plc自動換刀控制設計解析

1、摘要隨著社會進步和科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)逐步變成了自動化、智能化的生 產(chǎn)方式。為了適應生產(chǎn)的需要，基于PLC的自動換刀系統(tǒng)應運而生。本設計根據(jù)加工中心自動換刀裝置的動作要求， 分析其換刀系統(tǒng)通過氣壓傳 動來傳動動力，利用三菱FX2N可編程控制器(PLC)對自動換刀系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進 行設計。在硬件電路設計中，完成PLC的最佳選型及外部輔助設備的選用，提出 接線要求，使之具有控制和保護作用。在軟件設計中，給出了程序語句，并設計 出自動換刀梯形圖。關鍵詞：PLC控制，自動換刀，氣動系統(tǒng)AbstractAlong with the social progress and the developme

2、nt of scie nee and tech no logy,automati on and in tellige nee of in dustrial product ion gradually turned into a mode ofproduct ion. In order to meet the n eeds of the producti on, based on PLC in theautomatic tool cha nge system arises at the historic mome nt.This design according to the requireme

3、nt of processing center automatic tool change device action, an alyz ing the tool cha nge system by pn eumatic drive to drivepower, the use of Mitsubishi FX2N programmable con troller (PLC) con trol system ofautomatic tool change system design. In the hardware circuit design, complete PLCbest select

4、 ion and the select ion of auxiliary equipme nt, exter nal conn ecti on request,with con trol and protect ion. In software desig n, program stateme nts are give n, andthe desig n from the explorers knife ladder diagram.Key words:PLC control,Automatic tool changer,Pneumatic system目錄第一章PLC控制的硬件設計 .1.第

5、一節(jié)PLC簡介.1.第二節(jié)PLC控制系統(tǒng)的硬件選擇和資源配置.4第二章PLC控制系統(tǒng)程序設計 .8.第一節(jié)系統(tǒng)流程圖的設計 .8.第二節(jié)PLC程序設計.8.結束語.12謝辭.1.3參考文獻.141第一章 PLC 控制的硬件設計第一節(jié) PLC 簡介PLC即可編程控制器(Programmable Logic Controller PLC),它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算與 算術操作等面向用戶操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型 的機械或生產(chǎn)過程。一、PLC 的分類1.根據(jù)1/0點數(shù)分類PLC的輸入、輸出點數(shù)表明PLC可以從外部接收多

6、少個輸入量和向外部輸出 多少個輸出量。實際上也就是PLC的輸入、輸出端子數(shù)。一般米說，點數(shù)多的PLC,功能也相應較強。1/0點數(shù)(總數(shù))在256點以下的稱為小型機,一般只有邏輯運算、定時、 計數(shù)、移位等功能，適用于開關量的控制，可用它實現(xiàn)條件控制、定時 計數(shù) 控制、順序控制等。有些小型機,如 的P型機、三菱的Fl系列PLC西 門子的S7系列PLC等增加了一些算術運算和模擬量處理功能,以適應更廣泛的 需要。(2)110點數(shù)在256點至1024點之問的,稱力中型機,它除了具備邏輯運算 功能，還增加了模擬量處理、算術運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通訊等功能，可完成既 有開關量、又有模擬量的復雜控制。110點數(shù)

7、在1024點以上的稱為大型機，其功能更加完善，具有數(shù)據(jù)處理、 模擬調節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通訊、監(jiān)視、記錄、打印等功能，可以進行中斷控制、智能控 制、 遠程控制等，可用于大規(guī)模的過程控制，構成分布式控制系統(tǒng)或整個工廠的集 成系統(tǒng)。2.根據(jù)結構、形狀分類從結構和形狀上看，PLC可分為整體式和模塊式兩種。一般的小型機多為整 體式結構。這種結構的PLC其電源、CPU I/O部件等都集中配置在一起，有的 甚至全部裝在一塊印刷電路板上，結構緊湊、體積小、重量輕、價格低、容易裝 配在工業(yè)控制設備的內部，比較適合于生產(chǎn)設備的單機控制。整體/LPLC的缺點是主機的I/O點數(shù)固定，使用不夠靈活，維修也不方便。 模塊式結構的P

