J31压力机的PLC改造.doc

压力机的plc改造一. 压力机的plc改造简介1.plc技术 （1）plc的基本概念：可编程控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，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plc。 （2） plc的主要特点：(一) 高可靠性1. 所有的i/o接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与plc内部电路之间电气上隔离。2. 各输入端均采用r-c滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.3. 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。4. 采用性能优良的开关电源。5. 对采用的器件进行严格的筛选。6. 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，cpu立即采用有效措施，以防止故障扩大。7. 大型plc还可以采用由双cpu构成冗余系统或有三cpu构成表决系统,使可靠性更进一步提高。(二)丰富的i/o接口模块plc针对不同的工业现场信号，如： 交流或直流； 开关量或模拟量； 电压或电流； 脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的i/o模块与工业现场的器件或设备，如： 按钮 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。(三) 编程简单易学plc的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(四) 安装简单，维修方便plc不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与plc相应的i/o端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。（3） plc的功能(一) 逻辑控制(二) 定时控制(三) 计数控制(四) 步进(顺序)控制(五) pid控制(六) 数据控制plc具有数据处理能力。(七) 通信和联网 （4）. plc的基本结构 plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：户程序和数据；检查电源、存储器、i/o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i/o映象区，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执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象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。为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。(5) plc存储空间的分配 虽然各种plc的cpu的最大寻址空间各不相同，但是根据plc的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域： 系统程序存储区 系统ram存储区(包括i/o映象区和系统软设备等) 用户程序存储区1. 系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在eprom中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该plc的性能。2. 系统ram存储区系统ram存储区包括i/o映象区以及各类软设备，如： 逻辑线圈 数据寄存器 计时器 计数器 变址寄存器 累加器等存储器。(1) i/o映象区 由于plc投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新。因此，它需要一定数量的存储单元(ram)以存放i/o的状态和数据，这些单元称作i/o映象区。一个开关量i/o占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量i/o占用存储单元中的一个字(16个bit)。因此整个i/o映象区可看作两个部分组成： 开关量i/o映象区 模拟量i/o映象区(2) 系统软设备存储区除了i/o映象区区以外，系统ram存储区还包括plc内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在plc断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当plc断电时，数据被清零。1) 逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统ram存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。 另外，不同的plc还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。2) 数据寄存器与模拟量i/o一样，每个数据寄存器占用系统ram存储区中的一个字(16 bits)。 另外，plc还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。3) 计时器4) 计数器3. 用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的plc，其存储容量各不相同。三. 电源plc的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去。