毕业设计（论文）-自动铣床plc控制系统设计

目录第1章自动铣床的概述211自动铣床的发展及现状212铣床的主要结构3第2章可编程序控制器（PLC）的概况421PLC的概念及发展4211PLC发展回顾4212PLC发展过程4213PLC在中国的发展5214PLC的现状5215PLC的发展趋势6216软PLC技术722可编程序控制器的结构及工作原理7221可编程序控制器的基本结构723PLC的应用领域924可编程序控制器与计算机之间的通信9第3章系统总体设计1131铣床生产流程及控制系统构成12第4章硬件设计1341可编程序控制器PLC的选型13411可编程序控制器物理结构及控制方式的选择13412CPU的能力14413I/O点数的确定14414响应速度15415存储器容量的选择15416可编程序控制器的指令系统16417机型选择的其他考虑1642电动机的选型17421主运动电动机功率的确定17422进给运动电动机容量的确定1743铣床电动机组的设计1844铣床常用电器的选型19441按钮19442刀开关19443组合开关19444行程开关19445接触器20446热继电器20447中间继电器21448熔断器2145系统供电2246输入/输出接口电路23第5章软件设计2451铣床电力拖动和控制任务2452PLC输入/输出地址分配2453系统程序的设计25531控制系统的公共程序25532控制系统的自动程序26第6章控制面板的设计27第7章PLC控制系统抗干扰措施2871硬件抗干扰措施28711抑制电源系统引入的干扰28712抑制接地系统引入的干扰28713抑制输入输出电路引入的干扰29714抑制外部配线干扰的措施2972软件抗干扰措施29第8章PLC系统的程序调试31第9章铣床常见故障及分析3491铣床电机、电器故障分析34911电动机故障34912电器故障3492铣床电气线路的故障3593人为故障36附录A梯形图37附录B指令表38附录CPLC外接线图41附录D电动机组启动接线图42参考文献43自动铣床PLC控制系统设计李张峰1自动铣床PLC控制系统设计摘要本篇文章介绍了自动铣床PLC控制系统设计方案，并且叙述了铣床运行的基本原理、PLC的基本原理、PLC的工程设计步骤。该系统用三菱公司的FX2N系列PLC作为控制核心，整个系统采用了一台PLC控制，整个控制系统设一个控制室。利用PLC控制铣床运行，实现了铣床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，从而实现了铣床运行的自动化功能。PLC控制的特点使原机床控制大大的简单化,并且维修方便,易于检查。节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。关键词可编程序控制器；铣床；电气控制系统；自动铣床PLC控制系统设计李张峰2第1章自动铣床的概述随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起着不可替代的作用。自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数不胜数。在我国7080年代大多数铣床中,大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制,也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。因此,继电器本身固有的缺陷,给铣床的安全和经济运行带来了不利影响,用PLC对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。11自动铣床的发展及现状从上世纪80年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床床一直给予较大的关注。经过九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中高档自动铣床方面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。这是由于欧美日等先进工业国家于80年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。表11以中挡铣床为例列出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率精度和可靠性等方面均有明显差。表11技术指标对比项目国内外国主轴最高转速/RMIN16000100001000040000快移速度/MMIN124306090定位精度/MM全行程001001600040006重复定位精度/MM0005000800020003平均无故障运行时间MTBF/H5006001000基于这一现实为了加速振兴我国的机床制造业当前宜加强如下五方面的研究和发展工作1以高速化为先导提高数控机床的综合性能2加快数控机床向高效柔性化和高精化发展的步伐推进M级精度机床工程的规划和实施自动铣床PLC控制系统设计李张峰33加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量生产的加工精度和高效柔性化4对于中大批量生产发展快速重组制造系统和可重构机床将是一个合理的解决5发展网络制造单元以适应数字化企业的构建12铣床的主要结构铣床主要由工作机构、传动机构、和自动控制系统三部分组成。工作机构的主要部件有底座、床身、主轴、悬梁、纵向工作台、回转盘、床鞍和升降台组成。传动机构主要由主轴传动系统和进给传动系统构成。主轴传动是由一台75KW、1450R/MIN的主电动机驱动，主轴旋转方向的改变由主电动机正、反转来实现。