2016年全国职业院校技能大赛现代电气控制系统安装与调试（B题）
工
作
任
务
书
（总时间：240分钟）
场次号工位号
注意事项
一、本任务书共14页，如出现缺页、字迹不清等问题，请及时向裁判示意，进行任务书的更换。
二、在完成工作任务的全过程中，严格遵守电气安装和电气维修的安全操作规程。电气安装中，低压电器安装按《电气装置安装工程低压电器施工及验收规范（GB50254-96）》验收。
三、不得擅自更改设备已有器件位置和线路，若现场设备安装调试有疑问，须经设计人员（赛场评委）同意后方可修改。
四、竞赛过程中，参赛选手认定竞赛设备的器件有故障，可提出更换，器件经现场裁判测定完好属参赛选手误判时，每次扣参赛队3分；若因人为操作损坏器件，酌情扣5-10分；后果严重者（如导致PLC、变频器、伺服等烧坏），本次竞赛成绩计0分。
五、所编PLC、触摸屏等程序必须保存到计算机的“D: \场次号-工位号”文件夹下，场次号和工位号以现场抽签为准。
六、参赛选手在完成工作任务的过程中，不得在任何地方标注学校名称、选手姓名等信息。
七、比赛结束后，参赛选手需要将任务书以及现场发放的图纸、资料、草稿纸等材料一并上交，不得带离考场。
请按要求在4个小时内完成以下工作任务：
一、按“平面仓库系统”控制要求，设计电气控制原理图，制定相应的I/O分配表，并按图完成器件选型计算、器件安装、电路连接（含主电路）和相关元件参数设置。
二、按“平面仓库系统”控制要求，编写PLC程序及触摸屏程序，完成后下载至设备PLC及触摸屏，并调试该电气控制系统达到控制要求。
三、根据赛场设备上所提供的故障考核装置，参考X62W铣床电气原理图，排除机床电气控制电路板上所设置的故障，使该电路能正常工作，同时完成维修工作票。
本次工作任务请在YL-158GA1型现代电气控制系统安装与调试实训考核装置上完成，该装置的结构介绍及使用方法请参考用户说明书。操作过程中，须遵守安全操作规程和职业素养要求的相关规定。
平面仓库控制系统
一、系统运行说明
某平面仓库的结构如图1所示，系统（其主要由）传送带、机器手、运料小车、推料气缸和一套平面仓库等组成。
仓位1仓
位
2
仓
位
3
传送带1
传送带2
进货区
SQ1
SQ2
SQ3SQ4
货物类
型检测
传感器
M1
M2
M4
M3
SQ15
SQ13
SQ12
SQ14
SQ11
机
械手返货区
SQ16
运料小车
图1 平面仓库结构图
平面仓库系统的运行过程如下：开始运行时，人工将货物从进货区放至传送带1上，当SQ1检测到货物之后，由电机M1带动传送带1将货物运送至SQ2位置，期间需要对货物类型进行检测，根据货物类型检测到的结果（用控制柜正面的0~10V电压模拟货物类型），将货物分成A、B、C三种（0~4V为A货，4~7V为B货，7~10V为C 货）；由机械手臂抓起货物，并根据货物类型检测结果决定将货物放至运料小车或者传送带2；平面仓库包括三个仓位，运动送料小车将货物运送至相应的仓位后，小车上的气缸将货物推进仓位。送料小车的初始位置在SQ12处的仓位。如图1所示，每个仓位配有一个位置检测传感器（SQ11~SQ13），且每一个仓位存放货物的顺序需按照A、B、C的顺序依次存放，送料小车应按照从左往右（仓位1-仓位2-仓位3）的顺序进行送料；如果货物类型检测传感器检测到的货物不满
足各个仓位存放货物的要求，由机械手将该货物抓取后送至传送带2送回返货区。
平面仓库控制系统主要由以下电气控制回路组成：传送带1由电机M1驱动【M1为三相异步电机，只进行单向正转运行，要求能进行Y-△降压起动，起动时间为3秒，并且需要设有过载保护，热继电器的整定电流设置为0.4A】；机器手底盘旋转由电机M2驱动【M2为伺服电机，要求伺服电机能进行正、反转，伺服电机正转则机械手底盘向左旋转，伺服电机反转则机械手底盘向右旋转；伺服电机参数设置如下：伺服电机旋转一周需要1000个脉冲，伺服电机通过齿轮减速器带动机械手底盘旋转，减速比为24:1】；送料小车由电机M3驱动【M3为步进电机，要求步进电机能进行正、反转，步进电机参数设置如下：步进电机旋转一周需要2000个脉冲，已知直线导轨的螺距为4mm，并使用旋转编码器对小车位置进行检测】；传送带2由电机M4驱动【M4为三相异步电机，由变频器驱动，要求变频器速度由PLC输出模拟量电压进行给定，已知传送带2的速度v与变频器的运行频率f之间的关系为：v=0.2×f，传送带2的速度需要从触摸屏设定，M4从0mm/s加速到5mm/s需要用时1秒，从5mm/s减速到0mm/s需要用时0.5秒】。