1、PLC控制专用组合机床电气系统设计大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）PLC控制专用组合机床电气系统设计学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 生 姓 名： 学 号： 2010022308 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 大连民族学院摘 要组合机床及其自动化在当今机械制造业中扮演着越来越重要的角色，其技术性能和综合自动化水平在很大程度上决定着相关部门的发展。随着科学技术的不断发展，传统的以继电器控制为基础的组合机床愈加与先进生产力不相适应，在这种情况下，可编程序控制技术以其灵活性好，可靠性高，通用性强，逐渐取代了继电器控制
2、方式。作为新一代的工业控制装置具有开发柔性好接线简单安装方便抗干扰性强等特点，用它来进行多工位组合机床的控制系统设计成为当代工业控制的主要发展方向。 本论文详细叙述了组合机床的PLC控制系统的设计,并根据系统运行要求，确定了机床及控制系统的元件型号，作出了PLC的地址分配表、外部接线图和程序T型图。关键词：组合机床；PLC；控制面板；接口电路；程序设计 PLC control special combination machine electrical system designAbstractCombination machine and automation plays an increa
3、singly important role in todays machinery manufacturing industry, its technical performance and integrated automation level largely determines the development of related sectors. With the continuous development of science and technology to the traditional relay control based on a combination of mach
4、ine tool increasingly incompatible with the advanced productive forces, in this case, programmable control technology for its flexibility, high reliability, versatility gradually replaced the relay control. As a new generation of industrial control devices have developed good flexibility and easy in
5、stallation wiring simple and strong anti-jamming features, use it for a combination of muti-station machine control system design has become the main development direction of modern industrial control.This paper details the design portfolio machine PLC control system, and the system is running in ac
6、cordance with the requirements of the machine tool and control system to determine the part number, made a PLC address allocation table, the external wiring diagram and procedures T-chart.Key Words：Combination machine；PLC；Control Panel；Interface Circuit ； Programming1绪论 1.1课题背景可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的通
7、用工业控制装置,它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合 ,集计算机、控制、通讯于一体,具有可靠性高、通用性强、应用灵活、易于使用 维修方便、价格便宜等优点,为工业自动化提供了近乎完美的自动控制装置。普通车床是应用非常广泛的金属切削工具，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍然大量使用。由于继电气系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在一下缺点：触点容易被电弧烧坏而导致接触不良，机械方式实现的触点控制反映速度慢，继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差等缺点。因而造成了这些企业的生产效率低下，效益差，反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。相比之下，由
8、于可编程控制器（PLC）具有一下优点：通用性、适应性强，完善的故障自诊能力而且维修方便，可靠性高及柔韧性强等优点，且小型PLC的价格目前也很便宜，因此在普通车床的控制电路改造中发挥了及其重要的作用。因此，当务之急就是对这些普通车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。根据我国当前的情况，继电器-接触器控制系统依然是机械设备最常用的电气控制方式，许多企业和高校实习工厂的机床和设备仍采用传统的继电器-接触器控制系统,由于采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的可靠性差,工作效率低,故障诊断和排除困难,严重影响了工厂的生产效率。随着科学技术发展，可编程控制器的出现，许
9、多以继电器-接触器控制系统的机床组合电路通过改进，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此,采用PLC对机床电气控制系统进行技术改造,很有益处。1.2 可编程控制器（PLC）应用现状与发展趋势1、PLC的发展现状目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方
10、向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市
11、场仍然以国外产品为主。国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。2、PLC的发展趋势随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。（1）、在产品规模方面，向两极发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。（2）、向通信网络化发展PLC网络控制
12、是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。（3）、向模块化、智能化发展为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。（4）、编程语言和编
13、程工具的多样化和标准化多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。 PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP(制造自动化协议)靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。1.3 本课题研究内容与成果设计组合机床PLC控制系统主要有以下方面的内容：1、分析总体功能要求，确定系统硬件配置根据车床需要实现的控制功能、调速方式、安全方面等的综合分析，对车床的硬件系统(如接触器、继电器、PLC型号)进行总体安排。2、计算PLC的Io点数经过上述分析后，根据所确定的控制要求，计算控制系统的输入信号及输
14、出信号的数量，同时对输入、输出信号是模拟量还是数字量要分开考虑，然后分类统计出各输入、输出量的电压类型、等级、数量。设计时对I0总体点数要考虑留有一定的余量。3、选型根据IO数量及输入、输出类型，选择PLC机型、扩展单元等。IO接口电路设计通过控制系统所需要的控制要求分配I/O地址，画出加接口线路图，列写I/O及内部辅助继电器等的地址分配表，以便进行梯形图的设计。控制电路图的设计包括设计主线电路、信号控制电路、PLC的I/O接线电路的原理图及配线图，标注线号。梯形图设计充分利用PLC提供的指令，根据模块化设计思想，依次对各控制功能设计梯形图。4、预期成果：利用现有的资料完成PLC的硬件、软件设
15、计，进行联机调试。根据实际情况，调试PLC系统，使组合机床正常运行，并完成相关动作的控制任务。改善控制面板，使其简单明了，方便工人控制。2 PLC系统设计基本原理 2.1 PLC控制系统简介可编程控制器，英文称Programmable Logic Controller，简称PLC。PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。 PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了
