PLC金属压铸机控制系统设计报告.docx
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PLC金属压铸机控制系统设计报告
湖南工程学院
课程设计
课程名称电气控制与PLC
课题名称金属压铸机电气控制系统设计
专业班级自动化1191班
姓名唐亮
学号9120
指导教师刘星平、赖指南
2014年3月7日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称电气控制与PLC
课题名称金属压铸机电气控制系统设计
专业班级自动化1191班
姓名唐亮
学号9120
指导教师刘星平、赖指南
审批黄峰
任务书下达日期2014年2月24日
课程设计完成日期2014年3月7日
设计内容与要求
一.课程设计的性质与目的
本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。
它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。
通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。
二.课程设计的内容
1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2.绘制金属压铸机控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.上机调试程序。
5.编写设计说明书。
三.课程设计的要求
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，篇幅不少于7000字。
主要设计条件
每人一个PLC实验箱和一台编程电脑。
设计说明书装订顺序
1.课程设计说明书封面。
2.课程设计任务书。
3.说明书目录。
4.正文（按设计内容逐项书写）。
5.参考文献。
6.附录。
7.课程设计评分表。
设计进度安排
1.第一周星期一上午：
课题内容介绍。
2.第一周星期一下午：
仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。
3.第一周星期二～第二周星期一：
确定控制方案。
绘制搬运机械手电气控制系统的电气原理图、PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.第一周星期一：
上机调试程序。
5.第一周星期二～星期五：
编写设计说明书,答辩。
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
[2]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：
机械工业出版社
[3]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[4]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册[M].北京：
水利电力出版社
[5]谢桂林.电力拖动与控制[M].北京：
中国矿业大学出版社
[6]刘星平.可编程控制器实验指导书.湖南工程学院
附录：
课题简介及控制要求
（1）课题简介
金属压铸机工作示意图如图25所示，压铸机的动作由液压油缸驱动，执行元件为电磁阀，其工艺流程如下：
图1金属压铸机工作示意图
（1）原位：
模板在开模位置，模板左限位开关SQ1闭合；射入活塞已右移至原位，活塞右限位开关SQ3闭合；喷嘴已上移至原位，喷嘴上位限位开关SQ5闭合。
（2）关模：
当按下启动按钮SB1时，关模电磁阀YV0通电，模板右移。
当模板右移至关模位置时,模板右限位开关SQ2闭合，关模电磁阀YV0断电，模板停止右移。
（3）射入：
当模板关闭后，射入活塞左移电磁阀YV2通电，射入活塞向左移动，将金属液射入模内。
当射入活塞左移至终点位置时，活塞左限位开关SQ4闭合，射入活塞左移电磁阀YV2断电，射入活塞停止左移。
（4）活塞返回与冷却：
当射入活塞向左移至终点位置时，射入活塞右移电磁阀YV3通电，射入活塞右移。
当右移至原位时，活塞右限位开关SQ3闭合，射入活塞右移电磁阀YV3断电，射入活塞停止右移。
