可編程序控制器實訓(xùn)6-7章課件

第3部分

綜合實訓(xùn)項目與工程設(shè)計

第6章綜合實訓(xùn)項目6.1三相步進電動機控制系統(tǒng)設(shè)計6.1.1目的和要求①用PLC實現(xiàn)對三相步進電動機的控制。②掌握用計時器設(shè)計脈寬為一個掃描周期且頻率可變的脈沖發(fā)生器和用位移位指令(SFTR或SFTL)產(chǎn)生時序脈沖的編程方法和技巧。③訓(xùn)練能綜合各種信號實現(xiàn)某種控制規(guī)律的編程思路和方法。④掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和步驟，從而提高應(yīng)用PLC的能力。6.1.2三相步進電動機工作原理簡介(1)概述(2)結(jié)構(gòu)圖6.1三相步進電動機結(jié)構(gòu)圖步進電機轉(zhuǎn)動的角度(步距角)的大小與轉(zhuǎn)子的齒數(shù)及通電的方式有關(guān)，即(3)旋轉(zhuǎn)1)電流脈沖的施加方式，共有3種。①單相三拍方式——按單相繞組施加電流脈沖(見圖6.2)。圖6.2②雙相三拍方式——按雙相繞組施加電流脈沖(見圖6.3)。③三相六拍方式——單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖(見圖6.4)。圖6.3圖6.42)本實訓(xùn)項目中步進電動機采用六拍工作方式，其工作原理(見圖6.5)如下：①A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A-A′級對齊(見圖6.5(a))。②在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相，這時定子B-B′極對轉(zhuǎn)子齒2-4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是A-A′極繼續(xù)拉住齒1-3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止，這時轉(zhuǎn)子的位置如圖6.5(b)所示，即轉(zhuǎn)子從圖6.5(a)位置順時針轉(zhuǎn)過了15°。③A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2-4和定子B-B′極對齊(見圖6.5(c))，轉(zhuǎn)子從圖6.5(b)的位置又轉(zhuǎn)過了15°。其位置如圖6.5(c)所示。6.1.3三相步進電動機的控制要求①能控制三相步進電動機的轉(zhuǎn)速：分慢速、中速、快速和單步4擋，由轉(zhuǎn)換開關(guān)(四擋)SA2選擇，且空擋設(shè)為單步擋。圖6.5三相步進電動機動作原理圖②可實現(xiàn)三相步進電動機的正、反轉(zhuǎn)控制：由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA3選擇，且空擋設(shè)為反轉(zhuǎn)擋。電動機只能在停車狀態(tài)時才可以進行正反轉(zhuǎn)切換。③能控制三相步進電動機的步數(shù)：分10步、100步兩擋，由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA4分兩擋選擇。④單步控制通過按鈕SB1進行操作。6.1.4實訓(xùn)內(nèi)容(1)系統(tǒng)配置①PLC選型：FX2N-32MT或FP1-C24。②根據(jù)控制要求編制輸入/輸出編址表，如表6.1所示。(2)程序設(shè)計1)程序功能分析①轉(zhuǎn)速控制：圖6.6圖6.7圖6.8②正、反轉(zhuǎn)控制：2)梯形圖①采用三菱FX系列編制的梯形圖程序如圖6.9所示。②采用松下FP1系列編制的梯形圖程序如圖6.10所示。