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湖 南 工 程 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計(jì) 課程名稱 電氣控制與 PLC 課題名稱 深孔鉆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化 姓 名 學(xué) 號(hào) 200701020 指導(dǎo)教師 2011 年 1 月 21 日 湖南工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 課程名稱 電氣控制與 PLC 課題名稱 深孔鉆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2011 年 1 月 10 日 課程設(shè)計(jì)完成日期 2011 年 1 月 21 日 深孔鉆 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 深孔鉆是加工 深孔的專用設(shè)備 鉆深孔時(shí)為保證加工質(zhì)量 提高 工效 加工中鉆頭的冷卻和定時(shí)排屑是需要解決的主 要問題 傳統(tǒng)的控制方案是采用繼電器 接觸器控 制與液壓控制相結(jié)合的方法 由于進(jìn)給次數(shù)多 且有 快進(jìn) 快退 工進(jìn)等多種進(jìn)給速度的變換 控制系統(tǒng) 較復(fù)雜 大量的硬件系統(tǒng)接線使系統(tǒng)的可靠性降低 也間接的降低了設(shè)備的工作效率 影響了設(shè)備的加工 質(zhì)量 采用可編程控制器與液壓相結(jié)合可以較好的 解決這一問題 并且利用電磁閥控制可大大的減少系 統(tǒng)的硬件接線 提高工作效率 提高了工作可靠性 而且在加工工藝改變時(shí) 只需要修改程序 就可適應(yīng) 新的加工要求 大大的提高了工作效率 關(guān)鍵 詞 PLC 深孔鉆 分級(jí)進(jìn) 前 言 人類對(duì)深孔加工技術(shù)的需求至少可以上溯到 14 世紀(jì)歐洲滑膛槍的 問世 遠(yuǎn)比第一次產(chǎn)業(yè)革命現(xiàn)代化機(jī)械技術(shù)革命來的要早 至上世紀(jì) 60 年代深孔加工技術(shù)被用來應(yīng)用于石油 煤炭采掘 水 火力發(fā)電機(jī)組制造 船舶 航空航天 冶金化工 木材加工機(jī)械 飼料 機(jī)械 等不同行業(yè)的裝備制造 以深孔零件外特征的民品裝備不斷涌現(xiàn) 出新的品種 成為 20 世紀(jì)下半頁裝備制造業(yè)中的一只新秀 深孔鉆是加工深孔的專用設(shè)備 鉆深孔時(shí)為保證加工質(zhì)量 提高工 效 加工中鉆頭的冷卻和定時(shí)排屑是需要解決的主要問題 傳統(tǒng)的控制方案是采用繼電器 接觸器控制與液壓控制相結(jié)合的方 法 由于進(jìn)給次數(shù)多 且有快進(jìn) 快退 工進(jìn)等多種進(jìn)給速度的變換 控制系統(tǒng)較復(fù)雜 大量的硬件系統(tǒng)接線使系統(tǒng)的可靠性降低 也間接的 降低了設(shè)備的工作效率 影響了設(shè)備的加工質(zhì)量 本次課程設(shè)計(jì)維持兩 周 在老師的辛勤布置和指導(dǎo)下 我們采用可編程控制器與液壓相結(jié)合 可以較好的解決這一問題 可大大的減少系統(tǒng)的硬件接線 提高了工作 可靠性 而且在加工工藝改變時(shí) 只需要修改程序 就可適應(yīng)新的加工 要求 大大的提高了工作效率 可編程控制器是應(yīng)用最廣泛的以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的自動(dòng)控制裝置 我們這次課程設(shè)計(jì)采用西門子公司的 S7 200 系列小型 PLC S7 200 的編 程軟件為 PID 控制 網(wǎng)絡(luò)通信 高速輸入輸出 位置控制 文本顯示器 等提供了大量的向?qū)?只需要在向?qū)У膶?duì)話框中輸入一些參數(shù) 就可以 自動(dòng)生成用戶程序 目 錄 1 深孔鉆的概述 3 2 控制方案的確定 7 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 3 1 電動(dòng)機(jī)控制線路設(shè)計(jì) 10 3 2 液壓拖動(dòng) PLC 控制部分設(shè)計(jì) 11 3 2 1 PLC I O 接線圖 11 3 2 2 元件選擇 13 4 軟件設(shè)計(jì) 19 4 1 PLC 工作方式 19 4 2 編程軟件基本功能 21 4 3 PLC 控制程序設(shè)計(jì) 22 4 3 1 整體設(shè)計(jì) 22 4 3 2 手動(dòng)工作程序 23 4 3 3 自動(dòng)程序設(shè)計(jì) 25 5 程序運(yùn)行 監(jiān)視與調(diào)試 28 6 結(jié)束語 28 7 致 謝 29 8 參考文獻(xiàn) 30 1 深孔鉆的概述 深孔鉆是鉆深孔的專用設(shè)備 在鉆深孔時(shí) 為保證零件加工質(zhì)量 減小負(fù)載扭矩 以防鉆頭扭斷 需要對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻和定時(shí)排屑 設(shè)計(jì) 時(shí) 應(yīng)根據(jù)機(jī)械 液壓和電氣的密切配合要求來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)排屑 目 前實(shí)現(xiàn)定時(shí)排屑所采用的控制原則主要有時(shí)間原則 功率原則和過扭矩 原則 而這幾種控制原則所采用的電氣元件分別是時(shí)間繼電器 功率繼 電器和過扭矩繼電器 本深孔鉆要求采用時(shí)間繼電器來控制 圖 1 是本深孔鉆的分級(jí)進(jìn)給機(jī)構(gòu)原理圖 圖 2 是其工作循環(huán)圖 表 1 是其執(zhí)行電器狀態(tài)表 圖 1 1 深孔鉆分級(jí)進(jìn)給機(jī)構(gòu)原理圖 