基于PLC的C616車床控制系統(tǒng)設(shè)計,基于,plc,c616,車床,控制系統(tǒng),設(shè)計 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目： 基于PLC的C616車床控制系統(tǒng)設(shè)計 院、 系： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 年 月 日 摘 要 車床是機(jī)械加工中使用最廣泛的機(jī)床，它可以用于切削各種工件的外圓、內(nèi)孔、端面及螺紋等?，F(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械多采用機(jī)械、電氣、液壓、氣動相結(jié)合的控制技術(shù)。電氣控制技術(shù)起聯(lián)接中樞作用，應(yīng)用最為廣泛。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，所以本次設(shè)計以普通車床為對象，設(shè)計了一套綜合、高效的PLC控制系統(tǒng)，提高普通車床的生產(chǎn)效率、控制精度和產(chǎn)品質(zhì)量。PLC（可編程控制器）作為一種工業(yè)控制微型計算機(jī)，它以其編程方便、操作簡單尤其是它的高可控性等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計就是以PLC控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。 文章首先介紹了普通車床的結(jié)構(gòu)以及電氣控制系統(tǒng)，然后介紹了PLC控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理以及設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的基本原則和步驟，根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)，其中包括PLC的選型、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計等。最后連接西門子觸摸屏KTP1000裝置，實現(xiàn)監(jiān)控和控制操作。 本設(shè)計的關(guān)鍵就是要在原繼電器控制電路的基礎(chǔ)上，經(jīng)過合理的轉(zhuǎn)換，從而設(shè)計出具有相同功能的PLC控制程序。 Abstract Machining lathe is the most widely used tool, it can be used to cut various parts of the cylindrical, bore, thread end, and so on. The modern production machinery uses the control technology which the machinery, the electricity, the hydraulic pressure, air operated unify. The electric control technology plays the joint main center role, the application is most widespread. Out of the ordinary machining prevalence of poor quality products, variety of small, low grade, high cost, delivery and long, so this design object is an ordinary lathe, designed a comprehensive and efficient PLC control system, improved lathe productivity, control accuracy and product quality. PLC (programmable controller) as an industrial control micro-computer, with its easy programming, simple operation, especially its high controllability, etc., in the industrial production process has been widely used. The PLC control system design is to replace traditional Relay - contact device control system. The article first introduces the lathe, and electrical control systems, PLC control system and then introduces the hardware structure, operation principle and design of the basic principles of PLC control systems and procedures, according to the task to design a PLC control system, including the PLC elections type, hardware design and software design. Finally, Siemens touch screen TP177B connected devices, monitoring and control operations to achieve. The key originally designed is that should be on the basis of control circuit of original relay, through rational conversion , thus design PLC control procedure with same function. 