（6） plc的工作原理最初研制生产的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是不相同的： 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(包括其常开或常闭触点)在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 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或逻辑线圈被接通或断开，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时才会动作。为了消除二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与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。（7） 扫描技术(一) 输入采样阶段在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(二) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。（8）. plc的i/o响应时间 为了增强plc的抗干扰能力，提高其可靠性，plc的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，plc采用了不同于一般微型计算机的运行方式(扫描技术)。（9） plc的i/o系统一. i/o寻址方式 plc的硬件结构主要分单元式和模块式两种。前者将plc的主要部分(包括i/o系统和电源等)全部安装在一个机箱内。后者将plc的主要硬件部分分别制成模块，然后由用户根据需要将所选用的模块插入plc机架上的槽内，构成一个plc系统。不论采取哪一种硬件结构，都必须确立用于连接工业现场的各个输入/输出点与plc的i/o映象区之间的对应关系，即给每一个输入/输出点以明确的地址确立这种对应关系所采用得方式称为i/o寻址方式。i/o寻址方式有以下三种： 固定的i/o寻址方式这种i/o寻址方式是由plc制造厂家在设计、生产plc时确定的，它的每一个输入/输出点都有一个明确的固定不变的地址。一般来说，单元式的plc采用这种i/o寻址方式。 开关设定的i/o寻址方式这种i/o寻址方式是由用户通过对机架和模块上的开关位置的设定来确定的。 用软件来设定的i/o寻址方式这种i/o寻址方式是有用户通过软件来编制i/o地址分配表来确定的。2.压力机工作原理压力机的动作循环液压缸驱动活塞, 实现“ 快速下行一慢速加压一保压延时一快速回程一原位停止” 的动作循环。液压系统组成主缸和顶出缸工作循环过程:主缸上滑块: 快速下行 慢速加压 保压延时卸压换向快速退回 原位停止;顶出缸下滑块: 向上顶出停留 向下退回原位停止; 3，压力机采用plc技术控制的原理在原有继电器- 接触器控制电路功能的基础上, 根据控制电路及液压原理分析液压机工作顺序, 采用plc技术控制。液压机的全部动作是由上下两个液压缸来完成,而液压缸又由相应的电磁阀控制。电气部分通过控制电磁阀的通、断电来控制整个液压机工作。从原点开始,按下起动按钮时,快进压制的两个电磁阀通电,滑块快速下行。下行要接触到工件时碰到工进接近开关,其中一快进电磁阀失电,滑块工进。碰到下限位接近开关或压力继电器动作,压制的两个电磁阀都失电。液压机保压延时。延时后,滑块回程电磁阀通电,滑块回程。碰到上限位接近开关,回程电磁阀失电,回程停止,下缸顶出电磁阀通电,下缸顶出,延时后结束。至此,完成一个工作循环。二 j31压力机的电路分析1主电路的分析主电路共有三台电动机，分别为推动液压缸上下运动的主电动机m1,封闭高度调整电动机m2和控制油泵的电动机m3。（1） 主电动机m1。m1通过正反转来实现对液压缸上下运动的控制，sb2是主电机m1的启动按钮，sb1是m1的停止按钮，m1的正反转通过组合开关km1和km2来实现，km1接通m1正转，km2接通m1反转，为避免短路两电路采用互锁结构，m1正反转由转换开关sa5实现，为避免启动时主电路有过大电流，m1启动采用串电阻方式。（2）封闭高度调整电动机m2。m2的启动是有转换开关sa6和按钮开关sb5或sb6还有sa14或sa15共同实现的，sa6-1处于闭合状态时，j31处于封闭高度调整状态，由于行程控制和封闭状态调整控制受转换开关sa6控制，行程控制暂停，sb5和sa14调整上封闭高度，sb6和sa15调整下封闭高度，并且两调节电路采用互锁结构，由于缺少自锁结构属于电动控制。（3） 油泵电动机m3。m3为加工供应切削液。常闭按钮sb3作为m3的停止按钮，sb4用作m3的启动按钮，才有用自锁结构全压启动。（4） 三台电动机m1、m2、m3 共用熔断器fu1作短路保护， 但主电路缺少热继电器frl、fr2、fr3 分别为三台电动机m1、m2、m3 提供过载保护。2控制电路分析控制电路主要包括主电动机m1开动控制、油泵电动机m3开动控制、脚踏开关联锁控制、超负荷控制、m2油泵电动机对封闭高度调整的控制、零件加工时行程控制、飞轮制动阀的控制、离合器控制、中液压气垫阀控制、左右液压气垫阀控、制各类指示灯控制等等。主电动机m1和油泵电动机m3和封闭高度调整电动机m2的控制上面已经提及，不在详述。在此分析以下几种控制：(1)超负荷的控制。当要加工的零件所需的压力超过或低于压力机提供的压力时，应通过转换开关sa12和sa13对压力机的压力进行相应的调整，sa12加大压力机压力，sa13减小压力机压力，使生产高质量进行。(2)计数器的控制。凸轮开关和sa7来控制。(3)行程控制。