毕业设计--S7-200 PLC在4M机床的应用.docVIP

沈阳化工大学本科毕业论文题 目： S7-200 PLC在4M机床的应用 院 系： 信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 0801 学生姓名： 指导教师： 邢杰 论文提交日期：2012 年 6月 21 日论文答辩日期：2012 年 6月 26 日摘要目前可编程控制器（PLC）广泛应用于数控机床等工业的控制中，主要是因为使用PLC来代替继电器控制完成逻辑控制，使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，相应速度和可靠性大大提高。可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的储存器，在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备的生产过程。立式车床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率的自动化专用加工设备，主要用于加工重型工件和不易在卧式车床上装夹的工件，太重的工件在卧车不易装夹，由于本身自重，对加工精度有影响，采用立式车床可以解决上述问题。普通4M立式车床是加工大型机械装备的重要设备，用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小，形状复杂的大型和重型工件。由于该设备采用变速箱有级调速，刀具的进给系统不能适应加工螺纹等复杂表面轮廓的工件。对普通的4M立式车床的数字化改造，使PLC技术应用于4M立式车床中，目的在于使机床的进给系统实现对主轴转速的快速跟踪及刀具的精确定位，能以工艺要求的任意比例确定切削速度，加工螺纹等复杂轮廓表面。采用可编程控制器及变频调速技术对普通4M立式车床进行数字化改造，由电气系统进行工作自动循环的控制，其方便程度以及工件的加工能力都要高于普通的4M机床。而且PLC的灵活性和扩展性强，后期对程序进行修改和调试均很方便，设计完成后，现场的施工和控制逻辑的设计可以同时进行。给出系统的硬件电气原理图及系统软件的结构框图，应用编好的程序进行调试，调试结果表明：应用PLC和变频调速技术，可以实现对普通4M立式车床改造的工艺要求。关键词： 立式车床； 进给系统； 可编程控制器； 同步伺服电机AbstractThe programmable controller ( PLC ) is widely used in CNC machine tools and other industrial control, mainly because of the use of PLC to replace the relay control logic control of NC machine tool, that results in a more compact, more functions, the corresponding speed and reliability are greatly improved. Programmable controller is a designed for applications in the industrial design environment of electronic digital computing operating system, it uses a programmable memory, in its internal storage implementation of logical, sequential control, timing, counting and arithmetic operations such as instruction, through digital, analog input output the control of various types of machinery and equipment of the production process. Vertical lathe is targeted to specific work, specific processing and the design of a high efficient automation equipment for processing, mainly for processing large diameter, the short length of large, heavy workpieces and not easy in horizontal lathe with the clamping of the workpiece, the workpiece is too heavy in the sleeper is not easy to clip, because of their weight, the processing accuracy influence of the vertical lathe, can solve the above problem. Common 4M vertical lathe processing of large mechanical equipment is important equipment for processing large size, radial and axial size is relatively small, large and heavy workpiece with complicated shape. Because the device adopts the gearbox has speed, tool feed system can not adapt to the processing of complex surface contour of the