目 錄 摘 要 2 Abstract 3 目 錄 4 引　　言 6 1 C616型普通車床概述 7 1.1 C616型車床的主要結(jié)構(gòu) 7 1.1.1 C616車床的主要運動 7 1.2 C616型普通車床技術(shù)參數(shù)表 7 2 車床電氣控制系統(tǒng)分析及總體設(shè)計 8 2.1 車床的電氣控制電路原理圖 8 2.2 車床電路分析和電氣控制要求 9 2.2.1 主電路分析 9 2.2.2 控制電路分析 9 2.2.3 信號及照明電路 10 2.3 電器元件明細(xì)表 10 2.4 電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計思路 11 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計及PLC概況和應(yīng)用 11 3.1 PLC的概況 12 3.2 PLC的特點 12 3.3 PLC的應(yīng)用 13 4 PLC系統(tǒng)構(gòu)成 13 4.1 PLC的工作原理 13 4.2 PLC的選用 16 5 C616普通車床電氣控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計 17 5.1 PLC軟件設(shè)計 17 5.2 STEP-Micro/WIN32 17 5.3 S7-200編程軟件及編程系統(tǒng) 17 5.4 STEP7的特點 17 5.5 STEP-Micro/WIN32編程軟件的主要功能 17 5.6 STEP7的硬件接口 18 5.7 I/O地址分布 18 5.8 C616電路PLC外部接線圖 19 5.9 程序設(shè)計 19 6 觸摸屏編程 21 6.1 觸控屏裝置的介紹與功能 21 6.2 觸摸屏程序的建立 23 6.2.1 創(chuàng)建設(shè)備 23 6.2.2 變量的建立 24 6.2.3 組態(tài)界面的建立 24 結(jié)　　論 26 參 考 文 獻(xiàn) 27 引　　言 在機(jī)床工業(yè)的發(fā)展過程中，加工速度和加工精度作為提高機(jī)床效率的問題，是工程師們一直要解決的相互制約的兩個問題，關(guān)于這兩個問題的研究是機(jī)床電氣控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。在應(yīng)用學(xué)科里，電力電子學(xué)，電機(jī)拖動控制學(xué)，計算機(jī)控制，可編程控制器的控制研究都為機(jī)床電氣提供了必要的手段，可以通過這些學(xué)科來解決或改進(jìn)上面兩大問題，使機(jī)床的加工速度和加工精度同時提高。 在上個世紀(jì)，對機(jī)床的控制研究主要是使用接觸器-繼電器的控制系統(tǒng)。由于交流電動機(jī)調(diào)速問題未得到解決，在實際應(yīng)用中只能通過皮帶傳動和齒輪傳動等機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機(jī)床的有級調(diào)速，這樣使機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)過于繁瑣復(fù)雜，也嚴(yán)重限制了加工工件的加工精度。接觸器-繼電器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)機(jī)床所需的動作要求控制，比如啟動停止，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等，包括各種邏輯控制，連鎖控制，異地控制等，但無法做到電動機(jī)調(diào)速。這樣的接觸器-繼電器控制系統(tǒng)技術(shù)很簡單，不難掌握，到現(xiàn)在仍然使用在實際中。 接觸器-繼電器系統(tǒng)有各種各樣的低壓電器元件組成，由于觸點是機(jī)械動作，所以這些低壓電器元件的壽命有限，容易損壞，所以要經(jīng)常更換。根據(jù)機(jī)床加工的工藝要求，需要改變邏輯控制關(guān)系，就必須重新修改線路，這對機(jī)床控制工藝要求很不適應(yīng)。 隨著社會科技的發(fā)展，在機(jī)床的控制方面，可編程控制器越來越多的應(yīng)用在低壓電器控制系統(tǒng)中，可編程控制器可以根據(jù)具體的工藝流程和邏輯控制條件進(jìn)行編程，其編程方便，體積小，可靠性高等特點，越來越受到歡迎，所以可編程控制器也將越來越應(yīng)用廣泛，有取代接觸器-繼電器控制系統(tǒng)的趨勢。 本文就是以普通車床為對象，基于PLC進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。一共分為幾個部分： 第一章為概述，對普通車床的結(jié)構(gòu)、主要運動以及技術(shù)參數(shù)做了簡要介紹。 第二章為普通車床的電氣控制系統(tǒng)分析，對于車床的主電路、控制電路和照明電路進(jìn)行分析，說明了電氣控制要求和總體設(shè)計。 第三章介紹了系統(tǒng)的硬件和PLC的概況、特點以及應(yīng)用，并且針對本次設(shè)計介紹了PLC在車床方面的實際應(yīng)用。 第四章詳細(xì)的分析了PLC的工作原理、工作過程、組成部分通信聯(lián)網(wǎng)以及編程語言。并且對于各個部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 第五章則是PLC的軟件設(shè)計，Step7分析，并且做出了I/O端口、PLC外部接線圖、梯形圖以及設(shè)計分析。 第六章為觸摸屏裝置的鏈接與調(diào)試，來實現(xiàn)機(jī)器操作和監(jiān)控。 最后為結(jié)論部分。通過學(xué)習(xí)大量參考文獻(xiàn)和在現(xiàn)場對各種實際情況的研究和分析,得出結(jié)論。 1 C616型普通車床概述 1.1 C616型車床的主要結(jié)構(gòu) C616 型車床的主要結(jié)構(gòu)見圖1.1，主要有主軸變速箱、掛輪箱、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板與刀架、尾架、床身等。主軸變速箱的功能是支承主軸和傳動其旋轉(zhuǎn)，包含主軸及其軸承、傳動機(jī)構(gòu)、起停及換向裝置、制動裝置、操縱機(jī)構(gòu)及滑潤裝置。 進(jìn)給箱的作用是變換被加工螺紋的種類和導(dǎo)程，以及獲得所需的各種進(jìn)給量。