[電子電路]基于PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設計完成篇1.doc

石家莊鐵道大學畢業(yè)設計基于plc組合機床電氣控制系統(tǒng)設計based on plc combination machine tools electric control system design 2012 屆 電氣與電子工程 學院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 潘詢 學 號： 20082253 指導教師： 劉利賢 完成日期 2012年6月1日畢業(yè)設計成績單學生姓名潘詢學號20082253班級電0802-3專業(yè)自動化畢業(yè)設計題目基于plc控制組合機床電氣控制系統(tǒng)的設計指導教師姓名劉利賢指導教師職稱副教授評 定 成 績指導 教師得分評閱人得分答辯小組組長得分成績：院長簽字： 年 月 日題目基于plc控制組合機床電氣控制系統(tǒng)的設計學生姓名潘詢學號20082253班級0802-3專業(yè)自動化承擔指導任務單位電氣與電子工程學院導師姓名劉利賢導師職稱副教授1、 設計內容根據工廠生產工藝的要求，設計出一整套三面銑粗細加工組合機床加工動作的具體控制方案，并完成電氣設備的選型、接線圖及程序設計，并把操作界面及控制效果由組態(tài)王人機界面顯示出來。 二、基本要求1.五臺電機均為單向旋轉。2.機床要求有單循環(huán)自動工作、單動力頭自動循環(huán)工作、點動三種工作方式,油泵電機在自動加工一個循環(huán)后不停機。3.電源、油泵工作、工件夾緊與放松和加工等信號指示。4.必要的聯(lián)鎖環(huán)節(jié)與保護環(huán)節(jié)。三、研究方案 先評估控制對象，再設計控制方案，一步步完成設計任務。先完成硬件設計，在硬件設計的基礎上，再完成軟件設計，最后根據工廠實際情況，完成組態(tài)王人機界面的設計。四、參考文獻plc技術及應用項目教程 史宜巧 機械工業(yè)出版社plc電氣控制與組態(tài)設計 王宇 電子工業(yè)出版社三菱plc基礎與系統(tǒng)設計 劉艷梅 機械工業(yè)出版社plc及其在數控機床中的應用 祝紅芳 人民郵電出版社plc、變頻器、觸摸屏綜合應用實訓 阮友德 中國電力出版社plc原理與應用(三菱fx系列) 俞國亮 清華大學出版社 五、進度計劃第1周 - 第2周：收集資料，相關調研，確定論文方案，寫開題報告。第3周 - 第6周：查閱資料，實習參觀，初步設計第7周 - 第13周：完成設計，整理并撰寫論文，繪制圖紙。第14周 - 第15周：修改論文，提請初審，準備畢業(yè)答辯。教研室主任簽字時間 年 月 日畢業(yè)設計任務書畢業(yè)設計開題報告題目基于plc控制組合機床電氣控制系統(tǒng)的設計學生姓名潘詢學號20082253班級電0802-3專業(yè)自動化1、 研究背景 專用機床是隨著汽車工業(yè)的興起而發(fā)展起來的。在專用機床中某些部件因重復使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產生了組合機床。最早的組合機床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機床制造廠都有各自的通用部件標準。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機床制造廠協(xié)商，確定了組合機床通用部件標準化的原則，即嚴格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對部件結構未作規(guī)定。1969年美國數字設備公司（dec）研制出世界上第一臺plc，并在美國通用汽車公司的生產自動裝配在線首次應用成功，之后得到迅速發(fā)展。美國從1971年開始輸出這種技術，1973年以后，西德、日本、英國、法國相繼開發(fā)了各自的plc，并廣泛應用。廿余年來，plc的發(fā)展迅猛異常，它的應用領域可謂是各行各業(yè)。plc的出現和發(fā)展，是工業(yè)控制技術上的一個飛躍。需要特別指出的是，plc在機械行業(yè)的應用有十分重要的意義，已成為當今世界的新潮流，據國外有關資料統(tǒng)計，用于機械行業(yè)的plc銷售額占60，plc是實現機電一體化的重要手段，它既能改造傳統(tǒng)的機械產品成為機電一體化新一代的產品，又適應于生產過程控制。2、 主要工作1.熟悉并分析控制對象2.完成硬件設計，包括器件選型及接線圖3.完成軟件設計，畫出梯形圖，并給出程序4.完成組態(tài)王人機界面的設計三、預期成果 plc硬件和軟件設計全部成功完成，聯(lián)機調試一切正常。結合實際情況，組合機床能夠自動運作，plc能夠完成相關動作的控制任務。組態(tài)王人機界面的模擬顯示生動形象，能夠很準確的反應實際控制情況，讓操作人員一目了然，操作方便。指導教師簽字時 間 年 月 日 摘要本文的研究對象是三面銑組合機床,通過對主要結構和運動形式的探究以及對機床的工作過程和控制要求的分析,給出了機床動作循環(huán)圖、液壓元件動作表;并采用plc控制系統(tǒng)的設計方法, 進行了軟硬件設計,列出了plc的i/o地址分配表,繪制了plc的i/o分配圖和單循環(huán)自動工作流程圖，編寫了plc控制程序的梯形圖和指令表;再由組態(tài)王設計的人機界面顯示操作（hmi），使整個控制系統(tǒng)的操作變得簡單、方便，提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。