毕业设计（论文）-基于单片机的输液滴速控制系统设计.doc

毕业设计（论文）说明书题目：基于单片机的输液滴速控制系统设计系 部 自动控制工程系 专 业 电气自动化 年 级 姓 名 指导教师 2010年 5 月 28 日黑龙江信息技术职业学院毕业设计（论文）任务书题目：基于单片机的输液滴速控制系统设计 学生姓名 系部名称 自动控制工程系 专 业 电气自动化 学 号 指导教师 职 称 助教 一、原始依据二、参考文献1 齐占庆.机床电气控制技术m.北京：机械工业出版社 1999年2 韩顺杰,吕树清.电气控制技术m.北京：北京大学出版社 2006年3 齐宁宁,丁国富.基于plc的车床电气控制系统设计m.机电一体化,2006年三、设计（研究）内容和要求内容：1）、总体方案的确定；2）、单片机的选择；3）、各模块电路的设计；4）、软件设计；5）、各模块调试；6）、撰写设计说明书。要求：本课题是以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。指导教师（签字） 年 月 日 审题小组组长（签字）年 月 日 毕业设计（论文）开题报告课题名称基于单片机的输液滴速控制系统设计院系名称黑龙江信息技术职业学院专业名称电气自动化学生姓名指导教师研究背景：随着电子技术的发展，我们在生活中的各方面大部分都采用了人工智能代替人，特别在一些工业应用场合。应用技术的飞速发展，使得单片机应用系统已经逐渐成熟，应用也越来越广泛，目前，单片机已经成为ip库中的重要成员。单片机输液点滴速度控制的发展在今和未来将成为医疗设施发展的趋势，毕竟，单片机凭着优越的性价比，与以往的点滴滴速控制系统相比，其单片机价格便宜，操作易于实现，而且对滴速的控制要求精度也较高。再者，单片机操作多机控制系统，还可减轻工作人员的压力，提高医护人员的工作效率。在人为控制下有时候如不小心将会为安全设施带来很大的麻烦，而且人工控制滴速精度也很难掌握，而使用单片机设计只要在设计时考虑周到，运行起来就不会带来这种问题了，因此，单片机滴速控制系统将在医疗中得到广泛应用。医疗事业的发展是顺应科学技术而发展的，医疗的安全问题更离不开科学，把高科技应用到医疗事业中来是对医疗事业的一大促进与补充。国内外发展状况： 随着现代信息和电子技术应用领域的不断拓宽，越来越多的应用领域提出了各种特殊要求。例如，航空航天领域要求的小体积大系统，信息应用领域提出的个性化等要求，都使得一般固件技术难以胜任。特别是在民用领域，重视个性化的产品设计概念使应用电子产品的更新速度极快，而且小批量多品种的要求也越来越高。这就是提出了小批量产品与成本、集成化与成本、产品研制周期与成本等一系列的问题。也将是单片机在医疗设施中展的必然趋势。参考文献1廖常初主编.可编程序控制器应用技术.重庆：重庆大学出版社，20052陈远龄主编机床与电气自动控制.重庆：重庆大学出版社，20063曹承志主编.电机、拖动与控制.北京:机械工业出版社,20014唐介主编.电机拖动与控制基础.北京:高等教育出版社,20025张勇主编.电机拖动与控制.北京:机械工业出版社,2001选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能指导教师（签字）年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能审题小组组长（签字）年 月 日摘 要 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本系统以atmel89c52单片机为核心，辅以步进电机驱动、键盘、lcd 显示、led 显示、光电传感器数据采集等外围电路组成，实现了一个主站控制多个从站的有线液体点滴速度监控系统。电机控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的减小超调量和静态误差，缩短调节时间。主站使用lcd 显示，用户界面友好。关键字：单片机；驱动；键盘；光电传感器目 录第一章 引言 11.1c650型卧式车床简介 11.2 plc在电气控制系统中的应用 21.3 c650型卧式机床发展趋势 3第二章 系统总设计 52.1 plc控制系统的设计基本内容 52.2 plc控制系统设计原则与步骤 52.2.1 plc控制系统设计的原则 52.3 plc控制系统设计与调试步骤 5第三章 系统硬件设计 73.1 主要电气元件的选择 73.2 电动机的选择 73.3 交流接触器和中间继电器的选择83.4 保护电器的选择 83.5 控制电器的选择 93.6 c650卧式车床的主要结构和运动形式 103.7 c650卧式车床控制原理电路图概述及原理分析 113.8 plc的选择 123.9 i/o地址的分配及接线图 13第四章 系统软件设计 144.1 plc的系统结构和基本工作原理 144.1.1plc的系统结构 144.1.2 plc的基本工作原理 144.2 plc编程语言 144.3 plc的基本功能和基本指令 154.3.1 plc的基本功能 154.3.2 plc基本指令 164.4控制系统的梯形图程序设计 17第五章 系统调试 205.1硬件检查 205.2系统综合调试 20附录i21附录ii 控制电路原理 22附录iii plc控制系统i/o分配表第六章 23附录iv plc控制系统i/o接线图参考文24附录v plc控制程序清单 25结束语 27参考文献 28致 谢 29第一章 引言1.1c650型卧式车床简介c650 普通车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。该车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。主轴由三相异步电动机拖动，主轴通过卡盘带动工件的旋转运动；进给运动，溜板带动刀架的纵向和横向直线运动，其中纵向运动是指相对操作者向左或向右的运动，横向运动是指相对于操作者向前或向后的运动；辅助运动，包括刀架的快速移动、工件的夹紧与松开等。