1、机床电气控制技术课程设计指导书卓越班机床电气控制技术课程设计指导书专 业：机械工程及自动化专业方向：机械制造及自动化机电工程学院20 年 月目 录一、课程设计的目的、要求机床电气控制技术课程是机械工程及自动化专业一门专业必修课，其课程设计在整个教学过程中，是一个非常重要的实践性教学环节。通过机床电气控制技术课程的学习，在掌握了机床电气控制技术的基本工作原理和方法后，为使学生更进一步加深对机床电气控制技术应用特点理解和提高应用技术水平，结合某些生产工艺和机械设备的要求，使学生理论和实践相结合，拉近抽象理论符号和真实元器件、真实控制过程之间的距离，获得对工厂机床电气控制接近的真实感受。本课程设计主
2、要以本院的欧姆龙、西门子S7-200PLC、三菱系统为背景，对某些实际的自动化系统及设备进行模拟设计，以巩固机械工程及自动化专业学生的相关专业知识及综合运用能力，并培养良好的工程实践和基本的工程设计能力。要完成好PLC控制系统的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入生产现场，将不断积累的经验应用到设计中来。课程设计正是为这一目的而安排的实践性教学环节，它是一项初步的工程训练。通过课程设计，了解一般PLC控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。该设计包含原理设计和工艺设计两个方面，不能忽视任何一面，对于应用型人才更应重视工艺设计。课程设计属于练习性质，不强调设计结果直
3、接用于生产。课程设计以培养工程应用能力为主，在独立完成设计任务的同时，进行多方面能力的培养和提高，为毕业设计以及毕业后的工作能力打下良好的基础。1、课程设计的目的课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、设计内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。PLC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，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创
4、造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；撰写技术说明书和编制技术资料的能力。2、设计要求1）了解PLC在实际的自动化控制系统及装置中的具体应用及重要地位。2）以本院的、欧姆龙、西门子S7-200及三菱 PLC为背景，进一步熟悉PLC的硬件系统与软件系统。3）能根据具体的设计要求，对PLC软、硬件以及外围I/O设备进行正确合理的选择。 4）能够较为熟练的运用各种基本指令进行梯形图编程。 5）能根据控制要求设计主要的PLC程序，并能在实验设备上模拟运行显示。6）撰写课程设计说明书7）严格执行课程设计的时间安排及管理要
5、求，并能独立的通过课程设计答辩。 在课程设计中，以学生为本，应充分发挥主动性和创造性。掌握完成课程设计内容的方法。为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点：1) 课程设计选题后，应根据设计要求和设计内容、进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。 2) 在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导数师的帮助，同时要广泛讨论，依据充分。在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。 3) 所有电气图样的绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、元器件明细表以及图样的折叠和装订。 4) 说明书要求文字通顺、语言简练，排版格式符合学院要
6、求。5) 应在规定的时间内完成所有的设计任务。6) 如果条件允许，应对自己的设计线路进行试验论证，考虑进一步改进的可能性。二、设计任务课程设计要求是以设计任务书的形式表达，设计任务书应包括以下内容：1) 设备的名称、用途、基本结构、动作原理以及工艺过程的简要介绍。2) 拖动方式、运动部件的动作顺序、各动作要求和控制要求。3) 联锁、保护要求。4) 照明、指示、报警等辅助要求。5) 图纸要求。6) 说明书要求。原理设计的中心任务是绘制电气原理图和选用电器元件。工艺设计的目的是为了得到电气设备制造过程中需要的施工图样。图样的类型、数量较多，设计中主要以电气设备总体配置图、电器板元器件布置图、控制面