8、LC各部 分以單獨的模塊分開設置，如電源模塊、CPU莫塊、輸入模塊、輸出模塊及其它高機能模塊等。 這種PLC通常由機架底板聯(lián)結各模塊(也有的PLC為串行聯(lián)接 沒有底板） ，底板上有苦干插座，使用時，各種模塊直接插入機架底板即可。這 種結構的PLC配黃靈活、裝配方便、易于擴展，可根據(jù)控制要求靈活配胃符種模 塊，構成功能不同的秤種控鍘系統(tǒng)。一般大中型PLC均采用這種結構。模塊式PLC的缺點是結構較復雜，各種插什比較多，造價也比較高。2二、PLC的特點及主要功能1.PLC的一般特點編制程序簡單PLC般采用易于理解和掌握的梯形語言及而向工業(yè)控制的簡單指令編制 程序，非常形象直觀。對于小型PLC而言，幾

9、乎不需要任何專門的計算機知識 特別適合現(xiàn)場工程技術人員使用?？刂葡到y(tǒng)構成簡單、通用性強雖然PLC種類繁多，但由于其產(chǎn)品的系列化和模塊化，且軟件包齊全，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。用戶在硬件設計方面，只需確定PLC的硬件配置和1/0的外部接線，不需要諸如繼電器之類的固體電子器件和大 量繁雜的硬接線電路。當控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，只要改 變存貯器中的控制程序即可。PLC的輸入、輸出可直接與交流220v、直流24v等 強電相連，并有較強的帶載能力。抗干擾能力強、可靠性高PLC是專為工業(yè)控制設計的。能適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。在PLC的設計和制造過程中，采取了多層次抗干擾

10、及精選兀器件等措施，使PLC的平均無故障時 間通常在2000小時以一下，這是一般的其它電氣設備做不到的。絕人多數(shù)用戶 都將可靠性作為選取控制裝罱的首要條件，因此PLC在硬件和軟件方而均采取了 一系列的抗干擾措施。在硬件方而，PLC采取的抗干擾措施主要是隔離和濾波技 術。PLC的輸入和輸出電路一般都用光電禍合器傳遞信號，使CPU與外部電路完全切斷電的聯(lián)系，有效地抑制外部干擾源對CPU勺影響。在PLC的電源電路和I/O接口中，還設黃了多種濾波電路，以抑制高頻干擾信號。在軟件方而，PLC設置了故障榆測及自診斷程序、用來檢測系統(tǒng)硬件是否正常，用戶程序是否正確， 便于自動地做出相應的處理，如報警、封鎖輸

11、出、保護數(shù)據(jù)等。易與操作及維護PLC的控制程序可通過其專用的編程器輸入到PLC的用戶程序存貯器中。編 程器不僅能對PLC控制程序進行寫入、讀出、檢測、修改等操作,還能對PLC的 工作進行監(jiān)控。使得PLC的操作及維護都很方便。PLC還具有很強的自我診 斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員，使操作人員能迅速檢查、 判斷故障原因。由于PLC的故障率很低，并且有完善的診斷和顯示能力，當PLC或外部的輸入裝置及執(zhí)行機構發(fā)生故障時，如果是PLC本身的原因，在維修時只 需要更換插入式模塊及其它易損失即可，既方便又減少影響生產(chǎn)的時間。設計、技工、調試周期短用PLC完成一項工程時，由于其硬、軟件齊全

12、 設計和施工可同時進行。由于用軟件編程取代了繼電器硬接線，實現(xiàn)控制功能 使得控制柜的設計及安3裝接線工作量大為減少，縮短了施工周期。同時，由于用戶程序大都可以在實驗室模擬調試，調好后再將PLC控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場進行聯(lián) 機調試，使得調試方便、快速、安全，因此大大縮短了設計和投運周期。2.PLC的主要功能PLC是采用微電子技術米完成順序控制功能的自動化設備，可以在現(xiàn)場的輸 入信號作用下，按照預先輸入的程序?？刂片F(xiàn)場的執(zhí)行機構按照一定規(guī)律進行 動作。其主要功能如下：開關量控制這是PLC最基本最廣泛的應用領域，用來取代繼電器控制系 統(tǒng)、實現(xiàn)邏輯控制和順序控制。它既可用于單機控制或多機控制，又可用于自

13、動化生產(chǎn)線的控制。PLC可根據(jù)操作按鈕、限位開關及其他現(xiàn)場給出的指令信號 或檢測信號，控制機械運動部件進行相應的動作。限時控制PLC為用戶提供了一定數(shù)量的定時器，并設置了計時指令，一 般可實現(xiàn)0.1-999. 9s及0.001-99. 99s的定時控制，也可按一定方式進行定時 時間的擴展。PLC的限時控制精度高、定時時間設定方便、靈活，同時，PLC還提供了高精度的時鐘脈沖，用于準確的實時控制。計數(shù)控制PLC為用戶提供的計數(shù)器分為普通計數(shù)器、可逆計數(shù)器、高速 計數(shù)器等、以完成不同用途的計數(shù)控制。當計數(shù)器的當前計數(shù)值變?yōu)?（或設定值）或在某一數(shù)值范罔時，發(fā)出控制命令。計數(shù)器的計數(shù)值可以在運行中被讀