它通常由變換螺紋導(dǎo)程和進(jìn)給量的變速機(jī)構(gòu)、變換螺紋種類的移換機(jī)構(gòu)、絲杠和光杠轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及操縱機(jī)構(gòu)等組成。 溜板箱的作用是將絲杠或光杠傳來的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動并帶動刀架進(jìn)給，控制刀架運動的接通、斷開和換向等。刀架則用來安裝車刀并帶動其作縱向、橫向和斜向進(jìn)給運動。 圖1.1 C616 型普通車床的主要結(jié)構(gòu) 1.1.1 C616車床的主要運動 車床的主運動是工件的旋轉(zhuǎn)運動，它是由主軸通過卡盤或頂尖帶動工件旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)的動力通過主軸箱傳給主軸，主軸一般只要單方向的旋轉(zhuǎn)運動，只有在車螺紋時才需要用反轉(zhuǎn)來退刀。 車床的另一個運動則是進(jìn)給運動，進(jìn)給運動由溜板帶動刀架的直線移動。車床還有輔助運動，如溜板和刀架的快速移動、尾架的移動以及工件的夾緊與放松等。 1.2 C616型普通車床技術(shù)參數(shù)表 表1.1技術(shù)參數(shù)表 類型 參數(shù)及單位 主電機(jī)功率 4（kw） 外形尺寸 2340× 900 × 1190（mm） 凈重 1.6(t) 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 320(mm） 刀架上最大回轉(zhuǎn)直徑 175(mm) 最大車削長度 700/1000/1500(mm) 螺紋車削范圍 公制0.5-9（mm）英制2-38(tpi) 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 12 轉(zhuǎn)速范圍 45-1980（r/min） 主軸通孔直徑 30（mm） 小刀架 175（mm） 橫滑板 180（mm） 孔徑 52(mm) 內(nèi)錐孔 M T 5 # 2 車床電氣控制系統(tǒng)分析及總體設(shè)計 2.1 車床的電氣控制電路原理圖 C616型普通車床電氣控制電路原理圖如下圖所示。 圖2.1 C616車床電氣原理圖 2.2 車床電路分析和電氣控制要求 2.2.1 主電路分析 C616型普通車床共由兩臺電動機(jī)拖動。圖2為該車床的電氣主電路圖。在主電路中M1為主軸電動機(jī)，拖動主軸的旋轉(zhuǎn)并通過傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)車刀的進(jìn)給。M2為冷卻泵電動機(jī)。KM1~KM3為交流接觸器，F(xiàn)R1為熱繼電器的熱元件，做M1的過載保護(hù)。FU~FU4為熔斷器。按鈕SB1為急停按鈕，SA1為主軸電動機(jī)的旋鈕，可以控制主軸電動機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，手動開關(guān)SA2為冷卻泵電動機(jī)M2的啟動按鈕。QS為電源總開關(guān)。 2.2.2 控制電路分析 控制變壓器TC 二次分別輸出6V、24V 和220V， 其中6V作為電源指示燈的電源，24V 作為照明燈的電源，而220V 為控制回路的工作電源?？刂谱儔浩鞯囊淮蝹?cè)由FU1做短路保護(hù)。 （1）主軸電動機(jī) M1 通常選用籠型異步電動機(jī)， 完成主軸主運動和刀具給進(jìn)運動的驅(qū)動。 電動機(jī)采用直接起動的方式起動。主軸電動機(jī)M1的控制要求：將SA1打向正轉(zhuǎn)方向，接觸器KM1閉合，主軸電動機(jī)M1正向運轉(zhuǎn)；將SA1打向反轉(zhuǎn)方向，接觸器KM2閉合，主軸電動機(jī)M1反響運轉(zhuǎn)，當(dāng)SA1打向停止方向，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 ( 2) 車削加工中， 為防止刀具和工件的溫度過高、 延長刀具使用壽命、 提高加工質(zhì)量， 車床附有一臺單方向旋轉(zhuǎn)的冷泵電動機(jī) M2 ， 提供冷卻液。冷卻泵電動機(jī)M2的控制要求：主軸電動機(jī)M1啟動后（M1電動機(jī)未啟動之前，M2電動機(jī)是不能啟動的），將手動開關(guān)SA2扳置閉合位置，接觸器KM2閉合，冷卻泵M2啟動運轉(zhuǎn)；將SA2扳置斷開的位置，接觸器KM2斷開，冷卻泵電動機(jī)M2停轉(zhuǎn)。 ( 3) 當(dāng)熱繼電器FR1常閉觸點斷開時，接觸器KM1、KM2、KM3斷電，電動機(jī)M1、M2停止運轉(zhuǎn)。熔斷器FU1～FU4分別對主電路、控制電路和輔助電路實行短路保護(hù)。因此，電路具有短路及過載保護(hù)。 2.2.3 信號及照明電路 控制變壓器TC的二次側(cè)分別輸出24V和6V電壓，作為機(jī)床照明燈和信號燈的電源。EL為機(jī)床的低壓照明燈，由開關(guān)SA3控制；HL為電源的信號燈。合上電源開關(guān)QS，指示燈HL亮，表示控制電路有電。 2.3 電器元件明細(xì)表 表2.1 電器元件明細(xì)表 符號 元件名稱 型號 規(guī)格 件數(shù) 作用 M1 主軸電動機(jī) Y132M-4-B3 4KW1450r/min 1 工件的旋轉(zhuǎn)和刀具的進(jìn)給 M2 冷卻泵電動機(jī) AOB-25 90W3000r/min 1 供給冷卻液 KM1 交流接觸器 CJO-10A 127V10A 1 控制主軸電動機(jī)M1 KM2 交流接觸器 CJO-10A 127V10A 1 控制主軸電動機(jī)M1 KM3 交流接觸器 CJO-10A 127V10A 1 冷卻泵電動機(jī)M2 QS 低壓斷路器 DZ5-20 380V20A 1 電源總開關(guān) SB1 按鈕 LA2型 500V5A 1 急停 SA1 轉(zhuǎn)換開關(guān) HZ2-10/3 10A,三極 1 控制主軸電動機(jī) SA2 轉(zhuǎn)換開關(guān) HZ2-10/3 10A,三極 1 控制冷卻泵電動機(jī) SA3 轉(zhuǎn)換開關(guān) HZ2-10/3 10A，三極 1 照明燈開關(guān) 鑰匙式電源開關(guān) 1 開關(guān) FR1 熱繼電器 JR16-20/3D 15.4A 1 M1過載保護(hù) TC 變壓器 