7、板布置图、接线图、电气箱以及主要加工零件（电器安装底板、控制面板等）为练习对象。对于每位设计者只需完成其中一部分。原理图及工艺图样均应按要求绘制，元器件布置图应标注总体尺寸、安装尺寸和相对位置尺寸。接线图的编号应与原理图一致，要标注组件所有进出线编号、配线规格、进出线的连接方式（采用端子板或接插板）。三、设计内容与步骤 1、针对设计题目及具体的生产设备及工艺，拟订设计方案。2、根据具体的生产设备及工艺绘制系统工艺图，并加以详细的工艺说明。3、根据具体的生产设备及工艺的电气设备及其动作绘制系统电气原理图，并加以详细的说明。4、根据系统的要求，对PLC软、硬件以及外围I/O设备进行选择。5、拟定系
8、统PLC软件设计的思想，绘制主要的程序流程图，并加以详细的说明。6、进行具体的程序设计并进行模拟调试。 7、对PLC系统的安装、调试、运行及维护进行必要的说明。8、按照课程设计论文的具体要求进行内容补充和排版。四、设计方法 课程设计选题之后，按原理设计和工艺设计两方面进行。1、原理图设计的步骤1) 根据要求拟定设计任务。2) 根据拖动要求设计主电路。在绘制主电路时，可考虑以下几个方面：电动机的控制方式应根据其容量及拖动负载性质考虑其起动要求，选择适当的起动线路。对于容量小（7.5kW以下）、起动负载不大的电动机，可采用直接起动；对于大容量电动机应采用降压起动。 根据运动要求决定是否需要转向控制
9、。 根据每台电动机的工作制，决定是否需要设置过载保护或过电流控制措施。根据拖动负载及工艺要求决定停车时是否需要制动控制，并决定采用何种控制方式。设置短路保护及其他必要的电气保护。 考虑其他特殊要求：调速要求、主电路参数测量、信号检测等。3) 根据主电路的控制要求设计控制回路，其设计方法是：正确选择控制电路电压种类及大小。根据每台电动机的起动、运行、调速、制动及保护要求依次绘制各控制环节（基本单元控制线路）。 设置必要的联锁（包括同一台电动机各动作之间以及各台电动机之间的动作联锁）。 设置短路保护以及设计任务书中要求的位置保护（如极限位、越位、相对位置保护）、电压保护、电流保护和各种物理量保护（
10、温度、压力、流量等）。 根据拖动要求，设计特殊要求控制环节，如自动抬刀、变速与自动循环、工艺参数测量等控制。 按需要设置应急操作。 4) 根据照明、指示、报警等要求设计辅助电路。 5) 总体检查、修改、补充及完善。主要内容包括： 校核各种动作控制是否满足要求，是否有矛盾或遗漏。 检查接触器、继电器、主令电器的触点使用是否合理，是否超过电器元器件允许的数量。 检查联锁要求能否实现。检查各种保护能否实现。检查发生误操作所引起的后果与防范措施。6) 进行必要的参数计算。7) 正确、合理地选择各电器元器件，按规定格式编制元件目录表。8) 根据完善后的设计草图，按电气制图标准绘制电气原理线路图，按电气技
11、术中的项目代号要求标注器件的项目代号，按绝缘导线的标记的要求对线路进行统一编号。2、工艺设计步骤1) 根据电气设备的总体配置及电器元件的分布状况和操作要求划分电器组件，绘制电气控制系统的总装配图和接线图。2) 根据电器元器件的型号、外形尺寸、安装尺寸绘制每一组件的元件布置图（如电器安装板、控制面板、电源、放大器等）。3) 根据元器件布置图及电气原理编号绘制组件接线图，统计组件进出线的数量、编号以及各组件之间的连接方式。4) 绘制并修改工艺设计草图后，使可按机械、电气制图要求绘制工程图。最后按设计过程和设计结果编写设计说明书及使用说明书。五、课程设计时间安排课程设计时间共计2周，具体时间安排如表
12、1：表1 课程设计时间安排表序号内容时间1课程设计概论、下达设计任务；分组、准备资料工具等。0.5天2根据任务的控制要求进行方案构思，初选方案，绘制控制原理图并与指导教师讨论，方案定稿。2天3设计电路图、开关面板图及程序，并进行程序调试，对编制好的电路图或程序交给老师检查，并按照老师要求修改。3.5天4通过仿真软件上机模拟调试。1.5天5整理资料，撰写课程设计说明书。1.5天6答辩及课程设计总结1天六、课程设计的设备及耗材1、PLC实训实验装置。2、计算机3、电动机4、PLC外围电路耗材。七、课程设计考核与评价 1.成绩分配独立完成设计任务（含出勤） 30分 设计方案、说明书、程序的质量 30
