工學(xué)深孔鉆機(jī)床PLC控制電路的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE30設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目深孔鉆機(jī)床PLC控制電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出一種深孔鉆機(jī)床的自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用PLC作為控制單元，實(shí)現(xiàn)電氣控制與數(shù)字進(jìn)給控制。其中還包括對(duì)主電路的設(shè)計(jì)和控制電路的設(shè)計(jì)，以及PLC原理的分析，以及它的優(yōu)缺點(diǎn)，三相異步電動(dòng)機(jī)的控制環(huán)節(jié)及連接和保護(hù)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)進(jìn)度要求第一周：查閱資料確定課題；第二、三周：查找資料,編寫PLC控制程序；第四周：程序編好后進(jìn)行初步運(yùn)行調(diào)試、修改；第五、六周：程序通過(guò)后寫畢業(yè)論文；第七周：打印論文,準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。指導(dǎo)教師（簽名）：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，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。關(guān)鍵詞：PLC，深孔鉆，分級(jí)進(jìn)給目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 II1深孔加工技術(shù) 11.1深孔與深孔加工技術(shù) 11.2深孔加工技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 12可編程控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用 32.1可編程控制器發(fā)展歷史 32.2可編程控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用 32.3PLC編程簡(jiǎn)介 43控制方案設(shè)計(jì) 73.1控制系統(tǒng)工作原理 73.2機(jī)械結(jié)構(gòu) 83.3工藝過(guò)程及控制要求 84硬件設(shè)計(jì) 104.1主電路設(shè)計(jì) 104.2控制電路設(shè)計(jì) 114.3PLC型號(hào)的選擇 125軟件設(shè)計(jì) 175.1PLC工作方式 175.2編程軟件基本功能 185.3PLC控制程序設(shè)計(jì) 206程序運(yùn)行、監(jiān)視與調(diào)試 25致謝 26參考文獻(xiàn) 271深孔加工技術(shù)1.1深孔與深孔加工技術(shù)深孔在機(jī)械制造業(yè)中，一般將孔深超過(guò)孔徑5倍的圓柱孔（內(nèi)圓柱面）稱為深孔。而孔深與孔徑的比值，稱之為“長(zhǎng)徑比”或“深徑比”。相對(duì)而言，長(zhǎng)徑比不大于5倍的圓柱孔可稱為“淺孔”。深孔直徑的大小直接關(guān)系到加工的難度和采用的加工手段，所以生產(chǎn)實(shí)踐中常常按照深孔直徑的大小分別稱呼為特大深孔（Φ200mm以上），大深孔（Φ65~Φ200mm），普通深孔（中等直徑Φ20~65mm），小深孔（Φ4~Φ20mm），微小深孔（Φ4mm以下）。一般而言特大深孔與微小深孔比中，小深孔的加工難度更大，但是由于科學(xué)技術(shù)是不斷進(jìn)步的，所以，劃分僅用于行業(yè)內(nèi)的溝通，并非嚴(yán)格的科學(xué)定義。深孔加工技術(shù)泛指用于深孔加工的工具設(shè)備（硬件）和加工原理，操作規(guī)程，操作技巧（軟件）。在一般情況下，深孔加工技術(shù)主要指用切削加工方法和磨料工具加工深孔的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)涌現(xiàn)出了一批可用于深孔加工的特種加工技術(shù)，從而擴(kuò)大了深孔加工技術(shù)的領(lǐng)域。1.2深孔加工技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用從表象上看，深孔不過(guò)是淺孔的延長(zhǎng)，深孔加工里當(dāng)是淺孔加工方法的擴(kuò)展應(yīng)用，但實(shí)際上二者相差甚大。在各種零件中，長(zhǎng)徑比不超過(guò)5的孔隨處可見，人所知的淺孔（孔）是構(gòu)成大多數(shù)零件的不可缺少的要素。進(jìn)一步考察深孔，其主要功能有：1在較長(zhǎng)距離之間傳輸介質(zhì)，并具有密封功能。2在較長(zhǎng)距離之間傳輸力或進(jìn)行熱交換。3在較長(zhǎng)距離兩區(qū)域之間傳輸信息。4精確導(dǎo)向。在某些裝備中的深孔零件，常常具有上述多種功能。功能越多，對(duì)深孔和深孔加工技術(shù)的要求越高，其加工難度就越大。將上述深孔與淺孔的功能加以對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)二者之間具有不可替代性。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(lái)的要早。至上世紀(jì)60年代深孔加工技術(shù)被用來(lái)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(yè)裝備制造業(yè)中的一只新秀。]

2可編程控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用2.1可編程控制器發(fā)展歷史早期的可編程序控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)等。70年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價(jià)格便宜的微處理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增強(qiáng)。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面，PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語(yǔ)言，除了保持原有的邏輯運(yùn)算等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，大大提高了PLC軟、硬件功能。2.2可編程控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家，PLC已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國(guó)市場(chǎng)信息”的世界PLC以及軟件市場(chǎng)報(bào)告稱，1995年全球PLC及其軟件的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模約50億美元[4]。