關鍵詞:plc；組合機床；組態(tài)王；人機界面。 abstracttaking three surface milling combination machine tools for research object, and through the main structure and form of movement of exploration and for machine tools work process and control requirements analysis is presented, the machine operating cycle diagram, hydraulic components action list, and plc control system design method of software and hardware design, lists the plc i/o address allocation worksheets, painted plc i/o assignment graph and single automatic work flowchart, write plc control program ladder diagram and instructions list, by kingview design human-machine interface (hmi), make the whole control system operation simple, convenient, greatly improved the system automation degree and practicability. keywords: plc；combination machine tools；kingview and human-computer interface (hmi)。引言為了充分發(fā)揮設備效能，迅速提升加工技術與精度，越來越多的企業(yè)每年投入大量資金和技術對傳統(tǒng)老式組合機床進行技術改造，取得了良好的效果。用plc模塊、操控監(jiān)控設備等組成電氣數字控制系統(tǒng)，以實現編程輸入、人機交互、自動化加工的控制方式，擴大加工能力，減少故障，提高效率，已成為企業(yè)進行技術改造的有效途徑。根據我國當前的情況，傳統(tǒng)的控制方式采用物理電子器件和大量而又復雜的硬接線,使得系統(tǒng)的工作效率低,可靠性差,故障診斷和排除困難,嚴重影響了工廠的生產效率。隨著科學技術發(fā)展，可編程控制器的出現，采用可編程控制系統(tǒng)，無論在性能上或者效率上都得到很大提升。因此,采用plc對機床電氣控制系統(tǒng)進行技術改造,很有必要。本課題介紹了一種全新的自動化控制理念，以三菱電機公司的fx2n系列plc作為組合機床的主控制器，同時連接pc端通過工業(yè)組態(tài)技術實現遠程監(jiān)控功能，實現一個全新的自動控制系統(tǒng)。目錄第一章、三面銑組合機床概述- 1 -1.1、組合機床概述- 1 -1.1.1、組合機床的發(fā)展史- 1 -1.1.2、組合機床的部件分類- 1 -1.2、組合機床特點- 2 -1.3、機床主要結構部件- 2 -1.4、機床加工工件示意圖- 2 -1.5、機床工作過程- 3 - 1.6、組合機床裝配模型- 3 -1.7、三面銑組合機床的電氣控制要求- 3 -第二章、plc控制系統(tǒng)硬件設計- 4 -2.1、plc的簡介- 4 -2.2、plc控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟- 5 -2.2.1、plc控制系統(tǒng)設計的基本原則- 6 -2.2.2、plc控制系統(tǒng)設計的一般步驟- 6 -2.3、plc的選型- 9 -2.4、plc的i/o分配表- 9 -2.5、plc的i/o分配圖- 10 -2.6、變頻調速器- 11 -2.6.1、變頻器的概述- 11 -2.6.2、變頻器原理- 11 -2.6.3、變頻器的選型- 12 -2.7、主電路設計圖- 15 -第三章、plc控制系統(tǒng)軟件設計- 16 -3.1、plc的編程語言與編程方法- 16 -3.1.1、plc的編程語言- 16 -3.1.2、plc的編程方法- 17 -3.2、plc編程軟件概述- 18 -3.3、plc控制系統(tǒng)程序設計- 20 -3.4、程序設計- 20 -第四章、基于組態(tài)王的人機界面（hmi）設計- 23 -4.1、人機界面（hmi）設計- 24 -4.2、定義設備和連接變量- 25 -4.3、數據變量定義- 25 -4.4、動畫連接與命令語言- 26 -第五章、總結- 30 -參考文獻- 31 -致 謝- 32 -附錄a1、外文資料翻譯原文- 33 -附錄a2、外文資料翻譯譯文- 38 -附錄b、梯形圖- 42 -附錄c、指令表- 47 -石家莊鐵道大學畢業(yè)設計第一章、三面銑組合機床概述三面銑組合機床是用來進行銑銷加工的一種自動加工設備，其作用對象是z512w型臺式鉆床主軸箱的80、90孔端面及定位面。1.1 組合機床概述 1.1.1、組合機床發(fā)展史 二十世紀70年代以來，隨著可轉位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動檢測和刀具自動補償技術的快速發(fā)展，組合機床的加工精度也有很大的提高。