應(yīng)用PLC改造普通車(chē)床電氣控制系統(tǒng)

1、中央電大畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課題名稱: 應(yīng)用PLC改造普通車(chē)床的電氣控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名 潘際林 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 1242001259147 論文寫(xiě)作時(shí)間 2015.03.09-2015.06.10 指導(dǎo)教師 嚴(yán)愛(ài)平 目 錄 摘要前言第一章 緒論11.1普通機(jī)床發(fā)展歷史及應(yīng)用11.2 PLC的基礎(chǔ)知識(shí)21.3采用PLC改造C650車(chē)床的意義4第2章 C650車(chē)床的主要結(jié)構(gòu)與控制要求52.1 C650車(chē)床的主要結(jié)構(gòu)52.2電氣控制線路分析7 2.2.1 主電路分析7 2.2.2 控制電路分析92.3整機(jī)線路聯(lián)鎖與保護(hù)13第3章 PLC的簡(jiǎn)介及控制原理133.1 PLC的發(fā)

2、展歷史133.2 PLC系統(tǒng)143.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)153.3.1 中央處理器（CPU）153.3.2存儲(chǔ)器163.3.3輸入輸出接口電路163.4 PLC的工作原理17 3.4.1輸入采樣階段17 3.4.2用戶程序執(zhí)行階段18 3.4.3輸出刷新階段193.5 PLC的選型19第4章 改造車(chē)床C650硬件設(shè)計(jì)204.1 用PLC控制車(chē)床的優(yōu)點(diǎn)及意義204.1.1 控制方式204.1.2 工作方式204.1.3 控制速度214.1.4 定時(shí)和計(jì)數(shù)控制214.1.5 可靠性和可維護(hù)性214.2統(tǒng)計(jì)I/0的點(diǎn)數(shù)224.3 I/O分配表及外部硬件接線圖23第5章 控制C650車(chē)床的的軟件設(shè)計(jì)2

3、55.1 改造C650的梯形圖255.2 梯形圖分析275.3 產(chǎn)品調(diào)試28結(jié) 論28致 謝30參考文獻(xiàn)31摘 要針對(duì)現(xiàn)有普通車(chē)床C650車(chē)床存在的缺點(diǎn)提出PLC改造方案和基于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了機(jī)床的加工精度，擴(kuò)大了機(jī)床的使用范圍，并提高了生產(chǎn)率。本論文說(shuō)明了普通車(chē)床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過(guò)程，較詳盡地介紹了如何采用PLC控制普通C650車(chē)床。如PLC的選型、PLC的基本機(jī)構(gòu)和工作原理，存儲(chǔ)器和I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)、普通車(chē)床C650的主要結(jié)構(gòu)和控制要求，其它輔助電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管理程序、零件加工源程序的輸入處理程序、。本設(shè)計(jì)采用三菱FX2N系列PLC控制系統(tǒng)，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)

4、減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的兩軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。改造后的機(jī)床在實(shí)現(xiàn)機(jī)床原有功能的基礎(chǔ)上還增加了自動(dòng)加工、自動(dòng)換刀等多種功能。可編程控制器（PLC）是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計(jì)的，它具有可靠性高、設(shè)計(jì)施工周期短、維修方便，價(jià)格也很便宜等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，可編程控制器， 梯形圖前 言自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷

5、完善，今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。車(chē)床是最常見(jiàn)的一種機(jī)床,它的主運(yùn)動(dòng)為主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),刀架的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng),車(chē)削加工一般不要求反轉(zhuǎn)，但加工螺紋時(shí)，為避免亂扣，需要反轉(zhuǎn)退刀，并保證工件的轉(zhuǎn)速與刀具的移動(dòng)速度之間具有嚴(yán)格的比例關(guān)系，溜板箱與主軸箱之間通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)連接，C650臥式車(chē)床是其中較為常見(jiàn)的一種、其原控制電路為繼電器控制、接觸觸點(diǎn)多、故障多、操作人員維修任務(wù)較大。針對(duì)這種情況,我們用PLC控制改造其繼電器控制電路，克服了以上缺點(diǎn)，降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備使用效率，運(yùn)行效果良好。機(jī)床是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)及精密機(jī)械等高