workpiece thread. To the ordinary 4M vertical lathe digital transformation, so that the application of PLC technology in 4M vertical lathe, the purpose is to make the machine feed system for spindle speed fast tracking tool and precise positioning, can process arbitrary proportion of determining cutting speed, processing thread and other complex surface contour. Using the programmable controller and frequency conversion and speed regulation technology of ordinary 4M vertical lathe for digital transformation, the electrical system to carry on the work of automatic cycling control, its convenience and workpiece processing capacity are higher than those of ordinary 4M machine tool. And PLC flexibility and expansibility, later to modify the program and debugging are convenient, after the completion of the design, construction and control logic design can be done at the same time. Given the system hardware schematic diagram and system software structure, the application of coding for debugging, debugging results show that: the application of PLC and frequency control technology, can realize the common 4M vertical lathe process requirements.KEY WORDS: vertical lathe； feed system； rogram logic controller； synchronous servomotor.沈阳化工大学学士学位论文 目录目 录第一章 绪论11.1可编程控制器的生产与发展11.2 可编程控制器的用途与特点11.3 可编程控制器的分类21.4 采用西门子S7-200 PLC的原因2第二章 方案论证42.1 普通机床数控改造的意义42.2 PLC的概述42.3 PLC应用于立式车床的原因52.4 4M立式机床的刀具运动方式62.5 进给系统的改造方案6第三章 系统的硬件构成83.1 系统的硬件电路构成83.2 变频器介绍93.3 伺服电机介绍103.4 可编程控制器的硬件组成113.5 可编程控制器I/O点的分配133.6 可编程控制器CPU的硬件选型143.7 可编程序控制器的主要性能指标15第四章 系统的软件174.1 概述174.2 可编程控制器的软件组成174.3 STEP7编程软件概述184.4 系统的软件结构18第五章 系统的调试24参考文献25致谢26沈阳化工大学学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1可编程控制器的生产与发展在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1969年美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在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的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，它现在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个行业，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，即可用于单台设备的控制，也可以用于多电机群控及自动化流水线。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程控制器在我国大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程控制技术，应是广大技术人员的努力方向。1.2 可编程控制器的用途与特点PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC应用通常可分为五种类型：顺序控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信和联网。PLC有以下7种性能特点：1.抗干扰能力强，可靠性高；2.控制系统结构简单、通用性强、应用灵活；3.编程方便，易于使用；4.功能完善，扩展能力强；5.PLC控制系统设计、安装、调试方便；6.维修方便，维修工作量小；7.结构紧凑、体积小、重量轻，易于实现机电一体化。1.3 可编程控制器的分类1按输入/输出点数分小型机小型PLCI/O总点数在256点以下，用户程序存储容量在4KB左右。中型机中型PLCI/O总点数在256-2048点之间，用户程序存储容量在8KB左右。