銑削平面的平面度可達0.05毫米1000毫米，表面粗糙度可低達2.50.63微米；鏜孔精度可達it76級，孔距精度可達o.03o.02微米。隨著汽車工業(yè)的興起，專用機床也逐漸發(fā)展起來。在專用機床中某些部件因重復使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產生了組合機床。最早的組合機床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機床制造廠都有各自的通用部件標準。為了便于用戶使用和維修，提高不同制造廠的通用部件的互換性，美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機床制造廠于1953年協(xié)商，嚴格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，確定了組合機床通用部件標準化的原則，即但對部件結構未作規(guī)定。1.1.2、組合機床部件分類組合機床通用部件按功能可分為五類。動力部件主要有動力箱、切削頭和動力滑臺，是為組合機床提供主運動和進給運動的部件。支承部件有側底座、中間底座、支架、可調支架、立柱和立柱底座等，是用以安裝動力滑臺、帶有進給機構的切削頭或夾具等的部件。輸送部件主要有分度回轉工作臺、環(huán)形分度回轉工作臺、分度鼓輪和往復移動工作臺等，是用以輸送工件或主軸箱至加工工位的部件。控制部件有液壓站、電氣柜和操縱臺等，是用以控制機床的自動工作循環(huán)的部件。輔助部件主要就是有潤滑裝置、冷卻裝置和排屑裝置等。1.2 組合機床的特點組合機床是用按一定規(guī)則和標準設計的通用部件以及按被加工零件的形狀和工藝要求設計的專用部件組成的專用機床。組合機車是由專用機床和萬能機床發(fā)展來的，它結構簡單，又能夠重新調整，適應新工件的加工。組合機床與萬能機床和專用機床相比，有以下幾個特點：1、組合機床結構穩(wěn)定、工作可靠，使用和維修方便。 2、組合機床設計和制造的周期短，投資少，經濟效果好。3、組合機床生產效率高，產品質量穩(wěn)定，勞動強度低。4、組合機床其通用部件和標準零件可以重復利用，不必另行設計和制造。5、組合機床由于采用專用夾具、刀具和導向裝置等，對操作工人水平要求不高，加工質量靠工藝裝備保證。6、組合機床易于聯(lián)成組合機床自動線，以適應大規(guī)模的生產需要。1.3、機床主要結構部件機床主要部件包括床身、工作臺、底座、銑削動力頭、液壓動力滑臺、工件松緊油缸、液壓站等組成。機床床身安放在底座上，床身上安裝有液壓動力滑臺，工件及夾緊裝置放于滑臺上。床身的兩邊各安裝有一臺銑銷頭，上方有立銑頭，液壓站在機床附近。1.4、機床加工工件示意圖 圖 1.1 80、90孔端面及定位面1.5、機床工作過程用工作臺上的夾具固定要加工的零件，其他工作準備就緒后，發(fā)出加工指令。工件夾緊后壓力繼電器動作，液壓動力滑臺（即工作臺）開始快進，到位轉工進，然后同時起動左銑頭、右1號銑頭開始加工，加工到某一位置，立銑頭開始加工，加工又走一定位置后右1號銑頭停止，右2號銑頭開始加工，加工到終點三臺電機同時停止。待電機完全停止后，滑臺退回原位，工件松開，一個自動工作循環(huán)結束。1.6、組合機床裝配模型1.6.1零部件間參數約束的描述 零部件間參數關系可以反映在零部件相互約束關系和零部件間可配套約束關系兩個方面。 這種描述首先需要確定一個與其它部件發(fā)生關系最多的一個零件或部件為基準件。以此基準件為核心，再分別描述其它基準件的位置關系，就能構建該產品各零部件的位置約束關系模型。對于組合機床整機而言，各個加工單元都是相對于中間底座或工作臺布置的，所以可以將中間底座或工作臺作為基準件來描述；而對于各個加工單元來說，則可以側底座為基準件來描述該單元內部各零部件之間的位置約束關系。1.7、三面銑組合機床的電氣控制要求三面銑組合機床有左銑削頭、右銑1號削頭、右銑2號削頭、立銑削頭和液壓泵五臺三相交流籠型異步電機,設計要求如下:(1)機床有單動力頭自動循環(huán)工作、點動、單循環(huán)自動工作三種工作方式。(2)五臺電機均為單向旋轉。(3)要求有電源、油泵工作、工件夾緊與放松和加工等信號指示。(4)油泵電機在自動加工一個循環(huán)后不停機。(5)必要的聯(lián)鎖與保護環(huán)節(jié)。第二章、plc控制系統(tǒng)硬件設計本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計角度，介紹該項目的plc控制系統(tǒng)設計步驟、系統(tǒng)的硬件配置、主電路設計等。2.1、plc的簡介 plc實體圖plc（programmable logic controller）可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統(tǒng)?？删幊炭刂破魇怯嬎銠C家族中的一員，它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數和演算等功能，并通過數字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機械或生產過程。1969年美國數字設備公司（dec）研制出世界上第一臺plc，并在美國通用汽車公司的生產自動裝配在線首次應用成功，之后得到迅速發(fā)展。美國從1971年開始輸出這種技術，1973年以后，西德、日本、英國、法國相繼開發(fā)了各自的plc，并廣泛應用。廿余年來，plc的發(fā)展迅猛異常，它的應用領域可謂是各行各業(yè)。