6、新技術(shù)的產(chǎn)物，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它的出現(xiàn)及所帶來(lái)的巨大效益,引起世界各國(guó)科技界和工業(yè)界的普遍重視。發(fā)展數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前我國(guó)機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造的必由之路，是未來(lái)工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。第一章 緒論1.1普通機(jī)床發(fā)展歷史及應(yīng)用目前，先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用到工業(yè)、民用各個(gè)領(lǐng)域中，如汽車(chē)制造、船舶制造、石油化工等。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展如虎添翼，并有了質(zhì)的飛躍。因此，市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)中的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)控機(jī)床的需求也大大提升。 數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。目前，由于我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后，已經(jīng)制約

7、了整個(gè)裝備制造業(yè)的發(fā)展，直接影響到國(guó)防軍工產(chǎn)業(yè)安全。國(guó)內(nèi)外裝備制造業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)展裝備制造業(yè)，數(shù)控機(jī)床是基礎(chǔ)。“十五”期間，我國(guó)機(jī)床工業(yè)連續(xù)幾年快速發(fā)展，我國(guó)機(jī)床產(chǎn)值已從“九五”末期的世界第八位,躍居到2005年的世界第三位。在全球倡導(dǎo)綠色制造的大環(huán)境下，機(jī)床數(shù)控化改造成為了熱點(diǎn)。 眾所周知，我國(guó)機(jī)電行業(yè)擁有的機(jī)床結(jié)構(gòu)比較陳舊，操作系統(tǒng)復(fù)雜，控制系統(tǒng)落后，生產(chǎn)效率低下，如果購(gòu)置新的數(shù)控機(jī)床取而代之，顯然耗資巨大，不符合國(guó)情。因此，采用數(shù)控技術(shù)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行改造，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策。另外，從市場(chǎng)容量來(lái)講，不管是汽車(chē)制造業(yè)、模具制造業(yè)，還是軍工企業(yè)，機(jī)床數(shù)控化改造都蘊(yùn)藏著無(wú)限商機(jī)。 隨著社會(huì)

8、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，改型頻繁，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造中的地位越來(lái)越重要。在國(guó)內(nèi)，目前各企業(yè)有大量普通機(jī)床，但絕大多數(shù)設(shè)備落后，技術(shù)陳舊，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不大可能，而且替代又造成很大浪費(fèi)，因此針對(duì)生產(chǎn)中的舊設(shè)備進(jìn)行數(shù)控改造，有著十分現(xiàn)實(shí)的意義，數(shù)控改造一次性投資較少，而且對(duì)機(jī)床增加許多種性能，使得加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率得到提高。 機(jī)床數(shù)控化改造主要是針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的改造。由于數(shù)控機(jī)床本身是機(jī)電液一體化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,因此在改造中是否按照準(zhǔn)確的計(jì)算方法計(jì)算，是否按照規(guī)則、要求選擇改造方案和元器件的類(lèi)型是決定改造后機(jī)床的性能、運(yùn)行

9、精度、加工質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵因素。1.2 PLC的基礎(chǔ)知識(shí)PLC的中文名稱為可編程控制器，是一種專門(mén)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計(jì)的控制器，集計(jì)算機(jī)技術(shù).控制技術(shù)，通信技術(shù)于一體。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序運(yùn)算，定時(shí)，計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。圖11 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開(kāi)關(guān)量來(lái)處理，16位為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來(lái)完成模擬

10、量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些。PLC沒(méi)有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。1.3 采用PLC改造C650車(chē)床的意義 可編程控制器是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展起來(lái)的以微處理器為核心，集微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)為一體，以工業(yè)自動(dòng)化控制為目標(biāo)的新型控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、可靠性高等優(yōu)