大型机大型PLCI/O总点数在2048点以上，用户程序存储容量在16KB以上。2按结构形式分整体式 整体式又叫做单元式或箱体式，CPU模块，I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，结构非常紧凑。它的体积小、价格低，小型PLC一般采用整体结构。 模块式模块式PLC用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成。模块插在模块插座上，然后焊在机架的总线连接板上，机架也通常称为基板。3按生产厂家分目前世界上PLC产品按地域分成三大流派：美国、欧洲和日本。日本和美国的PLC产品较相似。占PLC市场80%以上的生产公司是：德国的西门子（SIEMENS）公司、法国的施耐德（SCHNEIDER）自动化公司、日本的欧姆龙（OMRON）和三菱公司。目前国内常用的主要是三菱FX系列小型机和西门子S7-300、S7-400中大型机等。三菱早期的F 系列、 F1 系列、 FX 系列、 A 系列等机型，欧姆龙机型，西门子的 S5 和 S7 系列等机型。1.4 采用西门子S7-200 PLC的原因SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。PLC仍然处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。PLC的应用面之广、普及之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：1.极高的可靠性2.极丰富的指令集3.易于掌握4.便捷的操作5.丰富的内置集成功能6.实时特性7.强劲的通讯能力8.丰富的扩展模块 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 35沈阳化工大学学士学位论文 第二章 方案论证第二章 方案论证2.1 普通机床数控改造的意义高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得非常好的成绩，主要表现在：1、 减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60%-80%的费用，改造费用低。机械性能稳定可靠，所利用的床身、立柱等基础都是重而坚固的铸造构件，不是焊接构件，改造后机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。2、 熟悉了解设备，便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求，改造则不然，可以精确地计算出机床的加工性能。另外，由于多年使用，操作者对机床的性能早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。3、 提高生产效率机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3-5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期，改造后的机床较改造前的机床相比，提高了性能和机床的使用价值。2.2 PLC的概述可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的储存器，在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易于与工业控制联成一个整体且具有扩展功能。PLC产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。PLC体积小、速度快、功能强、可靠性高，又具有较大的灵活行和扩展性。PLC还有一个重要的特性是它具有在线修改的功能。它借助于软件来实现重复的控制，由于软件本身具有修改性，所以PLC具有灵活性。PLC又具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了PLC系统的可靠性。编程采用传统的继电器符号语言，便于工程技术人员掌握，PLC在按钮开关，限位开关和其他传感器等发出的监控输入信号下进行工作。根据信号，控制器就会做出反应，通过用户编程的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，电磁阀等。PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使PLC具有较高的经济效益。2.3 PLC应用于立式车床的原因目前PLC已经广泛应用于所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有极其重要的地位。采用PLC进行数控主要有以下几点原因：1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。2、配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。3、易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。5、体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.4 4M立式机床的刀具运动方式工件被紧固在直径为4M的旋转工作台上，并随工作台一起在主轴电机的驱动下，通过齿轮变速箱，以有级调速方式旋转。刀架在进给电机驱动下，通过进给变速箱、丝杠和4个电磁离合器，完成左（进刀）下（走刀切削）右（退刀）上（返回）4个方向的运动（见图2.1）。主轴电机和进给电机均为三相异步电动机，不可调速。主轴和刀具的运动速度分别由主轴箱和进给箱通过齿轮传动，进行手动设定。由于齿轮传动的局限性，工件的旋转速度和刀具的切削过程的运动速度，不可能以任意比例设定及调节。因此在普通型的4M立式车床，不能加工螺纹等复杂的轮廓表面。