油泵電機(jī)為 JD3 100 容量為 3KW 主軸拖動(dòng)電機(jī)為 JD2 31 6 容量為 1 5KW 電磁閥采用 24 伏直流電源 深孔鉆工作原理如下 1 原位 如圖 1 a 所示 原位擋鐵 32 壓著原位開關(guān) 21 SQ1 慢進(jìn)給擋鐵 34 支承在向前擋鐵 33 上 終點(diǎn)復(fù)位接鐵 38 被杠桿 39 頂住 2 快速向前 慢進(jìn)給鉆入 如圖 1 b 所示 向前電磁鐵 24 YV1 得電 換向閥 11 右移 主軸快 進(jìn) 帶著拉桿 31 進(jìn) 當(dāng)慢進(jìn)給擋鐵 34 壓下慢進(jìn)給開關(guān) 22 SQ2 時(shí) 慢 進(jìn)給電磁鐵 圖 1 2 深孔鉆工作循環(huán)圖 表 1 深孔鉆執(zhí)行電器狀態(tài)表 快進(jìn) 慢進(jìn) 一工 進(jìn) 快退 快進(jìn) 二工 進(jìn) 快退 快進(jìn) 慢進(jìn) 鉆出 快退 復(fù)位 YV1 YV2 SQ1 SQ4 SQ4慢進(jìn)鉆出 最后工進(jìn) SQ2 SQ3 SQ2 SQ3 KT 第二工進(jìn) SQ2 SQ3 SQ1 第一工進(jìn) 慢進(jìn) SB1 快進(jìn) SQ2 SQ 3 SQ1 快進(jìn) 快退 快退 快進(jìn) KT 快退 SQ2 SQ3 YV3 YV4 26 YV2 得電 而工作進(jìn)給擋鐵 35 壓下工作進(jìn)給開關(guān) 28 SQ3 工作進(jìn) 給電磁鐵 27 YV3 得電 主軸轉(zhuǎn)為慢進(jìn)給 此時(shí) 工作進(jìn)給擋鐵 35 與 死擋鐵 40 的距離為 2 毫米 3 工作進(jìn)給 如圖 1 c 所示 工作進(jìn)給擋鐵 35 繼續(xù)壓著工作進(jìn)給開關(guān) 28 SQ3 并頂在死擋鐵 40 上 拉桿 31 被主軸帶著繼續(xù)前進(jìn) 向前擋鐵 33 脫離 慢進(jìn)給擋鐵 34 慢進(jìn)給開關(guān) 22 SQ2 被松開 慢進(jìn)給電磁鐵 26 YV2 斷 電 主軸轉(zhuǎn)為正常工作進(jìn)給速度 對(duì)工件進(jìn)行鉆削加工 4 快退排屑 快速向前 如圖 1 d 所示 時(shí)間繼電器 KT 或過扭矩繼電器發(fā)出信號(hào)時(shí) 向前 電磁鐵 24 YV1 斷電 后退電磁鐵 25 YV4 得電 主軸快速向后排屑 當(dāng)向前擋鐵 33 壓下原位開關(guān) 21 SQ1 時(shí) 后退電磁鐵 25 YV4 斷電 向 前電磁鐵 24 YV1 得電 主軸又一次快速向前 5 重復(fù)進(jìn)給 慢進(jìn)給鉆出 如圖 1 e 所示 工作進(jìn)給擋鐵 35 壓下工作進(jìn)給開關(guān) 28 SQ3 工 作進(jìn)給電磁鐵 27 YV3 得電 主軸再次轉(zhuǎn)為工作進(jìn)給 經(jīng)多次重復(fù)后 終點(diǎn)擋鐵 36 之凸塊撥轉(zhuǎn)慢進(jìn)給擋鐵 34 壓下慢進(jìn)給開關(guān) 22 SQ2 主 軸慢進(jìn)給鉆出 到達(dá)終點(diǎn)時(shí) 終點(diǎn)螺釘 37 推轉(zhuǎn)杠桿 39 放開終點(diǎn)復(fù)位擋鐵 38 壓 下終點(diǎn)開關(guān) 23 SQ4 向前電磁鐵 24 YV1 斷電 后退電磁鐵 25 YV4 得電 主軸快速后退 6 復(fù)位 如圖 1 f 所示 工作進(jìn)給擋鐵 35 后退 10 毫米 被終點(diǎn)復(fù)位擋鐵 38 鉤住 沿拉桿 31 滑動(dòng) 向前擋鐵 33 通過原位開關(guān) 這時(shí)終點(diǎn)開關(guān) 23 SQ4 被壓著 故原位開關(guān) 21 SQ1 這時(shí)不起作用 頂開終點(diǎn)復(fù)位鐵 38 放開工作進(jìn)給擋鐵 35 和終點(diǎn)開關(guān) 23 SQ4 杠桿 39 頂住復(fù)位擋鐵 38 此時(shí) 向前擋鐵 33 與工作進(jìn)給擋鐵 35 的距離恢復(fù)到原始狀態(tài) 20 毫米 頂起慢進(jìn)給擋鐵 34 復(fù)位擋鐵壓下原位開關(guān) 21 SQ1 后退電磁鐵 25 YV4 斷電 主軸 停止后退 恢復(fù)原位 如果在加工過程中出現(xiàn)故障 可按停止按鈕 使主軸停止進(jìn)給 然 后 再按動(dòng)力頭上的復(fù)位推桿 41 撥動(dòng)終點(diǎn)復(fù)位擋鐵 38 壓下終點(diǎn)開 關(guān) 23 SQ4 發(fā)出向后主令 恢復(fù)到原始狀態(tài) 2 控制方案的確定 如圖 1 1 機(jī)床的初始位置在原位 按下啟動(dòng)按鈕后 將依次完成 夾緊工件 動(dòng)力頭快進(jìn) 加工工件 動(dòng)力頭快退 原位停止 放松工件 完成機(jī)的一個(gè)工作周期 機(jī)床動(dòng)力頭由快進(jìn)轉(zhuǎn)為加工工件 以及結(jié)束工件的加工 均由行程 開關(guān)來控制 而在加工工件的過程中是采用的分級(jí)進(jìn)給 所以需要用定 時(shí)器來控制 為保證工作安全 在工作臺(tái)上安裝了壓力繼電器 以檢測(cè)工件是否 夾緊 只有在工件夾緊后 動(dòng)力頭才能進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 機(jī)床各電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)停止 動(dòng)力頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 工作臺(tái)的夾緊放松 由 PLC 控制 并按一定的順序進(jìn)行工作 為滿足生產(chǎn)要求 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)置了兩種工作方式 手動(dòng)和自動(dòng)工 作方式 手動(dòng)工作方式 利用按鈕對(duì)的每一動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)的控制 例如 按 快進(jìn) 按鈕 機(jī)床動(dòng)力頭快速前進(jìn) 按 放松 按鈕 工作臺(tái)放松工 件 自動(dòng)工作方式 按下起動(dòng)按鈕后 機(jī)床從原點(diǎn)開始運(yùn)行 按自動(dòng)運(yùn) 行控制程序進(jìn)行工作 自動(dòng)工作方式的工作流程圖如圖 2 所示 I0 7放 松 工 件 Q0 復(fù) 位 0 4斷 開M 2 1 使 1 Q0 2復(fù) 位0 1 Q 4斷 開M 使 0 4 1Q0 5 1 2置 1 0 31 0置 1Q 6 原 位 行 程 開 關(guān) I0 6終 點(diǎn) 行 程 開 關(guān) I1 0定 時(shí) 器 T37定 時(shí) 器 夾 緊 完 成 I 3起 動(dòng) 按 鈕 I0 2 結(jié) 束加 工 結(jié) 束 快 退暫 ?？?