机械手夹紧气缸YV1、小车上推料气缸YV2由PLC数字量输出点控制，机械手夹紧气缸置位则夹紧，复位则松开；推料气缸置位则推出，复位则返回。
系统输入应包含以下各点：传送带1、2的位置传感器SQ1~SQ4（使用控制柜正面的行程开关模拟）；送料电动机M3位置检测传感器SQ11、SQ12、SQ13，左右极限位保护传感器SQ14和SQ15，编码器（双相计数）；调试/自动运行模式切换开关（用控制柜正面SA1
模拟），调试启动按钮SB4、调试停止按钮SB1，自动运行启动按钮SB5、自动运行停止按钮SB2，货物类型确认按钮SB3（所有按钮SB 请使用控制柜正面元件）和急停按钮（由控制柜正面的SA2模拟）。货物检测传感器SQ16（用控制柜正面的SA3来模拟，SA3位于右档位时代表传感器有信号），推料气缸动作过程用延时3秒代替；由铂电阻模拟电机M1的温度，由温控器显示温度，温控器输出接点给PLC。
系统的输出指示灯应该包含：系统停止指示灯（红灯HL1）、系统调试指示灯（红灯HL2）、系统运行指示灯（绿灯HL4）。所有的指示灯请使用控制柜正面元件。
二、控制系统设计要求
1、本系统使用三台PLC，网络指定QCPU/S7-300/S7-1500为主站，2台FX3U/S7-200Smart/S7-1200为从站，分别以CC_Link或工业以太网的形式组网。具体配置见表1。
2、MCGS触摸屏应连接到系统中主站PLC上（三菱系统中触摸屏连接到QPLC的RS232端口；西门子系统中触摸屏连接到S7-300/S7-1500的以太网端口，不允许连接到交换机）。
3、电机控制、部分I/O、HMI与PLC组合分配方案见表1，其余自行定义。
表1 PLC、HMI及I/O配置方案
三菱Q+FX3U 系列方案
西门子S7-300
+S7-200Smart方案
西门子S7-1500
+S7-1200方案
HMI、YV1、
YV2
Q00UCPU CPU314C-2PN/DP CPU 1511-1 PN M1、M4、FX3U-32MR S7-200Smart CPU 1212C
SA1~SA3 6ES7288-1SR40-0AA0 6ES7212-1BE40-0XB0 M2、M3、
SB1~SB5、FX3U-32MT
S7-200Smart
6ES7288-1ST30-0AA0
CPU 1212C
6ES7212-1AE40-0XB0
4、根据本控制要求设计电气控制原理图，根据所设计的电路图连接电路（不允许借用机床考核单元电气回路）。把系统电气原理图、各PLC的I/O接线图在标准图纸上，并填写I/O分配表，在“设计”栏中填入选手工位号，在“制图”栏中填入PLC品牌型号。
5、本次工作任务中用到的主要器件（如各个PLC和变频器）已安装好，部分线路也已经安装好（参见实物），选手不得擅自更改设备中已有器件的位置和线路。其余器件的安装位置请自行定义。
三、系统控制要求
平面仓库系统设备设有两种工作模式，模式一：调试模式；模式二：自动运行模式。系统工作模式由运行模式切换开关SA1（控制柜反面）选取。
设备上电后触摸屏首先进入登录画面。控制柜正面的红色指示灯HL1以0.5Hz频率闪烁点亮，表示系统上电。若连续15秒未对触摸屏进行任何操作，则触摸屏自动进入待机画面，即屏幕进入休眠状态，直到再次点击触摸屏。
1、触摸屏登录画面要求
登录画面如图2所示。点击“用户登录”按钮，弹出用户登录窗口如图3所示，登录画面中用户名为admin，密码为123。如输入有错，画面上应弹出“密码输入错误，是否重新输入”的提示框，点击提示框中的“是”，用户可重新登录，点击提示框中的“否”，返回登录画面。点击“重新启动”按钮，触摸屏重新启动进入登录画面。