进给传动是由一台15KW、1410R/MIN的进给电动机驱动，它主要用于工作台纵向、横向和垂直三个方向的进给运动和快速传动。自动控制系统主要以PLC为核心，配合智能仪表，实現对自动铣床的自动控制以及运行状态的检测功能和显示功能。自动铣床PLC控制系统设计李张峰4第2章可编程序控制器（PLC）的概况21PLC的概念及发展可编程控制器PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，简称PLC，是1种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，取代各种类型的机械或生产过程的继电器控制系统。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。211PLC发展回顾现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。212PLC发展过程1968年，美国通用汽车公司GM为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施，并设想把计算机功能的完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设备公司DEC研制出了世界上策1台PLC，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用，获得成功。从此，这项新技术便迅速发展起来。1971年日本从美国引进了该项新技术，很快就研制出了日本第1台PLC。19731974年，西德和法国也相继研制出了自己的第1台PLC。中国从1974年开始研制，1977年应用于工业生产。限于当时的元器件条件和计算技术的发展水平，早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。19691973年是PLC的初创时期。在这个时期，PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器，可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高，灵活性也有所增强。其主要功能限于逻辑运算、计时、计数和顺序控制，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。19741977年是PLC的发展中期。在这个时期，由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现，PLC得到了迅速发展和完善，并逐步趋向系列化和实用化，普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外，又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处自动铣床PLC控制系统设计李张峰5理和控制等功能，可靠性进一步提高，开始具备自诊断功能。1978一1983年，PLC进入成熟阶段。这个时期，微型计算机行业已出现了16位CPU，MCS5L系列单片机也由INTEL公司推出，使PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展，PLC的生产量在国际上每年以30的递增量迅速增长。在结构上，PLC除了采用微处理器及EPROM，EEPROM，CMCSRAM等LSI电路外，还向多微处理器发展，使PLC的功能和处理速度大大提高；PLC的功能又增加了浮点运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等，初步形成了分布式可编程控制器的网络系统，具有通讯功能和远程I/O处理能力，编程语言较规范和标准化。此外自诊断功能及容错技术发展迅速，使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。213PLC在中国的发展在中国，大约从1974年、1975年在北京和上海开始开发采用位片式微处理芯片的可编程顺序控制器，并有所应用。但一直未能形成批量生产。在改革开放刚起步的1979年，在当时的机械部仪表局的推动下，开始从美国MODICON引进584的PLC，并首先在电站的辅机如输煤、除灰除渣、水处理系统以及水泥厂等控制系统中成功应用，从而大大推动了PLC在我国工业的大规模运用。遗憾的是，花了很大一笔外汇的这个项目并不曾形成良性的有后续的发展。自1985年开始，小型PLC首先是日本有关公司的产品进入中国市场。不到3、4年时间，小型PLC就形成了大面积的推广应用局面。1990年以后，SIEMENS、ALLENBRADLEY以及其它知名品牌开始大举进入中国市场，占据中、大型的PLC的较大份额。1995年后形成了大型PLC以欧美为主、中型PLC欧美和日本平分秋色、小型PLC则以日本为主、SIEMENS也步步紧逼的格局。且至今没有很大改变。PLC在中国已经形成了规模巨大的应用市场，但并末建立批量生产、有持续开发发展能力的PLC制造业。应指出的是在国内，PLC的应用水平还是不低的，自主设计、系统集成和现场投运的能力，可以说与国际主流水平同步；PLC的应用领域也很广泛，覆盖冶金、电力、化工、石油化工、机械、轻工、电子、电工、建材水泥等工业，以及现代农业机械和其它应用。近年来环保工业也有广泛应用，发展势头很猛；在国内有一支庞大的PLC销售、服务、应用、系统集成队伍，遍布全国大部分地区。有充足的理由说,PLC在中国已成为工业控制的一种适用技术。因此，PLC以及PLC的国际标准IEC611313的发展，无可争辩地成了十分令人关注的事情。