退 轉(zhuǎn) 工 進(jìn) 加 工 工 件快 進(jìn)夾 緊 工 件原 位 圖 2 工作流程圖 采用 PLC 與采用繼電器控制方案相比 繼電器控制系統(tǒng)是以 并行 方式工作的 即同一電路的各組觸點(diǎn)同步動(dòng)作 其邏輯運(yùn)算過程是并行 的 繼電器線圈從通電到觸點(diǎn)的閉合或打開 有一段吸合時(shí)間 而線圈 斷電時(shí) 從線圈斷電到觸點(diǎn)打開 有一段釋放時(shí)間 通常觸點(diǎn)的通斷 時(shí)間為 15ms 次 正是因?yàn)檫@些時(shí)間 造成了某些繼電器控制電路中存 在了 觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng) 是繼電接觸器控制電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該避免的 有時(shí)甚至 會(huì)因操作時(shí)用不用了把按鈕按到底都會(huì)導(dǎo)致控制結(jié)果不一樣 繼電器有 觸點(diǎn) 這樣時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)有機(jī)械損耗 PLC 控制系統(tǒng)中 是不能同時(shí)去 執(zhí)行多個(gè)操作的 它只能按分時(shí)工作的原理 每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作 隨著時(shí)間的延伸 一個(gè)動(dòng)作接一個(gè)動(dòng)作順序的進(jìn)行 這種分時(shí)操作過程 稱為掃描過程 它是分三個(gè)階段 輸入刷新階段 程序執(zhí)行階段 輸 出刷新階段 串行 工作的 以掃描的方式 循環(huán)的 連續(xù)的 順序的 逐條執(zhí)行程序 并且 PLC 中軟觸點(diǎn)的動(dòng)作可以認(rèn)為是瞬間的 掃描速度 為 1 6us 步 并能將本次動(dòng)作的結(jié)果記憶到下次掃描運(yùn)算為止 也就 是說它有記憶功能 這種運(yùn)行方式當(dāng)然不存在 觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng) 問題 也不 存在操作用不用力的問題 PLC 功能強(qiáng)大 可靠性高 使用方便 是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要設(shè)備 之一 用 PLC 取代舊的繼電器控制系統(tǒng) 可以有效地提高控制系統(tǒng)的可 靠性和經(jīng)濟(jì)效應(yīng) 利用邏輯函數(shù)將繼電器電路圖轉(zhuǎn)換為梯形圖的設(shè)計(jì)方 法 一方面不用改動(dòng)控制面板 保持了系統(tǒng)原有的外部特性 操作人員 不用改變長(zhǎng)期形成的操作習(xí)慣 另一方面基本不用重新設(shè)計(jì)控制程序 縮短了設(shè)計(jì) 安裝和調(diào)試時(shí)間 但在改造比較復(fù)雜的 特殊的繼電器控 制系統(tǒng) 只要掌握好內(nèi)在的規(guī)律 就能更好地運(yùn)用梯形圖完成各種控制 在編程中就會(huì)避免一些不應(yīng)有的錯(cuò)誤 能快捷 準(zhǔn)確地編出功能更強(qiáng) 更好的程序 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 1 電動(dòng)機(jī)控制線路設(shè)計(jì) 圖 3 1 為主電路圖 在機(jī)床硬件系統(tǒng)中 機(jī)床的所有動(dòng)力均有電動(dòng) 機(jī)提供 主軸電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力頭提供動(dòng)力 電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)冷卻泵為冷卻系統(tǒng) 提供動(dòng)力 動(dòng)力頭的移動(dòng)由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液壓泵 推動(dòng)液壓缸完成 整個(gè) 系統(tǒng)共需 M1 M2 M3 三臺(tái)電動(dòng)機(jī) M3 2 M13FRU3K2FRU1K 圖 3 1 主電圖 在實(shí)際運(yùn)行中 過負(fù)載 欠電壓 斷相等因素都可能造成電動(dòng)機(jī)超 過其負(fù)載 即廣義上的過載 電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載是允許的 但如果長(zhǎng)時(shí) 間過載 則會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成破壞 甚至燒毀電動(dòng)機(jī) 因此需采取保護(hù)措 施 目前比較常用的是熱繼電器 在其工作過程中 可能出現(xiàn)短時(shí)間大 電流的過載 熱繼電器無法起到有效的保護(hù)作用 可在電路中安裝熔斷 器對(duì)其進(jìn)行保護(hù) 各電動(dòng)機(jī)使用交流接觸器控制 其中接觸器 KM1 KM2 KM3 