在射入活塞开始右移的同时，冷却水电磁阀YV4通电，使冷却水流过模具的冷却水循环系统，以期迅速冷却模具中的高温液态金属，使其固化成型。
当冷却水电磁阀YV4通电50s时断电，冷却水关闭。
（5）开模：
当射入活塞右移至原位且冷却水已关闭时，开模电磁阀YV1通电，模板左移，工件被自动顶出。
当模板左移至原位时，模板左限位开关SQ1闭合，开模电磁阀YV1断电，模板停止左移。
（6）洗模：
当模板停止左移时，喷嘴下移电磁阀YV5和喷液电磁阀YV7同时通电，喷嘴一边下移，一边向两侧模板喷射洗模液。
当喷嘴下移终点位置时，喷嘴下限位开关SQ6闭合，喷嘴下移电磁阀YV5断电，喷嘴停止下移。
（7）喷嘴返回并停止喷液：
当喷嘴停止下移时，喷嘴上移电磁阀YV6通电，喷嘴上移。
与此同时，喷液电磁阀YV7断电，喷嘴停止喷液。
当喷嘴上移至原位时，喷嘴上限位开关SQ5闭合，喷嘴上移电磁阀YV6断电，喷嘴停止上移。
至此，金属压铸机压铸工件的一个工艺过程结束。
（2）控制要求
要求压铸机控制系统具有以下三种工作方式：
（1）手动方式：
按下某个动作的手动按钮时，该动作进行；松开该动作的手动按钮时，该动作停止。
（2）单周循环方式：
按下启动按钮SB1，压铸一个工件，即经过“关模、射入、射入活塞返回冷却、开模、洗模、喷嘴返回并停止喷液”一个循环周期后，等待下一次起动信号的到来，再压铸一个工件。
（3）连续循环方式：
按下启动按钮SB1，自动循环作业，连续压铸工件，直至按下停止按钮SB2或压铸的工件达到预定数（100件）时，才在最后个循环的工作完成后停止作业。
前言
PLC是应用最广的以计算机技术为核心的自动控制装置。
本设计以西门子公司的S7-200PLC为基础，设计出一个简易的金属压铸机电气控制系统。
第1章主要是对PLC和金属压铸机作一个简要的介绍。
第2章的内容就是对三种控制方案（继电器控制、微机控制、PLC控制）做简单的介绍和的对比，进而得出最优方案。
第3章主要本系统的硬件电路的设计，包括：
PLC外部电路设计。
第4章是金属压铸机电气控制系统的软件设计，主要是根据硬件电路和的工作原理先设计出顺序功能图，进而设计出系统的梯形图。
第5章讲的是程序调试过程，主要是程序调试过程中所遇到的问题，以及解决方案。
在本设计编写过程中，得到了赖指南老师的悉心指导，是您让我更快的发现问题，并且更好的解决问题。
以及同学的帮忙，谨在此表示衷心的感谢。
因为设计者本人水平有限，设计过程中难免会有些纰漏之处，恳请读者批评指正。
第1章概述…………………………………………………………………1
1.1PLC简介………………………………………………………………1
1.2金属压铸机概述………………………………………………………2
第2章控制方案论证……………………………………………………4
2.1继电器控制方案………………………………………………………4
2.2微机控制方案………………………………………………………4
2.3方案的对比及选择PLC控制方案的原因……………………………5
第3章控制系统硬件电路设计……………………………………………7
3.1电器元件清单…………………………………………………………7
3.2PLC的I/O接线图I……………………………………………………9
第4章控制系统软件设计…………………………………………………9
4.1控制系统的软件设计原理……………………………………………9
4.2控制系统的工作循环图和顺序功能图………………………………11
4.3控制系统的梯形图程序……………………………………………13
第5章控制系统调试……………………………………………………18
5.1控制系统的调试过程………………………………………………18
结束语………………………………………………………………………19
致谢…………………………………………………………………………20
参考文献……………………………………………………………………21
附录…………………………………………………………………………22
第1章
概述
1.1PLC简介
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。
PLC在现在制造系统中有了很大范围的应用。