6.2Z3050搖臂鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計6.2.1目的和要求①用PLC實現(xiàn)對Z3050搖臂鉆床的控制。②掌握用PLC改造傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)對輸入和輸出信號的確定原則和方法。圖6.9三相步進電機控制(三菱FX系列)圖6.10三相步進電機控制(松下FP1系列)③學(xué)會選擇關(guān)鍵信號構(gòu)成主控程序和故障信號報警程序的設(shè)計方法。④訓(xùn)練用PLC改造傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)的編程的思路和綜合分析問題的能力。6.2.2機床概況6.2.3控制要求圖6.11Z3050搖臂鉆床外形圖圖6.12Z3050搖臂鉆床的電氣原理圖(1)控制主軸的旋轉(zhuǎn)運動(2)搖臂升降及夾緊、放松控制工作流程如下：①放松流程：②上升(或下降)流程：③夾緊流程：(3)立柱與主軸箱的夾緊及放松工作流程如下：①按下松開按鈕SB5→液壓泵電動機3M正轉(zhuǎn)，此時電磁閥YA不通電(其提供的壓力油

經(jīng)二位六通電磁閥YA的另一油路，推動活塞和菱形塊使立柱和主軸箱松開)→松開到位→行程開關(guān)SQ4動作→松開指示燈HL2亮，松開SB5→液壓泵電動機3M停止。②按下夾緊按鈕SB6→液壓泵電動機3M反轉(zhuǎn)(反向推動活塞和菱形塊使立柱和主軸箱夾緊)→夾緊到位→行程開關(guān)SQ4復(fù)位→夾緊指示燈HL1亮，松開SB6→液壓泵電動機3M停止。(4)升降限位及過載保護(5)延時轉(zhuǎn)換6.2.4實訓(xùn)內(nèi)容(1)系統(tǒng)配置①PLC選型:根據(jù)控制要求確定輸入信號為15個開關(guān)量，輸出信號為11個開關(guān)量，故選PLC型號為FX2N-32MR或FP1-C40。②根據(jù)控制要求編制輸入/輸出表，如表6.2所示。(2)程序設(shè)計①采用三菱FX系列編制的參考程序的梯形圖如圖6.13所示。②采用松下FP1系列編制的參考程序的梯形圖如圖6.14所示。圖6.13搖臂鉆床控制（三菱FX系列）圖6.14搖臂鉆床控制（松下FP1系列）6.3機械手控制系統(tǒng)設(shè)計6.3.1目的和要求①用PLC實現(xiàn)對機械手的手動、自動控制。②用PLC設(shè)計具有多種操作方式的電控系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)。③掌握一般控制系統(tǒng)操作方式切換時保持系統(tǒng)狀態(tài)連續(xù)的程序設(shè)計思路和方法。④讀者參考原程序后自行設(shè)計手動、回原點、單步、單周期和自動5種工作方式下的控制程序。6.3.2設(shè)備概況(1)工藝介紹圖6.15機械手動作示意圖(2)操作面板6.3.3控制要求圖6.16操作方式面板布置圖(1)液壓系統(tǒng)油泵啟動及停車(2)機械手工作方式①手動：②回原點：③單步：④單周期：⑤自動：(3)系統(tǒng)保護和報警功能6.3.4實訓(xùn)內(nèi)容(1)系統(tǒng)配置①PLC選型:根據(jù)控制要求確定輸入信號為24個開關(guān)量，輸出信號為13個開關(guān)量，故選PLC型號為FX2N-48MR或FP1-C40。②根據(jù)控制要求編制輸入/輸出編址表，如表6.3所示。(2)程序設(shè)計①程序設(shè)計僅考慮手動、自動兩種工作方式，此時X0=ON為手動，X4=ON為自動。②采用三菱FX和松下FP1編制的參考程序的梯形圖分別如圖6.17、圖6.18所示。圖6.17機械手控制程序(三菱FX系列)續(xù)圖6.17機械手控制程序(三菱FX系列)圖6.18機械手控制程序(松下ＦＰ１系列)6.4鑄造機控制系統(tǒng)設(shè)計6.4.1目的和要求①用PLC實現(xiàn)對鑄造機的控制。