材料成型自动化课程设计指导书

材料成型自动化课程设计指导书

材料科学与工程学院

2012年9月

一、材料成型自动化课程设计概述

（一）课程设计的目的和要求：

1．课程设计的目的

材料成型自动化是材料成型及控制工程专业的专业课，旨在使学生掌握自动化技术在铸造、锻造、焊接及热处理生产中的具体应用，使学生了解在金属热成形生产中如何采用自动化技术来提高劳动生产率，能够将所学的材料成型原理中理论知识和自动控制基础知识很好地结合，能够根据不同的材料成型生产过程进行自动控制部分的简单设计、规划，能够对生产效率低的材料成型生产过程提出自动化改造的构想，即通过该门功课的学习，提高学生的知识运用能力和工程设计能力。因此，在教学过程中，除了系统地讲授基本概念、基本原理、基本方法，进行实验，作业等教学外，还应使学生作较全面的成型自动化设计技能锻炼，即课程设计。材料成型自动化课程设计的目的是：

（1）具体应用和巩固本课程及相关课程的理论知识、生产知识，了解材料成型装备的结构和工作原理，熟悉材料成型装备的液控（气控）原理，掌握实现生产过程自动化的设计过程和基本步骤。培养学生实现某种装备工作过程自动控制的设计能力，为以后的毕业设计和工作打下基础。

（2）通过中等复杂程度的生产过程的自动化过程设计，使学生在综合利用理论知识和实践知识解决去解决问题时，得到一次完整的基本设计方法训练。

（3）使学生熟悉各种设计资料（如有关工具书、设计程序软件使用说明等），提高运用技术资料和计算机等诸多方面的能力。

2．课程设计要求

在课程设计过程中要求学生注意培养认真负责、踏实细致的工作作风和保质保量，按时完成任务的良好习惯。在设计过程中必须做到：

（1）随时复习教科书、听课笔记，及时了解有关资料，做好设计准备；

（2）在规定的设计教室和实验室内设计，遵守学习制度；

（3）设计方案需经指导教师审核后方可上机编程。

（4）尊重指导教师，并能独立灵活处理问题，充分发挥自己的主观能动性和创造性；

（5）按计划循序渐进完成设计任务，最后将设计方案、控制系统原理图、梯形图程序、设计说明书一并交给指导教师；

（6）如不能按时完成设计任务，本课程设计成绩为不及格。

（二）设计准备工作及控制原理图绘图要求

1．设计准备工作

（1）设计前要准备好设计资料、手册，熟悉设计软件使用。

（2）组织好设计小组，布置好设计教室。

（3）熟悉设计任务书，明确设计要求和内容。

（4）认真复习设计所要用到的有关课程内容，如热加工装备的液（气）控原理及工艺

过程，PLC的编程过程及步骤等。

2．控制原理图绘图要求

控制原理图要求用A3纸绘制，为保证绘图质量和图面洁净，对绘图工作做如下要求：（1）绘图工作一般按草图、轻画、描深的次序进行。

（2）必须用绘图铅笔盒绘图仪器制图，严禁徒手画直线、折线、圆、圆弧等。

（三）设计任务和程序

1．设计任务

每名学生完成一个中等复杂程度的生产过程的自动化过程设计及程序编制工作，具体内容是：

（1）设计方案 1套

（2）控制系统原理图 1张

（3）梯形图程序 1份

（4）设计说明书 1份

2．设计程序

根据已下达的设计任务书，明确设计要求和内容，进行控制系统方案设计及论证并绘制控制原理图，根据生产工艺过程确定控制系统所需要的I/O点数并进行地址分配，编制并调试梯形图程序，最后编写设计说明书。具体设计程序如下：

（1）方案设计和论证、确定系统整体方案；

（2）绘制控制原理图；

（3）确定控制系统所需要的I/O点数，列出I/O地址分配表；

（4）画出PLC外部I/O端子的电气接线图；

（5）编写梯形图控制程序；

（6）调试梯形图控制程序；

（7）要求规范地完成课程设计说明书。

3．时间安排

整个课程设计时间为2周，具体分配如下：

4．设计参考资料

（1）张晓萍《锻造生产过程自动化》机械工业出版社1998.5 （2）任天庆《铸造设备自动控制系统设计》国防工业出版社1990.6（3）陈善本《焊接过程现代控制技术》哈尔滨工业大学出版社2001.5 （4）王永华《现代电器控制及PLC应用技术》北京航空航天大学出版社 2003.9 （5）樊自田《材料成型装备及自动化》机械工业出版社2006.4 （6）张利平《液压传动系统及设计》化学工业出版社2005.8 （7）叶伟昌《机械工程及自动化简明设计手册》机械工业出版社2004.8。