13、分 创新与发挥 10分 课程设计答辩的情况，包括自述情况及回答问题情况。 30分2.成绩以100分计，折算成优、良、中、及格、不及格五档。 八、设计实例小型SBR废水处理PLC电气控制系统课程设计一、小型SBR废水处理电气控制系统设计任务书1SBR废水处理工艺的技术要求SBR废水处理技术是一种高效废水回用的处理技术，采用优势菌技术对校园生活污水进行处理，经过处理后的中水可以用来浇灌绿地、花木、冲洗厕所及车辆等，从而达到节约水资源的目的。SBR废水处理系统方案要充分考虑现实生活中校园生活区较为狭小的特点，力求达到设备体积小，性能稳定，工程投资少的目的。废水处理过程中环境温度对菌群代谢产生的作用直
14、接影响废水处理效果，因此采用地埋式砖混结构处理池以降低温度对处理效果的影响。同时，SBR废水处理技术工艺参数变化大，硬件设计选型与设备调试比较复杂，采用先进的PLC控制技术可以提高SBR废水处理的效率，方便操作和使用。SBR废水处理系统分别由污水处理池、清水池、中水水箱、电控箱以及水泵、罗茨风机、电动阀门和电磁阀等部分组成，在污水处理池、清水池、中水水箱中分别设置液位开关，用以检测水池与水箱中的水位。SBR废水处理系统示意图如图1所示。图1 SBR废水处理系统示意图污水处理的第一阶段：当污水池中的水位处于低水位或无水状态时，电动阀会自动开起纳入污水。当污水池纳入的污水至正常高水位时，电动阀自动
15、关闭，污水池中污水呈微氧和厌氧状态。污水处理的第二阶段：采用能降解大分子污染物的曝气法，可使污水脱色、除臭、平衡菌群的pH值并对污染物进行高效除污，即好氧处理过程。整个好氧（曝气）时间一般需要68h。在曝气管路上安装了排空电磁阀，当电动阀门自动关闭后，排空电磁阀开起，罗茨风机延时空载起动，然后排空电磁阀关闭，污水池开始曝气。当曝气处理结束后，排空电磁阀再次开起，罗茨风机空载停机，然后排空电磁阀延时关闭。曝气风机在无负荷条件下起动和停止，能起到保护电动机和风机的作用。经过0.5h的水质沉淀，PLC下达起动1#清水泵指令，将沉淀后的水泵入到清水池。当清水池中的水位升至正常高水位时，1#清水泵自动停
16、止运行。这时2#清水泵自动起动向中水箱泵水，当水箱内达到正常高水位时，2#清水泵自动停止运行，这时中水箱内的水全部完成处理过程。如上所示，当中水箱内水位降至低水位时，2#清水泵又自动起动向中水箱泵水。当污水池中的水位降至低水位时，电动阀门会自动打开继续向污水池纳入污水。如此循环往复。SBR废水处理技术针对污水水质不同选用生物菌群不同，工艺要求要求有所不同，电气控制系统应有参数可修正功能，以满足废水处理的要求。2SBR废水处理系统动力设备SBR废水处理系统中所使用的动力设备（水泵、罗茨风机、电动阀），均采用三相交流异步电动机，电动机和电磁阀（AC220V选配）选配防水防潮型。1#清水泵：立式离心
17、泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，1kW。2#清水泵：立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。曝气罗茨风机：TSA-40，0.7m3/min，1.1kW。电动阀：阀体D97A1X5-10ZB-125mm，电动装置LQ20-1，AC380V，60W。3SBR废水处理电气控制系统设计要求1) 控制装置选用PLC作为系统的控制核心，根据工艺要求合理选配PLC机型和I/O接口。2) 可执行手动/自动两种方式，应能按照工艺要求编辑程序并可实时整定参数。3) 电动阀上驱动电动机为正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路加互锁功能。4) PLC的接地应按手册中的
18、要求设计，并在图中表示或说明。5) 为了设备安全运行，考虑必要的保护措施，入如电动机过热保护、控制系统短路保护等。6) 绘制电气原理图：包括主电路、控制电路、PLC硬件电路，编制PLC的I/O接口功能表。7) 选择电器元件、编制元器件目录表。8) 绘制接线图、电控柜布置图和配线图、控制面板布置图和配线图等。9) 采用梯形图或指令表编制PLC控制程序。二、SBR废水处理电气控制系统总体设计过程1总体方案说明1) SBR废水处理系统控制对象电动机均由交流接触器完成起、停控制，电动阀电动机要采用正、反转控制。2) 污水池、清水池、中水水箱水位检测开关，在选型时考虑抗干扰性能，选用电极考虑耐腐蚀性。3