②掌握用PLC設(shè)計控制系統(tǒng)對輸入和輸出信號的確定原則和方法。③學(xué)會使用傳感器的檢測信號構(gòu)成主控程序和故障信號報警程序的設(shè)計方法。④訓(xùn)練用PLC設(shè)計控制系統(tǒng)的編程思路和綜合分析問題的能力。6.4.2設(shè)備概況1)試模合模缸退到2位→發(fā)合模缸進1指令→合模缸向前進→上、下模合模壓力到上限→合模缸退到１位2)裝模圖6.19鑄造機結(jié)構(gòu)圖人工放入模具→發(fā)合模缸進2指令→合模缸從1位向前進→上、下模合模壓力到上限→旋轉(zhuǎn)缸進(鑄模前傾)同時人工倒入鑄液3)鑄造鑄液凝固(保壓一段時間)→旋轉(zhuǎn)缸退(鑄模后傾)→合模缸退到2位4)脫模脫模缸進(脫模)→脫模缸進到位→脫模缸退→脫模缸退到位→人工取出鑄件6.4.3控制要求(1)開機①合上PLC控制柜內(nèi)的所有空氣開關(guān)，接通PLC電源及直流24V供電電源。②將手動/順控轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動位置，按下油泵啟停按鈕，電機在卸荷狀態(tài)下啟動(再次按下油泵啟停按鈕，油泵電機停止運行)，其控制由PLC自動完成，此時可進行鑄造機運行操作。(2)系統(tǒng)運行操作1)手動方式2)順控方式(3)系統(tǒng)保護及報警①系統(tǒng)設(shè)有短路保護。②油泵電機設(shè)有過載保護和回油濾油器堵指示信號,并設(shè)有相應(yīng)的聲音報警，按下報警解除按鈕，即可解除報警聲。③系統(tǒng)設(shè)有完善的互鎖保護。6.4.4實訓(xùn)內(nèi)容(1)系統(tǒng)配置①PLC選型根據(jù)控制要求確定輸入信號為23個開關(guān)量，輸出信號為13個開關(guān)量，故選PLC型號為FX2N-48MR或FP1-C40。②根據(jù)控制要求編制輸入/輸出編址表，如表6.4所示。(2)程序設(shè)計①采用三菱FX系列編制的參考程序的梯形圖如圖6.20所示。②采用松下FP1系列編制的參考程序的梯形圖如圖6.21所示。圖6.20鑄造機控制程序(三菱FX系列)續(xù)圖6.20鑄造機控制程序(三菱FX系列)圖6.21鑄造機控制程序(松下FP1系列)續(xù)圖6.21鑄造機控制程序(松下FP1系列)第7章PLC電控系統(tǒng)工程設(shè)計7.1PLC電控系統(tǒng)工程設(shè)計概述7.1.1工程設(shè)計步驟(1)需求分析(2)總體方案設(shè)計(3)選型設(shè)計(4)電氣系統(tǒng)設(shè)計與電控柜安裝(5)控制程序設(shè)計(6)現(xiàn)場調(diào)試與測試(7)工程驗收和技術(shù)歸檔圖7.1PLC電控系統(tǒng)設(shè)計流程7.1.2總體方案設(shè)計(1)確定技術(shù)途徑(2)確定技術(shù)方法(3)劃分子系統(tǒng)和主要功能塊(4)確定系統(tǒng)組成框圖(5)系統(tǒng)的綜合與檢查7.1.3PLC選型設(shè)計(1)I/O點數(shù)的估算(2)存儲器容量的估算(3)功能的選擇1)運算功能2)控制功能3)通信功能4)編程功能5)診斷功能6)處理速度(4)機型的選擇1)PLC的類型2)I/O模塊的選擇3)電源的選擇4)存儲器的選擇5)冗余功能的選擇6)經(jīng)濟性考慮7.2電氣系統(tǒng)及電氣圖的設(shè)計7.2.1電氣圖設(shè)計基礎(chǔ)(1)電氣圖的分類(2)電氣圖設(shè)計軟件(3)電氣圖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)7.2.2電氣圖設(shè)計原則和方法(1)PLC輸入/輸出編址表(2)主電路圖主電路設(shè)計的一般原則和方法如下：①進入系統(tǒng)的三相電源首先經(jīng)過主電路向其他各電路或回路供電，因此，在主電路的三線電源進線處必須配置一個總電源空開。