BK-200 380/127、36、6.3 1 控制與照明用變壓器 FU 熔斷器 RL1 40A 1 全電路的短路保護(hù) FU1 熔斷器 RL1 4A 1 TC一次側(cè)的短路保護(hù) FU2 熔斷器 RL1 2A 1 控制電路的短路保護(hù) FU3 熔斷器 RL1 1A 1 信號燈的短路保護(hù) FU4 熔斷器 RL1 1A 1 照明燈的短路保護(hù) EL 照明燈 K-1,螺口 40W36V 1 機(jī)床局部照明 HL 指示燈 DX1-0 白色，配6V0.15燈 1 電源指示燈 2.4 電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計思路 本設(shè)計主要是采用西門子S7-200PLC及KTP1000觸摸屏裝置對普通車床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的，采用西門子的可編程控制器對車床運動進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。具體實際操作有： （1）對原有車床的工藝和控制流程不變； （2）維持原有操作習(xí)慣，只保留主電路部分，控制部分將由可編程控制器取代。 （3）低壓主令元件包括按鈕，行程開關(guān)，熱繼電器，接觸器等作用不便，保持原有功能。 （4）主軸的啟動，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，停止等操作方法不變； （5）改造原繼電器控制中的硬件接線，改為PLC編程實現(xiàn)； （6）在普通車床電氣控制系統(tǒng)中加入觸控屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計及PLC概況和應(yīng)用 本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計由PLC控制系統(tǒng)硬件、觸摸屏系統(tǒng)硬件以及其他輔助硬件設(shè)計組成。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下原則: 1.可靠性。在系統(tǒng)的設(shè)計中，要選擇盡可靠的電氣元件，雖然初期投資較多，但是考慮到可編程控制器的優(yōu)越性能，后期維護(hù)較低，投資值得。 2.功能完善。在滿足機(jī)床控制工藝要求的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)盡量完善，提高安全性能。 3.經(jīng)濟(jì)性。在可靠性和功能方面保證的情況下，考慮經(jīng)濟(jì)性。 4.在保證前三條的基礎(chǔ)上，考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性和可擴(kuò)展性。 3.1 PLC的概況 1969世界第一臺PLC在美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司誕生。1975-1976年,德國、日本、美國等將微處理器作為控制器的中央處理單元應(yīng)用到PLC中，并且去掉磁心存儲器改用了集成電路的存儲器，結(jié)合了微型計算機(jī)的技術(shù)與電控制器技術(shù)，從而實現(xiàn)了可編程控制器的規(guī)模集成化，使得處理器更能適用工業(yè)環(huán)境，更加的可靠，功能也更加強(qiáng)大，更加的靈活，成本卻大大下降，從而使得PLC進(jìn)入了實用階段。 隨著科技的不斷進(jìn)步，PLC的性能也飛速增強(qiáng)，其應(yīng)用和研究現(xiàn)狀主要在以下方面體現(xiàn): 1.控制規(guī)模的擴(kuò)大，控制大型機(jī)的規(guī)模越變越大，開關(guān)量高的達(dá)到了幾萬。 2.組成模塊的增多，現(xiàn)在PLC己經(jīng)新增了很多模塊，如PDI控制、溫度以及運動模塊等等。 3.開放性和互操作性大大發(fā)展，在PLC的發(fā)展過程中，制造商為了壟斷和擴(kuò)大各自市場，都各自發(fā)展自己的標(biāo)準(zhǔn)，開放是發(fā)展的一個趨勢，各廠商都意識到這一點，并形成了長時期的妥協(xié)與競爭，這一過程還將繼續(xù)。 4.工作速度的提高可以對系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制。 5.聯(lián)網(wǎng)的能力增強(qiáng)，由于通信、信息及控制技術(shù)的大力發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)也得到了的發(fā)展，己經(jīng)可以實現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制。 正是由于這些性能、使得工業(yè)系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程化、自動化、控制信息化及智能化。現(xiàn)在應(yīng)用在不斷前進(jìn),尤其在運動控制、模擬量控制及驅(qū)動控制上廣泛使用，已經(jīng)成為現(xiàn)在系統(tǒng)工作自動化中最有效的工具之一。 我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。 3.2 PLC的特點 1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 　　高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) 　　PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3)體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 3.3 PLC的應(yīng)用 1)PLC開關(guān)量的邏輯控制 　　這是PLC開關(guān)量的邏輯控制是基本的控制方法。它可以實現(xiàn)各種邏輯控制工藝，順序控制工藝以及其他自動化生產(chǎn)線控制工藝等。PLC的開關(guān)量邏輯控制基本取代了接觸器-繼電器電路，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如注塑機(jī)、訂書機(jī)械、機(jī)床、倉庫生產(chǎn)線、灌裝流水線等。 