19、) 电动阀上驱动电动机，其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC控制电路考虑该信号逻辑关系。4) 1#清水泵、2#清水泵、罗茨风机电动机、电动阀电动机分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点通过中间继电器转换后，作为PLC的输入信号，用以完成各个电动机系统的过载保护。5) 罗茨风机的控制要求在无负载条件下起动或停机，需要在曝气管路上设置排空电磁阀。6) 主电路用断路器，各负载回路和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器，实现短路保护。7) 电控箱设置在控制室内。控制面板与电控箱内的电器板用BVR型铜导线连接，电控箱与执行装置之间采用端子板连接。8) PLC选用
20、继电器输出型。9) PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。2SBR废水处理电气控制原理图设计(1) 主电路设计 SBR废水处理电气控制系统主电路如图2所示。图2 SBR废水处理电气控制系统主电路1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3分别控制1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3；交流接触器KM4、KM5控制电动阀电动机M4，通过正、反转完成开起阀门和关闭阀门的功能。2) 电动机M1、M2、M3、M4由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。电动阀电动机M4控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M4实
21、现双重保护。3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。(2) 交流控制电路设计 SBR废水处理系统交流控制电路如图3所示。图3 SBR废水处理系统交流控制电路1) 控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。2) 隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。3) 1#清水泵M1、2#清水泵M2、曝气风机M3分别有运行指示灯HL1
22、、HL2、HL3，由KM1、KM2、KM3接触器常开辅助触点控制。4) 4台电动机M1、M2、M3、M4的过载保护，分别由4个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。5) 上水电磁阀YA1和指示灯HL1、排空电磁阀YA2，分别由中间继电器KA2和KA3触点控制。(3) 主要参数计算1) 断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。SBR废水处理系
23、统有3kW负载电动机一台，起动电流较大，其余三台为1.1kW以下，起动电流较小，而且工艺要求4台电动机单独起动运行，因此可根据3kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：IQF1.7IN=1.76A10.2A10A，选用IQF10A的断路器。2) 熔断器FU熔体额定电流IFU。以曝气风机为例，IFU2IN22.5A5A，选用5A的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。控制回路熔体额定电流选用2A。3) 热继电器的选择请参考有关技术手册，自行计算参数。(4) PLC控制电路设计 包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计。1) 硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的
