自动循环按钮时，系统进行单步加工；按下自动循环按钮，则系统进行自动循环加工。

✧系统上电后首先检测各工作机构的状态,使各工作机构处于初始位置。

✧送料，控制系统控制送料机构电动机正转，送料机构带动板料向右移动，当板料碰到限位开关SQ1时,SQ1闭合，送料机构电动机停止，板料输送到位。

✧压钳电动机正转,压钳下行,压钳上限开关SQ4断开。

当压钳下行到位,板料压紧时,压钳下限开关SQ2闭合，压钳电动机停止正转。

✧剪切刀电动机正转,剪刀下行，剪切刀上限开关SQ5断开。

当剪切刀将板料剪断时，剪切刀的下限开关SQ3闭合,限位开关SQ1断开，剪切刀电动机停止正转。

✧压钳电动机和剪切刀电动机同时反转，SQ2、SQ3断开，压钳和剪切刀复位到初始位置，SQ4和SQ5闭合。

1.2.2自动剪板机电气系统的控制要求

根据剪板机的工作原理,对控制系统提出控制要求如下:

✧上电后,检测各工作机构的状态,控制各工作机构处于初始位置。

✧送料,由控制系统控制送料机构将待剪板料自动输送到位。

✧定剪切尺寸,采用伺服电机控制挡料器位置保证精确的剪切尺寸,其尺寸可以是定值也可以设置为循环变动值。

✧板料压紧,待剪板料长度达到设定值后由压块电动机带动压料器下行压紧板料。

✧剪切板料，待板料压紧后由主电动机带动剪切刀下行，板料被剪断。

✧板料卸载后送料机构，定位压紧装置，剪切装置自动返回。

✧按下停止按钮后，剪板机立即停止工作，松开按钮则继续当前工作。

✧具备断电保护和过载保护功能。

✧保证板料加工精度、加工效率和安全可靠性。

第2章.PLC简述与电气控制

传统的电气控制采用继电器-接触器，控制系统较复杂,大量的接线使系统可靠性降低,也间接的降低了设备的工作效率。

随着机械自动化技术的发展，现代工业生产大量采用可编程控制器PLC作为电气控制系统，不仅使控制系统变得简单、稳定可靠，而且提高了设备的工作效率。

可编程控制器PLC是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备,不仅能实现对开关量信号的逻辑控制,还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

因此,将PLC应用于自动剪板机的电气控制系统,完全能满足技术要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。

在此，对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识做　　

2.1PLC的发展历程

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

2.2PLC的构成

　　从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

2.2.1CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。

PLC常用的存储类型有RAM、ROM、EPROM、EEPROM。

PLC采用循环扫描工作方式，扫描过程分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。

2.2.2I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出则模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