二、材料成型自动化课程设计过程及程序编制

（一）控制对象过程特征分析

在本课程设计中控制对象多为成型装备，其过程特征分析包括两部分：成形装备加工工艺过程的分析和液压（气动）系统控制原理分析。

一般按下列步骤进行：

1．查找相关书籍和资料，充分熟悉设备的结构及工作原理；

2．分析装备完成一个完整的工作循环所进行的动作过程，列出工作循环步；

3．画出装备的液压（气动）系统原理图，要注意分析阀、开关与每个动作间的可能关系。

4．电气控制回路设计，分以下步骤：

（1）绘制各液压缸位移顺序图。

（2）以行程开关压下为1，弹起为0，绘制开关信号图。

（3）在某些部中存在有几组相同信号时，需将所有信号分成相应级。

（4）以0→1为触发信号，绘制开关动作图。在存在信号相同步处需加1个继电器常开触点。

（5）绘制线圈（电磁铁、继电器）通断电图，注意在级交界处增加一个继电器通电，以便进行分级的转换，在II级结束时继电器断电。

（6）根据开关动作图、线圈通断图绘制电气控制回路图，或直接进行PLC编程。

本课程设计中用到的可编程控制器为欧姆龙CP1H，24点输入：0.00、0.01、0.02、…、0.11；1.00、1.01、1.02、…、1.11。16点输出：100.00、100.01、100.02、…、100.07；101.00、101.01、101.02、…、101.07。内藏模拟量4路输入：0200CH、0201CH、0202CH、0203CH，2路输出：0210CH、0211CH。如图1示。

24点输入（I）

16点输出（O）

内藏模拟量4

路输入内藏模拟量2路输出

图1 欧姆龙CP1H输入输出

（二）程序编制

程序编制的过程如下：

（1）根据工艺要求确定控制系统所需要的输入/输出（I/O）点数，列出I/O地址分配表，形式如表1，表2：

表1某设备PLC输入通道分配

表2 某设备PLC输出通道分配

（2）画出PLC外部I/O端子的电气接线图；

图2 PLC I/O端子电气接线图

（3）编写梯形图控制程序；

梯形图编制时可以选用经验设计法、继电器-接触器翻译法和顺序设计法。

○1．经验设计法

对于某些简单设备的控制程序设计时，可以在成熟的典型电路基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。下面列举五种典型电路。

a自锁电路

三相异步电动机的起、停、自锁电路是最典型的电路之一，梯形图见图2，梯形图中，

0.00作为启动按钮（常开），0.01作为停止按钮（常闭）。当按下启动按钮后，输出继电器100.00线圈通电（ON ），通过它的触点可以控制电动机主回路交流接触器动作，电动机起动。常开触点100.00与0.00并联，起到自锁作用。即使按钮松开后，控制电路仍然保持通电状态。

b 互锁电路

电动机的正、翻转控制电路是互锁的典型电路。设触点0.00代表电动机的正向起动按钮，0.01代表电动机反向起动按钮，0.02代表停止按钮。线圈100.00接通表示电动机正转，100.01接通代表电动机反转。如图4所示。线圈100.00和100.01串联的两个常闭触点100.01和100.00起互锁作用，目的是使电动机的正、反转不可能同时发生。如果再加入两个行程开关，就可以实现电动机的正反转的自动控制。

c 定时器扩展电路

PLC 的定时器（TIM ）最大的延时范围约为999.9s ，如果想得到大的延时范围，又使用较少的指令，可将定时器和计数器（CNT ）串联使用。如图5为一个可以实现1h 的电路。当外部命令0.00送到并保持后，延时器TIM0000开始计时，每60s 向计时器CNT0000发送一个计数脉冲。计数器的设定值为60，则表示计数器计满60次后就相当于完成了1h 的延时。