14、出， 也可以在運行中進行修改。步進控制PLC能通過移位寄存器方便地完成步進控制功能。有些PLC專門 設有步進控制指令，使得編程更為方便。此功能在進行順序控制時非常有效。數(shù)據(jù)處理大部分PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理功能，如F2系列、C系 列、S5系列等均能完成數(shù)據(jù)運算，如加、減、乘、除、乘方、開方等，邏輯運 算如與、或、異或、求反等，以及數(shù)據(jù)的移位、比較、傳遞和數(shù)值的轉挾等操作。模擬量處理，日前很多PLC甚至小型機（如P型機、F系列、NB系列、57系列等）都具有模擬量處理功能，而且編程和使用都很方便。這里，模擬量一般 為4-20mA的電流，或l-5v的電胝；數(shù)字量為8位或12位二進制數(shù)。用PLC

15、進 行模擬量控制的優(yōu)點是：在進行模擬量控制的同時，開關量也可以控制。達個優(yōu)點是別的控制器所不具備的，或實現(xiàn)起來不如PLC方便?？删幊炭刂破鞯耐ㄐ藕吐?lián)網(wǎng)功能可以使PLC一與PLC之問、PLC與個人計算機等其他智能設備之問能夠進行數(shù)字信息交換，形式一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn) 分散控制或集中控制?，F(xiàn)在，幾乎所有的PLC產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，通過雙絞 線、同軸電纜或光纖，信息可以傳送到幾十公里遠的地方；通過Modem和互聯(lián)網(wǎng)， 可以使PLC與世界上其他地方的計算機進行通信。日前，有的PLC使用專用的4通信協(xié)議進行通信，或使用較多廠商支持的通信協(xié)議和通信標準，如現(xiàn)場總線。 為了盡量減少用戶在通信編程方而的負擔

16、，PLC的通信功能同趨完善，使設備之問的通信能夠一動周期性地進行， 不需要用戶為通信編程，用戶的工作只是在組 成系統(tǒng)時作一些硬件或軟件上的初始化設置。第二節(jié) PLC 控制系統(tǒng)的硬件選擇和資源配置要了解控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置。首先根據(jù)控制要求所需的外圍設備 并判斷出最佳的PLC型號，再綜合選擇合適的各種外接輔助設備。一、 自動換刀控制系統(tǒng)要求對自動換刀系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)的重點和關鍵是接受來自數(shù)控系統(tǒng)的換刀指 令即T指令，然后檢測當前所在的刀位與T指令進行比較。具體要求如下：1.當轉換開關旋到自動檔時，換刀系統(tǒng)接受來自數(shù)控系統(tǒng)的換刀指令進行自 動換刀。設當前的刀號為m號刀，這時T指令要求

17、換n號刀，如果m.與n不相 等則PLC通過比較選擇近的路線進行換刀；2.如果m.與n相等則不換刀二、 PLC 型號的選擇1.分析控制系統(tǒng)所需的I/O接點數(shù)通過對自動換刀系統(tǒng)控制要求的分析，PLC控制輸入信號有于動開關1個、 轉換開關1個、停止開關1個和接近開關5個，檢測換刀完成的抓力繼電器1個。 系統(tǒng)控制輸出信號有控制液壓缸的三位四通換向閥一個需用兩個輸出口，控制液壓馬達正反轉的三位四通換向閥一個， 也需要輸出口兩個。由此可得輸入接點共9個，輸出接點共4個。按照預留15%勺接點數(shù)米計算，輸入接點需要12個,輸 出接點需要6個。字號：用戶應用程序占用內存大小估算所需PLC程序容量大小。本系統(tǒng)為簡