需要特別指出的是，plc在機械行業(yè)的應用有十分重要的意義，已成為當今世界的新潮流，據國外有關資料統(tǒng)計，用于機械行業(yè)的plc銷售額占60，plc是實現機電一體化的重要手段，它既能改造傳統(tǒng)的機械產品成為機電一體化新一代的產品，又適應于生產過程控制。plc的特點如下：（1）可靠性高，抗干擾能力強電氣控制設備的一個關鍵性能就是高可靠性。plc的i/o采用了隔離措施，并應用大規(guī)模集成電路，故能適應各種惡劣的環(huán)境，能直接安裝在機器設備上運行。例如三菱公司生產的f系列plc平均無故障時間可以達到30萬小時。一些使用冗余cpu的plc的平均無故障工作時間則更長。（2）編程簡單，易學易用plc作為通用工業(yè)控制計算機的一種，是面向工礦企業(yè)的工控設備。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，具有一定的電工和工藝知識的人員可在短時間學會并應用自如。只用plc的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。（3）配套齊全，功能完善，適用性強plc發(fā)展到今天，已經形成了各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。不同的控制對象，可以采用相同的硬件，只需編制不同的軟件，就可實現不同的控制。除了邏輯處理功能以外，現代plc大多可用于各種數字控制領域，具有完善的數據運算能力，使plc滲透到了位置控制、溫度控制、cnc等各種工業(yè)控制中。 （4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 plc用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短。plc一般采用模塊結構，又具有自診斷功能，判斷故障迅速方便，維修時只需更換插入式模塊，因而維修十分方便。更重要的是使同一設備經過改變程序來改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 （5）體積小，容量大，重量輕，能耗低 ，成本低目前新出產的超小型plc品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。它可以完成相當于200500個繼電器組成的系統(tǒng)的控制功能，而其成本僅相當于相同功能繼電器系統(tǒng)的（1030），由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。plc在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。 plc的領域大致可歸納為如下幾類。 （1）開關量的邏輯控制 （2）模擬量控制 （3）運動控制 （4）過程控制 （5）數據處理 （6）通信及聯(lián)網 2.2、plc控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟無論是用plc組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)，plc控制部分的設計都可以參考圖2.1所示的步驟。圖2.1 2.2.1、plc控制系統(tǒng)設計的基本原則在實際設計過程中，設計原則會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為以下4點。 (1)可靠性原則確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性。(2)完整性原則最大限度的滿足工業(yè)生產要求或機械設備的控制要求。(3)經濟型原則力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。(4)發(fā)展性原則適當考慮生產發(fā)展和工藝改進的需要，在i/o接口、通信能力等方面留有余地。2.2.2、plc控制系統(tǒng)設計的一般步驟plc控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指plc外部設備的設計，而軟件設計即plc應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計分以下6步進行。1、熟悉被控對象這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護;電氣系統(tǒng)與機械、液壓、氣動及各儀表等系統(tǒng)間的關系;plc與其他設備的關系，plc之間是否通信聯(lián)網;系統(tǒng)的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。2、評估控制任務 根據系統(tǒng)所需完成的控制任務，對被控對象的生產工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。(1)可靠性要求：當i/o點數在20甚至更少時，就趨向于選擇plc控制了。(2)數據處理速度：若數據處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用plc控制則非常適宜。(3)工藝復雜程度：若工藝要求比較復雜時,plc控制具有更大的優(yōu)越性.(4)控制規(guī)模：一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的i/o設備總數來衡量。當控制規(guī)模較大時,特別是開關量控制的i/o設備較多時，最適合采用plc控制。