②一張主電路圖可能包括多臺電機的主回路，每臺電機的主回路一般應(yīng)包括空開、接觸器、熱繼電器和電機等電氣符號。③如果要實現(xiàn)電機的正、反轉(zhuǎn)，則需要使用兩個接觸器，但只需一個熱繼電器。兩個接觸器由兩個中間繼電器驅(qū)動，必須利用兩個接觸器的常閉觸點互鎖其控制線圈。④導(dǎo)線截面積的標(biāo)注。對于小功率電機，可將電機電纜視為控制電纜統(tǒng)一考慮，這種情況下，可不在主電路圖中標(biāo)注電纜的截面積，而代之以文字說明。對功率互不相同，且功率較大的電機，由于電機電纜的成本相對較高，此時應(yīng)該針對電機的實際功率選擇并標(biāo)出相應(yīng)的柜內(nèi)安裝導(dǎo)線或柜外電機電纜的截面積。(3)PLC系統(tǒng)電源圖①對采用220VAC供電的PLC,為了提高抗擾能力,一般需要配置一臺隔離變壓器,以隔離PLC系統(tǒng)電源和主電路電源的電氣關(guān)系。②在工廠不提供零線的情況下，必須配置一臺隔離變壓器，以便將380V的線電壓轉(zhuǎn)為PLC系統(tǒng)所需要的AC220V。③為了便于控制PLC系統(tǒng)的電源，一般須在隔離變壓器輸入側(cè)配置一個空開。④直流電源用于為PLC的輸出回路、中間繼電器線圈或電磁閥供電，電磁閥的電流一般為0.5～2A，具體設(shè)計時應(yīng)查閱相關(guān)手冊。對于電磁閥較多的系統(tǒng)，直流電源的容量主要取決于電磁閥的個數(shù)。⑤為了便于控制或維修，直流電源的輸入側(cè)和輸出側(cè)都應(yīng)該配置相應(yīng)的空開。⑥當(dāng)采用直流供電的PLC時，也需要配置相應(yīng)的直流電源，此時，一般不再配置隔離變壓器，因為直流電源本身是隔離的。(4)PLC輸入回路圖PLC輸入回路是輸入信號進入PLC的通路，設(shè)計輸入回路時可參考以下原則和方法：①規(guī)劃每張輸入回路圖的輸入點數(shù)。②按照輸入編址表的順序依次設(shè)計輸入回路圖。③從外部輸入到電控柜的信號，必須分配接線端子，屬于柜內(nèi)的輸入信號，如按鈕、選擇開關(guān)等，則不經(jīng)過端子。④為了清楚地表達輸入回路的邏輯關(guān)系，有時需要設(shè)計不屬于本系統(tǒng)而屬于其他系統(tǒng)的電氣元件和連接關(guān)系，此時應(yīng)將這些元件放在虛線框內(nèi)。⑤對于24V電平信號或低頻脈沖信號，其信號的負端或低端和三菱FX系列PLC的COM端連接，正端或高端和PLC的輸入端連接。⑥對于NPN型接近開關(guān)，如果采用三線制，則電源接PLC的24VDC，接近開關(guān)的公共端和PLC的COM端連接，信號輸出端接PLC的輸入端。如果是PNP型接近開關(guān)，則需增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路。⑦對于非24V的電平信號或交流信號，增加相應(yīng)的中間繼電器進行轉(zhuǎn)換。使用外部信號驅(qū)動中間繼電器的線圈，將中間繼電器的觸點連接到PLC的輸入和COM端。⑧矩陣式輸入回路的設(shè)計。圖7.2矩陣式輸入回路的設(shè)計⑨模擬量輸入回路。(5)PLC輸出回路圖PLC輸出回路是PLC輸出控制信號的通路，設(shè)計輸出回路時可參考以下原則和方法：①規(guī)劃每張輸出回路圖的輸出點數(shù)。②按照輸出編址表的順序依次設(shè)計輸出回路圖。③輸出到外部的控制信號，必須分配接線端子，屬于柜內(nèi)的輸出信號，如指示燈，則不經(jīng)過端子。④為了清楚地表達輸出回路的邏輯關(guān)系，有時需要設(shè)計不屬于本系統(tǒng)而屬于其他系統(tǒng)的電氣元件和連接關(guān)系，此時應(yīng)將這些元件放在虛線框內(nèi)。