11、點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過(guò)程和位置的自動(dòng)控制中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機(jī)器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。由于PLC具有對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源十分豐富。 它的功能主要是：控制功能、數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存與處理功能、通信、聯(lián)網(wǎng)功能、輸入/輸出接口調(diào)理功能、人機(jī)界面功能。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是利用PLC（Programmable Logic Contr

12、oller）對(duì)C650型車(chē)床的電器部分進(jìn)行改造。首先我對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行總體的分析，使自己有一個(gè)大致的總體概念，然后仔細(xì)分析C650車(chē)床，對(duì)車(chē)床主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)還有其它的輔助運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行分析。最后根據(jù)控制電路的線路圖，編譯PLC的梯形圖，編譯通過(guò)后，利用PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。因此使C650車(chē)床在完成原有的功能特點(diǎn)外，還具有安裝簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好、易于維修、擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。第2章 C650車(chē)床的主要結(jié)構(gòu)與控制要求2.1 C650車(chē)床的主要結(jié)構(gòu)普通車(chē)床是一種應(yīng)用極為廣泛的金屬切削機(jī)床，能夠車(chē)削外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋和定型表面，并可以通過(guò)尾架進(jìn)行鉆孔、鉸孔、攻螺紋等加工。C650臥式普通車(chē)床屬中型車(chē)床，加

13、工工件回轉(zhuǎn)直徑最大可達(dá)1020mm,長(zhǎng)度可達(dá)3000mm。其結(jié)構(gòu)主要由床身、主軸變速箱、進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、 1.主軸變速箱 2.溜板與刀架 3.尾座 4.床身 5.絲杠 6.光杠 7.溜板箱 8.進(jìn)給箱 9.掛輪箱尾架、絲桿和光桿等部分組成。車(chē)床有兩種運(yùn)動(dòng)，一是軸卡盤(pán)帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為主運(yùn)動(dòng)（切削運(yùn)動(dòng)），另一種四溜板刀架頂針帶動(dòng)刀具的直線運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。兩種運(yùn)動(dòng)由同一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)并通過(guò)各自的變速箱調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速度。此外，為提高效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、便于對(duì)刀和減小輔助工時(shí)，C650車(chē)床的刀架還能快速移動(dòng)，稱為輔助運(yùn)動(dòng)。C650車(chē)床由三臺(tái)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，即主電動(dòng)機(jī)M1、冷卻

14、電動(dòng)機(jī)M2和刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3。圖2-1 機(jī)床C650的實(shí)物結(jié)構(gòu)2.2電氣控制線路分析2.2.1 主電路分析圖2-2是C650車(chē)床的電氣原理圖，它可以分為主電路、控制回路兩部分。圖2-2 車(chē)床C650的主電路原理圖 圖2-2中組合開(kāi)關(guān)QS為電源引入開(kāi)關(guān)，空氣開(kāi)關(guān)QF為電源總短路保護(hù)。FU1為主電動(dòng)機(jī)M1的短路保護(hù)用熔斷器，F(xiàn)R1為其過(guò)載保護(hù)用熱繼電器。R為限流電阻，在主軸點(diǎn)動(dòng)時(shí)，限制起動(dòng)電流，在停車(chē)反接制動(dòng)時(shí)，又起限制過(guò)大的反向制動(dòng)電流的作用。電流表PA用來(lái)監(jiān)視主電動(dòng)機(jī)M1的繞組電流，由于M1功率很大，故PA接入電流互感器TA回路。機(jī)床工作時(shí)，可調(diào)整切削用量，使電流表PA的電流接近主電動(dòng)機(jī)

