凡尔座圈专用机床PLC控制系统设计--毕业论文.doc

成都理工大学工程技术学院毕业论文凡尔座圈专用机床PLC控制系统设计作者姓名：专业名称：电气工程及其自动化指导教师：凡尔座圈专用机床PLC控制系统设计摘要PLC目前已广泛应用于工业生产的自动控制领域，无论是从国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，都普遍采用了数字控制，而这些数字控制系统绝大部分是由单台或多台可编程控制器构成，PLC以其高可靠性和操作的简便性等优点，已经形成了一种趋势，这种趋势正方兴未艾。凡尔座圈专用机床用于凡尔座圈的加工，主轴箱前端的液压卡盘夹紧凡尔座圈的坯料作旋转运动，尾架上装上由膛孔刀和平面车刀，工作进给后，完成镗内孔和沉孔加工；前刀架上装有精车刀，工作进给后，完成端面精车；后刀架上装有切刀，工进后割断加工完成的工件。由于工艺流程复杂，若采用传统继电器控制，电器元件多，线路复杂，可靠性差，且故障复杂，故采用PLC对其控制系统进行了改造。本文介绍了凡尔座圈专用机床工艺流程，设计出基于PLC的自动控制系统，对机床的结构与工作原理、PLC控制系统的硬件及软件设计作了详细的分析。PLC控制系统在机床自动控制中有着很多的优势，有待我们进一步的学习和研究。关键词：PLC 控制系统 专用机床AbstractPLC has been widely used in industrial production the field of automation and control, whether it is imported from the automation of production lines, or self-designed automatic control systems which are commonly used in digital control, digital control system which is the vast majority of single or constitute more than one programmable logic controller, PLC for its high reliability and ease of operation, etc., has become a trend, this trend is ascendant.Block Seoul circle where a dedicated machine for the seat where the processing of Seoul, spindle box in front of where the hydraulic clamping chuck Block Seoul blank circle for rotary movement, the end of the shelves by the bore hole equipped with knives and plane tools, work into the to after the completion of boring holes within the hole and Shen processing; before the tool carrier is equipped with precision tools, the work of feeding, the complete end Finish; after the tool carrier is equipped with a cutter, the cut into the processing after the completion of the workpiece. Due to the complex process, if control of the traditional relay, electrical components, and circuit complexity, poor reliability, and failure complicated, therefore the use of PLC control system for its transformation.In this paper, where a dedicated machine seat Seoul process, the design of the automatic control system based on PLC on the machine tool structure and working principle, PLC control system hardware and software detailed design analysis.PLC control system for automatic control in the machine tool has many advantages, yet we further study and research.Keyword: PLC, controller control system, Special Purpose Machine目录摘要IAbstractII目录III前言11. 可编程控制器介绍21.1 概述21.1.1 PLC的产生和发展21.1.2 PLC的特点31.1.3 PLC的分类31.2 PLC的组成及工作原理41.2.1 PLC的硬件组成41.2.2 PLC的软件组成51.3 PLC的工作原理62. 凡尔座圈专用机床介绍72.1 凡尔座圈专用机床及加工过程概述72.2 凡尔座圈专用机床控制要求123. 机床控制系统硬件设计133.1 主电路和控制电源的设计133.2 机床工艺系统硬件设计143.2.1 PLC的选择143.2.2 PLC的I/O口分配203.2.3 PLC硬件接线图设计223.2.4 其它电器元件的选择223.3 绘制电器元件布置图和电气安装接线图263.4 绘制控制面板布置图和接线图274.