分別控 制 M1 M2 M3 FR1 FR2 FR3 為 M1 M2 M3 提供過負(fù)載保護(hù) FU1 FU2 FU3 為 M1 M2 M3 提供短路保護(hù) 3 2 液壓拖動(dòng) PLC 控制部分設(shè)計(jì) 3 2 1 PLC I O 接線圖 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I O 接口模塊來實(shí)現(xiàn)的 PLC 有 許多 I O 接口模塊 包括開關(guān)量輸入模塊 開關(guān)量輸出模塊 模擬量輸 入模塊 模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊 使用時(shí)應(yīng)根據(jù)它們的 特點(diǎn)進(jìn)行選擇 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的 I O 點(diǎn)數(shù)時(shí) 應(yīng)再增加 10 20 的 備用量 以便隨時(shí)增加控制功能 對(duì)于一個(gè)控制對(duì)象 由于采用的控制 方法不同或編程水平不同 I O 點(diǎn)數(shù)也應(yīng)有所不同 表 3 1 3 2 列出 了設(shè)備及電氣元件所需的開關(guān)量的 I O 點(diǎn)數(shù) 表 3 1 輸入地址分配表 主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕 SB1 I0 0 工件夾緊按鈕 SB7 I1 1 主軸電動(dòng)機(jī)停止按鈕 SB2 I0 1 工件放松按鈕 SB8 I1 2 液壓泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕 SB3 I0 2 夾緊完成壓力繼電器 SP2 I1 3 液壓泵電動(dòng)機(jī)停止按鈕 SB4 I0 3 放松完成壓力繼電器 SP1 I1 4 表 3 2 輸出地址分配表 主軸電動(dòng)機(jī)接觸器 KM1 Q0 0 工進(jìn)直流電磁換向閥 YV1 2 Q0 5 液壓泵電動(dòng)機(jī)接觸器 KM2 Q0 2 快退直流電磁換向閥 YV2 Q0 6 冷卻泵電動(dòng)機(jī)接觸器 KM3 Q0 3 夾緊完成壓力繼電器 YV3 1 Q0 7 快進(jìn)直流電磁換向閥 YV1 1 Q0 4 放松完成壓力繼電器 YV3 2 Q0 8 在控制電路的設(shè)計(jì)中 首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題 在整個(gè)控制系統(tǒng)中 所有控制電機(jī) 閥門接觸器的動(dòng)作 都是按照 PLC 的程序邏輯來完成的 為了保護(hù) PLC 設(shè)備 PLC 輸出端口并不是直接和 交流接觸器連接 而是通過中間繼電器去控制電機(jī)或者閥門的動(dòng)作 在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器 其目的是為了實(shí)現(xiàn)系 統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離 保護(hù)系統(tǒng) 延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命 增強(qiáng) 系統(tǒng)工作的可靠性 圖 3 2 控制電路圖 冷卻泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕 SB5 I0 4 快進(jìn)按鈕 SB9 I1 5 冷卻泵電動(dòng)機(jī)停止按鈕 SB6 I0 5 快退按鈕 SB10 I1 6 原位行程開關(guān) SQ1 I0 6 工進(jìn)按鈕 SB11 I1 7 工進(jìn)行程開關(guān) SQ2 I0 7 手動(dòng) SA1 I2 0 終點(diǎn)行程開關(guān) SQ3 I1 0 自動(dòng) SA2 I2 1 圖 3 2 控制電路圖 3 2 2 元件選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是 在功能滿足要求的前提下 選擇最可 靠 維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)型 通常做法是 在工藝 過程比較固定 環(huán)境條件較好的場(chǎng)合 建議選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 其 他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 對(duì)于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控 制為主 帶少量模擬量控制的工程項(xiàng)目中 一般其控制速度無須考慮 Q0 7 6Q0 5 4Q0 3 20 1 Q I2 1SA21I 76I1 54I 312I 0I 76I 504I 3 2I 10 3 23 121 21 YV YV YV KM32KM1 20 4CPUSB87M 4VB0S9P21Q32S1B654S3B21p 因此 選用帶 A D 轉(zhuǎn)換 D A 轉(zhuǎn)換 加減運(yùn)算 數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī) 就能滿足要求 而在控制比較復(fù)雜 控制功能要求比較高的工程項(xiàng)目中 如要實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算 閉環(huán)控制 通信聯(lián)網(wǎng)等 可視控制規(guī)模及復(fù)雜 程度來選用中檔或高檔機(jī) 其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制 全 PLC 的分式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠的自動(dòng)化等 