在工业应用中，梯形图对PLC发展最为广泛的编程语言。
一般来说，plc包括了微处理器，而梯形图是在一个扫描周期中按顺序的在微处理器中执行的。
基于这个解决法，在扫描周期PLC的执行速度被限制于程序的长短和微处理器扫描的速度。
为了克服可编程硬件的缺点，根据的他的硬件结构重构和顺序执行的优点许多研究者关注场可编程门阵列酯可编程序控制器。
PLC的处理器速度和功能在不断增加，已发展成具有逻辑控制功能过程控制功能运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能等的多功能控制器，加上它的价格低廉、操作简便、改变功能灵活易用、维护工作量小等优势，使PLC在工业生产过程自动化中获得广泛应用。
1.2金属压铸机概述
金属压铸机工作示意图如图1.1所示，压铸机的动作由液压油缸驱动，执行元件为电磁阀，其工艺流程如下：
图1.1金属压铸机工作示意图
（1）原位：
模板在开模位置，模板左限位开关SQ1闭合；射入活塞已右移位，活塞右限位开关SQ3闭合；喷嘴已上移至原位，喷嘴上位限位开关SQ5闭合。
（2）关模：
当按下启动按钮SB1时，关模电磁阀YV0通电，模板右移。
当模板右移至关模位置时,模板右限位开关SQ2闭合，关模电磁阀YV0断电，模板停止右移。
（3）射入：
当模板关闭后，射入活塞左移电磁阀YV2通电，射入活塞向左移动，将金属液射入模内。
当射入活塞左移至终点位置时，活塞左限位开关SQ4闭合，射入活塞左移电磁阀YV2断电，射入活塞停止左移。
（4）活塞返回与冷却：
当射入活塞向左移至终点位置时，射入活塞右移电磁阀YV3通电，射入活塞右移。
当右移至原位时，活塞右限位开关SQ3闭合，射入活塞右移电磁阀YV3断电，射入活塞停止右移。
在射入活塞开始右移的同时，冷却水电磁阀YV4通电，使冷却水流过模具的冷却水循环系统，以期迅速冷却模具中的高温液态金属，使其固化成型。
当冷却水电磁阀YV4通电50s时断电，冷却水关闭。
（5）开模：
当射入活塞右移至原位且冷却水已关闭时，开模电磁阀YV1通电，模板左移，工件被自动顶出。
当模板左移至原位时，模板左限位开关SQ1闭合，开模电磁阀YV1断电，模板停止左移。
（6）洗模：
当模板停止左移时，喷嘴下移电磁阀YV5和喷液电磁阀YV7同时通电，喷嘴一边下移，一边向两侧模板喷射洗模液。
当喷嘴下移终点位置时，喷嘴下限位开关SQ6闭合，喷嘴下移电磁阀YV5断电，喷嘴停止下移。
（7）喷嘴返回并停止喷液：
当喷嘴停止下移时，喷嘴上移电磁阀YV6通电，喷嘴上移。
与此同时，喷液电磁阀YV7断电，喷嘴停止喷液。
当喷嘴上移至原位时，喷嘴上限位开关SQ5闭合，喷嘴上移电磁阀YV6断电，喷嘴停止上移。
至此，金属压铸机压铸工件的一个工艺过程结束。
第2章控制方案论证
2.1继电器控制方案
在逻辑控制方面，继电器是利用电器件机械触点的串、并联组合成逻辑控制。
采用硬线连接，连线多而复杂，对今后的逻辑修改、增加功能很困难。
在控制速度上，依靠机械触电的吸合动作来完成控制的继电器的控制系统，工作效率低，工作速度慢。
在顺序控制方面，继电器控制是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的顺序控制，时间继电器内部的机械结构容易受环境和温度变化的影响，造成定时的精度不高。
在灵活性可扩展性方面，继电器安装后，受电气设备触点数目的有限性和连线复杂等原因的影响，系统在今后的灵活性、扩展性很差。
虽然继电器控制可实现逻辑功能，但不具备计数的功能，另外，继电器控制使用大量的机械触点，触点在开闭时会产生电弧，造成损伤并伴有机械磨损，使用寿命短，运行可靠性差，不易维护。
继电器控制历史长久，有较为成熟和固定的设计方法，易于掌握，尤其适合逻辑控制，但如果是时序、步进性控制和过程控制则或是构成系统较复杂，或难以单独实现需要借助过程仪表等。
这种系统稳定性、可靠性差，运行有较多的噪声，外部硬接线为主，不具有良好的柔性，一旦电路结构完成就要相对固定下来，需要更改时会很麻烦。
继电器触点有过载、发热粘连等缺点，维护量较大。
一般用于结构简单,电流量小的场合。
2.2微机控制方案
微机控制，成本比PLC低,逻辑针对性高，所以要在对整个系统非常了解的时候才会使用，智能化比PLC高，专业应用的时候，实现的功能要比PLC多，具有安全性可靠性最高的特点，输入输出信号还可以实现一体化隔离，通讯组态模式最多。