⑤對于指示燈輸出回路，無論是繼電器輸出型PLC還是晶體管輸出型PLC，都可直接驅(qū)動指示燈，不必設(shè)計中間繼電器。⑥無論是AC220V的電磁閥，還是DC24V的電磁閥，為了提高系統(tǒng)的可靠性，一般在輸出回路的設(shè)計中都增加一級中間繼電器。⑦接觸器的線圈電壓一般為AC220V或AC380V，因此，在輸出回路的設(shè)計中必須增加一級中間繼電器，使用中間繼電器的觸點為接觸器施加AC220V或AC380V的線圈電壓。⑧矩陣式輸出回路的設(shè)計。圖7.3矩陣式輸出回路的設(shè)計⑨模擬量輸出回路。(6)端子圖的設(shè)計(7)面板布局圖①簡潔、完整、對稱、協(xié)調(diào)，便于操作。②按鈕、選擇開關(guān)和指示燈的橫向間距、縱向間距一般取80mm為宜，避免太密而發(fā)生誤操作。③相對動作的按鈕應(yīng)該相鄰排列，例如，左移和右移按鈕應(yīng)橫向左右排列，上升和下降按鈕可按上下垂直排列。④相應(yīng)的動作指示燈應(yīng)位于其動作按鈕的上方。⑤多級液位指示燈應(yīng)垂直排列，便于直觀顯示液位情況，多個行程開關(guān)的指示可依據(jù)行程開關(guān)的實際動作方向?qū)嵭写怪迸帕谢驒M向排列。(8)底版元件安裝圖(9)柜體結(jié)構(gòu)圖7.3控制程序設(shè)計7.3.1控制程序的模塊化設(shè)計PLC的程序模塊一般由多行語句或多步語句或多行梯形圖組成，模塊的劃分應(yīng)盡量滿足如下條件：①模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對外界而言如同一個“黑匣子”，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化不影響模塊的外部接口條件，一般只需要了解調(diào)用的輸入輸出參數(shù)和實現(xiàn)的功能，而不必關(guān)心其內(nèi)部的實現(xiàn)過程。②將模塊間的耦合度減至最小，一般只傳遞必要的數(shù)據(jù)(正如子程序的入口參數(shù)和出口參數(shù))而不傳遞狀態(tài)參數(shù)，以減少相互依存的程度。③每個模塊只實現(xiàn)1～2個基本功能,每個模塊的語句步數(shù)不要過多,以便調(diào)試和查錯。7.3.2程序設(shè)計方法(1)繼電器線路替代法①將原有電氣控制系統(tǒng)輸入信號及輸出信號作為PLC的I/O點,設(shè)計相應(yīng)的I/O編址表。②用PLC的M觸點取代原有電氣線路的中間繼電器的觸點，用PLC的M線圈取代原有中間繼電器的線圈，用PLC的梯形圖完成原有控制線路的邏輯控制功能。(2)邏輯代數(shù)設(shè)計方法以4.1節(jié)的走廊燈兩地控制程序為例，燈的控制輸出可表示為邏輯代數(shù)設(shè)計法的一般步驟如下：①根據(jù)控制要求列出邏輯代數(shù)表達式。②對邏輯代數(shù)式進行化簡。③設(shè)計I/O編址表，并根據(jù)化簡后的邏輯表達式設(shè)計梯形圖程序。(3)流程圖設(shè)計法流程圖設(shè)計法的一般步驟如下：①畫出控制系統(tǒng)流程圖。②設(shè)計I/O編址表。③根據(jù)流程圖，設(shè)計梯形圖。(4)經(jīng)驗設(shè)計法(5)順序功能圖設(shè)計法其基本步驟如下：①根據(jù)工作任務(wù)設(shè)計控制系統(tǒng)的動作順序圖或狀態(tài)圖或節(jié)拍表，找出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換的條件。②設(shè)計I/O編址表。③將狀態(tài)流程圖翻譯成梯形圖。如果有SFC編程環(huán)境，可以直接使用SFC進行編程，設(shè)計系統(tǒng)的SFC程序，此時不必轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的梯形圖控制程序。