机械毕业设计（论文）-基于PLC的C616车床控制系统设计.doc

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哈尔滨理工大学学士学位论文

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毕业设计

题目：

基于PLC的C616车床控制系统设计

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年月日

摘要

车床是机械加工中使用最广泛的机床，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹等。

现代生产机械多采用机械、电气、液压、气动相结合的控制技术。

电气控制技术起联接中枢作用，应用最为广泛。

用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，所以本次设计以普通车床为对象，设计了一套综合、高效的PLC控制系统，提高普通车床的生产效率、控制精度和产品质量。

PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。

本次设计就是以PLC控制系统取代传统的继电器-接触器控制系统。

文章首先介绍了普通车床的结构以及电气控制系统，然后介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，根据任务要求设计了PLC控制系统，其中包括PLC的选型、硬件设计以及软件设计等。

最后连接西门子触摸屏KTP1000装置，实现监控和控制操作。

本设计的关键就是要在原继电器控制电路的基础上，经过合理的转换，从而设计出具有相同功能的PLC控制程序。

Abstract

Machininglatheisthemostwidelyusedtool,itcanbeusedtocutvariouspartsofthecylindrical,bore,threadend,andsoon.Themodernproductionmachineryusesthecontroltechnologywhichthemachinery,theelectricity,thehydraulicpressure,airoperatedunify.Theelectriccontroltechnologyplaysthejointmaincenterrole,theapplicationismostwidespread.Outoftheordinarymachiningprevalenceofpoorqualityproducts,varietyofsmall,lowgrade,highcost,deliveryandlong,sothisdesignobjectisanordinarylathe,designedacomprehensiveandefficientPLCcontrolsystem,improvedlatheproductivity,controlaccuracyandproductquality.PLC（programmablecontroller）asanindustrialcontrolmicro-computer,withitseasyprogramming,simpleoperation,especiallyitshighcontrollability,etc.,intheindustrialproductionprocesshasbeenwidelyused.ThePLCcontrolsystemdesignistoreplacetraditionalRelay-contactdevicecontrolsystem.

Thearticlefirstintroducesthelathe,andelectricalcontrolsystems,PLCcontrolsystemandthenintroducesthehardwarestructure,operationprincipleanddesignofthebasicprinciplesofPLCcontrolsystemsandprocedures,accordingtothetasktodesignaPLCcontrolsystem,includingthePLCelectionstype,hardwaredesignandsoftwaredesign.Finally,SiemenstouchscreenTP177Bconnecteddevices,monitoringandcontroloperationstoachieve.

Thekeyoriginallydesignedisthatshouldbeonthebasisofcontrolcircuitoforiginalrelay,throughrationalconversion,thusdesignPLCcontrolprocedurewithsamefunction.

全套设计，请加12401814

目录

摘要 2

Abstract 3

目录 4

引　　言 6

1C616型普通车床概述 7

1.1C616型车床的主要结构 7

1.1.1C616车床的主要运动 7

1.2C616型普通车床技术参数表 7

2车床电气控制系统分析及总体设计 8

2.1车床的电气控制电路原理图 8

2.2车床电路分析和电气控制要求 9

2.2.1主电路分析 9

2.2.2控制电路分析 9

2.2.3信号及照明电路 10

2.3电器元件明细表 10

2.4电气控制系统总体设计思路 11

3系统硬件设计及PLC概况和应用 11

3.1PLC的概况 12

3.2PLC的特点 12

3.3PLC的应用 13

4PLC系统构成 13

4.1PLC的工作原理 13

4.2PLC的选用 16

5C616普通车床电气控制系统PLC软件设计 17

5.1PLC软件设计 17

5.2STEP-Micro/WIN32 17

5.3S7-200编程软件及编程系统 17

5.4STEP7的特点 17

5.5STEP-Micro/WIN32编程软件的主要功能 17

5.6STEP7的硬件接口 18

5.7I/O地址分布 18

5.8C616电路PLC外部接线图 19

5.9程序设计 19

6触摸屏编程 21

6.1触控屏装置的介绍与功能 21

6.2触摸屏程序的建立 23

6.2.1创建设备 23

6.2.2变量的建立 24

6.2.3组态界面的建立 24

结　　论 26

参考文献 27

引　　言

在机床工业的发展过程中，加工速度和加工精度作为提高机床效率的问题，是工程师们一直要解决的相互制约的两个问题，关于这两个问题的研究是机床电气控制系统发展的方向。

在应用学科里，电力电子学，电机拖动控制学，计算机控制，可编程控制器的控制研究都为机床电气提供了必要的手段，可以通过这些学科来解决或改进上面两大问题，使机床的加工速度和加工精度同时提高。

