工业自动清洗机系统设计

电气信息学院

课程设计任务书

课题名称工业自动清洗机的控制系统设计

姓名专业班级学号

指导老师

课程设计时间

一、任务及要求

设计任务

以PLC为核心，设计一个工业自动清洗机的控制系统，为此要求完成以下设计任务：

1.根据工艺过程和控制要求，确定控制方案。

2.配置电器元件，选择PLC型号。

3.绘制工业自动清洗机的控制线路原理图和PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。

4.上机调试程序。

5.编写设计说明书。

设计要求

1.一般要求：

（1）所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。

（2）所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。

（3）所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出。

2.具体要求：

（1）课题简介

在工业现场有一种自动清洗机，工作时将需要清洗的部件放在小车上，按启动按钮后小车自动进入清洗池指定位置A，首先加入酸性洗料，小车再继续前行到另一位置B,

然后返回到位置A，打开排酸阀门将酸性洗料放出，完成一次酸洗后。再加入碱性洗料，清洗过程同酸洗。等碱性洗料完全放出后，小车从位置A回到起始位置，等待下次启动信号。

（2）控制要求

该清洗设备的小车前进后退通过电动机的正反转控制，酸性洗料和碱性洗料通过两个泵分别注入，通过打开电磁阀排放洗料，在这里洗料的注入和放出都通过时间控制，实际的清洗也可以用液位开关控制。

二、进度安排

1.第一周星期一：布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。

2.第一周星期二～星期四：详细了解清洗机的基本组成结构、工艺过程和控制要求。确定控制方案。配置电器元件，选择PLC型号。绘制清洗机的控制线路原理图和PLC I/O 接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。

4.第一周星期五：上机调试程序。

5.第二周星期二～星期四：编写设计说明书。

6.第二周星期五：答辩。

目录

第1章 PLC的概述 (4)

第2章控制方案设计 (5)

2.1 设计目的 (5)

2.2 控制要求及设计方案 (5)

2.3 确定输入、输出及PLC机型 (5)

第3章控制系统硬件设计 (6)

3.1 I/O接口地址分配 (6)

3.2 PLC的外部硬件接线图 (7)

3.3 顺序功能图 (8)

3.4 梯形图 (9)

第4章 PLC程序调试 (13)

4.1 调试规则 (13)

4.2 调试方法与结果 (14)

第5章设计心得与体会 (15)

第1章 PLC的概述

可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的，从最初的逻辑控制、顺序控制，发展为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID 回路调节等功能的现代PLC。它具有可靠性高、模块化组合灵活、功能强、编程方便、适应工业环境、安装维护简单以及运行速度快等特点。由于它具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、机器人和CAD／CAM)之一。

PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及多通道用户界面等许多方面都有其特殊性。从原理上说，可编程控制器和计算机是一致的，为了和工业控制相适应，PLC采用扫描原理来工作。之所以采用这样的工作方式，是因为PLC是由继电器控制发展而来的，而CPU扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间，只要采用循环扫描的方法就可以解决其中的矛盾。循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。

虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备(I/O)和其他可选部件组成。其他的可选部件包括编程器、外存储器、模拟I/O盘、通信接口、扩展接口等。CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务起到了大脑的作用；存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的指定参数同化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统(I/O)使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、脉冲量输入等，使PLC 的应用十分广泛。

第2章控制方案设计

2.1 设计目的

通过试验了解和熟悉FX系列PLC的结构和外部接线方法，了解实际程序的调试方法、断电保持辅助继电器的应用,了解PLC的几种编程。明白PLC的特点，知道自己学习的不足。

2.2 分析控制要求、确定设计方案

（1）动作顺序：

装完需要清洗的工件，按下启动按钮，小车前进进入清洗池，到达A位置加入酸性洗料5秒钟，小车继续前进，到达B位置后小车后退，当到达A位置放出酸性洗料5秒钟，再加入碱性洗料5秒钟，小车又前进到达B位置，然后小车后退至A位置，放出碱性洗料5秒钟，小车后退至起始位置，完成一个清洗周期。

（2）动作要求：

该清洗设备的小车前进后退通过电机正反转控制，酸性洗料和碱性洗料通过两个泵分别注入，通过打开电磁阀排放洗料，在这里洗料的注入和放出都是通过时间控制的。（3）经过分析本程序为单序列运行程序，确定用以转换为中心的编程方法设计。

2.3 确定输入、输出及PLC机型

（1）输入：

6个，分别为启动按钮、A点限位开关、B点限位开关、放酸阀开关、放碱阀开关、回到起始按钮位置。

（2）输出：

6个，电动机正转、电动机反转、加酸泵工作、放酸泵工作、加碱泵工作、放碱泵工作。

第3章控制系统硬件设计

3.1 I/O地址分配

确定系统的输入设备和输出设备，进行PLC的I/O分配，画出I/O口地址分配表。

3.2 PLC的外部硬件接线图

了解和熟悉被控制设备的工艺控制和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理，这样才能做到在设计和调试控制系统时心中有数。在分析PLC 控制系统的功能时，可以将他想像成一个继电器控制系统中的控制系统，其外捕接线图描述了这个控制箱的外部接线。画出PLC的外部接线图后，同时也确定了PLC的个输入信号和输出负载对应的输入继电器和输出继电器的元件号。