系统软件设计304.1 PLC功能流程图304.2 PLC的梯形图程序324.2.1 程序的总体结构324.2.2程序的整体设计33总结42致谢43参考文献44附件 电气原理图45-III-凡尔座圈专用机床PLC控制系统设计前言可编程序控制器(PLC)，是以微处理器为核心的通用自动控制装置。它具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展、通用性强等一系列优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制和应用于工厂自动化网络，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。PLC目前已广泛应用于工业生产的自动化控制领域，无论是从国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，都普遍采用了数字控制，而这些数字控制系统绝大部分是由单台或多台可编程控制器构成，PLC以其高可靠性和操作的简便性等优点，已经形成了一种趋势，这种趋势正方兴未艾。凡尔座圈专用机床为液压控制，电气控制采用PLC可编程控制器，液压系统保证液压机连续，频繁的稳定工作。配有油液冷却装置。采用按钮集中控制，同时装有机械限位装置，从而保证制品的一致性。由于继电器接触器控制是采用固定接线的硬件实现逻辑。如果生产任务或生产工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触控制，使用继电器数量多，控制系统体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。而PLC控制能改善继电器控制器上述的不足, PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术。从运动控制到过程控制PLC以其可靠性高、灵活性强、抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、使用方便、适应面广、编程简单、容易掌握、体积小、重量轻、功耗低、维护方便、减少了控制系统的设计及施工的工作量等优势特点，迅速占领了工业控制领域。本论文首先介绍了可编程逻辑控制器，然后介绍了凡尔座圈专用机床工作原理，根据它的工作原理及控制要求设计出电气原理图和基于可变程序控制器的控制系统。1. 可编程控制器介绍1.1 概述可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族的一员是为工业控应用设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controlle)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称为PLC。国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是这样的：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。1.1.1 PLC的产生和发展在可编程序控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是传统的电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。1969年美国数字设备公司(DEC)研制出一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用，到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。我国从1974年开始研制，1977年开始应用于工业。早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义。其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采用了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点是简单易懂、便于安装、体积小、能耗低，有故障显示，能重复使用等。20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)，这样使PLC的功能大大增强。在软件方面，增加了算术运算、数据处理和传送、通信、自诊断等功能。在硬件方面，增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加。除此之外，还提供了一定数量的数据寄存器。进入20世纪80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。1.1.2 PLC的特点PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要有以下特点：(1) 灵活；(2) 便于改进和修改；(3) 节点利用率高；(4) 成本低；(5) 可模拟调试；(6) 能对现场进行微观监视；(7) 快速动作；(8) 可靠性高；(9) 图纸简化；(10) 易于系统的变化。1.1.3 PLC的分类PLC产品的种类繁多，其规格和性能也个不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。1. 根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。2. 根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。3. 根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型、和大型三类。1.2 PLC的组成及工作原理PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。