在上个世纪，对机床的控制研究主要是使用接触器-继电器的控制系统。

由于交流电动机调速问题未得到解决，在实际应用中只能通过皮带传动和齿轮传动等机械结构来实现机床的有级调速，这样使机床的机械结构过于繁琐复杂，也严重限制了加工工件的加工精度。

接触器-继电器控制系统可以实现机床所需的动作要求控制，比如启动停止，正转和反转等，包括各种逻辑控制，连锁控制，异地控制等，但无法做到电动机调速。

这样的接触器-继电器控制系统技术很简单，不难掌握，到现在仍然使用在实际中。

接触器-继电器系统有各种各样的低压电器元件组成，由于触点是机械动作，所以这些低压电器元件的寿命有限，容易损坏，所以要经常更换。

根据机床加工的工艺要求，需要改变逻辑控制关系，就必须重新修改线路，这对机床控制工艺要求很不适应。

随着社会科技的发展，在机床的控制方面，可编程控制器越来越多的应用在低压电器控制系统中，可编程控制器可以根据具体的工艺流程和逻辑控制条件进行编程，其编程方便，体积小，可靠性高等特点，越来越受到欢迎，所以可编程控制器也将越来越应用广泛，有取代接触器-继电器控制系统的趋势。

本文就是以普通车床为对象，基于PLC进行电气控制系统设计。

一共分为几个部分：

第一章为概述，对普通车床的结构、主要运动以及技术参数做了简要介绍。

第二章为普通车床的电气控制系统分析，对于车床的主电路、控制电路和照明电路进行分析，说明了电气控制要求和总体设计。

第三章介绍了系统的硬件和PLC的概况、特点以及应用，并且针对本次设计介绍了PLC在车床方面的实际应用。

第四章详细的分析了PLC的工作原理、工作过程、组成部分通信联网以及编程语言。

并且对于各个部分进行了详细的分析。

第五章则是PLC的软件设计，Step7分析，并且做出了I/O端口、PLC外部接线图、梯形图以及设计分析。

第六章为触摸屏装置的链接与调试，来实现机器操作和监控。

最后为结论部分。

通过学习大量参考文献和在现场对各种实际情况的研究和分析,得出结论。

1C616型普通车床概述

1.1C616型车床的主要结构

C616型车床的主要结构见图1.1，主要有主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、床身等。

主轴变速箱的功能是支承主轴和传动其旋转，包含主轴及其轴承、传动机构、起停及换向装置、制动装置、操纵机构及滑润装置。

进给箱的作用是变换被加工螺纹的种类和导程，以及获得所需的各种进给量。

它通常由变换螺纹导程和进给量的变速机构、变换螺纹种类的移换机构、丝杠和光杠转换机构以及操纵机构等组成。

溜板箱的作用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给，控制刀架运动的接通、断开和换向等。

刀架则用来安装车刀并带动其作纵向、横向和斜向进给运动。

图1.1C616型普通车床的主要结构

1.1.1C616车床的主要运动

车床的主运动是工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。

电动机的动力通过主轴箱传给主轴，主轴一般只要单方向的旋转运动，只有在车螺纹时才需要用反转来退刀。

车床的另一个运动则是进给运动，进给运动由溜板带动刀架的直线移动。

车床还有辅助运动，如溜板和刀架的快速移动、尾架的移动以及工件的夹紧与放松等。

1.2C616型普通车床技术参数表

表1.1技术参数表

类型

参数及单位

主电机功率

4（kw）

外形尺寸

2340×900×1190（mm）

净重

1.6（t）

床身上最大回转直径

320（mm）

刀架上最大回转直径

175（mm）

最大车削长度

700/1000/1500（mm）

螺纹车削范围

公制0.5-9（mm）英制2-38（tpi）

主轴转速级数

12

转速范围

45-1980（r/min）

主轴通孔直径

30（mm）

小刀架

175（mm）

横滑板

180（mm）

孔径

52（mm）

内锥孔

MT5#

2车床电气控制系统分析及总体设计

2.1车床的电气控制电路原理图

C616型普通车床电气控制电路原理图如下图所示。

图2.1C616车床电气原理图

2.2车床电路分析和电气控制要求

2.2.1主电路分析

此处删减NNNNNNNN字

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2.3PLC的工作原理

PLC由三个基本部分组成：

外部输入采样单元、内部逻辑计算处理单元、处理结果输出执行单元。

可编程控制器的结构框图如图4-1可知。

逻辑处理

输出接口

输入接口

M

图4-1PLC基本组成框图

SBQA

KA1A

Rt

HL

KA2A

可编程控制器的I/O输入单元包含主令按钮、限位开关、检测器等外部输入主令接口，

可编程控制器在对外部I/O输入单元收集的各种逻辑信号和模拟量采样数据，以及主令台的各种命令等信息进行储存和处理。

可编程控制器根据所设计的程序对这些输入信号进行处理计算，并将结果通过输出单元进行输出。

通常下都是输出给继电器，继电器通过动作来控制外面的执行单元。

可编程控制器可根据外部工程需要建立通讯控制，通过通讯可以将某执行机构的具体数据进行采样和监控，并计算和输出。

如图2-2所示，可编程控制器的原理框图。

由图可知，外部输入变量都有开关量，模拟量，通讯接口传送的变量数据，以及编程执行器等。

CPU

开关量I/O接口

RAM、ROM

模拟量I/O接口

EPROM/E2ROM

通迅接口

编程器

电

源

图4-2可编程控制器原理框图

编程工具一般就是电脑设计的编程软件，我门可以根据编程软件对可编程控制器进行硬件组态设计，输入输出点的分配设计，程序编写设计，可以通过在线连接进行监控，通过监控可以调试程序，并修改程序。