当sa13 、 sa14、 sa7、 sa8处于闭合状态时，sa6-2开关闭合，km9线圈处于断电状态，km9触点处于常闭状态时，在凸轮开关作用下，当sa16-1处于闭合状态有两种情况，当sb11按钮处于常闭状态，在km5线圈断电时km5触点处于闭合状态时，km10线圈通电并自锁，这种情况下只用当sa16-1处于关断状态时，km10线圈断电，当km5处于关断状态可有sa4的通断来控制km10线圈的通断。在km10线圈通电的情况下，其一，sa3开关处于接通状态下，km9线圈通电，其二，sa10或sa8接通按钮sb11闭合在km4线圈断电情况下km9线圈通电。在km9线圈通电情况下，按下按钮sb9行程开关sq3工作，sa17处于闭合状态时行程开关sq2工作，当sq2和sq3都处于关断状态时sq1工作。(4)飞轮制动阀的控制。sa1为启动按钮，受km1和 km2控制，当主电动机m1工作时，飞轮制动阀不工作，当主电动机m1停止工作时，对飞轮制动阀进行控制，主电动机m1运转和飞轮制动阀控制采用机械互锁。(5)离合器阀的控制。在行程控制中，km9线圈接通情况下对离合器阀控制，用来换挡等操作。(6)中液压气垫阀和左右液压气垫阀控制。凸轮开关sa18和转换开关sa9和sa10共同控制。根据待加工零件的大小及加工形状选用相应的气垫阀。比如当零件较小时一般通过转换开关sa9启用中液压气垫阀，零件较大时通过转换开关sa10启用左右液压气垫阀。3辅助电路和保护环节辅助电路及保护环节包括行程开关控制图和照明电路控制。熔断器fu作为照明电路的短路保护。三plc 控制系统的分析与设计1改造方法对j31压力机进行电气控制线路的plc 改造， 主要是改造控制电路， 而对电源电路、主电路及照明电路可保持不变。去掉变压器的输出及整流器的输出部分，采用plc 控制， 为了确保各种联锁功能， 需要将位置开关sq1sq3、按钮开关sb1sb14、分别接入plc 的输入端；主电动机正反转转换开关sa1-1和sa-2和封闭高度调整转换开关sa14和sa15分别用一对常开和常闭触头接入plc 的输入端子。中液或左右液压气垫阀转换开关sa9和sa10开关用一对常开和常闭触头接入plc 的输入端子，超负荷转换开关sa12和sa13用一对常开和常闭触头接入plc 的输入端子，封闭高度调整和行程控制的转换开关sa16用一对常开和常闭触头,接入plc 的输入端子四个凸轮开关也作为输入接到输入端子，输出器件有四个不同等级的电压， 一个是接触器使用的220v 交流电压， 另一个是电磁离合器使用的24v 直流电压， 还有一个是照明使用的36v 交流电压。把plc 的输出口分成四组连接点。2plc的硬件设计j31压力机控制系统的输入点数为38点， 输出点数为22点， 根据输入输出口的数量， 可选择三菱fx2n66mr 型plc。所有的电器元件还可采用改造前的型号，电器元件的安装位置也不变。j31压力机各个输入 输出点的plc 地址分配如表1 所示，j31压力机的plc i o 接线图如图2 所示。plc i/o接口地址分配序号输入器件输入地址序号输出器件输出地址1sb1主电动机停止x11km1主轴电动机m1正转y12sb2 主电动机启动x22km2主轴电动机m1反转y23sb3油泵电动机停止x33km3主电机串电阻启动y34sb4油泵电动机启动x44km4油泵电机启动自锁y45sb5上封闭高度调整启动x55km5 脚踏开关联锁y56sb6下封闭高度调整启动x66km6行程控制起动y67sb7行程控制停止x77km7 km8上下封闭高度调整起动y7 y88sb8行程控制停止x88km9离合器阀启动y99sb9行程控制启动x99km10 离合器阀起动y1010sb10行程控制启动x10101t 飞轮制动阀y1111sb11行程控制启动x11112t 3t 离合器阀y12 y1312sb12 行程控制停止x12124t 5t 中液或左右液气垫阀y14 y1513sb13 行程控制停止x1313hl1 hl2 hl3 照明灯y16 y17 y1814sb14行程控制停止x1414l1 l2 l3 l4 工作指示灯y19 y20 y21 y22 15sa1主电动机启动开关x151516sa2脚踏开关连锁开关x161617sa3插座开关x171718sa4行程控制开关x181819sa5正反转转换开关x19x2020sa6封闭高度调整和行程控制转换x21x2221sa7计数器启动开关x2322sa8 行程控制开关x2423sa9 sa10 中液 左右液气垫阀转换开关x25x2624sa11 工作灯开关x2725sa12 sa13 超负荷转换开关x28x2926sa14 sa15 封闭高度调整转换开关x30x3127sa16-1sa16-2行程控制和计数器转换开关x32x3328sa17行程控制开关x3429sa18中液 左右液气垫阀转启动开关x3530sq1 sq2 sq3x36 x37 x383plc的程序设计根据j31压力机的控制电路， 设计该电气控制系统的plc 控制梯形图， 如图3所示。该程序共有11条支路，在梯形图中已反映了原继电器电路中的各种逻辑关系。第1支路， 主轴电动机m1的启动与停止控制。当接通电源，按下按钮sb2 、开关sa1 接入plc 的x1、x2、x19或x20 输入接点。主电动机启动， 通过输出继电器y1 、y2 、 y3将进给控制电路接通。sa1接通，按下sb2按钮，定时器接通同时当转换开关处于sa5-1状态时，主电动机正向启动，km1线圈通电实现自锁；转换开关处于sa5-2状态时，主电动机逆向启动km2线圈通电实现自锁，定时器接通后经过延时，km3线圈接通实现主电动机的串电阻启动。第2 支路，电源指示灯电路。当电源开关q闭合，电源指示灯电路接通，电源指示灯亮。第3条支路，油泵电动机m3的启动和停止。按下sb4、sb3接入plc的x4输入接点，油泵电动机启动和停止控制。按下sb4按钮，线圈km4接通，km4触点闭合实现自锁，按下常闭sb3按钮，km4线圈断电，油泵电动机停止。第4条支路，脚踏开关互锁控制。sa2接通，连入plc的x16输入接点，km5接通。第5条支路， 转换开关sa12， sa13接通，使接入plc的x28 x29输入接点，进行超负荷