工作过程如下：1正常加工时一般不需反转，但加工螺纹时需反转退刀，且工件旋转速度与刀具的进给速度要保持严格的比例关系，为此主轴的转动和溜板箱的移动由同一台电动机拖动。主电动机m1（功率为20kw），采用直接起动的方式，可正反两个方向旋转，为加工调整方便，还具有点动功能。由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，必须有停车制动的功能，c650-2车床的正反向停车采用速度继电器控制的电源反接制动。 2电动机m2拖动冷却泵。车削加工时，刀具与工件的温度较高，需设一冷却泵电动机，实现刀具与工件的冷却。冷却泵电动机m2单向旋转，采用直接起动、停止方式，且与主电动机有必要的联锁保护。3快速移动电动机m3。为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，利用m3带动刀架和溜板箱快速移动。电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。4采用电流表检测电动机负载情况。 5车削加工时，因被加工的工件材料、性质、形状、大小及工艺要求不同，且刀具种类也不同，所以要求切削速度也不同，这就要求主轴有较大的调速范围。车床大多采用机械方法调速，变换主轴箱外的手柄位置，可以改变主轴的转速。传统的机床控制系统是硬连线方式的继电一接触器控制系统，但该系统连线复杂，体积大，可靠性差，自动化水平低，难以满足现代化生产的需求。现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。20世纪70年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。当前，随着科学技术的不断发展及生产工艺上不断提出新的要求，电气控制技术得到飞速的发展。在控制方法上，主要是从手动到自动控制；在控制功能上，是从简单的控制设备到复杂的控制系统；在操作方式上，由笨重到轻巧；在控制原理上，从有触点的继电接触式控制系统到以计算机为核心的“软”控制系统。plc的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。plc以软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。1.2 plc在电气控制系统中的应用plc 是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱(plc,cad/cam,robot) 之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。用plc 控制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由plc 监控。plc 是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证plc 的正常运行。要提高plc 控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高plc 的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对plc 的影响。在新的时代，plc 会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，plc 作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。1.3 c650型卧式机床发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(it、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。1.高速、高精密化 高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。 直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙(包括反向间隙)，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的1020m/min提高到6080m/min，甚至高达120m/min。2.高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。3.数控车床设计cad化、结构设计模块化。随着计算机应用的普及及软件技术的发展，cad技术得到了广泛发展。cad不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用cad，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。4.功能复合化功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的cx25y数控车铣复合中心，该机床同时具有x、z轴以及c轴和y轴。通过c轴和y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。第二章 系统总设计2.1 plc控制系统的设计基本内容plc控制系统是由plc与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。因比plc控制系统设计的基本内容应包括: 了解设备电器的工作原理。根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，连续等）。根据控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。 