当可编程控制器启动运行后，我们可以根据外部动作情况来判断程序的错误和需要完善的地方。

这也是现场调试工程师必须具备的技能。

可编程控制器编程软件都是各自厂家自主研发的，对这些软件必须学习，了解指令含义和编程原则，技巧等。

我们在编程时，一般要对系统进行总体设计，总体设计可以保证编程的思路清晰，明朗。

总体设计完后进行分布设计，对各种功能实现进行单独编程，有必要的时候对程序进行模块化设计，节省编程空间和时间。

分布设计完毕后，就进行系统的调试阶段，在调试时，首先必须对系统调试步骤进行了解，对系统工艺进行了解，以免调试时出现差错。

1．简易编程器

简易编程器就是很简单的编程工具，在编程工具上我们可以看到功能输入键，各种指令输入键，各种指令地址数字输入键，还有显示屏显示当前编程的具体情况。

在编程时首先简易编程器就可以直接接在可编程控制器的端口上，用专用的通讯电缆与可编程控制器进行连接，通过设置可以对可编程控制器进行程序设计调试工作。

在编程时，首先对各种按键进行熟悉，在编程过程中必须进行记录，以便后面的调试修改。

在编程的时候必须对输入输出点的地址分配进行详细说明，以免编写程序过程中，思路混乱。

在编写程序结束后，就要对系统进行调试，调试的时候，必须判断系统功能实现是否准确，如果不准确，对相应部分进行修改。

使其准确。

如果修改完毕，程序运行正常，就可以将简易编程器拔下，保存。

2．图形编程器

常用的图形编程器是液晶显示图形编程器（手持式的），它有一个大型的点阵式液晶显示屏。

除具有简易型的功能外，还具有可以直接打入和编辑梯形图程序，使用起来更方便，直观。

但它的价格较高，操作也较复杂。

也有用CRT作显示器的台式图形编程器，它实质是一台专用计算机，它的功能更强，使用更方便，但价格也十分昂贵。

3．用专用编程软件在个人计算机（PC）上实现编程功能

随着PC的日益普及，最新发展趋势是使用专用的编程软件，在通用的PC上实现图形编程器的功能。

这一编程方法的最大特点是：

充分利用PC机的软、硬件资源（如：

硬盘、打印及各种功能软件），大大降低了编程器的成本，同时也大大增强了编程器的功能，使用十分方便。

一般的PC添置一套专用的“编程软件”后就可进行编制、修改PLC的梯形图程序，存贮、打印程序文件（清单），与PLC联机调试及系统仿真等。

并且用户程序可在PC、PLC之间互传。

具有以上功能后，PLC的程序（特别是大型程序）编程、调试就显得十分方便和轻松。

输入输出

数字输入6~24数字输出4~16

模拟输入16~32模拟输出8~28

输入输出映像（可扩展）

128输入128输出

硬件扩展

最多7台扩展模块

中断输入

4

脉冲数出

2（20k~100k）

CPU特性

8个PID控制器最多2个串行端口

实时时钟运行中编辑

浮点运算状态LED指示

CPU处理时间

位处理：

0.22us

程序存储器

4~25k

数据存储器

2~10k

定时器

256

温度模块

16位分辨率

网络扩展

串行通讯AS-interface

MPIProfibus-DP从站

Modbus主站/从站

通讯速率

PPI/MPI：

187.5kbps

自由口：

115.2kbps

编程软件

Step7-MicroWIN

安装方式

IEC导轨

工作电压

DC24V/AC220V

根据本系统控制要求，选用S7-200CPU226CN可编程控制器。

24个DC输入点，16个DC晶体管输出点。

订货号：

6ES7216-2AD23-0XB0。

使用Step7 Micro/WIN V4.0软件进行编程。

2.4PLC的选用

我国市场上流行的有如下几家PLC产品：

　　施耐德公司，目前有Quantum、Momentum、Premium等产品；

　　罗克韦尔公司PLC产品，目前有SLC、Control Logix、Micro Logix等产品；

　　西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；

　GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

本次设计选用西门子S7-200型PLC。

车床电气控制系统只需要逻辑运算等简单功能，西门子S7-200系列PLC非常适用于单机自动化控制系统。

现选择西门子S7-200CPU226型PLC控制，AC220V供电，DC24V6点输入，继电器型交流3点输出。

图4.3西门子S7-200型PLC

S7-200可编程控制器是小型化的PLC，对于社会各种行业，各种场合的逻辑控制，自动检测和运算功能都适用。

S7-200可编程控制器具有强大的运算功能和通讯功能，能使用在比较复杂的自动化控制场合。

S7-200可编程控制器提供了4个不同的型号，8中CPU类型可以选择使用。

本次设计选择的是采用CPU226类型可编程控制器。

CPU226类型的可编程控制器可以集成24输入和16输出共计40个I/O点。