图3. 自锁电路

图4 互锁电路

d 时序控制电路

时序控制电路就是利用多个计时器，按照一定的时间顺序来控制输出继电器的动作。见图6。图6a 是梯形图程序，其工作原理可借助6b 的时序图来加以说明。但外部命令ON 后，通过自锁电路使辅助继电器w000通电，同时，第一个输出继电器100.00动作（ON ），然后每隔10s 接通一个输出继电器。每隔输出继电器（100.00，100.01，100.02）接通时间均为20s 。当最后一个输出继电器（100.02）断电后（OFF ），这段程序执行完毕。这个电路对于多台电动机的起动可提供一定的参考作用。

e 振荡电路

图5 定时器扩展电路

图6 时序控制电路

图7是一个周期为2s的振荡电路，其工作原理是：当外部命令0.00变ON以后，定时器T0开始计时，1s后接通定时器T1及输出继电器100.00，例如驱动一个指示灯。定时器T1计时1s后，通过其常闭触点将定时器T0断开及输出继电器100.00断电，同时只要外部命令不取消，定时器T0又开始重新开始定时。

图7 振荡电路

这种方法并没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，可用于较简单的梯形图的设计。

(2)．继电器-接触器控制电路的翻译法

翻译法是将原有设备的电器控制原理图翻译成PLC的梯形图。翻译步骤如下：

a应当了解和熟悉被控设备的工艺过程，机械设备的结构和动作，执行电动机的数量、规格和控制要求等，即掌握该设备的工作原理。

b将原继电器-接触器系统的输入和输出元器件，如按钮开关、行程开关、限位开关、其他传感器和输出继电器、接触器的线圈，分配到PLC的I/O接口电路汇总，并列成表格，使它们与梯形图中的输入/输出继电器对应。

c原电气控制原理图结构不变，将元器件的图形符号和文字符号改换成PLC。

(3)．顺序设计法

顺序设计法也叫步进设计法。参照法在实施过程中对那些不能直接实现控制的必须添加一些辅助元件、辅助触点去实现各环节之间的连锁、互锁、记忆等功能。对于不同的系统，其输入、输出关系不同，连锁、互锁和记忆的要求也不相同，因而较难找出一种简单的通用的设计方法。顺序设计法通过代表各步的编程元件（如辅助继电器）去控制输出量，而“步”是根据输出量的状态划分的。二者之间只有简单的“逻辑与”关系。因此输出电路的设计相当简单。对于不同的控制系统而言，控制辅助继电器的电路形式却是相同的。

所谓顺序控制，就是按照生产工艺规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间顺序，在生产过程中各个执行机构自动有秩序地进行操作。进行顺序设计时首先根据系统的工艺过程画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。

用步进设计法首先设计出顺序功能图，然后将其转换为梯形图。由三种转换方法：自锁控制法、置位复位指令法和步进指令法。

a 用自锁电路转换梯形图

步骤为:

(a)画出输出电路；

(b)画出起动电路；

(c)画出自保持电路；

(d)画出停止电路；

(e)画出输出电路。

b 用置位复位指令转换梯形图

和自锁电路转换相比，由于set指令激活某输出后本身有自保持电路,所以在本转换方法中上述a中(c)步不存在，其余顺序相同。需要注意的是本方法中可将输出单列由相关步的常开触点控制。

c 在omron PLC中有步进指令SNXT与STEP指令可进行梯形图转换。为使本设计具有普遍意义，更提倡采用前两种转换方法。

（4）利用仿真程序调试梯形图控制程序。

三、编写设计说明书

材料成型自动化课程设计要求控制系统方案设计、论证及程序设计的说明书，阐明设计的合理性、实用性。设计说明书是设计者设计思想、能力和水平的体现，也是对设计进行审核的重要依据。在控制系统方案设计及程序设计过程中，对每个问题的论证、数据的确定、资料的名称和页数等必须随时记在草稿本上，为编写设计说明书积累素材。

（一）设计说明书的内容

1．课程设计任务书；

2．设备结构工作原理及工艺过程分析；

3．电气回路方案设计及可行性分析；

4．PLC程序设计过程说明。

5．设计结果的自我评价，设计的优点及存在的问题；

6．主要参考资料，要注明著者、书名、出版社及出版年月、页数。

（二）编写设计说明书的基本要求和注意事项

1．文字简明通顺，论证充分合理。

2．应附有与方案选择有关的必要表格与简图；

3．资料来源要引用引号[]注在有关语句的右上角，[]号要与“参考文献”的序号一致。

4．设计说明书装订成册，次序为封面、设计任务书、目录、说明书正文、参考资料等。封面上要写明设计题目、设计者及班级、指导教师、年月日。

全部设计工作完成后，将设计说明书及控制原理图交给指导教师。