3、硬件選擇(1) 系統(tǒng)i/o設備的選擇。輸入設備包括按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等。輸出設備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。(2) 選擇plc。plc選擇包括對plc的機型、i/o模塊、容量、電源等的選擇。(3) 計數器、定時器及內部輔助繼電器的地址分配。(4) 繪制plc外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入plc的控制電路等。由plc的i/o連接圖和plc外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經確定。4、編寫應用程序 根據控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設計方法來設計plc程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現各控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常應包括以下內容： (1)初始化程序。初始化程序的主要內容有：對某些數據區(qū)、計數器等進行清零，對某些數據區(qū)所需數據進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。 (2)檢測、故障診斷和顯示等程序。(3)保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 5、程序調試程序調試分為模擬調試和現場調試2個階段。程序模擬調試是模擬產生現場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據產生現場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設備（如用另一臺plc或一些輸入器件等）模擬產生現場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到plc系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。 (2)軟件模擬法是在plc中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現場信號，其簡單易行，但時效性不易保證?，F場調試：當控制臺及現場施工完畢，程序模擬調試完成后，就可以進行現場調試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。6、編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、plc程序、電氣元件明細表以及使用說明書等。2.3、plc的選型本機床控制系統(tǒng)采用的是日本三菱公司的fx2n系編程控制器，根據設計的機床控制系統(tǒng)對輸入輸出的要求，本機床控制系統(tǒng)設計選擇了日本三菱公司生產的fx2n系列可編程控制器中的fx2n80mr-001。該型號的輸入點數40個，輸出點數40個，輸出形式是r-繼電器輸出（有接點，交流、直流負載兩用）。不但滿足本設計中的輸入輸出點數的基本要求，而且為日后本機床控制系統(tǒng)的升級改造保留有一定的系統(tǒng)擴展空間。圖 2.2 fx2n系列可編程控制器中的fx2n-80mr-001 2.4、plc的i/o分配表本控制系統(tǒng)的plc的輸入、輸出點數的確定是根據控制系統(tǒng)設計要求和所需控制的現場設備數量加以確定。（1）plc的輸入端口包括自動循環(huán)工作按鈕、點動按鈕、油泵啟動、總停按鈕、sa1等，還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點。（2）plc的輸出端口包括運行指示燈、交流接觸器、繼電器等。plc的i/o分配表如下所示：2.5、plc的i/o分配圖2.6、變頻調速器2.6.1、變頻器的概述變頻器是把工頻電源(50hz或60hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。變頻器的分類按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照工作原理分類，可以分為v/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器；按照開關方式分類，可以分為pam控制變頻器、pwm控制變頻器和高載頻pwm控制變頻器等。2.6.2、變頻器原理1、變頻器的基本構成變頻器有交-直-交和交-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接轉換成頻率、電壓均可控制的交流；交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器轉換成直流，然后再把直流轉換成頻率、電壓均可控制的交流，其基本構成如圖6所示。主要由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成。