可以扩展7个模块，最大扩展至248路数字量I/O或者35路模拟量I/O点。

26K字节程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，具有PID控制器，具有2路独立的20KHz高速计数器输出。

RS485通讯编程口共有两个，具有PPI和MPI通讯协议，I/O端子很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统。

共有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能的更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

3C616普通车床电气控制系统PLC软件设计

3.1PLC软件设计

PLC软件既有制造厂家提供的系统程序，又有用户根据实际应用自行研发的应用程序。

可编程控制器的系统程序为研发者提供了开发用户程序的平台，对实际应用中的信号和信息转换进行了可靠运行的处理，以满足现场工艺要求。

用户程序需要研发者根据现场具体逻辑控制要求和运算要求进行设计和研发，所以我们经常讲的可编程控制器软件设计就是研发者根据现场情况进行研发的可供实际应用的程序。

PLC的软件为Siemens公司的Step7-MicroWIN软件进行编程。

3.2STEP-Micro/WIN32

在可编程控制器的使用过程中，编程软件是非常重要的工具，用户只能利用这个工具来进行PLC软件编程。

西门子S7-200系列可编程控制器使用的STEP-Micro/WIN32编程软件，具有编程及程序调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具。

3.3S7-200编程软件及编程系统

STEP-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专门为S7-200系列可编程逻辑控制器设计开发。

现在加上汉化程序后，可在全汉化的界面下进行操作，是中国的用户使用起来更加方便与实用。

STEP-Micro/WIN32PLC的编程系统包括以下几个部分。

1）装有编程软件STEP-Micro/WIN32的计算机。

2）S7-200CPU。

3）一根连接电缆。

3.4STEP7的特点

STEP7编程软件较为强大，功能齐全，可供研发者使用，STEP7软件的硬件设计功能和通讯组态、测试、参数设置、编程、文件建档、启动和维护、运行和诊断功能等。

STEP7的在线帮助，可以提供所有功能的查询和学习，可以选定软件中某一功能，按F1可以得到功能的相关帮助。

在STEP7中，可以用项目来管理整个用户程序的硬件和软件。

STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。

实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。

3.5STEP-Micro/WIN32编程软件的主要功能

1）基本功能

STEP7-Micro/WIN32编程软件就是提供给程序研发者一个平台，协助研发者完成实际应用中的程序研发，它具有如下功能。

a）在离线情况下可以创建研发者需要的程序，在此情况下可以对用户程序进行修改。

离线方式情况下，可编程控制器和编程电脑断开通讯，可以在变成电脑上完成许多基本控制的功能，也可以对系统进行组态和修改，所有的程序都存在编程电脑上。

b）在联机（在线）方式下编程电脑和可编程控制器进行在线通讯，此情况下就可以下载程序，上传程序，在线监控程序等。

可以通过监控程序查看程序中存在的错误和问题，可以进行在线修改。

c）当研发者对一段程序进行编译，可以通过软件进行语法检查，如果程序中存在错误，经过语法检查就能标识出来，研发者可根据标识出来的错误进行修改，这样大大提高了研发效率，节省了研发时间。

对用户程序进行文档管理，加密处理等。

d）设置PLC的工作方式、运行参数和监控程序等。

2）主界面各部分功能 

界面一般可以分成以下几个区：

菜单条（包含8个主菜单项）、标题栏、工具条（快捷按钮）、指令树（快捷操作窗口）、引导条（快捷操作窗口）、状态条和用户窗口（可同时或分别打开5个用户窗口）输出窗口、。

除菜单条外，用户可以根据需要决定其他窗口的取舍和样式。

3.6STEP7的硬件接口

PC/MPI适配器用于连接安装了STEP7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。

计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s~1.5Mbit/s。

除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆。

3.7I/O地址分布

输入输出

主轴电动机M1正转按钮SB1：