2)PLC模擬量控制 　　由于自然界存在許多連續(xù)變化的物理量，比如壓力、溫度、流量、液位等都是模擬量。要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能在程序中進(jìn)行計算和處理，將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量。 3)PLC數(shù)據(jù)處理 可編程控制器具有各種各樣的計算方法，便于完成實際數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換等，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理，具有很明顯優(yōu)勢。 4)PLC過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使用很頻繁的調(diào)節(jié)方法?？删幊炭刂破骶哂袑Ｓ玫腜ID子程序。 5)PLC通信及聯(lián)網(wǎng) 　　PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 4 PLC系統(tǒng)構(gòu)成 4.1 PLC的工作原理 PLC由三個基本部分組成：外部輸入采樣單元、內(nèi)部邏輯計算處理單元、處理結(jié)果輸出執(zhí)行單元?？删幊炭刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖4-1可知。 邏輯處理 輸出接口 輸入接口 M 圖4-1 PLC基本組成框圖 SBQA KA1A Rt HL KA2A 可編程控制器的I/O輸入單元包含主令按鈕、限位開關(guān)、檢測器等外部輸入主令接口， 可編程控制器在對外部I/O輸入單元收集的各種邏輯信號和模擬量采樣數(shù)據(jù)，以及主令臺的各種命令等信息進(jìn)行儲存和處理。可編程控制器根據(jù)所設(shè)計的程序?qū)@些輸入信號進(jìn)行處理計算，并將結(jié)果通過輸出單元進(jìn)行輸出。通常下都是輸出給繼電器，繼電器通過動作來控制外面的執(zhí)行單元?？删幊炭刂破骺筛鶕?jù)外部工程需要建立通訊控制，通過通訊可以將某執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和監(jiān)控，并計算和輸出。如圖2-2所示，可編程控制器的原理框圖。由圖可知，外部輸入變量都有開關(guān)量，模擬量，通訊接口傳送的變量數(shù)據(jù)，以及編程執(zhí)行器等。 CPU 開關(guān)量I/O接口 RAM 、 ROM 模擬量I/O接口 EPROM/E2ROM 通迅接口 編程器 電 源 圖4-2 可編程控制器原理框圖 編程工具一般就是電腦設(shè)計的編程軟件，我門可以根據(jù)編程軟件對可編程控制器進(jìn)行硬件組態(tài)設(shè)計，輸入輸出點的分配設(shè)計，程序編寫設(shè)計，可以通過在線連接進(jìn)行監(jiān)控，通過監(jiān)控可以調(diào)試程序，并修改程序。當(dāng)可編程控制器啟動運行后，我們可以根據(jù)外部動作情況來判斷程序的錯誤和需要完善的地方。這也是現(xiàn)場調(diào)試工程師必須具備的技能?？删幊炭刂破骶幊誊浖际歉髯詮S家自主研發(fā)的，對這些軟件必須學(xué)習(xí)，了解指令含義和編程原則，技巧等。我們在編程時，一般要對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，總體設(shè)計可以保證編程的思路清晰，明朗。總體設(shè)計完后進(jìn)行分布設(shè)計，對各種功能實現(xiàn)進(jìn)行單獨編程，有必要的時候?qū)Τ绦蜻M(jìn)行模塊化設(shè)計，節(jié)省編程空間和時間。分布設(shè)計完畢后，就進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試階段，在調(diào)試時，首先必須對系統(tǒng)調(diào)試步驟進(jìn)行了解，對系統(tǒng)工藝進(jìn)行了解，以免調(diào)試時出現(xiàn)差錯。 1．簡易編程器 簡易編程器就是很簡單的編程工具，在編程工具上我們可以看到功能輸入鍵，各種指令輸入鍵，各種指令地址數(shù)字輸入鍵，還有顯示屏顯示當(dāng)前編程的具體情況。在編程時首先簡易編程器就可以直接接在可編程控制器的端口上，用專用的通訊電纜與可編程控制器進(jìn)行連接，通過設(shè)置可以對可編程控制器進(jìn)行程序設(shè)計調(diào)試工作。在編程時，首先對各種按鍵進(jìn)行熟悉，在編程過程中必須進(jìn)行記錄，以便后面的調(diào)試修改。在編程的時候必須對輸入輸出點的地址分配進(jìn)行詳細(xì)說明，以免編寫程序過程中，思路混亂。在編寫程序結(jié)束后，就要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的時候，必須判斷系統(tǒng)功能實現(xiàn)是否準(zhǔn)確，如果不準(zhǔn)確，對相應(yīng)部分進(jìn)行修改。使其準(zhǔn)確。如果修改完畢，程序運行正常，就可以將簡易編程器拔下，保存。 2．圖形編程器 常用的圖形編程器是液晶顯示圖形編程器(手持式的)，它有一個大型的點陣式液晶顯示屏。除具有簡易型的功能外，還具有可以直接打入和編輯梯形圖程序，使用起來更方便，直觀。但它的價格較高，操作也較復(fù)雜。也有用CRT作顯示器的臺式圖形編程器，它實質(zhì)是一臺專用計算機(jī)，它的功能更強(qiáng)，使用更方便，但價格也十分昂貴。 3．用專用編程軟件在個人計算機(jī)(PC)上實現(xiàn)編程功能 隨著PC的日益普及，最新發(fā)展趨勢是使用專用的編程軟件，在通用的PC上實現(xiàn)圖形編程器的功能。這一編程方法的最大特點是：充分利用PC機(jī)的軟、硬件資源(如：硬盤、打印及各種功能軟件)，大大降低了編程器的成本，同時也大大增強(qiáng)了編程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套專用的“編程軟件”后就可進(jìn)行編制、修改PLC的梯形圖程序，存貯、打印程序文件(清單)，與PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試及系統(tǒng)仿真等。