圖6圖2.4 交直交變頻器的基本構成整流器主要是將電網的交流整流成直流；逆變器是通過三相橋式逆變電路將直流逆變成任意頻率的三相交流；中間環(huán)節(jié)又叫中間儲能環(huán)節(jié)；由于變頻器的負載一般為電 動機，屬于感性負載，運行中中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率交換，這種無功功率將由中間環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖；控制電路主要是完成對整流器的電壓控制，對逆變器的開關控制以及完成各種保護功能。2、變頻器的調速原理三相異步電動機的轉速公式： 式中同步轉速;電源頻率，單位為hz;電動機極對數;電動機轉差率。從公式可知，改變電源頻率即可實現調速。對異步電動機實行調速時，希望主磁通保持不變，因為磁通太弱，鐵芯利用不充分，同樣轉子電流下轉矩減小，電動機的負載能力下降；若磁通太強，鐵芯發(fā)熱，波形變壞。如何實現磁通不變？根據三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為:式中電動機定子頻率，單位為hz;定子相繞組有效匝數;每極磁通量，單位為wb。從公式可知，對和進行適當控制即可維持磁通量不變。因此，異步電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻器獲得電壓和頻率均可調節(jié)的供電電源。2.6.3、變頻器的選型根據設計的機床控制系統(tǒng)對電機的功率、性能等等的要求，本機床控制系統(tǒng)設計選擇了日本三菱公司生產的fr-f700系列通用變頻器中的fr-f740-22k-cht1。變頻器的參數變頻器用于單純可變速運行時，可按出廠設定的參數運行即可，若考慮負荷、運行方式時，必須設定必要的參數。對于三菱fr-fr740-22k-cht1變頻器的性能參數，可以根據實際需要來設定，文中僅介紹一些常用的參數，有關其他參數，請參考附錄或有關設備使用手冊。簡單參數一覽表如下：變頻器的端子fr-f740-22k-cht1型變頻器的主接線一般有6個端子，其中輸入端子r（l1）、s（l2）、t（l3）接三相電源；輸出端子u、v、w接三相電動機，切記不能接反，否則，將損毀變頻器，其接線如變頻器端子接線圖所示。變頻器端子接線如圖2.5所示：圖2.5 變頻器端子接線圖2.7、主電路設計圖第三章、plc控制系統(tǒng)軟件設計本文上一章介紹了本系統(tǒng)的硬件設計，本章在硬件設計的基礎上，將介紹本系統(tǒng)軟件設計，主要包括軟件設計的基本方法、步驟，編程軟件gx-developer的介紹以及本系統(tǒng)的軟件程序設計等。3.1、plc的編程語言與編程方法3.1.1、plc的編程語言plc的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既滿足易于編寫，又滿足易于調試的要求。不管什么型號的plc，其編程語言都具有以下特點：圖形式指令結構 簡化的程序結構簡化應用軟件生成過程明確的變量常數強化調試手段總之，plc的編程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓練。iec（國際電工委員會）中的plc編程語言標準中有五種編程語言：梯形圖編程語言、順序功能圖編程語言、指令語句表編程語言、功能塊圖編程語言、結構文本編程語言。 其中最常用的就是梯形圖編程語言和指令語句表編程語言。 1、梯形圖編程語言：是在原繼電器接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的plc編程語言。 注意：梯形圖表示的并不是一個實際電路而只是一個控制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關系，即所謂“軟接線”。它們并非是物理實體，而是“軟繼電器”。每個“軟繼電器”僅對應plc存儲單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時，對應的繼電器線圈接通，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開；狀態(tài)為“0”時，對應的繼電器線圈斷開，其常開、常閉觸點保持原態(tài)。 梯形圖編程格式：（1）梯形圖按行從上至下編寫，每一行從左往右順序編寫。plc程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。（2）梯形圖左、右邊垂直線稱為起始母線、終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起，終止于繼電器線圈或終止母線（有些plc終止母線可以省略）。（3）梯形圖的起始母線與線圈之間一定要有觸點，而線圈與終止母線之間則不能有任何觸點。2、指令語句表編程語言：助記符語言類似于計算機匯編語言，用一些簡潔易記的文字符號表達plc的各種指令。同一廠家的plc產品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應的，可互相轉換。助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖語言則多用于計算機編程環(huán)境中 。3.1.2、plc的編程方法在設計plc程序時，可以根據自己的實際情況，采用下列不同的方法。1、解析法可利用組合邏輯或時序邏輯的理論，并運用相應的解析方法，對其進行邏輯關系的求解，然后再根據求解的結果，畫成梯形圖或直接寫出程序。解析法比較嚴密，可以運用一定的標準，使程序優(yōu)化，可避免編程的盲目性，是較有效的方法。2、經驗法即是運用自己的或別人的經驗進行設計，設計前選擇與設計要求相類似的成功的例子，并進行修改，增刪部分功能或運用其中部分程序，直至適合自己的情況。