2021年山東省職業院校技能大賽“現代電氣控制系統安裝與調試”賽項

工位號:

2021年山東省職業院校技能大賽

（高職組）

現代電氣控制系統安裝與調試賽項

工

作

任

務

書

（樣題）

高職組現代電氣控制系統安裝與調試賽項專家組

2021·11

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2021年山東省職業院校技能大賽“現代電氣控制系統安裝與調試”賽項

注意事項

一、在完成工作任務的全過程中，嚴格遵守電氣安裝

和電氣維修的安全操作規程。電氣安裝中，低壓電器安裝按

《電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規范（GB50254-

96）》驗收。

二、不得擅自更改設備已有器件位置和線路，若現場

設備安裝調試有疑問，須經設計人員（賽場評委）同意后方可

修改。

三、競賽過程中，參賽選手認定競賽設備的器件有故

障，可提出更換，器件經現場裁判測定完好屬參賽選手誤判

時，每次扣參賽隊1分；若因人為操作損壞器件，酌情扣5-

10分；后果嚴重者（如導致PLC、變頻器、伺服等燒壞），

本次競賽成績計0分。

四、所編PLC、觸摸屏等程序必須保存到計算機的“D:

\場次號-工位號”文件夾下，場次號和工位號以現場抽簽為

準。

五、參賽選手在完成工作任務的過程中，不得在任何

地方標注學校名稱、選手姓名等信息。

六、比賽結束后，參賽選手需要將任務書以及現場發

放的圖紙、資料、草稿紙等材料一并上交，不得帶離賽場。

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請按要求在5個小時內完成以下工作任務：

一、按“自動涂裝系統控制要求”，使用

SEEElectrical電氣設計軟件進行控制系統的元件布局（需

在指定的元件清單中選擇），控制電路（包含主電路、PLC

電路）的設計并生成接線圖、材料清單。

二、按設計圖完成元件選型計算、元件安裝、電路連接

（含主電路）和相關元件參數設置。

三、按“自動涂裝系統控制要求”，編寫PLC程序及觸

摸屏程序，完成后下載至設備PLC及觸摸屏，并調試該電氣

控制系統達到控制要求。

四、根據給定的××電氣設備原理圖及故障檢測要求，檢

測出該電氣設備電路板上的故障，并按要求在其圖紙電路圖的

相應位置上標注故障類型符號。

五、使用solidcenter軟件進行工業場景的搭建，完成搭

建后的場景能夠完整的展示“自動涂裝系統控制”結構。

自動涂裝系統

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一、自動涂裝系統運行說明

在工件涂裝過程中，有很多環節如涂料混合、涂料傳輸、工件涂

裝等環節，大多存在易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質，對人體健康有

不同程度的危害，不適合由人工現場實時操作。本系統設計借助PLC

來控制涂料混合、傳輸及定點涂裝等工序,對提高企業生產和管理自動

化水平有很大的幫助,同時又提高了生產效率、使用壽命和質量,減少

了企業產品質量的波動。

自動涂裝系統的結構及組成如圖1所示，包括A閥、B閥、攪拌

機、供料閥、儲存罐、噴涂進料泵、噴涂高度控制電機、轉盤電機、

排風扇、排料閥。

圖1自動涂裝系統

由圖可知，自動涂裝系統整體由三部分組成，分別為進料、混料

工段，儲料工段，涂裝工段三部分組成。系統自動運行過程如下：

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先按照被加工工件要求對供料閥A與供料閥B控制，并在混料罐