15、M1額定電流的對(duì)應(yīng)值(經(jīng)TA后減小了的電流值)，以便提高生產(chǎn)效率和充分利用電動(dòng)機(jī)的潛力。KM1、KM2為正反轉(zhuǎn)接觸器，KM3用于短接電阻R接觸器，由它們的主觸點(diǎn)控制主電動(dòng)機(jī)M1。圖2-2中KM4為接通冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2的接觸器，F(xiàn)R2為M2過(guò)載保護(hù)用熱繼電器。KM5為接通快速電動(dòng)機(jī)M3的接觸器，由于M3點(diǎn)動(dòng)短時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，故不設(shè)置熱繼電器。2.2.2 控制電路分析 圖2-3 主電路控制電路a.主電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)調(diào)整控制當(dāng)按下點(diǎn)動(dòng)按鈕SB2不松手時(shí)，接觸器KM1線圈通電，KM1主觸點(diǎn)閉合，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)限流電阻R通入主電動(dòng)機(jī)M1，從而減少了起動(dòng)電流。由于中間繼電器KA未通電，故雖然KM1的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)(7-8

16、)已閉合，但不自鎖。因而，當(dāng)松開(kāi)SB2后，KM1線圈隨即斷電，主電動(dòng)機(jī)M1停轉(zhuǎn)。b.主電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制主電動(dòng)機(jī)M1的額定功率為180W，功率較小，并且為輕載啟動(dòng)，因而起動(dòng)電流小，所以，在非頻繁點(diǎn)動(dòng)的一般工作時(shí)，仍然采用了全壓直接起動(dòng)。當(dāng)按下正向起動(dòng)按鈕SB3時(shí)，SB3閉合，KM3通電，其主觸點(diǎn)閉合，短接限流電阻R，另有一個(gè)常開(kāi)輔助觸點(diǎn)閉合，使得KA通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得KM3在SB3松手后也保持通電，進(jìn)而KA也保持通電。另一方面，當(dāng)SB3尚未松開(kāi)時(shí)，SB3閉合，由于KA的另一常開(kāi)觸點(diǎn)已閉合，故使得KM1通電，其主觸點(diǎn)閉合，主電動(dòng)機(jī)M1全壓起動(dòng)運(yùn)行。KM1的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)也閉合。這樣，當(dāng)松開(kāi)

17、SB3后，由于KA的二個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)保持閉合，故可形成自鎖通路，從而KM1保持通電。在KM3得電同時(shí)，通電延時(shí)繼電器KT通電，其作用是使電流表避免起動(dòng)電流的沖擊。正轉(zhuǎn)時(shí)的主要元器件動(dòng)作情況如下：3#線 SB3常開(kāi) KM3，KT線圈 6# FR1常閉 0#線，KM3得電吸合，主觸點(diǎn)短接制動(dòng)電阻R，、KT得電吸合。3#線 KM3常開(kāi) KA線圈 0#線，KA得電吸合。3#線 SB3常開(kāi) KA常開(kāi) KM2常閉 KM1線圈 6# FR1常閉 0#線，KM1得電吸合，主觸點(diǎn)閉合，主電機(jī)正向起動(dòng)。圖2-3中SB4為反向起動(dòng)按鈕，反向起動(dòng)過(guò)程同正向時(shí)類(lèi)似。主電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)控制C650車(chē)床采用反接制動(dòng)方式，用速度

18、繼電器SR進(jìn)行檢測(cè)和控制。假設(shè)原來(lái)主電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)運(yùn)行著，則SR的正向常開(kāi)觸點(diǎn)SR-1閉合，而反向常開(kāi)觸點(diǎn)SR-2依然斷開(kāi)著。當(dāng)按下反向總停按鈕SB1后，原來(lái)通電的KM1、KM3、KT和KA就隨即斷電，它們的所有觸點(diǎn)均被釋放而復(fù)位。然而，當(dāng)SB1松開(kāi)后，反轉(zhuǎn)接觸器KM2立即通電，電流通路是：2#線 SB1常閉觸點(diǎn) KA常閉觸點(diǎn) SR正向常開(kāi)觸點(diǎn)SR-1 KM1常閉觸點(diǎn) KM2線圈 FR1常閉觸點(diǎn) 0#線這樣，主電動(dòng)機(jī)M1就被串電阻反接制動(dòng)，正向轉(zhuǎn)速很快降下來(lái)，當(dāng)降到n120rmin，SR的正向常開(kāi)觸點(diǎn)SR-1斷開(kāi)復(fù)位，從而切斷了上述電流通路。至此，正向反接制動(dòng)就結(jié)束了。反向反接制動(dòng)過(guò)程同正抽時(shí)