在工作過程中，可收集與積累這樣成功的例子，從而可不斷豐富自己的經驗。3、技巧法技巧法是在經驗法和解析法的基礎上，運用技巧進行編程，以提高編程質量。還可以使用流程圖做工具，講巧妙的設計形式化，進而編制所需要的程序。該方法是多種編程方法的綜合應用。4、圖解法圖解法是靠畫圖進行設計。常用的方法有梯形圖法、流程圖法及時序圖（波形圖）法。梯形圖法是基本方法，無論是經驗法還是解析法，若將plc程序轉化成梯形圖后，就要用到梯形圖法。流程圖法是用框圖表示plc程序執(zhí)行過程及輸入條件與輸出關系，在使用步進指令的情況下，用它設計是很方便的。時序圖（波形圖）法適合于時間控制電路，將對應信號的波形畫出后，再依時間邏輯關系去組合，就可很容易把電路設計出。圖解法和解析法不是彼此獨立的。解析法要畫圖，圖解法也要列解析式，只是兩種方法的側重點不一樣。5、計算機輔助設計計算機輔助設計是利用plc通過上位鏈接單元與計算機實現鏈接，運用計算機進行編程。該方法需要有相應的編程軟件。3.2、plc編程軟件概述三菱plc編程軟件gx-developer是三菱通用性較強的編程軟件，它能夠完成q系列、qna系列、a系列（包括運動控制cpu）、fx系列plc梯形圖、指令表、sfc等的編輯。該編程軟件能夠將編輯的程序轉換成gppq、gppa格式的文檔，當選擇fx系列時，還能將程序存儲為fxgp（dos）、fxgp（win）格式的文檔，以實現與fx-gp/win-c軟件的文件互換。該編程軟件能夠將excel、word等軟件編輯的說明性文字、數據，通過復制、粘貼等簡單操作導入程序中，使軟件的使用、程序的編輯更加便捷。此外，gx-developer編程軟件還具有以下特點。（1）操作簡便標號編程。功能塊。使用宏定義。（2）豐富的調試功能由于運用了梯形圖邏輯測試功能，能夠更加簡單的進行調試作業(yè)。通過該軟件可進行模擬在線調試，不需要與可編程控制器連接。程序編輯過程中發(fā)生錯誤時，軟件會提示錯誤信息或錯誤原因，所以能大幅度縮短程序編輯的時間。在幫助菜單中有cpu出錯信息、特殊繼電器/特殊寄存器的說明等內容，所以對于在線調試過程中發(fā)生錯誤，或者是程序編輯中想知道特殊繼電器/特殊寄存器的內容的情況下，通過幫助菜單可非常簡便的查詢到相關信息。（3）能夠用各種方法和可編程控制器cpu連接經由usb接口與可編程控制器cpu連接；經由串行通信口與可編程控制器cpu連接；經由cc-link與可編程控制器cpu連接；經由melsec net（ii）與可編程控制器cpu連接；經由melsec net/10（h）與可編程控制器cpu連接；經由計算機接口與可編程控制器cpu連接；經由ethernet與可編程控制器cpu連接。gx-developer編程軟件的操作界面為圖3.1所示，該操作界面大致由下拉菜單、編程區(qū)、工具條、狀態(tài)條、工程數據列表等部分組成。需要特別注意的是在fx-gp/win-c編程軟件里稱編輯的程序為文件，而在gx-developer編程軟件中稱之為工程。圖3.1 三菱plc編程軟件操作界面與fx-gp/win-c編程軟件的操作界面相比，該軟件取消了功能圖、功能鍵，并將這兩部分內容合并，作為梯形圖標記工具條；新增加了工程參數列表、數據切換工具條、注釋工具條等。這樣友好的直觀的操作界面使操作更加簡便。圖3.1中引出線所示的名稱、內容說明如下表所示：序號名稱內容1下拉菜單包含工程、編輯、查找/替換、交換、顯示、在線、診斷、工具、窗口、幫助，共10個菜單2標準工具條由工程菜單、編輯菜單、查找/替換菜單、在線菜單、工具菜單中常用的功能組成。3數據切換工具條可在程序菜單、參數、注釋、編程元件內存這四個項目中切換4梯形圖標記工具條包含梯形圖編輯所需要使用的常開觸點、常閉觸點、應用指令等內容5程序工具條可進行梯形圖模式，指令表模式的轉換；進行讀出模式，寫入模式，監(jiān)視模式，監(jiān)視寫入模式的轉換6sfc工具條可對sfc程序進行塊變換、塊信息設置、排序、塊監(jiān)視操作7工程參數列表顯示程序、編程元件注釋、參數、編程元件內存等內容，可實現這些項目的數據的設定8狀態(tài)欄提示當前的操作：顯示plc類型以及當前操作狀態(tài)等9操作編輯區(qū)完成程序的編輯、修改、監(jiān)控等的區(qū)域10sfc符號工具條包含sfc程序編輯所需要使用的步、塊啟動步、選擇合并、平行等功能鍵11編程元件內存工具條進行編程元件的內存的設置12注釋工具條可進行注釋范圍設置或對公共/各程序的注釋進行設置3.3、plc控制系統(tǒng)程序設計1、設計思路三面銑組合機床有單循環(huán)自動工作、單動力頭自動循環(huán)工作、點動三種工作方式,下面以一個自動工作循環(huán)為例分析單循環(huán)自動工作過程控制。首先將轉換開關sa1扳至“單循環(huán)自動工作sa1-1”位置,當操作者將要加工的零件放在液壓滑臺的夾具中后(其他準備工作就緒),按加工指令按鈕,工件開始夾緊,夾緊后工件壓力繼電器觸點動作,滑臺開始快進,原位開關sq1復位;當滑臺壓下滑臺快進轉工進位置開關sq2后轉工進,同時起動左銑頭和右1銑頭開始加工;當加工到指定位置sq3,立銑頭開始加工;又過一定sq4位置時,右1銑頭停止,右2銑頭開始加工,直到終點三臺電動機同時停止。此時,當死擋鐵停留壓力繼電器bp1觸點動作后滑臺自動快速退回原位,sq1受壓,工件松開,一個自動工作循環(huán)結束。2、程序流程圖設計程序流程圖如圖3.2所示圖3.2 程序流程圖3.4、程序設計利用主控指令來實現組合機床的熱繼電器過載和總停的時候停止機床工作。 組合機床的三種工作方式：單循環(huán)自動工作、單動力自動循環(huán)工作和點動工作。