进行plc控制系统配置的设计，主要为 plc的选择，plc是plc控制系统的核心部件，正确选择plc对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择plc，应包括机型的选择 、i/o模块的选择等。 选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。 根据控制要求基本确定i/o点数和模拟量通道数，进行i/o初步分配，绘制i/o接线图 程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、语句表程序，控制程序是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。 联机调试。按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至plc，进行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控制系统的要求为止。2.2plc控制系统设计原则与步骤2.2.1 plc控制系统设计的原则 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，并拟定电气控制方案。 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。 保证控制系统安全可靠。 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 plc 的容量时，应适当留有裕量。2.3 plc控制系统设计与调试步骤plc控制系统的设计调试过程如图2.1所示：图 2.1 plc 控制系统的设计调试过程第三章 系统硬件设计3.1 主要电气元件的选择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、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，输出部分包括各种负载的接触器线圈。在本次控制系统设计中用plc 代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。在车床的电气控制系统，所有触头，行程开关，控制按钮（sb1sb6）等为系统的输入信号；接触器线圈（km1-km5），为系统的输出信号。3.2电动机的选择在车床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步动机。三相交流异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内的三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。1.电动机容量选择的原则：在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。选择电动机的容量应根据以下三项原则进行。1）发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高温度等于或稍微小于电动机绝缘的允许最高工作温度，即。2）过载能力：电动机在运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。即所选电动机的最大转矩tl max必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即 (一般为0.8 ) (3.1)3）启动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，为使电动机可靠启动，必须保证 () (3.2)2.电动机的种类、电压和转速的选择除正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求，技术经济指标和工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压和转速。3.3交流接触器和中间继电器的选择1.接触器接触器是工业电气中用按钮或其他方式来控制其通断的自动开关。交流接触器由电磁线圈，静衔铁，动衔铁，静触点，动触点、灭弧装置和固定支架等部分组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态。在工业电气中，交流接触器的型号很多，电流在5a-1000a的不等，常用交流接触器的型号有cj20、cjx1、cj1和cj10等系列。在这次控制系统硬件的设计中，采用了cj10系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的1.11.3倍之间,各接触器型号见附录。2.中间继电器中间继电器是最常用的继电器之一，它的结构和接触器的基本相同，只是电磁系统小些，触点多一些。常用的继电器型号有jz7、jz14等。3.4保护电器的选择1.熔断器熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。2.热继电器热继电器主要用于电气设备（电动机）的过负荷保护。热继电器势利用一种电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相)现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。热继电器的选型原则：热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。星形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.051.1倍。3.5控制电器的选择1.选择开关万能转换开关是一种多档式控制多回路的开关电器。一般用于各种配电装置的远距离控制，也可作为电器测量仪表的转向开关或用作小容量电动机的启动、制动、调速和换向的控制，用途广泛，故称万能转换开关。