1.2.1 PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备于CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。1. 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它控制PLC系统程序属于的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器/以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入/映像区然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定将逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。2. 存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。在PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和云新情况而确定的。3. 输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。I/O接口的主要类型有：数字量(开关量)输入、数字量(开关量)输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同由三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。1.2.2 PLC的软件组成PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的变成语言来编写用户程序，以实现控制目的。PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品产用的编程语言的表达方式也不同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式的编程语言，如梯形图等。常见的PLC编程语言有：1. 梯形图语言；2. 语句表语言；3. 逻辑图语言；4. 功能图标语言；5. 高级语言。1.3 PLC的工作原理1. 扫描技术最初研制生产PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式有如下的区别。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点(包括常开或常闭触点)在继电器控制线路的任何位置上都会立即动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置在处理结果上就没有什么区别了。2. PLC执行程序的过程及特点当PLC投入运行后,其工作是以循环的方式来完成的,一般分为3个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段：输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段。2. 凡尔座圈专用机床介绍2.1 凡尔座圈专用机床及加工过程概述1. 机床加工工艺机床由床身、主轴箱、转塔尾架、前刀架、后刀架和料斗等部件组成。机床主轴箱前端的液压卡盘夹紧凡尔座圈的坯料作旋转运动，尾架上装上由膛孔刀和平面车刀，工作进给后，完成镗内孔和沉孔加工；前刀架上装有精车刀，工作进给后，完成端面精车；后刀架上装有切刀，工进后割断加工完成的工件。尾架，前、后刀架的工作进给和快速进、退由液压缸驱动。机床的转塔尾架具有四个位置，两个位置上安装相同的膛孔刀和平面车刀，另两个位置上安装由相同的定位挡料块，它们呈90交叉排列(见图2.1)，转塔尾架按顺时针方向单向转位，每加工一个工件它都要转位两次，以便完成挡料和镗内孔、沉孔加工两个工序(转塔尾架后退时通过机械联动机构自动转过90)。图2.1 刀架布置图凡尔座圈的坯料是成段钢管，每段坯料的长度可加工6个座圈，段料整齐地放在料斗中，当加工完第6个座圈后，段料能自动进入主轴箱后端，由推料液压缸推至主轴箱前端，然后再继续加工。在6个工件的加工循环过程中，推料液压缸始终推住坯料。当一个座圈被割刀割断后，卡盘松开，段料在液压缸的推力作用下，被推向前端，并由挡料块挡住，定位，然后卡盘夹紧，再进行加工。只有当6个座圈都加工完毕，料头(即一段专供加工第6个座圈时夹紧用的坯料)推出后，推料液压缸才快退让新的段料落下，经延时后又前进推料，也就是说每隔六次循环，推料液压缸快速往返一次。2. 凡尔座圈专用机床工件加工工作循环图和检测元件用图表。凡尔座圈专用机床各部件的工作循环图见图2.2。图2.2 各部件的工作循环图机床各部件工作循环图中的行程开关用途详见表2.1。表2.1 行程开关用途表尾架SQ1尾架前进至终点压下SQ2尾架原位压下SQ3尾架快进转工进时压下前刀架SQ4前刀架快进转工进时压下SQ5前刀架工进到底压下后刀架SQ6后刀架快进转工进时压下SQ7后刀架工进到底压下SQ8后刀架原位时压下推料缸SQ9推料缸推料完压下SQ10推料缸复位时压下加工一个零件的全部工步绘在工作循环总图2.3中，它由14个工步组成。图2.3 加工一个零件的工作循环总图在图2.3所示工作循环总图中应该注意下列两点：(1) 前刀架未设原位行程开关。这个开机原位条件应人工判断其是否满足。(2) 程序(或工序)2有两种不同延时时间：在加工坯料前5段时取延时2s；在加工最后一段座圈时则要取延时5s。完成上述工步的电磁阀用途表如表2.2所示。表2.2 电磁阀用途表卡盘1YV+松 夹-夹 紧尾架2YV+快 进2YV 3YV+工 进2YV 3YV-快 退前刀架4YV+快 进4YV 5YV+工 进4YV 5YV-快 退后刀架6YV+快 进6YV 7YV+工 进6YV 7YV-快 退推料缸8YV+快退、加料-进给、推料另外设置9YV为总油门电磁阀，机器工作时处于得电状态。压力继电器SP发出主轴液压卡盘夹紧信号，油路要求失电夹紧。