开发周期最长，一旦要有变化修改比较麻烦。
一旦实现自有批量生产，如果不包括软件附加值，成本甚至比继电器控制还要低。
微机最突出的特点是具备计算机的运算能力和存储容量,适用于复杂应用和大量数据处理。
微机系统也具有软硬件结合实现功能的特点，而且目前的微机系统有专业的工用于工业控制环境，其抗干扰能力、运行稳定性等都比最初使用商用机好得多了。
而硬件上，已经有多种基于现有总线形式的功能块可以选用，如数据采集卡、运动控制卡、过程控制卡、智能通信卡等，这些功能块是专业厂家进行专门设计的，让用户可以结合各种通用编程软件如VC++、VB、Delphi以及各种数据库开发软件等即可迅速实现控制系统软件的设计。
不过在造价上恐怕是最高的，而其可靠性虽然已经有很大提高能够适应许多工业现场的环境了，但仍然还不足以达到PLC的水平。
另外还通过微机直接控制过元器件，他的功能可谓更加强大。
但是另一方面他体型大，也太笨拙，一般微机也不适合用于工业控制场合，但是工业控制计算机可以。
机最突出的特点是具备计算机的运算才干和存储容量，适用于复杂应用和大量数据处置。
微电路控制，就是单片机控制，这个系统其把PLC模块化的各个部分集中在一起，其主要通过一块电路板实现，空间大大减小，但是由于所有的电路集中在一块板子上，其实现的功能、输入输出的点数受到限制，而且系统的散热性，维护性受到考验，若其中一部分损坏，其只能全部更换。
单片机现在主要用在功能单一的小型系统中，如随小型设备来的控制系统。
2.3控制方案的对比及确定
由上可知继电器控制具有:
工作效率低，工作速度慢,灵活性，扩展性和可靠性都比较差，而且机械化程度比较高，智能化不强等缺点。
而微机方案虽然智能化程度比较高但其开发周期长，灵活性低，修改特别麻烦而且编程特别复杂难学。
于是我们最终选择了PLC的控制方案。
PLC智能化高，逻辑控制可靠度高，具有通讯功能，占体积小，功耗小，PLC是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置。
PLC最突出的特点是抗干扰能力强,编程简单灵活,适用于大多数工业控制场合。
PLC系统是具有柔性的软接线系统，多数情况下通过不算复杂的编程，以软硬件结合的方式可以实现控制功能，目前应用也极为广泛，可靠性极高、抗干扰能力强，已经被广泛接受。
现在的PLC可以实现从小到大各种规模的控制系统，并且除了逻辑控制外，还可以方便的通过各种功能模块、通信模块、智能模块、人机界面等实现过程控制、闭环控制、通信、位置/伺服控制、人机交互等，功能极为强大。
PLC系统更改方便，改动程序可以节省大量外围硬接线的改动工作量。
但是目前各种厂家的PLC在硬件软件方面不通用、“各自为政”现象尚难以改观。
在用户方面各自变得程序也往往不具有通用性，尤其是采用梯形图编程时程序的“个性”风格十分突出，可移植性、可维护性不如微机控制系统做得好。
PLC系统的价格也不是太高，在性价比上应该是最好的。
PLC就是为了替代继电器的缺点而开发的，其就是可编程控制器，其众多的逻辑控制在PLC内部来实现，引起大大的节省了设备空间，其只需要外部的输入输出接口来与外界连接，这样的状况使整个系统耗电量、可靠性、维护性有到显著的改善，其最优越的特点就是程序更改方便，对待外部实现的功能更加人性化。
第3章控制系统硬件电路设计
3.1电气元件清单
根据金属压铸机控制系统的要求及条件我们选择了以下各型号规格的电气元件如表3.1。
表3.1电气元件清单
序号
代号
名称
数量
规格型号
备注
0
SA
转换开关
1
HZ10-10/3
1
SQ1～SQ6
行程开关
6
JLXK1-311
2
SB4～SB11
按钮
8
LA19-11
3
YV0～YV7
电磁继电器
8
JZ7-22
4
FR
熔断器
1
CJ20-25
5
FR1-FR4
热继电器
4
T16
6
SB1
控制按钮
1
LA19-11J
红色
7
SB2
控制按钮
1
LA19-11J
红色
8
SB3
控制按钮
2
LA19-11J
绿色
9
PLC
可编程控制器
1
CPU226
3.2PLCI/O接线图
图3.2外部接线图
第4章控制系统软件设计
4.1控制系统软件设计原理
本控制系统是通过主程序（OB1）调用3个子程序：