214PLC的现状随着PLC的国际标准IEC611313的正式颁布，推动了PLC在技术上发动新的突破1在系统体系结构上，从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展。2在编程语言上，文本化和图形化的语言多样性，创造了更具表达控制要求、文字处理、通信能力的编程环境。自动铣床PLC控制系统设计李张峰63从应用范围和应用水平上，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，则是发展以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集SCADA系统、柔性制造系统FMS、安全联锁保护ESD系统、运动控制系统等，全方位地产提高PLC的应用范围和水平。4在应用领域方面，发达的工业国家，PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。随着PLC性能价格比的不断提高，一些过去使用专用计算机的场合，也转向使用PLC。PLC的应用范围在不断扩大，可归纳为开关量的逻辑控制、运动控制、数据处理、机器人控制和通讯联网这几大方面215PLC的发展趋势传统PLC的发展趋势1技术发展迅速，产品更新换代快随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展，PLC的结构和功能不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均35A更新换代1次。PLC的发展有2个重要趋势向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展，以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求，实现机电一体化；向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。例如美国GE公司推出的GENETTWO工厂全自动化网络系统，不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。该系统配置了GEBASIC语言，向上能与上位计算机进行数据通讯，向下不仅能直接控制CNC数控机床、机器人，还可通过下级PLC去控制执行机构。在操作台上如果配备该公司的FACTORYMASTER数据采集和分析系统，VIEWASTER彩色图像系统，则管理、控制整个工厂十分方便。2开发各种智能模块，增强过程控制功能智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件。它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等，高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。智能I/O的应用，使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。3与个人计算机相结合目前，个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人/机接口终端，其发展是使PLC具备计算机的功能。大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。这样，PLC与个人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透，使控制系统的性能价格比不断提高。4通讯联网功能不断增强PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。5发展新的编程语言，增加容错功能改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人/机对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加自动铣床PLC控制系统设计李张峰7了BASIC语言的编程功能和容错功能。如双机热备、自动切换I/O、双机表决当输入状态与PLC逻辑状态比较出错时，自动断开该输出、I/O三重表决对I/O状态进行软硬件表决，取2台相同的等，以满足极高可靠性要求。6不断规范化、标准化PLC厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日益向制造自动化协议MAP靠拢，并使PLC的基本部件如输入输出模块、接线端子、通讯协议、编程语言和编程工具等的技术规范化、标准化，使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方便用户，实现工厂生产的自动化。216软PLC技术进入90年代后期，人们逐渐认识到，传统PLC（也称硬PLC自身存在着这样那样的缺点由于传统PLC的生产厂商之间的产品互相不兼容，缺少明确一致的标准，造成难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统PLC的生产被几家厂商所垄断，造成PLC的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统PLC发展的因素，工控领域的研究人员也一直在寻求解决这些问题的途径。近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面的国际标准的制定，一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了，这项技术就是软PLC技术。