根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象 表 3 3 列出了 PLC 的幾種功能選擇 表3 3 PLC的功能選擇 序 號(hào) 應(yīng)用對(duì)象 功能要求 應(yīng)用場(chǎng)合 1 替代繼電器 繼電器的輸入 輸出 邏輯線圈 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 替代信輸使用 的繼電器 完 成條件控制和 時(shí)序控制功能 2 數(shù)字運(yùn)算 四則數(shù)學(xué)運(yùn)算 開方 對(duì)數(shù) 函數(shù)計(jì)算等 數(shù)學(xué)運(yùn)算 設(shè)定值控制 四位調(diào)節(jié) 定 位控制和工程 量單位運(yùn)算 3 數(shù)據(jù)傳送 寄存器與數(shù)據(jù)表的相互傳送等 數(shù)據(jù)庫(kù)的生成 信息管理 診 斷和材料處理 等 4 矩陣功能 邏輯與 邏輯或 異或 比較和移位等 這些功能通常 按位操作 一 般有設(shè)備診斷 狀態(tài)監(jiān)控 分 類和報(bào)警處理 等 5 高級(jí)功能 表與塊的傳送 校驗(yàn)和雙倍精度運(yùn)算 對(duì) 數(shù)等 通信速度和方 式與上位計(jì)算 機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能 調(diào)制解調(diào)器等 6 診斷功能 PLC的診斷功能有內(nèi)診斷和外診斷兩種 內(nèi) 診斷是PLC內(nèi)部各種部件性能和功能的診斷 外診斷是中央處理機(jī)與I O信息交換的診斷 7 串行接口 一般小型以上的PLC都提供一個(gè)或一個(gè)以上 串行標(biāo)準(zhǔn)接口 以便連接打印機(jī) 計(jì)算機(jī) 或另一臺(tái)PLC 8 通信功能 現(xiàn)在的PLC能夠支持多種通信協(xié)議 對(duì)通信有特殊 要求的用戶 由于機(jī)床自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少 因此 PLC 選用德國(guó) SIEMENS 公司的 S7 200 型 S7 200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊 價(jià)格低廉 具 有較高的性能 價(jià)格比 廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng) SIEMENS 公司 的 PLC 具有可靠性高 可擴(kuò)展性好 又有較豐富的通信指令 且通信協(xié) 議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控 制 表 3 4 列出了 S7 200 型 PLC 各主機(jī)的性能參數(shù) 表 3 4 S7 200 型 PLC 各主機(jī)的性能參數(shù) 項(xiàng)目 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 程序存儲(chǔ)器 4KB 4KB 8KB 8KB 用戶存儲(chǔ)器類 型 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM 本機(jī)I O 6入 4出 8入 6出 14入 10出 24入 16 出 擴(kuò)展模塊數(shù)量 無 2個(gè)模塊 7個(gè)模塊 7個(gè)模塊 數(shù)字量I O 128入 128出 128入 128出 128入 128出 128入 128出 模擬量I O 無 16入 16出 32入 32出 32入 32 出 33MHz下布爾指 令執(zhí)行速度 0 37s 指令 0 37s 指令 0 37s 指令 0 37s 指令 內(nèi)部繼電器 256 256 256 256 計(jì)數(shù)器 定時(shí)器 256 256 256 256 256 256 256 256 順序控制繼電 器 256 256 256 256 內(nèi)置高速計(jì)數(shù) 器 4個(gè) 20KHz 4個(gè) 20KHz 6個(gè) 20KHz 6個(gè) 20KHz 模擬量調(diào)節(jié)電 位器 1 1 2 2 脈沖輸出 2個(gè) 20KHz DC 2個(gè) 20KHz DC 2個(gè) 20KHz DC 2個(gè) 20KHz DC 通信中斷 1發(fā)送器 2接受 器 1發(fā)送器 2接受 器 1發(fā)送器 2接受 器 2發(fā)送器 4接受 器 定時(shí)中斷 2 1 255ms 2 1 255ms 2 1 255ms 2 1 255m s 硬件輸入中斷 4 輸入濾波器 4 輸入濾波器 4 輸入濾波器 4 輸入 濾波器 通信口數(shù)量 RS 485 1 1 1 2 支持協(xié)議 0號(hào)口 1號(hào)口 PPI DP T 由口 N A PPI DP T 由口 N A PPI DP T 由口 N A PPI DP T 自由 口 PPI DP T 自由 口 PROFIBUS點(diǎn)到 點(diǎn) NETR NETW NETR NETW NETR NETW NETR N ETW 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目 考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù) 留量 為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地 因此選用的 S7 200 型 PLC 的主模塊為 CPU226 其端子連接如圖 3 3 其開關(guān)量輸入 輸 出 I O 為 24 入 16 出 輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 開關(guān)量輸 入 CPU266 為 24 點(diǎn) 輸入形式為 24V 直流輸入 圖 3 3 CPU226 端子連接圖 4 軟件設(shè)計(jì) 4 1 PLC 工作方式 PLC 