2.2.3电源模块

　　PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

第3章.自动剪板机的PLC控制系统设计

为实现自动化加工，必须根据板材自动精确剪切加工的工作特点及动作要求进行设计。

本方案综合考虑了自动剪板机加工原理，加工设备的性能，采用了可编程控制器PLC来实现对自动剪板机的控制，设计思想如下图所示：

总体设计方案简图

系统控制要求：

按下启动按钮，剪板机自动循环加工：

送料-压紧-剪切；按下停止按钮剪板机立即停止工作，松开停止按钮则继续停止前的动作。

PLC作为控制系统的核心，其输入/输出信号均为开关量。

3.1控制系统硬件电路设计

3.1.1选择PLC的型号

通过系统分析可知：

剪板机控制系统共需要7个输入信号，分别为：

停止按钮SB1、起动按钮SB2、板料到位检测开关SQ1、压钳下限开关SQ2、压钳上限开关SQ4、剪刀下限开关SQ3、剪刀上限开关SQ5。

系统共需要6个输出信号，分别为：

中间继电器KA、送料控制KM1、压钳下行控制KM2、剪刀下行控制KM4、压钳上升控制KM3、剪刀上升控制KM5。

共计7个输入点和5个输出点。

确定了输入/输出点数以后，接着进行PLC的选型。

由于以上输入/输出信号全部为开关量。

点数也不多，且控制不复杂。

因此PLC采用西门子S7-200系列的CPU222（8I/6O）,由于输入点变化频率不高，所以选用了继电器输出型。

3.1.2选择输入元件和输出元件

输入/输出元件选用一般的电气元件，可根据需要灵活选用。

对于接触器的选型，为了方便PLC的输出接线，统一选用线圈额定电压为交流220V的接触器。

另外根据相关标准规定，分别选用绿色按钮和红色按钮作为启动和停止按钮。

3.1.3设计PLC输入/输出回路

✧分配I/O点

选择好PLC的输入/输出元件后，画出如下I/O端子分配表。

输入

输出

元件代号

功能

输入点

元件代号

功能

输处点

SB1

停止按钮

I0.0

KM1

送料控制

Q0.0

SB2

起动按钮

I0.1

KM2

压钳下行

Q0.1

SB3

复核按钮

I0.2

KM3

压钳上升

Q0.2

SQ1

板料到位

I0.3

KM4

剪刀下行

Q0.3

SQ2

压钳到位

I0.4

KM5

剪刀上升

Q0.4

SQ3

剪刀到位

I0.5

SQ4

压钳复位

I0.6

SQ5

剪刀复位

I0.7

✧PLC输入/输出回路设计

根据上述硬件选型I/O地址分配，画出剪板机控制系统的PLC外部硬件接线图。

（见附图：

PLC硬件接线图）

PLC的输入回路中，信号电源由外部24V稳压电源提供，所有输入公共端M短接后接入直流电源DC24V的负极。

所有输入元件的一端接相应的PLC的输入点，另一端接到直流电源DC24V的正极。

PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V、2A。

因此可用输出点直接控制接触器线圈。

采用交流220V电源作为PLC的输出回路的电源，分别向输出回路的各负载供电。

输出回路所有公共端L短接后接入交流电源一端。

KM2和KM3以及KM4和KM5接触器线圈支路中，设计了硬件互锁电路，以防止误操作故障。

3.2设计主电路

由自动剪板机的工作原理可知：

送料机构、压紧装置、剪切装各需要一台电动机进行拖动。

其中送料机构电动机只需正转，压紧装置和剪切装置电动机需要实现正反转。

用熔断器和热继电器进行短路和过载保护。

（主电路图见附图:

主电路图）

3.3设计送料机构控制电路

用交流电动机带动送料皮带，传送皮带送料只向一个方向运动，只要求电机向一个方向旋转即可，选用轻载小功率电动机，可直接起动。

用熔断器和热继电器作短路、过载保护。

使待剪板料自动快速稳定地输送到剪切位置。

（送料机构控制电路图见附图：

系统控制电路图）

3.4设计压紧装置控制电路

压钳的作用是压紧板料，以利于剪切刀切断板料，压钳有下行和上升两种运动，要求带动压钳的电动机具有正反转运动。

选用小功率电机，可以直接起动。

控制电路有联锁保护，用熔断器和热继电器作短路、过载保护。

（压紧装置控制电路图见附图：

系统控制电路图）

3.5设计剪切装置控制电路

剪切刀有两种运动，下行切断板料，然后上升复位，带动剪切刀装置的电动机也应具有正反转。

选用小功率电机，可以直接起动。

控制电路有联锁保护，用熔断器和热继电器作短路、过载保护。

（剪切装置控制电路图见附图：

系统控制电路图）

3.6控制系统程序设计

控制系统程序见如下梯形图：

结论

自动剪板机是一种精确控制板材加工尺寸,将大块金属板材进行自动循环剪切加工,并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备，其整个工艺过程很符合顺序控制的要求，所以，在控制过程中，采用可编程控制器对自动剪板机进行控制。

可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备,不仅能实现对开关量信号的逻辑控制,还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

它较好地解决了采用继电器-接触器控制，控制系统较复杂,大量的接线使系统可靠性降低,也间接地降低了设备的工作效率这一问题。

因此,将PLC应用于该控制,具有操作简单、运行可靠、抗干扰能力强、编程简单，控制精度高的特点。

结束语

两周的电气控制课程设计在紧张而又繁忙中结束了，这次课程设计让我对PLC技术又有了更深的认识。

在实际工业生产中需要我们运用多学科的理论、知识与技能，分析和解决工程问题。

刚开始准备着手做课程设计时还是怀着好奇的心理积极性还是很高的。

但是由于第一次做电气控制的课程设计，缺乏这方面的经验，所以在设计过程中遇到了各种各样的困难，通过查阅相关资料和老师的悉心指导，不断改进，最终做完了本次课程设计。

虽然课程设计如期完成，但我知道本课程设计中仍存在一些问题需要解决，希望得到老师的指正。

通过本次电气控制课程设计，我懂得了在今后的实际工作中，需要不断的学习，查阅各种资料，综合运用各科理论知识才能更好的解决实际问题。

再次感谢本次课程设计中一路耐心指导的老师，谢谢！

参考文献

1.阮有德.《电工技能考核指导（中级电工）》.北京：

机械工业出版社，2004

2.廖常初.《PLC基础及应用》.北京：

机械工业出版社

3.史国生.《电气控制与可编程控制器技术》.北京：

化学工业出版社，2004

4.杨兴.《工厂电气控制机PLC技术》.北京.清华大学出版社，2010