并且用戶程序可在PC、PLC之間互傳。具有以上功能后，PLC的程序(特別是大型程序)編程、調(diào)試就顯得十分方便和輕松。 輸入輸出 數(shù)字輸入6~24 數(shù)字輸出4~16 模擬輸入16~32 模擬輸出8~28 輸入輸出映像（可擴(kuò)展） 128輸入 128輸出 硬件擴(kuò)展 最多7臺擴(kuò)展模塊 中斷輸入 4 脈沖數(shù)出 2（20k~100k） CPU特性 8個PID控制器 最多2個串行端口 實時時鐘 運行中編輯 浮點運算 狀態(tài)LED指示 CPU處理時間 位處理：0.22us 程序存儲器 4~25k 數(shù)據(jù)存儲器 2~10k 定時器 256 溫度模塊 16位分辨率 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展 串行通訊 AS-interface MPI Profibus-DP從站 Modbus主站/從站 通訊速率 PPI/MPI：187.5kbps 自由口：115.2kbps 編程軟件 Step7-MicroWIN 安裝方式 IEC導(dǎo)軌 工作電壓 DC24V/AC220V 根據(jù)本系統(tǒng)控制要求，選用S7-200CPU226CN可編程控制器。24個DC輸入點，16個DC晶體管輸出點。訂貨號：6ES7 216-2AD23-0XB0。使用Step7?Micro/WIN?V4.0軟件進(jìn)行編程。 4.2 PLC的選用 我國市場上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品： 　　施耐德公司，目前有Quantum、Momentum、Premium等產(chǎn)品； 　　羅克韋爾公司PLC產(chǎn)品，目前有SLC、Control?Logix、 Micro?Logix等產(chǎn)品； 　　西門子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC?S7-400/300/200系列產(chǎn)品； 　 GE公司的產(chǎn)品；日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品。 本次設(shè)計選用西門子S7-200型PLC。車床電氣控制系統(tǒng)只需要邏輯運算等簡單功能，西門子S7-200系列PLC非常適用于單機(jī)自動化控制系統(tǒng)?，F(xiàn)選擇西門子S7-200 CPU226型PLC控制，AC220V供電，DC24V 6點輸入，繼電器型交流3點輸出。 圖4.3 西門子S7-200型PLC S7-200可編程控制器是小型化的PLC，對于社會各種行業(yè)，各種場合的邏輯控制，自動檢測和運算功能都適用。S7-200可編程控制器具有強(qiáng)大的運算功能和通訊功能，能使用在比較復(fù)雜的自動化控制場合。S7-200可編程控制器提供了4個不同的型號，8中CPU類型可以選擇使用。本次設(shè)計選擇的是采用CPU226類型可編程控制器。CPU226類型的可編程控制器可以集成24輸入和16輸出共計40個I/O點?？梢詳U(kuò)展7個模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O或者35路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，具有PID控制器，具有2路獨立的20KHz高速計數(shù)器輸出。RS485通訊編程口共有兩個，具有PPI和MPI通訊協(xié)議，I/O端子很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)。共有更多的輸入/輸出點，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運行速度和功能的更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 5 C616普通車床電氣控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計 5.1 PLC軟件設(shè)計 PLC軟件既有制造廠家提供的系統(tǒng)程序，又有用戶根據(jù)實際應(yīng)用自行研發(fā)的應(yīng)用程序?？删幊炭刂破鞯南到y(tǒng)程序為研發(fā)者提供了開發(fā)用戶程序的平臺，對實際應(yīng)用中的信號和信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行了可靠運行的處理，以滿足現(xiàn)場工藝要求。用戶程序需要研發(fā)者根據(jù)現(xiàn)場具體邏輯控制要求和運算要求進(jìn)行設(shè)計和研發(fā)，所以我們經(jīng)常講的可編程控制器軟件設(shè)計就是研發(fā)者根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行研發(fā)的可供實際應(yīng)用的程序。PLC的軟件為Siemens公司的Step7-MicroWIN軟件進(jìn)行編程。 5.2 STEP-Micro/WIN32 在可編程控制器的使用過程中，編程軟件是非常重要的工具，用戶只能利用這個工具來進(jìn)行PLC軟件編程。西門子S7-200系列可編程控制器使用的STEP-Micro/WIN32編程軟件，具有編程及程序調(diào)試等多種功能，是PLC用戶不可缺少的開發(fā)工具。 5.3 S7-200編程軟件及編程系統(tǒng) STEP-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專門為S7-200系列可編程邏輯控制器設(shè)計開發(fā)?，F(xiàn)在加上漢化程序后，可在全漢化的界面下進(jìn)行操作，是中國的用戶使用起來更加方便與實用。 STEP-Micro/WIN32PLC的編程系統(tǒng)包括以下幾個部分。 1) 裝有編程軟件STEP-Micro/WIN32的計算機(jī)。 2) S7-200CPU。 3) 一根連接電纜。 5.4 STEP7的特點 STEP 7編程軟件較為強(qiáng)大，功能齊全，可供研發(fā)者使用，STEP7軟件的硬件設(shè)計功能和通訊組態(tài)、測試、參數(shù)設(shè)置、編程、文件建檔、啟動和維護(hù)、運行和診斷功能等。