于是PLC进入了其发展的第4阶段。其特征是在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等。采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准。全部用软件来实现传统PLC的功能，这就是国际上出现的高新技术软PLC技术。22可编程序控制器的结构及工作原理可编程序控制器PROGRAMMABLECONTROLLER简称PC,是近代在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置,它是按照用户控制要求编写的程序来工作的。和继电接触器控制相比较,继电接触器控制是将各自独立的器件及触点以固定接线方式来实现控制要求,而PC将控制要求以程序的形式软件编程存储在其内部。送入存储器中的程序内容就相当于继电接触器控制的各种线圈、触点和接线,这种存储程序的控制,当需要改变控制要求时,只要改变程序,而不用改变接线。因而增加了控制的灵活性和通用性。221可编程序控制器的基本结构可编程序控制器一般由中央处理器、存储器、输入输出组件、编程器及电源五部分组成。存储器是可编程序控制器的重要组成部分,有了它可编程序控制器才能有记忆功能,才能预先把待解决问题的一步步操作,用命令的形式即一条条指令保存起来。实现一自动铣床PLC控制系统设计李张峰8定功能的若干条指令组成一个程序,根据程序作用的不同,可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种。系统程序存储器主要存储系统管理和监控程序,并能对用户程序作编译处理。其永久保留在可编程序控制器中,不因关机、停电或其他部分出现故障等而改变其内容。用户程序存储器用来存储由编程器或磁带输入的用户控制程序。用户控制程序是根据生产过程和工艺要求编制的,可以通过编程器修改或增删。中央处理器简称CPU,是PC的大脑。其主要的用途是处理和运行用户程序,针对外部输入信号作出正确的逻辑判断,并将结果输给有关部门,以控制生产机械按既定程序工作。另外CPU还对其内部工作进行自动检测,并协调PC各部分工作,如有差错,它立即停止运行。输入、输出部分是PC与被控设备连接起来的部件。用户设备需要输入PC的各种控制信号,如位置开关、按钮、传感器等,通过输入部件将这些信号转换成中央处理器能接受和处理的数字信号。输出部件将中央处理器送出的弱电信号转换成现场所需要的强电信号并输出,以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。编程器是开发、维护PC自动控制系统不可缺少的外部设备。PC需要用编程器输入、检查、修改、调试用户程序,也用以监视PC的工作情况。可编程序控制器的工作原理可编程序控制器对用户程序的执行过程采用循环扫描的工作方式。这种工作方式是在系统软件控制下,顺次扫描各输入点的状态,按用户程序进行运算处理,然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。为了提高运行的稳定性和可靠性,并及时接收外来的控制命令,PC在每次扫描期间,还进行故障自诊断和处理与编程器的通讯,其工作主要分以下五个阶段。1自诊断阶段。PC在每次扫描用户程序以前,都先执行故障自诊断程序,一般包括输入输出、存储器、CPU等部分的故障判断。一旦发现异常,PC立即起动关机程序,保留现场的工作状态,把所有的输出点置成“OFF”状态后停机,并发出报警信号和显示出错误信号。若自诊断正常,则继续向下扫描。2与编程器等通讯阶段。自诊断后,如果没有发现故障,PC即检查是否有编程器等的通讯请求,若有则进行相应处理。3读入现场信号阶段。完成和外界通讯后,PC即开始扫描各输入点,读入各点的状态和数据,并把这些数据按顺序写入到存储器的状态表中,供执行用户程序时使用。因此该阶段也称输入采样阶段。4执行用户程序阶段。一般是从用户程序存储器的最低地址所存放的第一条程序指令开始执行。在无中断和跳转控制的前提下,按存储器地址递增的方向依次执行扫描用户程序。直到用户程序结束或用户程序的末地址为止。在这种工作方式下工作,每扫描一次,所有的用户程序都被执行一次。5输出控制信号阶段。PC在执行用户程序的同时,更新输出缓冲区的内容。程序执行完毕,CPU即发出信号,把缓冲区的内容按规定的次序,通过输出模块把内部逻辑信号变换成与执行机构相适应的电信号输出,驱动生产现场的执行机构完成控制任务。依次完成上述五步操作,称为一个扫描周期,之后PC又从自诊断开始进行下一次扫描。就这样不断反复循环,完成生产的连续控制,直到收到停止操作命令、停电、出现故障等自动铣床PLC控制系统设计李张峰9才停止工作。由于PC,采用了反复扫描的工作方式,使之与工业现场的机器需要反复执行一系列操作的工作方式相似。因此PC的程序可以与机器的动作一一对应,直观明了,易于编写和修改,所以成为现代工业电气自动化的领先技术。23PLC的应用领域随着科学技术的不断进步，PLC在自动控制技术中的应用越来越广泛，主要1开关逻辑控制开关逻辑控制是PLC的基本控制功能，可用它来代替传统的继电器控制装置，如机床的电气控制、电动机的控制等；也可以取代顺序控制和程序控制，如高炉上料系统、电梯控制、输送货物控制、自动化生产线作业流程控制等。2闭环过程控制早期的PLC只具有简单的逻辑控制功能，现代的PLC功能日益强大，大型PLC都具有模拟量控制单元，具有用于过程控制的各种专用模块或子程序（如PID控制模块等）。AB公司的1771CFM可组态流量计模块，可用于电力管理、自动化、食品饮料和石油与天然气中各种流量的测试和控制。