常用的万能转换开关有lw8、lw6和la18系列。2.控制按钮控制按钮在控制电路中常用作远距离手动控制接触器、继电器等有电磁线圈的电路，也可用于电器连锁等电路中。目前常用的按钮有la10、la18、la19、la20等系列产品。各电气元件的型号及规格、用途和数量见附录i。3.6 c650卧式车床的主要结构和运动形式c650卧式车床属于中型车床，床身的最大工件回转半径为1020mm，最大工件长度为3000mm。主电动机功率为30kw，为提高工作效率，该机床采用了反接制动。为了减少制动电流，制动时在定子回路串入了限流电阻r。拖动溜板箱快速移动的2.2kw电动机是为了减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间而专门设计的。各部分结构如图3.1所示。对车床的电气控制要求是，车床加工工件时，首先由主轴上的夹头夹紧工件，然后由主电动机驱动旋转，待冷却液喷流到加工位置后，再进刀进行切削加工。加工完毕，将刀具退回原位，关闭冷却液，待主轴停转后，取下工件，完成加工工艺。由此可见，车床的运动主要有两种：主运动和进给运动。主运动由主电动机m1 完成，为了保证启动平稳，采用y/降压启动方式。km1 控制主电动机正转，km2 控制主电动机反转，km3 控制主电动机y 启动运行，km4 控制主电动机启动运行。m2 拖动冷却泵，在加工时提供冷却液采用直接启动及停止方式，km5 控制冷却泵电动机。进给运动有步进电机m3 拖动刀架快速移动，根据c650卧式车床运动情况及加工需要,本研究采用3台三相鼠笼型异步电动机拖动，即:主轴与进给电动机m1、冷却泵电动机m2和溜板箱快速移动电动机m3。从车削加工工艺出发,对各台电动机的控制要求如下： (1)主轴与进给电动机m1,功率为30 kw,允许在空载下直接起动。其要求能实现正、反转,从而经主轴变速箱实现主轴的正、反转,或通过挂轮箱传给溜板箱来拖动刀架以实现刀架的横向左、右移动。为便于进行车削加工前的对刀,则要求主轴拖动工件作调整点动,所以要求主轴与进给电动机能实现单方向旋转的低速点动控制。主电动机停车时,由于加工工件转动惯量较大,需采用反接制动。(2)冷却泵电动机m2,功率为0. 15 kw,用于在车削加工时,供出冷却液,对工件与刀具进行冷却。 图3.1 c650卧式车床3.7 c650卧式车床控制原理电路图概述及原理分析c650卧式车床控制电路原理图如附录所示。图中主要分为主电路，冷却电路，快速移动电路等三部分。1.主电路分析从附录中可以看出，断路器qf将三相电源引入，fu1为主电动机m1的短路保护用熔断器，fr1为m1电动机过载保护用热继电器。为防止在连续点动时的启动电流造成电动机过载，点动时也加入限流电阻r。通过互感器ta接入电流表a以监视主电动机绕组的电流。熔断器fu2为m2、m3电动机的短路保护，接触器km1、km2为m2、m3电动机起动用接触器。fr2为m2电动机的过载保护，因快速电动机m3短时工作，所以不设过载保护。2.控制电路分析(1) 主电动机的点动调整控制电路中km3为m1电动机的正转接触器，km为m1电动机的长动接触器，ka为中间继电器。m1电动机的点动由点动按钮sb6控制。按下按钮sb6，接触器km3得电吸合，他的主触点闭合，电动机的定子绕组限流电阻r与电源接通，电动机在较低速下起动。(1) 主电动机的正反转控制电路主电动机的正转由正向起动按钮sb1控制。按下按钮sb1时，接触器km首先得电动作，他的主触点闭合将限流电阻短接，接触器km的辅助动合触点闭合使中间继电器ka得电，它的触点闭合，使接触器km3得电吸合。km3的主触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。km3的动合辅助触点和ka的动合触点的闭合将km3线圈自锁。反转起动时用反向起动按钮sb2，按下sb2，同样是接触器km得电，然后接通接触器km4和中间继电器ka，于是电动机在满压下反转起动。km3的动断辅助触点和km4的动断辅助触点分别串在对方接触器线圈的回路中，起到电动机正传和反转的电气互锁作用。(2) 主轴电动机的反接制动控制当速度接近于零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机电源。速度继电器与被控电动机是同轴相连的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触点ks1闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合触点ks2闭合。当电动机正向旋转时，接触器km3和km，继电器ka都处于得电动作状态，速度继电器的正转动合触点ks1也是闭合的，这样就为电动机正传时的反接制动做好了准备。需要停车时，按下停止按钮sb4接触器km失电，其主触点断开，电阻r串入主回路，与此同时km3也失电，断开了电动机电源，同时ka失电，ka的动断触点闭合。在松开sb4后就使反转接触器km4的线圈得电，电动机的电源反接，电动机处于反接制动状态。当电动机的转速下降到速度继电器的复位转速时，速度继电器ks的正转动合触点ks1断开，切断了接触器km4的通电回路，电动机脱离电源停止。电动机反转时的制动与正转时的制动相似。当电动机反转时，速度继电器的反转动合触点ks2是闭合的，这时按一下停止按钮sb4，在sb4松开后正转接触器线圈得电，正转接触器km3吸合将电源反接使电动机制动后停止。(3) 刀架的快速移动和冷却泵控制刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关sq来实现的。当手柄压动sq后，接触器km2得电吸合，m3电动机带动刀架快速移动。如果车削加工需要冷却液时按下sb6，冷却泵电动机m3动作，km4线圈得电，冷却泵电动机m2工作，需要停止时按下按钮sb5即可。3.8 plc的选择plc 是控制系统的核心部件，正确的选择plc对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。