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能得到大大的增強(qiáng)，具有以下特點(diǎn)：1.可靠性高：PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。2.具有豐富的I/O接口模塊：PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人機(jī)對(duì)話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。3.采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4.編程簡(jiǎn)單易學(xué)。PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5.安裝簡(jiǎn)單，維修方便。PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。由于PLC強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于鋼鐵、石化、機(jī)械制造、汽車裝配、電力等各行各業(yè)。其主要功能是進(jìn)行工藝參數(shù)的采集、生過(guò)程控制、信息處理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。2.3PLC編程簡(jiǎn)介PLC的應(yīng)用設(shè)計(jì)，一般應(yīng)按下述幾個(gè)步驟進(jìn)行，具體流程見圖2.1。1熟悉被控制對(duì)象首先要全面詳細(xì)的了解被控對(duì)象的機(jī)械結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝過(guò)程，了解機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容、運(yùn)動(dòng)方式和步驟，歸納出工作循環(huán)圖或狀態(tài)(功能)流程圖。開始開始討論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編程動(dòng)作流程圖分配地址軟件開發(fā)編寫程序調(diào)試程序設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)輸入輸出裝置和PLC布線確認(rèn)I/O設(shè)備的操作程序存儲(chǔ)程序運(yùn)行維護(hù)檢查系統(tǒng)圖2.1PLC應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)流程圖2明確控制任務(wù)與設(shè)計(jì)要求要了解工藝過(guò)程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電氣執(zhí)行元件之間的關(guān)系和對(duì)電控系統(tǒng)的控制要求。例如機(jī)械部件的傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)，液壓、氣動(dòng)的控制；儀表、傳感器的連接與驅(qū)動(dòng)等。歸納出電氣執(zhí)行元件的動(dòng)作節(jié)拍圖。電控系統(tǒng)的根本任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)節(jié)拍圖。以上兩個(gè)步驟得到的圖表，綜合而完整的反映了被控對(duì)象的全部功能和對(duì)被控系統(tǒng)的全部要求，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)所在。3制定電氣控制方案根據(jù)生產(chǎn)工藝和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制要求，確定電控系統(tǒng)的工作方式，例如全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、單機(jī)運(yùn)行和多機(jī)聯(lián)線運(yùn)行等。還要確定電控系統(tǒng)應(yīng)有的其他功能，例如故障診斷與顯示報(bào)替、緊急情況的處理、管理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能等。4確定電控系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)通過(guò)研究工藝過(guò)程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的各個(gè)步驟、各種狀態(tài)、各種功能的發(fā)生、維持、結(jié)束、轉(zhuǎn)換和其他相互關(guān)系，來(lái)確定各種控制信號(hào)和各種檢測(cè)反饋信號(hào)、相互的轉(zhuǎn)換和聯(lián)系信號(hào)。并且確定哪些信號(hào)需要輸入PLC，哪些信號(hào)需要PLC輸出或者哪些負(fù)載要由PLC驅(qū)動(dòng)，分類統(tǒng)計(jì)出各種輸入、輸出量的性質(zhì)與參數(shù)。5PLC的選型和硬件配置根據(jù)以上的各個(gè)步驟所得到的結(jié)果，選擇合適的PLC型號(hào)并確定各種硬件配置。本系統(tǒng)選定了西門子公司的S7-200CPU226。6PLC元件的編號(hào)分配對(duì)各種輸入、輸出信號(hào)占用的PLC輸入、輸出端點(diǎn)及其其他元件進(jìn)行編號(hào)分配，并設(shè)計(jì)出PLC的外部設(shè)計(jì)圖口。7程序開發(fā)用PLC廠家提供的專用軟件包按照特定的規(guī)則，開發(fā)出梯形圖程序或語(yǔ)句表程序。在進(jìn)行程序開發(fā)的同時(shí)，可以平行的進(jìn)行電控系統(tǒng)的其他部分工作，例如PLC外部電路和電氣控制柜等的設(shè)計(jì)、裝配、安裝和接線工作。8現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試完成以上各種工作后，即可將已初步調(diào)試好的程序傳送到現(xiàn)場(chǎng)使用的PLC存儲(chǔ)器中，PLC接入實(shí)際輸入信號(hào)和實(shí)際負(fù)載，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試，及時(shí)解決調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題，直到完全滿足設(shè)計(jì)要求，即可交付使用。