3.3顺序功能图

顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制是按照生产工艺预先规定的顺序 ,在各个输入信号的作用下 ,根据内部状态和时间的顺序 ,在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。

3.4设计梯形图程序

梯形图是这个控制箱的内部“线路图”，梯形图中的输入继电器和输出继电器是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”，这样就可以用分析继电器电路图的方法来分析PLC控制系统。根据上述的对应关系，将继电器电路图“翻译”成对应的“梯形图”，再根据梯形图的编程规则将“梯形图”转换成结构合理的梯形图。对于复杂的控制电路可划整为零，先进行局部的转换，最后再综合起来。写出以下的完整梯形图。

第4章 PLC程序调试

4.1调试规则

系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入/输出端子连接好，然后将控制程序送入可编程控制器中，并使PLC处于运行状太。然后即可对整个系统进行运行调试，具体方法和过程如下：

（1）对每个现场信号和控制量作单独测试对于一个系统说，现场信号和控制量一般不只一个，但可以人为地使各现场信号或控制量一个一个单独满足要求。当一个现场信号或控制量满足要求时，观察可编程控制器输出端和相应驱动的外部设备的运行情况是否正确，当接线准确时再检查程序；修改控制程序不妥之处，直到对每一个现场信号和控制量单独作用时均满足要求为止。

（2）对现场信号和控制量作模拟实况组合测试，通过现场信号和控制量的不同组合来调试系统，即人为地使两个或多个现场信号或控制量同时满足要求，以此来观察可编程控制器输出端和外部设备的运行情况是否满足系统的控制要求。一旦出现问题，此时的故障基本上是属于控制程序的问题，请仔细检查控制程序并加以修改，直到满足系统要求为止。

（3）系统整体综合调试整个系统的综合调试是对各现场信号和控制量按实际控制要求进行模拟运行，以观察整个系统的运行状况和性能是否符合系统的控制要求。若控制规律古符合要求。绝大多数是因为控制程序有问题，应仔细检查并修改程序；若性能指标不满足要求，应该从硬件和软件两个方面加以分析，调节硬件参数，优化程序，使系统达到理想要求。用于工业控制的可编程控制器系统要求有很高的可靠性，为提高可编程控制器本身的可靠性和抗干扰能力。

（4）软硬件调试：接通电源，检查三菱FX2N-16EX可编程控制器是否可以正常工作，接头是否件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开三菱FX2N-16EX可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况，看是否是随时按下停止按钮可以停止系统运行，或者等待100个脉冲后，系统是否停止运行。根据以上的调试情况，本彩灯循环点亮的PLC控制系统设计符合要求。

4.2 调试方法与结果

1.酸洗步骤：

将清洗部件放在小车上，此时小车处于起始位置，按下启动按钮I0.0，继电器Q0.0动作，电机正转，小车前进；到达A点后，闭合A点限位开关I0.0，继电器Q0.1动作，打开加酸阀门加入酸性洗料并计时5分钟，计时5分钟后，继电器Q0.0动作，电机正转，小车继续前进；到达B点后，闭合B点限位开关，继电器Q0.2动作，电机反转，小车后退；回到A点后，闭合A点限位开关，继电器Q0.3动作，打开排酸阀门将酸性洗料放出并计时5分钟，完成一次酸洗。

2.碱洗步骤：

完成酸洗后，此时小车仍处于位置A,继电器Q0.4动作，打开加碱阀门加入碱性洗料并计时5分钟，计时5分钟，继电器Q0.0动作，电机正转，小车继续前进；到达B 点后，闭合B点限位开关，继电器Q0.2动作，电机反转，小车后退；回到A点后，闭合A点限位开关，继电器Q0.5动作，，打开排碱阀门将碱性洗料放出并计时5分钟，完成一次碱洗；计时5分钟，小车回到起始位置。

第5章设计心得与体会

通过这次对工业自动清洗机系统的PLC控制的试验，让我了解了PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。

课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识。在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此要感谢我们的指导老师沈细群对我们悉心的指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

另外，该自动清洗机PLC自动控制系统经过安装与调试，运行情况良好，基本达到预期要求。本系统充分发挥了PLC自动控制系统运行可靠，控制灵活，维护方便等优点。此次设计让我进一步了解懂得了可编程自动控制技术，让我更深一步的了解了PLC的性能和作用。为以后的使用作了铺垫。

参考资料

[1] 刘星平.PLC原理及工程应用[M].北京：中国电力出版社，2014年。

[2]廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2014年。

[3] 王阿根.西门子S7-200 PLC 编程实例精解[M].北京：电子工业出版社，2013年。

[4] 赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。

附录

电气控制与PLC课程设计评分表