选型的基本原则是：所选的 plc 应能够满足控制系统的功能需要。选型的基本内容应包括以下几个方面：1. plc 结构的选择在相同功能和相同 i/o 点数的情况下，整体式 plc 比模块式 plc 价格低。2. plc 输出方式的选择不同的负载对 plc 的输出方式有相应的要求。继电器输出型的 plc 可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。3. i/o 响应时间的选择plc 的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。4.联网通信的选择若 plc 控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的 plc 需要有通信联网功能，即要求 plc 应具有连接其它 plc 、上位计算机及 crt 等接口的能力。5.plc 电源的选择电源是 plc 干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高 plc 控制系统的可靠性。一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。6.i/o 点数及 i/o 接口设备的选择7.存储容量的选择plc 程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：程序容量 =k 总输入点数 / 总输出点数对于简单的控制系统， k=6 ；若为普通系统， k=8 ；若为较复杂系统， k=10 ；若为复杂系统，则 k=12 。在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的 25% 。不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足 i/o 点数的 plc ，内存容量也能满足。 车床电气控制系统所需的i/ o 点总数在256以下，属于小型机的范围. 控制系统只需要逻辑运算等简单功能。主要用来实现条件控制和顺序控制。为实现c650 车床上述的电气控制要求，所以plc 可以选择西门子公司的s7 - 200 系列。它的价格低，体积小，非常适用于单机自动化控制系统. 该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。车床电气控制系统需要9 个外部输入信号，5 个输出信号。plc 所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30 % ，以便于系统的完善和今后的扩展预留。所以本系统所需的输入点为12 个,输出点为7 个。现选择西门子公司生产的s7 - 200 系列的cpu224 型plc ，24v 直流14 点输入。3.9 i/o地址的分配及接线图根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了i/o点数。根据需要控制的开关、设备大约输入点为12 个,输出点为7 个需进行控制，现将i/o地址分配如附录iii所示。根据plc i/o端子的分配，画出了c650卧式车床plc控制系统i/o接线图如附录vi所示。第四章 系统软件设计4.1 plc的系统结构和基本工作原理4.1.1plc的系统结构目前plc种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元cpu、存储器ram和rom、输入输出接口电路、电源、i/o扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 plc控制系统由输入量plc输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为plc的输入量，它们经plc外部输入端子，作为plc的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，plc的基本结构有控制部分输入和输出组成。4.1.2 plc的基本工作原理plc采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，cpu从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。1.输入刷新阶段 在输入刷新阶段，cpu扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 2.程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 3.输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成plc的实际输出。4.2 plc编程语言与个人计算机相比，plc的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。各厂家plc的变成语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，有的甚至有相当大的差异，因此各厂家的plc互不兼容。iec（国际电工委员会）是为电子技术的所有领域制定全球标准的世界性组织。iec于1994年5月公布了plc标准（iec 61131）,该标准为可编程控制系统定义了5种语言：顺序功能图（sequential function chart）、梯形图（ladder diagram）、功能块图（function block diagram）、指令表（instruction list）、结构文本（structured text）。其中，梯形图是使用最多的plc图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电器人员掌握，特别是适用于数字量逻辑控制，有时也把梯形图称为电路或程序。