19、的反接制動(dòng)過(guò)程類(lèi)似。（3）刀架的快速移動(dòng)和冷卻泵控制3圖2-4 刀架及冷卻泵控制電路刀架及冷卻泵控制電路如圖2-4所示。轉(zhuǎn)動(dòng)刀架手柄，限位開(kāi)關(guān)SQ被壓動(dòng)而閉合，使得快速移動(dòng)接觸器KM5通電，快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3就起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)?shù)都苁直鷱?fù)位時(shí)，M3隨即停轉(zhuǎn)。冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2的起停按鈕分別為SB6和SB5。2.3整機(jī)線路聯(lián)鎖與保護(hù) 由KM1與KM2各自的常閉觸點(diǎn)串接于對(duì)方工作電路以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行互鎖。由FU及FU1FU6實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。由FR1與FR2實(shí)現(xiàn)M1與M2的過(guò)載保護(hù)（根據(jù)M1與M2額定電流分別整定）。KM1KM4等接觸器采用按鈕與自保控制方式，因此使M1與M2具有欠電壓與零電壓保護(hù)。 第3章

20、 PLC的簡(jiǎn)介及控制原理3.1 PLC的發(fā)展歷史自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。近10年來(lái)，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的

21、應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi)PLC在我國(guó)仍將保持高速增長(zhǎng)勢(shì)頭。 3.2 PLC系統(tǒng)作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長(zhǎng)率保持為20%30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和PLC市場(chǎng)容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來(lái)PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的增長(zhǎng)速度放緩。但是，在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家PLC的增長(zhǎng)十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷(xiāo)售收入為100億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。PLC是由模仿原繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是

22、汽車(chē)制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)

23、出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開(kāi)關(guān)量來(lái)處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來(lái)完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。 相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒(méi)有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 3.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)3.3.

24、1 中央處理器（CPU）中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映像區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映像區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。3.3.2存

25、儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。3.3.3輸入輸出接口電路a. 現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。 b.現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。圖3-1 可編程序控制器的實(shí)物圖3.4 PLC的工作原理當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段， 即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以

26、一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 3.4.1 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映像區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。3.4.2 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的

27、控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。

28、在程序執(zhí)行的過(guò)程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過(guò)程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過(guò)程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 3.4.3 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。3.5 PLC的選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，PLC點(diǎn)數(shù)的選擇，不管是輸入點(diǎn)數(shù)還是輸出點(diǎn)數(shù)都要留有10%的余量，根據(jù)I/O口分配情況可知：輸入信號(hào)有11個(gè)，輸出信號(hào)有6個(gè)，根據(jù)I/O

29、點(diǎn)數(shù)可選擇FX2N24MR可編程控制器，以滿足控制要求，而且輸入輸出都留有一定的余量。第4章 改造車(chē)床C650硬件設(shè)計(jì)4.1 用PLC控制車(chē)床的優(yōu)點(diǎn)及意義4.1.1 控制方式電氣控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)等組成控制邏輯，其連線多且復(fù)雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改變或增加功能較為困難。另外，繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量有限，所以電氣控制系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性受到很大限制。而PLC采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，其控制邏輯時(shí)以程序的方式存放在存儲(chǔ)器中的，要改變控制邏輯只需改變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且PLC所謂的“軟繼電器”實(shí)質(zhì)上是存儲(chǔ)器單