中進行攪拌，攪拌完成后，根據儲料罐液位情況控制供料閥狀態以及

涂裝工段運行情況，涂裝工段需順序完成先后兩部分動作，具體動作

如下：

①：噴涂高度控制電機定位在SQ2處，并轉盤電機定位在起始噴

涂位置后，啟動噴涂進料泵開始對工件涂裝，同時轉盤電機從起始位

置轉至結束位置（參數HMI設定），動作結束。

②：噴涂高度控制電機定位在SQ1處，并轉盤電機定位在零點位

置后，開始噴涂作業，噴涂高度控制電機從SQ1運行SQ3處，同時轉

盤電機旋轉360°后，涂裝工段動作結束。結束后涂裝高度電機與轉

盤電機自動恢復初始位置。

在涂裝工段運行期間排風扇保持低速或高速運行，排料閥同時打

開。

自動涂裝系統由以下電氣控制回路組成：混料攪拌電機由攪拌電

機M1驅動【M1需考慮過載保護】。噴涂泵電機M2驅動【M2由變頻器

進行無級調速控制；變頻器輸出頻率與工件直徑對應關系如下:工件直

徑D<60cm時，變頻器輸出f=50Hz；工件尺寸直徑60cm≤D≤120cm

時，變頻器輸出頻率f=50-(D-60)/2，電機加速時間1.5秒,減速時間

0.5秒】。噴頭高度位置由噴涂高度電機M3驅動【M3為步進電機帶動

絲杠運行，已知直線導軌的螺距為4mm，并使用旋轉編碼器對小車位

置進行檢測，步進電機參數設置為:步進電機旋轉一周需要4000個脈

沖】。工件旋轉臺由轉臺電機M4驅動【M4為伺服電機；伺服電機參

數設置如下：伺服電機旋轉一周需要2000個脈沖,減速比為36:1。工

件涂裝倉排風扇由排風電機M5驅動。

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其中攪拌電機M1與排風電機M5所使用的接觸器KM需由PLC輸出

經中間繼電器KA進行控制以實現控制回路的交直流隔離。

儲存罐有效儲液高度為0-1米，使用投入式液位傳感器進行液位

高度測量（以控制柜正面的模擬量0-10V模擬，0~10V對應0~1米）；

噴頭高度控制電機由三個位置預置點（SQ1~SQ3）控制噴涂位置；混

料罐A、B料進料累計重量由重量傳感器確定(傳感器量程為0-30Kg，

以模擬量4-20mA模擬輸入)。

電動機旋轉以“由轉軸方向確認時，順時針旋轉為正向、逆時針

旋轉為反向”為準。

二、控制系統安裝方案要求

1.本系統使用三臺PLC，網絡指定QCPU/S7-300/S7-1500為主站，

2臺FX3U/S7-200Smart/S7-1200為從站，分別以CC_Link或工業以太

網的形式組網。

2.MCGS觸摸屏應連接到系統中主站PLC上（三菱系統中觸摸屏連

接到QPLC的RS232端口；西門子系統中觸摸屏連接到

S7-300/S7-1500的以太網端口，不允許連接到交換機）。

3.電機控制、I/O、HMI與PLC組合分配方案（其余自行定

義）：

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電流及電壓模擬量輸入以及急停按鈕SA1可以自行定義。所有按