梯形图由触点、线圈和用方块表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部设备。功能块用来表示定时器、计数器或数学运算附加指令。触点和线圈组成的独立电路称为网络，使用编程软件可以直接生成和编译梯形图，并将它下载到plc。s7系列plc将指令表称为语句表。plc的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序。在这次控制系统程序设计中，分别采用了梯形图和语句表两种编程语言编写了该系统的控制程序。4.3 plc的基本功能和基本指令4.3.1 plc的基本功能1.条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用plc的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联及其它各种逻辑连接，进行开关控制。 2.定时/计数控制功能 定时/计数控制功能指用plc提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。 3.数据处理功能 数据处理功能是指plc能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。 4.步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。 5.运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。 6.过程控制功能 过程控制功能是指通过plc的pid控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。 7.扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即i/o扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高plc的控制功能。 8.远程i/o功能 远程i/o功能是指通过i/o单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与plc主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 9.通信联网功能 通信联网功能是指通过plc之间的联网、plc与上位机的链接等，实现远程i/o控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。 10.监控功能监控功能是指plc能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制i/o状态。 4.3.2 plc基本指令在本次控制系统程序设计过程中主要应用到以下几种plc指令。1.标准触点指令常开触点对应的存储器地址为1状态时，该触点闭合，在语句表中，分别用ld（load，装载）、a（and，与）和o（or，或）指令表示开始、串联和并联的常开触点（见图4.1（a）。常闭触点对应的存储地址为0状态时，该触点闭合，在语句表中分别用ldn （load not）、an（and not）和on（or not）来表示开始、串联和并联的常闭触点，触点符号中间的“/”表示常闭 （见图4.1（b）。触点指令中变量的数据类型为bool。(a)常开触点 (b)常闭触点图4.1 标准触点指令2.输出指令输出指令（=）与线圈相对应，驱动线圈的触点电路接通时，线圈流过“能流”，指定位对应的映像寄存器为1，反之为0。输出指令语句表为（= bit）。输出指令（见图4.3）应放在梯形图的最右边，指令中的变量为bool型。图4.2 输出指令4.4控制系统的梯形图程序设计1.车床正反向工作及反接制动过程该控制程序步骤为：按下sb2，m10.0导通，q0.2动作，km3吸合短接电阻r，同时m11.1动作，q0.0动作，km1吸合，主电动机m1正转起动运行，开始车削加工。要停车时，按下sb1，q0.0、q0.2释放，松开sb1，q0.1动作，km2吸合，主电动机m1串电阻反接制动，当速度接近于零时，速度继电器正转常开触头ks1断开，km2释放电动机m1停转。反向工作过程与正向相同。2.主电动机点动过程按下sb4，q0.0动作，使km1吸合，m1串电阻限流点动，松开sb4，q0.0断开，m1停转，实现点动控制。其梯形图程序如图4.3所示。图 4.3 刀架快速移动及冷却泵工作过程3. 刀架快速移动及冷却泵工作过程该控制程序步骤为：刀架快速移动过程为按下位置开关sq，q0.4动作，km5吸合，m3起动运行，代替刀架的指示灯亮。 冷却泵工作过程为按下sb6，q0.3动作km4线圈得电，冷却泵电动机m2工作，停止时按下sb5即可。其梯形图程序如图4.4所示。图 4.4 刀架快速移动及冷却泵工作过程综上所述,根据控制系统的要求，结合控制电路原理图和plc编程特点，设计了控制系统梯形图程序如附录所示。第五章 系统调试5.1硬件检查合上实验台上供电的电源开关，用万用表测量系统总电源开关进线端的电压，看一看电压是否正常，有无断相或三相电压特别不平衡的现象。如果一切正常，便可合上总电源开关sb1，并用万用表测量电源能供到的各支路终端的电压是否正常。有无断相。用万用表测量各硬件的接线情况，看是否有短接，断接和虚连的情况，并与电路控制原理图一一对照，看是否有无接错的地方。各部分都正确无误的情况下进行软硬件联调。5.2系统综合调试将编写好的plc程序进行编译，下载至plc，由于控制系统运行电压是在220v，为了保证安全只好先在实验台上分步模拟，观察各步的动作都正确无误后，按照plc控制系统接线图在实验台上整体模拟，输出部分（接触器，电动机，快速移动刀架）用实验台上的指示灯代替, 观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺过程对