3控制方案設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)工作原理在深孔加工中，鉆孔深度與鉆頭直徑之比往往在5倍以上。因此，在加工深孔的過(guò)程中，排屑與冷卻成為主要的問題。而在深孔加工的過(guò)程中，采用分級(jí)進(jìn)給的方法，可以使切屑順利排出，鉆頭也可以得到較好的冷卻。分級(jí)進(jìn)給的加工方法是將被加工孔分為數(shù)段進(jìn)行加工，每次加工只加工其中的一段距離。每次加工后，鉆頭就后退一定距離，并暫停一定時(shí)間，以利于排屑和冷卻。這樣經(jīng)過(guò)往復(fù)多次的加工，直到孔深達(dá)到要求，鉆頭退會(huì)原位。圖3.1工作示意圖在圖3.1中，SQ1、A為原位行程開關(guān)和擋鐵，SQ2、B為工進(jìn)行程開關(guān)和擋，SQ3、C為終點(diǎn)行程開關(guān)和擋鐵，SP1為工件夾緊完成壓力繼電器，SP2為工件放松完成壓力繼電器。開始運(yùn)行后，液壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，拖動(dòng)液壓泵推動(dòng)液壓缸夾緊工件，工件夾緊后，SP1輸入信號(hào)，動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，并快速進(jìn)給。至擋鐵B壓下SQ2，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)為工進(jìn)，冷卻泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，開始加工工件。由于是采用分級(jí)進(jìn)給，所以需要用定時(shí)器對(duì)加工時(shí)間，后退距離和暫停時(shí)間進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)多次的分級(jí)循環(huán)加工，直至孔深達(dá)到要求。這時(shí)，擋鐵C壓下SQ3，動(dòng)力頭快速后退至擋鐵A壓下SQ1,動(dòng)力頭停于原位，并放松工件，至SP2發(fā)出放松完成的信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，工作結(jié)束。3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)床動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，由接觸器控制。動(dòng)力頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由液壓驅(qū)動(dòng)，電液控制。由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液壓泵，為液壓缸提供動(dòng)力，它的快進(jìn)，快退和工進(jìn)均由直流電磁閥換向閥控制。當(dāng)某一個(gè)線圈通電后，就一直保持當(dāng)前的機(jī)械動(dòng)作，直到線圈斷電后另一動(dòng)作的線圈通電為止。例如，當(dāng)快進(jìn)線圈通電時(shí)，動(dòng)力頭快速進(jìn)給。線圈斷電后，停止快速進(jìn)給?；蛘?，工進(jìn)線圈通電，快進(jìn)停止，并轉(zhuǎn)為工進(jìn)。工作臺(tái)的放松，夾緊同樣采用液壓驅(qū)動(dòng)，電液控制。為保證機(jī)床正確，安全的運(yùn)行，在工作臺(tái)上安裝了壓力繼電器，用于檢測(cè)工進(jìn)是否夾緊。如果工作臺(tái)上的工進(jìn)沒有夾緊，則動(dòng)力頭無(wú)法啟動(dòng)。以保證機(jī)床可以安全的運(yùn)行。3.3工藝過(guò)程及控制要求如圖3.1，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(lái)控制。而在加工工件的過(guò)程中是采用的分級(jí)進(jìn)給，所以需要用定時(shí)器來(lái)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3.2所示。圖3.2工作流程圖4硬件設(shè)計(jì)4.1主電路設(shè)計(jì)圖4.1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)。圖4.1主電圖在實(shí)際運(yùn)行中，過(guò)負(fù)載、欠電壓、斷相等因素都可能造成電動(dòng)機(jī)超過(guò)其負(fù)載，即廣義上的過(guò)載。電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過(guò)載是允許的，但如果長(zhǎng)時(shí)間過(guò)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(guò)程中，可能出現(xiàn)短時(shí)間大電流的過(guò)載，熱繼電器無(wú)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(guò)負(fù)載保護(hù)。FU1、FU2、FU3為M1、M2、M3提供短路保護(hù)。4.2控制電路設(shè)計(jì)PLC與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的聯(lián)系是通過(guò)I/O接口模塊來(lái)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4.1，4.2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4.1輸入地址分配表主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕SB1I0.0工件夾緊按鈕SB7I1.1主軸電動(dòng)機(jī)停止按鈕SB2I0.1工件放松按鈕SB8I1.2液壓泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕SB3I0.2夾緊完成壓力繼電器SP2I1.3液壓泵電動(dòng)機(jī)停止按鈕SB4I0.3放松完成壓力繼電器SP1I1.4冷卻泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按鈕SB5I0.4快進(jìn)按鈕SB9I1.5冷卻泵電動(dòng)機(jī)停止按鈕SB6I0.5快退按鈕SB10I1.6原位行程開關(guān)SQ1I0.6工進(jìn)按鈕SB11I1.7工進(jìn)行程開關(guān)SQ2I0.7手動(dòng)SA1I2.0終點(diǎn)行程開關(guān)SQ3I1.0自動(dòng)SA2I2.1表4.2輸出地址分配表主軸電動(dòng)機(jī)接觸器KM1Q0.0工進(jìn)直流電磁換向閥YV1-2Q0.5液壓泵電動(dòng)機(jī)接觸器KM2Q0.2快退直流電磁換向閥YV2Q0.6冷卻泵電動(dòng)機(jī)接觸器KM3Q0.3夾緊完成壓力繼電器YV3-1Q0.7快進(jìn)直流電磁換向閥YV1-1Q0.4放松完成壓力繼電器YV3-2Q0.8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(lái)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(guò)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4.2控制電路圖。