登录后系统自动进入相应画面：当SA1在左挡位时，画面进入
“调试模式”；当SA1在右挡位时，画面进入“自动运行模式”。系统要求进入自动运行模式之前，需首先进行调试。
图2 登录画面图3 用户登录窗口
2、调试模式
设备进入调试模式后，触摸屏切换至调试画面，触摸屏画面设计可参考图4。触摸屏进入调试画面后，控制柜正面的红色指示灯HL1熄灭，绿色指示灯HL4保持0.5Hz频率闪烁，直到调试模式结束。通过按下“选择调试按钮”，可依次选择需要调试的电机M1～M4，触摸屏中对应电机指示灯亮。按下控制柜正面绿色按钮SB4，选中的电机将进行调试运行。
图4调试画面示意图
（1）传送带1驱动电机M1调试过程
按下SB4按钮，电机M1以3秒间隔进行Y型运行-△型运行-停止- Y型运行-△型运行-停止--….状态循环切换，电机M1在Y型运行时，HL2以2Hz闪烁点亮，M1在△型运行时，HL2长亮，M1停止时，HL2熄灭。按下停止按钮SB1，M1停止，HL2灭。
（2）机器手底盘旋转电机M2调试过程
首先在触摸屏中设置机械手底盘的旋转速度（速度取整数，设定范围为3~8°/s），再设定机械手底盘的正向（向左）旋转角度α（α取整数，设定范围为60°~120°），按下SB4，伺服电机M2按照设定的速度正向旋转相应角度（需要考虑减速比24:1），2秒后再反向旋转相应角度回到初始位置；然后再次在触摸屏中设置机械手底盘的反向（向右）旋转角度β（β取整数，设定范围为60°~120°），按下SB4，伺服电机M2按照设定的速度反向旋转相应角度，2秒后再正向旋转相应角度回到初始位置；再次按下SB4，伺服电机首先带动机械手底盘正向旋转α角度，2秒后反向旋转α角度，再过2秒后反向旋转β角度，再过2秒后正向旋转β角度。电机M2运行过程中，可随时按下SB1使M2停止，再次按下SB4，电机M2继续完成未完成的动作。M2在调试过程中，HL2红灯长亮。
（3）送料小车驱动电机M3调试过程
送料小车电机结构示意图如图5所示。电机M3调试前，送料小车在SQ11与SQ13之间的任意位置。首先在触摸屏上设置送料小车的速度（设定范围为4.0~12.0mm/s，精确到小数点后一位），按一下SB4按钮，步进电机M3带动送料小车左行至SQ11，停2秒后再向右运行至SQ12（此时小车所在的位置为初始位置，系统将编码器中
的数值清零）。然后，再次按下SB4，送料小车将按照以下顺序循环运行：右运行至SQ13停2秒-左行至SQ12停2秒-左行至SQ11停2秒-右行至SQ12停2秒-右行至SQ13停2秒-……；M3运行过程中，随时按下SB1，小车停止，此时可以使用触摸屏中的“送料小车复位”按钮控制送料小车返回初始位置（即无论送料小车停在哪个位置，按下触摸屏中的“送料小车复位”按钮，送料小车都将直接返回至初始位置SQ12处）。在调试过程中，HL2红灯以1Hz闪烁点亮。此外，要求在触摸屏中显示送料小车的当前位置（单位为mm，精确到小数点后一位），并要求有动画演示效果。
图5 送料小车电机结构示意图
此外，在M3电机移动过程中检测左右硬限位SQ14和SQ15。即小车左移时，SQ14检测有信号，小车停止；小车右移时，SQ15检测有信号，小车停止。
（4）传送带2驱动电动机M4调试过程
首先在触摸屏中设置传送带2的速度（速度v的范围
4.0~6.0mm/s，精确到小数点后1位）；然后按下SB4按钮，M4电动机按照所设置的速度正向点动运行；M4电机调试过程中，HL2以5Hz闪烁。
所有电机（M1～M4）调试完成后，将SA1旋至右档位，系统进入到自动运行模式。在未进入自动运行模式时，单台电机可以反复调试。
3、自动运行模式
系统切换到自动运行模式后，触摸屏也随之进入自动运行模式画面（参见图6），画面自行设计。画面设计要求：触摸屏有仓库显示区，显示每个仓位内A、B、C三种货物的数量；有仓位关闭设定区，可以选择将对应仓位关闭；有参数显示区，可以显示当前货物类型、机械手底盘方向、送料小车的当前位置、货物类型传感器的实时电压值；有参数设定区，可以对机械手底盘速度、送料小车速度、传送带2速度进行设定（设定范围与调试模式下相同）。