此外，还有1771QH力矩控制模块、1771TCM温度控制模块等。GE公司的PROLOOP过程控制器，可执行PID控制、比例控制和级联控制，且有单回路、多回路和自动调试的三种方式。3机械加工的数字控制PLC和机械加工中的数字控制（NC）及计算机数控（CNC）组成一体，实现数值控制如著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM10、11、12系列，已将CNC功能与PLC融为一体，专家预言，CNC系统将变成以PLC为主体的控制与管理系统。4机器人控制随着工厂自动化网络的形成，工业机器人应用领域越来越广，机器人的控制同样可用PLC来实现，如美国JEEP公司焊接自动生产线上使用的29个机器人，每台都用一个PLC控制。5构成多级分布式控制系统随着计算机技术和网络通信技术的发展，国外正在兴起工厂自动化（FA）网络系统，许多著名的PLC制造商都建立了自己的多级分布式控制系统，并开始逐步向制造自动化通信协议MAP靠拢。多级分布式控制系统一般分为四级第一级为实时控制，主要是顺序控制；第二级为协调控制，用于协调各种机械的配合问题；第三极为PLC的装入、管理数据的采集与之调度；第四极为数据处理，由上位计算机处理各种数据。自动铣床PLC控制系统设计李张峰1024可编程序控制器与计算机之间的通信确定了PLC的型号，还要考虑到PLC为计算机通信的问题。由于设计者的水平和设计要求等其他的原因，在此设计中并为牵涉PLC为计算机通信，只在此稍作叙述。在工程自动化中，计算机的通信功能作为各级之间接口是十分必要的。可编程序控制器与计算机联网构成的综合系统，可使可编程序控制器与计算机互补功能的不足。对于控制，可编程序控制器对现场，对设备都极为方便，对打印图表，图形显示，中文输出就逊色一些，而这些功能正是计算机的特长。可编程序控制器与计算机联网时，计算机通常仅用于编程，修改参数，系统管理方面，而不直接参与控制过程，而可编程序控制器在第一线脱机运行，即使计算机发生故障，也不会影响生产过程的正常运行。可编程序控制器与计算机之间的通信一般是通过RS485口和RS232C口进行的，信息交换的方式为字符串方式，运用RS485和RS232C通信，容易配置一个与计算机进行通信的系统。将所有软元件的数据和状态由可编程序控制器送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机改变可编程控制器设备的初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制，一旦确定了可编程控制器的控制指令格式就能很方便地与计算机联机，可以这样说，凡具有RS232口并能输入输出字符串地计算机都可以用于通信。为了适应联网，几乎所有地PLC都开发了与计算机通信的接口，例如S7200系列PLC上都配备有专用于RS485通信的标准插座。可编程控制器与计算机通信的形式有多种多样，如1PC/PPI网络，利用西门子公司的PC/PPI电缆，将S7200系列PLC与装有STEP7MICRO/WIN软件的计算机连接起来，可方便地组成PC/PPI网络。2多主机网络。3令牌网络。它是多主机网络的一种特殊情况。4DP网络。在S7200系列PLC中，只有CPU215支持DP协议，且只能作从机使用。自动铣床PLC控制系统设计李张峰11第3章系统总体设计使用可编程序控制器构成控制系统的设计步骤如图所示，与常用的继电器控制逻辑设计比较，组件的选择代替了原来的部件选择，程序设计代替了原来的硬件逻辑设计。在本设计中的铣床控制系统的设计中应考虑的因素有1系统组成方案与网络通信方式；2系统总的I/O点数。以此选择PLC框架个数和I/O模块数量；3控制系统的工艺流程，复杂程度。根据控制的复杂程度选定存储器容量；4输入/输出设备规格。包括控制信号类型、大小，负载设备的性质。以此确定输入/输出模块类型；5CPU选择。由存储器容量、输入/输出点数和模块类型、运算功能和运算速度等因素选择合适的PLC机型；6根据输入信号和输出控制设备类型，选择合适的I/O模块；7按照模块化、结构化设计方法设计系统程序；在保证系统性能和可靠性的前提下，组成性能价格比高的控制系统。其系统总体思路如图31所示硬件设计分析控制要求软件设计确定I/O设备选择PLC分配I/O点数绘制流程图I/O接线图的设计控制面板的设计主电路的设计设计梯形图绘制程序指令表输入程序并检测调试试试选择外部设备自动铣床PLC控制系统设计李张峰12图31控制系统设计步骤31铣床生产流程及控制系统构成普通铣床由铣刀盘、液压泵、润滑泵、冷却泵、电磁阀和电控系统组成。自动操作过程是由按钮和限位信号控制电机和电磁阀来完成。铣床工作流程见图32，PLC控制系统框图见图33。图32铣床工作流程图自动铣床PLC控制系统设计李张峰13图33PLC控制系统图第4章硬件设计PLC工作可靠，抗干扰能力强，各功能模块配套方便，可减少大量的继电器，实现传统继电器控制难以实现的复杂控制，可充分利用PLC软件，使电器控制严格执行互锁，对许多涉及安全问题或比较重要的互锁不易采用软件互锁而应尽量采用硬件互锁，提高系统的可靠性。PLC硬件应用的要求要应用好PLC，防止产生不应有的损坏，其硬件必须符合和满足如下应用的要求1物理环境（1）环境温度060，最好40，在PLC安装处，要安装一个通风排气扇散热。（2）环境湿度一般在3585以下并无凝结现象。（3）止空气中含有金属粉尘或腐蚀性气体以及太阳紫外线直射，将控制柜进行封闭。（4）免PLC主机直接受到震动或撞击，远离震动、冲击源。2电气环境（1）音措施采取屏蔽电缆线、屏蔽层和远离带噪音的电磁开关等。（2）磁波干扰采取可靠接地和封闭方法。41可编程序控制器PLC的选型从以上PLC的出现到PLC的发展过程，以及其自身的特点和与继电器控制逻辑的比自动铣床PLC控制系统设计李张峰14较，都充分体现了PLC控制系统代替继电器控制的必然。