采取循環(huán)掃描的工作方式 其工作過程簡(jiǎn)圖如圖 5 1 所示 這 個(gè)過程可分為內(nèi)部處理 通信服務(wù) 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理幾 個(gè)階段 整個(gè)過程掃描一次所需的時(shí)間 圖5 1 PLC掃描過程 稱為掃描周期 在內(nèi)部處理階段 PLC 檢查 CPU 模塊內(nèi)部硬件是否 正常 復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器 以及完成一些其它的內(nèi)部處理 在圖 4 2 掃描 過程 內(nèi)部處 理 通信服務(wù) 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理 通信服務(wù)階段 PLC 與帶微處理器的智能裝置通信 響應(yīng)編程器鍵入 的命令 更新編程器的顯示內(nèi)容 在 PLC 處于停止運(yùn)行 STOP 狀態(tài)時(shí) 只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作 在 RUN 時(shí) 要完成全部的工作 1 輸入處理階段 PLC 在輸入處理階段 以掃描方式順序讀入所有輸入端的通 斷狀態(tài) 并以此狀態(tài)存入輸入輸出印象寄存器 接著轉(zhuǎn)入程序的執(zhí)行階段 在程 序執(zhí)行時(shí)間 即使輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化 輸入輸出印象寄存器的內(nèi)容 也不會(huì)發(fā)生變化 只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被讀入 2 程序執(zhí)行階段 PLC 在程序執(zhí)行階段 按先左后右 先上后下的步序 逐條執(zhí)行程 序指令 從輸入印象寄存器和其它元件印象寄存器讀出有關(guān)元件的通 斷狀態(tài) 根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算 運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)的元件印象寄存 器中 即對(duì)每個(gè)元件來說 元件印象寄存器中的內(nèi)容會(huì)隨著程序的進(jìn)程 而變化 3 處理階段 在所有的指令執(zhí)行完畢后 將輸出印象寄存器 即 Y 寄存器 的通 斷狀態(tài) 在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器 通過隔離電路 驅(qū)動(dòng)功率 放大電路 輸出端子 向外輸出控制信號(hào) 這才是 PLC 的實(shí)際輸出 PLC 的掃描既可以按照固定的順序進(jìn)行 也可以按用戶程序的指定 的可變順序進(jìn)行 這不僅因?yàn)橛械某绦虿恍枰繏呙枰淮尉蛨?zhí)行一次 而且也因?yàn)樵谝粋€(gè)大的控制系統(tǒng)中要處理的 I O 點(diǎn)數(shù)比較多 通過安排 不同的組織模塊 采用分時(shí)分批的掃描辦法 可縮短循環(huán)掃描的周期和 提高系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)響應(yīng)性 順序掃描的工作方式簡(jiǎn)單直觀 簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì) 并為 PLC 的可 靠性運(yùn)行提供了保障 一方面 所掃描到的功能經(jīng)解算后 其結(jié)果馬上 就可以被后面要掃描到的邏輯解算所利用 另一方面 還可以通過 CPU 內(nèi)部設(shè)定的監(jiān)視定時(shí)器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時(shí)間 診斷 CPU 內(nèi) 部故障 以避免程序異常運(yùn)行而造成的不良影響 由 PLC 的工作過程可見 在 PLC 的程序執(zhí)行階段 即使輸入發(fā)生了 變化 輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生變化 要等到下一周期的輸入 處理階段才能變改變 暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號(hào) 也需要等 到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束后 CPU 集中將這些輸出信號(hào)全部輸送輸出鎖存器 這才成為實(shí)際的 CPU 輸出 因此 全部的輸入 輸出狀態(tài)的改變 就需 要一個(gè)掃描周期 掃描周期是其中一個(gè)比較重要的指標(biāo) 一般為幾毫秒 至幾十毫秒 PLC 掃描時(shí)間取決于程序的長(zhǎng)短和掃描速度 因?yàn)?PLC 的 輸入處理階段和輸出處理階段所需時(shí)間一般很短 通常只要幾毫秒 由 此可見 PLC 的掃描時(shí)間對(duì)于一般的工業(yè)設(shè)備 改變狀態(tài)的時(shí)間約為幾 秒以上 通常是沒什么影響的 4 2 編程軟件基本功能 PLC 控制程序采用西門子 S7 200 編程軟件開發(fā) 基于 windows 的應(yīng) 用軟件 該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言 即語句表 stl 語言 梯形圖 lad 語言 功能塊圖 FWD 語言 語句表 stl 語言類似于計(jì)算 機(jī)的匯編語言 特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員 它使用指令助 記符創(chuàng)建用戶程序 屬于面向機(jī)器硬件的語言 梯形圖 lad 語言最接 近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖 是應(yīng)用最多的一種編 程語言 與計(jì)算機(jī)語言相比 梯形圖可以看作是 PLC 的高級(jí)語言 