STEP 7的在線幫助，可以提供所有功能的查詢和學(xué)習(xí)，可以選定軟件中某一功能，按F1可以得到功能的相關(guān)幫助。在STEP 7中，可以用項目來管理整個用戶程序的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。 5.5 STEP-Micro/WIN32編程軟件的主要功能 1）基本功能 STEP7-Micro/WIN32編程軟件就是提供給程序研發(fā)者一個平臺，協(xié)助研發(fā)者完成實際應(yīng)用中的程序研發(fā)，它具有如下功能。 a) 在離線情況下可以創(chuàng)建研發(fā)者需要的程序，在此情況下可以對用戶程序進(jìn)行修改。離線方式情況下，可編程控制器和編程電腦斷開通訊，可以在變成電腦上完成許多基本控制的功能，也可以對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和修改，所有的程序都存在編程電腦上。? b) 在聯(lián)機(jī)（在線）方式下編程電腦和可編程控制器進(jìn)行在線通訊，此情況下就可以下載程序，上傳程序，在線監(jiān)控程序等?？梢酝ㄟ^監(jiān)控程序查看程序中存在的錯誤和問題，可以進(jìn)行在線修改。 c) 當(dāng)研發(fā)者對一段程序進(jìn)行編譯，可以通過軟件進(jìn)行語法檢查，如果程序中存在錯誤，經(jīng)過語法檢查就能標(biāo)識出來，研發(fā)者可根據(jù)標(biāo)識出來的錯誤進(jìn)行修改，這樣大大提高了研發(fā)效率，節(jié)省了研發(fā)時間。對用戶程序進(jìn)行文檔管理，加密處理等。? d) 設(shè)置PLC的工作方式、運行參數(shù)和監(jiān)控程序等。 2）主界面各部分功能? 界面一般可以分成以下幾個區(qū)：菜單條（包含8個主菜單項）、標(biāo)題欄、工具條（快捷按鈕）、指令樹（快捷操作窗口）、引導(dǎo)條（快捷操作窗口）、狀態(tài)條和用戶窗口（可同時或分別打開5個用戶窗口）輸出窗口、。? 除菜單條外，用戶可以根據(jù)需要決定其他窗口的取舍和樣式。? 5.6 STEP7的硬件接口 PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計算機(jī)的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計算機(jī)一側(cè)的通信速率為19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一側(cè)的通信速率為19.2kbit/s~1.5Mbit/s。除了PC適配器，還需要一根標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通信電纜。 5.7 I/O地址分布 輸入 輸出 主軸電動機(jī)M1正轉(zhuǎn)按鈕SB1： I0.0 主軸電動機(jī)啟停輸出： Q0.0 主軸電動機(jī)M1反轉(zhuǎn)按鈕SB2： I0.1 冷卻泵電動機(jī)啟停輸出： Q0.1 主軸電機(jī)M1停止按鈕SB3： I0.2 冷卻泵電動機(jī)M2手動開關(guān)SA1： I0.3 熱繼電器常開觸點FR1 ： I0.4 5.8 C616電路PLC外部接線圖 圖5.8 PLC外部接線圖 5.9 程序設(shè)計 圖5.9 主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)梯形圖 圖5.10 主軸電機(jī)反轉(zhuǎn)梯形圖 圖5.11 冷卻泵電機(jī)控制梯形圖 圖5.11 程序符號圖 根據(jù)C616 型車床的控制要求和I ／O 接線情況， 設(shè)計了PLC 控制梯形圖，如圖 所示，該程序反映了原來繼電－接觸器控制電路中的邏輯要求。 （1）當(dāng)主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)按鈕I0.0（SB1）閉合時，Q0.0閉合并自鎖，主軸電動機(jī)M1正轉(zhuǎn)啟動運轉(zhuǎn)；當(dāng)停止按鈕I0.2（SB2）斷開時，Q0.0釋放，主軸電動機(jī)M1停轉(zhuǎn)。 （2）當(dāng)主軸電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕I0.1（SB3）閉合時，Q0.1閉合并自鎖，主軸電動機(jī)M1反轉(zhuǎn)啟動運轉(zhuǎn)；當(dāng)停止按鈕I0.2（SB2）斷開時，Q0.1釋放，主軸電動機(jī)M1停轉(zhuǎn)。 （3）當(dāng)Q0.0或Q0.1閉合后，若冷卻泵旋鈕I0.3（SA1）閉合，則Q0.2閉合，冷卻泵電動機(jī)M2啟動運轉(zhuǎn)；當(dāng)I0.3（SA1）斷開時，Q0.2釋放，冷卻泵電動機(jī)M2停止運轉(zhuǎn)。 以上程序及PLC 外部接線不盡保證了原電路的工作邏輯關(guān)系，而且具有各種聯(lián)鎖措施，同時電氣改造的投資少，工作量較小，切實可行。 6 觸摸屏編程 6.1 觸控屏裝置的介紹與功能 觸摸屏的基本原理是：用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸控屏?xí)r，所觸摸的位置(以坐標(biāo)形式)由觸摸屏控制器檢測，并通過接口送到CPU，從而確定輸入的信息。 觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器(卡)和觸摸檢測裝置兩個部分。其中，觸控屏控制器(卡)的主要作用是：從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標(biāo)，再送給CPU，它同時能接收CPU 發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是：檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸控屏控制卡。 本次設(shè)計選用西門子觸摸屏TP177B裝置。觸摸面板TP177B代表了低端操作單元的新系列中的產(chǎn)品，可以滿足所有復(fù)雜的功能要求。本裝置允許將自己創(chuàng)建的圖形、數(shù)字照片和掃描的畫面集成到項目中。 