鈕及指示燈應使用控制柜正面元件。

4.根據本說明書設計電氣控制原理圖，根據所設計的電路圖連接

電路，不允許借用機床考核單元電氣回路。

5.三臺PLC和變頻器安裝位置要求如圖2所示,不允許自行定義位

置，不擅自更改設備已有器件位置和線路，其余器件位置自行定義。

從站：三菱FX3U-32MT/西

門子S7-200Smart

（6ES7288-1ST30-0AA0）

/西門子CPU1212C

（6ES7212-1AE40-0XB0）

變頻器：三菱FR-E740/

西門子G120C

（a）正面

從站：三菱FX3U-32MR/西

門子S7-200Smart

（6ES7288-1SR40-0AA0）

/西門子CPU1212C

（6ES7212-1BE40-0XB0）

主站：三菱Q00UCPU/西門

子S7-300/西門子

S7-1500

（b）背面

圖2PLC和變頻器安裝位置示意圖

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三、系統控制要求

自動涂裝控制系統設備具備兩種工作模式，模式一：調試模式；

模式二：自動涂裝模式。設備上電后觸摸屏顯示用戶登錄界面，設置

用戶權限；輸入用戶名Admin及密碼2021后進行登錄，觸摸屏即進

入模式選擇界面，可以選擇進入調試及自動運行模式；輸入用戶名

User及密碼2021進行登錄后，觸摸屏只能進入自動涂裝模式。

1.調試模式

觸摸屏進入調試畫面后，指示燈HL1、HL2以0.5Hz頻率閃爍點

亮，等待選擇電機調試。通過按下“調試選擇按鈕”，可依次選擇需

要調試的電機M1～M5，對應電機指示燈亮，HL1、HL2停止閃爍。按下

調試啟動按鈕SB1，被選中的電機進入調試運行。每個電機調試完成

后，觸摸屏上對應的指示燈熄滅。（M1～M5電機未調試完，“自動模

式”按鈕處于紅色狀態，即無法進入自動模式）

（1）攪拌電機M1調試過程

按下啟動按鈕SB1后，電機M1啟動運行，運行4秒--停止2

秒，運行3個周期后停止；電機M1調試結束。M1電機調試過程中，

HL4長亮，調試完成后HL4熄滅。

（2）噴涂泵電機（變頻電機）M2調試過程

由觸摸屏輸入工件直徑(工件直徑數值應在40cm-120cm)后按下啟

動按鈕SB1，電機M2正向運行4秒，變頻器輸出頻率按照工件直徑與

頻率對應關系確定（工件直徑D<60cm時，變頻器輸出f=50Hz；工件

尺寸直徑60cm≤D≤120cm時，變頻器輸出f=50-(D-60)/2），運行過

程中按下停止按鈕SB2，電機M2停止運行；再按下啟動按鈕SB1時，

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電機M2繼續之前的狀態運行直至電機運行時間到達。M2電機調試過

程中，HL4以亮1Hz的周期閃爍，調試結束后HL4熄滅。

噴涂泵電機運行頻率應在觸摸屏相應位置顯示(保留一位小數)。

（3）噴涂高度電機M3(步進電機)調試過程

首先調試前將電機M3手動調至SQ2與SQ3之間，然后在觸摸屏上

設置步進電機的運行速度（設定范圍為4.0-12.0mm/s，精確到小數點

后一位），按下啟動按鈕SB1，電機M3自動回到初始位置SQ1，到達

后由SQ1位置開始運行，運行過程如下：在SQ1位置等待2秒開始向

SQ2運行，在SQ2位置停止2秒后運行至SQ3,在SQ3位置停止2秒

后，返回SQ1，返回速度為設定運行速度的1.5倍；在動作過程任意

時間按下停止按鈕SB2，電機M3在當前位置停止運行，HL4以2Hz的

頻率閃爍；再按下啟動按鈕SB1后電機M3繼續當前動作直至M3電機

調試過程結束。電機M3調試過程中，當電機M3由SQ1向SQ3運動時

HL1長亮，返回SQ1的過程中HL2長亮，調試結束后HL1、HL2均熄

滅。

步進電機運行速度應在觸摸屏中顯示（單位：mm/s）。

圖3噴涂高度電機M3結構示意圖

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（4）轉臺電機M4(伺服電機)調試過程

首先在觸摸屏上設置轉臺的旋轉速度（設定范圍為6.0~12.0度

/s，精確到小數點后一位），按下啟動按鈕SB1，轉臺正向運行10

度，停止2秒；再正向運行20度，停止2秒；然后反向運行30度回

到起始位置，電機M4調試結束，此過程中轉臺電機M4按照設定的速

度沿要求方向旋轉相應角度（需要考慮減速比36:1）。電機M4調試

過程中，HL4以亮2S滅1S的周期閃爍，調試結束后HL4熄滅。轉臺

實時位置應在觸摸屏中顯示（單位：度）。

（5）排風扇電機M5調試過程

按下啟動按鈕SB1，M5電機以低速運行3秒后轉換到高速運行，

高速狀態運行5秒后停止，電機M5調試結束。電機M5調試過程中，

當M5處于低速狀態時，HL4以1Hz的頻率閃爍；當M5處于高速狀態

時，HL4以2Hz的頻率閃爍；當調試結束后HL4熄滅。

所有電機（M1～M5）調試完成后（此時觸摸屏中“自動模式”按

鈕由紅變綠），然后按下“自動模式”按鈕，將進入自動涂裝模式。

在未進入自動涂裝模式前，單臺電機可以反復調試。

2.自動涂裝模式

進入自動涂裝模式后，觸摸屏進入自動涂裝運行模式畫面。畫面

要求：

①觸摸屏畫面有主界面和復位按鈕；

②工件設置區，選擇工件類型，設置工件直徑以及噴涂帶區域起

始位置以及結束位置；

③參數顯示區，顯示混料罐混合涂料實時重量；轉盤的實時位

置；噴涂泵電機運行頻率；噴涂高度電機速度

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④噴頭位置顯示區，實時顯示噴頭的位置情況

⑤儲存罐顯示區，實時顯示儲存罐中液位狀態變化情況；

⑥狀態顯示區，顯示閥門和各個電機的動作運行狀態。

自動涂裝工藝流程與控制要求:

（1）系統初始化狀態：

進入自動涂裝模式后，按下復位按鈕，噴頭高度電機M3自動回到

初始位置SQ1，觸摸屏轉盤實時角度數值清零，儲存罐中液位為零，

混料罐中涂料重量為零，各電動機處于停止狀態，完成以上動作后

HL4以1Hz的頻率閃爍表示系統已滿足自動運行的初始條件。

（2）運行操作：

HL4以1Hz的頻率閃爍的狀態下進行工件選擇(從下拉菜單中選擇

甲類或乙類工件，工件選擇菜單初始狀態為空白狀態)，輸入工件直徑

(工件直徑數值應在40cm-120cm之間)和噴涂帶區域起始位置（起始位

置應在0°-45°之間，結束位置應在90°-360°之間）。按下開始按

鈕SB1，系統開始自動運行，自動運行過程中運行指示燈HL4長亮。

（3）進料及混料流程：

當混料罐中混合涂料剩余重量小于0.2Kg時，供料閥關閉，進料

閥A和進料閥B依次打開，AB兩種涂料開始依次進入混料罐：涂料進

料量以混料罐底部安裝的重量傳感器(傳感器感應重量為0-30Kg，由

模擬量電流4-20mA模擬輸入)感應結果進行控制。甲類工件所需涂料

中B涂料重量為A涂料重量的1.5倍；乙類工件所需涂料中B涂料重

量為A涂料的0.75倍。涂料A進料開始后，當重量傳感器感應重量達

到10Kg時進料閥A關閉，涂料A停止進料；同時進料閥B打開，涂料

B開始進料，當重量傳感器感應罐內涂料總重量重量達到要求(根據

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配方重量關系)時進料閥B關閉，涂料B停止進料。然后攪拌電機M1

開始運轉，攪拌6秒后，M1停止運行。當進料閥A開啟之后，直至混

料電機動作完成的過程中，供料閥保持關閉狀態。

此過程中混料罐涂料重量、閥門A、閥門B、供料閥以及攪拌電機

動作狀態應在觸摸屏中實時顯示。

（4）供料及儲料流程：

當儲料罐中所儲存的混合涂料液位低于高液位，且混料罐中混料

電機完成混料操作的狀態下，供料閥打開，涂料由混料罐進入儲料

罐；當混合涂料液位高于高液位時，供料閥關閉，混合涂料停止進入

儲料罐；當儲料罐中混合涂料的液位高于低液位時，自動噴涂流程開

始運行，當低于低液位時，自動涂裝流程停止運行，待混合涂料液位

高于低液位后，各電機自動恢復停止前的狀態繼續運行。

此過程中儲料罐液位、進料閥、噴涂泵電機、噴涂高度控制電機

以及轉臺電機運行狀態應在觸摸屏中實時顯示。

（5）自動噴涂流程：

涂裝過程為：首先進行一條帶狀涂裝，涂裝高度為SQ2所確定的

位置，帶狀涂裝起始位置及涂裝區域(工件固定在旋轉臺，轉臺帶動工

件旋轉)由HMI輸入(起始位置及結束位置均由所輸入的角度值確定，

起始位置范圍為0°~45°；結束位置為90°~360°，輸入值精確到個

位)。首先，噴涂高度控制電機M3由初始位置SQ1移動到SQ2，電機

運行速度為10mm/s；然后轉臺電機M4旋轉至噴涂起始位置(由

HMI輸入數值決定，旋轉速度為10度/s)；噴涂泵電機M2開始運行，

同時轉臺電機M4繼續旋轉至噴涂結束位置(由HMI輸入數值決定)后

停止,轉臺旋轉速度為10度/s；到達結束位置后，噴涂泵電機M2停

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止運行；完成帶狀涂裝任務后，高度控制電機M3自動回到SQ1位