有相應的指示燈來顯示工作狀態(tài)。除了在點動工作方式下，當加工指令按鈕按下時，油泵電機就會自動運行，同時指示燈也會亮。另外在前兩種工作方式下，油泵電機在自動加工一個循環(huán)后不停機。在點動工作方式下完成加工后就停機。當工件在滑臺原位位置且油泵電機正在運行的時候，才能對工件進行“夾緊”和“放松”的操作。在點動工作方式下，需按下“工件夾緊點動工作按鈕”才能操作。在另外兩種工作方式下，按下“加工指令按鈕”就會自動完成相應的操作。當工件完成“夾緊”的操作之后才能進行滑臺的移動。在點動工作方式下，需按下“滑臺快進點動工作按鈕”進行滑臺快進的點動操作。在另外兩種工作方式下，工件夾緊壓力繼電器得電就會自動進行快進移動。當滑臺到達指定位置，就會進行“快進”和“工進”的轉換。當滑臺到達工件加工指定位置，在單循環(huán)自動工作方式下左銑電機自動啟動運行。在單動力自動循環(huán)工作和點動工作方式下，需按下相應的啟動按鈕進行操作。當滑臺到達工件加工指定位置，在單循環(huán)自動工作方式下右銑1電機自動啟動運行。在單動力自動循環(huán)工作和點動工作方式下，需按下相應的啟動按鈕進行操作。另外在工件到達右銑1和右銑2切換開關位置時，右銑1電機自動停止，此時右銑2自動開始運行。當滑臺工件到達立銑頭加工區(qū)指定位置，在單循環(huán)自動工作方式下立銑電機自動啟動運行。在單動力自動循環(huán)工作和點動工作方式下，需按下相應的啟動按鈕進行操作。當滑臺的工件使“死檔鐵停留壓力繼電器”得電，左銑、右銑1、右銑2和立銑的電機停機。同時，滑臺快退電磁閥得電使滑臺快退。在點動工作方式下，完成工件加工并取下工件后，使油泵電機停止運行。第四章、基于組態(tài)王的人機界面（hmi）設計人機界面（hmi）監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應的功能子畫面組成，人機界面（hmi）畫面設計對于人機界面（hmi）來說是非常關鍵的。人機界面（hmi）畫面是用組態(tài)軟件來做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的wincc、羅克韋爾公司的rsview及國產的組態(tài)王、力控等。在本控制系統(tǒng)設計中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設計。組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它把過程控制設計、現場操作以及工廠資源管理融于一體，將一個企業(yè)內部的各種生產系統(tǒng)和應用以及信息交流匯集在一起，實現最優(yōu)化管理。它基于microsoft windows xp/nt/2000 操作系統(tǒng)，用戶可以在企業(yè)網絡的所有層次的各個位置上都可以及時獲得系統(tǒng)的實時信息。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)監(jiān)控工程，可以極大地增強用戶生產控制能力、提高工廠的生產力和效率、提高產品的質量、減少成本及原材料的消耗。它適用于從單一設備的生產運營管理和故障診斷，到網絡結構分布式大型集中監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)。組態(tài)王軟件結構由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構成。 工程管理器：工程管理器用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有工程進行搜索、添加、備份、恢復以及實現數據詞典的導入和導出等功能。 工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設備及相關變量、動畫鏈接、命令語言以及設定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。 運行系統(tǒng)：工程運行界面，從采集設備中獲得通訊數據，并依據工程瀏覽器的動畫設計顯示動態(tài)畫面，實現人與控制設備的交互操作。一、組態(tài)王的主要功能特性：1）可視化操作界面，真彩顯示圖形、支持漸進色、豐富的圖庫、動畫連接。 2）可以對畫面中的一部分進行保存，以便以后進行分析或打印。 3）無與倫比的動力和靈活性，擁有全面的腳本與圖形動畫功能。4）強大的腳本語言處理，能夠幫助你實現復雜的邏輯操作和與決策處理。 5） 變量導入導出功能，變量可以導出到excel表格中，方便的對變量名稱等屬性進行修改，然后再導入新工程中，實現了變量的二次利用，節(jié)省了開發(fā)時間。6）強大的分布式報警、事件處理，支持實時、歷史數據的分布式保存。7）方便的配方處理功能。 8）全新的webserver架構，全面支持畫面發(fā)布、實時數據發(fā)布、歷史數據發(fā)布以及數據庫數據的發(fā)布。 9）豐富的設備支持庫，支持常見的plc設備、智能儀表、智能模塊。二、組態(tài)王的功能：組態(tài)軟件具有監(jiān)控和數據采集系統(tǒng)，好處之一就是能大大縮短開發(fā)時間，并能保證系統(tǒng)的質量。能快速便捷地進行數據采集和圖形維護。組態(tài)王提供了豐富的快速應用設計的工具。1、快速便捷的應用設計；2、靈活簡便的變量定義和管理；3、強大的控制語言；4、豐富的可擴充的圖形庫；5、對多媒體的支持；6、采集和顯示歷史數據；7、全新的靈活多樣、操作簡單