圖6.1 西門子TP177B 本裝置重要的是易于機(jī)器操作和監(jiān)控，其使用范圍包括機(jī)器和設(shè)備結(jié)構(gòu)，以及包裝和電子工業(yè)。本裝置還易于操作和觀察，由于以圖形形式顯示操作狀態(tài)、當(dāng)前過程值以及連接的PLC的故障，所以更方便的操作和監(jiān)控相關(guān)的機(jī)器或系統(tǒng)。通過使用組態(tài)軟件Pro Tool CS，可根據(jù)不同的過程要求對本單元的顯示和操作進(jìn)行最優(yōu)修改。 使用Pro Tool/Pro CS進(jìn)行組態(tài)，需要在操作單元上表示的圖形、文本以及操作和顯示元素，必須首先使用組態(tài)軟件SIMATIC Pro Tool/Pro CS在組態(tài)計算機(jī)（PC/PU）上創(chuàng)建。組態(tài)計算機(jī)必須連接至操作單元，以便將項目下載給操作單元如圖。項目成功下載以后就可以將操作單元連接到PLC。隨后，操作單元可以與PLC進(jìn)行通訊，并根據(jù)為PLC上的程序運行所組態(tài)的信息做出反應(yīng)。 TP177B裝置的功能如下表: 表6.1 TP177B的功能表 事件消息 數(shù)目 400 顯示 消息行、消息窗口/消息頁、消息視圖 查看所有排隊消息 消息頁/消息視圖 每行的消息長度 70個字符 消息文本中的過程值 8 編輯消息 √ 報警消息 數(shù)目 400 顯示 消息窗口/消息頁/消息視圖 顯示類型 最先/最后，可選擇的 查看所有排隊消息 在消息頁/消息視窗中 每行的消息長度 70個字符 消息文本的過程值 8 確認(rèn)單個報警消息 √ 同時確認(rèn)多個報警消息 16個確認(rèn)組 編輯消息 √ ALARM_S 顯示S7消息 √ 消息采集 發(fā)生時間 日期/時間 消息事件 已到達(dá)、已離開、已確認(rèn) 畫面 數(shù)目 100 每個畫面的域數(shù) 50 每個畫面的變量數(shù) 50 每個畫面的復(fù)合元素數(shù) 5 查看 √ 畫面對象 √ 操作指導(dǎo) √ 固定窗口 √ 限制值監(jiān)控 輸入/輸出 √ 轉(zhuǎn)換功能 輸入/輸出 √ 變量 數(shù)目 250 趨勢 數(shù)目 50 圖形對象 數(shù)目 50 文本元素 數(shù)目 1000 口令保護(hù) 口令數(shù)目 50 口令級 10（0.9） 在線語言切換 語言數(shù)目 3 畫面設(shè)置 對比度 √ 時序表 循環(huán)觸發(fā)或者一次觸發(fā) √ 連接 數(shù)目 4 通訊 SIMATIC S7/M7 √ 6.2 觸摸屏程序的建立 6.2.1 創(chuàng)建設(shè)備 1）在Win CC flexible項目界面中選擇“使用項目向?qū)?chuàng)建一個新項目”會彈出如下圖所示的對話框，如圖所示： 圖6.2 Win CC flexible項目界面 2）選擇“小型設(shè)備”，點擊下一步，添加“HMI設(shè)備”和“控制器” 圖6.3 小型設(shè)備界面 在“HMI”設(shè)備中選擇TP177B，在控制器中選擇SIMATIC S7-200，然后點擊完成，實現(xiàn)初步連接。 3）再在“項目/通訊”中雙擊“連接”出現(xiàn)以下畫面進(jìn)行通訊參數(shù)配置 圖6.4通訊參數(shù)配置 點擊完成，組態(tài)完成后下載到操作面板或觸摸屏后，連接即建立。 6.2.2 變量的建立 新建三個變量具體如下圖所示： 圖6.5新建變量界面 6.2.3 組態(tài)界面的建立 變量新建完成后，下一步要建立幾個組態(tài)界面；首先建個主要顯示界面，做為電機(jī)的起動停止的顯示。如圖下圖所示。 圖6.6 主要顯示界面 結(jié)　　論 隨著社會對車床性能的要求不斷提高，車床的電氣控制系統(tǒng)也在不斷改進(jìn)和發(fā)展。PLC是實現(xiàn)中小規(guī)模工業(yè)自動化的有力工具，尤其在車床的電氣控制系統(tǒng)中，基于PLC的控制系統(tǒng)在實時性、可靠性、精確性等方面滿足了設(shè)計要求。在本次設(shè)計中，利用PLC的特點，對于車床的控制電路中的三個電機(jī)進(jìn)行控制，以便完成車床的各種技術(shù)要求。最后加入觸摸屏裝置，以便完成對于車床更好的控制與監(jiān)控。從而完成車床的自動化，保障了車床運動的正常運行。 本設(shè)計主要完成了如下要求： l、根據(jù)系統(tǒng)的特點和要求，設(shè)計了車床電氣控制系統(tǒng)的總體方案。介紹了相關(guān)的硬件設(shè)備和軟件程序。 2、根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，對于設(shè)計的系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了討論。針對電氣控制系統(tǒng)中要求操作簡單，易于實現(xiàn)的特點，提出了設(shè)計方案中所涉及的硬件設(shè)備和軟件設(shè)備，并對其進(jìn)行了了解。 3、對硬件部分進(jìn)行了設(shè)計和組態(tài)，并進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)試。進(jìn)行了軟件部分的設(shè)計，包括設(shè)計分析I/O接口、PLC外部接線圖以及運動控制梯形圖的編制。同時采用觸摸屏裝置對系統(tǒng)進(jìn)行了實時監(jiān)控。 4、對基于PLC和觸摸屏的車床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，跟傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較，證明論文所提出的方案的有效性和可靠性。 從設(shè)計的結(jié)果表明，本次設(shè)計的任務(wù)基本符合設(shè)計要求。但由于本人的此次設(shè)計基于理論來完成，加上本人了解的知識有限，所有在本次設(shè)計中仍然存在著許多缺陷。 參 考 文 獻(xiàn) [1]袁忠，申愛民. 機(jī)床電氣控制系統(tǒng)運行和維護(hù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010,6. 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