图2.1 4M立式机床刀具切削工件过程示意图2.5 进给系统的改造方案为了使机床具备加工复杂表面轮廓的能力，必须使进给系统的丝杠旋转速度能在可控的范围内和主轴的旋转速度以任意比例匹配。为了最大限度地利用机床的原有资源，进队机床进给系统驱动方式进行了数字化改造。具体的做法是：1、机床原有的刀架进给系统的驱动电机是1.5KW三相异步电动机，额定转速为1380r/min。现改为2KW的三相同步伺服电机，额定转速为3000r/min。利用同步电机绝对硬的机械特性，以保证进给系统在切削加工过程中，转速不随负载的增加而降低，以利于切削出预期的表面光洁度。2、采用高灵敏度的感应式接近开关和自制的叶轮旋转探头，组成的速度传感器，实时检测主轴（旋转工作台）的转速，以计数脉冲的形式送入可编程控制器（PLC），并由PLC通过控制算法得到符合工艺要求的丝杠旋转速度。3、PLC将丝杠旋转速度换算成同步伺服电机的转速（数字量），经D/A转换后，以模拟量的形式（010V，对应于05000r/min）输入变频调速驱动器，实现同步伺服电机的无极调速。严格保证伺服电机能够按照工艺条件要求的稳定转速，拖动刀具进行切削加工，得到预期的表面轮廓形状。4、采用高灵敏度感应式接近开关，对刀具的原点、进刀点和退刀点实行精确定位，由PLC根据工艺要求，及时发出指令，对刀具运动的上、下、左、右4个行程，以及主轴转数在切削加工过程中的变化实行快速跟走，保证刀具的正确运动状态。沈阳化工大学学士学位论文 第三章 系统的硬件构成第三章 系统的硬件构成3.1 系统的硬件电路构成系统的硬件电路构成由以下5个部分组成：1、 电源：包括三相变压器和直流开关电源。三相变压器：交流380V/200V，3KVA，为三相同步伺服电动机及其变频调速驱动提供交流200V三相电源。开关电源：直流24V，为PLC、D/A模块及数字显示表提供直流电源。2、 伺服电动机及驱动：包括三相交流同步伺服电动机（自带光电编码器）及变频调速驱动器。三相交流同步伺服电动机：选用日本松下公司的同步伺服电动机，功率为2.0KW，额定电压为200V，额定电流为13.0A。变频调速驱动器：选用日本松下公司的矢量控制的交-直-交逆变驱动器。3、 数控单元：包括可编程控制器PLC，D/A转换模块。可编程控制器PLC：选用西门子公司生产的S7-200。4、 控制信号及数据采集：包括主轴转速非接触式速度传感器和用于位置控制及 刀具上下左右4个行程的控制信号传感器。主轴转速传感器：用高灵敏度的感应式接近开关和自制的多探头叶轮组成。刀具位置及行程控制传感器：采用感应式接近开关。接近开关选用N15-530-AN6型，动作接近距离为15mm，动作反应时间小于2s。5、 人机界面：包括文本显示器TD200、手动控制键盘、数字显示仪表、信号灯及报警电铃。文本显示器TD200：采用西门子公司提供的TD200文本显示器，可以用来向PLC输入和设置切削加工的工艺参数，也可以显示系统的运行信息，最多可显示80条信息，每条信息可包含4个状态变量。手动控制键盘：用于刀具调整（如换刀）时的手动控制，可实现启动、停止及刀具上、下、左、右4个行程的手动控制。数字显示仪表：选用ZNSX只能数显仪表，用于实时显示机床主轴和进给伺服电机的转速。信号灯及电铃：用于指示机床工作状态及故障报警。3.2 变频器介绍变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。整流单元将工作频率固定的交流电转化为直流电。逆变器由大功率开关晶体管整列组成电子开关，将直流电转化为不同频率、宽度、复读的方波。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速及调压调速方式。直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型每隔25m产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开关位置。由此可以看出它是对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+伺服电机的组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新的阶段。变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。本系统所采用的是交-直-交型变频器，这种变频器先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电变成频率和电压都可变的交流电。3.3 伺服电机介绍作为数控机床的重要控制功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运功，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量。功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电，电动机则按供电大小拖动机械运转。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低、结构简单、启动转矩大、调速范围宽、控制容易、需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰、对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、转动平滑、力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。本系统所采用的是三相交流同步伺服电机，这种伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。3.4可编程控制器的硬件组成可编程控制器种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。