幾乎 不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯 因此 它很容易被一般的 電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受 是初學(xué)者理想的編程工具 功能 塊圖 FWD 的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似 功能塊圖中每個(gè)模 塊有輸入和輸出端 輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與 或 非 異或邏 輯運(yùn)算 模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同 STEP7 Micro WIN 32 的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的 任務(wù) 例如創(chuàng)建用戶程序 修改和編輯原有的用戶程序 編輯過程中編 輯器具有簡(jiǎn)單語法檢查功能 同時(shí)它還有一些工具性的功能 例如用戶 程序的文檔管理和加密等 此外 還可直接用軟件設(shè)置 PLC 的工作方式 參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型 方面的錯(cuò)誤 軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式 在線方式 下進(jìn)行 部分功 能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行 聯(lián)機(jī)方式 有編程軟件的計(jì)算機(jī)與 PLC 連接 此時(shí)允許兩者之間做 直接通信 離線方式 有編程軟件的計(jì)算機(jī)與 PLC 斷開連接 此時(shí)能完成大部 分基本功能 如編程 編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等 兩者的主要區(qū)別是 聯(lián)機(jī)方式下可直接針對(duì)相連的 PLC 進(jìn)行操作 如上裝和 下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等 而離線方式下不直接與 PLC 聯(lián)系 所有程序和參數(shù) 都暫時(shí)存放在磁盤上 等聯(lián)機(jī)后再下載到 PLC 中 4 3 PLC 控制程序設(shè)計(jì) 4 3 1 整體設(shè)計(jì) 為在編程的過程中方便 快捷 以及程序結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔明了 把手動(dòng) 操作程序與自動(dòng)操作程序編成兩個(gè)獨(dú)立的子程序模塊 通過子程序調(diào)用 指令進(jìn)行功能選擇 當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇手動(dòng)工作方式時(shí) I2 0 接通 執(zhí)行手動(dòng)工作程序 當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇自動(dòng)工作方式時(shí) I2 1 接通 執(zhí)行自動(dòng)工作程序 主程序的梯形圖如圖 4 2 所示 圖 4 2 主程序 4 3 2 手動(dòng)工作程序 在手動(dòng)操作中 不需要按工作順序動(dòng)作 可以按普通繼電器控制 程序來設(shè)計(jì) 手動(dòng)工作程序梯形見子程序 0 手動(dòng)按鈕 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 控制各電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)停止 I1 5 I1 6I 1 7 控制動(dòng)力頭的快進(jìn) 快退 工進(jìn) I1 1 I1 2 控制 工作臺(tái)的夾緊放松 為保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行 設(shè)置了一些必要的連鎖保 護(hù) 手動(dòng)控制程序梯形圖如圖 4 3 所示 SBR 1 SBR 0 EN EN I2 1 I2 0 I1 7I1 0Q 304 Q0 5Q0 4Q0 53I1 0I1 6 Q0 3Q0 54I1 05Q0 3 Q0 3I0 5I0 4Q0 1 Q0 1I0 3I0 2Q0 Q0 I0 2I0 Q0 6I1 2 Q0 7Q0 6Q0 7I1 I0 6 圖 4 3 手動(dòng)工作程序 子程序 0 4 3 3 自動(dòng)程序設(shè)計(jì) 由于自動(dòng)操作比較復(fù)雜 不容易直接設(shè)計(jì)出梯形圖 可以先畫出自 動(dòng)操作流程圖 用以表明動(dòng)作的順序和轉(zhuǎn)換的條件 然后根據(jù)采用的控 制方法 設(shè)計(jì)梯形圖就比較方便 機(jī)床的自動(dòng)運(yùn)行程序流程圖如圖 圖中矩形方框表示自動(dòng)工作循環(huán) 過程中的一個(gè)工步 方框中用文字表示該步的動(dòng)作 方框的右邊畫出該 動(dòng)作的執(zhí)行元件 相鄰兩方框之間用有向線段連接 以表明轉(zhuǎn)換方向 有向線段上的橫線表示轉(zhuǎn)換的條件 當(dāng)轉(zhuǎn)換的條件得到滿足時(shí) 便從上 以動(dòng)作轉(zhuǎn)到下一動(dòng)作 由于加工工件時(shí)采用的是分段進(jìn)給 可以按照時(shí)間的原則進(jìn)行控制 這里用定時(shí)器 T37 控制每次加工時(shí)間 定時(shí)器 T38 控制后退的距離 定 時(shí)器 T39 控制暫停的時(shí)間 圖 4 4 為自動(dòng)控制程序梯形圖 其工作過程分析如下 機(jī)構(gòu)處于原位 I0 2 接通 使 Q0 1 置 1 液壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 