30、元的狀態(tài)，所以“軟繼電器”的觸點(diǎn)數(shù)量是無(wú)限的PLC系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性也較好。4.1.2 工作方式在繼電器控制電路中，當(dāng)電源接通時(shí)，電路中所有繼電器都處于受制約狀態(tài)，即該吸合的繼電器都同時(shí)吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序按一定順序循環(huán)執(zhí)行，所以各繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通中，受同一條件制約的各個(gè)繼電器的動(dòng)作次序決定于程序掃描順序，這種工作方式稱為串行工作方式。4.1.3 控制速度繼電器控制系統(tǒng)依靠機(jī)械觸點(diǎn)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作效率低，機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題。而PLC時(shí)通過(guò)程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，速度快，程序指令執(zhí)

31、行時(shí)間在微秒級(jí)，且不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)問(wèn)題。4.1.4 定時(shí)和計(jì)數(shù)控制電氣控制系統(tǒng)采用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作進(jìn)行時(shí)間控制，時(shí)間繼電器的延時(shí)時(shí)間易受環(huán)境溫度和溫度變化的影響，定時(shí)精度不高。而PLC采用半導(dǎo)體集成電路做定時(shí)器，時(shí)鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度高，定時(shí)范圍寬，用戶可根據(jù)需要在程序中設(shè)定時(shí)值，修改方便，不受環(huán)境的影響，且PLC具有計(jì)數(shù)功能，而電氣控制系統(tǒng)一般不具備計(jì)數(shù)功能。4.1.5 可靠性和可維護(hù)性由于電氣控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，存在機(jī)械磨損、電弧燒傷等問(wèn)題，壽命短，系統(tǒng)的連線多，所以可靠性和可維護(hù)性較差。而PLC大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成，壽命長(zhǎng)、可靠性高。PLC還具有

32、自診斷功能，能查出自身的故障，隨時(shí)顯示給操作人員，并能動(dòng)態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和維護(hù)提供了方便。4.2統(tǒng)計(jì)I/0的點(diǎn)數(shù)根據(jù)硬件的主電路分析,統(tǒng)計(jì)I/0的點(diǎn)數(shù)如表4-1所示：表4-1 I/0點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)表 類(lèi)型 功能所占點(diǎn)數(shù)(個(gè))輸入設(shè)備M1的停止按鈕1M1的點(diǎn)動(dòng)按鈕1M1的正轉(zhuǎn)按鈕1M1的反轉(zhuǎn)按鈕1M2的停止按鈕1M2的啟動(dòng)按鈕1M3的限位開(kāi)關(guān)1M1的熱繼電器動(dòng)合觸電1M2的熱繼電器動(dòng)合觸電1速度繼電器正轉(zhuǎn)觸點(diǎn)1速度繼電器反轉(zhuǎn)觸點(diǎn)1 輸出設(shè)備M1的正轉(zhuǎn)接觸器1M1的反轉(zhuǎn)接觸器1M1的制動(dòng)接觸器1M2接觸器1M3接觸器1電流表接入中間繼電器14.3 I/O分配表及外部硬件接線圖表

33、4-2 I/O分配表輸入信號(hào)輸入地址號(hào)輸出信號(hào)輸出地址號(hào)總停止按鈕SB1X1短接制動(dòng)電阻KMY0主軸電動(dòng)機(jī)M1的點(diǎn)動(dòng)按鈕SB2X2主電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)KM1Y1主軸電動(dòng)機(jī)M1的正轉(zhuǎn)按鈕SB3X3主電動(dòng)機(jī)M1反轉(zhuǎn)KM2Y2主軸電動(dòng)機(jī)M1的反轉(zhuǎn)按鈕SB4X4冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2起停KM3Y3冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2停止按鈕SB5X5快移電動(dòng)機(jī)M3起停KM4Y4冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2啟動(dòng)按鈕SB6X6時(shí)間繼電器KTY10快移電動(dòng)機(jī)M3起停位置開(kāi)關(guān)SQX7速度繼電器正轉(zhuǎn)常開(kāi)觸頭SR1X10速度繼電器反轉(zhuǎn)常開(kāi)觸頭SR2X11圖4-1 PLC硬件接線圖第5章 控制C650車(chē)床的的軟件設(shè)計(jì)5.1 改造C650的梯形圖（見(jiàn)下頁(yè)）圖