在实际中适用于工程应用的可编程序控制器种类繁多，性能各异，可编程序控制器PLC的选用在应用设计的开始即可根据工艺提供的资料及控制要求等预先进行。一般可以从以下几个方面来考虑411可编程序控制器物理结构及控制方式的选择根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式。整体式每一I/O点的平均价格比比模块式的便宜，小型控制系统一般使用整体式可编程序控制器。模块式的可编程序控制器的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数等的选择，比整体式可编程序控制器灵活的多，模块式可编程序控制器还具备多种特殊I/O模块供用户选用，可完成各种特殊的控制任务，在判断故障范围和维修时更换模块等也很方便。因此较复杂，要求较高的系统一般采用模块式可编程序控制器。系统如有模拟量闭环控制、快速响应、高速计数、通信联网和运动控制等特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的可编程序控制器计数，也可以选用内置相应功能的整体式可编程序控制器。控制方式可分为独立式、集中式和分布式等，而在本次输煤系统的设计中采用了两台PLC控制，按其所要完成的任务，设计中采用的是集中式控制方式。412CPU的能力CPU的能力是可编程序控制器最重要的性能指标，也是机械选择时首要考虑的问题。实际上I/O点数，响应速度和软件功能都属于CPU的能力，后面分点提出，这里只说明除此之外的CPU能力。可编程序控制器的CPU能力还应包括处理器的个数，根据处理器的个数和位数就可粗略了解该可编程序控制器的基本特征；CPU的存储器的性能，存储器是存放程序和数据的地方，从使用角度考虑存储器的性能主要是可供用户使用的存储器能力。它应包括存储器的最大容量，可扩展性，存储器的种类。存储器的容量选择在下一点将单独提出，存储器扩展性和种类多少则体现了系统构成的方便和灵活；中间标志，计时器和计数器的能力，这一性能实际上也体现了软件功能。中间标志的多少和类型对系统的使用性能具有一定关系，如果构成的系统庞大，控制功能复杂，就需要较多的中间标志。对于计时器和计数器不但要知道它们的多少，还要知道它们的计时和计数范围。其它的性能参数，包括电流消耗，工作环境要求，寿命时间等。总之，CPU的能力是一种综合的性能指标，而且要根据实际需要进行选择，以满足工作应用的要求。413I/O点数的确定I/O点数是可编程序控制器的一个简单明了的性能参数，也是应用计算机赛最直接的参数。在机型选择时必须注意一下问题产品手册上给出的最大I/O点数的确却含义，自动铣床PLC控制系统设计李张峰15由于各公司的习惯不同，所给出的最大I/O点数含义并不完全一样，有的给出的时I/O总点数，即包括输入也包括输出，也就是手册上给出的点数是输入点数和输出点数之和，有的则分别给出最大输入点数和最大输出点数。要分清模拟量I/O点数和数字量I/O点的关系。有的产品模拟量I/O点数要占数字量I/O点数，有的产品则分别独立给出且互相并无影响。远程I/O的考虑，对于较大的控制系统，控制对象较为分散，一般都要采用远程I/O，在选择机型时，要注意可编程序控制器是否具有远程I/O的能力和能驱动远程I/O点数。智能I/O的考虑，在机型选择考虑I/O点数的同时，还要考虑智能I/O的能力，具有智能I/O模板可方便的解决高速计数，闭环控制等特殊的控制功能。I/O点数的余量，无论如何，在系统硬件设计中要留有充分的I/O点数作为备用，这主要时基于二方面的考虑，一是系统设计的更改，如果不留有充分的余量，一旦系统设备调整，控制功能增加，就要全部推翻原有设计好的系统，造成不必要的损失；二是手册上给出的最大I/O点数都是在理想情况下获得的参数，一旦满负荷运行，就要影响整个系统的响应速度和可靠性，给系统带来不良的影响，为了保证所设计的控制系统的正常运行，在系统硬件设计时，建议根据实际I/O点数留有2030的余量。414响应速度对于数字量控制为主的工程应用项目，可编程序控制器的响应速度都可满足实际需要，不必给以特殊的考虑。对于模拟量控制的系统，特别是具有较多闭环控制的系统则必须考虑可编程序控制器的响应速度。考虑响应速度主要是从二个方面考虑。一是可编程序控制器程序的语句处理时间，另一个是可编程序控制器的扫描周期。一般手册上都给出语句处理时间，而且是以处理1K的语句所需时间计算的。在实际应用中要注意逻辑处理指令和字处理主令所需时间是不同的，有的产品中给出每条指令的处理时间。在PLC中给出的扫描周期都是最大的扫描周期时间，而系统中实际运行的扫描周期则与系统所连接设备的多少和应用软件的多少及复杂程序有关。在机型选择时还应该注意最大的扫描周期是否可以重新设定，如果可以重新设定，适应性则更强。在有个特殊响应速度要求的情况下，还要考虑系统中断处理和直接控制I/O功能，这些功能可以随时处理，而不变扫描周期的限制，当然这些功能都是有一定的具体要求的，有的也与系统硬件配置有关。整个系统的响应速度还与输入输出有关，因为任何输入输出模板都有一定的时间滞后。总之，不同的控制对象对响应速度有不同的要求，要根据实际需要选择可编程序控制器，控制对象信号变化速度快，则要求响应速度快，控制对象信号变化速度慢，则要求响应的速度就不同。415存储器容量的选择在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以8，就是所需的存储器的字数，这一要求一般都能满足，在只有模拟量输入，没有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量信号作数据传送，数据滤波和比较运算等操作。