PLC的基本结构由中央处理器（CPU），存储器，输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编程工具，智能I/O接口，智能单元等组成。1中央处理器（CPU）与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，他按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。2存储器PLC存储器是用来存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。按其作用有系统存储器与用户存储器；存储器又有两种，一种为可进行读/写操作的随机存取存储器RAM；另一种为只读存储器。3输入、输出接口输入、输出接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。4电源PLC一般使用220V单相交流电源，电源将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证PLC的正常工作。对于小型整体式可编程控制器内部有一个开关稳压电源，此电源一方面可为CPU、I/O单元及扩展单元提供直流5V工作电源，另一方面可为外部输入元件提供24V电源。5扩展接口扩展接口用于将扩展单元与基本单元连接，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需求。6通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机及其他的PLC或计算机相连。7智能I/O接口为了满足工业上更加复杂的控制需要，PLC配有多种智能I/O接口，通过智能I/O接口，用户可方便的构成各种工业控制系统，实现各种控制功能。 8编程工具编程工具是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视用的设备。最常用的是编辑器。编辑器有简易型和智能性两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往是先将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后才能输入。9智能单元各型PLC都有一些智能单元，他们一般都有自己的CPU，具有自己的系统软件，能独立完成一项专门的工作。智能单元通过总线与主机相联，通过通信方式接受主机的管理。常用的智能单元有A/D单元、D/A单元、高速计数单元、定位单元等。10其他部件PLC还可配有盒式磁带机、EPROM写入器、存储卡等其他外部设备。3.5 可编程控制器I/O点的分配表3.1 系统的输入输出点的具体功能分配。输入口（脉冲）信号功能输出口（脉冲）信号功能I0.0主轴转速计数脉冲Q0.0故障报警I0.1刀具上升Q0.1刀具上升伺服I0.2刀具下降Q0.2刀具下降伺服I0.3刀具左移Q0.3刀具左移伺服I0.4刀具右移Q0.4刀具右移伺服I0.5启动Q0.5快速启动伺服I0.6停止Q0.6启动指示I0.7快速启动Q0.7停车指示I1.0刀具原点位置I1.2刀具Y轴位置I1.1快速启动指示依据上表所示共有19个I/O点，输入点11个，输出点8个。 3.6可编程控制器CPU的硬件选型表3.2 下表所示的为西门子S7-200系列的几种CPU规格特性CPU221CPU222 CNCPU224 CNCPU224XP CN本机数字量I/O本机模拟量I/O6入/4出-8入/6出-14入/10出-14入/10出2入/1出扩展模块数量-277最大可扩展数字量点数-78168168最大可扩展模拟量点数-103538用户程序区/KB4812数据储存区/KB2810外形尺寸/mm90X80X6290X80X62120.5X80X62140X80X62DC24电源CPU的输入电流/最大负载80mA/450mA80mA/500mA110mA/700mA120mA/900mAAC24电源CPU的输入电流/最大负载15mA/60mA20mA/70mA30mA/100mA35mA/100mA依据上表的CPU的参数和系统的I/O点的个数及模拟量，选用CPU224XP CN型3.7 可编程序控制器的主要性能指标1、存储容量系统程序存放在系统程序存储器中。这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量，用户程序存储器容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短，一般以字节为单位来计算。也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量。2、输入/输出点数I/O点数即PLC面板上连接输入、输出信号用的端子的个数，常称为“点数”，用输入点数与输出点数的和来表示。I/O点数越多，外部可接入的器件和输出的器件就越多，控制规模就越大。因此，I/O点数是衡量PLC性能的重要指标之一。3、扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标，一般以执行1K字所用的时间来衡量扫描速度。4、编程指令的种类和数量编程指令种类及条数越多，其功能就越强，即处理能力和控制能力也就越强。5、扩展能力PLC的扩展能力反映在以下两个方面。大部分PLC用I/O扩展单元进行I/O点数的扩展，有的PLC可以使用各种功能模块进行功能的扩展。6、智能单元的数量PLC不仅能够完成开关量的逻辑控制，而且利用智能单元可以完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网等功能。 图3.1 系统硬件的电气原理图沈阳化工大学学士学位论文 第五章 系统的软件第四章 系统的软件4.1 概述PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足于编写，又要满足于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言，但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有一些共同的特点。