置，轉臺電機M4反向旋轉，旋轉角度為結束位置設定角度值；此過

程中高度控制電機M3運行過程中噴涂泵電機M2停止動作。

高度控制電機與轉臺電機M4均回到初始位置等待2秒后，高度控

制電機M3與轉臺電機M4同時開始運行，噴涂泵電機M2開始持續運

行，高度控制電機M3由SQ1運行至SQ3，轉臺電機M4正向旋轉

360°，運行周期為20秒，高度控制電機M3與轉臺電機M4應同步運

行完成（高度控制電機M3與轉臺電機M4同時開始運行，且同時到達

結束位置），同時M2停止運行；運行完畢后高度控制電機M3返回初

始位置SQ1、轉臺電機M4反向旋轉360°。

此過程中噴頭高度位置、轉臺實時位置、噴涂泵電機運行頻率、

噴涂高度電機速度、噴涂泵電機、噴涂高度電機及轉臺電機應在觸摸

屏中實時顯示。

（6）排風及排料流程：

為避免排風氣流對涂裝質量產生影響，噴涂泵電機M2工作時，

排風電機M5處于低速運行狀態；噴涂泵電機M2停止工作時排風電機

M5切換至高速運行狀態，全部涂裝過程完成后排風扇電機M5繼續保

持高速運行10s后停止。

同時為防止涂裝室因積液過多造成工件質量下降，排水閥在自動

運行狀態下動作，動作要求如下：當自動噴涂過程開始時排水閥啟

動，全部涂裝過程完成后繼續保持開啟狀態10s后關閉。

此過程中排風電機以及排水閥狀態應在觸摸屏中實時顯示。

（7）停止操作

①系統自動運行過程中，按下停止按鈕SB2，系統完成當前涂

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裝動作后停止運行，HL1長亮。當停止后再次啟動運行時，HL1熄滅，

系統保持上次運行的記錄。

②系統發生緊急事件旋轉急停按鈕時(SA1閉合)，系統立即停

止，HL1以1Hz的頻率閃爍；急停恢復后(SA1斷開)，再次按下SB1，

觸摸屏工件設置區域所有設定參數清零，所有閥門以及電機恢復到初

始狀態；將所有參數重新設定后系統從初始狀態重新開始運行。

3.非正常情況處理

當電機M3出現越程（左、右超行程位置開關分別為兩側微動開關

SQ4、SQ5），伺服系統自動鎖住，并在觸摸屏自動彈出報警畫面“報

警畫面，設備越程”，點擊觸摸屏上任意位置解除報警后，系統重新

恢復到初次登錄后狀態，點復位按鈕后所有設置參數置零且全部電機

恢復到初始狀態，需重新在HMI上設置參數后再次運行。

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故障檢測

一、工作任務

請選手在設有故障（10個故障點）的裝置上進行故障查找，并

將故障點的位置與故障類型在圖紙上標出。裝置圖紙見附件，符號具

體要求如下：

二、操作要求

1.觀察現象時，只能接通控制電路的電源，不能接通主回路電

源；

2.故障檢測時，必須在斷電情況下測量，不能打開行線槽蓋板、

不能松卸端子拆下導線；

3.必要時，可以打開開關面板和按鈕盒進行檢測；

4.請使用萬用表、絕緣電阻測試儀、接地電阻測試儀進行故障檢

測；

5.故障點只需在圖紙上標注符號，無需修復。

三、模塊分值

本模塊分值為10分，每正確找到一個故障點且標注正確得1.0

分。

四、注意事項

在完成工作任務的全過程中，嚴格遵守電氣安裝安全操作規程。

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2021年山東省職業院校技能大賽“現代電氣控制系統安裝與調試”賽項

數字化工業場景搭建

請選手根據任務書“自動涂裝系統控制”的場景平面參考圖

進行工業場景搭建。

場景平面參考圖（5個區域）

二、操作要求

1.在電腦上使用solidcenter軟件進行操作，搭建三維場景

圖；

2.搭建所需的部件可在模型庫中選擇；

3.搭建的三維場景必須與場景平面參考圖展現的場景一致。