18、單控制 系統(tǒng)，按一般經(jīng)驗來估算，同時由上段對I/O接點的分析主要有：開關量輸入字節(jié)數(shù)9X15=135開關量輸出字節(jié)數(shù)4X8=32總計需要167個字節(jié)數(shù)容量。加土預留30%有1K的程序容量足夠了。由以上兩個PLC本身主要方而，兼顧系統(tǒng)中應用到的能信功能，在眾多市面 的PLC產(chǎn)品中FX系列可編程控制器是當今國內外最新，最具特色、最具代表性 的微型PLC在FX系列PLC中設黃通信功能，擴大了PLC的應用領域。本系統(tǒng) 選擇了FX2N-32MR-O0型PLC （輸入為16點，輸出為16點）。5由PLC型號主叫路電胝AC（100240） V;輸入端參數(shù)為電壓DC24V電流5/7mA;繼電器輸出端電壓AC1

19、50V DC30V以內。本系統(tǒng)選用直流輸出方式。2.PLC外接電氣元件選擇開關的選擇本控制系統(tǒng)為PLC控制，各種開關的容量要求不高，普通的開關足已，主要考慮輸入?yún)?shù)要求。對手動和停止開關，選擇普通按鈕開關LA系。手動開關為LA2（綠色），停止開關為LA2（紅色）。本控制系統(tǒng)還要求有自動和手動控制之 分，所以還要選擇一個轉換開關LA18-22X3二位轉換開關一個。熔斷器的選擇對于經(jīng)濟型控制系統(tǒng)， 對PLC的保護選用快速熔斷器FU對應于所選的PLC型號最大輸入電流3A,選擇型號RCl-3的熔斷器。該熔斷器額定電流為3A。PLC繼電器輸出時，每一個輸出點為2A,輸出點控制為5點，所以選額定電流為3A

20、,型號為RCl-10的熔斷器。整流器的選擇為降低電壓的波動對控制系統(tǒng)的不良影響，選擇把交流變?yōu)榈蛪褐绷鞴╇姟?因此，選擇型號為ZBA-10/24型整流器，它的輸入電抓為交流220V,輸出電抓 為直流024V,額定電流10A。對輸入輸出口保護選擇對PLC輸入端電阻分析，自帶電阻為3k歐，對于DC24V勺電流為標準電流 對輸入門保護不需做特別處理。輸出為直流感性負載時，需在負載兩端并聯(lián)續(xù)流 二極管或齊納二極管加以抑制。在直流感性負載輸出時可選電流為1A左右的二 極管，電阻約為50歐左右。本系統(tǒng)中選二極管為2AK3型。抗電氣噪聲干擾的措施不正確的接地和電氣控制柜走線不合理， 均會導致PLC受電氣噪聲

21、干擾而不 能正常工作。為避免此類故障的發(fā)生，要注意以下幾點：1系統(tǒng)應正確、良好地接地；2低電水信號電纜 與高水電動力電纜麻獨直走線；3將PLC上24VDC專感電源的負端接地；4I/O分配時輸入輸出模塊符麻可能相對集中地安排，防止輸出信號對輸 入 信號的干擾，并做到便于布線；65當對輸入信號檢測頻率要求不高時，可以將輸入點的輸入信號濾波時問延、系統(tǒng)控制元件列表自動換刀系統(tǒng)控制原件列表如下:表 1-1系統(tǒng)控制元件表序號符號名稱型號規(guī)格1SB1手動開關LA2綠色2SB2停止開關LA2紅色3PRS接近開關LB08-2KM54SA轉換開關LA18-22X3DC24V四、PLC 的 1/0 地址的分配通過

22、對PLC選擇時對輸入輸出信號分析。已知輸入信號有手動開關、停止開關、接近開關、壓力繼電器等，輸出信號控制對象是換向閥。其I/O地址見下表所示。表 1-2 輸入口地址分配地址符號說明X000指令發(fā)出換力信號X001CI主鈾定位X002氣衛(wèi)Aifl回 5X003B2 jr 缸A伸出位置X004BlnaB退凹宜置X005U4弋缸U忡1 T置X006B5吒缸C退乜殲置X0G7nac伸出它建X010H7氣云。退回乜置XOHHSr 缸D伸出垃置7表 1-3輸出口地址分配地址符號說明YOOO控帶-吹 r 電磴閥Y0Q1YA2控制缸 AttihY002YA3控希.缸掩編凹YO03YA4控制 fit B 伸出Y

23、064XA5控制缸 B 縮回YOOSVA6控制肛 C 伸出Y006YA7控樹缸 C 縮回Y007控制缸 D 伸出Y01QYA9控制缸 D 縮凹8第二章 PLC 控制系統(tǒng)程序設計第一節(jié)系統(tǒng)流程圖的設計通過對自動換刀系統(tǒng)的分析，可將整個控制過程進行任務分解、 弄清楚每個狀態(tài)的功能、找出每個狀態(tài)的轉移條件及方向。而出流程圖如2-1所示：咖1,TaifJJMADSwei -刀*方血tMSOCO-H甘fU號丘/預罔-M30呵-HBOOO9圖 2-1 流程圖第二節(jié) PLC 程序設計在選擇用三菱FX2N-32MR-O01型PLC情況下，我們是選擇三菱公司為其 生產(chǎn)的PLC而丌發(fā)的編程軟件SWOPC-FXGP