3. 本机床的特殊要求前以述及，本机床机、液设计时配置了装卸机构每次工作循环中经第13程序后刀架工进切割后，已加工完成的一个座圈便自动落入料仓，这是自动卸料；而当推料液压缸退回原位后，送料机构便自动送入一段坯料至推料液压缸让出位置，这个送入坯料的工作是安排在第2程序(夹具放松)中进行的，这是自动装料。由于每一段坯料可加工6个座圈，因此每当完成6个座圈加工后，在进行第7个座圈机械加工前就得完成送妥一整段新坯料的工作。由此可见，为了实现上述自动的要求就必须考虑到加工每一段坯料的前6个座圈与第7个座圈的工作循环的区别。表2.3对照说明了两种工作循环的第2程序中加工内容的不同。表2.3 两种工作循环程序名称名称0原始原始1尾架快进尾架快进2卡盘放松，延时2s推坯料至尾架挡块顶住时间t1，t12s卡盘放松，延时5s。推料缸推最后一段料头坯料t1；推料缸快退回原位t2；新坯料送入t3；推料缸推新坯料至尾架顶住t43卡盘夹紧卡盘夹紧4尾架快退尾架快退13后刀架工进后刀架工进14后刀架快退后刀架快退0原始原始从表中还可以看到：(1) 在前6个座圈加工循环的第2程序定为进行2s，t12s说明在2s之内推料缸完成了推料送入夹具的动作。在第7个座圈加工的第2程序定为进行5s，t1+t2+t3+t45s说明在5s时间内完成了推去仅供夹住用的剩余的料头；缸退；送新的整段坯料；推新整段料至尾架顶住的任务。实际上，这就是我们分别把两种工作循环的第2程序进行时间分别定为2s和5s的原因。(2) 在两种工作循环中，除第2程序外其余各程序的加工内容完全一样。因此，上述两种工作循环并无本质区别，只是它们的第2程序加工内容带有可自动预选的性质。图2.4绘出了第7个座圈加工工作循环的第2程序内进行的几个阶段。a) (推料缸推最后一小段料头)b) (推料缸快退至原位，新坯料落入)c) (推新坯料) d) (新坯料被推至尾架挡块顶住) 图2.4 一段坯料加工毕第二程序内进行的几个阶段2.2 凡尔座圈专用机床控制要求1. 设计凡尔座圈专用机床电气控制系统为PLC控制系统。2. 能实现专用机床自动工艺流程并能方便地改变工艺流程。3. 能进行手动与自动操作的切换，自动操作时应有单步、单循环和连续循环三种方式。4. 系统除电气基本保护外应有电隔离保护和必要的联锁。5. 设置必需的照明灯及各种指示灯。3. 机床控制系统硬件设计3.1 主电路和控制电源的设计一、主电路设计根据设计要求，液压泵电动机M1、主轴电动机M2及冷却泵电动机M3三个电机均属于长时间运行，故均设过载保护，且它们没有正反转的转换。M1,M2电机功率较高由接触器KM1,KM2进行控制，M3功率较小，用中间继电器K控制。综合以上考虑，绘出机床的主电路图如图3.1所示。图3.1 主电路图二、控制电源的设计考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求，采用控制变压器TC供电，其一次侧为交流380V，二次侧为交流127V、42V、6.3V。其中，127V给接触器KM1，KM2和中间继电器K的线圈进行供电，42V给局部照明电路及PLC供电，6.3V给指示灯电路进行供电。由此，绘出机床的控制线路电源如图3.2所示。图3.2 控制线路电源示意图3.2 机床工艺系统硬件设计机床工艺是一种循环加工的过程，在本次设计中采用PLC控制它的工艺流程。3.2.1 PLC的选择随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。1. PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求即保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：(1) 合理的机构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每个I/O的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。(2) 安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应块、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，单需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通信模块。(3) 相应的功能要求一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。(4) 响应速度要求PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。(5) 系统可靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。(6) 机型尽量统一一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑：其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高；其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于构成一个多级分布式控制系统。2. PLC容量的选择PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。(1) I/O点数的选择PLC平均的I/O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点数的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的余量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的余量来确定。(2) 存储容量的选择用户程序所需的存储容量大小不仅于PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应在存储容量估算时多留余量。