16、。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。1、实现控制要点 输入输出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。输入输出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。PLC程序既有生产厂家的系统程序(不可更改)，又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。 可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。PLC的I/O电路，都是专门设
17、计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。 输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。 输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与输出点也是一一对应的 这
18、里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。 输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。这个映射也称输出刷新。输出刷新主
19、要也是靠运行系统程序实现的。这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。2、可编程控制器实现控制的方式 用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显
20、然，中断方式与扫描方式是不同的。 在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。 但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现-信息处理、I/O电路-空间、时间关
21、系-扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。2.2 PLC控制系统组成 1、PLC的硬件结构可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几组成。PLC硬件结构如图2.1所示： 图2.1 PLC硬件结构2、中央控制处理单元(CPU)可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等
22、。FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。3、存储器可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器：存放系统管理程序。用户存储器：存放用户编制的控制程序。3、输入接口电路PLC通过输入单元可实现将不同输入电路的电平进行转换，转换成PLC所需的标准电平供PLC进行处理。接到PLC输入接口的输入器件是：各种开关、按钮、传感器等。各种PLC的输入电路大都相同，PLC输入电路中有光耦合器隔离，并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。PLC输入电路通常有三种类型：直流(1224)V输入、交流(100120)V输入与交流(200240)V输入和交直流(12
23、24)V输入。如图2.2，图2.3，图2.4所示： 图2.2 直流输入 图2.3 交、直流输入图2.4 交流输入4、输出接口电路PLC的输出有三种形式，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。输出端子有两种接法：一种是输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。一种为每48个输出点构成一组，共有一个公共点：在输出共用一个公共端子时，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同电压类型和等级的负载，且各输出公共点之间是相互隔离的。电源PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。编程器利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用
24、编程器还可以监视PLC的工作状态。编程器一般分简易型 和智能型。2.3 PLC控制系统基本原理 1、PLC的工作方式采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。注意：由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。循环扫描过程如图3.2.12、工作过程 主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。（1）内部处理阶段，在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。（2）通信服务阶段
25、，在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。（3）输入处理，输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。（4）程序执行，根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前
26、状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。（5）输出处理，程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。如图2.5所示。停止图2.5 循环扫描过程3、PLC的运行方式：（1） 运行工作模式，当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一
27、次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。注：PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。（2）停止模式，当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。2.4 PLC的编程语言1、梯形图梯形图编程语言习惯上叫梯形图。梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。2、指令表这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程热核出来，并通过编程器
28、送到PLC中去。3、顺序功能图采用IEC标准的SFC(Sequential Function Chart)语言，用于编制复杂的顺控程序。利用这种先进的编程方法，初学者也很容易编出复杂的顺控程序，大大提高了工作效率，也为调试、试运行带来许多言传的方便。4、状态转移图类似于顺序功能图，可使复杂的顺控系统编程得到进一步简化。5、逻辑功能图它基本上沿用了数字电路中的逻辑门和逻辑框图来表达。一般用一个运算框图表示一种功能。控制逻辑常用“与”、“或”、“非”三种功能来完成。目前国际电工协会(IEC)正在实施发展这种编程标准。6、高级语言近几年推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始使用高级语言进行编程采用高
29、级语言编程后，用户可以象使用PC机一样操作PLC。在功能上除可完成逻辑运算功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理、上位机通信等。3 PLC控制组合机床电气系统总体方案设计 3.1 DU组合机床概述 组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。组合机床是随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效率也较高。但是，专用机床的
30、设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构成。多动力部件构成的组合机
31、床，其控制通常有三方面的工作要求：第一方面是动力部件的点动和复位控制。第二方面是动力部件的半自动循环控制。第三方面是整批全自动工作循环控制。组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。本文所用组合机床为四工位组合机床，该机床由四个滑台，各载一个加工动力头，组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以及中心孔进行加工，一次加工完成一个零件，由
32、上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，零件每小时可加工80件。该机床的俯视示意如图3.1。 图3.1四工位组合机床示意图 1.工作台 2.主轴 3.夹具 4.上料机械手 5.进料器 6.下料机械手 3.2 控制系统的电气原理DU组合机床PLC控制的主电路共有4台电动机，M1，M2,M3和M4，带动4个工作台的主轴旋转和加工，三相交流电源通过断路器QF1将电源引入，KM1、KM2、KM3、KM4分别控制他们的启动和停止。FR1、FR2、FR3、FR4起短路保护。3.3 控制系统的组成系统有计算机、DU组合机床现场控制柜、上下、左右4个工位工作电机，及位置检测装置组成。上位机计算机安装在控制室，用以收发并显示四工位组合机床现场的信号，记录、存储、显示和控制现场的运行状态。四工位组合机床的现场控制柜安装在