图6 自动运行模式参考画面
平面仓库自动运行时工艺流程与控制要求：
（1）系统初始化状态
小车处于原点（中间位置SQ12），小车内无货物（SQ16检测），机器手处于原始位置。
（2）运行操作
①按下自动运行启动按钮SB5，系统开始运行，指示灯HL4长亮；
②上货与分拣工作流程：
将货物从进货区放至传送带1，当SQ1检测到货物时，电机M1开始降压起动；货物经由传送带1被送至SQ2处，期间经过货物类型传感器时，触摸屏中显示货物类型传感器电压值，按下按钮SB3，则确认货物类型，并在触摸屏上显示；当SQ2检测到货物时，电机M1停止；然后等待3秒，期间机械手将货物抓起，根据入库存放规则决定将货物抓放至送料小车或者是传送带2；
③入库存放规则：
每个仓位存放货物的顺序为：依次存入A、B、C、A、B、C...；选择仓位的顺序为：仓位1、仓位2、仓位3，放满为止；每个仓位最多放6个货物；检测到的货物不满足上述入库存放规则，由机械手将该货物抓取至传送带2送回返货区。
④入库工作流程：
系统初始状态下，所有仓位都无货，则若第一个货物经由货物类型检测传感器检测为A类货物，当M1电机停止后，等待3秒（期间机械手将货物夹起），然后机械手底盘向左旋转α角度（α的值取“调试模式”下的设定值），旋转到位后再等待3秒（期间机械手将货物放至在送料小车上）；当小车上的货物检测传感器SQ16检测到信号时，等待3秒（期间机械手臂提起），然后机械手底盘向右旋转α角
度回原位，同时送料小车向左行驶将货物送至SQ11（仓位1），到达SQ11位置时，再等待3秒（表示推料气缸已动作将货物推送至仓位），此时触摸屏中仓位1中的A货物数量变成1；然后送料小车向右行驶返回至初始位置SQ12处。
若第二个货物被检测是A类货物时，则按照以上流程将货物放至送料小车，再由送料小车将该货物送至SQ12（仓位2）存放。
若第二个货物被检测是B类货物时，则按照以上流程将货物放至送料小车，再由送料小车将该货物送至SQ11（仓位1）存放。
若第二个货物是C类货物，则机械手将货物夹起并向右旋转β角度（β的值取“调试模式”下的设定值），将货物放至在SQ3处，传送带2电机M4启动运行，将该货物送回至返货区，SQ4动作，传送带2电机M4停止。
以此类推，直至所有仓位装满。
⑤触摸屏中“仓位关闭设定”：
工作过程中，可以在触摸屏“仓位关闭设定区”，任意关闭仓位1、仓位2、仓位3，此时将影响送料小车的送料顺序；
例如目前仓位1有A、B、C货物各一个，仓位2有A、B货物各一个，仓位3有A货一个。工作过程中将仓位2关闭，若下一次检测为A类货物时，则货物存入仓位1；若下一次检测为B类货物时，则货物存入仓位3；则下一次检测为C类货物时，该C货将被运送至返货区。
（3）停止操作
a) 按下控制柜正面红色停止按钮SB2，系统完成一个动作周期
后停止运行。且当系统停止后再次按下启动按钮SB5时，系统从上次运行记录的位置开始运行。
b) 系统发生急停事件，按下急停按钮时(用SA2模拟实现，即SA2被切断)，系统立即停止。急停恢复后（SA2被接通），再次按下SB5，系统自动从急停之前状态启动运行。
c）已知每个仓位最多存放6个货物，即A、B、C、A、B、C，当所有仓位都满仓时，系统停止运行。
（4）送料过程的动作要求连贯，执行动作要求顺序执行，运行过程不允许出现硬件冲突。
（5）系统状态显示
系统运行时控制柜正面绿灯HL4长亮，系统停止时红灯HL1长亮，系统发生急停、仓位全满时红灯HL1闪（频率为2Hz）。
4、非正常情况处理
在自动运行模式下，若连续三个货物都被退回至返货区，则在触摸屏自动弹出报警画面，报警画面显示“连续三个货物被退回，请注意放货顺序”。触摸报警画面任意位置，系统退出报警画面。
在自动运行模式下，实时监测电机M1的温度，检测温度超过30℃，则自动弹出报警画面“电机过热，系统即将停止”，5s后系统停止。温度降至30℃以下后，系统退出报警画面。按下SB5，系统自动从之前状态启动运行。