毕业设计-工业自动清洗机的控制系统设计课程设计.doc

成绩
□优 □良 □中 □及格 □不及格

课 程 设 计

课程名称
电气控制与PLC课程设计
课题名称
工业自动清洗机的控制系统设计

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
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。
三.参考资料
[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。

目 录

第1章 工业自动清洗机的控制系统.....................................1
1.1 引言..........................................................1
1.2 工业自动清洗机的控制系统设计简介..............................1
1.3 工业自动清洗机的控制系统的控制要求............................1
1.4 PLC的概述....................................................1
第2章 控制方案论证.................................................2
2.1 分析控制要求、确定设计方案....................................2
2.2 确定输入、输出及PLC机型......................................2
2.3 确定编程方法..................................................2
第3章 控制系统硬件设计.............................................3
3.1 工业自动清洗机的控制系统拖动电机线路设计......................3
3.1.1 配置拖动电机和电器元件.....................................3
3.1.2 绘制拖动电机的控制线路原理图...............................3
3.2 配置PLC I/O元件..............................................4
第4章 控制系统程序设计.............................................5
4.1 程序顺序功能图................................................5
4.2 语句表........................................................6
4.3 程序梯形图....................................................8
第5章 PLC程序的调试................................................11
5.1 程序的仿真调试图..............................................11
5.2 调试方法与结果................................................15
第6章 总结体会.....................................................16
第7章 附录.........................................................17
7.1 参考文献......................................................17
7.2 评分表........................................................18

第1章 工业自动清洗机的控制系统
1.1 引言
自动清洗机是各生产线上重要的后道工序处理设备，主要生产汽车发动机内部产品，产品在经过车，铣，钻等多道工序后，表面附着大量的切削液铝屑等脏物，这类脏物须清理干净后才能组装和包装，如果利用人工清理会产生效率低，劳动强度大，不能实现自动化生产，以及产品划伤，甚至报废等。
由于清洗机属于专用机床，市场上没有现成品可买，如设备厂定做，将出现交货时间长，影响新产品投放市场，价格高，不能很好满足工况要求等限制，综上所诉及种种条件制约下决定自己制造自动清洗机。
1.2 工业自动清洗机的控制系统简设计要求
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
1.3 工业自动清洗机的控制系统的控制要求
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。
1.4 PLC的概述
PLC英文全称Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运操作的电子系统，专为在工业环境应用 设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，本次课题将采用西门子公司的S7-200系列小型PLC。

16

第2章 控制方案设计
2.1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。

2.2 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。
2.3 确定编程方法
经上述分析，确定该课题使用置位复位编程法

第3章 控制系统硬件设计
3.1 工业自动清洗机的控制系统拖动电机线路设计
3.1.1 配置拖动电机和电器元件
电机正转→KM1→PLC元件Q0.1，电机反转→KM2→PLC元件Q0.2,，放入酸性洗料→KM3→PLC元件Q.3，放入碱性洗料→KM4→PLC元件Q0.4，排放洗料→KM5→PLC元件Q0.5
3.1.2 绘制拖动电机的控制线路原理图
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。

图3.1.2 拖动电机的控制线路原理图

3.2 配置PLC I/O元件
确定系统的输入设备和输出设备，进行PLC的I/O分配，画出PLC外部接线图。
类 别
开关元件
PLC元件
功能
输 入
SB1
I0.1
启始开关
SB2
I0.2
A点限位开关
SB3
I0.3
B点限位开关

输 出
KM1
Q0.1
电机正转
KM2
Q0.2
电机反转
KM3
Q0.3
加酸性洗料
KM4
Q0.4
加碱性洗料
KM5
Q0.5
排放洗料
表3.2 I/O元件表

第4章 控制系统程序设计
4.1 程序顺序功能图

图4.1 程序顺序功能图

如上图所示，开关I0.1表示启动开关，I0.2表示A点限位开关，I0.3表示右限位开关，I0.4为放酸放碱开关，Q0.1为电机正转，Q0.2为电机反转，Q0.3为加酸水泵，Q0.4为加减水泵，Q0.5为放酸放碱水泵，T38、T39、T40为计时器，计时时间为五秒。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。