24、等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。2) 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路，编制I/O接口功能表。图4为SBR废水处理系统PLC控制电路原理图，L6作为PLC输出回路的电源，分别向输出回路的负载供电，输出回路所有COM端短接后接入电源N端。图4 SBR废水处理系统PLC控制电路原理图3) KM4和KM5接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止误操作故障。4) PLC输入回路中，信号电源
25、由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。5) PLC采用继电器输出，每个输出点额定控制容量为AC250V，2A。表2和表3分别为SBR废水处理系统PLC输入和输出接口功能表。表2 SBR废水处理系统PLC输入接口功能表序号工位名称文字符号输入口1污水池高水位开关信号H1X0002污水池低水位开关信号L1X0013清水池高水位开关信号H2X0024清水池低水位开关信号L2X0035中水箱高水位开关信号H
26、3X0046中水箱低水位开关信号L3X0057起动按钮（绿色）SB1X0068停止按钮（红色）SB2X0079旋钮开关（自动）SB3-1X01010旋钮开关（手动）SB3-2X01111手动开电动阀旋钮开关SB4X01212手动关电动阀旋钮开关SB5X013131#清水泵手动旋钮开关SB6X014142#清水泵手动旋钮开关SB7X01515电动阀门开起限位开关SQ1X01616电动阀门关闭限位开关SQ2X01717电动阀电动机故障报警FR0X02018电动机热保护器报警KA1X02119曝气风机手动旋钮开关SB8X02220输入点备用X023X027表3 SBR废水处理系统PLC输出接口功能表
27、序号工位名称文字符号输入口11#清水泵接触器KM1Y00022#清水泵接触器KM2Y0013污水池高水位红色指示灯HL7Y0024污水池低水位绿色指示灯HL8Y0035清水池高水位红色指示灯HL9Y0046清水池低水位绿色指示灯HL10Y0057中水箱高水位红色指示灯HL11Y0068中水箱低水位绿色指示灯HL12Y0079电动阀门开起绿色指示灯HL13Y01010电动阀门关闭黄色指示灯HL14Y01111开电动阀门接触器KM4Y01212关电动阀门接触器KM5Y01313电动机热保护器报警红色指示灯HL6Y01414罗茨风机（曝气风机）接触器KM3Y01515排空电磁阀继电器KA3Y0161
28、6上水电磁阀继电器KA2Y01717输出口备用Y020Y027 6) 根据上述设计，对照主回路检查交流控制回路、PLC控制回路、各种保护联锁电路、PLC控制程序等，全部符合设计要求后，绘制出最终的电气原理图。7) 根据设计方案选择的电气元件，编制原理图的元器件目录表，如表4所示。表4 SBR废水处理系统元器件目录表序号文字符号名 称数量规格型号备 注1M1M4电动机4Y系列三相交流异步电动机2FR1FR4热继电器4JR16B-20/3参照电动机整定电流3FU1FU4熔断器12RL1-15熔体210A4FU5、FU6熔断器2RT16-32X熔体2A5QF断路器1C45AD脱扣电流10A6TC隔离
29、变压器1BK-100变比1：1，AC220V7SB1起动按钮1LAY37绿色8SB2停止按钮1LAY37红色9SB3转换开关1LAY37-D2手动/自动转换10SB4SB8手动开关5LAY37-D2黑色11KM1KM4交流接触器4DJX-9线圈电压：AC220V12KA1KA3中间继电器3HH52P线圈电压：AC220V13HL1HL15指示灯15AD16-22LED显示，AC220V14YA1电磁阀1ZCT-50A线圈电压：AC220V15YA2电磁阀1ZCT-15A线圈电压：AC220V16YA3电动阀门装置1LQA20-1AC380，60W17PLC可编程序控制器1FX2N-48MR继电器输出(5) PLC控制程序设计1) 程序设计。根据控制要求，建立SBR废水处理系统控制流程图，如图5所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。2) 系统静态调试。空载静态调试时，针对运行的程序检查硬件接口电路中各种逻辑关系是否正确，然后先调试子程序或功能模块程序，然后调试初始化程序，最后调试主程序。调试过程中尽量接近实际系统，并考虑到各种可能发生的情况，作反复调试，出现问题及时分析、调整程序或参数。3)