4.2 可编程控制器的软件组成可编程控制器的软件由系统程序和用户程序两大部分组成。系统程序由PLC制造商固化在机内，用以控制可编程序控制器本身的运作；用户程序则是由使用者编辑并输入的，用来控制外部对象的运作。1、系统程序系统程序主要包括三部分。第一部分为系统管理程序，它控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用程序，包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序。2、用户程序用户程序即应用程序，是可编程控制器的使用者针对具体控制对象编制的应用程序。根据不同控制要求编制不同的程序，相对于改变可编控制器的用途，也相当于继电接触控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”。3、可编程控制器的程序结构广义上的PLC程序由三个部分构成：用户程序、数据块和参数块。4.3 STEP7编程软件概述Step7-micro/win是西门子公司专为其小型PLC而设计的编程软件，可在WINDOWS平台上运行，软件简单、易学，能够解决复杂的自动化任务，可以快速进入，节省编程时间，具有扩展功能基于标准的WINDOWS软件。Step7-micro/win采用窗口式编程界面，可以实现编程、调试、模拟运行、与高级语言接口和网络通讯等功能。其指令包括：位逻辑指令、比较指令、转换指令、计数器指令、数据块指令、逻辑控制指令、整数算数运算指令、浮点算数运算指令、赋值指令、程序控制指令、位移和循环指令、状态位指令、定时器指令和逻辑指令。Step7-micro/win将可编程控制器的编程、操作员界面、运动控制、程序调试、故障诊断和处理、通讯等集成为一体。人-机界面及监控软件集成了所有开放的标准接口，可直接从生产中获得大量实时数据，并对这些数据进行分析的打包，然后传送到管理层，同时它能将过程优化数据和生产细节的参数迅速的反馈到控制层和现场。Step7-micro/win与高级语言的编程软件类似，可在编程时建立工程文件，通过主程序调用若干子程序，与数据库相连实现大型工程控制。通过提供的编译、调试以及诊断程序，可对程序进行模拟运行，提高编程效率。编程一般采用梯形图形式。4.4 系统的软件结构系统的软件由主程序、子程序及中断程序组成。主程序主要完成系统的初始化，输入加工工艺参数，设置计数器，设置中断，并以扫描输入端信号的循环方式运行。PLC的输入信号自动的输入，由接近开关提供相应的位置控制信号，实现切削加工连续自动控制。PLC的输入信号直接驱动伺服元件的继电器和指示灯，用于实现刀具的正确运动，并以相应的指示灯光只等机床当前的运行状态。依据下图（见图4.1）所示的流程，系统启动之后，开始进行初始化，对变量赋初值和计数器的单元清零。之后需要进行判断是否需要重新输入加工工件的参数，由于之前进行了初始化，所以没有记忆必须进行下个步骤，判定结果是Y。进行输入加工工件参数的步骤，根据加工工件的规格输入到系统中，之后进行判定输入的是否确定，如果确定判定结果是Y，进行下个步骤，如果输入有错误需要修改，则判定为N，返回这步重新输入。确定之后进行下个步骤，对故障中断信息进行设置，以便后面的子程序执行故障中断程序，之后根据需要对主轴的转速计数器进行设置，使其复位。下个步骤利用刀具位置及行程控制传感器扫描刀具位置，并发出信号来判断刀具是否需要左移，如果需要则进入左移子程序，判断结果为Y，完成左移子程序，并且返回到判断是否需要输入参数步骤，如果整个加工工序还没有完成，不需要更换加工工件，则继续扫描位置控制信号完成加工工序。刀具左移步骤完成之后，返回后判断是否需要刀具左移，判定结果为N，之后进行判断是否需要刀具下降，如果需要下降，判断结果为Y，进入刀具下降子程序，完成后同左移一样返回，返回后判断是否需要左移，判定结果为N，然后判断是否需要下降，判定结果为N。之后进行判断是否需要右移，如果需要右移，判断结果为Y，进入右移子程序，完成后返回。返回后判断是否需要左移，判定结果为N，然后判断是否需要下降，判定结果为N，然后判断是否需要右移，判定结果为N。之后进行下一步骤进行判断是否需要上升，如果需要则判断结果为Y，进入上升子程序，刀具上移，完成后返回。当工件加工完成后，如果需要换别的规格的工件进行加工，则需要重新输入加工工件的工艺参数，然后再进行加工。这是系统的主程序框图，综上所述，按照这样的工作流程，能够实现工件的加工要求。图4.1 系统主程序框图系统的子程序包括：左移子程序、下降子程序、右移子程序和上升子程序。下图所示（见图4.2）的是左移子程序和下降子程序框图，先介绍左移子程序。当刀具需要左移且判定结果为Y时，进入了这个左移子程序。开始之后，系统发出了左移的指令，然后刀具开始进行左移的进程，依据刀具行程传感器来进行判断刀具是否到达了工件的表面位置。如果判定结果为N，则继续进行左移，直到判定结果为Y为止，这时候，还刀具还需要继续往前进K个进刀量，因为此时刀具只是到达了工件的表面，没有达到切削的要求，所以还得依据加工的需要继续往前进K个进刀量。达到K个进刀量后刀具停止了左移，然后系统返回。下降子程序同左移子程序基本相同，当刀具是否需要下降判定为Y后，进入了这个下降子程序。开始后，系统发出了下降指令，然后依据刀具行程传感器来进行判定是否到达了工件的长度，以此来确定刀具下降过程是否切削完成，如果没有到达则判定结果为N，继续下降直到为Y为止。如果判定结果为Y，则发出停止下降指令，然后系统返回。图4.2 左移子程序和下降子程序框图下图所示（见图4.3）的是右移子程序和上升子程序框图，先介绍右移子程序。当刀具需要右移且判定结果为Y时，进入了这个右移子程序。开始之后，系统发出了右移的指令，然后刀具开始进行右移的进程，依据刀具行程传感器来进行判断刀具是否到达了Y轴的位置。如果判定结