夾緊工件 I1 3 接通 使 Q0 6 輸出信號(hào) 工件夾緊完成 接通 使 Q0 0 置 1 動(dòng)力頭起動(dòng) Q0 3 輸出快 進(jìn)信號(hào) I0 7 接通 使 Q0 3 輸出工進(jìn)信號(hào) 動(dòng)力頭由快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn) 開 始加工工件 Q0 2 置 1 冷卻泵起動(dòng) 定時(shí)器 T37 開始計(jì)時(shí) T37 觸點(diǎn)接通 M0 0 得電 使 Q0 4 輸出快退信號(hào) 定時(shí)器 T38 開始計(jì)時(shí) T33 觸點(diǎn)接通 使 Q0 4 斷電 定時(shí)器 T39 開始計(jì)時(shí) 觸點(diǎn)接通 輸出工進(jìn)信號(hào) T35 接通 Q0 5 輸出工進(jìn)信號(hào) 繼續(xù)加工工件 I1 0 接通 工件加工完成 M0 2 得電 使 Q0 4 接通 動(dòng)力頭快 退 Q0 2 復(fù)位 I0 6 接通 Q0 0 復(fù)位 動(dòng)力頭停止 Q0 7 輸出放松信號(hào) 放松完成 I1 4 接通 Q0 1 復(fù)位 I1 0 JMP11JMPI1 0 Q0 4 M0 M0 21Q5T37T35Q0 120TONPI371SQ0 2 5M0 2M0 I0 7 1SQ0 I0 7Q0 3I1 3Q0 6 Q0 6I1 3Q07I1 1 SQ0 I0 2 圖 4 4 自動(dòng)工作程序 子程序 1 T39 T38 1LB 50PTONIM0 2M0 2 Q0 4I0 6M0 1RQ0 I1 4 1RQ0 Q0 7 Q0 7I1 4Q06I0 6 M0 21RQI0 7M0 2I1 0 120PTON IM0 1Q0 5M2T3 5 程序運(yùn)行 監(jiān)視與調(diào)試 1 程序的運(yùn)行 當(dāng) PLC 工作方式開關(guān)在 TERM 或 RUN 位置時(shí) 操作 STEP micro WIN32 的菜單命令或快捷按鈕都可以對(duì) CPU 工作方式進(jìn)行軟件設(shè) 計(jì) 2 程序的監(jiān)視 三種程序編輯器都可以在 PLC 運(yùn)行監(jiān)視程序執(zhí)行的過程和各元件的 狀態(tài)及數(shù)據(jù) 這里介紹一下語句表監(jiān)視運(yùn)行的方法 在可編程控制器里輸入語句表程序 然后把 PLC 設(shè)置為運(yùn)行模式 并把 PLC 的模擬運(yùn)行監(jiān)視器打開 觀察程序和實(shí)際操作之間是否一致 3 動(dòng)態(tài)調(diào)試 結(jié)合程序監(jiān)視運(yùn)行的動(dòng)態(tài)顯示 分析程序運(yùn)行的結(jié)果 以及影響程 序運(yùn)行的因素 然后 退出程序運(yùn)行和監(jiān)視狀態(tài) 在 STOP 狀態(tài)下對(duì)程 序進(jìn)行修改編輯 重新編譯 下載 監(jiān)視運(yùn)行 如此反復(fù)修改調(diào)試 直 到得到正確運(yùn)行結(jié)果 6 結(jié)束語 兩周的課程設(shè)計(jì)很快就結(jié)束了 在這兩周里老師天天耐心地陪伴著 我們 給我們及時(shí)的指導(dǎo) 增強(qiáng)了老師和同學(xué)之間的互動(dòng) 學(xué)校的課程 設(shè)計(jì)和工程實(shí)際還是有很大的差別 在學(xué)校我們不用考慮太多工程上的 工藝要求和實(shí)際操作是會(huì)遇到的各種不同干擾 不過這是為我們以后走 向工作崗位奠定基礎(chǔ)的 讓我們提前熟悉了 PLC 的編程與設(shè)計(jì) 以便于 以后能很快的適應(yīng)相應(yīng)的工作崗位 7 致 謝 在這兩周里給過我?guī)椭耐瑢W(xué)和老師 我想借此機(jī)會(huì)對(duì)你們表示感 謝 這兩周我有認(rèn)真地學(xué)習(xí)了 PLC 課程基礎(chǔ)知識(shí) 具有一定的設(shè)計(jì)理論 基礎(chǔ)和獨(dú)立設(shè)計(jì)能力 由于這次設(shè)計(jì)的課題是一種整體性的 系統(tǒng)性的 設(shè)計(jì) 我真的是很努力地在做 但還是感到力不從心 因而這次設(shè)計(jì)在 深度和廣度上都有一定的局限性 不過 我認(rèn)為還是提高了認(rèn)識(shí) 學(xué)到 了東西 大學(xué)生活即將結(jié)束 我感到自己樹立了正確的世界觀 人生觀 價(jià) 值觀 在此 我將感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和各科老師 是他們教會(huì)我做人的道理 特別要感謝各位老師尤其是我的指導(dǎo)老師 他勞心勞力 在他們的 悉心指導(dǎo)下 我才得以完成這兩周設(shè)計(jì) 另外 在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中 還得到了同組其他同學(xué)的真誠(chéng)幫助 在此一并表示感謝 回顧這兩周的學(xué)習(xí)和生活 還有許多的朋友和同學(xué)在各個(gè)方面給予 了我很多的幫助和支持 讓我能夠順利的完成任務(wù) 在此我要感謝所有 關(guān)心和愛護(hù)我的人 今后我會(huì)繼續(xù)努力 不辜負(fù)您們對(duì)我的期望 8 參考文獻(xiàn) 1 廖常初 可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用 M 重慶 重慶大學(xué) 出版社 2 萬太福 可編程序控制器及其應(yīng)用 M 重慶 重慶大學(xué)出版社 3 劉祖潤(rùn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 4 謝桂林 電力拖動(dòng)與控制 北京 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社 5 工廠常用電氣設(shè)備手冊(cè)編寫組 工廠常用電氣設(shè)備手冊(cè) 北京 水利 電力出版社