4.2 语句表
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。

Network 1
LD SM0.1
S M0.0, 1
R M0.1, 9

Network 2
LD M0.0
A I0.1
S M0.1, 1
R M0.0, 1
Network 3
LD M0.1
A I0.2
S M0.2, 1
R M0.1, 1
Network 4
LD M0.2
A T37
S M0.3, 1
R M0.2, 1

Network 5
LD M0.3
A I0.3
S M0.4, 1
R M0.3, 1
Network 6
LD M0.4
A I0.2
S M0.5, 1
R M0.4, 1
Network 7
LD M0.5
A T38
S M0.6, 1
R M0.5, 1
Network 8
LD M0.6
A T39
S M0.7, 1
R M0.6, 1
Network 9
LD M0.7
A I0.3
S M1.0, 1
R M0.7, 1
Network 10
LD M1.0
A I0.4
S M1.1, 1
R M1.0, 1
Network 11
LD M1.1
A T40
S M0.0, 1
R M1.1, 1
Network 12
LD M0.1
O M0.3
O M0.7
= Q0.1
Network 13
LD M0.2
= Q0.3
TON T37, 50
Network 14
LD M0.4
O M1.0
= Q0.2

Network 15
LD M0.5
= Q0.5
TON T38, 50
Network 16
LD M0.6
= Q0.4
TON T39, 50
Network 17
LD M1.1
= Q0.5
TON T40, 50

4.3 程序梯形图
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。写出上述的完整梯形图。

 

第5章 PLC程序的调试
5.1 程序的仿真调试图
首先，使用仿真软件对上述梯形图程序进行仿真，仿真结果如下所示

图5.1 打开启动按钮I0.1，Q0.1通

图5.2 限位开关I0.2启动，Q0.3通

图5.3 加酸5秒完成后，Q0.1通

图5.4 限位开关I0.3启动，Q0.2通

图5.5 小车碰到限位开关I0.4，Q0.5通

图5.6 放酸加碱完成后，Q0.1通，小车继续前进

图5.7小车碰到限位开关I0.3后，Q0.2通，小车后退

图5.8 小车再次碰到限位开关I0.4，Q0.5通

图5.9 放碱5秒完成后，小车回到初始状态

4.2 调试方法与结果
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. 软硬件调试
软硬件调试：接通电源，检查西门子S7-200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。
2.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I0.1，继电器Q0.1动作，电机正转，小车前进；到达A点后，闭合A点限位开关I0.2，继电器Q0.3动作，打开加酸阀门加入酸性洗料并计时5秒钟，计时5秒钟后，继电器Q0.1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，打开排酸阀门将酸性洗料放出并计时5秒钟，完成一次酸洗。
3.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秒钟，计时5秒钟，继电器Q0.1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秒钟，完成一次碱洗；计时5秒钟，小车回到起始位置。
4. 结束调试
调试完程序之后，按照标准步骤关闭调试程序，关闭PLC电源，然后拔掉插线，整理好实验台。

第5章 总结体会
为期两周的实习结束了，在沈老师的带领下，我们及时完成了我们的课题，在这次课题的设计中，我们使用了STEP7-Mcroft/WIN软件以及S7-200仿真软件，这次课题我们采用了起跑停式程序，并分别用Q0.1和Q0.2来设置电动机的正反转，从而控制小车的前进和后退，利用计时器来控制加酸加碱以及放酸放碱的时间，合理分配好I/O接口之后，程序也就大体完成了。
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。
另外，我也要感谢沈老师的指导，每天一有不懂的地方总能够在实验室询问沈老师，并给我们提供了相关了资料，帮助我们准时完成了课题任务。
最后，我也还是认为，课设还是要靠自己努力完成，这样才会有丰收的喜悦。

第7章 附录
7.1 参考文献
[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。

电气控制与PLC课程设计评分表
项 目
评 价
优
良
中
及格
差
设计方案合的理性（10%）

控制系统硬件设计完成情况（10%）

控制系统程序设计完成情况（20%）

控制系统程序调试结果*(10%)

设计说明书质量(20%)

答辩情况(10%)

完成任务情况(10%)

独立工作能力(10%)

出勤情况(10%)

综 合 评 分

17