34、5-1 梯形圖5.2 梯形圖分析 a. 調(diào)整對(duì)刀過(guò)程：合上QS，按下SB2，X2接通，Y1動(dòng)作使KM1吸合，M1 串電阻限流點(diǎn)動(dòng)，松開(kāi)SB2，X2斷開(kāi)，M1 停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整車(chē)床位置； b. 刀架快移過(guò)程：合上QS，扳動(dòng)進(jìn)給操縱手柄壓合位置開(kāi)關(guān)SQ，X7接通，Y4動(dòng)作，KM4吸合，M3 起動(dòng)運(yùn)行，刀架向指定方向快速移動(dòng)； c. 車(chē)床工作過(guò)程：合上QS，按下SB3，X3接通，Y0動(dòng)作，KM3吸合短接電阻R，同時(shí)M10 動(dòng)作，Y1動(dòng)作，KM1吸合，M1 正轉(zhuǎn)起動(dòng)運(yùn)行，開(kāi)始車(chē)削加工。要停車(chē)時(shí)，按下SB1，X1接通，X1的常閉觸頭斷開(kāi)，所有線圈除M1、M2 外均釋放。松開(kāi)SB1，由于慣性，SR1常開(kāi)

35、觸點(diǎn)仍閉合，X10接通，使M1 線圈接通，Y2線圈接通，KM2吸合，主軸電動(dòng)機(jī)M1 電源反接并串限流電阻R實(shí)現(xiàn)反接制動(dòng)，當(dāng)速度接近零時(shí)，SR1常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，KM2釋放M1 停轉(zhuǎn)；d. 如果車(chē)削加工過(guò)程中，工件需要使用冷卻液時(shí)，按下SB6，X6接通，Y3線圈得電，KM3工作，M2 工作，開(kāi)始供給冷卻液。要停車(chē)，按下SB5即可； e. 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，F(xiàn)R1或FR2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷電源，電動(dòng)機(jī)停止工作； f. 反轉(zhuǎn)工作過(guò)程與正轉(zhuǎn)相同。4.5 梯形圖主要有以下特點(diǎn)： a為了避免M1 電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)造成相間短路，除采用程序上軟繼電器的觸點(diǎn)聯(lián)鎖外，還在KM1和KM2的線圈支路上采用了接觸器常閉觸點(diǎn)的電

36、路聯(lián)鎖； b. 為了防止合上QS 后有人轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)，使速度繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)X10 （ 或X11）閉合，造成Y1或Y2吸合，M1 突然轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)造成事故，特引入內(nèi)部輔助繼電器的M1、M2，在M1 或M2 沒(méi)有接通的情況下，SR 的常開(kāi)觸點(diǎn)即使閉合，電機(jī)M1 也不可能運(yùn)轉(zhuǎn)。5.3 產(chǎn)品調(diào)試（略）結(jié) 論隨著畢業(yè)日子的到來(lái)，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過(guò)幾周的奮戰(zhàn)我們小組的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒(méi)有接受任務(wù)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這兩年多來(lái)所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過(guò)這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求應(yīng)用PLC改造普通車(chē)床C650的電氣控制系統(tǒng)，非常切合我們所學(xué)的的實(shí)際，是一次非常好的演練機(jī)會(huì)。盡管我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握還不夠透徹，我們?nèi)匀幌Ｍㄟ^(guò)自己的努力完成設(shè)計(jì)并希望有所突破。下面就對(duì)我們這次設(shè)計(jì)的過(guò)程做個(gè)簡(jiǎn)單的小結(jié)： 第一，課題分析。在接到畢業(yè)設(shè)計(jì)題目后，我們小組成員認(rèn)真翻閱了指導(dǎo)老師提供的資料，對(duì)課題進(jìn)行了深刻的分析，并向老師請(qǐng)教了設(shè)計(jì)中的一些要