PLC的I/O点数的多少，在很大程度上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I/O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的余量。存储容量(字节) = 开关量I/O点数10 + 模拟量I/O通道数100另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。3. I/O模块的选择一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等。不同的I/O模块，其电路及功能也不同，它直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。(1) 开关量I/O模块的选择开关量输入模块的选择开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑： 输入信号的类型及电压等级； 输入接线方式； 注意同时接通的输入点数； 输入门槛电平；(2) 开关量输出模块的选择开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要考虑以下几个方面： 输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于驱动直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢(驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ)、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的场合，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。 输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，如图3.3所示：分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。 驱动能力开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。a) 分组式输出 b) 分隔式输出图3.3 开关量输出模块的接线方式 注意同时接通的输出点数量选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V/2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A (82A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60%。 输出的最大电流于负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。2. 模拟量I/O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入(A/D)模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。3. 特殊功能模块的选择目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。本次设计中的输入信号有来自按钮、行程开关、热继电器、时间继电器、压力继电器共30个。输出信号有电磁阀线圈、信号灯、时间继电器线圈、中间继电器线圈、接触器线圈共25个，信号详情见表3.1所示。表3.1 机床PLC控制系统信号一览表信号描述数目(个)输 入SQ1SQ10工艺控制中的限位开关10SB1SB5控制按钮5SA1手动自动间的切换旋钮4SA2手动控制中各部分之间切换3SP卡盘加紧信号1KT1KT3时间继电器延时到信号3FR1FR3热继电器动作信号3输 出HL1HL8各种指示灯信号81YV9YV液压控制电磁阀9KT1KT3时间继电器开始计时信号3KM1,KM2,K机床电机控制3根据表3.1的信息，本次设计选择了西门子公司的S7-200PLC，CPU为224，I/O点数为14/10，并选用输入输出扩展模块EM223，I/O扩展点数为16/16。S7-200系列属于整体式小型PLC，用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。S7-200系列PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用，CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。S7-200可以选用梯形图、语句表(即指令表)和功能快图语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能。最多可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有26K程序和数据存储空间。3.2.2 PLC的I/O口分配根据机床控制要求对被控制的量进行I/O口分配，分配的详细情况如表3.2所示。