(6)Petri網(wǎng)設(shè)計法圖7.4自動導(dǎo)向小車運輸系統(tǒng)行走線路圖7.5自動導(dǎo)向小車運輸系統(tǒng)的Petri網(wǎng)由此可得小車的行車輸出邏輯為小車1的行車控制輸出：OUT11＝P11＋P15＋P13+P16小車2的行車控制輸出：OUT12＝P22＋P23＋P25+P27小車3的行車控制輸出：OUT13＝P34＋P35＋P36+P37轉(zhuǎn)向輸出邏輯為小車1轉(zhuǎn)向控制輸出：OUT21=P16小車2轉(zhuǎn)向控制輸出：OUT22=P27小車3轉(zhuǎn)向控制輸出：OUT23=P36+7.4PLC電控系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計7.4.1干擾源及其傳播途徑(1)干擾源及分類(2)干擾源的傳播干擾源的傳播又稱為耦合，主要有以下6種耦合方式：①直接耦合方式，即干擾信號直接經(jīng)過線路傳導(dǎo)到工作電路中。例如，干擾信號經(jīng)過電源線進入PLC電控系統(tǒng)是最常見的直接耦合現(xiàn)象。②公共阻抗耦合方式，即是噪聲源與信號源具有公共阻抗時的傳導(dǎo)耦合。③電容耦合方式，即是電位變化在干擾源與干擾對象之間引起的靜電感應(yīng)，如組件之間、導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與組件之間存在的分布電容所引起的噪聲傳導(dǎo)通路。④電磁感應(yīng)耦合方式，即交變電流在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場，會對周圍的閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。⑤輻射耦合方式，即當(dāng)高頻電流流過導(dǎo)體時，在該導(dǎo)體周圍便產(chǎn)生高頻交變的電力線或磁力線，從而形成電磁波。⑥漏電耦合方式，即當(dāng)相鄰的組件或?qū)Ь€之間的絕緣阻抗降低時，有些信號便經(jīng)過絕緣電阻耦合到邏輯組件的輸入端形成干擾。7.4.2抗干擾措施(1)串模干擾的抑制措施(2)共模干擾的抑制措施(3)電源回路的抗干擾措施(4)信號的長距離傳送(5)軟件措施7.5PLC電控系統(tǒng)的接地技術(shù)7.5.1安全接地(1)保護接地(2)保護接零7.5.2工作接地(1)浮地方式(2)直接接地方式(3)電容接地方式7.5.3屏蔽接地(1)信號電纜屏蔽層接地(2)雙絞線接地(3)變壓器屏蔽層的接地7.5.4接地方法①安全接地均采用一點接地方式。工作接地有一點接地和多點接地兩種。②接地線盡可能粗，最好用接地網(wǎng)或接地銅板，確保接地電阻很小。③將模擬地和數(shù)字地分別通過各自的接地點接入大地。模擬信號的各接地點應(yīng)通過同一個銅板接入大地。7.6PLC電控系統(tǒng)設(shè)計實例圖7.6軋輥和軸承座7.6.1需求分析冶金企業(yè)的軸承座翻轉(zhuǎn)機構(gòu)具有以下技術(shù)要求：①可以在0～90°內(nèi)任意翻轉(zhuǎn),耐沖級負荷。②翻轉(zhuǎn)過程要平穩(wěn)，不能有突變和蠕動。③翻轉(zhuǎn)過程中可隨時啟停，停在任意位置處，無滑動現(xiàn)象。④翻轉(zhuǎn)過程中，可隨時改變翻轉(zhuǎn)方向。⑤具有限位保護，即使限位開關(guān)故障，系統(tǒng)仍然可以安全運行。⑥具有液壓系統(tǒng)油位低停車和油溫高等報警功能。⑦電機電源和總電源統(tǒng)一，可在緊急狀態(tài)下切斷或關(guān)機。7.6.2方案設(shè)計7.6.3選型設(shè)計(1)PLC選型圖7.7翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實物圖(2)低壓電器的選型7.6.4電氣圖設(shè)計(1)輸入編址表(2)