圖4.2控制電路圖4.3PLC型號(hào)的選擇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(guò)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(wú)須考慮，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(lái)選用中檔或高檔機(jī)（其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過(guò)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4.3列出了PLC的幾種功能選擇。表4.3PLC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4.4列出了S7-200型PLC各主機(jī)的性能參數(shù)。表4.4S7-200型PLC各主機(jī)的性能參數(shù)。項(xiàng)目CPU221CPU222CPU224CPU226程序存儲(chǔ)器4KB4KB8KB8KB用戶存儲(chǔ)器類型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM本機(jī)I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出擴(kuò)展模塊數(shù)量無(wú)2個(gè)模塊7個(gè)模塊7個(gè)模塊數(shù)字量I/O128入/128出128入/128出128入/128出128入/128出模擬量I/O無(wú)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256256256256計(jì)數(shù)器/定時(shí)器256/256256/256256/256256/256順序控制繼電器256256256256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1122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(1~255ms)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)1112支持協(xié)議0號(hào)口:1號(hào)口:PPI,DP/T,由口N/APPI,DP/T,由口N/APPI,DP/T,由口N/APPI,DP/T,自由口PPI,DP/T,自由口PROFIBUS點(diǎn)到點(diǎn)(NETR/NETW)(NETR/NETW)(NETR/NETW)(NETR/NETW)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4.3），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4.3CPU226端子連接圖

5軟件設(shè)計(jì)5.1PLC工作方式內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入處理程序執(zhí)行輸出處理PLC采取循環(huán)掃描的工作方式，其工作過(guò)程簡(jiǎn)圖如圖內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入處理程序執(zhí)行輸出處理圖5.1PLC掃描過(guò)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(guò)程通信服務(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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)CPU內(nèi)部設(shè)定的監(jiān)視定時(shí)器來(lái)監(jiān)視每次掃描是否超過(guò)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(guò)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)镻LC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。5.2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(yǔ)言，即語(yǔ)句表(stl)語(yǔ)言、梯形圖(lad)語(yǔ)言、功能塊圖(FWD)語(yǔ)言。語(yǔ)句表(stl)語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別適合于來(lái)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(yǔ)言。梯形圖(lad)語(yǔ)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(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級(jí)語(yǔ)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/WIN32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(guò)程中編輯器具有簡(jiǎn)單語(yǔ)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(guò)程中的語(yǔ)法檢查功能可以提前避免一些語(yǔ)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。5.3PLC控制程序設(shè)計(jì)1整體設(shè)計(jì)為在編程的過(guò)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(guò)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5.2所示。圖5.2主程序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(lái)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5.3所示。圖5.3手動(dòng)工作程序（子程序0）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(guò)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5.4為自動(dòng)控制程序梯形圖。其工作過(guò)程分析如下：⑴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)。⑵夾緊工件，I1.3接通，使Q0.6輸出信號(hào)。⑶工件