表3.2 PLC的I/O口分配表信号端口号说明备注输入输入SB1I0.0启动自动运行闭合有效SB2I1.3停止自动运行打开有效SQ1I0.1尾架至终点闭合有效SQ2I0.2尾架原点闭合有效SQ3I0.3尾架快进转工进闭合有效SQ4I0.4前刀架快进转工进闭合有效SQ5I0.5前刀架工进到底闭合有效SQ6I0.6后刀架快进转工进闭合有效SQ7I0.7后刀架工进到底闭合有效SQ8I1.0后刀架原位闭合有效SQ9I1.1推料缸料完闭合有效SQ10I1.2推料缸复位闭合有效SA1I2.0切换为手动方式闭合有效I2.1切换为步进方式闭合有效I2.2切换为单循环方式闭合有效I2.3切换为连续循环方式闭合有效S1I1.4推料缸进或退闭合或打开S2I1.5卡盘夹紧或放松闭合或打开SA2I2.4选择后刀架手动闭合有效I2.5选择前刀架手动闭合有效I2.6选择尾架手动闭合有效SB3I2.7前/后刀架/尾架快进闭合有效SB4I3.0前/后刀架/尾架工进闭合有效SB5I3.1前/后刀架/尾架快退闭合有效SPI3.0压力继电器信号闭合有效KT1I3.2KT1延时时间到闭合有效KT2I3.3KT2延时时间到闭合有效KT3I3.4KT3延时时间到闭合有效FR1I3.5热继电器FR1动作打开有效FR2I3.6热继电器FR2动作打开有效FR3I3.7热继电器FR3动作打开有效输出1YVQ0.0电磁阀工作打开或闭合2YVQ0.13YVQ0.24YVQ0.35YVQ0.46YVQ0.57YVQ0.68YVQ0.79YVQ1.0HL1Q3.0电源指示闭合有效HL2Q3.1夹紧指示闭合有效HL3Q3.2供油指示闭合有效HL4Q3.3手动工作指示闭合有效HL5Q3.4单步工作指示闭合有效HL6Q3.5单循环工作指示闭合有效HL7Q3.6连续循环工作指示闭合有效KM1Q2.3液压泵电动机工作闭合有效KM2Q2.4主轴电动机工作闭合有效KQ2.5冷却泵电动机工作闭合有效KT1Q2.0时间继电器开始计时闭合有效KT2Q2.1闭合有效KT3Q2.2闭合有效HL8Q3.7报警灯闭合有效3.2.3 PLC硬件接线图设计任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。系统输入部分由所有行程开关、仪表触点、方式选择开关、控制按钮等组成；逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路；输出部分包括电磁阀线圈，指示灯和接通各种负载的接触器线圈。凡尔座圈专用机床的电气系统，所有行程开关(SQ1SQ10),选择开关(SA1SA2，S1S2),仪表触点 (KT1KT4),控制按钮(SB1SB5), 压力继电器SP等为系统的输入信号；而电磁阀线圈(YV1YV9),接触器线圈(KM1，KM2)，中间继电器线圈(K)， 时间继电器(KT1KT3)开始计时信号，指示灯等为系统的输出信号。综合以上的考虑，绘出机床的控制电路如图3.4所示。3.2.4 其它电器元件的选择在电气原理图设计完毕后就可以根据电气原理图进行电器元件的选择工作。本设计的电器元件如下：1. 电源开关QS的选择QS的作用主要是用于电源的引入及控制M1M3的起停等。因此QS的选择主要考虑电动机M1M3的额定电流和启动电流。由前面已知M1M3的额定电流数值，通过计算可得额定电流之和为24.325A，同时考虑到均为轻载启动。所以，QS最终选择组合开关：HZ10-25/3型，额定电流为25A.2. 热继电器FR的选择根据电动机的额定电流进行热继电器的选择。由前面M1、M2和M3的额定电流，现选择如下：图3. 4 控制电路图FR1选用JR20-10型热继电器。热元件额定电流10A，额定电流调节范围为710A，工作时调整在8.8A。FR2选用JR20-16型热继电器。热元件额定电流16A，额定电流调节范围为1216A，工作时调整在15.4A。FR3选用JRS1-25型继电器。热元件额定电流0.16A，额定电流调节范围为0.10.16A，工作时调整在0.125A。3. 接触器的选择根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需触点的数量等来进行接触器的选择。本设计中，KM1，KM2分别对M1，M2进行控制，而M1的额定电流为8.8A，M2的额定电流为15.4A，控制回路电源为127V，各需主触点三对，辅助动合触点两对，辅助动断触点一对。所以KM1，KM2选择CJX1F型接触器，主触点额定电流为40A，线圈电压为127V。4. 中间继电器的选择本设计中M3电动机的额定电流很小，因此，可用交流中间继电器代替接触器进行控制。这里，K选择JZ7-44型交流中间继电器，额定电流为5A，线圈电压为127V。5. 熔断器的选择根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。本设计中涉及的熔断器有四个：FU1、FU2、FU3、FU4。这里主要分析FU1的选择，其余类似。FU1主要对M1电机进行短路保护，M1的额定电流为8.8A。因此，熔体的额定电流为计算可得 ，因此，FU1选择RM10-60型熔断器，熔体为20A。6. 按钮的选择根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。本设计中，SB1SB5选择LA-18型按钮，颜色为黑色；S1、S2选择LA18-22X2型旋钮，SA选择LA25-40型，黑色。SB6，选择LA-18型按钮，颜色为红色；SB7选择LA-18型按钮，颜色为绿色。7. 照明及指示灯的选择照明灯EL选择JC11型，交流24V、40W，与灯开关S成套配置；指示灯HL1HL7选择ZSD-0型，指标为6.3V、0.25A，颜色为绿色；HL8选择ZSD-0型，指标为6.3V、0.25A，颜色为红色。8. 控制变压器的选择本设计中，变压器选择BK-100VA，380V、220V/127V、24V、6.3V。9. 电磁阀的选择根据本设计，电磁阀选择DLM3-10型电磁阀，线圈电压为24V。10. 时间继电器的选择根据本设计要求，时间继电器选择JS7-2A型时间继电器，线圈电压为24V。综合以上的计算，给出凡尔座圈专用机床的电器明细表如表3.3所示。表3.3 元器件明细表序号符号名称型号规格数量1M1三相异步电动机Y112M-44kW,1440r/min,8.8A,380V12M2三相异步电动机Y132M-47.5kW,1440r/min,15.4A,380V13M3三相异步电动机JCB-220.125kW,2790r/min,0.43A,380V14KM,KM1,KM2交流接触器CJX1F线圈电压127V35K中间继电器JZ7-445A,127V16FR1热继电器JR20-1010A,710A,8.8A17FR2热继电器JR20-1616A,1216A,15.4A18FR3热继电器JRS1-250