24、/WIN-C。結合以上的程序段和控 制各種要求，對控制對象進行綜合分析，得到參考程序如下。、程序結構設計H6?10為便于程序的編制，先繪出整個控制程序的機構框圖， 冉分別編制自動換刀 和手動換刀的程序。程序結構圖如下：圖 2-2程序結構圖在該結構框圖中，電源開關打開后，當操作方式選擇開關置于“手動”時即(X002=0)使自動控制的程序被斷開不需被執(zhí)行。當操作方式選擇動“自動”時 即(X002=1)使手動程序被斷開，從而不須執(zhí)行。、自動換刀程序設計1.設置PLC的通信參數(shù)設置PLC的通信參數(shù)即設置D8120的參數(shù)。由D8120參數(shù)表(如表2-3) 充分考慮到換刀系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)的長度及換刀速度快的

25、特點設黃D8120=33AH數(shù)據(jù)位為7位，采用奇校驗和I位停止位，波特率為300bit/s，具有起字符和結 束字符。其中，起始字符和結束字符分別存放在D8124和D8125中，它們可根據(jù)用戶 的需要進行修改。缺省的起始字符和結束字符分別為02H和03耳這些值存貯在 符個寄存器中的低字節(jié)中。起始字符和結束字符在發(fā)送時自動加到發(fā)送的信息上。在接收信息的過程 中，除仆接收到起始字符，不然數(shù)據(jù)將被忽略。一旦收到起始字符數(shù)據(jù)被連續(xù) 地讀進直到接到結束字11符或接收緩沖區(qū)全部占滿為止。如果緩沖區(qū)占滿仍未收到 結束字符，則信息接收未完成。表 2-3 D8120 參數(shù)表拉狀態(tài)U COIT)1 (OK)|bo數(shù)

26、據(jù)氏度7侍H Pbl b2Rft (b2 bl)（01 J：奇校臉（11）:偶校驗停止12 Pb4b5b6h7波特卓Cb7 bti b5 b4)(VOID :3D0bit/s (0I0U) :600bit/scoion :1200bit/s 0110) :2100bit s(Will J :KOObit s (lOOO) :9600bit s(1001) :19200bit/s胡起始字符無D8124|_ 結棗字符_ _ 無2.自動換刀程序說明自動換刀就數(shù)控系統(tǒng)向換刀系統(tǒng)的PLC發(fā)出一個換刀信號，數(shù)控系統(tǒng)的PLC通過計算得出最近的路線進行換刀。自動換刀程序先設置通信參數(shù)，然后讀入換 刀號送入D2

27、0,當前刀號送Dl且不為0則與換刀號比較有如下三種情況：當前刀號大于換刀號當前刀號減去換刀號一與常數(shù)4進行比較，結果大于等于4則刀盤順時針換 刀，小于4則逆時針換刀。當前刀號小于換刀號小于換刀號則當前刀號加8調整后再減去換刀號， 等到活塞左移到位后與常 數(shù)4比較，如果大于等于4則刀盤順時針換刀，小于4則逆時針換刀。當前刀號等于換刀號如果等于換刀號則說明所需換的刀已經(jīng)到位， 活塞右行到位夾緊后爪繼電器 向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，整個換刀過程完成。3.自動換刀梯形圖三、程序的調試控制程序是控制整個系統(tǒng)工作的軟件，是保證系統(tǒng)工作正常、安全可靠的關 鍵。因此，控制系統(tǒng)的設計必須經(jīng)過反復調試、修改。12程序一般在實驗事進行模擬調試，實際的輸入信號可采用三菱專用編程軟件 根據(jù)流程圖將程序編制好編譯無誤后冉傳入PLC符輸出量的通斷狀態(tài)用發(fā)光二 極管米顯示，一般不用接PLC實際的負載（如電磁閥器等），實際的反饋信號（如 接近開關的接通等）。在調試時麻充分考慮符種可能的情況。系統(tǒng)和符種不同的方作方式擇流程圖 中的每一條支路，各種可能的進展路線，都應逐一檢查，不能遺漏。發(fā)