估算时可为每路模拟量准备100个存储器字，在既有模拟量输入又有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量作闭环控自动铣床PLC控制系统设计李张峰16制，涉及的运算相当复杂，需要的用户存储器比只有模拟量输入时要多一些，估算时可为每路模拟量准备200个存储器字，当模拟量路数较少时，应将系统适当增大，反之则应将系统适当减小。由于本人编程水平有限，在考虑存储器的容量时，多留了一些裕量。在自动测量，自动存储和对系统补偿等正常场合，对存储器的要求是很大的，有时甚至要求可编程序控制器有十几K字的甚至几十K字的存储容量。在选择可编程序控制器的型号是不应盲目追求过高的性能指标，在I/O点数和存储器容量方面应留有一定的裕量。作为单机小规模控制使用的场合，由于工艺简单、程序固定，多数使用EPROM存储器或EPROMRAM存储器。对于大、中规模的可编程序控制器，往往用于工艺比较复杂且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用CMOSRAM存储器，且有后备电池，以便关机时存储信息。25010510采样点AIDIKMM存储器的选择有两种方法一种是根据编程实际使用的节点数计算，这种方法可精确地计算出存储器实际使用容量，缺点是要编完程序之后才能计算；另一种方法，也是我们常用的方法是估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按下面给出的公式进行估算。代替继410510IK模拟量控制42AIDMM1多路采样控制4325010采样点需开关量控制448/点数I式中，DI数字（开关量）输入信号DO数字（开关量）输出信号AI模拟量输入信号KM每个节点所占有存储器字节数M存储器容量416可编程序控制器的指令系统由于可编程序控制器应用的广泛性，各种机型所具备的指令系统也不完全相同，现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部元件的个数也越来越多。任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求，如果系统要求完成模拟量与数字量的转换，PID闭环控制，运动控制等工作，可编程序控制器应有算术运算，数据传送等功能，有时甚至要求有开方、对数运算和浮点数运算等功能。在机型选择时，从指令系统方向应注意下述内容指令系统的总语句数，这一点反映了整个指令所包括的全部功能；指令系统的种类，主要应包括逻辑指令，运算指令和控制指令，具体的要求则与实际要完成的控制功能有关；指令系统的表达方式，指令系统的表达方式有多种；应用软件的程序结构图，程序结构有模块化的程序结构，有子程序式的程序结构；软件开发手段。在考虑指令系统这一性能时，还要考虑到软件的开发手段，一般的厂家对可编程序控制器都配有专用的编程器，提供较强的软件开发手段，有的厂家在此基础上还开发了专用软件，可利用通用的微型机作为软件开发手段，这样就更加方便了用户的需要。自动铣床PLC控制系统设计李张峰17417机型选择的其他考虑在考虑上述性能后，还要根据工程应用实际考虑其它一些因素，包括性能价格比，毫无疑问，高性能的机型必然需要较高的价格，在考虑满足需要的性能后，还要根据工作的投资状况来确定机型；备品备件的统一考虑，无论什么样的设备，投入生产以后都要具有一定数量的备品备件，在系统软件设计时，对于一个工厂来说应尽量与原有设备统一机型们这样就可减少备品备件的种类和资金积压，同时还有考虑备品备件的来源，所选机型要有可靠的订货来源；计数支持，选定机型时还要考虑有可靠的计数支持，这些支持包括必要的技术培训，设计指导，系统维修等内容。总之，在选择系统机型时要依据前面所述的根据，按照可编程序控制器本身的性能指标对号入座，选择合适的系统。以此为依据，我选用三菱公司的FX2N系列可编程序控制器。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器，完全符合此设计的要求。由以上的系统设计分析可知自动铣床PLC控制系统共有15个输入点，6个输出点，所以根据它的输入输出点数我选用FX2N16MR型号的PLC。FX2N系列基本单元如表41所示。表41FX2N系列基本单元型号继电器输出可控硅输出晶体管输出输入点数输出点数扩展模块可用点数FX2N16MR001FX2N16MSFX2N16MT882432FX2N32MR001FX2N32MSFX2N32MT16162432FX2N48MR001FX2N48MSFX2N48MT24244864FX2N64MR001FX2N64MSFX2N64MT32324864FX2N80MR001FX2N80MSFX2N80MT40404864FX2N128MR001FX2N128MT6464486442电动机的选型根据机床的负载功率就可以选择电动机的容量。然而机床的载荷是经常变化的，而每个负载的工作时间也不尽相同，这就产生了使电动机的功率如何经济的满足机床负载功率的的问题。421主运动电动机功率的确定多数机床负载情况比较复杂，切削用量变化大，尤其是通用机床负载种类更多，不易准确的确定其负载情况。因此通常采用通过调查统计类比或采用分析计算想结合的方法来确定电动机的功率。主轴电动机M1，空载时直接启动，为满足顺铣和逆铣工作方式的要求，能够正转和自动铣床PLC控制系统设计李张峰18反转，为提高生产率，采用电磁制动器进行停车制动，同时从安全和操作方便考虑，换刀时主轴也处于制动状态。422进给运动电动机容量的确定机床进给运动的功率也是由有效功率和功率损失两部分组成的。一般进给运动的有效功率都是比较小的，但由于进给机构传动效率很低，实际需要的进给功率约为主运动铣床为02025。