公用子程序（SBR0），手动子程序（SBR1）和自动子程序（SBR2）。
公用程序是用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间的相互的处理。
手动程序主要是用于系统设计或维修时进行单个步骤的调试，而自动子程序是正常工作情况下的控制程序。
此外系统的预停，急停程序也是集成在公用子程序中。
最后，通过金属压铸机的工作循环图设计出系统的工作流程图及顺序功能图，进而设计出系统的梯形图程序。
4.2控制系统的工作循环图及顺序功能图
图4.2工作循环图
4.3顺序功能图
4.3控制系统的梯形图程序
4.3.1主程序OB1
4.3.2公用子程序SBR0
4.3.3手动子程序SBR1
4.3.4自动子程序SB2
第5章控制系统的调试
5.1控制系统的调试过程
在调试开始我们首先编译程序看程序是否有错误，确定程序没有错误之后我们开始进行调试，首先得建立PLC与计算机通信，然后再进行程序状态的监控，由于实验室条件有限，缺少拓展模块，我们在赖老师的指导下学会用强制寄存器改变数值的方式来进行调试。
在仿真软件中首先进行手动方式，按照金属压铸机工作顺序进行关模，开模、活塞左移、活塞右移，冷却水、喷嘴下移、喷嘴上移、洗模液开的顺序一一进行仿真，看所编写的程序能不能实现这些功能，手动程序有问题的话就从运行的程序中看哪里不通电，从程序中找出问题，修改好了以后再仿真，如此循环直到所编写的程序能够正确仿真为止，调试好手动程序以后就对公用和自动子程序进行调试，查看公用程序和子程序能不能实现所需要的要求，同样的，如果仿真发现不正确的话就利用仿真软件运行编译查找出问题所在，然后修改程序，直到能够正确仿真为止。
结束语
此次课程设计主要是对PLC的控制功能进行练习了解掌握，而金属压铸机的设计中更多的是要求我们对PLC经典控制模块——继电器控制部分进行设计。
通过本次设计，让我巩固了对PLC的知识，很好的锻炼了动手实践的能力，让我学会了怎样把理论应用于实践，又让我懂得实践是检验真理的唯一标准。
在整个课程设计中遇到了很多问题，在设计程序的时候，常常会因为一些细节方面的出错，导致程序出错，例如，不小心将C0写成CO，导致程序出现错误，都需要重新设置，当程序复杂的时候，改动的量是比较大的；另外，在程序下载需要调试的时候，由于设备的输入输出I/O口有限，所以需要用到强制方式，这也加大了调试程序的难度，这难免会影响程序的质量与准确性。
致谢
两周的课程设计转瞬即逝，通过本次的课程设计让我学会了很多，不仅仅是理论知识，还是动手能力，都得到了一定的进步与提高。
在这里感谢赖指南老师和刘星平老师的悉心引导，因为您们，我才能更快地发现自己的问题，然后更好地解决自己的问题。
同时也感谢对我有过帮助的同学，是大家的共同探讨促使大家共同进步。
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
[2]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：
机械工业出版社
[3]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[4]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册[M].北京：
水利电力出版社
[5]谢桂林.电力拖动与控制[M].北京：
中国矿业大学出版社
[6]刘星平.可编程控制器实验指导书.湖南工程学院
电气信息学院课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性与创造性（10%）
开发板焊接及其调试完成情况*（10%）
硬件设计或软件编程完成情况（20%）
硬件测试或软件调试结果*（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
指导教师签名：
________________
日期：
________________
注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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