有时甚至更低。当主运动和进给运动采用同一电机时，只计算主运动电动机功率即可。对主运动和进给运动没有严格内在联系的车床，如铣床，为了使用方便和减少电能的消耗，进给运动一般采用单独电机传动，该电机除传动进给外还传动工作台的快速移动。由于快速移动所需要的功率比进给大的多，因此电动机的功率通常是由快速移动所需要决定的。工作台进给电动机M2，直接启动，为满足纵向、横向、垂直方面的往返运动，要求电动机能正反转，为提高生产率，要求行程时可快速移动。从设备的安全考虑，各进给运动之间必须联锁，并由手柄操作机械离和选择进给运动的方向。电动机M3拖动冷却泵，在铣削加工时提供切削液。各电动机型号参数对照表如下表42所示表42电动机型号参数对照表符号名称型号规格M1主轴电动机Y160L411KV、380伏、1460转/分M2进给电动机Y100L1422KV、380伏、1430转/分M3冷却泵电动机Y801208KV、380伏、2830转/分43铣床电动机组的设计图41为铣床电动机组启动电路图，该铣床有三台电动机，主轴电动机M1用来带动主轴旋转。进给电动机M2用来驱动工作台进行纵向，横向和垂直三个方向的进给运动与快速移动。冷却电动机M3驱动冷却液泵，铣削时把冷却液送到工件、刀具上进行冷却。自动铣床PLC控制系统设计李张峰19图41电动机组启动原理图44铣床常用电器的选型441按钮按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。在低压控制电路中，用于手动发出控制信号。按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳组成，通常做成复合式，即具有常闭触点和常开触点。按钮在系统中有启动停止复位清零选择等作用。一般性的按钮可选用LA1822型，其中常开常闭触头各两个；紧急按钮可选用LA1822J型；当按钮作为选择开关时可选用带指示灯的按钮，可选用LA1911B/D。442刀开关开关和小容量电机非频繁启动的操作开关。由操作手柄、刀片、触头座和底板等组自动铣床PLC控制系统设计李张峰20成。刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。接线时，应将电源接在上端，负载接在下端，作用在电弧上的电动力和热空气的上升方向一致，就能使电弧迅速拉长而且熄灭，这样拉闸后刀片与电源隔离，可防止意外事故的发生。适用于各皮带机、破碎机、给煤机、通风机的电源开关。根据系统的工作情况选用HR160型胶刀开关。443组合开关组合开关主要是作为电源引入开关，所以也称为电源隔离开关。它也可以起停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过1520次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1525倍。组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。常用的组合开关为HZ10系列，额定电流分为10、25、60和100A四种。适用于交流380以下，直流220以下的电气设备中。444行程开关行程开关也称限位开关。用于控制电路的自动限位切换。据控制功能及安装位置、控制路数，选择触头种类、数量、结构型号及安装尺寸。机床常用行程开关有LX2、LX19、JKXK1及LXW11、JLXK111型等系列产品。行程开关的额定电压交流500V、直流440V，额定电流5A。操作频率12002400次/小时。LX19型及JLXK1型行程开关均有一对动和和一对动断触头、且有自动复位和非自动复位两类。LXW11型及JLXK1型是微动开关，体积小、动作灵敏，机床中应用较多。LW2型为组合行程开关，最多可备有5对动和、5对动断公10对触头。可实现多路控制。下表列出JL；JLXK1系列行程开关的结构形式及有关参数。表43JLXK1系列行程开关结构特征与技术参数基本型号传动结构及复位方式动作力KG触头对数JLXK1111单轮防护式能自动复位大于1动和动断JLXK1111M单轮密封式能自动复位11JLXK1211双轮防护式非自动复位大于15额定电压VJLXK1211M双轮密封式非自动复位交流直流JLXK1311直动防护式能自动复位大于2500440JLXK1311M直动密封式能自动复位额定电流AJLXK1411直动滚轮防护式能自动复位大于25JLXK1411M直动滚轮密封式能自动复操作频率1200次/H自动铣床PLC控制系统设计李张峰21445接触器接触器分为直流、交流两种。机床中应用最多的是交流接触器。交流接触器的型号如接触器CJ1020，要想正确地选择接触器，就必须了解接触器的主要技术数据。其主要数据有1电源种类交流或直流；2主触点额定电压、额定电流；3辅助触点的种类、数量及触点的额定电流；4电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；5额定操作频率，即允许每小时接通的最多次数；机床常选用的是CJ10系列接触器，电源种类为交流，主触点最大电压500V，最大电流150A。446热继电器热继电器的种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，其主要由热元件、双金属片、触头三部分组成。双金属片是热继电器的感应元件，它由两种不同线膨胀系数的金属机械辗压而成。热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在电路中作电动机的过载保护。电动机在实际运行中，常遇到过载情况，过载时间长时，绕组温升超过了允许值是将会加剧绕组绝缘老化，缩短